有髯鸢尾数量性状的变异及分级研究

朱 莹, 刘恒星, 邓 莲, 闫 帅, 王东军, 全 晗, 宋 华

(1.北京市植物园管理处, 北京 100093; 2.北京市花卉园艺工程技术研究中心, 北京 100093)

有髯鸢尾是对由鸢尾属(IrisL.)有髯鸢尾亚属有髯鸢尾组的香根鸢尾(I.pallidLam.)、德国鸢尾(I.germanicaL.)、黄褐鸢尾(I.variegateL.)和喀什米亚鸢尾(I.kashmerianaBaker)等原种进行杂交获得的品种群的统称[1]。有髯鸢尾是近代观赏花卉中发展最迅速、花朵变化最惊人、品种增加最多的一类鸢尾[2],截至2021年,国际登录品种达57 913个。美国鸢尾协会根据植株高度与花期将有髯鸢尾细分为迷你矮型有髯鸢尾(MDB)、标准矮型有髯鸢尾(SDB)、中等有髯鸢尾(IB)、迷你高型有髯鸢尾(MTB)、花坛型有髯鸢尾(BB)和高型有髯鸢尾(TB),其中IB、MTB和BB并称为中型有髯鸢尾,株高在41～70 cm之间[3]。近年来,国内对鸢尾属植物新品种的培育工作逐渐重视,一些高校、科研院所、植物园及企业加入到鸢尾新品种的培育工作中,并已取得初步成果,目前,国际登录鸢尾品种200余个,其中有髯鸢尾33个。为了保护育种者的合法权利,推动鸢尾新品种的育种工作,农业农村部于2018年颁布了《植物品种特异性、一致性和稳定性测试指南 有髯鸢尾》报批稿(2020年正式发布,以下简称《有髯鸢尾DUS测试指南》),并于2019年将鸢尾属列入《中华人民共和国农业植物品种保护名录(第十一批)》中,由此正式开始了鸢尾新品种权申请的受理与审查工作。2021年,国家林业和草原局也将鸢尾属列入《中华人民共和国植物新品种保护名录(林草部分)(第七批)》中,促进了鸢尾新品种的培育工作,大量新品种不断涌现,因此,鸢尾新品种的DUS测试工作就更为迫切了。

DUS测试指南中的性状分为质量性状、数量性状和假质量性状3种类型[4],其中数量性状容易受温度、水肥条件等环境因素的影响,存在年度、地区间的变化,因此在测试指南中,数量性状的表达状态并不直接给出具体的数值,而是列出相应的标准品种来矫正环境对测试结果的影响[5]。但是,在实际测定中,很难获得标准品种植株或者标准品种不适宜在测试地种植,从而导致无法客观评价和划分植物新品种的等级,因此将数量性状数据直接进行合理的分级是必要的[6]。《有髯鸢尾DUS测试指南》47个待测性状中,有24个数量性状,其中11个性状是需要用数值来表达分级程度的[7]。但在这些性状中,指南只列出了表达状态和部分标准品种,并未给出具体数值。又因有髯鸢尾多为国外品种,因此标准品种很难获得。这就导致有髯鸢尾新品种在DUS测试时,既找不到标准品种,又缺少参考数值,从而造成难以对需要用数值来表达分级程度的数量性状进行客观评价,因此对这类数量性状根据测量数据进行合理分级是非常有必要的。

本研究选取150个有髯鸢尾品种,分别对12个数量性状进行观测并分级处理,旨在进一步补充和完善《有髯鸢尾DUS测试指南》,使有髯鸢尾新品种测试更加便捷与规范,同时也为有髯鸢尾综合评价提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

