南方紅豆杉假種皮顏色數(shù)量分析

吳少東，肖海靜，張文根*，朱 恒，于 宏，裘利洪*

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，野生動植物保護(hù)與利用研究中心，江西 南昌 330045；2.上饒市林業(yè)科學(xué)研究所，江西 上饒 334000)

顏色是描述和鑒定植物的重要性狀，是植物品種分類的重要依據(jù)。傳統(tǒng)上，采用定性描述或借助于比色卡(如royal horticultural society's color chart,RHS Colour Chart)來界定顏色。與之相比，儀器測色法不受主觀影響，可以科學(xué)測定植物色值，使得顏色數(shù)量分析得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)已在蓮(Nelumbonucifera)、牡丹(Paeoniasuffruticosa)、西府海棠(Malusmicromalus)、蠟梅(Chimonanthuspraecox)和蘋果(Maluspumila)等植物中廣泛應(yīng)用[1-5]。

南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)為紅豆杉科(Taxaceae)紅豆杉屬(Taxus)常綠樹種，是我國特有的第三紀(jì)孑遺物種，屬國家I級保護(hù)珍稀瀕危植物[6]。其大孢子葉球結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特，胚珠直立單生，成熟種子被黏性較強(qiáng)的肉質(zhì)假種皮不全包裹。前人已就南方紅豆杉大(小)孢子發(fā)生、雌(雄)配子體發(fā)育、遺傳多樣性、假種皮色素及營養(yǎng)成分等開展了比較深入的研究[7-11]，而對南方紅豆杉假種皮顏色多樣性認(rèn)識尚不足。目前，僅在安徽宣城、江西樂安、甘肅徽縣等地發(fā)現(xiàn)假種皮黃色的變異[12]，其他顏色的變異則未見報(bào)道，因此假種皮顏色多樣性的研究對其資源利用十分必要。

為此，本研究利用色差儀測得成熟假種皮的明度值(L*)、紅度值(a*)、黃度值(b*)，依據(jù)美國ISCC-NBS(Inter Society Colour Council-National Bereau of Standand)色名表示法對南方紅豆杉表型命名，結(jié)合系統(tǒng)聚類分析進(jìn)行數(shù)量分類，同時(shí)建立儀器測色數(shù)據(jù)L*、a*、b*與顏色名稱的聯(lián)系，旨在為南方紅豆杉的假種皮分類、品種鑒定和選繁優(yōu)育等工作奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)“江西省第二次國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物資源調(diào)查”的南方紅豆杉資源調(diào)查結(jié)果，并考慮試驗(yàn)材料的代表性，于2020年10-12月，連續(xù)赴江西宜春、九江、上饒、撫州、贛州和吉安等地調(diào)查和收集南方紅豆杉球果，共計(jì)37份(表1)。

表1 37份南方紅豆杉實(shí)驗(yàn)樣品Table 1 37 samples of Taxus wallichiana var.mairei

1.2 假種皮顏色測定

野外現(xiàn)場測定南方紅豆杉假種皮顏色。每棵樹選取30粒發(fā)育健康且飽滿的南方紅豆杉球果，用手持式色差儀SC-10(3nh，深圳市三恩時(shí)科技有限公司)在光源C/8°的條件下，按CIE表色系統(tǒng)測定假種皮的顏色。每球果測量3次，取平均值。L*、a*和b*可由色差儀直接測得，彩度C*和色相角h則可以根據(jù)公式計(jì)算，C*=(a2+b2)1/2，h=tan-1(b*/a*)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 22.0軟件，對測得的南方紅豆杉假種皮顏色的L*、a*、b*選用最遠(yuǎn)鄰近法進(jìn)行Hierarchical聚類分析；利用ColorTell顏色工具，將果色的L*、a*、b*轉(zhuǎn)換為蒙塞爾顏色系統(tǒng)的色相(munsell hue)、明度(munsell value)和彩度(munsell chroma)，利用ISCC-NBS色名表示法，同時(shí)參照何芮慶等[13]對紫丁香花色表型性狀變異分析的方法，對南方紅豆杉假種皮顏色進(jìn)行定義與分類；利用Origin 2019軟件分析不同色系的L*、a*、b*之間的關(guān)系并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于聚類分析的南方紅豆杉假種皮顏色分類

如圖1所示，在歐式距離為5處，可以將南方紅豆杉假種皮的顏色分為4個(gè)色系：A類，紅色系，包括SR-WY-01、YC-WZ-01、FZ-NF-01等32株系；B類，橙黃色系，包括YC-WZ-03、YC-GS-05、YC-WZ-02；C類，黃色系，F(xiàn)Z-LA-01；D類，橙色系，SR-DX-02。由于紅色系株數(shù)較多，其顏色有不同程度的變異，僅靠聚類分析結(jié)果并不能夠較好地反映南方紅豆杉假種皮顏色的變異特征。

