楸树远缘杂交种花器官性状变异分析

曹文昱 王军辉 杨艳红 麻文俊 李 放 周林召熊星月 胡晓亮 马贯羊* 赵 鲲

（1.洛阳市农林科学院，洛阳 471023； 2.中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091； 3.河南省林业资源监测院，郑州 450045）

林木杂交育种是楸树（Catalpa bungei）新品种选育的重要方法之一，包括近缘杂交和远缘杂交。远缘杂交在增强观花植物遗传变异、挖掘优质基因资源及优异新品种培育中起着关键性作用［1-2］。目前远缘杂交育种已在牡丹（Paeonia suffruticosa）、芍药（Paeonia lactiflora）、月季（Rosa chinensis）、蝴蝶兰（Phalaenopsis aphrodite）［3-6］等观赏植物研究中取得良好的效果。花是种子植物的有性繁殖器官，比其他植物器官更容易产生变异，表现出更高的差异性，且遗传力高，性状表现稳定，易于观察，是植物分类和演化的主要依据［7-8］。因此，楸树远缘杂交种花性状研究具有重要的理论价值和实践意义。

楸树是紫葳科（Bignoniaceae）梓属（Catalpa）植物，是我国特有的乡土树种，也是园林绿化、生态保护和观赏游憩的珍贵优质用材树种，因其材质优良，用途广泛，树体高大挺拔，花多繁密，深受群众喜爱，素有“木王”之称［9］。梓属于1771 年由Scopoli 创建命名，分为梓树组、大梓树组和楸树组，在全世界约有14 个种、数变种和数变型，目前我国原产和引栽的共有7 种变种及变型，包括楸、灰楸（C.fargesii）、滇楸（C.fargesiif.duclouxii）、梓树（C.ovata）、藏楸（C.tibetica）、黄金树（C.speciosa）、美国梓树（C.bignonioides）［10］。楸树属异花授粉植物，自花不育，现阶段大多采用无性繁殖技术进行造林，导致地域性楸树无性系单一，基因型固定，产生生殖隔离，严重限制了楸树的发展［11］。1974年，叶培忠等［12］选取楸树、灰楸和滇楸为材料开展了楸树有性繁殖研究，获得杂交实生苗，并探索性进行了楸树与梓树、美国梓树、黄金树和梓树组内的远缘杂交育种试验。2002 年，中国林业科学研究院与洛阳市农林科学院等单位相继开展了楸树种内和种间杂交育种研究，先后选育出‘洛楸’系列、‘百日花’楸树（C.bungei‘Bairihua’）等国家、省级审定楸树良种［13-16］，已成为楸树遗传育种研究的重要材料［17-19］。目前，楸树远缘杂交育种技术获得突破，通过属间远缘杂交聚合楸树的速生性和梓树的抗逆性，创制出一种速生抗冻耐水湿的楸树属新种质［20］。楸树花期时观赏性强，花多色艳，不同楸树单株花性状和花期物候变异较大［21-22］，而楸树远缘杂交种花性状、物候等方面尚鲜见相关报道。本研究以12株楸树远缘杂交种的花器官为研究对象，选取花期物候特征、花序性状、花朵性状以及花色性状等指标，分析研究楸树花器官性状表型变异规律，以期为楸树远缘杂交育种的遗传进化机制、生物学特性、新种质的创制、改良、鉴定、分类和保护提供理论依据和资料。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验地概况

在洛阳市农林科学院楸树种质资源圃（34°38′N，112°28′E）中选取12 株具有代表性的楸树杂交种作为样本单株（见表1），于2022年4～5月楸树盛花期进行楸树花器官表型性状测定。该地气候属暖温带大陆性半湿润季风气候，海拔160 m，年平均气温为14 ℃，无霜期平均为218 d，年平均降水量为601 mm，年平均日照时间为2 291.6 h，土壤为壤土。

