中國茜草屬sect. Oligoneura的形態計量學研究

楊麗娥 孟盈 聶澤龍 孫航

摘要： 茜草屬為茜草科模式屬，全球約80種，中國有近一半的物種，是茜草屬的重要分布中心，大部分隸屬于sect. Oligoneura。但是，該組內各種間的形態特征錯綜復雜，依靠單個性狀不易劃定種間界限。該研究在全面衡量sect. Oligoneura組內各種間形態特征的基礎上，選取該組20種共171份標本，對其3個數量性狀和28個定性性狀進行聚類分析和主成分分析。結果表明：在主成分分析中，前3個主成分累積貢獻率有46.88%，性狀的累積貢獻率增長并不明顯，但該結果仍與聚類分析結果一致。對前3個主成分貢獻較大的特征包括葉形（葉長寬比）、葉柄長度、葉脈、每輪葉片數和生活型等，這些形態性狀也是該屬傳統分類學中重要的物種鑒定特征。該研究結果與分子系統發育結果基本一致，支持該組內ser. Chinenses、R. mandersii group、R. angustissima group和R. siamensis group類群的劃分，但并不支持ser. Cordifoliae單獨成系。sect. Oligoneura內除少數物種外，大部分物種界限均比較清晰。形態計量學研究為sect. Oligoneura甚至茜草屬的物種鑒定與劃分提供了重要的參考意義。

關鍵詞： 茜草屬， sect. Oligoneura， 聚類分析， 主成分分析

中圖分類號： Q948.2文獻標識碼： A文章編號： 10003142（2017）07082912

廣西植物37卷7期楊麗娥等： 中國茜草屬sect. Oligoneura的形態計量學研究收稿日期： 20170120修回日期： 20170220

基金項目： 國家自然科學基金（31370244、31570211）；國家自然科學基金委重大項目（31590820， 31590823）；中國科學院戰略重點研究項目（XDB03030112） [Supported by the National Natural Science Foundation of China（31370244， 31570211）； Major Program of National Natural Science Foundation of China（31590820， 31590823）； Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences （XDB03030112）]。

作者簡介： 楊麗娥（1990-），女，云南保山人，博士研究生，主要從事植物系統與生物地理學研究，（Email）yanglie@mail.kib.ac.cn。

*通信作者： 孫航，博士，研究員，主要從事植物區系、系統與生物地理學研究，（Email） hsun@mail.kib.ac.cn。A morphometric study of Chinese Rubia sect.

Oligoneura （Rubiaceae： Rubieae）

YANG LiE1， 2， MENG Ying3， NIE ZeLong3， SUN Hang1*

（ 1. Key Laboratory for Plant Diversity and Biogeography of East Asia， Kunming Institute of Botany， Chinese Academy of Sciences， Kunming

650201， China； 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China； 3. Key Laboratory of Plant Resources Conservation

and Utilization， College of Biology and Environmental Sciences， Jishou University， Jishou 416000， Hunan， China ）

Abstract： Rubia is the type genus of Rubiaceae， comprising ca. 80 species. China is an important diversity center for Rubia with approximately half of its species， most of which belong to sect. Oligoneura. The morphological variations and taxonomy are complicated in sect. Oligoneura. To provide some statistic evidences for the classification of sect. Oligoneura， we explored a morphometric study based on 20 species （171 specimens） from the section using 28 qualitative and three quantitative characters. Our results showed that the principal components analysis produced the similar result as the cluster analysis， though the accumulation rising slowly with the first three principal components with only 48.56% of the total variations. Contributions to the first three components included leaf shape（leaf length/leaf width）， length of leaf petiole， leaf veins， number of leaves in each whorl， and life forms， which were also important to traditional classification of the genus. Our results are congruent with molecular phylogenetic results and support the recognition of ser. Chinensis， R. mandersii group， R. angustissima group and R. siamensis group， but not ser. Cordifoliae. Our results also indicate that most species in sect. Oligoneura can be well distinguished. Therefore， our study suggests that morphometric analysis provides good evidences for species identification and classification within sect. Oligoneura as well as for the whole genus.

