基于主成分分析評價園林小菊資源在西寧地區(qū)的適應(yīng)性

王啟璋, 王海濱, 田潔,3*

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院, 青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室, 西寧 8100162； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 南京 210095； 3.青海大學(xué)，省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室, 西寧 810016)

菊花(Chrysanthemummorifolium)是菊科菊屬宿根觀賞性植物，根據(jù)其應(yīng)用方式可分為切花菊、盆栽菊、園林小菊等[1-2]。園林小菊因其株型低矮、花枝繁多、花色鮮艷、冠形豐滿，成為城鄉(xiāng)綠化和景觀造型的新選擇，具有極高的經(jīng)濟價值和推廣前景[3-4]。由于園林小菊對環(huán)境的適應(yīng)性較強，目前其栽培范圍遍及華東、華中、華南和華北地區(qū)。研究表明，園林小菊因兼具抗旱、抗寒和耐鹽堿等特性，目前已在寧夏[5]、甘肅[6]、新疆[7]等西北地區(qū)成功引種。在園林小菊引種馴化過程中，資源特性以及栽培適應(yīng)性評價是引種工作的重要環(huán)節(jié)。評價園林小菊品種除要鑒定其觀賞價值(觀察花朵繁密度、冠叢圓整性、花心顏色、觀花期長短、花色持久度、瓣型等質(zhì)量性狀)外，還需進行栽培適應(yīng)性的評價，包括株高、葉長、葉寬等形態(tài)指標及葉片中葉綠素、可溶性糖、蛋白質(zhì)含量等生理指標[8-10]。目前，評價菊花資源的方法很多，例如朱德寧等[11]通過專家咨詢法、層次分析法和聚類分析將菊花資源分為優(yōu)、良、中、差四個等級；代震等[12]利用多態(tài)性和聚類分析將懷菊花劃分為大懷菊、小懷菊和野菊花3類；蔣琴杰等[13]利用主成分分析和模糊綜合評價法從11份菊花資源中篩選出符合市場需求的菊花品種，開辟了菊花資源篩選新途徑；張朋等[14]以杭菊為材料，對外觀品質(zhì)的初步篩選后，綜合運用主成分分析、聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)等方法對杭白菊種質(zhì)的耐鹽性進行綜合評價，篩選適宜逆境生長的菊花資源，為品種引進工作提供了指導(dǎo)。由于高原氣候條件特殊，導(dǎo)致菊花品種單一、優(yōu)良品種較少，園林綠化產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲緩。目前，在青海高原的引種栽培尚未見系統(tǒng)研究。因此，開展園林小菊在西寧地區(qū)的適應(yīng)性評價，篩選出適合在高原氣候下推廣應(yīng)用的小菊優(yōu)良品種，對于高原觀賞植物產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。本研究引進7份園林小菊，分別測定了其花器官質(zhì)量性狀和植株生長指標，采用相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析和綜合評價對其進行觀賞性及栽培適應(yīng)性評價，旨在篩選出適宜青海地區(qū)栽培的優(yōu)異園林小菊資源，為下一步高原地區(qū)優(yōu)異菊花資源的引種推廣、選育及遺傳育種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以7份金陵系列園林小菊資源(表1)為供試材料，其扦插生根苗由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)菊花種質(zhì)資源保存中心提供。

表1 園林小菊資源信息表

1.2 試驗方法

試驗于2019年6—10月在青海省農(nóng)林科學(xué)院園藝創(chuàng)新基地內(nèi)進行。2019年6月5日，將7份園林小菊資源的扦插生根苗定植于薄膜溫室，株距0.4 m，行距0.4 m。于定植后20 d開始摘心，隨后每15 d摘心一次，直至菊花現(xiàn)蕾后停止摘心。待到菊花盛花期(10月15日)依據(jù)《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性(DUS)測試指南——菊花》[16]調(diào)查不同品種的株高(plant height，PH)、主莖粗(main stem diameter，MSD)、冠幅(crown width，CW)、花朵數(shù)量(flower number，F(xiàn)N)、單花重(single flower weight，SFW)、葉長(leaf length，LL)、葉寬(leaf width，LW)、葉片重(leaf weight，LWT)、花層數(shù)(flower layers number，F(xiàn)LN)和花徑(flower diameter，F(xiàn)D)。參照不同菊花品種的評價指標和評價標準[19]，對不同品種的株型(plant compactedness，PC)、花型(flower morphology，F(xiàn)M)、瓣型(petal morphology，PM)、花色持久度(color persistency，CP)、花朵繁密度(numerous density of flower，NDF)、冠叢圓整性(crown roundness，CR)、花心顏色(color of flower center，CFC)和觀花期(flowering duration，F(xiàn)D)進行調(diào)查。

