中国茜草属sect. Oligoneura的形态计量学研究

杨丽娥 孟盈 聂泽龙 孙航

摘要： 茜草屬为茜草科模式属，全球约80种，中国有近一半的物种，是茜草属的重要分布中心，大部分隶属于sect. Oligoneura。但是，该组内各种间的形态特征错综复杂，依靠单个性状不易划定种间界限。该研究在全面衡量sect. Oligoneura组内各种间形态特征的基础上，选取该组20种共171份标本，对其3个数量性状和28个定性性状进行聚类分析和主成分分析。结果表明：在主成分分析中，前3个主成分累积贡献率有46.88%，性状的累积贡献率增长并不明显，但该结果仍与聚类分析结果一致。对前3个主成分贡献较大的特征包括叶形（叶长宽比）、叶柄长度、叶脉、每轮叶片数和生活型等，这些形态性状也是该属传统分类学中重要的物种鉴定特征。该研究结果与分子系统发育结果基本一致，支持该组内ser. Chinenses、R. mandersii group、R. angustissima group和R. siamensis group类群的划分，但并不支持ser. Cordifoliae单独成系。sect. Oligoneura内除少数物种外，大部分物种界限均比较清晰。形态计量学研究为sect. Oligoneura甚至茜草属的物种鉴定与划分提供了重要的参考意义。

关键词： 茜草属， sect. Oligoneura， 聚类分析， 主成分分析

中图分类号： Q948.2文献标识码： A文章编号： 10003142（2017）07082912

广西植物37卷7期杨丽娥等： 中国茜草属sect. Oligoneura的形态计量学研究收稿日期： 20170120修回日期： 20170220

基金项目： 国家自然科学基金（31370244、31570211）；国家自然科学基金委重大项目（31590820， 31590823）；中国科学院战略重点研究项目（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）]。

作者简介： 杨丽娥（1990-），女，云南保山人，博士研究生，主要从事植物系统与生物地理学研究，（Email）yanglie@mail.kib.ac.cn。

*通信作者： 孙航，博士，研究员，主要从事植物区系、系统与生物地理学研究，（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）

茜草属（Rubia L.）为茜草科茜草族的模式属，茜草族是茜草科下唯一的以温带为分布中心的族（Robbrecht， 1988； Robbrecht & Manen， 2006）。茜草属约80种，为旧世界分布，我国是茜草属重要的分布中心，分布有近一半的物种（38种，其中20个为特有种）。茜草属植物主要为多年生草本、灌木或亚灌木，通常被糙毛或小皮刺，茎具棱或翅，叶具柄或无柄，通常具4～6片（或多于10）的假轮生叶，少数叶对生，且具柄间托叶，叶脉为掌状脉，羽状脉或仅具一条主脉；花冠辐射或近钟状，5裂，极少数为4裂；雄蕊5或偶为4，着生于花冠管上，子房二室或退化为一室，每室一胚珠，肉质浆果2裂（Chen & Ehrendorfer， 2011）。

茜草属植物在形态性状上变异很大。通常依据生活型和叶脉类型把茜草属分为两个组：sect. Oligoneura和sect. Rubia s. l.。前者主要为多年生草本，叶片具掌状脉3～7条或更多，叶具长叶柄、无柄或近无柄；后者主要为多年生草本，少数为小灌木或灌木，叶具有一条主脉或羽状脉。这两个组的划分也得到了分子系统学证据的支持（Yang et al， 2016）。sect. Rubia在我国分布较少，只有7个种，且分子和形态学特征都强烈支持该组的划分，组下各种的界限也比较清晰（Poyarkov， 2000；Chen & Ehrendorfer， 2011；Ehrendorfer， 2014；Yang et al， 2016）。然而，sect. Oligoneura在我国分布多达31种，该组内各种间的形态特征错綜复杂，种内变异很大，加上茜草属内可能存在杂交，依靠单个的或者少数几个形态特征很难划定种间界限，因此仅基于传统分类学方法来确定该组下各种的界限很困难（Chen & Ehrendorfer， 2011）。此外，由于sect. Oligoneura在我国分布类群较多，且变异较大，在英文版中国植物志中，Chen & Ehrendrfer（2011）建议：该组除包括ser. Cordifoliae、ser. Chinenses以外，还应包括R. mandersii group、R. angustissima group和R. siamensis group，它们的分类地位与系等同，但这种建议主要基于形态性状。

