观赏植物托桂花型的研究进展

牛雅静 张蒙蒙 孟昕

摘要 花型是观赏植物重要的观赏性状，托桂花型是其中较为特殊的一类。目前关于观赏植物托桂花型性状的研究集中于芍药、牡丹、山茶、菊花，涉及对托桂型品种的解剖和细胞观察、分子调控机制、遗传规律的探索以及优良种质收集。整理总结了现有关于托桂花型研究的文献，对其托桂花型的解剖观察、花型演化、基因调控机制和遗传规律等进行分析，以期为观赏植物花型育种提供参考。

关键词 托桂花型;花型演化;基因调控;遗传规律

中图分类号 S682  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）24-0029-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.24.006

Research Progress on Anemone Type of Ornamental Plants

NIU Ya-jing，ZHANG Meng-meng， MENG Xin （Beijing Botanical Garden， Beijing Floriculture Engineering Technology Research Centre， Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment， Beijing 100093）

Abstract Flowers’ type is a kind of important phenotype in ornamental plants， anemone type is a special one of these classes. The researches about anemone type concentrate on anatomical and histological observation， molecular regulation， exploration of inheritance and collections of germplasm resources. The related plants include peony， tree-peony， camellia and chrysanthemum. In order to provide references for flower type breeding，summarized the existing literature on the research on the type of anemone，and analyzed the anatomical observation， evolution of the flower type， gene regulation mechanism and genetic law of the type of anemone.

Key words Anemone type;Flower type evolution;Gene regulation;Inheritance

基金项目 北京市公园管理中心科技课题（zx2020007）;北京市植物园科技课题（BZ201903）。

作者簡介 牛雅静（1986—），女，山西高平人，工程师，硕士，从事菊属植物资源收集和育种研究。*通信作者，工程师，博士，从事菊花种质资源创新与育种研究。

收稿日期 2021-04-04

花是观赏植物最重要的观赏部位之一。尤其在观花植物中，花色、花型、花径等既共同影响着观花植物的观赏性，也是其品种分类的重要依据。托桂花型（anemone type）是观赏植物花型中的一种，以单花朵（或花序）外轮花瓣较宽大而内轮花瓣较细小为主要特征，盛放期宛若外轮花瓣“托起”了内轮的“桂花”样花瓣[1]，是观赏植物的一种重要观赏性状。该花型在园艺品种较多的植物中时有出现，但其品种的收集和相关的研究还不完善。目前针对托桂花型的研究多集中在芍药（Paeonia lactiflora）、菊花（Chrysanthemum × morifolium）等主要花卉上，牡丹（Paeonia suffruticosa）、山茶（Camellia japonica）等也有一定研究，其他植物研究较少。笔者在总结具有托桂花型观赏植物种类的基础上，对其托桂花型的解剖观察、花型演化、基因调控机制和遗传规律等进行了整理分析，以期为托桂花型的观赏植物育种提供支持。

1 具有托桂花型的观赏植物

在目前基于花型的品种分类中，只有山茶、牡丹、芍药、菊花、翠菊（Callistephus chinensis）等的托桂型花型被单独列出;在木槿（Hibiscus syriacus）等植物中，具有“托桂”特征的花型被分类在复瓣类或半重瓣类[2];对一些未进行品种分类的观赏植物，没有明确关于托桂花型的描述。

由表1可知，目前检索到的明确有托桂花型的观赏植物种类及其花型特征、托桂花型与重瓣花型有明显的区别，内轮花瓣与外轮花瓣大小上的差异是最为显著的。

相对于庞大的观赏植物品种总数来说，具有托桂花型品种的数量比较少。在中国芍药品种资源最为集中的山东菏泽进行调查中发现，广泛栽培的托桂型芍药品种有28个，其中26个为单花类，2个具有台阁现象[9]。《中国牡丹品种图志》中记载牡丹品种412个，其中托桂型品种有11个[10]。《中国菊花全书》中记载了840个大菊品种，其中桂瓣类品种只有24个[6]。在南昌市调查到的68个山茶品种中，只有“金盘荔枝”和“露心金盘荔枝”两个托桂型品种[11]。张晓庆等[12]将山茶属观赏植物品种分成了6个品种群，其中华东茶花品种群主要亲本为红山茶（C.japonica），在调查的415个品种中有托桂型品种55个;四川茶花品种群由红山茶、西南红山茶（C.pitardii）等为亲本的杂交或变异而来，在123个调查品种中有17个托桂型品种;其他品种群中没有托桂型品种。