葉片可溶性糖(soluble sugar，SS)、可溶性蛋白質(zhì)(soluble protein，SP)、游離氨基酸(free amino acid，F(xiàn)AA)、葉綠素a(chlorophyll a，Chl a)、葉綠素b(chlorophyll b，Chl b)和類胡蘿卜素(carotinoid，Car)含量的測定參考李合生的《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》[17]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010統(tǒng)計菊花資源數(shù)量性狀的平均值、標準差、變異系數(shù)及多樣性指數(shù)[18]。利用DPS 9.0進行數(shù)據(jù)標準化，采用 SPSS 20.0軟件進行相關(guān)分析、SIMCA-P軟件進行主成分分析、R語言ggtree包進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同菊花資源的觀賞性評價

對7份園林小菊的的觀賞性進行評價分析，結(jié)果(表2、圖1)表明：8個質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)為0.41～1.00。株型多樣性指數(shù)最高(1.00)；其次是花朵繁密度、冠叢圓整性、花心顏色和觀花期，多樣性指數(shù)均達到0.96；而瓣型的多樣性指數(shù)最低，僅0.41。7份品種的花型以蓮座型為主，占71.43%；瓣型以平瓣為主，占85.71%；花色持久度高的品種占71.43%。綜上所述，7份菊花品種在花朵繁密度、花色、冠叢圓整性、花心顏色等差異較大、觀花期不一致，表明7份園林小菊品種花器官形態(tài)多樣、變異豐富。

圖1 7份園林小菊資源的花器官形態(tài)

表2 7份園林小菊品種的觀賞性狀

2.2 不同品種的表型比較

對7份園林小菊資源的株高、主莖粗、葉長、葉寬、葉重、花朵數(shù)、單花重、花層數(shù)、花徑和冠幅共10個數(shù)量性狀進行統(tǒng)計分析，結(jié)果(表3)表明，各性狀變異豐富。其中，‘金陵玫瑰金’的主莖粗、冠幅和小花數(shù)均顯著高于其他品種；‘金陵赤心’的主莖粗、單花重、葉片重和花徑顯著高于其他品種；‘金陵紅荷’的葉長、葉寬、主莖粗和葉片重顯著高于其余品種；‘金陵瀲滟’的株高、冠幅和葉長顯著高于其他品種。綜上表明，‘金陵赤心’‘金陵玫瑰金’和‘金陵紅荷’表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。

2.3 不同品種的生理指標分析

對7份園林小菊資源葉片可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量進行分析，結(jié)果(圖2)表明，葉片可溶性糖含量為0.81%～4.04%；其中，金陵月桂葉片中可溶性糖含量最高，為4.04%，而金陵陽光最低，僅0.81%；‘金陵瀲滟’‘金陵赤心’‘金陵紅荷’和‘金陵月桂’葉片中可溶性糖含量高于平均值，而‘金陵笑靨’‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’葉片中可溶性糖含量低于平均值?？扇苄缘鞍缀孔兓容^大；其中，‘金陵笑靨’最高，為26.49 mg·g-1，其次為‘金陵陽光’‘金陵瀲滟’‘金陵赤心’‘金陵紅荷’和‘金陵月桂’，而‘金陵玫瑰金’葉片中可溶性蛋白含量最低，僅3.93 mg·g-1。氨基酸含量變化幅度較小，除‘金陵赤心’和‘金陵陽光’氨基酸含量在50 mg·g-1以上，其余品種氨基酸含量變化范圍為31.55～41.77 mg·g-1。7份菊花資源葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量差異較大?！鹆晷v’葉片中葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均最高。

注：不同小寫字母表示不同品種間差異在P<0.05水平顯著。

2.4 園林小菊性狀間的相關(guān)性分析

對7份園林小菊品種的形態(tài)指標和生理指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果(表4)表明,性狀間存在不同程度的相關(guān)性。株高與冠幅呈極顯著正相關(guān)；與單花重、花徑呈顯著負相關(guān)，表明營養(yǎng)生長和生殖生長間存在相對競爭。葉綠素a與葉綠素b含量間呈極顯著正相關(guān)，葉綠素a和葉綠素b在植物生長過程中都具有吸收光能的作用，二者相互影響從而維持光合作用的正常進行。主莖粗與葉寬、葉片重呈極顯著正相關(guān)，表明在菊花葉片和莖的生長之間存在營養(yǎng)分配差異，但二者之間又存在相互促進作用，可能是莖的生長加快了營養(yǎng)物質(zhì)的輸送從而促進葉片生長。游離氨基酸與株高呈顯著負相關(guān)，可能是株高的增加過程中消耗了體內(nèi)大量營養(yǎng)物質(zhì)所致；而游離氨基酸含量與單花重、花直徑呈極顯著正相關(guān)，表明花器官生長和游離氨基酸含量密切相關(guān)?；▽訑?shù)與葉綠素a、葉綠素b含量呈極顯著正相關(guān)，可能是葉片中高葉綠素含量加速了碳水化合物的形成，進而促進了花器官的生長。

