浙江野生櫻花枝干及葉片形態(tài)變異分析

蔣冬月，沈 鑫，陳雅靜，鄒宜含，吳 帆，李因剛，柳新紅

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.中國(guó)科學(xué)院 植物研究所，北京 100093）

櫻花是薔薇科Rosaceae李亞科Prunoideae櫻屬Cerasus典型櫻亞屬植物（Subg.Cerasus）的泛稱。全世界約150種，分布于亞洲、歐洲、北美洲等北半球溫和地帶，主要種類分布在中國(guó)、日本和朝鮮［1］。中國(guó)有38種8變種［2］，其中：浙江省有10種，占全國(guó)資源的1/4［3］。櫻花Cerasus是浙江省早春開花植物之一，花期一般在2-5月，株型優(yōu)美，花型豐富，花色艷麗，有白色、粉色、玫紅色、深紅色等；花朵數(shù)量多，獨(dú)樹成景，是優(yōu)良的園林觀花喬木，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。櫻花利用方面，中國(guó)尚處于較為落后的狀態(tài)。目前栽培的品種大多引自于日本，且品種相對(duì)單一，以染井吉野C.×yedoensis‘Someiyoshino’，關(guān)山C.serrulata‘Kanzan’和普賢象C.serrulata‘Albo-rosea’等幾個(gè)品種為主，多數(shù)品種適應(yīng)性較差。浙江省櫻花野生種類豐富，具有品種選育的基因資源優(yōu)勢(shì)；與栽培品種相比，由于長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境條件的變化以及不斷抵御生物和非生物脅迫，野生種在進(jìn)化過程中形成并積累了豐富的遺傳變異和有益基因資源，在育種的目標(biāo)性狀選擇等遺傳改良方面，具有十分重要的作用。然而，由于櫻花資源分布廣泛，花期相對(duì)集中且較短，僅依靠花部形態(tài)的收集很難在短時(shí)間內(nèi)完成野生櫻花種類的鑒定及優(yōu)株篩選。植物枝干及葉片形態(tài)的變異以其自身的遺傳為基礎(chǔ)，是種質(zhì)資源鑒定和篩選的重要依據(jù)。目前，關(guān)于櫻花的研究主要集中在繁殖技術(shù)［4-8］、 地理起源分布［9-11］、群落特征［12-17］、親緣關(guān)系［18-21］等方面，關(guān)于其枝干、葉片研究的相關(guān)報(bào)道僅見于葉部腺體［22］、表皮毛被［23］、花粉結(jié)構(gòu)［24］等微形態(tài)學(xué)的研究，缺乏對(duì)枝干、葉片形態(tài)變異全面系統(tǒng)的論述。因此，本研究以浙江省野生櫻花資源為試驗(yàn)材料，通過對(duì)其枝干、葉片形態(tài)性狀進(jìn)行調(diào)查和分析，以揭示浙江省野生櫻花種間及種內(nèi)枝干、葉片形態(tài)的變異大小和遺傳規(guī)律，為野生櫻花物種鑒定和品種培育提供有力證據(jù)，也為科學(xué)合理地保護(hù)和利用浙江省現(xiàn)有的野生櫻花資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省位于中國(guó)東部沿海，處于歐亞大陸與西北太平洋的過渡地帶。該地帶屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。四季分明，氣溫適中，年平均氣溫15.0～18.0℃；光照較多，年平均日照時(shí)數(shù)1 710～2 100 h。雨量豐沛，年平均降水量為 980～2 000 mm［25］。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)浙江省野生櫻花的分布情況，在全省范圍內(nèi)設(shè)計(jì)調(diào)查點(diǎn)，于2015-2016年連續(xù)2 a深入分布地進(jìn)行調(diào)查。最終確定以主要分布的6種，2變種為試驗(yàn)材料，包括迎春櫻C.discoidea，浙閩櫻C.schneideriana，大葉早櫻C.subhirtella，山櫻花C.serrulata，毛葉山櫻花C.serrulatavar.pubescens，華中櫻C.conradinae，毛萼華中櫻C.conradinaevar.trichocalyx和尾葉櫻C.dielsiana，進(jìn)行形態(tài)指標(biāo)的調(diào)查與測(cè)量。

1.3 形態(tài)性狀測(cè)量方法

本研究選定了50個(gè)形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行觀測(cè)，其中葉片及托葉性狀34個(gè)（表1，圖1），枝條的相關(guān)性狀16個(gè)（表2）。選取10～15株·種-1，取中部東西南北側(cè)枝條各3個(gè)·株-1，并隨機(jī)選擇50片成熟葉片進(jìn)行性狀測(cè)量；顏色的測(cè)量依據(jù)英國(guó)園林園藝植物比色卡。

