基于花器官特征的油茶遗传多样性分析

傅志强，袁 汕，申春晖，张 恒，陈锐帆，奚如春,b

（华南农业大学 a. 林学与风景园林学院；b. 广东省森林植物种质创新与利用重点实验室，广东 广州 510642）

油茶Camellia oleifera是山茶科Theaceae山茶属Camellia油用植物资源的总称，与油橄榄Olea europaea、油棕Elaeis guineensis、椰子Cocos nucifera合称为世界四大木本油料作物[1-2]。目前我国油茶栽培总面积约4.37×105hm2，年产茶油约7.0×108kg，主要分布于湖南、江西、广西、广东、安徽、福建、湖北等省（区）[3-4]。我国油茶种质资源丰富，现已通过国家审定的油茶良种有375个。主栽油茶物种有普通油茶、小果油茶C. meiocarpa、越南油茶C. vietnamensis、攸县油茶C. grijsii、浙江红花油茶C. chekiangoleosa、广宁红花油茶C. semiserrata、腾冲红花油茶C. reticulate等 13 个[5]。

表型性状分析对于遗传关系研究、新品种选育和种质资源评价具有重要参考价值[6]。花是植物重要繁殖器官，其在植物进化过程中适应多变环境及成功繁育方面均发挥着重要作用[7]。目前，西伯利亚杏[8]Armeniaca sibirica、欧洲李[9]Prunus domestica、秋子梨[10]Pyrus ussuriensis和长梗扁桃[11]Prunus pedunculata等花器官的表型性状分析已有报道。陈永忠等[12]对油茶果实数量性状进行了研究，将其划分为高含油类、高出籽类、大籽类、皮薄类和大果类等5大类。目前油茶研究主要集中于繁殖栽培[13-14]、生理生化[15]及品种选育[16]等方面，但关于其花器官数量特征研究还仅限于单一品种[17-18]，对类群花器官数量特征的遗传多样性研究未见相关报道。本研究基于对广东现有主栽的15个油茶品系，通过调查测定花器官各数量性状特征，采用概率分级、遗传多样性、聚类分析等数学方法对其数量性状进行综合分析，初步探索建立花器官数量性状的分级评价体系，以期为油茶种质资源评价与利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为广东省韶关市曲江区国有小坑林场国家油茶种质资源圃（113°35′E，24°15′N）内收集栽培的15个油茶栽培品种（表1）。该试验林于2018年采用2 a生嫁接苗营造，株行距2.5 m×3.0 m。试验设计为3个随机区组，每区组内各品系栽植10株。林地管理按照常规标准进行。目前试验林生长良好，并已进入投产期。

表1 参试品种信息Table 1 Information on the tested varieties

1.2 性状观测与记录

于2021年10—12月盛花期，在各区组内，分别随机采集各品系30朵盛开的完全花，采用解剖法测定记录花萼数/个（X1）、花瓣数/片（X2）、柱头开裂数/个（X3）；用数显游标卡尺测定花冠直径/cm（X4）、雄蕊群直径/cm（X5）、花瓣长/cm（X6）、花瓣宽/cm（X7）、内雄蕊高/cm（X8）、外雌蕊高/cm（X9）、花柱高/cm（X10），并计算花瓣长宽比（X11）。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2020软件对数据进行平均值、标准差、变异系数、遗传多样性分析；采用Origin Pro2019b软件对11个性状进行R型聚类分析，聚类方法以Pearson相关性为度量标准；采用SPSS 22.0软件对数据进行相关性分析、主成分分析，其中主成分分析将多项指标转化为少量综合指标，根据聚类分析、主成分分析，去除相关性较大和贡献率较小的指标。

1）Shannon-weaver多样性指数（H′）计算公式为：

式中：Pi为某个性状第i个级别出现的概率，ln为自然对数e，e≈2.71828。

2）Simpson多样性指数（D）计算公式为：

2 结果与分析

2.1 花器官性状特征比较

将收集15个品种的11个花器官性状进行统计分析可知（表2），不同品种的花器官数量性状特征存在较大差异。其中，花萼数最多的湘林1号为7.90个；花瓣数量、雄蕊群直径、花冠直径、花瓣宽、花瓣长值最大的为高州油茶，分别为8.27片、2.72 cm、8.99 cm、3.30 cm、4.86 cm；柱头开裂数、外雄蕊高、花柱高最大值均为华鑫，分别为4.57个、1.86 cm、1.68 cm；花瓣长宽比、内雄蕊高最大值均为岑软3号，分别为1.82、1.00 cm。

表2 参试品种花器官数量性状特征值Table 2 Quantitative traits of floral organs of the tested varieties