注:A為紅色球果；B為橙黃色球果；C為黃色球果；D為橙色球果。比例尺：1 cm。圖1 基于L*、a*、b*的南方紅豆杉假種皮顏色聚類分析Fig.1 Cluster analysis of aril color in Taxus wallichiana var.mairei based on L*,a* and b*

顏色模式測定結(jié)果(表2)顯示，南方紅豆杉假種皮顏色在CIE表色系統(tǒng)坐標(biāo)系上分布廣泛，L*范圍49.48～76.99；a*為18.14～75.34，紅色系a*主要集中在53.19～75.34，說明其在紅度屬性上分布比較集中；b*為21.49～73.87，變異較大，在45之后屬于偏黃，說明其在黃度上變異較為豐富；彩度C*為38.3～83.09，色相角h為24.39～76.20。依色相角h，南方紅豆杉假種皮顏色包含了紅色系、黃色系、橙色系，色彩范圍較廣泛。

表2 南方紅豆杉中不同色系假種皮的色值范圍Table 2 Values of different aril colors in Taxus wallichiana var.mairei

2.2 基于ISCC-NBS色名表示法的南方紅豆杉假種皮顏色分類

2.2.1 假種皮顏色分類 將L*、a*、b*轉(zhuǎn)換為蒙塞爾顏色系統(tǒng)的色相(munsell hue)、明度(munsell value)和彩度(munsell chroma)，根據(jù)ISCC-NBS色彩名稱表示法的267種色值的顏色描述，再簡化飽和度和明度描述，最終可將南方紅豆杉假種皮顏色分為4大色系(表3)：紅色系(redgroup)、黃色系(yellow group)、橙黃色系(orange-yellow group)、橙色系(orange group)。橙色系和黃色系之間明度非常接近，相差不大，但是彩度兩者之間差距明顯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，紅色系的色相值范圍比較廣，其包含強(qiáng)紅色、深粉色、強(qiáng)粉色、中紅色4個(gè)類別(表4)。

表3 基于ISCC-NBS色名表示法的南方紅豆杉假種皮顏色命名結(jié)果Table 3 Color naming result of T.wallichiana var.mairei based on the ISCC-NBS

表4 依據(jù)ISCC-NBS系統(tǒng)進(jìn)行南方紅豆杉假種皮顏色分類Table 4 Classification of aril colors in Taxus wallichiana var.mairei based on the ISCC-NBS

2.2.2 南方紅豆杉假種皮顏色分布特點(diǎn) 根據(jù)4類色系的L*、a*、b*值，發(fā)現(xiàn)不同的色系都有其所對應(yīng)的L*、a*、b*值范圍。由圖2A可知，L*值最大的是黃色系，紅色系的L*值最小，橙黃色系和橙色系的L*值差距不明顯；a*值的分布以紅色系最大，黃色系最小，兩者差距明顯(圖2B)；b*分布則以黃色系最大，紅色系最小，橙色系和橙黃色系分布相似，但橙色系b*明顯大于橙黃色系(圖2C)。由此可見，不同色系的L*、a*、b*特征比較明顯，能夠?qū)⒉煌纳祬^(qū)分開。

注：A為L*分析；B為a*分析；C為b*分析；D為a*、b*分析；E為L*、a*、b*分析；F為L*、C*線性回歸分析。圖2 南方紅豆杉假種皮色值分析Fig.2 Color analysis of arils in T.wallichiana var.mairei

根據(jù)色值測定的結(jié)果可知不同的色系在二維空間上區(qū)分明顯(圖2D)。而且，在三維散點(diǎn)圖上，不同色系呈帶狀分布，處于不同的空間(圖2E)。進(jìn)一步說明南方紅豆杉假種皮顏色豐富，各色系之間顏色差異顯著。

L*是衡量假種皮顏色明暗度的一個(gè)指標(biāo)，隨著彩度C*的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變。根據(jù)南方紅豆杉假種皮各色系彩度C*和明度L*之間變化關(guān)系(圖2F)，可將假種皮分為2類：第1類包括紅色系、橙色系、橙黃色系；第2類僅有黃色系。其中，類群1中的紅色系L*與C*相關(guān)性明顯，呈顯著的正相關(guān)(r2=0.72)，線性方程為：y=0.52x+16.97。這說明色值之間是相互聯(lián)系、相互影響，體現(xiàn)了顏色之間的協(xié)調(diào)性。

