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蝴蝶兰不同品种表型性状遗传多样性分析

花匠小妙招
2024-11-17 14:27

蝴蝶兰（Phalaenopsis spp.）为兰科（Orchidaceae）蝴蝶兰属（Phalaenopsis）多年生草本植物，其花型奇特，花色艳丽，花期长，素有“年宵花之王”和“花中皇后”的美誉，极具观赏与经济价值[1-3]。自1887年英国皇家园艺学会（RHS）登录第1个蝴蝶兰属杂交品种，蝴蝶兰经过长达130余年的杂交育种取得了巨大的育种成就[4]，截至2013年10月，已有3.16万个蝴蝶兰品种在英国皇家园艺学会上登录[5]。但因蝴蝶兰栽培品种大多由多代杂交选育而来，且在不同地域间引种栽培频繁，使得蝴蝶兰市场上品种混乱，同种异名或同名异种现象严重，这给蝴蝶兰品种分类和新品种选育带来了极大的困难[6-7]。

表型性状多样性是遗传多样性的具体表现，其差异在一定程度上可反映遗传的异质性[8]，有助于了解种质资源的多样性状况、遗传结构及地域间的亲缘关系[9]。利用表型性状分析种质资源的遗传多样性直观易行，对挖掘种质资源并加以利用具有重要意义[10]。目前，国内外对蝴蝶兰的研究主要关注其栽培管理[11-12]、杂交育种[13-14]和花发育[15-16]等方面，对蝴蝶兰表型遗传多样性研究还十分有限，且相关研究存在种质较少和研究性状指标较少等现象[17-19]。因此，亟待对蝴蝶兰种质资源的遗传多样性进行系统性分析与评价，厘清其亲缘关系及遗传规律对蝴蝶兰产业化发展及种质资源保育具有重要意义。本研究以72份蝴蝶兰品种资源为材料，对其34个表型性状进行多样性分析、聚类分析和主成分分析，以期为现有蝴蝶兰品种资源的改良、保护、应用、品种多样化开发及种质创新等方面奠定理论依据。

1. 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用72份蝴蝶兰品种资源由福建农林大学海峡兰花保育中心和漳州钜宝生物科技有限公司共同提供（表1），其中名称带有“JB”的品种为市场新培育种质，试验材料栽植于福建农林大学海峡兰花保育中心种质资源圃。

表 1 72份蝴蝶兰品种供试材料

Table 1. Test materials of 72 phalaenopsis species

编号品种名主花色花型香味 1‘小孔雀’白小无2‘小太阳’白小无3‘JB3060’白小无4‘JBRM’白中无5‘龙树枫叶’白中无6‘JB3725’白大无7‘台北黄金’黄小无8‘一心维纳斯’黄小有9‘JB2975’黄小有10‘JB3697’黄小有11‘黄金甲’黄中无12‘JB3362’黄中无13‘JB5211’黄中无14‘JB5724’黄中无15‘JB5725’黄中无16‘JB5394’黄中无17‘JB5407’黄大无18‘JB5206’黄大无19‘JB5321’黄大无20‘富乐夕阳’黄大无21‘小绿熊’绿小无22‘甜心’绿小无23‘JB3768’绿小无24‘JB3037’绿小有25‘JB5393’绿中无26‘D1’绿大无27‘小番茄’红小有28‘日美乐沙 × 红色珍妮弗’红小有29‘JB5184’红小无30‘JB5464’红中无31‘JB5618’红中无32‘JB5402’红中无33‘JB5263’红中无34‘JB5215’红大无35‘薇薇安’紫小无36‘粉红宝贝’紫小无37‘小香花金丝雀’紫小有38‘庭欣聪明’紫小有39‘小梅花’紫小无40‘满天红’紫小无41‘JB5598’紫小无42‘JB5541’紫小有43‘JB3177’紫小无44‘JB5467’紫小无45‘JB5342’紫小无46‘JB5469’紫小无47‘日夜猫607 × 蓝色文森’紫小有48‘水晶’紫中无 49 ‘JB5151’ 紫中无 50 ‘JB3114’ 紫中无 51 ‘JB5235’ 紫中无 52 ‘JB5484’ 紫中无 53 ‘JB3159’ 紫中无 54 ‘JB5182’ 紫中无 55 ‘JB5079’ 紫中无 56 ‘JB3852’ 紫大无 57 ‘JB2823’ 紫大无 58 ‘JB3731’ 紫大无 59 ‘JB3859’ 紫大无 60 ‘JB3733’ 紫大无 61 ‘JB3891’ 紫大无 62 ‘JB5354’ 紫大无 63 ‘JB5116’ 紫大无 64 ‘JB3685’ 紫大无 65 ‘JB5272’ 紫大无 66 ‘JB5123’ 紫大无 67 ‘JB5114’ 紫大无 68 ‘JB3896’ 紫大无 69 ‘JB3491’ 紫大无 70 ‘安娜’ 紫大无 71 ‘大辣椒’ 紫大无 72 ‘牛记安妮’ 紫大无 1.2 性状测定

