菊花(Chrysanthemum morifolium)是我国十大传统名花和世界四大切花之一, 观赏和经济价值极高^[1-2]。菊花叶片形态的多样性是影响其生长发育和观赏品质的一个重要因素。通常所说的遗传多样性主要是指种内不同群体之间或同一群体内不同个体间的遗传变异^[3-4]。对栽培植物的遗传多样性进行研究, 有利于我们充分发现和利用各种基因和基因型资源, 预期重要经济性状的变异并加以科学地利用^[5]。菊花的多种间杂交起源和菊属植物种间广泛的种质渗透决定了菊花丰富的遗传多样性, 经过长期的人工栽培和选育, 又产生了极为丰富的种下变异。目前我国菊花品种超过3 000个^[6]。

关于菊花遗传多样性方面的研究已有许多报道^[7-9], 但大多数研究集中于花部性状的多样性分析。在《中国菊花图谱》中展现了菊花叶片丰富的变异类型^[10]。许莹修^[11]对18个大菊品种的统计学分析表明, 叶片的长度和宽度在所测品种间存在着明显的变异, 裂片长度、裂刻深度以及托叶的长度和宽度在品种间也存在着较大的差异。目前对于叶部性状只有少部分变异系数的分析^[7], 尚未见其形态学主要性状分布、分布规律、科学分级相关性等遗传多样性相关分析的报道。

因此, 本试验在形态学水平上对切花菊叶片进行遗传多样性分析, 筛选出品种内稳定性好、品种间差异明显、对叶型起决定性作用的性状, 以及叶部特性良好的品种, 以期为切花菊品种资源的分类与鉴定、科学利用以及育种工作提供参考资料。

1 材料与方法 1.1 材料

随机从南京农业大学中国菊花种质资源保存中心中选取189个切花菊品种(表 1), 种植于南京湖熟菊花基地, 栽培条件一致。

1.2 方法 1.2.1 性状选取与数据采集

参照文献[12], 在11月初盛花期选取12个叶部性状进行观测(表 2), 观测部位是植株自上而下第3片成熟叶, 每个品种重复10次。

1.2.2 最佳颜色参数的确定

采用日本Minolta公司生产的CR-400型色差仪对切花菊叶片的颜色参数进行测定, 包括L^*值、a^*值、b^*值和ΔE^*值。利用测得的颜色参数, 计算叶片的c^*值、h^*值和cl^*值。计算公式如下:

式中:a^*为红度值; b^*为黄度值; L^*为明度值; c^*为色度值; h^*为色调角; cl^*为色光值。

从7种颜色参数中选出最适合描述切花菊叶片的颜色参数, 即既能反映出品种内的一致性和品种间的差异性, 又能同时反映出颜色的红度值(a^*)、黄度值(b^*)、明度值(L^*)的参数。

1.2.3 数量性状的分布分析

利用Microsoft Excel 2015软件计算每个品种10个单株9个数量性状的平均值, 用其来代表各个品种, 再统计每个数量性状的最小值、最大值、极差、标准差和变异系数。利用SPSS 21.0软件绘制次数分布直方图, 并进行K-S正态性检验。

1.2.4 质量性状的分布分析

选择每个品种10个单株中频数最高的状态作为该品种该质量性状的表现形式, 统计3个质量性状在所有品种中的表现状态, 并绘制饼图。

1.2.5 品种内性状的稳定性分析

性状在品种内的稳定性可以用一致性来衡量。质量性状的一致性用众数频数表示, 数量性状的一致性用样本的变异系数来衡量。把质量性状众数频数大于90%和数量性状变异系数小于15%作为检测该性状在品种内稳定的标准, 然后计算对某一性状来说符合一致性要求的品种数占试验品种总数的百分比。如果比例大于95%, 则认为此性状一致性较高。

1.2.6 品种间性状的差异性分析

质量性状在品种间的变异用变异系数来衡量。每个性状取各品种出现频率最高的表现型, 并参照文献[12]赋值, 计算各品种间的变异系数, 如果大于30%, 则认为该性状每品种表现型的频率分布不过于集中, 比较适用于品种分类。数量性状在品种间的变异也用变异系数来衡量。每个性状取各品种样本平均值, 计算各性状平均值的变异系数, 如果大于15%, 则认为此性状在品种间有明显差异。

1.2.7 主成分分析利用

SPSS 21.0软件进行主成分分析, 包含KMO和Bartlett的检验、解释的总方差、旋转成分矩阵、主成分上的因子得分以及综合得分。综合得分的计算公式如下:

式中:a₁、a₂、a₃、a₄分别为4个主成分的贡献率, F₁、F₂、F₃、F₄分别为各品种在各主成分中的因子得分, a为5个主成分的累计贡献率。

2 结果与分析 2.1 切花菊叶片最佳颜色参数的确定

对切花菊叶片各颜色参数进行统计分析, 除cl^*外, 其余参数都符合品种内一致性较高的标准(表 3)。7种颜色参数中, 变异幅度最大的是cl^*, 其次是b^*、c^*和a^*, 其余参数在品种间无显著差异(表 4)。

由于c^*在品种内一致性高, 且在品种间差异明显, 因此, 确定c^*为描述切花菊叶色的最佳颜色参数。考虑到计算色度值c^*时并未用到参数L^*, 而L^*值是衡量色彩明暗程度的重要指标, 因此对二者进行相关性分析。结果表明, 不同切花菊品种间L^*值与c^*值呈极显著的正相关关系(y=1.098x-20.391, R²=0.801 9)。因此, c^*值一定程度上也可以用于衡量叶色的明暗程度, 将其作为衡量叶色的参数是合理的。

2.2 切花菊叶片数量性状的分布

由表 5可见:除了叶长/叶宽, 其余数量性状的变异系数均大于15%, 表明这8个数量性状在切花菊品种间有明显变异。其中叶边缘锯齿数量变异程度最大, 达31.56%;叶柄与茎的夹角变异程度最小, 为15.14%。

根据K-S正态性检验显著值大于0.05的标准判断:叶长、叶宽、叶长/叶宽、顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度、叶上表面绿色程度(c^*)这6个数量性状符合正态分布, 而叶柄相对于叶的长度、叶边缘锯齿数量、叶柄与茎的夹角这3个数量性状不符合正态分布(表 6), 其中叶边缘锯齿数量呈现左偏态分布(图 1)。

2.3 切花菊叶片质量性状的分布

在切花菊叶片的基部形状中, 心形、钝角占的比例大, 其次为圆、平截, 而锐角、不对称所占的比例非常小。切花菊叶先端形状以尖为主, 达57%;圆钝次之, 为36%;锐尖最少, 低于10%。有76%的切花菊叶片边缘锯齿深浅表现为中, 仅有1%表现为深, 其余为浅(图 2)。

2.4 切花菊品种内性状的稳定性和品种间性状的差异性分析

由表 7可见:在9个数量性状中, 符合一致性要求的品种比例低于95%的有3个, 分别为顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度、叶边缘锯齿数量。其中最低位一级裂刻深度在品种内的一致性最低, 仅有56.61%, 表明切花菊叶片的数量性状在品种内的稳定性较差, 易受环境和栽培条件的影响。3个质量性状符合一致性要求的品种比例均高达100%, 分别为叶基部形状、叶先端形状、边缘锯齿深浅, 这表明切花菊叶片的质量性状在品种内的稳定性良好, 受环境和栽培条件的影响小。

数量性状中除了叶长/叶宽, 其余性状在品种间的变异系数均大于15%, 表明切花菊叶片的绝大多数数量性状在品种间有明显差异, 具有较高的多样性。质量性状中, 只有叶基部形状在品种间变异系数超过30%, 在品种间表现出明显变异, 另外2个数量性状在品种间的差异不明显, 表明切花菊叶片的大部分质量性状的表现状态在品种间的分布较为集中, 不利于品种区分。

在品种内具有稳定性, 同时品种间差异明显的性状共有6个, 占所测性状的50%, 分别是叶长、叶宽、叶柄相对于叶的长度、叶柄与茎的夹角、叶上表面绿色程度和叶基部形状, 它们比较适合用于品种的鉴定和分类。

2.5 主成分分析

经过KMO和Bartlett的检验, KMO值为0.562>0.5, 偏相关性较弱; Bertlett的球形度检验, P值< 0.001, 适于做主成分分析。

按照特征值大于1的要求, 成分1、2、3、4被选取作为主成分, 特征值分别为3.527、1.845、1.579、1.161, 其累计贡献率达到67.602%, 能够解释约2/3的性状变异。

各性状在旋转成分矩阵中的结果在哪个主成分中的绝对值最大, 就归于该成分中。因此, 第1主成分包含4个指标:顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度、叶边缘锯齿数量、叶基部形状; 第2主成分包含3个指标:叶长/叶宽、叶先端形状、叶边缘锯齿深浅; 第3主成分包含2个指标:叶长、叶宽; 第4主成分包含3个指标:叶柄相对于叶的长度、叶柄与茎的夹角、叶上表面绿色程度(表 8)。

