菊花雜交一代葉片形態(tài)數(shù)量性狀分析

郭春曉，孔德元，馬海燕，鄭成淑*

(1.聊城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 聊城 252000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；3.廣饒縣城市管理服務(wù)中心，山東 廣饒 257300)

菊花(Chrysanthemum morifolium Ramat.)是菊科(Comositae)菊屬(Chrysanthemum)多年生草本花卉，品種資源豐富，對其進行品種鑒定、分類以及品種權(quán)保護工作的困難越來越大[1]。 利用葉片形態(tài)特征進行品種鑒定和分類是最基本也是最重要的方法之一[2-4]，張轅[5]基于735 個中國傳統(tǒng)菊花品種，對18 個葉部性狀進行連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)葉片形態(tài)特征作為花型、花色之后的三級鑒定指標是完全可行的，在相同花型、瓣型和花色的情況下，依靠葉部形態(tài)特征的分辨率為27.14%。馮晴云[6]通過對菊花葉長、葉寬、葉形和鋸齒情況的觀測發(fā)現(xiàn)其存在廣泛的遺傳多樣性。 沈鳳[7]等對189 個切花菊品種的12 個葉部性狀進行觀測，發(fā)現(xiàn)頂生裂片相對于葉的長度、最低位一級裂刻深度是引起切花菊葉部形態(tài)差異的主要原因。 雒新艷[8][9]等對400 個中國傳統(tǒng)大菊品種18 個數(shù)量性狀進行觀察和統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)，菊花葉柄長，葉片長和葉片寬的概率分級情況與測試指南中的分值點存在一定出入。許瑩修[10]等研究表明，利用葉片形態(tài)特征變異可在菊花觀賞和分類中起重要輔助作用[16]，降低鑒定成本并提高效率。 為此，本研究對295 個中國傳統(tǒng)大菊雜交1 代植株的葉片基本形態(tài)、 葉裂片等形態(tài)特征進行觀測和統(tǒng)計，結(jié)合多元統(tǒng)計方法[11-13]對雜交后代群體葉片進行數(shù)量分類研究，探索菊花葉片的數(shù)量化分類標準，為菊花品種鑒定和其他植物分類提供參考。

1 材料與方法

1.1 植物材料與采集

選擇山東農(nóng)業(yè)大學(xué)菊花資源圃中自由授粉產(chǎn)生的雜交1 代群體，群體內(nèi)包括植株個體295 株，栽培地點設(shè)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實驗站，定植密度30 cm×30 cm，株高40 cm 時取植株頂葉下第9、10、11 片葉片。

1.2 葉片形態(tài)性狀的選取和測量

1.2.1 葉片性狀的測量

測量的葉形性狀如下：(1)葉片基本形態(tài)，包括葉長、葉寬、葉片最寬處所在位置；(2)葉裂片形態(tài)，包括葉脈長(4 個側(cè)葉脈，用從T 點到B 點之間的距離TB 表示)、葉脈角度(4 個側(cè)葉脈和主葉脈之間的夾角)、裂片長(頂裂片長及4 個側(cè)裂片長，用TM 表示)、裂片寬(頂裂片寬及4 個側(cè)裂片寬)；共計21個性狀(圖1，表1)。

圖1 選取的葉片形態(tài)性狀測量方法

表1 選取測量的葉部性狀

1.2.2 葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)的標準化描述

將上述21 個性狀中的前17 個性狀進一步轉(zhuǎn)化為12 個葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)，其余4 個性狀不做任何處理。

表2 13 個葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 表型性狀在單株內(nèi)和不同單株間的變異系數(shù)分析

通過單株內(nèi)和不同單株間的變異系數(shù)對葉部表型性狀的一致性進行描述，利用Microsoft Excel 2010 計算33 個數(shù)量性狀的變異系數(shù)，公式如下：C.V(%)=標準差/平均值*100%，C.V 為變異系數(shù)。將每個單株上獲得的3 個樣本計算對應(yīng)數(shù)量性狀的變異系數(shù)，再求平均值，得到單株內(nèi)變異系數(shù)。 計算所有樣本對應(yīng)的數(shù)量性狀的變異系數(shù)均值， 得到單株間變異系數(shù)。 將變異系數(shù)在單株內(nèi)小于15%作為單株內(nèi)一致的標準，變異系數(shù)在不同單株間大于20%作為單株間有明顯差異的標準[11]。