参考NY/T 2230—2012[20]并结合蝴蝶兰的观赏特性，共调查了叶片、花梗和花器官相关的34个表型特征，其中数量性状19个，质量性状15个。在蝴蝶兰盛花期进行表型性状测定，均设置3个生物学重复。数量性状的测量取平均值，质量性状以群体观测法进行描述统计并相应赋值，具体表型性状测定标准见表2。

表 2 蝴蝶兰表型多样性指标及标准

Table 2. Indicators and criteria of phenotypic diversity of Phalaenopsis

编号性状性状表现及赋值标准性状类型 1 植株大小开花期叶片最大展度数量性状 2 花序梗长花梗基部至花朵下方的自然长度数量性状 3 花序长第一朵花到最后一朵花的长度数量性状 4 花梗粗花梗基部直径数量性状5 花梗数花梗数量数量性状6 花梗侧分枝数侧分枝数量数量性状7 叶片数叶片数量数量性状 8 最长叶长叶基部到叶尖最长距离数量性状 9 最长叶宽叶基部到叶尖最长叶片的宽度数量性状 10 花序花数量单个花序花朵数的平均值数量性状 11 花长花朵完全展开时中萼片顶端与两侧萼片顶端间的垂直距离数量性状 12 花宽花朵完全展开时花瓣顶端间的距离数量性状 13 花瓣长花瓣基部到顶端的距离数量性状 14 花瓣宽花瓣宽度数量性状 15 萼片长萼片长度数量性状 16 萼片宽萼片宽度数量性状 17 唇瓣中裂片长唇瓣中裂片基部到尖端的距离数量性状 18 唇瓣中裂片宽唇瓣中裂片的宽度数量性状 19 合蕊柱直径合蕊柱基部到药帽的距离数量性状 20 叶先端对称性不对称=1；不对称或对称=2；对称=3 质量性状 21 叶面姿态类型半直立=3；半直立或水平=4；水平=5；水平或半下垂=6；半下垂=7 质量性状 22 叶片形状　披针=1；披针或窄卵圆=2；窄卵圆=3；窄卵圆或椭圆=4；椭圆=5；椭圆或窄倒卵圆=6；窄倒卵圆=7；窄倒卵圆或倒卵=8；倒卵=9 质量性状 23 叶先端形状锐尖=1；锐尖或圆钝=3；圆钝=5；圆钝或微凹=7；微凹=9 质量性状 24 花序类型单生花序=1；总状花序=2；圆锥花序=3 质量性状 25 花瓣横截面形状内弯=1；平直=2；外弯=3 质量性状 26 花瓣边缘波状无=1；有=9 质量性状 27 萼片边缘波状无=1；有=9 质量性状 28 中萼片形状卵圆=3；椭圆=5；倒卵圆=9 质量性状 29 唇瓣须有无无=1；有=9 质量性状 30 花表面蜡质无=1；有=9 质量性状 31 花香无=1；有=9 质量性状 32 花瓣萼片总体外观内弯=1；平直=2；外弯=3 质量性状 33 花瓣萼片表面质地光滑=1；粗糙=2 质量性状 34 花瓣排列方式分开=1；相接=2；重叠=3 质量性状 1.3 数据统计与分析

