基于花器官特征的油茶遺傳多樣性分析

傅志強，袁 汕，申春暉，張 恒，陳銳帆，奚如春,b

（華南農業大學 a. 林學與風景園林學院；b. 廣東省森林植物種質創新與利用重點實驗室，廣東 廣州 510642）

油茶Camellia oleifera是山茶科Theaceae山茶屬Camellia油用植物資源的總稱，與油橄欖Olea europaea、油棕Elaeis guineensis、椰子Cocos nucifera合稱為世界四大木本油料作物[1-2]。目前我國油茶栽培總面積約4.37×105hm2，年產茶油約7.0×108kg，主要分布于湖南、江西、廣西、廣東、安徽、福建、湖北等省（區）[3-4]。我國油茶種質資源豐富，現已通過國家審定的油茶良種有375個。主栽油茶物種有普通油茶、小果油茶C. meiocarpa、越南油茶C. vietnamensis、攸縣油茶C. grijsii、浙江紅花油茶C. chekiangoleosa、廣寧紅花油茶C. semiserrata、騰沖紅花油茶C. reticulate等 13 個[5]。

表型性狀分析對于遺傳關系研究、新品種選育和種質資源評價具有重要參考價值[6]。花是植物重要繁殖器官，其在植物進化過程中適應多變環境及成功繁育方面均發揮著重要作用[7]。目前，西伯利亞杏[8]Armeniaca sibirica、歐洲李[9]Prunus domestica、秋子梨[10]Pyrus ussuriensis和長梗扁桃[11]Prunus pedunculata等花器官的表型性狀分析已有報道。陳永忠等[12]對油茶果實數量性狀進行了研究，將其劃分為高含油類、高出籽類、大籽類、皮薄類和大果類等5大類。目前油茶研究主要集中于繁殖栽培[13-14]、生理生化[15]及品種選育[16]等方面，但關于其花器官數量特征研究還僅限于單一品種[17-18]，對類群花器官數量特征的遺傳多樣性研究未見相關報道。本研究基于對廣東現有主栽的15個油茶品系，通過調查測定花器官各數量性狀特征，采用概率分級、遺傳多樣性、聚類分析等數學方法對其數量性狀進行綜合分析，初步探索建立花器官數量性狀的分級評價體系，以期為油茶種質資源評價與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為廣東省韶關市曲江區國有小坑林場國家油茶種質資源圃（113°35′E，24°15′N）內收集栽培的15個油茶栽培品種（表1）。該試驗林于2018年采用2 a生嫁接苗營造，株行距2.5 m×3.0 m。試驗設計為3個隨機區組，每區組內各品系栽植10株。林地管理按照常規標準進行。目前試驗林生長良好，并已進入投產期。

表1 參試品種信息Table 1 Information on the tested varieties

1.2 性狀觀測與記錄

于2021年10—12月盛花期，在各區組內，分別隨機采集各品系30朵盛開的完全花，采用解剖法測定記錄花萼數/個（X1）、花瓣數/片（X2）、柱頭開裂數/個（X3）；用數顯游標卡尺測定花冠直徑/cm（X4）、雄蕊群直徑/cm（X5）、花瓣長/cm（X6）、花瓣寬/cm（X7）、內雄蕊高/cm（X8）、外雌蕊高/cm（X9）、花柱高/cm（X10），并計算花瓣長寬比（X11）。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2020軟件對數據進行平均值、標準差、變異系數、遺傳多樣性分析；采用Origin Pro2019b軟件對11個性狀進行R型聚類分析，聚類方法以Pearson相關性為度量標準；采用SPSS 22.0軟件對數據進行相關性分析、主成分分析，其中主成分分析將多項指標轉化為少量綜合指標，根據聚類分析、主成分分析，去除相關性較大和貢獻率較小的指標。

1）Shannon-weaver多樣性指數（H′）計算公式為：

式中：Pi為某個性狀第i個級別出現的概率，ln為自然對數e，e≈2.71828。

2）Simpson多樣性指數（D）計算公式為：

2 結果與分析

2.1 花器官性狀特征比較

將收集15個品種的11個花器官性狀進行統計分析可知（表2），不同品種的花器官數量性狀特征存在較大差異。其中，花萼數最多的湘林1號為7.90個；花瓣數量、雄蕊群直徑、花冠直徑、花瓣寬、花瓣長值最大的為高州油茶，分別為8.27片、2.72 cm、8.99 cm、3.30 cm、4.86 cm；柱頭開裂數、外雄蕊高、花柱高最大值均為華鑫，分別為4.57個、1.86 cm、1.68 cm；花瓣長寬比、內雄蕊高最大值均為岑軟3號，分別為1.82、1.00 cm。

表2 參試品種花器官數量性狀特征值Table 2 Quantitative traits of floral organs of the tested varieties