最近我们对中国茜草属植物进行了分子系统学研究（Yang et al， 2016），研究结果强烈支持茜草属的单系地位，并且茜草属与分布于美洲的Didymaea Hook互为姐妹类群，二者共同构成茜草族其它类群的姐妹类群，这与之前的研究相一致（Manen et al， 1994； Manen & Natali， 1995； Natali et al， 1995； Andersson & Rova， 1999； Soza & Olmstead， 2010）。此外研究结果还支持茜草属下划分为两组，即sect. Oligoneura和sect. Rubia s. l.，并且也得到了形态及地理分布证据的支持，但研究结果并没有很好地解决sect. Oligoneura内的系统关系。该组内出现了大量的平行分支，并且sect. Oligoneura下最大的ser. Cordifoliae不是单系类群，其下的物种穿插于其它各系中，因此并没有很好地支持英文版中国植物志中对sect. Oligoneura下的分类划分建议，但R. mandersii group、R. angustissima group两个类群都得到了分子证据的支持（Yang et al， 2016）。

Sect. Oligoneura种类之间形态变异较大，且各种间形态性状存在一定的交叉，故各种间依据个别的形态数据来区分很容易混淆，给分类学研究带来了困难，但一些较为稳定的形态性状对该组植物的分类学研究还是具有重要的意义，如叶片着生方式和叶柄长度等。sect. Oligoneura内多数种通常为4～6片（或多于6）的假轮生叶，如林生茜草[R. sylcatica（Maximowicz）Nakai]，也有部分叶对生，且具有典型的叶柄间托叶（如对叶茜草 R. siamensis Craib）。茜草属植物叶柄长度变异较大，有的长达数厘米（如金剑草R. alata Wallich），有的无柄或近无柄（如红花茜草R. haematantha Airy Shaw），叶柄长度是茜草属中相对稳定的一个形态性状，通常作为茜草属下分类依据；此外，其它常用来作为分类依据的性状还有叶形、叶脉数、叶基形状、花冠裂片形状和颜色、花丝着生位置等。

形态学性状一直是植物分类学研究的基础，传统的形态研究与计算机技术结合，形成了数量分类学，现发展成为形态计量学，使生物分类学正逐渐从定性描述向精确的、定量的高水平发展。目前，形态计量学（或数量分类学）已被广泛应用于科、属、种下的分类（徐克学和李德中， 1983； 彭焱松等， 2007； 周兰英等， 2009；张永增等， 2016）。形态计量学的广泛应用为植物分类研究提供了客观依据。本研究利用形态计量学研究来探讨中国茜草属sect. Oligoneura内各系及种间的分类学问题，为sect. Oligoneura内各系和种间的分类学处理提供更多的证据。

1材料与方法

1.1 材料

以中国茜草属sect. Oligoneura的20个种为分类单位（表1），代表了本组内所有可能的组下分类单元，如ser. Cordifoliae、ser. Chinenses、R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都有相应的代表类群。性状数据主要来自昆明植物研究所标本馆（KUN）、华南植物研究所标本馆（IBSC）、广西植物研究所标本馆（IBK）馆藏标本以及野外采集的标本，部分性状来自野外观察，少数定性的性状来自文献。

1.2 测量与统计分析方法

利用刻度尺测量获得长度等数据，定性性状采用直接观测或使用放大镜、解剖镜进行观察。以sect. Oligoneura下的20个种为分类单位，查阅大量植物标本，综合野外观察以及文献研究后选定31个性状指标（表2）进行形态计量分析，所选性状涵盖了茜草属中具有分类价值的全部性状，这些性状也大都是茜草属下分类的重要依据。仅极少数性状存在个体间的变异，但在大量的样本中这些性状是相对稳定的，故我们在进行性状测量、统计时，如果标本数量允许的条件下均会选取尽可能多的样本进行测量、统计，从而得到更为客观的结果。每个分类单位所测量标本数为5～20份，极少数因馆藏标本数量太少以实测标本数为准，本研究共测定标本171份（表1）。数量性状测量的原始数据来自于每份标本每个性状测定的2～6个数据的平均数。我们将测量的20种，共171份标本，作为171个分类运算单位（OUT）。通过分析整理标本的观察测量结果和原始记录，对28个表型性状分別进行编码，其中二元性状15个，编码为0，1；多元性状13个；数量性状3个（表2）。对所有性状数据进行无序处理，任何两个性状状态间的距离相等。用“？”代表不详或未知的性状。

上述整理所得矩阵利用NTSYSpc 2.10e（Rohlf， 1994）软件进行分析。原始数据利用Standardization模块完成标准化，标准化矩阵通过Simint模块计算基于欧氏距离（Euclidean distance）的分类单元的相关系数，然后利用SHAN模块基于UPGMA（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean）算法对各分类单元进行聚类分析，利用Eigen模块进行主成分分析（PCA），同时获得特征根和特征向量，在Mod 3D模块下完成三维散点图的绘制（张永增等， 2016）。