2 托桂花型的起源及演化

托桂花型中桂瓣的来源，在不同的植物上有所不同。对于芍药等植物来说，托桂花型中的“桂”是雄蕊瓣化后产生的[13];对于菊花来说，托桂花型是其头状花序内轮筒状花花冠筒伸长、尖端不规则开裂形成的;但无论何种来源，托桂花型均表现为内轮花瓣明显小于外轮花瓣，并具有一定观赏性。

由雄蕊瓣化形成托桂花型品种，在牡丹、芍药的品种演化中占主导地位[14-15]。通过对牡丹托桂品种花芽分化的观察，发现雄蕊的离心分化和离心瓣化是牡丹托桂花型形成的原因[13]，即近中心的雄蕊先瓣化，而后由中心向外层层瓣化，花瓣直立或扭曲。雄蕊离心式瓣化使近2轮外瓣处的雄蕊因瓣化较晚，最后未能瓣化而残留下来，或者瓣化成较低级的须状瓣、针状瓣、披针状瓣或碎瓣，呈环状分布在外瓣内，从而形成托桂型、金环型、皇冠型、绣球型[13]。有研究认为，雄蕊的瓣化是不稳定的，会在有些品种上出现“返祖”现象。例如芍药品种“赵粉”“紫袍金带”等，同一株上同时或者隔年会出现单瓣型、金环型、皇冠型等[14]。这一现象对芍药品种花型的确定有一定影响，但没有更多的研究对托桂花型是否也有返祖现象进行观测。利用石蜡切片对比观察芍药台阁品种“大富贵”和托桂品种“莲台”花芽分化的过程表明，托桂品种“莲台”花芽分化过程与前人报道的芍药花芽分化过程相似，分为苞片原基分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期及雄蕊原基瓣化期共6个时期;而台阁型品种“大富贵”花芽分化前期与“莲台”相似，但在雄蕊原基分化期后并不相继产生雌蕊原基，而是在此部位又出现花瓣原基，随后出现雄蕊原基、雌蕊原基，发育形成“上方花”，最终上下两花重叠，形成台阁[16]。对芍药托桂品种“紫凤羽”的内外瓣石蜡切片观察发现，内外瓣在发育初期，栅栏组织和维管束就已经形成了，而且外瓣栅栏组织的紧密程度远远高于内瓣[17]。

在对山茶属的30个不同花型种和品种的同工酶谱带分析时发现，9个托桂型的山茶没有聚类在一起，认为过氧化物酶同工酶谱特征与茶花花型、花色等形态特征不完全吻合[18]。在对26个川茶花（C.japonica）品种的ISSR遗传多样性分析时发现，托桂型山茶品种“石榴茶”并没有因花型被单独聚类，其他花型也没有完全被单独聚类[19]。在牡丹中利用ISSR标记对一个居群内的16个紫斑牡丹品种材料进行基因组多态性分析，发现“粉盘托桂”单独聚为一类，但其他组并没有明显按花型聚类，表明不同相似系数的遗传聚类划分与花色、花型之间并非完全具有相关性[20]。这些研究表明，对于山茶花和牡丹来说，花型彼此之间可能没有演化关系，可能是单基因或少数几个基因突变导致的。