2.2 花器官性狀的概率分級及遺傳多樣性分析

概率分級結果表明（表3），油茶花器官的11個數量性狀均符合正態分布（Sig.值＞0.05）。因此，采用（X-1.2828S）、（X-0.5246S）、（X+0.5246S）和（X+1.2818S）等4個分點值分為5個等級，使1～5級的概率出現分別為10%、20%、40%、20%和10%[19]。其中X代表各性狀平均值，S代表各性狀標準差。

花器官性狀頻率分布及多樣性分析結果表明（表4），各性狀Shannon-Wiener指數范圍為0.991～1.525，平均值為1.395；Simpson指數范圍為0.604～0.764，平均值為0.702。其中，柱頭開裂數的Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson指數均最大，雄蕊群直徑的Shannon-Wiener指數和Simpson指數值均最小，分別為0.991和0.604。花器官性狀各級比例范圍在0～53.33%之間。其中，花瓣長、花瓣寬和花柱高Ⅲ級占比較高，均為53.33%。整體來看，花器官數量性狀在Ⅲ級占比較高，平均為44.85%，Ⅰ級占比較低，平均為8.48%。

表3 油茶花器官數量性狀正態性檢驗及概率分級Table 3 Normality test and probability grading of camellia flower organ quantitative traits

表4 油茶花器官數量性狀頻率分布及多樣性指數Table 4 Frequency distribution and diversity index of quantitative traits of camellia flower organs

性狀變異結果表明（表5），花器官性狀變異范圍為8.82%～20.24%。其中，雄蕊群直徑變異系數最大，為20.24%，說明該性狀變異較為豐富，外雄蕊高變異系數最小，為8.82%，說明該性狀較為穩定。花萼數量為5.43～7.90個，平均6.53個；花瓣數量為5.43～8.27片，平均6.50片；柱頭開裂數為3.00～4.57個，平均3.69個；花冠直徑為5.05～8.99 cm，平均6.42 cm；雄蕊群直徑為1.35～2.72 cm，平均1.71 cm；花瓣長為2.43～4.86 cm，平均3.11 cm；花瓣寬為1.57～3.30 cm，平均2.10 cm；花瓣長寬比為1.12～1.82，平均1.50；內雄蕊高為0.69～1.00 cm，平均0.85 cm；外雄蕊高為1.35～1.86 cm，平均1.61 cm；花柱高為1.01～1.68 cm，平均為1.36 cm。

2.3 R型聚類分析

R型聚類分析可揭示各性狀間的相關性，對11個花器官性狀進行R型聚類分析，以Pearson相關性為度量標準，對其進行聚類分析（圖1）。結果表明，花冠直徑與花瓣長呈高度相關（r=0.97），其他性狀指標較分散，且存在一定的相對獨立性。

表5 油茶花器官數量性狀的變異情況Table 5 Variation of quantitative traits of camellia flower organs

圖1 R型聚類分析圖Fig. 1 R-type cluster analysis diagram

2.4 主成分分析

對11個花器官性狀進行主成分分析（表5），結果表明，特征值大于1的主成分共有4個，累計貢獻率為85.932%，可代表這11個性狀的大部分信息。主成分1貢獻率為40.057%，占比較大的性狀為花冠直徑（0.884）、花瓣長（0.930）和花瓣寬（0.901）；主成分2貢獻率為26.118%，占比較大的性狀為花瓣長寬比（0.890）和內雄蕊高（0.898）；主成分3貢獻率為10.160%，占比較大的性狀為柱頭開裂數（0.910）；主成分4貢獻率為9.597%，占比較大的性狀為花萼數（0.806）。

表6 主成分分析Table 6 Principal component analysis

2.5 Q型聚類

通過對11個性狀進行R型分析和主成分分析，花冠直徑與花瓣長相關系數較大，存在性狀重疊，但主成分分析結果表明，花冠直徑與花瓣長特征向量值均較大，因此對這兩個性狀均予以保留。因此，對花冠直徑、花瓣長、花瓣寬、花瓣長寬比、內雄蕊高、柱頭開裂數等6個性狀進行Q型聚類分析。

Q型聚類分析結果表明（圖2），在歐式距離為1.4時，15個參試油茶品種可分為4類，Ⅰ類有9種，包括岑軟2號、華碩、贛州油7號、華鑫、湘林1號、粵連74-4、湘林210、長林4號和粵連74-5；Ⅱ類有3種，包括華金、長林40號、長林53號；Ⅲ類有2種，包括岑軟3號和贛州油1號；Ⅳ類有1種，包括高州油茶。

根據分類結果，Ⅰ類屬中小花型，花瓣長為2.65～3.24 cm，花冠直徑為5.33～6.81 cm，雄蕊群直徑為1.44～1.87 cm；Ⅱ類屬小花型，花瓣長為2.43～2.58 cm，花冠直徑為5.05～5.43 cm，雄蕊群直徑為1.35～1.53 cm；Ⅲ類屬中花型，花瓣長為3.66～3.92 cm，花冠直徑為7.80～7.91 cm，雄蕊群直徑為1.45～2.17 cm；Ⅳ類屬大花型，花瓣長4.86 cm，花冠直徑為8.99 cm，雄蕊群直徑為2.72 cm。

