湖北咸寧桂花品種數(shù)量分類研究

段一凡，王賢榮，梁麗麗，向其柏，伊賢貴

(南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

桂花(Osmanthusfragrans(Thunb.) Lour.)為木犀科(Oleaceae)木犀屬(OsmanthusLour.)著名觀賞花木，屬我國(guó)十大傳統(tǒng)名花之一，在我國(guó)已有2 500余年的栽培歷史.湖北省咸寧市是我國(guó)著名的五大桂花老產(chǎn)區(qū)之一，地處湖北省東南部，地跨東經(jīng)113°32′～114°58′，北緯29°02′～30°19′，地勢(shì)東南高，西北低，山地、丘陵、平原兼而有之.咸寧屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫和，年平均氣溫16.8℃；降水充沛，年平均降水量1 577.4 mm；日照充足，四季分明，年平均日照時(shí)間為1 754.5 h；無霜期長(zhǎng)，年平均無霜期為245～258 d；土壤pH值適中，適宜桂花的生長(zhǎng).

數(shù)量分類學(xué)是以定量的觀點(diǎn)來描述親緣關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分類[1].因此作為一門邊緣學(xué)科，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是各種統(tǒng)計(jì)軟件的不斷出現(xiàn)，使得該學(xué)科得到了飛快的發(fā)展，并逐漸成為研究品種分類的一個(gè)重要方法，應(yīng)用廣泛.在對(duì)湖北咸寧桂花品種資源調(diào)查的基礎(chǔ)上[2]，對(duì)咸寧市桂花品種進(jìn)行了數(shù)量分類，探討了咸寧桂花品種之間的親緣關(guān)系，并對(duì)桂花品種分類依據(jù)進(jìn)行了討論.

1 材料

以湖北咸寧所產(chǎn)的26個(gè)桂花品種作為分類運(yùn)算單位(operational taxonomic unit，OTU)，試驗(yàn)材料來源于咸寧市桂花鎮(zhèn)、潛山國(guó)家森林公園、195醫(yī)院、咸寧學(xué)院等地，詳見表1.

表1 26個(gè)桂花品種

2 研究方法

2.1 分類性狀的選取和編碼

通過對(duì)桂花品種的觀察、分析，選取了26個(gè)比較穩(wěn)定、能夠反映品種間特征差異的性狀作為數(shù)量分類性狀.其中7個(gè)為二元性狀(簡(jiǎn)稱“二”)，8個(gè)為多態(tài)性狀(簡(jiǎn)稱“多”)，11個(gè)為連續(xù)數(shù)值性狀(簡(jiǎn)稱“數(shù)”)，詳見表2.

2.2 數(shù)學(xué)分類方法

用MVSP3.1軟件對(duì)選取的26個(gè)分類性狀進(jìn)行主成分分析(principal component analysis，PCA)，并對(duì)26個(gè)OTU進(jìn)行聚類分析(cluster analysis).聚類分析采用類平均法(UPGMA)和歐氏距離(euclidean distance)進(jìn)行運(yùn)算，并用最遠(yuǎn)距離法(farthest neighbour)、最近距離法(nearest neighbour)和中間距離法(WPGMA)加以比較分析.

表2 桂花品種分類性狀及編碼

續(xù)表2

編號(hào)性狀編碼類型編碼值編號(hào)性狀編碼類型編碼值9葉基形狀多圓形(0)、闊楔形(1)、窄楔形(2)、平截(3)22結(jié)實(shí)與否二不結(jié)實(shí)(0)、結(jié)實(shí)(l)10葉柄長(zhǎng)數(shù)5～8mm(0)、8～11mm(1)、11～14mm(2)、>14mm(3)23花期二秋季開花(0)、四季開花(1)11側(cè)脈對(duì)數(shù)數(shù)6～8對(duì)(0)、8～10對(duì)(1)、>10對(duì)(2)24秋季首開花時(shí)間二8月中下旬開花(0)、9月中下旬開花(1)12每節(jié)花芽對(duì)數(shù)數(shù)1～2對(duì)(0)、2～3對(duì)(1)、>3對(duì)(2)25葉柄顏色二黃綠色(0)、紫紅色(1)13每花序花朵數(shù)數(shù)5～7朵(0)、7～9朵(1)、>9朵(2)26花枝長(zhǎng)度數(shù)5～10cm(0)、10～15cm(1)、15～20cm(2)、>20cm(3)