2结果与分析

2.1 聚类分析

图1为中国茜草属sect. Oligoneura的聚类分析图，对各级分支分析发现，该组内除ser. Cordifoliae不是单系类群外，其余均能构成独立分支。根据结合线法（陈守良等， 1983；徐克学和李德中， 1983），在第133次至第134次聚合时分类单元间结合值出现最大的“数值飞跃”，在飞跃位置的中点处取等级分界值，取在欧氏距离值为0.637处，从简约树中可以明确地看到sect. Oligoneura下可稳定地分为9大表征群（图1）。

group的类群；表征类群C仅包括R. siamensis group的类群；表征类群G对应于ser. Chinenses的类群；其余的5个表征群（D、E、F、H、I）均为ser. Cordifoliae的类群。表征群G（ser. Chinenses类群）嵌套在ser. Cordifoliae的类群中。此外，sect. Oligoneura下各种除柄花茜草（R. podantha Diels）和茜草（R. cordifolia）外，其余种都很稳定，都能很好地聚合在一起。

2.2 主成分分析

对中国茜草属sect. Oligoneura的主成分进行分析，结果显示前三个主成分的贡献率分别为20.13%、17.93%和8.82%，前三个主成分的累积贡献率为46.88%（表3），直到第8个主成分累积贡献率才达到78.19%，增值比较缓慢，也说明本类群在演化过程中性状变异的多样性，出现多个不同的分支类群（彭焱松等， 2007）。其中对第1主成分（PC1）贡献最大的特征是叶长宽比、是否具有叶柄、叶脉类型、花序轴、叶形、花序苞片形状、每轮叶片数，特征向量值分别为0.876 2、0.841 5、-0.810 4、-0.805 6、0.722 2、0.710 8、0.708 0；对第2主成分（PC2）贡献最大的特征包括花冠管是否明显、生活型、雄蕊是否伸出花冠、花丝着生位置、叶柄长/叶片长，特征向量值分别为0.926 4、0.848 6、0.799 5、-0.766 9、-0.556 0；对第3主成分（PC3）贡献最大的特征包括是否具有假轮生叶、花冠颜色、假轮生叶是否明显小于真叶、根形态，特征向量值分别为-0.754 1、-0.749 4、0.5481、0.5362。表3列出sect. Oligoneura的31个形态性状在主成分分析中的前三位主成分的特征根和特征向量见的详细信息。三维散点图显示R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都相互独立，只有ser. Cordifoliae和ser. Chinenses之间存在交错（图2）。

3讨论

Sect. Oligoneura是茜草属中一个形态变异非常复杂的类群，传统分类学中主要依据叶形（叶长宽比）、叶柄、叶脉、每轮叶片数、生活型、花冠管是否明显等特征来对种进行划分，本文的PCA分析结果与传统分类学的观点完全一致，结果显示对第一主成分贡献率较大的形态特征为叶长宽比、是否具有叶柄、叶脉类型、每轮叶片数（分别为0.876 2、0.841 5、-0.810 4、0.708 0），花冠管是否明显和生活型是对第二主成分贡献率较大两个特征（分别为0.926 4、0.848 6）。

其次，传统分类学研究中一些其它的形态特征，如花冠管是否明显、花丝着生位置、叶柄长/叶片长、是否具有假轮生叶、花冠颜色、假轮生叶是否明显小于真叶、根形态等均对前三个主成分的贡献率较大。

分子系统学证据并没有很好地解决sect. Oligoneura下的分类问题（Yang et al， 2016），而形态计量学分析（聚类分析、主成分分析）对茜草属sect. Oligoneura下的分类单元划分具有一定的指导意义。本研究中，除ser. Cordifoliae没有形成独立支系外（ser. Chinenses形成了独立分支嵌套于ser. Cordifoliae中），Chen & Ehrendorfer（2011）提出的sect. Oligoneura组下划分新增的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）多为直立草本，叶无柄，叶基楔形，国内主要分布有黑花茜草（R. mandersii Collett & Hemsley）、多脉茜草（R. polyphlebia H. S. Lo）、云南茜草（R. yunnanensis Diels）、川滇茜草（R. edgeworthii J. D. Hooker），分布于我国云南、四川，以及印度、缅甸、泰国。分支B（R. angustissima group）主要特征包括叶线形或针状，无柄，仅具一条叶脉，该类群具有针状的细长叶片，而sect. Oligoneura下叶形多为卵形、披针形或狭披针形，所以R. angustissima group是本组中形态最为特殊的类群，仅包括红花茜草（R. haematantha Airy Shaw）一种，分布于我国云南、四川，为我国特有种；分支C（R. siamensis group）常叶对生，具有真正的柄间托叶，其是茜草属中唯一一个不具有假轮生叶的类群，主要分布于我国云南、四川或泰国。