1.3.2 相關(guān)性分析和主成分分析

利用PASW Statistics 20.0 對性狀進行Pearson 相關(guān)性分析，討論不同性狀之間的相關(guān)性。 利用PASW Statistics 20.0對性狀進行主成分分析(PCA)，采用最大方差法(vari-max)對因子進行旋轉(zhuǎn)，然后根據(jù)Kaiser 準則(特征根>0.9)提取主成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片表型性狀的變異分析

變異系數(shù)分析結(jié)果表明，21 個數(shù)量性狀 (C1—C21) 的單株內(nèi)變異系數(shù)范圍為7.39%～18.60%， 平均12.36%。 其中4 個側(cè)裂片長度(C9—C12)在單株內(nèi)的變異系數(shù)均大于15%，側(cè)裂片寬度(C14—C17)也均在15%左右，說明側(cè)裂片長度和寬度在單株內(nèi)的一致性較差。 同時，17 個數(shù)量性狀(C1—C17)在不同單株間的變異系數(shù)范圍為21.37%～35.41%，平均28.61%，說明這些性狀不同單株間差異明顯，而4 個側(cè)裂片葉脈開張角度(C18—C21)的單株內(nèi)變異系數(shù)均小于10%，單株間變異系數(shù)也均小于20%，說明這些性狀在單株內(nèi)的一致性非常高，但不同單株間的差異不甚明顯，是否適合作為葉片形態(tài)分類指標有待分析。

對12 個葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)(C22—C33) 的變異系數(shù)進一步分析， 數(shù)據(jù)顯示這些性狀的單株內(nèi)變異系數(shù)在9.43%～14.64%內(nèi)，平均11.67%，表明單株內(nèi)一致性好， 單株間變異系數(shù)在16.66%～35.14%內(nèi)，平均25.33%，說明不同單株間的差異明顯。 值得注意的是頂裂片和側(cè)裂片的數(shù)量性狀在轉(zhuǎn)化為葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)后，單株內(nèi)變異系數(shù)明顯降低，一致性更好，同時不同單株間仍保持較高的差異性，說明利用葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)作為分類指標比直接利用葉部數(shù)量性狀更加可靠。12 個葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)的單株間變異系數(shù)從大到小依次為： 裂片長/裂片寬>裂片長/葉脈長>葉片最寬處所在位置/葉長>葉長/葉寬， 顯然菊花葉裂片的形態(tài)變化最為豐富。

綜上，篩選出單株內(nèi)一致性較好，且不同單株間差異明顯的葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)12 個(C22—C33)、4 個葉脈開張角度作為分類性狀。

2.2 相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)性分析表明， 左側(cè)和右側(cè)裂片間的各個性狀相關(guān)性均達到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)范圍0.659～0.979(表3)，說明菊花葉片近似于對稱。 上部裂片與下部裂片相關(guān)系數(shù)略低于左側(cè)和右側(cè)裂片之間的相關(guān)系數(shù)，范圍0.445～0.693，但也具有極顯著的相關(guān)性。 此外，頂裂片與4 個側(cè)裂片的各個性狀間也有極顯著的相關(guān)性， 且上側(cè)2 個裂片與頂裂片的相關(guān)性大于下側(cè)裂片與其的相關(guān)性?？梢?， 菊花所有葉裂片的各性狀間均有極顯著的相關(guān)性， 因為下部葉片的單株內(nèi)變異系數(shù)較小，穩(wěn)定性更好，所以選用左下側(cè)裂片作為代表繼續(xù)進行下述分析。

表3 菊花葉片性狀描述性統(tǒng)計

表4 頂裂片和側(cè)裂片各性狀的Pearson 相關(guān)性分析

根據(jù)4 和表5 的結(jié)果， 以左下側(cè)裂片為代表，利用葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇葉長/葉寬(C22)、葉片最寬處所在位置/葉長(C23)、左下裂片長/左下葉脈長(C27)、左下裂片長/左下裂片寬 (C32)、 左下葉脈開張角度(C20)這5 個性狀作為菊花葉片形態(tài)分類指標。對這5個性狀進行Pearson 相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)， 左下裂片長/左下裂片寬(C27)與左下裂片長/左下葉脈長(C32)的相關(guān)系數(shù)為0.684，葉長/葉寬(C22)與左下葉脈開張角度(C20)的相關(guān)系數(shù)為-0.406。除這兩對性狀的相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.3 外， 其余性狀之間的相關(guān)系數(shù)均小于0.3，說明各性狀之間的獨立性較好，適合作為菊花葉片的分類性狀。