150个有髯鸢尾品种详见表1,中型有髯鸢尾品种80个,其中IB类型78个,BB类型1个,MTB类型1个,高型有髯鸢尾品种(TB)70个。110个品种来自捷克布拉格植物园,14个品种来自美国Aitken’s Salmon Creek Garden,26个品种来自中国北京市植物园(自育品种,已经通过国家林业和草原局新品种权初审)。材料露地种植在北京植物园门头村苗圃和小井沟苗圃,常规栽培养护。两个苗圃直线距离约3 km,气候条件相似,属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候,年平均气温为11.6 ℃,年平均降水量为600 mm左右,大部分集中在7月、8月。

表1 供试品种信息Table 1 List of bearded Iris tectorum tested

1.2 方 法

1.2.1数量性状的测量、变异及分布状况

表2 12个数量性状及其测量方法Table 2 12 quantitative characteristics and their measurement methods

1.2.2数量性状的分级

数量性状的分级采用以九级为基础的分类方法,根据变异幅度的大小,并参考《有髯鸢尾DUS测试指南》,分为五级或三级,分别记为1,3,5,7,9或3,5,7。其中5级是中间级次,1级和9级是最小和最大级次[9]。

概率分级的分点值参照刘孟军[11]的方法进行规范化调整,调整原则和方法是:每个分点值的“舍”、“入”值不得超过相应性状标准差的1/10,调整前后性状值落入各级的概率变化不超过2%,调整后的分点值尽可能简便易记,5级分级中第1,2分点值和第3,4分点值之差相等。

1.3 数据处理与分析

用Excel 2019软件进行数据整理及计算,用SPSS 19.0软件进行正态检验及相关性等统计分析。

2 结果与分析

2.1 两种类型有髯鸢尾11个数量性状的差异分析

中型有髯鸢尾和高型有髯鸢尾是根据植株的高度和花期来进行划分的,因为植株的高度不相同,相应的两个类型品种的其他数量性状也会有所不同。如表3所示,高型有髯鸢尾的11个数量性状极显著高于中型有髯鸢尾,如叶片长度高型有髯鸢尾为49.77 cm,中型髯鸢尾为36.75 cm,二者差异达到13.02 cm。花横径高型有髯鸢尾为16.27 cm,中型有髯鸢尾为12.60 cm,二者差异达到3.67 cm。数据表明,把两种类型的品种放在同一个分级系统来进行DUS测定是很不合适的,应该分别对其进行分级处理。

表3 两种类型有髯鸢尾11个数量性状的差异Table 3 Differences of 11 quantitative characteristics between two types of bearded Iris tectorum

2.2 两种类型有髯鸢尾数量性状的变异分析

变异系数是揭示样本差异的参数,变异系数越大,样本间的差异越大,一般认为变异系数大于10%,就说明样本间的差异较大[16]。两种类型有髯鸢尾数量性状数据统计发现,12个性状的变异系数在8.50%～38.17%之间(表4),说明各性状在品种间存在明显变异。其中两种类型有髯鸢尾的花朵数和分枝数变异系数较大,均超过20%。其次是叶部性状,变异系数均超过15%。花柱分枝长度和宽度无论是中型有髯鸢尾还是高型有髯鸢尾,其变异系数均大于10%,说明两种类型有髯鸢尾品种间花柱分枝长度和宽度存在明显变异,可以此作为鉴别品种的依据,因此建议将花柱分枝长度和花柱分枝宽度增列为《有髯鸢尾DUS测试指南》的选测指标。

表4 数量性状的变异情况Table 4 Variation of quantitative characteristics

2.3 两种类型有髯鸢尾数量性状的分布规律

从表5和图1可以看出,中型有髯鸢尾中,株高、叶片宽度、垂瓣宽度、旗瓣长度、旗瓣宽度5个性状的p大于0.05,符合正态分布。叶片长度、花横径、垂瓣长度、花柱分枝长度及花柱分枝宽度5个性状的p小于0.05,但其频次分布曲线与正态分布曲线较为相似,偏度与峰度值均小于1,可认为近似于正态分布,可按照正态分布进行分级处理。高型有髯鸢尾中,叶片长度、垂瓣长度、垂瓣宽度、旗瓣宽度4个性状的p大于0.05,符合正态分布。株高、叶片宽度、花横径、旗瓣长度、花柱分枝长度5个性状的p小于0.05,其频次分布曲线(图2)与正态分布曲线较为相似,且其偏度与峰度值均小于1,可认为近似正态分布。花柱分枝宽度p小于0.05,偏度小于1,峰度值为2.268,分布曲线呈一个高尖的峰态,但数据基本对称,分级处理时按照正态分布处理。两种类型品种的花朵数与分枝数p小于0.05,从直方图上也可看出,数据对称性较差,不符合正态分布,分级时不再按照概率分级处理,而是按照实测数据进行分级。

