我國風鈴木類植物葉性狀表型變異與遺傳多樣性研究

張 捷 李蓉蓉， 孟景祥 張 勇 仲崇祿

（1. 東北林業大學園林學院，哈爾濱 150040；2. 中國林業科學研究院，熱帶林業研究所，熱帶林業研究實驗室，廣州 510520）

風鈴木類植物是世界著名的木本花卉，原產于中美洲及南美洲的熱帶地區，其盛花期時繁花滿樹，色彩絢麗，具有極高的觀賞價值［1～3］。風鈴木類植物包含有紫葳科的粉鈴木屬（亦稱蟻木屬）（Tabebuia）、風鈴木屬（Handroanthus）和金鈴木屬（Roseodendron）共99種，其中的許多物種已被廣泛引種于熱帶亞熱帶國家，并成為國際上重要的商品性花卉［4～6］。我國引種風鈴木始于20 世紀70 年代，主要有黃花風鈴木（Handroanthus chrysan‐thus）、紅花風鈴木（H. impetiginosus）、紫花風鈴木（H.heptaphyllus）、金花風鈴木（H.chrysotrichus）、洋紅風鈴木（Tabebuia rosea）等多個物種［7］。但在國內的花木市場中，風鈴木類植物的商品命名并沒有統一的標準，同種多名和多種同名現象較為普遍，此外，我國的風鈴木有多少個物種尚不清楚，其種間鑒別標準的缺失對花木市場的健康發展和遺傳選育研究均造成了不利影響［7～10］。風鈴木類植物在我國具有巨大的市場需求，對其國內栽培種進行分類鑒定和遺傳多樣性評價，將為我國過風鈴木市場的健康發展和種質創新提供重要的研究依據。

對于商品苗木而言，植物表型變異具有觀察直接、調查簡便、有效等特點，是最常用分類依據［11］。我國風鈴木類植物商品名稱多以花器官性狀進行命名，其中以花色命名最為普遍。但事實上，風鈴木屬植物花器官性狀具有高度相似性，特別是風鈴木屬植物，普遍具有黃色或紅色的花冠，即使在植物分類學中也較難區分［12］。因此，單純的通過花型花色來判定風鈴木類植物遺傳背景和種群多樣性可能存在一定偏差。葉是植物進行光合作用、養分合成及水分利用的重要器官，其表型性狀相對穩定且易于測定，常被用做種間分類和表型變異分析［13～14］。在早期分類學研究中，風鈴木類植物的葉大小，葉型及葉緣等性狀存在多種變異類型，這有可能為國內栽培苗木的分類鑒定和遺傳多樣性評價提供重要依據和參考［3］。但葉性狀受到栽培環境和遺傳變異的相互作用，哪些性狀能夠更好的反映出我國栽培風鈴木的遺傳變異還需要進一步的研究。

為全面了解我國栽培風鈴木的葉表型性狀變異和遺傳多樣性，構建可靠的表型鑒別方法，本研究以中國林業科學研究院科院熱帶林業試驗站內的6 種風鈴木為參照，通過對比18 個葉性狀表型性狀在不同種間的遺傳變異水平，篩選可靠的性狀，并以此對我國東南、華南沿海地區11個城市的812 株風鈴木栽培林木進行遺傳分析與評價，旨在：探索不同葉性狀在不同物種間的遺傳變異，構建可靠的葉性狀分類鑒定標準，揭示我國現有栽培風鈴木的主要變異類型和遺傳多樣性，及評估我國不同風鈴類型的栽培利用狀況和主要分布規律。該研究結果將會為我國風鈴木類植物的種質創新、栽培繁育以及推廣應用提供參考。

材料和方法

1.1 研究群體

本研究參試樣本共812 株林木，其中包含6 個種的參照群體（83 株樣木）和729 株國內栽培林木，其中，參照群體包含紅色花冠的紅花風鈴木、洋紅風鈴木、紫花風鈴木以及黃色花冠的黃花風鈴木、金花風鈴木、銀鱗風鈴木（T.aurea）（見表1，圖1）。6個引種參照群體均為國外商品種源，經過實地調查及查閱文獻，國內廣泛栽植的風鈴木絕大多數是這6 種風鈴木及變種［7-9］。而國內栽培林木則為我國東南、華南沿海城市的城市景觀樹木，其種源信息不明，但可依據花冠顏色大致分為紅色花系、黃色花系和其他花色3類。

