曹文昱 王軍輝 楊艷紅 麻文俊 李 放 周林召熊星月 胡曉亮 馬貫羊* 趙 鯤

（1.洛陽市農林科學院，洛陽 471023； 2.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，北京 100091； 3.河南省林業(yè)資源監(jiān)測院，鄭州 450045）

林木雜交育種是楸樹（Catalpa bungei）新品種選育的重要方法之一，包括近緣雜交和遠緣雜交。遠緣雜交在增強觀花植物遺傳變異、挖掘優(yōu)質基因資源及優(yōu)異新品種培育中起著關鍵性作用［1-2］。目前遠緣雜交育種已在牡丹（Paeonia suffruticosa）、芍藥（Paeonia lactiflora）、月季（Rosa chinensis）、蝴蝶蘭（Phalaenopsis aphrodite）［3-6］等觀賞植物研究中取得良好的效果?；ㄊ欠N子植物的有性繁殖器官，比其他植物器官更容易產生變異，表現(xiàn)出更高的差異性，且遺傳力高，性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，易于觀察，是植物分類和演化的主要依據［7-8］。因此，楸樹遠緣雜交種花性狀研究具有重要的理論價值和實踐意義。

楸樹是紫葳科（Bignoniaceae）梓屬（Catalpa）植物，是我國特有的鄉(xiāng)土樹種，也是園林綠化、生態(tài)保護和觀賞游憩的珍貴優(yōu)質用材樹種，因其材質優(yōu)良，用途廣泛，樹體高大挺拔，花多繁密，深受群眾喜愛，素有“木王”之稱［9］。梓屬于1771 年由Scopoli 創(chuàng)建命名，分為梓樹組、大梓樹組和楸樹組，在全世界約有14 個種、數變種和數變型，目前我國原產和引栽的共有7 種變種及變型，包括楸、灰楸（C.fargesii）、滇楸（C.fargesiif.duclouxii）、梓樹（C.ovata）、藏楸（C.tibetica）、黃金樹（C.speciosa）、美國梓樹（C.bignonioides）［10］。楸樹屬異花授粉植物，自花不育，現(xiàn)階段大多采用無性繁殖技術進行造林，導致地域性楸樹無性系單一，基因型固定，產生生殖隔離，嚴重限制了楸樹的發(fā)展［11］。1974年，葉培忠等［12］選取楸樹、灰楸和滇楸為材料開展了楸樹有性繁殖研究，獲得雜交實生苗，并探索性進行了楸樹與梓樹、美國梓樹、黃金樹和梓樹組內的遠緣雜交育種試驗。2002 年，中國林業(yè)科學研究院與洛陽市農林科學院等單位相繼開展了楸樹種內和種間雜交育種研究，先后選育出‘洛楸’系列、‘百日花’楸樹（C.bungei‘Bairihua’）等國家、省級審定楸樹良種［13-16］，已成為楸樹遺傳育種研究的重要材料［17-19］。目前，楸樹遠緣雜交育種技術獲得突破，通過屬間遠緣雜交聚合楸樹的速生性和梓樹的抗逆性，創(chuàng)制出一種速生抗凍耐水濕的楸樹屬新種質［20］。楸樹花期時觀賞性強，花多色艷，不同楸樹單株花性狀和花期物候變異較大［21-22］，而楸樹遠緣雜交種花性狀、物候等方面尚鮮見相關報道。本研究以12株楸樹遠緣雜交種的花器官為研究對象，選取花期物候特征、花序性狀、花朵性狀以及花色性狀等指標，分析研究楸樹花器官性狀表型變異規(guī)律，以期為楸樹遠緣雜交育種的遺傳進化機制、生物學特性、新種質的創(chuàng)制、改良、鑒定、分類和保護提供理論依據和資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和試驗地概況

在洛陽市農林科學院楸樹種質資源圃（34°38′N，112°28′E）中選取12 株具有代表性的楸樹雜交種作為樣本單株（見表1），于2022年4～5月楸樹盛花期進行楸樹花器官表型性狀測定。該地氣候屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，海拔160 m，年平均氣溫為14 ℃，無霜期平均為218 d，年平均降水量為601 mm，年平均日照時間為2 291.6 h，土壤為壤土。