表1 不同楸树杂交品种单株Table 1 Individual hybrid varieties of different C. bungei

1.2 试验方法

根据楸树花器官结构特征，调查测定了不同楸树杂交种的花期物候、花序性状和花朵性状（花朵测定指标见图1），选取的质量性状为花序类型、花期物候和花色，选取的数量性状为花序轮数、花序每轮分枝数、花序每轮分枝花数、单花序总花数、花总长度、花筒直径、花筒长度、花冠宽度、花梗长度、雌蕊长度、花药长度、雄蕊长度、不育雄蕊长度。每个单株随机选取树冠不同方向的9 个花序，每个花序测定3～9 朵花（由于不同单株花序特征不同，所以部分花序调查花朵数量不同）。首先，计数记录花序性状（花序轮数、花序每轮分枝数、花序每轮分枝花数、单花序总花数）。然后，用电子游标卡尺（精确度为0.01 mm）测定花朵性状（花总长度、花筒直径、花筒长度、花冠宽度、花梗长度、雌蕊长度、花药长度、雄蕊长度、不育雄蕊长度）。由于楸树的花朵与花苞有渐变杂斑和杂色，其花朵为白色花被间杂颜色深浅、数量密度、分布范围各异的紫斑，花色分析相对复杂，因此调查中，进行人工分级分析花色特征（内外花被唇瓣花斑颜色、唇瓣花斑范围、花斑密度、花斑大小、蜜导颜色）和花苞颜色。使用数码相机与色彩分析仪测定花朵下唇瓣紫斑颜色，包括色彩亮度L*值、彩度C*、色相角值h和色相a*、b*值，每朵花重复3次，取平均值。花期物候指标（开花持续时间、开花树龄、开花习性、侧枝量、花粉量）为肉眼观测记录，其中侧枝量的判断方法为，肉眼观察轮生枝、假三叉分枝的数量，分为多和少两类；花粉量的判断方法为，肉眼观察花药中花粉量的饱满程度，分为多、少和无三类。为避免人为因素的实验误差，所有测定工作均由同一人完成。

1.3 数据分析

表型性状变异系数（CV）公式为：

式中：S为标准差，xˉ为平均值。遗传多样性指数的计算采用Shannon-wiener 信息指数（H'），公式为：

式中：Pi为某一个性状第i个级别出现的概率。分级根据平均值和标准差划分为10级，每0.5个标准差为1级。

数据处理后，花朵数量性状指标进行单因素方差分析、LSD 法多重比较、Pearson 相关性分析和聚类分析，花朵唇瓣紫斑颜色以CIE 表色系统的L*、a*、b*值进行聚类分析，聚类分析采用Euclidean距离和Ward法。

数据的分析处理及图表制作，使用Excel 2019、SPSS 21.0和Origin 2021软件完成。

2 结果与分析

2.1 花期物候和花序特征分析

不同楸树杂交种花期物候调查结果如表2 所示，经连续4 年观测表明，楸树杂交种的花期物候特征表现出明显的差异性。其中，属间楸梓杂交种20-004、20-006、19-001、19-002 和种间楸滇杂交种BRH-001、BRH-002、BRH-003为假三叉分枝，可持续多轮开花，花期长达100 d 以上，嫁接当年开花，花量大；而其他5个杂交种单株花期为10～15 d，开花树龄6年左右，单次开花，顶端优势明显。将12株楸树杂交种的花粉量分为多、少和无三类，其中20-004、19-001、BRH-001、BRH-002、‘洛楸4 号’和S-1的花药饱满，花粉量多；20-006、D-3、X-1 的花粉量少，19-002、BRH-003和D-1败育，花药中无花粉。

表2 不同单株花期物候Table 2 Phenology of different individuals at flowering stage

不同楸树杂交种花序性状特征调查结果如表3所示，属间楸梓杂交种与楸树种间杂交种在花序类型、花序轮数、花序每轮分枝数、花序每轮分枝花数和单花序总花数，共5个性状中均表现出明显差异。20-004、20-006、19-001 均为顶生二歧聚伞圆锥花序，花序分枝轮生，分别为7～8 轮、8～9 轮、6～7轮，每轮分枝花数（通常花序下层花数多）分别为1～7 朵、1～7 朵、1～5 朵，单花序花数分别可达60～81朵、72～110朵、45～63朵，其中20-006的部分花序每轮分枝数为4 枝。19-002 的花序表现出母本性状，与种间杂交种表现基本一致，均为顶生伞房总状花序或顶生聚伞总状花序，花序分枝轮生，2～4 轮或2～5 轮，每轮分3 枝，总花量在6～18 朵之间。