菊花是头状花序，内轮是具有雌蕊和雄蕊的“筒状花”，外轮是仅具有雌蕊的“舌状花”，因此其花型的演进与牡丹、芍药不尽相同。宋代刘蒙《菊谱》中记载了“铃叶”瓣型，描述的是原始筒状花;综合宋代菊谱的记载和绘画作品中的描绘，当时的“万铃菊类”与现代人们所说的托桂花型的菊花具有一定的相似性;明代菊花品种谱《渡花居东篱集》中出现了“丁香”花型，可以认为是菊花托桂花型记载的开始[21]。现阶段研究认为，菊花桂瓣是由基本瓣型演化而来的，遗传分化程度较高[22]。桂瓣小花内层细胞不发生退化，且能不断分裂，因此托桂花型的桂瓣较普通筒状花更为发达，这可能是菊花托桂花型的主要成因[23]。通过对托桂和非托桂菊花2种小花的解剖观察，发现菊花非托桂品种管状花花瓣仅有上下表皮细胞，且细胞内细胞质稀薄，细胞壁厚，无明显活力，未见维管束组织;托桂品种桂瓣的横切面组织结构和舌状花类似，有多层细胞，中间疏松的叶肉细胞细胞质浓、形态各异，有旺盛的分裂活动，有发达的维管束组织[24]。非托桂型菊花花色素主要分布在舌状花花瓣里，而托桂型菊花的舌状花和筒状花中均能分布色素成分，2种小花可以呈现不同的颜色，具有较高的观赏价值[25]。

缪恒彬等[22]对大菊的ISSR分析发现，利用UPGMA法可以将85个供试品种分成6个类群，聚类结果与瓣型相关，供试的5个托桂型品种聚类在一起。雒新艳等[26]对150个大菊品种，依据ISSR 分子标记所得数据计算瓣类间的遗传相似系数，结果表明在大菊物种水平上有1.14%的遗传变异存在于瓣型类群间，而98.86%的遗传变异存在于各瓣型类群内，瓣型类群内品种间存在很高水平的遗传分化;进一步应用UPGMA 法聚类，桂瓣类首先被聚类出来，说明其演进方式与其他瓣型差异较大。刘春迎等[27-28]的研究也得到了相似的结果。这些研究在一定程度上支持了菊花瓣型是由原始筒状花平行演化而来的推测[29]。

3 托桂类花型形成的分子机制

关于托桂花型形成的基因调控机制，目前研究的关注点在调控内外花瓣形成的基因、控制雄蕊瓣化的基因等方面。

对芍药“紫凤羽”内外花瓣高通量测序分析筛选出AGAMOUS（AG）和MADS-box protein2（MADS2）两个ABC模型的同源异形基因，它们在“紫凤羽”内瓣中的表达量显著高于外瓣，并且AG和MADS2蛋白的结构功能、表达水平差异均有一定相似性，推测AG 和MADS2基因可能共同调控芍药花瓣的形态建成，并且发挥相同的生物学功能[30]。类似的结果在山茶属托桂花型品种中亦被发现。对包含了托桂型山茶在内的6个不同花型山茶品种B功能基因在花朵中表达分析发现，GLO1和GLO2同源基因在花瓣和雌雄蕊中表达较高而在萼片中表达较低，表明其在花瓣属性的决定中发挥作用;DEF和TM6同源型基因在雄蕊群的融合处高表达，表明它们可能在雄蕊瓣化为花瓣的过程中发挥作用[31]。在托桂型山茶“金盘荔枝”中发现MADS-box家族C类调节基因中的AGAMOUS（AG）基因表达具有时间和空间特性，可调控雄蕊的数量及发育并使雄蕊瓣化，参与调控重瓣花形成[32]。