表1 不同楸樹雜交品種單株Table 1 Individual hybrid varieties of different C. bungei

1.2 試驗方法

根據楸樹花器官結構特征，調查測定了不同楸樹雜交種的花期物候、花序性狀和花朵性狀（花朵測定指標見圖1），選取的質量性狀為花序類型、花期物候和花色，選取的數量性狀為花序輪數、花序每輪分枝數、花序每輪分枝花數、單花序總花數、花總長度、花筒直徑、花筒長度、花冠寬度、花梗長度、雌蕊長度、花藥長度、雄蕊長度、不育雄蕊長度。每個單株隨機選取樹冠不同方向的9 個花序，每個花序測定3～9 朵花（由于不同單株花序特征不同，所以部分花序調查花朵數量不同）。首先，計數記錄花序性狀（花序輪數、花序每輪分枝數、花序每輪分枝花數、單花序總花數）。然后，用電子游標卡尺（精確度為0.01 mm）測定花朵性狀（花總長度、花筒直徑、花筒長度、花冠寬度、花梗長度、雌蕊長度、花藥長度、雄蕊長度、不育雄蕊長度）。由于楸樹的花朵與花苞有漸變雜斑和雜色，其花朵為白色花被間雜顏色深淺、數量密度、分布范圍各異的紫斑，花色分析相對復雜，因此調查中，進行人工分級分析花色特征（內外花被唇瓣花斑顏色、唇瓣花斑范圍、花斑密度、花斑大小、蜜導顏色）和花苞顏色。使用數碼相機與色彩分析儀測定花朵下唇瓣紫斑顏色，包括色彩亮度L*值、彩度C*、色相角值h和色相a*、b*值，每朵花重復3次，取平均值?；ㄆ谖锖蛑笜耍ㄩ_花持續(xù)時間、開花樹齡、開花習性、側枝量、花粉量）為肉眼觀測記錄，其中側枝量的判斷方法為，肉眼觀察輪生枝、假三叉分枝的數量，分為多和少兩類；花粉量的判斷方法為，肉眼觀察花藥中花粉量的飽滿程度，分為多、少和無三類。為避免人為因素的實驗誤差，所有測定工作均由同一人完成。

1.3 數據分析

表型性狀變異系數（CV）公式為：

式中：S為標準差，xˉ為平均值。遺傳多樣性指數的計算采用Shannon-wiener 信息指數（H'），公式為：

式中：Pi為某一個性狀第i個級別出現(xiàn)的概率。分級根據平均值和標準差劃分為10級，每0.5個標準差為1級。

數據處理后，花朵數量性狀指標進行單因素方差分析、LSD 法多重比較、Pearson 相關性分析和聚類分析，花朵唇瓣紫斑顏色以CIE 表色系統(tǒng)的L*、a*、b*值進行聚類分析，聚類分析采用Euclidean距離和Ward法。

數據的分析處理及圖表制作，使用Excel 2019、SPSS 21.0和Origin 2021軟件完成。

2 結果與分析

2.1 花期物候和花序特征分析

不同楸樹雜交種花期物候調查結果如表2 所示，經連續(xù)4 年觀測表明，楸樹雜交種的花期物候特征表現(xiàn)出明顯的差異性。其中，屬間楸梓雜交種20-004、20-006、19-001、19-002 和種間楸滇雜交種BRH-001、BRH-002、BRH-003為假三叉分枝，可持續(xù)多輪開花，花期長達100 d 以上，嫁接當年開花，花量大；而其他5個雜交種單株花期為10～15 d，開花樹齡6年左右，單次開花，頂端優(yōu)勢明顯。將12株楸樹雜交種的花粉量分為多、少和無三類，其中20-004、19-001、BRH-001、BRH-002、‘洛楸4 號’和S-1的花藥飽滿，花粉量多；20-006、D-3、X-1 的花粉量少，19-002、BRH-003和D-1敗育，花藥中無花粉。

表2 不同單株花期物候Table 2 Phenology of different individuals at flowering stage

不同楸樹雜交種花序性狀特征調查結果如表3所示，屬間楸梓雜交種與楸樹種間雜交種在花序類型、花序輪數、花序每輪分枝數、花序每輪分枝花數和單花序總花數，共5個性狀中均表現(xiàn)出明顯差異。20-004、20-006、19-001 均為頂生二歧聚傘圓錐花序，花序分枝輪生，分別為7～8 輪、8～9 輪、6～7輪，每輪分枝花數（通?；ㄐ蛳聦踊〝刀啵┓謩e為1～7 朵、1～7 朵、1～5 朵，單花序花數分別可達60～81朵、72～110朵、45～63朵，其中20-006的部分花序每輪分枝數為4 枝。19-002 的花序表現(xiàn)出母本性狀，與種間雜交種表現(xiàn)基本一致，均為頂生傘房總狀花序或頂生聚傘總狀花序，花序分枝輪生，2～4 輪或2～5 輪，每輪分3 枝，總花量在6～18 朵之間。