表5 菊花葉片5 個分類性狀的相關(guān)性分析

2.3 主成分分析

對上述篩選出的5 個性狀進行主成分分析，按照特征值大于0.9 的要求，可以提取3 個主成分，其特征值分別是1.684、1.458、1.015，3 個主成分的累計貢獻率達到83.13%，旋轉(zhuǎn)矩陣中特征向量絕對值最大的性狀即歸為該主成分， 第1 主成分中，C27 的特征值為0.91，C32 的特征值為0.924，均大于0.9。 第2 主成分中，C22 的特征值為0.859，C20 的特征值為0.806，均大于0.8。 第3 主成分中，C23 的特征值為0.990，大于0.9。 由此可知，第1 主成分包括左下裂片長/左下葉脈長和左下裂片長/左下裂片寬兩個性狀；第2 主成分包括葉長/葉寬和左下葉脈開張角度兩個性狀；第3 主成分包括葉片最寬處所在位置/葉長一個性狀。 這5 個性狀對菊花葉片分類起關(guān)鍵作用。

3 個主成分所包含的主要性狀關(guān)系顯示，裂片的形態(tài)變化是造成菊花葉片形態(tài)多樣性的最主要原因，這與1 中對變異系數(shù)分析所得的結(jié)果相吻合，其次是葉片基本形態(tài)。 因此，接下來本研究將從葉裂片形態(tài)和葉片基本形態(tài)兩個方面對菊花葉片進行分類。

2.4 菊花葉片形態(tài)類型分類結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果，將葉片基本形態(tài)分為4 類，分別為圓形(長寬比0.8～1.25)、卵形(長寬比1.25～1.4)、長卵形(長寬比大于1.4，且葉片最寬處所在位置/葉長≤0.55)和倒卵形(長寬比大于1.4，且葉片最寬處所在位置/葉長>0.55)。裂片形態(tài)根據(jù)深度和寬度分為：①淺裂，寬裂片(裂片長/葉脈長0.15～0.3，裂片長/裂片寬≤1.4)；②中裂， 寬裂片 (裂片長/裂片寬0.3～0.5，裂片長/裂片寬≤1.4)；③深裂， 寬裂片 (裂片長/葉脈長>0.5， 裂片長/裂片寬≤1.4)； ④深裂，窄裂片(裂片長/葉脈長>0.5，裂片長/裂片寬>1.4)，由此可組合出16 種不同的菊花葉片形態(tài)類型， 但在實際觀察過程中未發(fā)現(xiàn)倒卵形，淺裂，寬裂片和倒卵形，深裂，窄裂片的葉片，所以本次取樣的295 株菊花葉片實際可分為14 種葉片類型。

表6 旋轉(zhuǎn)成分矩陣

圓形葉葉長近等于葉寬，下部裂片開張角度比上部裂片開張角度大， 且下部裂片長于上部裂片，葉片基本形態(tài)呈圓形。 卵形葉片葉長大于葉寬，最寬處由下部2個裂片最外側(cè)構(gòu)成， 下部裂片開張角度和上部裂片開張角度相近或略大于上部裂片， 葉片呈卵狀或闊卵狀。 長卵形葉片葉長大于葉寬， 葉片最寬處位于葉片的中下部， 上下部裂片開張角度和長度均相近，葉片呈長卵圓形。 倒卵形葉葉長大于葉寬， 葉寬由上部兩個裂片最外側(cè)構(gòu)成， 葉片最寬處也位于葉片的中上部， 上部裂片長于下部裂片。

從295 株菊花葉片形態(tài)的分類情況來看， 分布最多的葉片基本形態(tài)是圓形和卵形， 分別占總數(shù)的38.98%和32.88%，其次是長卵形，占比24.75%，倒卵形葉片最少，且缺少淺裂、寬裂片和深裂、窄裂片類型的葉片， 僅占總數(shù)的3.39%。 從葉裂片形態(tài)看，中裂，寬裂片類型數(shù)量最多， 占總數(shù)的56.95%， 其次是深裂， 寬裂片類型，占28.81%，淺裂，寬裂片類型和深裂，寬裂片類型的數(shù)量極少，分別占10.17%和4.07%。 由此可見， 典型的菊花葉片形態(tài)為圓形或卵形，裂片以中裂，寬裂片類型為主。