2.2 花色特征分析

楸树花朵为二强雄蕊，2 长3 短，花冠为2/3 式二唇形，上唇2 裂宽展，下唇3 裂内凹。花朵上下唇内外花被的4 个部分，以白色花被间杂颜色深浅、数量密度和范围大小不同的花斑，花色（从白至紫）差异明显，且12株楸树杂交种的花朵性状和花序性状均有显著差异（见图2）。

不同杂交种单株花色调查结果如表4所示，杂交种之间花色性状差异较大。属间杂交种20-004、20-006、19-001 为紫色大花斑，唇瓣花斑半瓣分布，蜜导为橙黄色，花苞为紫色，20-004 和20-006 花斑密集，19-001 花斑密度适中。19-002、BRH-001、BRH-002、X-1 的花斑为粉紫色，唇瓣花斑分布范围少；BRH-003、‘洛楸4号’、D-3、D-1、S-1的花斑为紫红色，唇瓣花斑全瓣分布；BRH-003、‘洛楸4 号’花斑密集，19-002、BRH-001、D-1、S-1花斑密度适中，BRH-002、D-3、X1 花斑稀疏；BRH-001、BRH-003、‘洛楸4 号’、D-3、D-1、S-1 为中等大小花斑，19-002、BRH-002、X1 为小花斑；‘洛楸4号’、D-3、X1 的蜜导为橙黄色，19-002、BRH-001、BRH-002、BRH-003的蜜导为黄色，D-1、S-1的蜜导为浅黄色；D-1 的花苞为紫色，BRH-002、‘洛楸4号’、D-3、X1、S-1 的花苞为紫绿色，19-002、BRH-001、BRH-003 的花苞为绿色。单花上下唇的内外花被可分为4 个区域，20-004、20-006 下唇外花被无花斑分布（白色），19-001、19-002、BRH-001、BRH-002、X-1 的上唇内花被和下唇外花被无花斑分布（白色），BRH-003、‘洛楸4 号’、S-1 内外花被均有花斑分布，D-3、D-1 上唇内花被无花斑分布（白色）。

表4 不同单株花色特征调查Table 4 Investigation of flower color characteristics of different individuals

2.3 花朵性状分析

由表5可看出，不同杂交种单株花朵数量性状间存在极显著差异（P＜0.01）。花筒长度（F=61.95）和花梗长度（F=70.14）的F值差异较大，其次是花筒直径的F值（F=25.68），花总长度（F=10.46）和花冠宽度（F=11.65）的F值较小。不同杂交种单株花大小性状的变异系数为11.83%～31.02%，多样性指数H'为1.53～1.83，花筒直径和花筒长度的多样性指数最高，均为1.83。花总长度的均值为42.08 mm，变幅为35.42～50.36 mm；花筒直径的均值为14.24 mm，变幅为10.84～16.13 mm；花筒长度的均值为20.35 mm，变幅为16.57～24.68 mm；花冠宽度的均值为40.35 mm，变幅为31.58～44.87 mm；花梗长度的均值为24.85 mm，变幅为9.07～31.99 mm。花较大的为‘洛楸4 号’和BRH-003，花较小的为20-004 和20-006。

表5 不同单株花大小性状分析Table 5 Analysis of flower size characters of different individuals

由表6 可以看出，雌蕊长度（F=40.33）、花药长度（F=13.21）、雄蕊长度（F=35.83）和不育雄蕊长度（F=16.88）在不同杂交种单株间均存在极显著差异（P＜0.01）。不同杂交种单株花蕊性状变异系数为10.88%～27.04%，多样性指数H'为1.36～1.93。雌蕊长度均值为23.40 mm，变幅为19.44～27.52 mm；花药长度均值为5.36 mm，变幅为4.85～5.89 mm；雄蕊长度均值为17.11 mm，变幅为13.93～21.10 mm；不育雄蕊长度的均值为5.17 mm，变幅为3.66～6.79 mm。雌蕊长度为20-004 和20-006 较短，X-1 最长；雄蕊长度为‘洛楸4 号’最长；20-004、20-006 的雌蕊稍高于雄蕊，其余杂交种的雌蕊均明显长于雄蕊。

表6 不同单株花蕊性状分析Table 6 Analysis of stamen characters of different individuals

由表7可以看出，不同杂交种单株的花总长度与花筒直径、花筒长度、花冠宽度、雌蕊长度，花筒直径与花筒长度、花冠宽度、雌蕊长度，花筒长度与花梗长度、雌蕊长度，花梗长度与雌蕊长度、不育雄蕊长度，雄蕊长度与不育雄蕊长度，存在极显著的正相关关系（P＜0.01）。