表3 部分性狀主成分的負(fù)荷量

表4 因子負(fù)荷量

3 結(jié)果與分析

原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，通過MVSP3.1軟件運(yùn)算，得到26個(gè)性狀主成分的負(fù)荷量表(選取了分析中有涉及的部分主成分列于表3和表4)和26個(gè)OTU的樹形聚類圖(利用結(jié)合線法Joint broken line method對(duì)26個(gè)桂花品種進(jìn)行劃分，見圖1～4.

3.1 主成分分析結(jié)果

主成分分析是一種通過降維的方法將多個(gè)指標(biāo)簡(jiǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，使這幾個(gè)少數(shù)綜合指標(biāo)可以反映原來所有指標(biāo)的信息的多元統(tǒng)計(jì)方法，主成份分析從本質(zhì)上講是聚類方法的一種.但除此之外，主成份分析還可以提供有關(guān)性狀間相關(guān)性的信息，以及某一綜合性狀在分類中的意義及其對(duì)分類的影響程度等多種信息，因此我們說主成份分析有著它獨(dú)特的優(yōu)越性[3,4].

一般情況下累計(jì)貢獻(xiàn)率在70%以上，事物的基本面貌能得到反映，且累計(jì)貢獻(xiàn)率在很大程度上決定主成分個(gè)數(shù)m.一般當(dāng)m大于3時(shí)，宣告該組數(shù)據(jù)不適于主成分分析，也就是說沒有突出的主要成分可依據(jù)[1].由表3可以看出，直到第5個(gè)主成分時(shí)，累計(jì)貢獻(xiàn)率才達(dá)73.224%，這說明主成分的貢獻(xiàn)率比較分散，主成分分析方法在對(duì)桂花數(shù)量分類的研究上不太可行.但這也從另一個(gè)角度說明桂花品種性狀變異的多樣性，品種間性狀差異的復(fù)雜性，同時(shí)也說明桂花品種正向多方向演化，產(chǎn)生了不同的分支類群，主成分分析方法為桂花演化多向性提供了定量分析依據(jù).

另外，由表3和表4可以看出，第1個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率較高，占32.753%，對(duì)其作用最大的性狀主要為花序總梗情況(0.272)、花梗長(zhǎng)度(0.271) 、花色RHS值(0.265)等，因此這些性狀應(yīng)成為桂花品種分類中優(yōu)先考慮的性狀，這和向其柏、劉玉蓮的桂花品種分類系統(tǒng)對(duì)桂花品種主要分類性狀的選擇相一致[5]，也佐證了該分類系統(tǒng)的合理性.

3.2 系統(tǒng)聚類(Q型聚類)結(jié)果分析

相同數(shù)據(jù)用不同聚類方法分析，其結(jié)果會(huì)有一定的差異，故對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析時(shí)，須進(jìn)行聚類分析方法篩選[6,7].本文比較了類平均法、最遠(yuǎn)距離法、最近距離法和中間距離法等聚類方法，聚類結(jié)果如圖1～4.

聚類圖反映了品種間的親緣關(guān)系，親緣越近，越早聚在一起.從上圖中可以看出，不同聚類方法聚類結(jié)果差別較大，特別是圖3最近距離法聚類結(jié)果與其他3圖差異最大.如：該圖中大葉四季桂與丹桂品種聚在一起，不符合桂花品種分類常識(shí)，故該聚類結(jié)果不太可行.圖1、2、4較為相近，在此3圖中四季桂類和秋桂類都分別聚在了一起，說明四季桂類具有獨(dú)立的分類位置.圖2中秋桂類3個(gè)品種群區(qū)分效果不太明顯.圖1和圖4最為相近，但圖4中白潔、秋桂、長(zhǎng)梗白、折葉銀桂4個(gè)銀桂品種與金桂類品種較早的聚在了一起，不如圖1中聚類結(jié)果更為理想.