圖2 Q型聚類分析圖Fig. 2 Q-type cluster analysis diagram

3 結論與討論

3.1 結 論

本研究的15個參試品種為我國各省油茶的主栽品種，代表性較強，選擇其作為花器官數量性狀分級研究對象較為合適。通過對各參試油茶品種的花器官性狀進行數理統計分析，結果表明：不同品種花器官數量性狀存在較大差異，油茶花器官數量性狀遺傳多樣性豐富，各性狀變異范圍較廣。各性狀Shannon多樣性指數和Simposn多樣性指數大小依次為：柱頭開裂數＞花瓣長寬比＞外雄蕊高＞花瓣數、花萼數＞內雄蕊高＞花瓣寬＞花柱高＞花瓣長＞花冠直徑＞雄蕊群直徑；各性狀變異系數大小依次為：雄蕊群直徑＞花瓣寬＞花瓣長＞花冠直徑＞花瓣長寬比＞柱頭開裂數＞花柱高＞花瓣數＞內雄蕊高＞花萼數＞外雄蕊高；聚類分析與主成分分析篩選出6個重要性狀分別為：花冠直徑、花瓣長、花瓣寬、花瓣長寬比、內雄蕊高、柱頭開裂數；15個油茶種質資源被分為4類，Ⅰ類屬中小花型，Ⅱ類屬小花型，Ⅲ類屬中花型，Ⅳ類屬大花型。

3.2 討 論

基因型差異和外部環境是影響花器官性狀特征的重要因素，對其性狀進行概率分級、遺傳多樣性分析及變異分析具有重要意義[20]。數量性狀分級方法較多，如朗彬彬等[21]依據獼猴桃性狀數值頻率分布采用等距法對符合正態分布的數量性狀劃分為5級。然而，這種傳統的等距法分級雖然計算較為簡便，但由于人為誤差和客觀存在的認知障礙，分級點的選取可能存在誤差[22]。本研究根據劉孟軍等[19]對11個花器官性狀進行概率分級，各性狀指標分為5個等級，確定了11個數量性狀的分級范圍，其中花器官數量性狀各級比例范圍為0～46.67%，總體符合概率分級標準。對于呈偏態分布的性狀，可能是種質資源不同，導致其性狀概率分級存在一定偏差。該研究結果填補了油茶花器官數量性狀分級的空白，分級結果可作為油茶花器官數量性狀的分級依據。探究表型多樣性是了解遺傳變異的重要手段，植物資源的開發利用離不開對表型性狀的測定與分析[23]。11個性狀的Shannon-Wiener多樣性指數范圍為0.991～1.525，Simpson多樣性指數范圍為0.604～0.764，變異系數范圍為8.82%～20.24%，說明其具有相對較為豐富的遺傳多樣性，變異程度較大。雄蕊群直徑變異系數較大而Shannon-Wiener指數和Simpson指數均較小，即變異程度越高，多樣指數則越小，這與吳春文等[24]的研究結果一致。

由于植物性狀繁多，因此選取關鍵性狀是進行植物分類的關鍵。R型聚類分析目的是分析各指標之間的相關性，選取合理指標，避免指標間的重疊性。鄧紹勇等[25]對梔子的32個形態學性狀進行R型聚類，并根據梔子性狀特征，剔除了花萼齒長和果萼齒長等指標，確保性狀選取合理。本研究結果表明，各指標間性狀存在一定的關聯性，且相互獨立，這與薛昱婷等[26]的研究結果一致，說明各性狀指標選取較為合理。主成分分析是將多個相關變量縮減為少數相關性較少的綜合指標，從而比較各性狀在各主成分的貢獻率，以此對重要指標進行篩選。在本研究中，通過對11個性狀進行R型聚類分析和主成分分析后，共篩選花冠直徑、花瓣長、花瓣寬、花瓣長寬比、內雄蕊高、柱頭開裂數等6個重要指標。Q型聚類分析根據6個性狀將15個品種分為4種類型：Ⅰ類為中小花型，Ⅱ類為小花型，Ⅲ類為中花型，Ⅳ類為大花型。通過分析4個類群花器官大小平均值，認為該分類方法較為科學合理。同一系列未被聚類到一起，這可能是因為相關研究人員在種質資源調查過程中根據其形態特征差異進而選育出新品種，造成同一系列花器官形態差異較大。

在該研究中，品種選擇方面涉及多地（市、區）主栽油茶品種，能較好地代表其花器官數量特征。由于本研究是在廣東省進行，鑒于數量性狀受環境因素影響較大，該研究結果可能不完全適用于其他生態區域，因此需根據品種在不同生態區域的表現對分級范圍進行相應地調整。此外，由于油茶各品種開花物候特征不同，花期不一致，在品種數量存在一定的局限性[27-28]。因此，在后續研究中要加大品種調查力度，增加花器官數量及質量性狀等指標，以此完善油茶花器官分類系統。同時還可以增加枝條、果實、葉片特征等器官進行綜合分類，并結合分子標記來驗證表型性狀分類系統的準確性。