2.2 花器官性状的概率分级及遗传多样性分析

概率分级结果表明（表3），油茶花器官的11个数量性状均符合正态分布（Sig.值＞0.05）。因此，采用（X-1.2828S）、（X-0.5246S）、（X+0.5246S）和（X+1.2818S）等4个分点值分为5个等级，使1～5级的概率出现分别为10%、20%、40%、20%和10%[19]。其中X代表各性状平均值，S代表各性状标准差。

花器官性状频率分布及多样性分析结果表明（表4），各性状Shannon-Wiener指数范围为0.991～1.525，平均值为1.395；Simpson指数范围为0.604～0.764，平均值为0.702。其中，柱头开裂数的Shannon-Wiener多样性指数和Simpson指数均最大，雄蕊群直径的Shannon-Wiener指数和Simpson指数值均最小，分别为0.991和0.604。花器官性状各级比例范围在0～53.33%之间。其中，花瓣长、花瓣宽和花柱高Ⅲ级占比较高，均为53.33%。整体来看，花器官数量性状在Ⅲ级占比较高，平均为44.85%，Ⅰ级占比较低，平均为8.48%。

表3 油茶花器官数量性状正态性检验及概率分级Table 3 Normality test and probability grading of camellia flower organ quantitative traits

表4 油茶花器官数量性状频率分布及多样性指数Table 4 Frequency distribution and diversity index of quantitative traits of camellia flower organs

性状变异结果表明（表5），花器官性状变异范围为8.82%～20.24%。其中，雄蕊群直径变异系数最大，为20.24%，说明该性状变异较为丰富，外雄蕊高变异系数最小，为8.82%，说明该性状较为稳定。花萼数量为5.43～7.90个，平均6.53个；花瓣数量为5.43～8.27片，平均6.50片；柱头开裂数为3.00～4.57个，平均3.69个；花冠直径为5.05～8.99 cm，平均6.42 cm；雄蕊群直径为1.35～2.72 cm，平均1.71 cm；花瓣长为2.43～4.86 cm，平均3.11 cm；花瓣宽为1.57～3.30 cm，平均2.10 cm；花瓣长宽比为1.12～1.82，平均1.50；内雄蕊高为0.69～1.00 cm，平均0.85 cm；外雄蕊高为1.35～1.86 cm，平均1.61 cm；花柱高为1.01～1.68 cm，平均为1.36 cm。

2.3 R型聚类分析

R型聚类分析可揭示各性状间的相关性，对11个花器官性状进行R型聚类分析，以Pearson相关性为度量标准，对其进行聚类分析（图1）。结果表明，花冠直径与花瓣长呈高度相关（r=0.97），其他性状指标较分散，且存在一定的相对独立性。

表5 油茶花器官数量性状的变异情况Table 5 Variation of quantitative traits of camellia flower organs

图1 R型聚类分析图Fig. 1 R-type cluster analysis diagram

2.4 主成分分析

对11个花器官性状进行主成分分析（表5），结果表明，特征值大于1的主成分共有4个，累计贡献率为85.932%，可代表这11个性状的大部分信息。主成分1贡献率为40.057%，占比较大的性状为花冠直径（0.884）、花瓣长（0.930）和花瓣宽（0.901）；主成分2贡献率为26.118%，占比较大的性状为花瓣长宽比（0.890）和内雄蕊高（0.898）；主成分3贡献率为10.160%，占比较大的性状为柱头开裂数（0.910）；主成分4贡献率为9.597%，占比较大的性状为花萼数（0.806）。

表6 主成分分析Table 6 Principal component analysis

2.5 Q型聚类

通过对11个性状进行R型分析和主成分分析，花冠直径与花瓣长相关系数较大，存在性状重叠，但主成分分析结果表明，花冠直径与花瓣长特征向量值均较大，因此对这两个性状均予以保留。因此，对花冠直径、花瓣长、花瓣宽、花瓣长宽比、内雄蕊高、柱头开裂数等6个性状进行Q型聚类分析。

Q型聚类分析结果表明（图2），在欧式距离为1.4时，15个参试油茶品种可分为4类，Ⅰ类有9种，包括岑软2号、华硕、赣州油7号、华鑫、湘林1号、粤连74-4、湘林210、长林4号和粤连74-5；Ⅱ类有3种，包括华金、长林40号、长林53号；Ⅲ类有2种，包括岑软3号和赣州油1号；Ⅳ类有1种，包括高州油茶。

根据分类结果，Ⅰ类属中小花型，花瓣长为2.65～3.24 cm，花冠直径为5.33～6.81 cm，雄蕊群直径为1.44～1.87 cm；Ⅱ类属小花型，花瓣长为2.43～2.58 cm，花冠直径为5.05～5.43 cm，雄蕊群直径为1.35～1.53 cm；Ⅲ类属中花型，花瓣长为3.66～3.92 cm，花冠直径为7.80～7.91 cm，雄蕊群直径为1.45～2.17 cm；Ⅳ类属大花型，花瓣长4.86 cm，花冠直径为8.99 cm，雄蕊群直径为2.72 cm。