3 結(jié)論與討論

CIELab顏色系統(tǒng)的運(yùn)用，促進(jìn)了植物色彩研究的標(biāo)準(zhǔn)化，使得顏色表型的數(shù)量分析得以實(shí)現(xiàn)，避免了肉眼區(qū)分顏色所帶來的弊端。近些年，植物花色和果色數(shù)量分析已經(jīng)越來越普及[14-18]，為品種分類和分子育種提供了科學(xué)的參考依據(jù)。本研究首次就南方紅豆杉假種皮的顏色進(jìn)行深入系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)：1)南方紅豆杉假種皮顏色較為豐富，主要為紅色和黃色，傳統(tǒng)聚類分析難以準(zhǔn)確劃分；2)ISCC-NBS色名表示法將南方紅豆杉劃分為黃色系、橙色系、橙黃色系、紅色系4個(gè)色系，其中紅色系還存在著強(qiáng)紅色、強(qiáng)粉色、中紅色等不同程度地分化；3)假種皮顏色的明度與彩度成正相關(guān)，基于明度和彩度可劃分為2類：第1類包括紅色系、橙色系和橙黃色系；第2類為黃色系。

野生植物的果實(shí)特征大多程度上是與食果動物協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。顏色是果實(shí)的一個(gè)重要形態(tài)特征，影響食果動物特別是食果鳥類的選擇。目前，多數(shù)南方紅豆杉尚處于野生狀態(tài)，其假種皮成熟在冬季，味美甘甜，是鳥類和某些哺乳動物過冬的重要食物資源[20]。前人研究表明，黑冠黃鵯(Pycnonotusmelanicterus)和栗背短腳鵯(Hemixoscastanonotus)等絕大多數(shù)鳥類偏好于紅色果實(shí)，黃頰山雀(Parusspilonotus)、灰頭椋鳥(Sturnusmalabaricus)、黑短腳鵯(Hypsipetesleucocephalus)等部分偏于橙色果實(shí)，而黑領(lǐng)椋鳥(Sturnusnigricollis)和灰頭椋鳥(Sturnusmalabaricus)等少數(shù)偏食黑色果實(shí)[21-22]。據(jù)此推測，南方紅豆杉假種皮顏色出現(xiàn)如此豐富的變異，可能與不同鳥類覓食選擇有關(guān)。

果實(shí)顏色形成機(jī)制復(fù)雜，涉及類胡蘿卜素、葉綠素、花青素等諸多色素物質(zhì)。有研究表明，黃色果實(shí)是由于葉綠素的大量降解，類胡蘿卜素比例提高所致的，而花青素增加，植物會顯現(xiàn)橙黃色，并隨之呈現(xiàn)出不同程度的紅色[23]。秦亞龍等[10]首次對南方紅豆杉黃色和橙色假種皮進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)類胡蘿卜素和黃酮類物質(zhì)是其呈色的主要物質(zhì)，且黃色假種皮中類胡蘿卜素含量高于紅色假種皮。Cao等[24]對南方紅豆杉黃色和紅色假種皮進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析，比較兩者在分子水平上的差異，發(fā)現(xiàn)類黃酮途徑上差異基因富集顯著，推測假種皮顏色發(fā)生變異的原因可能與類胡蘿卜素和黃酮類物質(zhì)的積累模式有關(guān)。但是兩者就假種皮具體呈色物質(zhì)以及呈色機(jī)制尚不清楚，因此在代謝水平和轉(zhuǎn)錄水平上進(jìn)一步揭示其變異機(jī)制，找出類黃酮與類胡蘿卜素途徑中與假種皮顏色形成的相關(guān)調(diào)控基因和代謝產(chǎn)物，對南方紅豆杉的分子育種工作有著重要的意義。

值得注意的是的，南方紅豆杉是優(yōu)良的園林綠化樹種，其假種皮顏色是南方紅豆杉最重要的觀賞性之一，不同顏色的假種皮可以營造不同感官景象。但在園林綠化中，常綠觀果喬木的開發(fā)遠(yuǎn)不如觀花樹種，且顏色單調(diào)，絕大多數(shù)果實(shí)都呈紅色。因此，黃色系、橙色系等南方紅豆杉變異品系的發(fā)現(xiàn)，對豐富園林觀果植物的種類和南方紅豆杉觀賞價(jià)值的提高有著重要的意義。

作者貢獻(xiàn)：吳少東是本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究的執(zhí)行人，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析和論文撰寫；肖海靜參與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理；張文根負(fù)責(zé)論文試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施和論文撰寫；于宏和朱恒參與項(xiàng)目試驗(yàn)設(shè)計(jì)和部分?jǐn)?shù)據(jù)采集；裘利洪是項(xiàng)目的構(gòu)思者及負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)論文撰寫。

致謝：感謝楊光耀教授在論文寫作過程中給予的指導(dǎo)和建設(shè)性意見；感謝江西省竹子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給予的實(shí)驗(yàn)平臺；感謝李永龍、董琛、柳皎林、李雪梅在采樣過程中給予的幫助；感謝江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目(20202BBFL63019)和江西省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目([2019]24號)共同資助。