表4 不同性狀間的相關(guān)性分析

2.5 主成分分析

對16個生長指標進行主成分分析(表5)，以“特征值>1.5”為標準，提取到3個主成分，貢獻率依次為30.94%、23.09%、16.24%，累計貢獻率達70.28%，即這3個成分可以代表大部分篩選信息。第一主成分貢獻率最高，為30.94%，占比較高的指標分別為葉綠素a含量和類胡蘿卜素含量，將其命名為“光合色素因子”。第二主成分的主要影響因子是花層數(shù)和花直徑，將其命名為“花器官因子”。第三主成分主要受株高、株幅和葉長影響，將其命名為“植株形態(tài)因子”。

表5 園林小菊資源性狀的主成分分析

2.6 二維排序分析

以第1、2主成分為橫、縱坐標進行二維PCA分析(圖3)。二維PCA圖中品種的橫、縱坐標值越大，即“光合色素因子”和“花器官因子”指標越高，排名越靠前?！鹆昝倒褰稹鹆觋柟狻汀鹆晷v’均在第一象限，表明這三個品種的葉片光合色素含量和花器官表現(xiàn)顯著高于其他品種。‘金陵瀲滟’和‘金陵月桂’位于第四象限；‘金陵赤心’和‘金陵紅荷’分別位于二和三象限。且各品種的三個重復(fù)均聚在一起，表明數(shù)據(jù)重復(fù)性好，無離散值。7份菊花品種能被第1、2主成分明顯分區(qū)，表明“光合色素因子”和“花器官因子”具有較高代表性。

圖3 7份菊花資源第1、第2主成分二維排序

2.7 菊花品種綜合評價

基于成分的特征值，可獲得3個主成分與被測指標間的線性方程，如式(1)(2)(3)(4)(式中X1至X16依次代表株高、主莖粗、冠幅、花朵數(shù)量、單花重、葉長、葉寬、葉片重、花層數(shù)、花徑、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、游離氨基酸含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量和類胡蘿卜素含量)。以3個主成分各自的貢獻率占累積貢獻率的比例為權(quán)重值，按照式(4)計算各品種的綜合分F值，以此來評價不同菊花品種的適應(yīng)性。

F1=0.28X1+0.26X3+0.12X4+0.18X9+0.1X12+0.34X14+0.19X15+0.34X16-0.37X-30.26X5-0.01X6-0.27X7-0.37X8-0.26X10-0.05X11-0.19X13

(1)

F2=0.05X2+0.001X3+0.32X5+0.07X6+0.39X9+0.38X10+0.30X12+0.34X13+0.31X14+0.33X15-0.17X1-0.07X4-0.20X7-0.05X8-0.34X11-0.06X16

(2)

F3=0.33X1+0.22X2+0.31X3+0.47X6+0.31X7+0.21X8+0.26X9+0.03X10+0.20X11+0.09X14+0.29X15-0.01X4-0.003X5-0.05X12-0.30X13-27X16

(3)

F=0.44F1+0.33F2+0.23F3

(4)

綜合評價得分F值越高，綜合品質(zhì)表現(xiàn)越好。7個菊花品種的綜合評價結(jié)果(表6)表明，‘金陵玫瑰金’綜合排名最高；其次為‘金陵紅荷’‘金陵笑靨’和‘金陵陽光’；而‘金陵笑靨’‘金陵月桂’和‘金陵赤心’綜合得分均小于0。

表6 7份菊花資源綜合評價

2.8 聚類分析

對7份園林小菊品種進行聚類分析，結(jié)果(圖4)表明，7份材料被劃分為3類。其中，‘金陵赤心’和‘金陵紅荷’被聚為第一類，主要表現(xiàn)為光合色素含量較低、植株矮小、主莖較粗、葉片較重；‘金陵瀲滟’和‘金陵月桂’被聚為第二類，主要表現(xiàn)為植株高大、株幅寬大；‘金陵玫瑰金’‘金陵笑靨’和‘金陵陽光’為第三類，表現(xiàn)為花層數(shù)多、光合色素含量高，且這2個品種各項指標差異較小。