Key words： Rubia， sect. Oligoneura， cluster analysis， principal components analysis （PCA）

茜草屬（Rubia L.）為茜草科茜草族的模式屬，茜草族是茜草科下唯一的以溫帶為分布中心的族（Robbrecht， 1988； Robbrecht & Manen， 2006）。茜草屬約80種，為舊世界分布，我國是茜草屬重要的分布中心，分布有近一半的物種（38種，其中20個為特有種）。茜草屬植物主要為多年生草本、灌木或亞灌木，通常被糙毛或小皮刺，莖具棱或翅，葉具柄或無柄，通常具4～6片（或多于10）的假輪生葉，少數葉對生，且具柄間托葉，葉脈為掌狀脈，羽狀脈或僅具一條主脈；花冠輻射或近鐘狀，5裂，極少數為4裂；雄蕊5或偶為4，著生于花冠管上，子房二室或退化為一室，每室一胚珠，肉質漿果2裂（Chen & Ehrendorfer， 2011）。

茜草屬植物在形態性狀上變異很大。通常依據生活型和葉脈類型把茜草屬分為兩個組：sect. Oligoneura和sect. Rubia s. l.。前者主要為多年生草本，葉片具掌狀脈3～7條或更多，葉具長葉柄、無柄或近無柄；后者主要為多年生草本，少數為小灌木或灌木，葉具有一條主脈或羽狀脈。這兩個組的劃分也得到了分子系統學證據的支持（Yang et al， 2016）。sect. Rubia在我國分布較少，只有7個種，且分子和形態學特征都強烈支持該組的劃分，組下各種的界限也比較清晰（Poyarkov， 2000；Chen & Ehrendorfer， 2011；Ehrendorfer， 2014；Yang et al， 2016）。然而，sect. Oligoneura在我國分布多達31種，該組內各種間的形態特征錯綜復雜，種內變異很大，加上茜草屬內可能存在雜交，依靠單個的或者少數幾個形態特征很難劃定種間界限，因此僅基于傳統分類學方法來確定該組下各種的界限很困難（Chen & Ehrendorfer， 2011）。此外，由于sect. Oligoneura在我國分布類群較多，且變異較大，在英文版中國植物志中，Chen & Ehrendrfer（2011）建議：該組除包括ser. Cordifoliae、ser. Chinenses以外，還應包括R. mandersii group、R. angustissima group和R. siamensis group，它們的分類地位與系等同，但這種建議主要基于形態性狀。

最近我們對中國茜草屬植物進行了分子系統學研究（Yang et al， 2016），研究結果強烈支持茜草屬的單系地位，并且茜草屬與分布于美洲的Didymaea Hook互為姐妹類群，二者共同構成茜草族其它類群的姐妹類群，這與之前的研究相一致（Manen et al， 1994； Manen & Natali， 1995； Natali et al， 1995； Andersson & Rova， 1999； Soza & Olmstead， 2010）。此外研究結果還支持茜草屬下劃分為兩組，即sect. Oligoneura和sect. Rubia s. l.，并且也得到了形態及地理分布證據的支持，但研究結果并沒有很好地解決sect. Oligoneura內的系統關系。該組內出現了大量的平行分支，并且sect. Oligoneura下最大的ser. Cordifoliae不是單系類群，其下的物種穿插于其它各系中，因此并沒有很好地支持英文版中國植物志中對sect. Oligoneura下的分類劃分建議，但R. mandersii group、R. angustissima group兩個類群都得到了分子證據的支持（Yang et al， 2016）。

Sect. Oligoneura種類之間形態變異較大，且各種間形態性狀存在一定的交叉，故各種間依據個別的形態數據來區分很容易混淆，給分類學研究帶來了困難，但一些較為穩定的形態性狀對該組植物的分類學研究還是具有重要的意義，如葉片著生方式和葉柄長度等。sect. Oligoneura內多數種通常為4～6片（或多于6）的假輪生葉，如林生茜草[R. sylcatica（Maximowicz）Nakai]，也有部分葉對生，且具有典型的葉柄間托葉（如對葉茜草 R. siamensis Craib）。茜草屬植物葉柄長度變異較大，有的長達數厘米（如金劍草R. alata Wallich），有的無柄或近無柄（如紅花茜草R. haematantha Airy Shaw），葉柄長度是茜草屬中相對穩定的一個形態性狀，通常作為茜草屬下分類依據；此外，其它常用來作為分類依據的性狀還有葉形、葉脈數、葉基形狀、花冠裂片形狀和顏色、花絲著生位置等。

