玉兰品种花色表型数量分类研究

杜习武，叶 康,2，秦 俊,2，胡永红,2

(1.上海辰山植物园，上海 201602；2.上海城市树木生态应用工程技术研究中心，上海 200020)

玉兰属(YulaniaSpach)植物是我国重要的传统药用和园林绿化美化树种，栽培历史悠久。在我国林业生产和园林城市建设中具有重要地位。玉兰属植物从树姿到花型皆美，且花色丰富，具有极高的观赏价值[1]。

中国是玉兰属植物主要起源中心、分布中心和多样性中心。据统计，世界玉兰属植物共计44种和45杂交种、9亚种、95变种、35品种群、627品种，品种繁多，我国分布有40种[2]。在我国，玉兰属植物越来越受到欢迎，国外新优品种不断被引入，国内新品种不断涌现。丰富的种质资源为玉兰属植物良种选育和栽培应用提供了有利基础，但存在新种鉴定过程中难以找到真正的野生种及品种间亲缘关系[3]。通过系统分类整理，对玉兰品种的资源利用与开发都具有重要意义[4]。

玉兰属的分类研究方法通常有孢粉学、解剖学、细胞学及遗传标记等，其中形态学数量分类是常用的研究方法[5]。在形态学分类中花色是常用的数量分类指标，在菊花[6]、牡丹[7]、芍药[8]、小苍兰[9]、紫斑牡丹[10]、红掌[11]的数量分类研究中均有应用。而在玉兰属中，花被片颜色为玉兰品种数量分类研究中贡献率排前三的性状因子[3]，也是区分玉兰属植物种类的重要标志之一。

玉兰属植物花被片颜色丰富，通常为白色、淡紫红色、淡紫色、紫色等，以及黄色、黄绿色和复色等相对稀有的颜色。通常借助于比色卡(Royal Horticultural Society Color Chart，R.H.S.C.C.)观测花色，主观性较强，且对环境要求高，而通过分光测色计测量花色，可以避免主观判断造成的误差[12]，而且可以定量表示花色，花色表型的数量化对品种分类和鉴定更具有实际意义。

分光测色计采用CIElab颜色空间，是在1931年国际照明委员会(International Commission on Illumination)制定的颜色度量国际标准的基础上建立起来的。1976年，经修改后被正式命名为CIELab[13]。Lab颜色空间中的L*分量用于表示像素的亮度(从纯黑到纯白)；a*表示从红色到绿色的范围；b*表示从黄色到蓝色的范围。孟塞尔颜色系统(Munsell Color System)是色度学里透过明度(value)、色相(hue)及色度(chroma)3个维度来描述颜色的方法，是国际上多标准公认的颜色系统[14]。ISCC-NBS色彩名称表示法由美国国内色彩研究学会(Inter Society Colour Council)作成，由美国国家标准局(National Bereau of Standand)整理而成，它是依据孟塞尔坐标值对颜色进行命名，共有267种颜色[15]。

本实验选取玉兰属植物64个种(含种下等级)及品种，利用分光测色计测得花色的L*(明度)、a*(红度)、b*(黄度)值，并将其转化为孟塞尔颜色体系的H(色相)、V(明度)、C(饱和度)值，依据ISSC-NBS色名表示法对玉兰花色表型命名，结合系统聚类分析，同时进行数量分类，将仪器测色数据与颜色名称联系，为玉兰品种的花色数量分类和品种鉴定提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

分别于2018年和2019年的玉兰花期，在上海辰山植物园、西安植物园及上海植物园，选取生长健康、花色稳定的植株，采集盛开的花朵，测定花色，共测了64个玉兰品种；对于花被片近轴面及远轴面颜色不一致的种类则分别测量，共获得120个花色样本(表1)。

表1 120个玉兰花被片样本Table1 Petal samples of 120 Yulania samples

1.2 实验方法

将不同玉兰品种的花摘下带入室内，并立即使用分光测色计(CM-2600 d，KONICA MINOLTA,INC. JAPAN)以D 65光源和10°观察角为条件[16]对花瓣中间位置进行测量，每花被片测量3次。测得L*、a*、b*值用于后续分析。

1.3 数据分析

将测得的L*、a*、b*值导入R 3.6.1软件，利用munsellinterpol模型将其转化为H.V.C数据及ISSC-NBS命名。使用SPSS 22.0软件对所有颜色样本的L*、a*、b*值进行聚类分析，聚类方法使用最远邻近法，在欧氏距离为5处绘制跳变线；使用Origin 9.1软件作玉兰花色分布图。

2 结果与分析

2.1 玉兰品种花色表型数量聚类分析

聚类分析结果显示，120个样本花色表型可分为七类：Ⅰ类白色系(包括白色、黄白和粉白)、Ⅱ类浅黄色系、Ⅲ类粉红色系、Ⅳ类黄绿色系、Ⅴ类红色系(包括浅红紫和深红)、Ⅵ类深紫色系、Ⅶ类紫红色系(包括中紫红和中红紫)(图1、表2)。其中，粉色、红色及紫色的样本难以清晰区分，而有部分重叠，浅色系的颜色也较为混乱，需要借助其他方法整理分类。

图1 基于L*、a*、b*的120个玉兰花被片样本的花色表型聚类分析Fig.1 Cluster analysis of flower color phenotype of 20 Yulania petal samples based on L*, a* and b*