表1 葉片形態(tài)性狀及編碼Table 1 Morphological traits of leaf and code

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)數(shù)值性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，計(jì)算其變異系數(shù)VC=標(biāo)準(zhǔn)差/均值×100%，進(jìn)行單因素方差分析；二元和多態(tài)性狀進(jìn)行形態(tài)變異的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)H′，H′=-Σpilnpi，pi為某一性狀第i級(jí)內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比［26］；對(duì)變異較大的性狀進(jìn)行主成分分析。本研究所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 野生櫻花葉片、枝干數(shù)值性狀的變異分析

對(duì)野生櫻花葉片和枝干的18個(gè)數(shù)值型性狀進(jìn)行單因素方差分析可知，株高在8個(gè)種（變種）間差異不顯著，枝下高在種間差異顯著（P＜0.05），其余16個(gè)性狀在種間差異均為極顯著（P＜0.01）。葉片和枝干數(shù)值型性狀在種間的變異系數(shù)為14.05%～64.15%，其中，葉長(zhǎng)的種間變異系數(shù)最小，胸徑的最大。種間變異系數(shù)達(dá)30%以上的性狀有10個(gè)，包括葉片性狀5個(gè)，分別是托葉長(zhǎng)、葉面積、托葉寬、葉柄/葉片長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)；其中，葉柄長(zhǎng)的種間變異系數(shù)最大，達(dá)53.07%。除分枝角度外，其余枝干性狀的變異系數(shù)均大于30%，說明枝干性狀在不同種間變異幅度大。

表2 枝條性狀及編碼Table 2 Cerasus branch traits and code

櫻花各性狀的種內(nèi)變異大部分均小于種間變異，如葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)、葉面積、托葉長(zhǎng)等。不同櫻花葉長(zhǎng)、葉面積的種內(nèi)變異系數(shù)為9.15%～13.99%和18.09%～30.10%，其中，毛葉山櫻花的葉長(zhǎng)、葉面積變異最豐富，葉長(zhǎng)為71.51～150.48 mm，葉面積為1 424.70～8 279.84 mm2；而浙閩櫻的葉長(zhǎng)和葉面積的數(shù)值較為集中。葉寬和東西冠幅的種內(nèi)變異系數(shù)分別為12.62%～16.76%和7.14%～46.15%，華中櫻葉寬變異程度較大，毛萼華中櫻葉寬的離散程度最小。葉柄長(zhǎng)的種內(nèi)變異系數(shù)為20.20%～41.30%，其中大葉早櫻的變異系數(shù)最大，山櫻花的變異系數(shù)最小，還不足其種間變異系數(shù)的1/2。葉柄/葉片長(zhǎng)、葉頂端夾角、胸徑的種內(nèi)變異系數(shù)分別為20.80%～45.99%，10.42%～15.88%和4.52%～51.88%，這3個(gè)性狀中均為毛萼華中櫻的變異系數(shù)最小，大葉早櫻的種內(nèi)變異系數(shù)最大。托葉長(zhǎng)的種內(nèi)變異系數(shù)以毛萼華中櫻最小，僅為15.65%，毛葉山櫻花最大，為28%；南北冠幅的種內(nèi)變異系數(shù)以尾葉櫻最大，毛萼華中櫻最小。另外，在葉形指數(shù)、葉緣齒數(shù)、葉基部夾角、托葉寬、株高等性狀中發(fā)現(xiàn)少數(shù)種的種內(nèi)變異系數(shù)大于種間變異系數(shù)的現(xiàn)象，主要存在于華中櫻和大葉早櫻中。

圖1 櫻花葉片結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Leaf of Cerasus

2.2 野生櫻花葉片、枝干數(shù)值性狀的相關(guān)性分析

野生櫻花數(shù)值型性狀間的相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著水平（P＜0.05）的有70個(gè)，包含極顯著水平（P＜0.01）的有50個(gè)。其中，葉柄長(zhǎng)與葉柄/葉片長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)最大，為0.97，其次是葉寬與葉面積的相關(guān)性較高，達(dá)0.95。托葉寬與株高不相關(guān)，葉寬與葉形指數(shù)、葉形指數(shù)與葉基部夾角均表現(xiàn)出較高的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.71和-0.70。由此可見，大部分?jǐn)?shù)值性狀間彼此相關(guān)，甚至高度相關(guān)，包含了大量的重復(fù)信息，所以可以進(jìn)行主成分分析。