图2 Q型聚类分析图Fig. 2 Q-type cluster analysis diagram

3 结论与讨论

3.1 结 论

本研究的15个参试品种为我国各省油茶的主栽品种，代表性较强，选择其作为花器官数量性状分级研究对象较为合适。通过对各参试油茶品种的花器官性状进行数理统计分析，结果表明：不同品种花器官数量性状存在较大差异，油茶花器官数量性状遗传多样性丰富，各性状变异范围较广。各性状Shannon多样性指数和Simposn多样性指数大小依次为：柱头开裂数＞花瓣长宽比＞外雄蕊高＞花瓣数、花萼数＞内雄蕊高＞花瓣宽＞花柱高＞花瓣长＞花冠直径＞雄蕊群直径；各性状变异系数大小依次为：雄蕊群直径＞花瓣宽＞花瓣长＞花冠直径＞花瓣长宽比＞柱头开裂数＞花柱高＞花瓣数＞内雄蕊高＞花萼数＞外雄蕊高；聚类分析与主成分分析筛选出6个重要性状分别为：花冠直径、花瓣长、花瓣宽、花瓣长宽比、内雄蕊高、柱头开裂数；15个油茶种质资源被分为4类，Ⅰ类属中小花型，Ⅱ类属小花型，Ⅲ类属中花型，Ⅳ类属大花型。

3.2 讨 论

基因型差异和外部环境是影响花器官性状特征的重要因素，对其性状进行概率分级、遗传多样性分析及变异分析具有重要意义[20]。数量性状分级方法较多，如朗彬彬等[21]依据猕猴桃性状数值频率分布采用等距法对符合正态分布的数量性状划分为5级。然而，这种传统的等距法分级虽然计算较为简便，但由于人为误差和客观存在的认知障碍，分级点的选取可能存在误差[22]。本研究根据刘孟军等[19]对11个花器官性状进行概率分级，各性状指标分为5个等级，确定了11个数量性状的分级范围，其中花器官数量性状各级比例范围为0～46.67%，总体符合概率分级标准。对于呈偏态分布的性状，可能是种质资源不同，导致其性状概率分级存在一定偏差。该研究结果填补了油茶花器官数量性状分级的空白，分级结果可作为油茶花器官数量性状的分级依据。探究表型多样性是了解遗传变异的重要手段，植物资源的开发利用离不开对表型性状的测定与分析[23]。11个性状的Shannon-Wiener多样性指数范围为0.991～1.525，Simpson多样性指数范围为0.604～0.764，变异系数范围为8.82%～20.24%，说明其具有相对较为丰富的遗传多样性，变异程度较大。雄蕊群直径变异系数较大而Shannon-Wiener指数和Simpson指数均较小，即变异程度越高，多样指数则越小，这与吴春文等[24]的研究结果一致。

由于植物性状繁多，因此选取关键性状是进行植物分类的关键。R型聚类分析目的是分析各指标之间的相关性，选取合理指标，避免指标间的重叠性。邓绍勇等[25]对栀子的32个形态学性状进行R型聚类，并根据栀子性状特征，剔除了花萼齿长和果萼齿长等指标，确保性状选取合理。本研究结果表明，各指标间性状存在一定的关联性，且相互独立，这与薛昱婷等[26]的研究结果一致，说明各性状指标选取较为合理。主成分分析是将多个相关变量缩减为少数相关性较少的综合指标，从而比较各性状在各主成分的贡献率，以此对重要指标进行筛选。在本研究中，通过对11个性状进行R型聚类分析和主成分分析后，共筛选花冠直径、花瓣长、花瓣宽、花瓣长宽比、内雄蕊高、柱头开裂数等6个重要指标。Q型聚类分析根据6个性状将15个品种分为4种类型：Ⅰ类为中小花型，Ⅱ类为小花型，Ⅲ类为中花型，Ⅳ类为大花型。通过分析4个类群花器官大小平均值，认为该分类方法较为科学合理。同一系列未被聚类到一起，这可能是因为相关研究人员在种质资源调查过程中根据其形态特征差异进而选育出新品种，造成同一系列花器官形态差异较大。

在该研究中，品种选择方面涉及多地（市、区）主栽油茶品种，能较好地代表其花器官数量特征。由于本研究是在广东省进行，鉴于数量性状受环境因素影响较大，该研究结果可能不完全适用于其他生态区域，因此需根据品种在不同生态区域的表现对分级范围进行相应地调整。此外，由于油茶各品种开花物候特征不同，花期不一致，在品种数量存在一定的局限性[27-28]。因此，在后续研究中要加大品种调查力度，增加花器官数量及质量性状等指标，以此完善油茶花器官分类系统。同时还可以增加枝条、果实、叶片特征等器官进行综合分类，并结合分子标记来验证表型性状分类系统的准确性。