对于菊花的桂瓣类品种，目前没有基因克隆和分子调控机制方面的报道。同为菊科的非洲菊（Gerbera hybrida）花发育研究，能够为我们解析菊科瓣型变异机制提供一些启示，非洲菊的头状花序上具有外轮舌状花、内轮过渡花和中心管状花，舌状花为具有两侧对称花瓣的雌性花，管状花为辐射对称的两性花，而过渡小花为舌状花和管状花的中间类型，具花瓣结构，花药部分退化[33]。研究表明，非洲菊头状花序发育到Stage 3时，舌状花与管状花形态相似，而在后期（Stage 4之后）则可以看到不同小花在形态上的分化，其控制花瓣对称性相关的CYCLOIDEA类基因GhCYC2表达与这种发育模式具有一定相关性，在发育的Stage 3和Stage 5，GhCYC2仅在舌状花原基中表达，而不在位于花序中心的管状花（centermost disk flowers）原基中表达。在后期的发育Stage 6和Stage 7中，外围管状花（outer disk flowers，即过渡小花）和舌状花中都存在GhCYC2的表达，但在中心管状花中不表达;过表达GhCYC2的转基因株系表現为头状花序缩小，管状花的花瓣明显长于野生型[34]。此外，在转基因株系中，管状花花瓣具有明显的舌瓣，与两侧对称的舌状花和过渡花相似;在另一个转基因株系中，管状花的花瓣融合在一起呈现管状，且转基因株系中雄蕊发育被破坏，“类似”菊花中的桂瓣花型[34]。对该基因家族GhCYC3和GhCYC4的功能研究，同样证明诱导这两个基因表达可以改变管状花的形态，管状花的花瓣长度显著增加，并且雄蕊发育被抑制[35]。此外，在向日葵（Helianthus annuus）的研究中也发现，转座子插入HaCYC2c的启动子和外显子，导致该基因表达模式变化，管状花突变为舌状花形态[36]。这些同为菊科植物的研究成果，为继续解析菊花托桂花型形成机制提供了很好的研究线索。

4 托桂花型的遗传规律及育种

关于托桂花型遗传规律的探索和杂交育种应用，目前在菊花中研究较多。 菊花瓣型性状在遗传上明显偏母性遗传[37]。单瓣菊花的托桂性状在品种间杂交时具有很强的遗传力，可以稳定地传递给后代[38]。朱文莹等[39]以桂瓣类小菊“钟山金桂”为母本，“钟山金桂”×细裂亚菊F1为父本进行回交，得到的回交后代各株系在花型上出现了托桂、半托桂和非托桂3种类型，并以托桂型为主。

唐海强等[23]为研究托桂型小菊遗传规律，选择花器表型差异较大的托桂型秋菊品种“QX-053”和非托桂型秋菊品种“南农惊艳”的杂交F1群体为研究对象，统计其花器官表型数据，认为托桂型菊花花器性状的杂种优势表现符合主基因+多基因混合遗传模型;通过单因素方差分析方法寻找与托桂型花器性状相关联的标记位点，构建了双亲连锁遗传图谱，实现了托桂型菊花花器性状的QTL定位，26个加性QTL可解释6.3%～11.9%的表型变异;16对上位性QTL可以解释3.7%～13.6%的表型变异;加性和上位性效应共同控制托桂花型相关性状的遗传[40]。研究发现形态聚类与托桂品种无关，与标记聚类有关，SCAR160标记对托桂品种的鉴别率达92.5%[41]。

近年来，随着观赏植物育种工作的不断发展，一批具有托桂花型的新品种不断涌现。茶花新品种“淀西融雪”是白色带红条纹的托桂型山茶利用雄蕊完全瓣化的牡丹型红山茶品种“窄彩带”实生苗选育而来[42]。茶花名品“火龙珠”是托桂型山茶，從单瓣品种“玉之浦”的突变中选出[43]。托桂型菊花的育种发展较快，出现了多头切花菊“辽菊1号”等、盆栽小菊“钟山黄托桂”、独本菊“东篱金辉”等一系列桂瓣类菊花品种[44-46]。此外，牡丹新品种“蓝紫托桂”、芍药新品种“桃花托金”也是近年培育的托桂型新品种[47-48]。

5 结语

传统的人工杂交和实生变异选择仍是培育花型新品种的主要手段。而花型的形成，特别是重瓣花的形成是一个复杂的生长发育过程，受一系列基因的调控影响。基于普通遗传学理论的杂交育种方法对花型发育的基因调控不明晰，较难获得理想的花型品种。从分子机理层次剖析观赏植物花型的遗传机制、利用分子辅助标记育种等，可以为花型育种工作带来新动力。