形態學性狀一直是植物分類學研究的基礎，傳統的形態研究與計算機技術結合，形成了數量分類學，現發展成為形態計量學，使生物分類學正逐漸從定性描述向精確的、定量的高水平發展。目前，形態計量學（或數量分類學）已被廣泛應用于科、屬、種下的分類（徐克學和李德中， 1983； 彭焱松等， 2007； 周蘭英等， 2009；張永增等， 2016）。形態計量學的廣泛應用為植物分類研究提供了客觀依據。本研究利用形態計量學研究來探討中國茜草屬sect. Oligoneura內各系及種間的分類學問題，為sect. Oligoneura內各系和種間的分類學處理提供更多的證據。

1材料與方法

1.1 材料

以中國茜草屬sect. Oligoneura的20個種為分類單位（表1），代表了本組內所有可能的組下分類單元，如ser. Cordifoliae、ser. Chinenses、R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都有相應的代表類群。性狀數據主要來自昆明植物研究所標本館（KUN）、華南植物研究所標本館（IBSC）、廣西植物研究所標本館（IBK）館藏標本以及野外采集的標本，部分性狀來自野外觀察，少數定性的性狀來自文獻。

1.2 測量與統計分析方法

利用刻度尺測量獲得長度等數據，定性性狀采用直接觀測或使用放大鏡、解剖鏡進行觀察。以sect. Oligoneura下的20個種為分類單位，查閱大量植物標本，綜合野外觀察以及文獻研究后選定31個性狀指標（表2）進行形態計量分析，所選性狀涵蓋了茜草屬中具有分類價值的全部性狀，這些性狀也大都是茜草屬下分類的重要依據。僅極少數性狀存在個體間的變異，但在大量的樣本中這些性狀是相對穩定的，故我們在進行性狀測量、統計時，如果標本數量允許的條件下均會選取盡可能多的樣本進行測量、統計，從而得到更為客觀的結果。每個分類單位所測量標本數為5～20份，極少數因館藏標本數量太少以實測標本數為準，本研究共測定標本171份（表1）。數量性狀測量的原始數據來自于每份標本每個性狀測定的2～6個數據的平均數。我們將測量的20種，共171份標本，作為171個分類運算單位（OUT）。通過分析整理標本的觀察測量結果和原始記錄，對28個表型性狀分別進行編碼，其中二元性狀15個，編碼為0，1；多元性狀13個；數量性狀3個（表2）。對所有性狀數據進行無序處理，任何兩個性狀狀態間的距離相等。用“？”代表不詳或未知的性狀。

上述整理所得矩陣利用NTSYSpc 2.10e（Rohlf， 1994）軟件進行分析。原始數據利用Standardization模塊完成標準化，標準化矩陣通過Simint模塊計算基于歐氏距離（Euclidean distance）的分類單元的相關系數，然后利用SHAN模塊基于UPGMA（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean）算法對各分類單元進行聚類分析，利用Eigen模塊進行主成分分析（PCA），同時獲得特征根和特征向量，在Mod 3D模塊下完成三維散點圖的繪制（張永增等， 2016）。

2結果與分析

2.1 聚類分析

圖1為中國茜草屬sect. Oligoneura的聚類分析圖，對各級分支分析發現，該組內除ser. Cordifoliae不是單系類群外，其余均能構成獨立分支。根據結合線法（陳守良等， 1983；徐克學和李德中， 1983），在第133次至第134次聚合時分類單元間結合值出現最大的“數值飛躍”，在飛躍位置的中點處取等級分界值，取在歐氏距離值為0.637處，從簡約樹中可以明確地看到sect. Oligoneura下可穩定地分為9大表征群（圖1）。

group的類群；表征類群C僅包括R. siamensis group的類群；表征類群G對應于ser. Chinenses的類群；其余的5個表征群（D、E、F、H、I）均為ser. Cordifoliae的類群。表征群G（ser. Chinenses類群）嵌套在ser. Cordifoliae的類群中。此外，sect. Oligoneura下各種除柄花茜草（R. podantha Diels）和茜草（R. cordifolia）外，其余種都很穩定，都能很好地聚合在一起。