使用Excel 2016对数据进行处理，计算各性状的基本统计量（平均值、标准差和变异系数）和质量性状的多样性指数。然后使用SPSS 26对蝴蝶兰品种进行R型和Q型聚类分析，最后采用因子分析法对34个性状进行主分成分析[21]。按公式（1）计算Shannon−Wiener多样性指数（H'）[22]。

$ H^{prime}=-sum P_i times ln P_i$

(1)

式中：Pi为某个性状在第i个性状出现的概率[23]。

2. 结果与分析

2.1 蝴蝶兰表型性状多样性分析 2.1.1 数量性状变异系数分析

由表3可知，19个数量性状变异系数范围为16.39%～157.36%，平均变异系数为39.24％，说明供试蝴蝶兰在数量表型性状间存在较大程度的变异。变异系数较大的性状为花梗侧分枝数、花梗粗和花序花数量，表明这3个表型性状在不同品种间姿态各异，性状稳定性较低。变异系数较小的性状为叶片数量、最长叶长、植株大小、唇瓣中裂片长、合蕊柱长度和最长叶宽，多数为与叶片相关的性状，表明蝴蝶兰与叶片相关的数量性状稳定性较高。

表 3 蝴蝶兰品种资源数量性状变异情况

Table 3. Variations of quantitative characteristics among Phalaenopsis

性状植株
大小/
cm花序
梗长/
cm花序长/
cm花梗粗/
mm花梗数/
个花梗侧
分枝数/
个叶片数量/
片最长叶长/
cm最长叶宽/
cm花序
花数量/
朵平均值 ± 标准差31.69 ± 6.3032.14 ± 11.8719.19 ± 7.645.59 ± 5.031.24 ± 0.400.77 ± 1.226.55 ± 1.3618.71 ± 3.797.30 ± 1.205.62 ± 1.00变异系数/%19.936.9439.8289.9732.69157.3620.8320.2616.3950.43性状花长/
cm花宽/
cm花瓣长/
cm花瓣宽/
cm萼片长/
cm萼片宽/
cm唇瓣中
裂片长/
cm唇瓣中
裂片宽/
cm合蕊柱
直径/
mm平均值 ± 标准差10.75 ± 5.427.25 ± 2.038.09 ± 2.403.80 ± 1.144.58 ± 1.803.92 ± 1.143.07 ± 1.021.97 ± 0.381.99 ± 0.68变异系数/%27.9529.630.1339.2529.1833.3919.3734.1817.87 2.1.2 质量性状多样性指数分析

由表4可知，15个质量性状多样性指数范围为0.38～1.32，平均多样性指数为0.73，表明多样性指数在不同质量性状间的差异较大。叶先端形状、叶面姿态类型、叶片形状和花瓣萼片总体外观的多样性指数均高于1.0，多数为与叶片相关的性状，表明蝴蝶兰与叶片相关的质量性状的多样性水平相对较高；中萼片形状、唇瓣须有无、花香、花瓣排列方式的多样性指数较低（0.38～0.46），表明蝴蝶兰品种资源表型的多样性较为丰富。

表 4 质量性状Shannon−Wiener多样性指数分析

Table 4. Shannon−Wiener diversity index of qualitative traits

性状叶先端对称性叶面姿态类型叶片形状叶先端形状花序类型花瓣横截面形状花瓣边缘波状萼片边缘波状平均值 ± 标准差1.67 ± 0.924.78 ± 1.273.67 ± 0.864.14 ± 3.302.43 ± 0.501.96 ± 0.497.33 ± 3.272.56 ± 3.19变异系数/%55.0326.5723.3279.7820.5324.9044.64124.53多样性指数0.811.211.121.320.680.710.510.81性状中萼片形状唇瓣须有无花表面蜡质花香花瓣萼片总体外观花瓣萼片表面质地花瓣排列方式平均值 ± 标准差2.99 ± 0.788.00 ± 2.667.22 ± 3.352.11 ± 2.792.08 ± 0.751.68 ± 0.471.19 ± 0.55变异系数/%26.0233.3046.39132.0435.8727.9845.97多样性指数0.380.380.530.41.070.630.46 2.2 蝴蝶兰种质资源表型性状R型聚类分析