图1 中型有髯鸢尾数量性状分布频次Fig.1 Frequency distribution of quantitative traits of medium Iris tectorum

图2 高型有髯鸢尾数量性状分布频次Fig.2 Frequency distribution of quantitative traits of tall bearded Iris tectorum

表5 数量性状的Shapiro-Wilk正态性检验Table 5 Shapiro-Wilk normality test for quantitative characteristics

2.4 两种类型有髯鸢尾数量性状的分级

两种类型有髯鸢尾品种的株高、叶片长度两个性状变异幅度较大,分为5级,记为1,3,5,7,9。其余性状变异幅度较小,分为3级,记为3,5,7。对符合正态分布或者近似正态分布的性状按照概率分级的方法计算出分点值并进行了规范化调整(表6),按照规范后的分点值对各性状进行了分级,分级范围见表7。两种类型的花朵数和分枝数不呈正态分布,无法按照分布频次进行概率分级,根据数据特点,兼顾有髯鸢尾品种DUS测试的可操作性,按照实测数据进行了3级分级(表7)。

表6 正态分布数量性状的概率分级的分点值Table 6 Point values of probability grading for quantitative characteristics with normal distribution

表7 数量性状的分级范围Table 7 Grading range of quantitative characteristics

2.5 两种类型有髯鸢尾数量性状的相关性分析

相关系数绝对值大于0.707才具有生物学意义[17],若知道相关性极显著的表型性状中的一个,就可以推测另一个性状的变异情况[18]。从表8和表9可看出,两种类型有髯鸢尾品种相关系数大于0.707的仅有3组性状,即垂瓣长度与旗瓣长度、垂瓣宽度与旗瓣宽度、分枝数与花朵数。这3组性状之间呈极显著正相关,在进行DUS测试时要酌情考虑是否需要合并处理。其他性状之间相关性较小或者不相关,独立性较强,作为DUS测试性状是比较合理的。

表8 中型有髯鸢尾数量性状的相关系数Table 8 Correlation coefficients of quantitative characteristics of medium Iris tectorum

表9 高型有髯鸢尾数量性状的相关系数Table 9 Correlation coefficients of quantitative characteristics of tall bearded Iris tectorum

3 小结与讨论

3.1 有髯鸢尾数量性状的特点

不同类型有髯鸢尾是根据植株高度和花期来分类的,由于植株高度会影响叶片的长度与宽度、花朵的大小、花朵数等数量性状,即不同类型的有髯鸢尾除了株高外,其他数量性状也有相应的变化。本试验通过对80个中型有髯鸢尾品种和70个高型有髯鸢尾品种的11个数量性状分析发现,两种类型的品种间差异极显著,说明将两种类型的鸢尾品种放在同一个尺度上进行分级评价是不合适的,在进行新品种DUS测试时应分开进行,即不同类型品种应分别进行评价。另外,有的品种是两种不同高度类型的品种杂交而来,该品种可能出现株高与其他性状分别具有两种类型的特点,因此,在中型有髯鸢尾中,有可能出现植株高度大于70 cm的情况,在本试验材料中,也存在此类情况,但此类品种较少见,具体归为哪种类型,应综合考虑各种性状进行分类。