2.2 主成分分析

對中國茜草屬sect. Oligoneura的主成分進行分析，結果顯示前三個主成分的貢獻率分別為20.13%、17.93%和8.82%，前三個主成分的累積貢獻率為46.88%（表3），直到第8個主成分累積貢獻率才達到78.19%，增值比較緩慢，也說明本類群在演化過程中性狀變異的多樣性，出現多個不同的分支類群（彭焱松等， 2007）。其中對第1主成分（PC1）貢獻最大的特征是葉長寬比、是否具有葉柄、葉脈類型、花序軸、葉形、花序苞片形狀、每輪葉片數，特征向量值分別為0.876 2、0.841 5、-0.810 4、-0.805 6、0.722 2、0.710 8、0.708 0；對第2主成分（PC2）貢獻最大的特征包括花冠管是否明顯、生活型、雄蕊是否伸出花冠、花絲著生位置、葉柄長/葉片長，特征向量值分別為0.926 4、0.848 6、0.799 5、-0.766 9、-0.556 0；對第3主成分（PC3）貢獻最大的特征包括是否具有假輪生葉、花冠顏色、假輪生葉是否明顯小于真葉、根形態，特征向量值分別為-0.754 1、-0.749 4、0.5481、0.5362。表3列出sect. Oligoneura的31個形態性狀在主成分分析中的前三位主成分的特征根和特征向量見的詳細信息。三維散點圖顯示R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都相互獨立，只有ser. Cordifoliae和ser. Chinenses之間存在交錯（圖2）。

3討論

Sect. Oligoneura是茜草屬中一個形態變異非常復雜的類群，傳統分類學中主要依據葉形（葉長寬比）、葉柄、葉脈、每輪葉片數、生活型、花冠管是否明顯等特征來對種進行劃分，本文的PCA分析結果與傳統分類學的觀點完全一致，結果顯示對第一主成分貢獻率較大的形態特征為葉長寬比、是否具有葉柄、葉脈類型、每輪葉片數（分別為0.876 2、0.841 5、-0.810 4、0.708 0），花冠管是否明顯和生活型是對第二主成分貢獻率較大兩個特征（分別為0.926 4、0.848 6）。

其次，傳統分類學研究中一些其它的形態特征，如花冠管是否明顯、花絲著生位置、葉柄長/葉片長、是否具有假輪生葉、花冠顏色、假輪生葉是否明顯小于真葉、根形態等均對前三個主成分的貢獻率較大。

分子系統學證據并沒有很好地解決sect. Oligoneura下的分類問題（Yang et al， 2016），而形態計量學分析（聚類分析、主成分分析）對茜草屬sect. Oligoneura下的分類單元劃分具有一定的指導意義。本研究中，除ser. Cordifoliae沒有形成獨立支系外（ser. Chinenses形成了獨立分支嵌套于ser. Cordifoliae中），Chen & Ehrendorfer（2011）提出的sect. Oligoneura組下劃分新增的R. mandersii group、R. angustissima group和R. siamensis group都得到了很好的支持。分支A（R. mandersii group）多為直立草本，葉無柄，葉基楔形，國內主要分布有黑花茜草（R. mandersii Collett & Hemsley）、多脈茜草（R. polyphlebia H. S. Lo）、云南茜草（R. yunnanensis Diels）、川滇茜草（R. edgeworthii J. D. Hooker），分布于我國云南、四川，以及印度、緬甸、泰國。分支B（R. angustissima group）主要特征包括葉線形或針狀，無柄，僅具一條葉脈，該類群具有針狀的細長葉片，而sect. Oligoneura下葉形多為卵形、披針形或狹披針形，所以R. angustissima group是本組中形態最為特殊的類群，僅包括紅花茜草（R. haematantha Airy Shaw）一種，分布于我國云南、四川，為我國特有種；分支C（R. siamensis group）常葉對生，具有真正的柄間托葉，其是茜草屬中唯一一個不具有假輪生葉的類群，主要分布于我國云南、四川或泰國。