2.2 花色特征分析

楸樹花朵為二強雄蕊，2 長3 短，花冠為2/3 式二唇形，上唇2 裂寬展，下唇3 裂內凹?；ǘ渖舷麓絻韧饣ū坏? 個部分，以白色花被間雜顏色深淺、數量密度和范圍大小不同的花斑，花色（從白至紫）差異明顯，且12株楸樹雜交種的花朵性狀和花序性狀均有顯著差異（見圖2）。

不同雜交種單株花色調查結果如表4所示，雜交種之間花色性狀差異較大。屬間雜交種20-004、20-006、19-001 為紫色大花斑，唇瓣花斑半瓣分布，蜜導為橙黃色，花苞為紫色，20-004 和20-006 花斑密集，19-001 花斑密度適中。19-002、BRH-001、BRH-002、X-1 的花斑為粉紫色，唇瓣花斑分布范圍少；BRH-003、‘洛楸4號’、D-3、D-1、S-1的花斑為紫紅色，唇瓣花斑全瓣分布；BRH-003、‘洛楸4 號’花斑密集，19-002、BRH-001、D-1、S-1花斑密度適中，BRH-002、D-3、X1 花斑稀疏；BRH-001、BRH-003、‘洛楸4 號’、D-3、D-1、S-1 為中等大小花斑，19-002、BRH-002、X1 為小花斑；‘洛楸4號’、D-3、X1 的蜜導為橙黃色，19-002、BRH-001、BRH-002、BRH-003的蜜導為黃色，D-1、S-1的蜜導為淺黃色；D-1 的花苞為紫色，BRH-002、‘洛楸4號’、D-3、X1、S-1 的花苞為紫綠色，19-002、BRH-001、BRH-003 的花苞為綠色。單花上下唇的內外花被可分為4 個區(qū)域，20-004、20-006 下唇外花被無花斑分布（白色），19-001、19-002、BRH-001、BRH-002、X-1 的上唇內花被和下唇外花被無花斑分布（白色），BRH-003、‘洛楸4 號’、S-1 內外花被均有花斑分布，D-3、D-1 上唇內花被無花斑分布（白色）。

表4 不同單株花色特征調查Table 4 Investigation of flower color characteristics of different individuals

2.3 花朵性狀分析

由表5可看出，不同雜交種單株花朵數量性狀間存在極顯著差異（P＜0.01）?；ㄍ查L度（F=61.95）和花梗長度（F=70.14）的F值差異較大，其次是花筒直徑的F值（F=25.68），花總長度（F=10.46）和花冠寬度（F=11.65）的F值較小。不同雜交種單株花大小性狀的變異系數為11.83%～31.02%，多樣性指數H'為1.53～1.83，花筒直徑和花筒長度的多樣性指數最高，均為1.83?；傞L度的均值為42.08 mm，變幅為35.42～50.36 mm；花筒直徑的均值為14.24 mm，變幅為10.84～16.13 mm；花筒長度的均值為20.35 mm，變幅為16.57～24.68 mm；花冠寬度的均值為40.35 mm，變幅為31.58～44.87 mm；花梗長度的均值為24.85 mm，變幅為9.07～31.99 mm?；ㄝ^大的為‘洛楸4 號’和BRH-003，花較小的為20-004 和20-006。

表5 不同單株花大小性狀分析Table 5 Analysis of flower size characters of different individuals

由表6 可以看出，雌蕊長度（F=40.33）、花藥長度（F=13.21）、雄蕊長度（F=35.83）和不育雄蕊長度（F=16.88）在不同雜交種單株間均存在極顯著差異（P＜0.01）。不同雜交種單株花蕊性狀變異系數為10.88%～27.04%，多樣性指數H'為1.36～1.93。雌蕊長度均值為23.40 mm，變幅為19.44～27.52 mm；花藥長度均值為5.36 mm，變幅為4.85～5.89 mm；雄蕊長度均值為17.11 mm，變幅為13.93～21.10 mm；不育雄蕊長度的均值為5.17 mm，變幅為3.66～6.79 mm。雌蕊長度為20-004 和20-006 較短，X-1 最長；雄蕊長度為‘洛楸4 號’最長；20-004、20-006 的雌蕊稍高于雄蕊，其余雜交種的雌蕊均明顯長于雄蕊。

表6 不同單株花蕊性狀分析Table 6 Analysis of stamen characters of different individuals

由表7可以看出，不同雜交種單株的花總長度與花筒直徑、花筒長度、花冠寬度、雌蕊長度，花筒直徑與花筒長度、花冠寬度、雌蕊長度，花筒長度與花梗長度、雌蕊長度，花梗長度與雌蕊長度、不育雄蕊長度，雄蕊長度與不育雄蕊長度，存在極顯著的正相關關系（P＜0.01）。