參照群體林木栽培于海南尖峰嶺熱帶林業試驗站種質資源圃（18°42'N，108°49'E），該地區屬熱帶季風氣候，旱雨季明顯，年均氣溫24.5℃，年平均降水量1 659.4 mm，土壤為黃紅色磚紅壤［15］。引進種子于2001年進行盤穴播種，并在2年苗齡時移栽至大田。其田間布置采用完全隨機的方式進行，每個群體種植苗木20株，株行距為3 m×3 m。栽種后的苗木依據群體類型記錄點位，并進行常規培育管理。

國內栽培林木則采集自我國東南、華南沿海地區的11 個大中城市的40 個綠地公園，均為樹高6～10 m 的中型喬木。每個地點依照花冠顏色類型，分別選取樹高、胸徑相近的植株10～20 株（若數量不夠則采集范圍內的所有植株）進行葉采樣。

1.2 葉采集和測量

風鈴木葉采集工作均于2019 年12 月至2020年1月風鈴木類植物落葉前進行（風鈴木類植物先花后葉，葉多于旱季結束前凋落）。每株個體林木選擇不同方向、正常生長、無病蟲害的完整復葉葉3片進行性狀測量。性狀測量借助于掃描儀（萬深LA-S）形成電子圖像信息，并通過利用ImageJ 軟件進行圖像進行測定［16］。

測定的葉表型10 個數量性狀包括復葉長（CLL，cm）、復葉寬（CLW，cm）、復葉葉面積（CLA，cm2）、復葉葉柄長（CPL，cm）、中間小葉的小葉長（LL，cm）、小葉寬（LW，cm）、小葉葉柄長度（LPL，cm）、小葉葉面積（LA，cm2）、葉先端長度（LAL，cm）和小葉數量（LN，片）（見圖2）；8 個質量性狀包括葉緣（LM）、葉質地（LT）、葉被毛（LH）、小葉葉形（LS）、復葉長寬比（復葉長/復葉寬，CLL/CLW）、小葉長寬比（小葉長/小葉寬，LL/LWW）、小葉長柄比（小葉長/小葉柄長，LL/LPL）、葉先端長寬比（小葉葉先端長/小葉葉寬，LAL/LWW）（見表2）。

表2 風鈴木質量性狀測量Table 2 Measurement indexes of quality characters of Handroanthus and Tabebuia

1.3 風鈴木類植物葉表型性狀遺傳變異的統計分析

為評估葉表型性狀在風鈴木類植物分類鑒定中的效果，本研究以海南尖峰嶺熱帶林業試驗站種質資源圃內的6 種風鈴木變異類型為研究對象（表1），利用巢式模型對所有性狀進行了方差分析［17］：

式中：y（ijk）代表測量值；μ代表試驗均值；Pi代表第i個群體效應值（隨機）；Ij（i）代表第i群體中第j個體效應值（隨機）；eijk代表剩余效應。

計算葉性狀特征均值、標準差、表型分化系數和表型重塑力，其中表型分化系數VST公式［18］：

式中：δp2代表類型間的方差的方差分量；δI2代表類型內個體間的方差分量。

表型重復力HB2公式［19］：

式中：MSs代表群體類型間均方；MSi代表群體內個體間均方；MSe代表殘差均方；r代表各群體的平均測量次數；k代表每個個體的平均測量次數。

測定數據統計前先進行正態分布檢驗，分析采用R-4.0.0軟件的Vegan包進行統計。

1.4 我國東南、華南地區風鈴種栽培品系鑒定和遺傳多樣性分析

為評估我國引種栽培的風鈴木林木遺傳多樣性，選用遺傳變異中區分種質類型效果較好，表型重塑力高的葉性狀對所有參試樣本林木個體進行聚類分析。因復葉長、小葉長、小葉寬葉性狀關聯較大，為減小使用同類性狀對分析結果造成影響，故挑選了7個彼此關聯性小的性狀進行聚類分析。聚類分析采用Ward 分析方法，以歐式距離為聚類參考，分析在R-4.0.0 軟件ape 包中進行［20］，聚類分析以個體為單位進行，取每個個體的算術平均值進行計算，且為消除數據單位對聚類結果的影響，數據進行Z值轉化。