表7 不同单株花朵性状相关性分析Table 7 Correlation analysis of flower traits of different individuals

2.4 花朵性状聚类分析

基于不同杂交种单株的花总长度、花筒直径、花筒长度、花冠宽度、花梗长度、雌蕊长度、花药长度、雄蕊长度、不育雄蕊长度，共9个指标进行聚类分析，结果表明（见图3），在聚类距离为20 处，可将12 个单株分为3 类，第Ⅰ类为大花型，包括19-002、BRH-001、BRH-002、BRH-003、‘洛楸4号’、D-3、X-1、D-1、S-1；第Ⅱ类为中花型，19-001；第Ⅲ类为小花型，包括20-004、20-006。

图3 花朵性状聚类分析Fig.3 Cluster analysis of flower traits

2.5 花斑颜色聚类分析和分布特点

依据L*、a*、b*值对不同杂交种单株的唇瓣花斑颜色进行聚类分析（见图4），在欧式距离30 处，可将12 个杂交种单株的花斑颜色聚为3 类，第Ⅰ类为粉紫色型，包括19-002、BRH-001、BRH-002、D-3、X-1、D-1、S-1；第Ⅱ类为紫红色型，包括BRH-003、‘洛楸4 号’；第Ⅲ类为紫色型，包括20-004、20-006、19-001。经测定，花斑颜色彩度C*值为10.4～40.3，色相角h值为1.76～351.0；花斑颜色的a*和b*二维分布图如图5 所示，花斑颜色主要分布在第Ⅰ和Ⅳ象限，第Ⅰ象限分布的是粉紫色型和紫色型，Ⅳ象限分布的是紫红色型；花斑颜色的L*、a*、b*三维分布图如图6 所示，各花斑颜色分布离散度高，说明花斑颜色有显著差异。

图4 花斑颜色聚类分析Fig.4 Color cluster analysis of flower spots color

图5 花斑颜色a*和b*的二维分布Fig.5 Two-dimensional distribution diagram of the flower spots color a* and b*

图6 花斑颜色L*、a*和b*的三维分布Fig.6 Three-dimensional distribution diagram of the flower spots color L*，a* and b*

3 讨论

3.1 楸树远缘杂交种的花期物候特征变异

植物的花期物候是由遗传基因、环境条件、生长状态等因素共同作用表现出的生物学过程。因此，远缘杂交育种导入的优异基因是植物花期物候变化的主要原因之一。通过对12株楸树杂交种花期物候的观测发现，楸树5 个种间杂交种‘洛楸4 号’、D-3、X-1、D-1、S-1 开花树龄6 年左右，花期10～15 d。麻文俊等［21］研究发现，不同楸树无性系间开花时间最长相差5 d，可通过多无性系搭配使群体花期达到15 d 左右。王长兰等［23］对楸树开花习性的观测结果为花蕾期5～6 d，初花期2～3 d，盛花期4～5 d，末花期5～7 d。楸梓杂交种20-004、20-006、19-001、19-002 为假三叉分枝，花芽分化能力强，嫁接当年持续多轮开花，花期长达100 d 以上，表现出母本性状，这一特性与赵鲲等［16］培育的F2代杂交种‘百日花’楸树开花特征一致，符合植物遗传进化规律。对进行楸树不同花期的种间、属间远缘杂交，更早开展花器官性状观测，缩短育种周期具有重要意义。