表7 不同單株花朵性狀相關性分析Table 7 Correlation analysis of flower traits of different individuals

2.4 花朵性狀聚類分析

基于不同雜交種單株的花總長度、花筒直徑、花筒長度、花冠寬度、花梗長度、雌蕊長度、花藥長度、雄蕊長度、不育雄蕊長度，共9個指標進行聚類分析，結果表明（見圖3），在聚類距離為20 處，可將12 個單株分為3 類，第Ⅰ類為大花型，包括19-002、BRH-001、BRH-002、BRH-003、‘洛楸4號’、D-3、X-1、D-1、S-1；第Ⅱ類為中花型，19-001；第Ⅲ類為小花型，包括20-004、20-006。

圖3 花朵性狀聚類分析Fig.3 Cluster analysis of flower traits

2.5 花斑顏色聚類分析和分布特點

依據L*、a*、b*值對不同雜交種單株的唇瓣花斑顏色進行聚類分析（見圖4），在歐式距離30 處，可將12 個雜交種單株的花斑顏色聚為3 類，第Ⅰ類為粉紫色型，包括19-002、BRH-001、BRH-002、D-3、X-1、D-1、S-1；第Ⅱ類為紫紅色型，包括BRH-003、‘洛楸4 號’；第Ⅲ類為紫色型，包括20-004、20-006、19-001。經測定，花斑顏色彩度C*值為10.4～40.3，色相角h值為1.76～351.0；花斑顏色的a*和b*二維分布圖如圖5 所示，花斑顏色主要分布在第Ⅰ和Ⅳ象限，第Ⅰ象限分布的是粉紫色型和紫色型，Ⅳ象限分布的是紫紅色型；花斑顏色的L*、a*、b*三維分布圖如圖6 所示，各花斑顏色分布離散度高，說明花斑顏色有顯著差異。

圖4 花斑顏色聚類分析Fig.4 Color cluster analysis of flower spots color

圖5 花斑顏色a*和b*的二維分布Fig.5 Two-dimensional distribution diagram of the flower spots color a* and b*

圖6 花斑顏色L*、a*和b*的三維分布Fig.6 Three-dimensional distribution diagram of the flower spots color L*，a* and b*

3 討論

3.1 楸樹遠緣雜交種的花期物候特征變異

植物的花期物候是由遺傳基因、環(huán)境條件、生長狀態(tài)等因素共同作用表現(xiàn)出的生物學過程。因此，遠緣雜交育種導入的優(yōu)異基因是植物花期物候變化的主要原因之一。通過對12株楸樹雜交種花期物候的觀測發(fā)現(xiàn)，楸樹5 個種間雜交種‘洛楸4 號’、D-3、X-1、D-1、S-1 開花樹齡6 年左右，花期10～15 d。麻文俊等［21］研究發(fā)現(xiàn)，不同楸樹無性系間開花時間最長相差5 d，可通過多無性系搭配使群體花期達到15 d 左右。王長蘭等［23］對楸樹開花習性的觀測結果為花蕾期5～6 d，初花期2～3 d，盛花期4～5 d，末花期5～7 d。楸梓雜交種20-004、20-006、19-001、19-002 為假三叉分枝，花芽分化能力強，嫁接當年持續(xù)多輪開花，花期長達100 d 以上，表現(xiàn)出母本性狀，這一特性與趙鯤等［16］培育的F2代雜交種‘百日花’楸樹開花特征一致，符合植物遺傳進化規(guī)律。對進行楸樹不同花期的種間、屬間遠緣雜交，更早開展花器官性狀觀測，縮短育種周期具有重要意義。