2.3 野生櫻花枝干、葉片二元及多態(tài)性狀的多樣性分析

對(duì)野生櫻花葉片和枝干的32個(gè)二元及多態(tài)性狀進(jìn)行頻率分布和多樣性統(tǒng)計(jì)，各性狀在櫻花中的平均多樣性指數(shù)為0.03～1.28（表3～4）。其中，小枝毛被和托葉齒端腺體的平均多樣性指數(shù)最低，幼葉反面顏色最高。6種櫻花在野外的長(zhǎng)勢(shì)均中等，樹干皮孔均橫列；成熟葉片正面為深綠色，葉柄上部均有盤狀腺體；托葉綠色、羽裂，齒端均有腺體。毛萼華中櫻小枝上有中度的毛被，其余種小枝上均無毛，且該變種多態(tài)性狀在變種內(nèi)穩(wěn)定，故表4中不再單獨(dú)列出。華中櫻葉片邊緣單鋸齒分布頻率為60%，其余種葉片邊緣均為重鋸齒。大葉早櫻葉片齒端無腺體，其他均有。在這些性狀中，葉形、幼葉顏色、成葉反面顏色、嫩枝顏色、小枝顏色和老枝顏色7個(gè)性狀在櫻花中平均多樣性指數(shù)均在0.95以上，說明這些性狀在各種內(nèi)多樣性豐富。

2.4 櫻花枝干及葉片性狀的主成分分析

將櫻花18個(gè)數(shù)值型性狀和7個(gè)遺傳多樣性指數(shù)較高的多態(tài)性狀轉(zhuǎn)化為25個(gè)主成分進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：第1主成分的特征值為6.18，方差貢獻(xiàn)率為24.71%，代表了櫻花枝干、葉片性狀信息的24.71%，是最重要的主成分；其中，葉寬、葉長(zhǎng)、葉面積、葉柄長(zhǎng)、托葉長(zhǎng)寬、葉柄/葉片長(zhǎng)、葉片最寬處距葉尖距離和葉基部夾角在第1主成分上具有較高載荷，均在0.50以上，說明第1主成分基本反映了這些指標(biāo)的信息。冠幅、胸徑、分枝角度、株高和枝下高在第2主成分具有較高載荷；葉形指數(shù)在第3主成分上載荷最高，為0.67，其次是老枝顏色；葉柄/葉片長(zhǎng)、幼葉正反面顏色在第4主成分上載荷較高；前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為54.87%。第5主成分與嫩枝顏色、幼葉顏色（正）、葉形相關(guān)性較高，第6主成分與葉形、成葉顏色（反）相關(guān)性較高，第7主成分與成葉顏色（反）、葉緣齒數(shù)的相關(guān)系數(shù)均在0.4以上，第8主成分與枝下高的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.49。前8個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為76.85%，已經(jīng)將櫻花枝干和葉片性狀70%以上的信息反映出來；因此，可以提取前8個(gè)主成分作為野生櫻花枝干和葉片形態(tài)性狀評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)（表5）。

表3 華中櫻二元及多態(tài)性狀的頻率分布Table 3 Frequence distribution of traits Cerasus conradinae

表4 野生櫻花二元及多態(tài)性狀的多樣性Table 4 Diversity index of Cerasus traits

第1主成分反映了葉片的主要性狀，第2主成分反映了枝干的主要性狀，前2個(gè)主成分在8個(gè)主成分中所占的比例最大；以第1主成分值為橫坐標(biāo)，第2主成分值為縱坐標(biāo)，對(duì)櫻花種質(zhì)資源進(jìn)行聚類。由圖2可知：91份野生櫻花單株可分為5大類，第Ⅰ類為大葉早櫻類；第Ⅱ類為華中櫻類，其變種毛萼華中櫻聚在一起；第Ⅲ類為迎春櫻類，第Ⅳ類主要為尾葉櫻類；第Ⅴ類為山櫻花類，其變種毛葉山櫻花聚在一起。其中，浙閩櫻并沒有成為獨(dú)立的一類，而是位于尾葉櫻和毛葉山櫻花的中間。此結(jié)果說明：通過前2個(gè)主成分可將5類櫻花大體區(qū)分出來，但僅依靠枝干和葉片的性狀差異，無法將浙閩櫻從其他野生櫻花中區(qū)分出來；若要進(jìn)一步分類，還需加入更多其他性狀。