托桂花型是一种较为奇特的花型，在多种观赏植物中逐步成为花型育种的关注点。目前关于托桂型观赏植物的研究集中于托桂型品种收集、托桂现象形成的机制等方面，对于托桂花型形成的遗传规律还尚未清晰，有关托桂花型观赏植物的研究较为少见，对托桂花型品种的优种选育过程也没有突破性进展，未来仍需在这一领域努力探索，取得相应科研成果，丰富优良种质，为花卉优种选育提供更多选择。

参考文献

[1] CHEN F D，LI F T，CHEN S M，et al.Meiosis and pollen germinability in small-flowered anemone type chrysanthemum cultivars[J].Plant systematics and evolution，2009，280：143-151.

[2] 肖芬.27个木槿品种分类研究[D].长沙：中南林业科技大学，2019.

[3] 陈绍云.浙江山茶花[M].杭州：浙江科学技术出版社，1985：26-45.

[4] 周家琪.牡丹、芍药花型分类的探讨[J].园艺学报，1962，1（Z1）：351-360，386.

[5] 陈俊愉.中国花卉品种分类学[M].北京：中国林业出版社，2001：111-117.

[6] 张树林，戴思兰.中国菊花全书[M].北京：中国林业出版社，2013.

[7] 刘芳.大丽花花朵形态及花色的遗传变异研究[D].泰安：山东农业大学，2011.

[8] 赵会恩，吴涤新.蜀葵园艺品种花型分类初探[J].北京林业大学学报，1998，20（2）：104-106.

[9] 郭先锋，刘爱青，黄雪，等.山东地区托桂型芍药品种的调查与分类[J].中国农学通报，2010，26（11）：317-323.

[10] 王莲英.中国牡丹品种图志[M].北京：中国林业出版社，1997.

[11] 娄维.南昌市区山茶品种调查与评价研究[D].南昌：江西农业大学，2019.

[12] 张晓庆.中国茶花品种分类、测试指南及已知品种数据库构建[D].北京：中国林业科学研究院，2008.

[13] 王莲英.牡丹品种花芽形态分化观察及花型成因分析[J].园艺学报，1986，13（3）：203-208.

[14] 王宗正，章月仙.从芍药的花芽分化试论芍药、牡丹的花型形成和演化[J].园艺学报，1991，18（2）：163-168.

[15] 秦魁杰，李嘉珏.牡丹、芍药品种花型分类研究[J].北京林业大学学报，1990，12（1）：18-26.

[16] 艾云苾，刘爱青，吴婷，等.芍药台阁品种和托桂品种花芽分化过程[J].东北林业大学学报，2016，44（7）：51-53，75.

[17] 吴彦庆.托桂型芍药花型形成的相关基因筛选及其调控机制研究[D].扬州：扬州大学，2019.

[18] 胡欢，杨述章，李仲芳，等.30种茶花过氧化物酶同工酶分析[J].四川师范大学学报（自然科学版），2013，36（2）： 296-301.

[19] 胡仲义，林立，刘夔，等.26个川茶花品种亲缘关系的ISSR分析[J].植物研究，2013，33（5）：629-634.

[20] 杨美玲，唐红.紫斑牡丹遗传多样性的ISSR分析[J].西北植物学报，2012，32（4）： 693-697.

[21] 王子凡.中国古代菊花谱录的园艺学研究[D].北京：北京林业大学，2010.

[22] 缪恒彬，陈发棣，赵宏波.85个大菊品种遗传关系的ISSR分析[J].园艺学报，2007（5）：1243-1248.

[23] 唐海强，张飞，陈发棣，等.托桂型菊花花器性状杂种优势与混合遗传分析[J].园艺学报，2015，42（5）：907-916.

[24] 李风童，陈素梅，陈发棣，等.托桂花型菊花花发育的组织结构观察[J].园艺学报，2010，37（12）：1961-1968.

[25] ANDERSON N O.Chrysanthemum[M]//ANDERSON N O.Flower breeding and genetics.Dordrecht，The Netherlands：Springer，2007.