对蝴蝶兰品种的34个性状进行R型聚类分析（图1），在欧氏距离为5时，可将34个数量性状聚为3个大类。第Ⅰ类群包含24个花朵相关性状和6个叶片相关性状，除花序花数量，其他表型性状间的遗传距离均小于3，表明蝴蝶兰花朵相关性状间具有较强相关性，花与叶的表型相关性也较强。而在第Ⅰ类群中，花瓣长、萼片长、唇瓣中裂片长等遗传距离为1，均为不同花部位的同类数量性状指标，还有花长与花宽、萼片长与萼片宽等遗传距离也等于1，均为同一花部位的数量性状指标，表明蝴蝶兰花部性状的数量性状具有较强相似性。第Ⅱ类群包含花序长和最长叶长，表明花序长和最长叶长具有一定相关性。第Ⅲ类群包含植株大小和花序梗长这2个性状，表明蝴蝶兰植株大小与花序梗长存有一定相关性。此外，第Ⅱ类群和第Ⅲ类群的4个性状与第Ⅰ类群的欧氏距离均为25，表明花序长、最长叶长、植株大小和花序梗长等性状与较多表型性状具有较弱的相关性，呈独自进化关系。

图 1 蝴蝶兰表型性状聚类结果

Figure 1. Clustering results of phenotypic traits of Phalaenopsis

2.3 蝴蝶兰种质资源Q型聚类分析

对72份蝴蝶兰品种资源进行Q型聚类分析（图2），在欧氏距离为10处，将供试蝴蝶兰分为4个大类，不同品种间遗传距离为1～25，表明供试蝴蝶兰品种具有丰富的遗传多样性。其中第I类群包含‘JB5342’‘JB5184’‘JB5541’和‘JB3697’，第II类群包含‘大辣椒’等66个品种，第III类群和第IV类群各仅有1个品种，为‘安娜’和‘JB5725’，表明试供蝴蝶兰材料具有丰富的遗传多样性，但仅少数材料表现出较远的遗传距离。研究表明蝴蝶兰亲本间性状差异越大，子代变异类型则越丰富[1]，越有利于良种选育[24]，故‘JB5342’‘JB5184’‘JB5541’‘JB3697’‘安娜’和‘JB5725’等品种与多数供试蝴蝶兰遗传距离较远，可作为重要亲本参考。同时，第II类包含‘大辣椒’等66个品种可以细分为7个亚类群，II−1、II−2亚类群的种质均为大花和中花，可为大花和中花育种提供亲本选择，II−3、II−4、II−5和II−7亚类群的种质均为小花，可为小花育种提供亲本选择，II−4亚类群的种质均为香花，可为香花蝴蝶兰育种提供亲本选择。此外，从花型上看，大花与小花的品种较少聚在同一亚类群，且同一亚类群的多数种质为同花型，表明花型与聚类分枝具有一定相关性。从花香上看，香花品种均聚在亚类群II−4、II−5和类群I这3个分枝上，表明花香也可能与聚类分枝也具有一定相关性。从花主色上看，同亚类群上有多种花色的种质，如亚类群II−2包含紫红色、黄色、白色和红色的种质，亚类群II−6包含红花、紫花、白花、绿花和黄花的种质，表明本试验聚类结果与花色的相关性较弱。

图 2 蝴蝶兰种质资源Q型聚类结果

Figure 2. Q-type clustering analysis of Phalaenopsis germplasm resources

2.4 蝴蝶兰表型性状的主成分分析

以特征值 > 1.0为主成分筛选标准，共提取到9个主成分，累积贡献率达77.175%，代表了蝴蝶兰表型性状的主要信息量（表5）。其中第1主成分贡献率为36.409%，信息荷载量较大的是花宽（0.977）、花瓣长（0.970）、花瓣宽（0.966）、萼片长（0.960）、花长（0.945）、萼片宽（0.939）和合蕊柱直径（0.860），表明第1主成分主要是和花器官相关的表型性状；第2主成分贡献率为8.059%，信息载荷量最大的是叶面姿态类型（0.588），叶片相关性状起主要作用；第3主成分贡献率为7.605%，信息载荷量较大的是花瓣边缘波状（0.613）和花表面蜡质（0.580），花朵相关性状起主要作用。第4、5、6、7、8和9主成分贡献率分别占了5.960%、4.830%、4.145%、4.002%、3.142%和3.023%，主要反映花序花数量、花序长、叶片数量和花瓣萼片总体外观等性状。花宽（0.977）、花瓣长（0.970）、花瓣宽（0.966）、萼片长（0.960）、花长（0.945）、萼片宽（0.939）的特征向量绝对值都在0.9以上，认为与花器官相关的6个性状是造成蝴蝶兰表型变异的主要因素。