不同栽培類群的葉表型特征通過均值和標準差進行描述，并對不同類群間的性狀通過Duncan’s多重比較進行差異分析。

2 結果與分析

2.1 風鈴木類植物葉表型性狀遺傳變異分析

對引種參照群體的葉表型性狀分析表明（見表3）：各葉表型性狀在物種及種內個體間均具有顯著的差異，說明風鈴木類植物的表型變異性狀在不同種質間存在明顯的遺傳變異。其中，復葉長、復葉寬、復葉葉柄長、小葉長、小葉寬、小葉長寬比、小葉葉柄長、葉先端長寬比、葉先端長度、葉緣、葉質地、葉被毛、小葉葉形的性狀種間方差分量均超過了50%，明顯大于種內個體間水平，說明這些葉表型性狀的變異主要集中在種間水平。

表3 參照群體6種風鈴木的葉表型性狀方差分析表Table 3 Variance analysis of leaves phenotypic traits of five species in the germplasm collection garden

從表型分化系數上看：復葉長、復葉寬、復葉葉柄長、小葉長度、小葉寬度、小葉長寬比、小葉長柄比、葉緣、葉質地、葉被毛、小葉葉形、葉先端長寬比、葉先端長度的性狀的表型分化系數均超過了60%，說明這些性狀種間表型分化值較高。

而從重復力性狀看：復葉長、小葉寬、小葉長、小葉長寬比、葉先端長寬比、葉緣、葉質地、葉被毛、小葉葉形性狀的種間重復力均超過了60%，說明上述性狀的測量結果與種間表型的遺傳分化存在較高的關聯性，而利用這9個性狀能夠較好的反應種間遺傳特征。

對比6 個種的表型變異發現（表4）：黃色花冠的銀鱗風鈴木的小葉數量最多、小葉長寬比、小葉長值最大，復葉長寬比、小葉長柄比是最小的，銀鱗風鈴木的葉先端圓鈍，條形葉，革質，葉光滑無被毛現象。黃花風鈴木的小葉長柄比、復葉長寬比值最高，但在小葉長寬比的值最低，黃花風鈴木葉被毛，大多數葉1/2 以上鋸齒，少數葉全緣。金花風鈴木的復葉長、復葉面積、復葉葉柄、以及小葉長、小葉寬等性狀明顯小于其他物種，說明金花風鈴木具有較小的葉，金花風鈴木葉無鋸齒，倒卵形葉。

表4 參照群體6種風鈴木的葉表型性狀比較Table 4 Comparison of leaves phenotypic traits of six species

紅色花冠的紅花風鈴木的各項性狀均是中間狀態，復葉長、小葉長、小葉葉面積性狀僅次于洋紅風鈴木，紅花風鈴木葉緣全鋸齒，橢圓形葉，葉光滑不被絨毛。洋紅風鈴木的復葉長、復葉寬、復葉葉面積、復葉葉柄長、小葉長、小葉寬、小葉葉柄長、葉先端長寬比、小葉葉面積均為最高，說明洋紅風鈴木具有較大的葉結構，洋紅風鈴木的葉緣無鋸齒且不被絨毛與紅花風鈴木有較為明顯的差異。紫花風鈴木的復葉長、小葉長、小葉寬等性狀較小，明顯低于其他兩種紅色花冠的風鈴木物種。此外紫花風鈴木為葉緣鋸齒較為明顯，小葉葉形為卵形，與其他風鈴木物種有明顯的差異。

2.2 我國東南、華南地區風鈴木栽培品系的遺傳多樣性分析

對我國東南、華南地區的812份風鈴木種質資源進行聚類分析表明，我國栽培的風鈴木類植物可以分為4 大類和10 個小的變異類型（見圖3）。其中，A 類只有1 個變異類型（G1），包含有尖峰嶺試驗站全部銀鱗風鈴木個體。B 類有3 個變異類型（G2-G4），包含了樣本中所有紅色花冠和其他花色花冠樣本，其中引種參照群體的所有紫花風鈴木和洋紅風鈴木均屬于G3 變異類型，而引種參照群體的紅花風鈴木屬于G4 變異類型。C 類有2 個變異類型（G5-G6），引種參照的金花風鈴木全部處于G5 變異類型中。D 類有4 個類型（G7-G10），其中G10 類型包含了引種參照群體中的全部黃花風鈴木。