圖1 桂花品種系統(tǒng)聚類圖(類平均法) 圖2 桂花品種系統(tǒng)聚類圖(最遠(yuǎn)距離法)

綜上可以看出，4種聚類方法的聚類效果為：類平均法>中間距離法>最遠(yuǎn)距離法>最近距離法.從圖1可以看出：

1)在λ=8.052處，26個(gè)桂花品種分為兩大類，即四季桂類和秋桂類，如L1所示.可以看出花期在桂花品種分類性狀中的重要地位，這和前人的研究結(jié)論相一致[8-10].對(duì)于四季桂的分類地位一直存在爭(zhēng)論[11，12]，越來越多的分子標(biāo)記證據(jù)也表明四季桂分類地位的獨(dú)立性[13-17].因此，如何處理四季桂的分類位置，是做為桂花原變種、新變種還是新種等亟待進(jìn)一步研究.

2)在λ=6.783時(shí)，秋桂類被分成3組，如L2所示.其中丹桂類品種-硬葉丹桂和金桂類品種-麩金各成一組，最先分出.由此可以看出花色在桂花品種分類上的重要性，這和前文主成分分析中對(duì)花色的討論相吻合.同時(shí)第3組中(包括A、B、C，3個(gè)分組，如圖1所示)的C分組除球桂外都為銀桂，包括11個(gè)品種，較早的聚合在了一起，表明這些品種親緣關(guān)系較近，也表明花色這一分類性狀的穩(wěn)定性.

圖3 桂花品種系統(tǒng)聚類圖(最近距離法) 圖4 桂花品種系統(tǒng)聚類圖(中心距離法)

3)B分組中有潢川金桂、早籽黃、醉云、紫梗、籽銀桂5個(gè)品種，其中潢川金桂和早籽黃作為2個(gè)結(jié)籽的金桂品種最先聚合在一起，然后為金桂醉云和銀桂紫梗，最后為籽銀桂.這其中除紫梗外都為結(jié)籽的品種，這說明結(jié)實(shí)這一分類性狀的重要性和穩(wěn)定性，同時(shí)也表明，金桂品種群和銀桂品種群中部分品種間較近的親緣關(guān)系.

4)在A分組中注意到墨葉丹桂沒有跟另一丹桂品種-硬葉丹桂聚合在一起，而是跟闊葉早銀桂和江南麗人等銀桂品種聚在了一起，并且葉形等方面與闊葉早銀桂、江南麗人十分相似，由此推測(cè)丹桂類雖為單系起源，但其起源途徑可能不同；一般認(rèn)為丹桂系由金桂芽變而來，但綜上可以推測(cè)一些丹桂品種或許可以直接由銀桂品種變異而來.

或者說，品種之間花色等性狀的演化應(yīng)是多途徑的，不是簡(jiǎn)單的單線變化，如一些金桂品種和銀桂聚合在一起[8]，一些丹桂品種和金桂品種聚合在一起[16，17]，這正說明了桂花品種性狀演化途徑的多樣性，也和桂花品種性狀不太適合做主成分分析的結(jié)論相一致.

4 小結(jié)

通過對(duì)湖北省咸寧市桂花品種的數(shù)量分類研究，探討了桂花品種性狀主成分分析的可行性，就花期、花色、結(jié)實(shí)與否等性狀的分類意義進(jìn)行了討論，并通過Q型聚類探討了品種之間的親緣關(guān)系，得到了一些有益的結(jié)論.

作為一種以表型性狀為主要分類依據(jù)的方法，數(shù)量分類法在實(shí)際應(yīng)用中有其局限性，特別是在性狀的選取、編碼等方面有很強(qiáng)的主觀性，不同處理所得結(jié)果往往不盡相同.但因?yàn)樵摲椒軌蚓C合各方面的來源不同的性狀指標(biāo)，能夠得出一個(gè)總體把握的分類體系，所以仍不失為進(jìn)行品種分類的一種有益的方法.近年來，以分子標(biāo)記為主要手段的遺傳多樣性研究已經(jīng)在品種分類上得以廣泛應(yīng)用[18-22].因此，在探討湖北咸寧桂花品種分類時(shí)，綜合運(yùn)用分子標(biāo)記等方法將是今后研究的方向.

致謝：論文寫作過程中得到南京森林公安學(xué)院偵查系謝春平博士的諸多幫助，在此致以最誠(chéng)摯的謝意！

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