[26] 雒新艳，王晨，戴思兰，等.基于ISSR标记的大菊品种资源遗传多样性分析[J].中国农业科学，2013，46（11）：2394-2402.

[27] 刘春迎，王莲英.菊花品种的数量分类研究（Ⅰ）[J].北京林业大学学报，1995，17（2）：79-87.

[28] 吴在生，李海龙，刘建辉，等.65 个菊花栽培品种遗传多样性的AFLP 分析[J].南京林业大学学报（自然科学版），2007，31（5）：67-70.

[29] 张树林.菊花品种分类的研究[J].园艺学报，1965（1）：35-46.

[30] 吴彦庆，汤寓涵，赵大球，等.芍药内外花瓣发育形成相关基因片段的生物信息學及组织表达分析[J].北京：中国农业大学学报，2017，22（12）：53-63.

[31] 朱高浦.山茶花MADS-box家族B类基因克隆及在重瓣花形成中的作用[D].北京：中国林业科学研究院，2011.

[32] 孙迎坤.山茶花MADS-box家族A类和C类基因克隆及功能分析[D].北京：中国林业科学研究院，2013.

[33] THTIHARJU S，RIJPKEMA A S，VETTERLI A，et al.Evolution and diversification of the CYC/TB1 gene family in Asteraceae-A comparative study in Gerbera （Mutisieae） and sunflower （Heliantheae）[J].Molecular biology and evolution，2012，29（4）：1155-1166.

[34] BROHOLM S K，THTIHARJU S，LAITINEN R A E，et al.A TCP domain transcription factor controls flower type specification along the radial axis of the Gerbera （Asteraceae） inflorescence[J].Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2008，105（26）：9117-9122.

[35] JUNTHEIKKI-PALOVAARA I，THTIHARJU S，LAN T Y，et al.Functional diversification of duplicated CYC2 clade genes in regulation of inflorescence development in Gerbera hybrida （Asteraceae）[J].The plant journal，2014，79（5）：783-796.

[36] CHAPMAN M A，TANG S X，DRAEGER D，et al.Genetic analysis of floral symmetry in Van Gogh's sunflowers reveals independent recruitment of CYCLOIDEA genes in the Asteraceae[J].PLoS genetics，2012，8（3）：1-10.

[37] 夏伯顺.菊花杂交育种及后代遗传规律研究[D].武汉： 华中农业大学，2009.

[38] 邓衍明.利用属间远缘杂交创造栽培菊花抗逆新种质的研究[D].南京：南京农业大学，2010.

[39] 朱文莹，刘新春，房伟民，等.小菊品种“钟山金桂”与亚菊属细裂亚菊F1回交后代的性状遗传表现[J].中国农业科学，2012，45（18）：3812-3818.

[40] YANG X D，FANG X Q，SU J S，et al.Genetic dissection of floral traits in anemone-type chrysanthemum by QTL mapping[J].Molecular breeding，2019，39（9）：1-11.

[41] 南京农业大学.一种菊花托桂花型分子标记辅助选择的方法：CN201810483506.0[P].2021-10-01.

[42] 茶花新品种登录[J].中国花卉园艺，2019（16）：56-58.

[43] 高继银，刘信凯.茶花名种“玉之浦'及其品种群[J].中国花卉盆景，2011（5）：4-6.

[44] 房伟民，陈发棣，赵宏波，等.菊花新品种——秋花型盆栽小菊系列[C]//中国菊花研究会.中国菊花研究论文集（2002—2006）.北京：中国风景园林学会，2002.

[45] 孙文松，侯忠，张晓波，等.辽菊系列切花菊新品种选育研究[J].北京农业，2013（9）：91-92.

[46] 高康，宋雪彬，戴思兰，等.菊花新品种“东篱金辉”[J].园艺学报，2020，47（S2）：3026-3027.

[47] 张延东，何丽霞，李建强，等.牡丹良种——蓝紫托桂[Z].甘肃省林业科学技术推广总站，2015-12-28.

[48] 芍药新优品种——桃花托金[J].农家致富，2013（18）：26.