在sect. Oligoneura中，ser. Cordifoliae為攀援草本，多具長葉柄，通常大于葉片長度的二分之一， 每輪葉片數為4、6或更多；ser. Chinenses為直立草本，葉柄通常較短，小于葉片長度的二分之一，葉片為每輪四片（Chen & Ehrendorfer， 2011；Pojarkova， 2000）。因此這兩個系的形態性狀存在重疊現象，如在每輪葉片的數目上，葉片數為4片是ser. Chinenses的一個主要特征，但是ser. Cordifoliae大部分種葉片數也為4片（如柄花茜草等）；分子系統學研究結果也顯示大葉茜草（R. schumanniana E. Pritzel）（隸屬于ser. Chinenses）嵌套于ser. Cordifoliae中與柄花茜草（隸屬于ser. Cordifoliae）關系比較近（Yang et al， 2016）。

此外，基于對茜草屬的形態學研究我們發現，葉柄長度在茜草屬內的變異較大，甚至同一種內長度變化也很大，因此葉柄長度這一分類性狀并不是完全可靠，由統計數據可知茜草、東南茜草[R. argyi（H. Leveille & Vaniot）H. Hara ex Lauener & D.K. Ferguson]以及柄花茜草三個種中均存在葉柄長度/葉片長度小于1/2的類群，這一特征與ser. Chinenses中國茜草（R. chinensis Regel & Maack）和大葉茜草的主要劃分特征每輪葉4片以及葉柄與葉片長度比小于1/2是一致的，故由于界定兩系的主要形態特征存在重疊，我們的數量分類學研究結果無法將ser. Cordifoliae和ser. Chinenses兩個系區分開來，故二者嵌套在一起，但ser. Chinenses生活型為直立草本這一個特征為較可靠的分類依據可與ser. Cordifoliae（攀援草本）相區分，故其雖嵌套于ser. Cordifoliae，但也形成了獨立分支。

聚類分析結果顯示除柄花茜草和茜草兩個種外，其余各種都形成了獨立分支。其中柄花茜草和茜草兩種的不同個體均分別形成兩個小的分支，一個分支分別僅有柄花茜草和茜草的類群構成，另一分支為茜草與柄花茜草的混合分支。茜草為茜草屬的模式種，該種也是茜草屬中分布最廣的種，國內各省均有分布，且形態變異較大，每輪葉片數為4、6或8片甚至多達12片，該種區別于該系其它種的主要的特征為果實成熟時呈橘紅色；而柄花茜草主要分布在我國西南地區，主要特征為穩定的每輪葉片數4及花冠裂片反卷，花梗粗壯，導致兩種部分個體在聚類分析結果中聚在一起，原因應是兩種的主要區別特征上存在重疊（如每輪葉片數、葉柄長度等），而其它形態特征也較為相似。

綜上所述，形態計量學研究結果表明對主成分貢獻率較高的特征主要有葉形（葉長寬比）、葉柄、葉脈、每輪葉片數、生活型、花冠管是否明顯等特征，這些形態性狀也作為傳統分類學的主要依據，因此本研究結果與中國植物志分種檢索表中所列特征性狀較為一致，驗證了該分種檢索表的合理性。本研究結果也表明sect. Oligoneura除柄花茜草和茜草兩種外，其余各種間的界限都比較清晰，能形成獨立分支，故可為該組下各物種的鑒定提供新的分類依據。另外在sect. Oligoneura中，R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都得到了分子系統學與形態計量學證據的支持，建議將它們正式提升為系。但本組中最大的系ser. Cordifoliae并沒有得到分子與形態證據的支持，所以需要對本組乃至整個茜草屬進行更為全面的分子與形態數據的綜合研究才能作出全面的系統修訂。

致謝中國科學院昆明植物研究所標本館（KUN）、中國科學院華南植物園標本館（IBSC）及中國科學院廣西植物研究所標本館（IBK）提供了研究材料。云南師范大學張永洪副教授在數據分析上給予了指導。中國科學院昆明植物研究所彭德力博士在論文修改上給予了幫助、李文慶碩士在分布圖處理上給予了幫助。在此一并致謝。

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