3.2 楸树远缘杂交种花器官形态特征变异

花器官是植物体形态上最复杂的部分，精确的反映了其所属分类和性状遗传变异，其形态学特征是对植物演化进行系统性构建的传统依据［24］。楸树花朵为二强雄蕊，2 长3 短，花冠为2/3式二唇形，上唇2 裂宽展，下唇3 裂内凹，白色花被间杂颜色深浅、数量密度和范围大小各异的紫斑。本研究选取的12 株楸树杂交种花序特征差异明显，种间杂交种为顶生伞房总状花序或顶生聚伞总状花序，2～4 轮或2～5 轮，每轮分3 枝，总花量在6～18朵。郝明灼［22］在楸树种质资源表型研究调查中发现，楸树花序位于枝条上部和顶端，一般有3～4 轮，每轮有3 个花苞。樊莉丽［25］在花芽分化的研究中表明，花序轴通常分化出3 轮（也存在仅分化出1 轮或2 轮），各轮小花原基整齐的呈三角形排列在花序轴上，轮间互生，每轮3 个小花原基同步开花，轮与轮之间的发育由下往上呈现出向顶发育的特征。楸梓杂交种花序轴每轮侧枝为二歧聚伞花序，不同步开花，而是从基部向顶部依次发育开放。花序表型的多样性在一定程度上反映了植物间的亲缘关系及其系统发育的演化过程，对植物的功能和进化具有重要意义。混合花序上同时存在有限与无限2种花序类型［26］，楸梓杂交种的花序类型属于顶生二歧聚伞圆锥花序，花序轴共7～9轮侧枝，每轮分3 枝（也存在分化4 枝），主轴为无限花序，侧枝为二歧聚伞花序，从底层到顶层过度为聚伞花序，证明楸梓杂交种处于楸树有限花序到梓树无限花序的过渡性状。这种花序特征是区分楸树、梓树和楸梓杂交种的重要特征。

通过对12 株楸树杂交种的9 个花部表型性状的研究发现，楸树杂交种花部表型性状均存在极显著差异，并依据9个花部性状指标将12株杂交种聚为3类，分别是大花型、中花型和小花型，楸梓杂交种为小花型，表现出向梓树小型花演化的性状。郝明灼［22］对20 个楸树单株的8 个花器官性状指标进行了研究，发现不同单株楸树的花筒直径、花筒长度、花冠宽度、雄蕊长度、花药长度、雌蕊长度、果柄长度和花粉直径均存在极显著差异。本研究中楸梓杂交种20-004、20-006的雌蕊长度（19.49±1.17）、（19.44±0.88） mm 与 雄 蕊 长 度（17.56±1.77）、（17.25±1.40） mm 较为接近，而其他单株的雌蕊长度明显大于雄蕊，这可能导致楸梓杂交种的花粉容易落在柱头上进行自花授粉。楸树花冠筒内的雌蕊和雄蕊长短不一，空间上异位，为柱头探出式雌雄异位，且楸树雌雄异熟，雌蕊柱头先张开卷曲，雄蕊上的花药后成熟，在开花后期柱头向外、向下翻卷也是一种避免自交的方式，这也是楸树自花不育的原因之一［23，25］。梓树的雄蕊略高于雌蕊，可自花授粉，自交可以为植物提供一定的繁殖保障，但也会产生缺陷。因此，下一步要对楸梓杂交种的自交结实和其子代间性状分离情况、生活力衰退或自交衰退等情况进行探究。

3.3 楸树远缘杂交种花色变异

花色具有丰富的遗传多样性，是植物花器官的重要表型性状，也是品种分类的主要依据［27］。本研究以L*、a*、b*值将12 株杂交种的唇瓣花斑颜色聚为3 类，分别是粉紫色型、紫色型和紫红色型，分布在a*和b*二维分布图上的第Ⅰ和Ⅳ象限。麻文俊等［21］用CR-400 型色差计测定楸树花冠上唇外部的L*、a*、b*值进行聚类，分为白色系、粉红色系、红色系。本研究中以花斑颜色为区分，因此无白色型。吴芳芳等［28］使用Lab 色差仪测色法将荷花花色分为白色、黄色、浅粉色、粉紫色、粉红色和红色系，分布在a*和b*二维象限图中的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限内。楸梓杂交种的花斑颜色为紫色型，与梓树花部紫斑颜色相似。这主要是花色素苷类物质含量上升，明度L*值减小［27］。

综上，通过对楸树远缘杂交种的花期物候、花序性状、花朵性状和花色性状等指标研究表明，楸树远缘杂交种花器官性状表现出极显著差异（P＜0.01），尤其是楸梓属间杂交种花器官性状差异明显。本研究在一定程度上为楸树远缘杂交种花器官性状的变异和优异观赏新品种的选育提供了新资料，而对楸树远缘杂交种除植物形态学鉴定外，应进一步采用分子标记、细胞学和同工酶等技术鉴定杂交种的亲缘关系，提高杂种鉴定的准确性，同时也为楸树远缘杂交种的选育、分类和生态学研究提供参考。