第1主成分的贡献率最高, 对叶部形状起着决定性的影响, 因此, 第1主成分包含的4个指标是叶部形态的最重要的影响因子。

根据不同切花菊品种在各主成分上的因子得分, 按照贡献率计算得综合得分, ‘南农凯歌’叶部性状的综合得分最高, ‘浙江10’叶部性状的综合得分最低(图 3)。‘南农凯歌’‘南农朱雀’‘南农单金翠’‘南农紫庐’‘南农金焰’‘南农粉葵’‘欧元黄’和‘南农凯悦’在叶部性状的综合得分大于1, 表明这8个品种的叶部特性良好。而‘绿安娜’‘南农红楼’‘橙松月’和‘浙江10’在叶部性状的综合得分小于-1, 表明这4个品种的叶部特性较差。其余切花菊品种的综合得分介于-1与1之间, 叶部特性表现一般(图 3)。

根据形态学观察和观测值分析, 叶部性状综合得分高的切花菊品种具有以下特点:顶生裂片相对于叶的长度长; 最低位一级裂刻深度深; 叶边缘锯齿数量多; 叶基部形状多数为心形; 叶先端尖(图 4)。而叶部性状综合得分低的切花菊品种具有以下特点:顶生裂片相对于叶的长度短; 最低位一级裂刻深度浅; 叶边缘锯齿数量少; 叶先端圆钝(图 5)。

因此, 叶部性状综合得分高和低的切花菊品种的差别集中表现在第一主成分上。

3 讨论

通常认为, 在没有人为干预下, 自然界中大多数数量性状的分布遵从正态分布。切花菊是典型的栽培植物, 在品种性状上有较大的人工选择压力^[7]。本试验分析了189个切花菊品种的9个数量性状, 符合正态分布的有6个, 分别是叶长、叶宽、叶长/叶宽、顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度和叶上表面绿色程度。此外, 还有3个数量性状经K-S检验是不符合正态分布的。其中叶边缘锯齿数量的次数分布直方图呈现左偏态分布, 向更多的叶边缘锯齿数量方向拖尾^[13]。由于叶边缘锯齿数量是第一主成分中的性状, 对叶部形态影响大, 并且在综合得分高的切花菊品种中都表现出叶边缘锯齿数量多的状态, 因此, 这种偏态分布形式可能是长期人工选择所致, 在选择压力下, 使群体向特定方向进化, 从而使性状分布发生偏移^[14]。

本试验中, 从次数分布看, 切花菊叶先端形状集中表现为尖, 叶边缘锯齿深浅的表现分布比例悬殊较大, 以中为代表形态, 表明切花菊品种在这2个性状上表现较为单一, 多样性较低^[15], 而切花菊叶基部形状的多样性较为丰富, 心形、钝角和圆等的表现分布较为均匀。

在9个数量性状中, 有5个性状在品种内一致性高且品种间差异明显, 分别是叶长、叶宽、叶柄相对于叶的长度、叶柄与茎的夹角和叶上表面绿色程度。其中, 叶长、叶宽在第3主成分中的因子载荷量位于第1和第2, 叶柄与茎的夹角在第4主成分中因子载荷量最大, 说明这3个性状对叶部形态的影响较大, 较适用于切花菊品种的分类。考虑到切花菊的主要观赏对象是花部, 因此, 切花菊的叶部性状不常作为形态分类的主要标准, 但是可以作为一般标准来辅助进行品种分类^[16]。

在3个质量性状中, 只有叶基部形状通过了品种内稳定性和品种间差异性测试。同时, 在主成分分析中, 该性状是第1主成分中的主要因子。因此, 叶基部形状也适合作为切花菊品种分类时叶部特性的重要性状。

在第1主成分中, 除了叶基部形状, 还包含顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度和叶边缘锯齿数量。但是这3个性状均不符合稳定性的要求, 尤其是最低位一级裂刻深度, 符合一致性要求的品种比例只有56.61%。因此, 虽然这3个性状在第1主成分中的因子载荷量高, 对叶部形状起着决定性的影响, 但是不能作为切花菊品种分类的标准。影响切花菊叶片遗传多样性的因素较多, 通过对多变量的主成分分析, 能够更加清楚地显示各因素在叶部形态多样性构成中的作用^[17-18]。主成分分析中, 前4个主成分的累计贡献率达到67.602%, 表明前4个主成分中因子载荷量较大的性状代表着切花菊叶部的大部分性状变异, 这是引起切花菊叶部形态差异的主要原因。但是仍有约1/3的变异源于其他性状, 这反映出切花菊叶部性状分化的多向性以及具有丰富的遗传多样性^[6]。通常认为, 综合得分越高, 表型综合性状越好, 观赏价值越高^{[11, 19]}。因此, 叶部性状综合得分高的切花菊品种具有的共同特点可以为切花菊的栽培调控和新品种选育提供参考依据。