表1(续)

表2 120个玉兰花被片样本的花色表型聚类分析结果Table 2 Clustering analysis of flower color phenotype of 120 Yulania petal samples

2.2 使用ISCC-NBS色名表示方法对玉兰品种花色表型进行分类

采用R 3.6.1软件将使用分光测色计测得的120个玉兰花色表型值转化为孟塞尔颜色系统的H.V.C，并用ISCC-NBS色名表示法对其进行命名，对颜色类别重新归类，共获得29种颜色名称(表3)。根据花色表型聚类结果，将仅有3个样本的紫红色系合并为红色系，命名后的颜色分为6个色系(白色系、黄色系、黄绿色系、粉红色系、红色系、紫色系)。可以看出所测玉兰品种花被片颜色主要分布在白色系、红色系和粉色系(表4)。

表3 依据ISCC-NBS系统对120个玉兰样本颜色命名Table 3 Color naming of 120 Yulania petal samples based on the ISCC-NBS system

表4 ISCC-NBS系统玉兰品种花色分类Table 4 Color classification of Yulania varieties by ISCC-NBS system

2.3 CIELab 颜色体系对ISCC-NBS色名表示法所划分色系的评价

从图2可以看出，通过ISCC-NBS色名表示法进行分类，其所得到的CIELab颜色系统参数L*、a*、b*可以清晰的区分各色系。L*值表示颜色的明度，白色系、黄色系、黄绿色系L*值接近，其他色系L*逐渐降低。表明浅色系与深色系在明度分布上可以区分开；a*值表示颜色的红度，与红色相关的色系a*值均高于前3个色系，且这4个色系之间也有差异；b*值表示颜色的黄度，与黄色相关的黄色系和黄绿色系明显覆盖更广且高于其他色系。当2个色系有2个参数值分布在相似范围时，其第3个参数值的分布存在差异，可以表明是其色系差异的地方。

注：1为白色系；2为黄色系；3为黄绿色系；4为粉色系；5为红色系；6为紫色系。图2 玉兰品种各色系L*、a*、b*象限图Fig.2 Quadrant map of Yulania flower colors of all colors L*, A*, B*

从图3可以看出，玉兰品种均分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限，第Ⅲ象限没有分布，表明测定的玉兰品种中不含有蓝色花被片。白色系、黄色系分布在Ⅰ、Ⅱ象限；黄绿色系分布在第Ⅱ象限；粉色系和红色系分布在Ⅰ、Ⅳ象限；紫色系分布在第Ⅳ象限。色系的三维分布则呈近似抛物线形状，不同色系区分明显。

图3 玉兰品种各色系a*、b*二维分布图(A)和L*、a*、b*三维分布图(B)Fig.3 Two-dimensional and three-dimensional distribution map of Yulania flower colors based on a*, b* and L*, a*, b* respectively

3 讨 论

在玉兰花期的不同时间和花的不同部位均存在颜色差异[17]，本试验中还有玉兰样本存在花被片表皮颜色差异及花被片近轴面与远轴面颜色差异，所以选择测色的时期及部位非常重要。据此，将近轴面与远轴面分开测试，并选择花被片表皮中部位置进行测量，测定时期为盛花期。

研究发现，通过分光测色计测量后的L*、a*、b*值可以精确描述被测玉兰花被片的颜色，利用L*、a*、b*值进行聚类分析，无法将浅色系区分，白色、浅黄色相互交叉，在其他观赏植物的花色研究中也出现类似情况[6,10]。但是可以将黄绿色单独聚为一类，可能是由于一些玉兰品种具有典型的黄绿色花被片。而通过将L*、a*、b*值转化为孟塞尔颜色系统，并使用ISCC-NBS色彩名称表示法对其命名，后再根据颜色名称结合聚类分析结果进行分类，可以有效区分颜色分类混乱的色系。最终将玉兰品种花被片颜色分为6个色系(白色系、黄色系、黄绿色系、粉色系、红色系、紫色系)。而经过L*、a*、b*值箱型图、二维和三维分布图确定了分类的合理性，并通过不同色系取值的划分，可以建立更加合理的玉兰品种花色表型分类体系。

分析玉兰品种花色分布特点发现，玉兰品种花色十分丰富，但是还缺少蓝色、墨色等玉兰品种。花色素苷含量是影响花色由红色向粉色或者紫色转变的主要因素，使花色的色调发生浓度的变化[18]。这3种花色的L*值区分明显，也从侧面印证了这一结论。而蓝色花的呈色机理已研究得十分透彻，主要是由飞燕草色素(delphinidin)衍生的花色苷、黄酮醇或黄酮糖苷的积累和液泡的pH值共同调节的[19-21]。这方面在玉兰中还未有深入研究，但是呈色机理可能类似。可以通过转基因等分子育种手段培育出蓝色品种玉兰，丰富玉兰品种花色类型。

目前关于玉兰花色的相关研究较少，本研究仅是对玉兰花色表型进行初步数量分类，可以为今后深度研究花色机理和玉兰的育种及鉴定工作提供依据，但是本试验测试资源有限，且没有对呈色机理进行研究，还需进一步测试更多栽培品种，并结合色素分析，全面了解掌握玉兰品种花色分类的机理。