3 結(jié)論與討論

形態(tài)性狀是指那些肉眼可以觀察或儀器可以直接測(cè)量的植物表觀特征，如枝干不同時(shí)期的顏色、有無被毛，葉片的長(zhǎng)寬、面積、鋸齒數(shù)、齒端腺體，托葉的形狀、長(zhǎng)寬、有無腺體等；具有簡(jiǎn)單、便于識(shí)別、快速等特點(diǎn)。形態(tài)性狀研究是探討植物遺傳變異和多樣性最直接、最基礎(chǔ)的方法［27-28］，是在短期內(nèi)對(duì)種質(zhì)資源變異進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要手段；同時(shí)也是大多數(shù)植物種質(zhì)鑒定的基礎(chǔ)［29］。作為中國(guó)主要分布的觀花喬木，櫻花分布廣泛，花期相對(duì)集中且較短，僅依靠花部形態(tài)的收集很難在短時(shí)間內(nèi)完成野生櫻花種類的鑒定及優(yōu)良單株的篩選；而葉片和枝干作為櫻花重要的同化器官，其形態(tài)特征直接影響到植物的基本行為和功能［30］，其性狀具有一定的觀賞特性，且性狀穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，便于觀測(cè)［31］；因此，櫻花枝干和葉片性狀的研究在櫻花初期研究中具有重要的意義。本研究選取了櫻花枝干和葉片的50個(gè)形態(tài)學(xué)性狀，數(shù)值型性狀18個(gè)，除株高外，其余17個(gè)性狀在種間差異顯著，其中16個(gè)極為顯著。這些性狀在不同種間的變異系數(shù)為14.05%～64.15%。變異系數(shù)表示性狀離散程度，可在消除量綱的情況下間接反映不同個(gè)體或群體在不同性狀上的變異程度，變異系數(shù)越大，則性狀值離散程度越大［32］。葉片性狀中托葉長(zhǎng)、葉面積、托葉寬、葉柄/葉片長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)的種間變異系數(shù)均大于30%；枝干性狀中除分枝角度外，其余性狀的變異系數(shù)均大于30%；說明這些性狀在不同種間變異幅度較大，性狀多樣性豐富。另外，各種內(nèi)個(gè)體之間也存在著各種形態(tài)變異。研究發(fā)現(xiàn)：櫻花各性狀的種內(nèi)變異大部分均小于種間變異，這與紅櫸Zelkova schneideriana［33］， 印楝屬Azadirachta［34］， 杜鵑紅山茶Camellia azalea［27］， 云南櫻花Cerasus yunnannensis［35］等植物的研究結(jié)果一致。同時(shí)，對(duì)野生櫻花葉片和枝干的32個(gè)二元及多態(tài)性狀進(jìn)行頻率分布和多樣性統(tǒng)計(jì)表明，葉形、幼葉顏色、成葉反面顏色、嫩枝顏色、小枝顏色和老枝顏色7個(gè)性狀在櫻花中平均多樣性指數(shù)均在0.95以上，說明這些性狀在各種內(nèi)多樣性豐富，有較大的改良潛力，可為

優(yōu)良種質(zhì)資源的篩選提供依據(jù)。

表5 櫻花枝干及葉片性狀的主成分的貢獻(xiàn)率和因子載荷矩陣Table 5 Contributive percentage and factor loading matrix from principal components analysis

植物在適應(yīng)和演化過程中，不同形態(tài)性狀之間往往通過相互調(diào)節(jié)達(dá)到適應(yīng)環(huán)境的目的。一個(gè)形態(tài)性狀的改變亦直接或者間接導(dǎo)致其他性狀的變化，因此，形態(tài)性狀間相關(guān)性是植物資源研究和利用的重要內(nèi)容［28，36］。本研究發(fā)現(xiàn)：櫻花各數(shù)值性狀間彼此相關(guān)，達(dá)到顯著水平的有70個(gè)，包含了大量的重復(fù)信息，可利用主成分分析對(duì)眾多的性狀進(jìn)行降維，從而使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確和客觀。通過主成分分析方法將18個(gè)數(shù)值型性狀和7個(gè)多樣性指數(shù)較高的多態(tài)性狀轉(zhuǎn)化為25個(gè)主成分，最終綜合為8個(gè)主成分，綜合了枝干和葉片的主要特性，其代表性達(dá)76.85%。根據(jù)前2個(gè)主成分值，對(duì)91份櫻花種質(zhì)資源進(jìn)行聚類，可分為大葉早櫻類、華中櫻類、迎春櫻類、尾葉櫻、山櫻花類，說明主成分分析的方法在這5種櫻花枝干、葉片的性狀分析中是可行的，可將大量的性狀綜合為8個(gè)主成分，以便在今后的選育過程中利用少數(shù)幾個(gè)因子進(jìn)行優(yōu)良單株篩選，從而提高選擇效率。

櫻花種質(zhì)資源枝干、葉片形態(tài)特征和多樣性的研究說明浙江省主要分布的8種（變種）櫻花枝干、葉片性狀差異顯著，變異幅度大，多樣性豐富，說明這些性狀在遺傳改良中具有較大的潛力，可為今后櫻花物種鑒定、優(yōu)良親本選擇、遺傳改良及新品種選育提供有效的信息。

圖2 基于形態(tài)性狀的櫻花種質(zhì)資源主成分分析Figure 2 Principal component analysis of Cerasus based on morphologic traits