有髯鸢尾的花柱分枝呈花瓣状,也具有一定的观赏价值,在《有髯鸢尾DUS测试指南》中,花柱分枝顶端分裂程度和顶端主色被列为基本性状,中部主色和侧边主色被列为选测性状[7]。从直方图和变异系数可看出,两种类型鸢尾品种间花柱分枝的长度和宽度的变异幅度比较大,可以作为鉴别品种的依据,因此建议将花柱分枝长度和宽度增列为有髯鸢尾品种DUS测试的选测性状。

性状间相关性显著且相关系数较大时,会出现变化趋势趋同,因此这样的性状在品种鉴别中的作用十分有限[19]。本研究表明,两种类型的有髯鸢尾品种中,垂瓣长度与旗瓣长度、垂瓣宽度与旗瓣宽度、分枝数与花朵数3组数量性状相关系数较高,在有髯鸢尾新品种DUS测试中,要充分考虑其相关性,并结合其他性状进行特异性判定。为减少工作量,提升工作效率,必要时可以考虑减少相关性较高的性状。其他各组性状相关性较弱或者不相关,独立性较强,选择作为DUS测试性状是比较合理的。

3.2 有髯鸢尾数量性状的分布类型

在自然状态下,生物现象的连续性变量或间断性变量符合正态分布[20]。通过对两种类型有髯鸢尾12个数量性状的统计分析发现,株高、叶片长度与宽度、垂瓣长度与宽度、旗瓣长度与宽度、中型有髯鸢尾花柱分枝长度与宽度、高型有髯鸢尾花柱分枝长度均符合正态分布或近似于正态分布。高型有髯鸢尾花柱分枝宽度分布曲线呈一个高尖的峰态,但数据还是基本对称的。两种类型有髯鸢尾的花朵数及分枝数数据对称性较差,不呈正态分布,这与数据本身特性有关,不同类型有髯鸢尾的花朵数和分枝数基本上是特定的或是有一定范围的,数据分布很难形成一个连续的对称曲线。

3.3 有髯鸢尾数量性状的分级

传统的数量性状分级均为建立在经验基础上的等差分级,虽然简单易行,但是不能正确反映性状取值的概率分布情况[21]。刘梦军[10]在对桃树部分经济性状进行分级时,提出了概率分级的方法,该方法可以客观地反映数量性状的变异特征,使数量性状的分级有了较为统一的标准[15]。目前,概率分级法已广泛应用在果树[4,11,22-23]、农作物[24-25]的数量性状分级上,但在观赏植物上应用较少,仅在菊花[15]、兰科植物[26-28]的数量性状分级上得到应用。在两种类型有髯鸢尾品种的数量性状分级中,根据不同性状的数据分布特征,分别采取不同的方法进行分级处理。对株高、叶片长度等符合正态分布或者近似正态分布的性状,采取概率分级的方法进行分级处理。对于花朵数和分枝数两个数据分布不符合正态分布的性状,只能根据实测数据来进行分级处理。

分级级数的确定参考景士西[9]的方法,采取9级制,5级是中间级次,1级和9级是最小和最大级次。变异幅度较大的分为特小、很小、小、较小、中、较大、大、很大和特大九级。变异幅度较小的可分为1,3,5,7,9五级,甚至1,5,9三级。两种类型有髯鸢尾的株高和叶片长度变异幅度相对较大,分为1,3,5,7,9(特小、小、中、大、特大)五级,其余变异幅度较小的性状分为3,5,7(小、中、大)三级。

鸢尾新品种DUS测试在国内刚刚开始,本研究仅在北京地区对中型有髯鸢尾和高型有髯鸢尾作了分级研究,未涉及株高在40 cm以下的品种类型。因数量性状易受环境条件、栽培措施及测量误差等影响,研究结果还存在一些不足,今后应在不同生态区采集数据,并增加品种类型,加大样本量,减小测量误差。同时根据DUS测试中碰到的具体问题,随时对《有髯鸢尾DUS测试指南》进行补充和修订,逐步完善该指南,使分级范围更科学合理,从而更好地为鸢尾新品种DUS测试服务。