從樣本來源看（見表5），A 類群包含有來自海南和廣東的2 個群體，共32 個個體；B 類群包含來自福建、廣東、海南的15 個群體，共198 個個體；C類群包含來自福建、廣東、海南的24 個群體，共269個個體；D 類群包含來自福建、廣東、海南的28個群體，共313個個體。對比不同類型風鈴木的栽培范圍和栽培量看，花冠為黃色的C 類群和D 類群的風鈴木栽培數量最多，樣本種植范圍更加廣泛，其次花冠為紅色或其他顏色的B 類群，種質最少的是黃色花冠的D 類群。從各物種的栽培地點上看，B 類群樣本多種植于與相對偏南的地區，如廣東、海南和福建南部，而的C 類群和D 類群的樣本可種植于相對靠北的地區，例如，福建的中部和北部。

表5 風鈴木類植物在東南、華南地區的栽培分布Table 5 Cultivation distribution of the species of Tabebuia and Handroanthus in southeast and south China

對比不同聚類群體的性狀發現（表6），A 類群的小葉長寬比的均值為4.62，在所有類群中最高，說明此類植物葉形細長。此類風鈴木植物的小葉葉柄較長，葉先端圓鈍，葉革質，表面光滑，與引種試驗中的銀鱗風鈴木相比無明顯類型。

表6 東南、華南地區風鈴木類植物葉表型形狀變異Table 6 Phenotypic traits variation of leaves of the species of Tabebuia and Handroanthus in southeast and south China

B 類群的3 個變異類型在復葉長，小葉長，小葉寬，葉緣、葉先端長寬比、葉質地，葉面被毛以及葉型上均存在明顯的差異，其中G2 的葉復葉長，小葉長，小葉寬值處于中間水平，葉面無毛，葉形為橢圓形與其他兩個類型有明顯區分。G3 的葉復葉長，小葉長，小葉寬值明顯高于其他兩個類型，且葉先端長寬比值較大，說明該類型具有較大的葉和較為明顯的葉尖。G4 的葉復葉長，小葉長，小葉寬是3種類型中值最小的。

C 類群的兩個類型在葉復葉長，小葉長，小葉寬和葉質地性狀上存在明顯的變異。其中，G5 類型葉較大，為革質葉。而G6類型葉較小為草質葉。

D 類群的4 種類型在葉復葉長，小葉長，小葉寬，葉緣，葉先端長寬比，葉質地以及葉形上存在明顯區別。其中G7 類型葉緣幾乎無鋸齒，葉草質，葉形為倒卵形。G8 類型的葉復葉長，小葉長，小葉寬明顯高于其他3種類型，且葉先端長寬比值最大。G9 和G10 類型在大部分性狀上相近，但G9類型的為草質葉，而G10類型為偏革質葉。

3 討論

3.1 風鈴木類植物葉表型性狀的遺傳變異

葉表型性狀是植物分類鑒定和遺傳分析的重要參考，且受到栽植環境和遺傳變異的相互作用。風鈴木是我國重要的商品性木本花卉，而探索風鈴木類植物的葉表型性狀的遺傳變異，尋找穩定的遺傳性狀將為我國風鈴木的種質鑒定和多樣性評價提供重要的分析依據。本研究以6 種國外風鈴木為研究對象，分析了18 個葉表型性狀的遺傳變異，結果發現葉表型性狀在物種及種內個體間均具有顯著的差異，其中復葉長、小葉寬、小葉長、小葉長寬比、葉先端長寬比、葉緣、葉質地、葉被毛及小葉葉形這9 個性狀更多的反映出植物種間遺傳變異，且具有較高的表型重復力，說明這9 個性狀能夠更好的反映參試物種間的遺傳變異。

風鈴木類植物的分類在過去的100 年中存在很大的爭議，許多物種的分類和名稱發生過多次變化。而直到2007 年，Susan 等人利用葉綠體trnl-F/ndhf 區域的分子序列對于風鈴木類植物進行了分類修訂，才形成了目前的分類體系［5］。風鈴木類植物多變的分類系統與種間復雜的表型變異存在密切聯系。事實上，一些風鈴木類植物的表型特征具有較高的共性，較難將不同物種進行明顯區分。例如，黃花風鈴木在不同的歷史時期先后隸屬黃鐘花屬（Tecoma），粉鈴木屬（Tabebuia）和金鈴木屬（Handroanthus）植物［3］。本研究中所涉及的6種風鈴木在國內栽植量較大，且花木市場命名最為混亂。對這6 種風鈴木的遺傳變異分析雖然對于整個風鈴木類植物的分類貢獻有限，但找到的9個葉表型性狀卻能較好區分不同的種質，對于國內市場花木的鑒定卻有著非常重要的意義。