3.2 楸樹遠緣雜交種花器官形態(tài)特征變異

花器官是植物體形態(tài)上最復雜的部分，精確的反映了其所屬分類和性狀遺傳變異，其形態(tài)學特征是對植物演化進行系統(tǒng)性構建的傳統(tǒng)依據［24］。楸樹花朵為二強雄蕊，2 長3 短，花冠為2/3式二唇形，上唇2 裂寬展，下唇3 裂內凹，白色花被間雜顏色深淺、數量密度和范圍大小各異的紫斑。本研究選取的12 株楸樹雜交種花序特征差異明顯，種間雜交種為頂生傘房總狀花序或頂生聚傘總狀花序，2～4 輪或2～5 輪，每輪分3 枝，總花量在6～18朵。郝明灼［22］在楸樹種質資源表型研究調查中發(fā)現(xiàn)，楸樹花序位于枝條上部和頂端，一般有3～4 輪，每輪有3 個花苞。樊莉麗［25］在花芽分化的研究中表明，花序軸通常分化出3 輪（也存在僅分化出1 輪或2 輪），各輪小花原基整齊的呈三角形排列在花序軸上，輪間互生，每輪3 個小花原基同步開花，輪與輪之間的發(fā)育由下往上呈現(xiàn)出向頂發(fā)育的特征。楸梓雜交種花序軸每輪側枝為二歧聚傘花序，不同步開花，而是從基部向頂部依次發(fā)育開放?；ㄐ虮硇偷亩鄻有栽谝欢ǔ潭壬戏从沉酥参镩g的親緣關系及其系統(tǒng)發(fā)育的演化過程，對植物的功能和進化具有重要意義?；旌匣ㄐ蛏贤瑫r存在有限與無限2種花序類型［26］，楸梓雜交種的花序類型屬于頂生二歧聚傘圓錐花序，花序軸共7～9輪側枝，每輪分3 枝（也存在分化4 枝），主軸為無限花序，側枝為二歧聚傘花序，從底層到頂層過度為聚傘花序，證明楸梓雜交種處于楸樹有限花序到梓樹無限花序的過渡性狀。這種花序特征是區(qū)分楸樹、梓樹和楸梓雜交種的重要特征。

通過對12 株楸樹雜交種的9 個花部表型性狀的研究發(fā)現(xiàn)，楸樹雜交種花部表型性狀均存在極顯著差異，并依據9個花部性狀指標將12株雜交種聚為3類，分別是大花型、中花型和小花型，楸梓雜交種為小花型，表現(xiàn)出向梓樹小型花演化的性狀。郝明灼［22］對20 個楸樹單株的8 個花器官性狀指標進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同單株楸樹的花筒直徑、花筒長度、花冠寬度、雄蕊長度、花藥長度、雌蕊長度、果柄長度和花粉直徑均存在極顯著差異。本研究中楸梓雜交種20-004、20-006的雌蕊長度（19.49±1.17）、（19.44±0.88） mm 與 雄 蕊 長 度（17.56±1.77）、（17.25±1.40） mm 較為接近，而其他單株的雌蕊長度明顯大于雄蕊，這可能導致楸梓雜交種的花粉容易落在柱頭上進行自花授粉。楸樹花冠筒內的雌蕊和雄蕊長短不一，空間上異位，為柱頭探出式雌雄異位，且楸樹雌雄異熟，雌蕊柱頭先張開卷曲，雄蕊上的花藥后成熟，在開花后期柱頭向外、向下翻卷也是一種避免自交的方式，這也是楸樹自花不育的原因之一［23，25］。梓樹的雄蕊略高于雌蕊，可自花授粉，自交可以為植物提供一定的繁殖保障，但也會產生缺陷。因此，下一步要對楸梓雜交種的自交結實和其子代間性狀分離情況、生活力衰退或自交衰退等情況進行探究。

3.3 楸樹遠緣雜交種花色變異

花色具有豐富的遺傳多樣性，是植物花器官的重要表型性狀，也是品種分類的主要依據［27］。本研究以L*、a*、b*值將12 株雜交種的唇瓣花斑顏色聚為3 類，分別是粉紫色型、紫色型和紫紅色型，分布在a*和b*二維分布圖上的第Ⅰ和Ⅳ象限。麻文俊等［21］用CR-400 型色差計測定楸樹花冠上唇外部的L*、a*、b*值進行聚類，分為白色系、粉紅色系、紅色系。本研究中以花斑顏色為區(qū)分，因此無白色型。吳芳芳等［28］使用Lab 色差儀測色法將荷花花色分為白色、黃色、淺粉色、粉紫色、粉紅色和紅色系，分布在a*和b*二維象限圖中的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限內。楸梓雜交種的花斑顏色為紫色型，與梓樹花部紫斑顏色相似。這主要是花色素苷類物質含量上升，明度L*值減?。?7］。

綜上，通過對楸樹遠緣雜交種的花期物候、花序性狀、花朵性狀和花色性狀等指標研究表明，楸樹遠緣雜交種花器官性狀表現(xiàn)出極顯著差異（P＜0.01），尤其是楸梓屬間雜交種花器官性狀差異明顯。本研究在一定程度上為楸樹遠緣雜交種花器官性狀的變異和優(yōu)異觀賞新品種的選育提供了新資料，而對楸樹遠緣雜交種除植物形態(tài)學鑒定外，應進一步采用分子標記、細胞學和同工酶等技術鑒定雜交種的親緣關系，提高雜種鑒定的準確性，同時也為楸樹遠緣雜交種的選育、分類和生態(tài)學研究提供參考。