表 5 蝴蝶兰表型性状的主成分分析

Table 5. Principal component analysis of phenotypic traits in Phalaenopsis

性状PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PC8PC9 花宽0.9770.0160.005−0.011−0.0470.0390.005−0.0070.015花瓣长0.9700.014−0.0280.002−0.0250.0540.037−0.0330.043花瓣宽0.966−0.0610.0900.024−0.018−0.0200.057−0.0320.007萼片长0.9600.032−0.006−0.0110.0260.0700.0260.019−0.008花长0.9450.069−0.002−0.0730.0060.0780.0070.0360.002萼片宽0.9390.0140.0420.039−0.087−0.0590.010−0.0400.079合蕊柱直径0.8600.1080.0130.035−0.158−0.1450.018−0.1070.055花序梗长0.8570.096−0.2010.1910.025−0.130−0.078−0.0910.003唇瓣中裂片长0.777−0.1270.170−0.0350.2460.141−0.0070.119−0.066花梗侧分枝数−0.710−0.2020.3060.422−0.0690.0410.1550.0140.080唇瓣中裂片宽0.707−0.1430.382−0.0800.2010.012−0.0230.1490.058最长叶长0.7030.4040.0230.2930.2430.105−0.0190.140−0.194植株大小0.6240.435−0.0150.3930.1650.0040.0150.170−0.298花序类型−0.608−0.3850.2070.321−0.0740.019−0.0800.195−0.107花梗数−0.5640.203−0.426−0.0230.157−0.333−0.1620.150−0.056唇瓣须有无0.538−0.3620.2950.068−0.098−0.1860.423−0.0340.183花香−0.5280.351−0.084−0.140−0.0890.453−0.2350.2030.088最长叶宽0.5030.137−0.4820.143−0.1970.0030.1000.3740.145叶面姿态类型−0.0960.5880.1070.171−0.2450.3200.275−0.152−0.139叶片形状−0.1790.489−0.339−0.2610.146−0.0530.4670.1330.095花瓣横截面形状0.083−0.466−0.146−0.1060.3260.424−0.064−0.029−0.322花瓣边缘波状0.187−0.1070.613−0.2030.2070.0810.1900.152−0.177花表面蜡质−0.1270.3660.580−0.067−0.3960.128−0.220−0.0940.054萼片边缘波状0.117−0.354−0.5190.2220.2170.245−0.018−0.3390.002叶先端对称性0.0090.4490.469−0.1970.1160.0920.206−0.182−0.099花序花数量−0.490−0.2080.3390.648−0.1660.0750.1810.0500.081花序长0.5590.102−0.1470.562−0.282−0.037−0.184−0.0620.058叶片数量−0.4340.310−0.0600.5230.137−0.1020.0920.143−0.125花瓣萼片总体外观0.056−0.1660.0880.2710.6070.1760.0870.1800.467叶先端形状0.315−0.352−0.329−0.152−0.4580.1300.4120.0580.099 花瓣萼片表面质地0.441−0.118−0.0420.064−0.2200.514−0.387−0.0070.110花瓣排列方式0.2680.1710.318−0.0640.120−0.343−0.4480.0550.356花梗粗0.158−0.2560.059−0.204−0.3260.002−0.0600.647−0.176中萼片形状−0.3630.364−0.057−0.0910.0870.3820.1210.0990.447特征值12.3792.7402.5862.0261.6421.4091.3611.0681.028贡献率%36.4098.0597.6055.9604.8304.1454.0023.1423.023累计贡献率%36.40944.46852.07258.03262.86267.00771.00974.15277.175