此外，風鈴木類植物分布范圍涵蓋了幾乎整個南美洲大陸以及中美洲地區，其不同物種對于環境的適應性往往存在較大的變異。本研究發現的9個葉表型性狀均與植物的適應性有關，例如葉鋸齒狀更有利于散熱，液壓效率高，能夠增強植物對干旱環境的適應能力［21～24］。而葉被毛可以防止水分過分蒸發降低蒸騰作用，能夠抵御寒冷［25～26］，革質葉能夠避免葉灼傷，減少水分流失［28］，而葉的大小則與生境的溫度、光照和水分密切相關［28～29］。這9 個葉表型性狀反映出不同的種質資源的適應性差異，并有可能為風鈴木類植物的栽培和選育提供重要的理論參考。

3.2 我國東南、華南地區風鈴木栽培品系的遺傳多樣性

風鈴木類植物是重要的商品性花卉，了解其在我國的主要商品類群和對遺傳性多樣性進行評估，這對種質資源的收集、生產栽培具有重要且現實的意義。本研究涉及了廣東、福建、海南等11個城市的風鈴木栽培樣本，發現了10個變異類型，反應了我國現有風鈴木栽培種的遺傳多樣性較豐富。就本次研究所涉及的6種風鈴木參照而言，遺傳多樣性調查中發現的其他幾種變異類型，說明我國現有風鈴木栽培種質資源較傳統認識更為豐富。其中，黃花風鈴木與金花風鈴木所在類群下均有不同變異類型，反映出我國現有的黃色系風鈴木可能含有不同的種質資源。黃花風鈴木廣泛分布在南美洲北部地區，其種內在不同生境下就存在3 個典型亞種，其中G8 群體具有較大的葉面積和明顯的葉尖，其表現與H.chrysanthussubsp.pluvioslus亞種相似［4］。而在花木市場黃花風鈴木也存在大葉黃花風鈴木和小葉黃花風鈴木等不同商品名稱，其命名差異也可能來自于不同的亞種。本研究中，金花風鈴木所在的C 類群下存在兩種不同的變異類型。金花風鈴木是巴西國花，其外形常與另一種風鈴木H. ochracea混淆，且均被廣泛引種于世界各地［30］。我國是否也引種有H.ochracea尚未見相關報道，因此與金花風鈴木不同變異類型的種質是否存在H.ochracea還需要進一步的遺傳分析。

風鈴木類植物在我國園林花木中具有巨大的市場需求，且具有眾多的商品名稱，僅常見的紅色系風鈴木就紅花風鈴木，紫花風鈴木，洋紅風鈴木，藍花風鈴木、多花風鈴木，少花風鈴木，鐘花風鈴木，薔薇鐘花等十余個暢銷商品。然而就商品名稱而言，本研究以利用葉表型遺傳性狀作為性狀，反映出變異類型遠少于花木市場上的商品名稱，說明我國現有的風鈴木類植物的商品命名并不能夠反映其物種特性。本研究中G3 類型包含了紅色以及深紅色多種花色，說明同一變異類群可能產生多個不同的花色商品。在前人的研究中，張靜等人曾對我國風鈴木主要栽培種的花色性狀進行統計，發現紫花風鈴和洋紅風鈴木在花冠顏色具有相同的變異類型［31］。說明單純的靠花色去鑒別和命名風鈴木對于市場的健康發展以及種質創新培育極有可能存在著不利的影響。

4 結論

本研究在種源對照試驗的基礎上，提出了風鈴木類植物在葉表型性狀方面的分類、鑒定標準，主要包括復葉長、小葉長、小葉寬、小葉長寬比、葉先端長寬比、葉緣、葉質地、葉被毛、小葉葉形這9個可靠的種間變異性狀。并以此為參考，將我國東南、華南沿海地區常用的風鈴木栽培林木分為4大類10種變異類型。A、B、C、D 4個大類在葉表型性狀上存在豐富的變異及種質多樣性。該研究提出了我國主要栽培風鈴木的鑒別方法，并較為系統的評價了我國現有風鈴木栽培林木的遺傳多樣性，將會為我國風鈴木類植物的分類研究、栽培生產和推廣應用提供參考。但是僅葉表型性狀方面的研究是不夠的，因此后續應該結合其他表型性狀、分子標記等多方面的研究進一步對風鈴木類植物進行鑒定、分類與評價。