在sect. Oligoneura中，ser. Cordifoliae为攀援草本，多具长叶柄，通常大于叶片长度的二分之一， 每轮叶片数为4、6或更多；ser. Chinenses为直立草本，叶柄通常较短，小于叶片长度的二分之一，叶片为每轮四片（Chen & Ehrendorfer， 2011；Pojarkova， 2000）。因此这两个系的形态性状存在重叠现象，如在每轮叶片的数目上，叶片数为4片是ser. Chinenses的一个主要特征，但是ser. Cordifoliae大部分种叶片数也为4片（如柄花茜草等）；分子系统学研究结果也显示大叶茜草（R. schumanniana E. Pritzel）（隶属于ser. Chinenses）嵌套于ser. Cordifoliae中与柄花茜草（隶屬于ser. Cordifoliae）关系比较近（Yang et al， 2016）。

此外，基于对茜草属的形态学研究我们发现，叶柄长度在茜草属内的变异较大，甚至同一种内长度变化也很大，因此叶柄长度这一分类性状并不是完全可靠，由统计数据可知茜草、东南茜草[R. argyi（H. Leveille & Vaniot）H. Hara ex Lauener & D.K. Ferguson]以及柄花茜草三个种中均存在叶柄长度/叶片长度小于1/2的类群，这一特征与ser. Chinenses中国茜草（R. chinensis Regel & Maack）和大叶茜草的主要划分特征每轮叶4片以及叶柄与叶片长度比小于1/2是一致的，故由于界定两系的主要形态特征存在重叠，我们的数量分类学研究结果无法将ser. Cordifoliae和ser. Chinenses两个系区分开来，故二者嵌套在一起，但ser. Chinenses生活型为直立草本这一个特征为较可靠的分类依据可与ser. Cordifoliae（攀援草本）相区分，故其虽嵌套于ser. Cordifoliae，但也形成了独立分支。

聚类分析结果显示除柄花茜草和茜草两个种外，其余各种都形成了独立分支。其中柄花茜草和茜草两种的不同个体均分别形成两个小的分支，一个分支分别仅有柄花茜草和茜草的类群构成，另一分支为茜草与柄花茜草的混合分支。茜草为茜草属的模式种，该种也是茜草属中分布最广的种，国内各省均有分布，且形态变异较大，每轮叶片数为4、6或8片甚至多达12片，该种区别于该系其它种的主要的特征为果实成熟时呈橘红色；而柄花茜草主要分布在我国西南地区，主要特征为稳定的每轮叶片数4及花冠裂片反卷，花梗粗壮，导致两种部分个体在聚类分析结果中聚在一起，原因应是两种的主要区别特征上存在重叠（如每轮叶片数、叶柄长度等），而其它形态特征也较为相似。

综上所述，形态计量学研究结果表明对主成分贡献率较高的特征主要有叶形（叶长宽比）、叶柄、叶脉、每轮叶片数、生活型、花冠管是否明显等特征，这些形态性状也作为传统分类学的主要依据，因此本研究结果与中国植物志分种检索表中所列特征性状较为一致，验证了该分种检索表的合理性。本研究结果也表明sect. Oligoneura除柄花茜草和茜草两种外，其余各种间的界限都比较清晰，能形成独立分支，故可为该组下各物种的鉴定提供新的分类依据。另外在sect. Oligoneura中，R. mandersii group、R. angustissima group、R. siamensis group都得到了分子系统学与形态计量学证据的支持，建议将它们正式提升为系。但本组中最大的系ser. Cordifoliae并没有得到分子与形态证据的支持，所以需要对本组乃至整个茜草属进行更为全面的分子与形态数据的综合研究才能作出全面的系统修订。

致谢中国科学院昆明植物研究所标本馆（KUN）、中国科学院华南植物园标本馆（IBSC）及中国科学院广西植物研究所标本馆（IBK）提供了研究材料。云南师范大学张永洪副教授在数据分析上给予了指导。中国科学院昆明植物研究所彭德力博士在论文修改上给予了帮助、李文庆硕士在分布图处理上给予了帮助。在此一并致谢。

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