3. 结论与讨论

蝴蝶兰的遗传多样性研究是蝴蝶兰育种的重要环节，对品种鉴定、优质种源筛选、品种改良和品种多样化开发具有重要意义。利用表型性状分析种质资源的遗传多样性直观易行，能快速了解植物的遗传变异水平[25]。表型性状的变异系数能较好反映性状的离散程度[26]，变异系数越大则样本间差异越大[27]，多样性指数代表变异分布的均匀度[28]。本研究对72份蝴蝶兰品种进行了遗传多样性分析，数量性状遗传多样性的变异系数范围为16.39%～157.36%，质量性状Shannon−Wiener多样性指数范围为0.38～1.32；除此之外，发现蝴蝶兰叶片相关性状的数量性状变异程度较低，但其质量性状的多样性水平较高。另外变异系数一定程度反映了进化的快慢[28]，这与蝴蝶兰品种选育方向一致，表明蝴蝶兰在叶片性状改良的发展程度较低，仍具有较大利用空间。综上数据说明72份蝴蝶兰具有丰富的表型多样性，利用潜力巨大，利于特异种质资源的筛选和核心种质的提取。

花朵作为蝴蝶兰主要观赏部分，其花部位的表型性状差异，有利于种质改良并培育出更多有突破性的品种。在本研究R型聚类的第I类群中，不同花部位的同类数量指标分布紧密，如花瓣长、萼片长、唇瓣中裂片长等，同一花部位的不同数量性状也聚类紧密，如花长与花宽、萼片长与萼片宽等；并与钟海丰等[29]对蝴蝶兰性状相关性分析及宋一岚等[30]对蝴蝶兰R型聚类分析结果一致，表明蝴蝶兰的多个花部性状具有较强相似性。因此，在进行蝴蝶兰表型性状的遗传多样性分析时，可考虑选用不同花部位的不同测量指标进行遗传多样性研究，提升品种鉴识效率，推进育种进程。

种质资源的调查与评价是研究品种起源、演化、驯化的基础，聚类分析能初步反映各类群的相似性和亲缘关系[31]。目前，在蝴蝶兰种质资源研究方面却存在某些分歧，如何荆洲等[32]、赵谦等[33]、李敏等[34]、张水明等[35]研究表明蝴蝶兰遗传聚类与其花色特征比较一致，而谢琳丹[36]和Chang等[37]的研究结果显示聚类关系与蝴蝶兰花色无必然联系。在本研究中，遗传聚类与花香和花型表现出一定的相关性，与花色的相关性则较弱。经比较发现前人所涉及的蝴蝶兰种质资源较少，而本研究以72份蝴蝶兰为研究对象，且多数材料为市场新培育品种，能较好反应当前蝴蝶兰的遗传背景信息与育种状况，并选择了与叶片、花梗和花器官相关的34个表型性状，在所选种质数量和性状指标数量上均更具优势。此外，研究显示植物花色形成与色素相关，相同的色素不一定形成相同颜色的花，不同的色素可能形成相同颜色的花[38]。且在菊花（Chrysanthemum spp.）[39]、百合（Lilium spp.）[40]、荷花（Nelumbo nucifera）[41]等使用较大样本聚类时，结果显示同一花色种质分散在其他色系中，不能单独聚为一类。因此，本研究在品种样本数量和覆盖面上更具代表性，遗传标记更密集，证明了蝴蝶兰聚类结果与花色相关性较弱的观点。

主成分分析是性状分析、综合评价的重要方法之一[42]，本研究主成分分析显示花宽、花瓣长、花瓣宽、萼片长、花长、萼片宽的特征向量绝对值都在0.9以上，这6个与花器官相关的性状被认为是导致蝴蝶兰表型变异的主要因素，较大程度证明蝴蝶兰品种的表型主要受花部性状影响，与Zhang等[43]和李娜等[18]对蝴蝶兰表型性状的分析结果基本一致，并在山茶（Camellia japonica）[44]、郁金香（Tulipa gesneriana）[45]、独蒜兰（Pleione bulbocodioides）[46]等植物上有证实，均表明花部性状选择对杂交亲本选育重要性显著。因此，在蝴蝶兰品种改良、品种多样化开发及新品种选育研究时，应优先考虑综合性状较优且花部特征差异较大的蝴蝶兰种质作亲本组合。本研究进一步丰富了蝴蝶兰表型性状遗传多样性信息，为挖掘优异育种材料和蝴蝶兰遗传改良提供科学依据。