圖4 7份菊花資源品質(zhì)性狀聚類分析

3 討論

青海高原作為我國重要的生態(tài)安全屏障，其城市中“生態(tài)園林”的建設(shè)范圍正在逐年擴大。園林小菊作為重要的城市園林綠化植物，具有花色豐富、開花繁密、觀賞價值高、抗逆性強等特點。目前在青海地區(qū)對園林小菊的引種繁殖及適應(yīng)性評價卻鮮有系統(tǒng)性研究。因此，本研究從南京農(nóng)業(yè)大學(xué)引進了7份園林小菊品種，通過對栽培過程中植株生長及觀賞性狀的觀測、統(tǒng)計與分析，綜合評價了園林小菊資源在西寧地區(qū)的觀賞性和栽培適應(yīng)性，為高原園林小菊的規(guī)模化種植及綠化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。園林小菊的生長發(fā)育分為營養(yǎng)生長和生殖生長兩個階段，營養(yǎng)生長的好壞將直接決定生殖發(fā)育及其觀賞性。因此，園林小菊品種的地區(qū)適應(yīng)性評價不僅包含觀賞品質(zhì)指標，還需對植株營養(yǎng)生長的相關(guān)生理指標進行評價。植物生長過程中，可溶性糖、可溶性蛋白、游離氨基酸和葉綠素含量等生理指標對植物維持正常生理活動具有重要意義，同時也是區(qū)分植物品種特性的重要指標之一。近年來，相關(guān)分析、聚類分析和主成分分析等分析方法被廣泛應(yīng)用于資源評價及環(huán)境適應(yīng)性研究，大大提高了優(yōu)質(zhì)資源的篩選和分類的效率[20-22]。金瀟瀟等[23]對47份觀賞菊及3份食用菊資源的營養(yǎng)指標進行測定，通過主成分分析和綜合評價篩選出優(yōu)良的食用菊品種。由此表明，利用植物學(xué)性狀通過合適的統(tǒng)計分析方法篩選優(yōu)異菊花資源切實可行。因此，本研究運用主成分分析、相關(guān)分析、聚類分析和綜合評價等多重分析法，對7份園林小菊品種在農(nóng)藝指標、生理指標等進行評價，為西寧地區(qū)園林小菊引種栽培提供科學(xué)依據(jù)。

菊花生長過程中各項生理生化指標間均存在不同程度的關(guān)系。本研究通過相關(guān)分析表明，各形態(tài)指標、生理指標間高度相關(guān)，且生理指標與形態(tài)指標間也關(guān)系密切，為菊花資源利用形態(tài)與生理指標進行資源評價奠定了基礎(chǔ)。但諸多指標加大了資源評價工作的難度和工作量。為減少工作量、降低實驗難度，引入主成分分析對復(fù)雜因子進行降維，優(yōu)點是將多個指標轉(zhuǎn)化為少量且互不影響的獨立因子，避免多指標評價信息冗余，且能提取關(guān)鍵指標進行分析[24]。本研究中，通過對16個農(nóng)藝和生理指標作標準化處理，提取到3個主成分，根據(jù)特征分別將其命名為“光合色素因子”“花器官因子”和“植株形態(tài)因子”。進一步通過第1和2主成分進行二維排序，將7份菊花資源分在不同象限，表明“光合色素因子”和“花器官因子”能夠?qū)⑦@7份園林小菊資源進行區(qū)分；‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’‘金陵笑靨’被聚在PCA圖中第一象限，說明‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’‘金陵笑靨’在“光合色素因子”和“花器官因子”主成分上均具有最高得分。綜合評價分析表明，‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’‘金陵笑靨’排名靠前； ‘金陵赤心’‘金陵紅荷’居中；‘金陵瀲滟’‘金陵月桂’綜合排名最低。綜上所述，‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’和‘金陵笑靨’光和色素含量較高、花器官發(fā)育完善，在西寧地區(qū)具有較強的適應(yīng)性。

對7份菊花資源進行聚類分析，將其劃分為三大類：‘金陵赤心’和‘金陵紅荷’被聚為第一類，該類品種綜合表現(xiàn)為光合色素含量較低、植株矮小、主莖較粗、葉片較重；第二類為‘金陵瀲滟’和‘金陵月桂’，該類主要表現(xiàn)為花層數(shù)較多植株高大、冠幅寬大、光合色素含量較高；‘金陵玫瑰金’‘金陵笑靨’‘金陵陽光’為第三類，表現(xiàn)為花層數(shù)多、光合色素含量較高，穩(wěn)定性較好。該結(jié)果進一步驗證和深化了綜合評價及PCA分析，同時也為資源評價思路提供了理論支撐。綜上所述，“光合色素因子”和“花器官因子”指標在園林小菊資源適應(yīng)性評價中起重要作用。其中，‘金陵玫瑰金’‘金陵陽光’和‘金陵笑靨’小花數(shù)較多、花層數(shù)較多、光合色素含量相對較高，綜合表現(xiàn)較好，在西寧地區(qū)具有較強的適應(yīng)性，為下一步園林小菊種質(zhì)資源的引進和遺傳育種提供參考。