表2-5 不同形態(tài)類型的菊花葉片

表8 各形態(tài)類型葉片分類標準

3 討論

表9 295 個菊花葉片分類統(tǒng)計

菊花葉片豐富多變的姿態(tài)不僅在觀賞過程中起到重要的輔助作用，對于分類和遺傳學(xué)研究也有重要價值[14][15]。 本研究選取了葉片基本形態(tài)、葉裂片形態(tài)等21 個數(shù)量性狀和12 個葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)進行觀察和計算分析，變異系數(shù)分析結(jié)果表明，本次選取的21 個數(shù)量性狀均有穩(wěn)定性和多樣性的特點，可以比較全面地描述菊花葉片的形態(tài)變化。 將直接測量得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)后，單株內(nèi)變異系數(shù)降低的特點表明其更適合作為分類依據(jù)，這主要是因為數(shù)量性狀受觀測條件影響較大，如生長過程中水分和養(yǎng)分供給情況不同、年齡差異等導(dǎo)致葉片未充分展開等。 本研究未選用葉片顏色、葉片絨毛多少、葉片卷曲程度等性狀進行觀測，主要考慮這些性狀在觀測時受主觀影響較大，沈鳳[7]等對切花菊葉片遺傳多樣性分析過程中對葉基部形狀、葉先端形狀、葉緣鋸齒深淺這3 個質(zhì)量性狀進行了觀測，結(jié)果表明質(zhì)量性狀在品種內(nèi)的一致性非常好，不易受環(huán)境條件影響，適合作為分類標準。 但本研究主要關(guān)注數(shù)量性狀在雜交群體中的分布情況及其作為分類依據(jù)的價值，所以沒有選取上述質(zhì)量性狀進行觀察統(tǒng)計。 主成分分析結(jié)果表明，第一主成分中特征向量絕對值大于0.5 的性狀有裂片長/葉脈長和裂片長/裂片寬，第二主成分中特征值高的有葉長/葉寬和左下葉脈開張角度，第三主成分包括葉片最寬處所在位置/葉長。 表明影響菊花葉部形態(tài)多樣性的第一因素是葉裂片形態(tài)，其次是葉片基本形態(tài)。張冬菊[13]基于對56 個切花菊葉片，通過對形態(tài)性狀的權(quán)重分析發(fā)現(xiàn)，裂片長度相對于葉脈長度、最低位一級裂刻深度和葉長/葉寬是引起切菊花葉片形態(tài)差異的主要原因，本文結(jié)果與其一致。 通過以上分析，確定了從裂片形態(tài)和葉片基本形態(tài)兩個維度對菊花葉片進行分類。

4 結(jié)論

《中國菊花圖譜》中將菊花葉形分為正葉、深裂正葉、長葉、深裂長葉、圓葉、葵葉和蓬葉七類，但分類標準僅對葉形進行了大致的定性描述，沒有進行具體定量分類[8]。 本文提出的分類標準采用二級分類法，第一級為葉片基本形態(tài)，第二級為裂片形態(tài)，對295 個中國傳統(tǒng)大菊雜交一代的葉片進行定義和分類， 4 種葉片基本形態(tài)分別是圓形(長寬比在0.8～1.25)、卵形(長寬比在1.25～1.4)、長卵形(長寬比大于1.4，且葉片最寬處所在位置/葉長小于0.55)和倒卵形(長寬比大于1.4，且葉片最寬處所在位置/葉長大于0.55)。 裂片深度分為淺(裂片長/葉脈長在0.15～0.3)、中(裂片長/葉脈長在0.3～0.5)、深(裂片長/葉脈長大于0.5)3 個等級。 裂片大小分為寬裂片(裂片長/裂片寬小于1.4)和窄裂片(裂片長/裂片寬大于1.4)兩個等級，其中窄裂片和深裂性狀伴隨出現(xiàn)。 據(jù)此，可組合出16 種不同的葉片形態(tài)類型，但是在實際觀測過程中，沒有發(fā)現(xiàn)倒卵形、淺裂、寬裂片類型和倒卵形、深裂、窄裂片類型，所以實際得到的有14 種葉片形態(tài)類型。 此分類標準可以更精確地對菊花葉片進行分類，且因本研究所選用的試驗材料為中國傳統(tǒng)大菊的雜交后代，沒有經(jīng)過人工選擇，所以包括了更豐富的菊花葉片類型，最大程度保留了遺傳多樣性。 之后對供試群體繼續(xù)栽培選育，觀測花部特征和葉部特征之間關(guān)系，可以為育種過程中的早期選擇提供一定依據(jù)。