中国观赏芍药表型多样性解析与资源评价

万映伶，朱梦婷，刘爱青，金亦佳，刘燕✉

1北京林业大学园林学院/花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室/国家花卉工程技术研究中心/城乡生态环境北京实验室，北京 100083；
2菏泽市城市管理事业发展中心，山东菏泽 274000

【研究意义】芍药（）是中国传统名花，具有观赏、药用和保健价值，已成为国内外市场新兴切花，经济效益显著，目前中国是世界主要切花芍药产区之一，形式上以国内销售为主。中国作为芍药栽培品种的主要起源地之一，品种资源丰富，数量约500个。普遍栽培的观赏芍药属于中国芍药品种群，主要在山东、河南、江苏、甘肃、北京和河北等地集中种植，但目前尚未完全掌握我国芍药资源的遗传多样性水平和品种特性，资源保护和利用缺乏科学依据。植物表型性状是资源调查的一手资料，可以直接反映基因型与环境相互作用的结果，直观体现多样性水平。因此，对中国芍药品种资源进行表型多样性评价，可为资源改良与种质创新提供基础资料，直接服务于切花品种筛选和选育，促进产业发展。【前人研究进展】芍药资源的表型多样性研究较少，主要涉及菏泽、洛阳和扬州栽培的部分品种，甘肃本地品种的表型多样性尚未见报道。同时，由于不同学者采用的研究指标不同，无法全面解答中国芍药品种资源现状的遗传多样性水平以及比较各地品种资源的遗传多样性。【本研究切入点】本研究以我国观赏芍药 4个主要栽培区的346个芍药品种为对象，基于《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 芍药》（NY/T 2225—2012）记录与观赏特性相关的表型性状，利用性状频率分布统计、变异系数和多样性指数计算及聚类分析等方法，按整体资源和不同栽培地资源两个层次对品种进行多样性分析。【拟解决的关键问题】明确中国观赏芍药品种资源多样性水平，重点分析适于作切花的品种资源特点，为我国现有芍药品种资源利用，特别是现有品种切花筛选和新品种培育亲本的选择与收集提供参考。

试验于2014—2020年的芍药花期在山东菏泽、河南洛阳、江苏扬州和甘肃临洮进行。

1.1 材料

346个观赏芍药品种分布在山东菏泽曹州牡丹园、百花园、傲阳牡丹种植专业合作社、牡丹区马岭岗镇吴桥村，河南洛阳市国际牡丹园，江苏扬州大学芍药资源圃，甘肃定西市临洮县雍家庄和曹家坪。选择花型已稳定的3—4年生品种为研究对象，其中，来自山东栽培的品种180个，河南栽培的品种65个，江苏栽培的品种89个，株龄为4年生分株苗；
来自甘肃栽培的品种12个，株龄为3年生分株苗。

采样地菏泽和洛阳属于温带季风气候，年平均气温分别为11.0—21.0℃和11.0—22.0℃；
扬州属于亚热带季风气候到温带季风气候的过渡区，年平均气温13.0—22.0℃；
临洮属于温带大陆性气候，年平均气温1.0—16.0℃。

1.2 方法

1.2.1 性状记录 采用笔者课题组前期依据《芍药DUS测试指南》编制的芍药性状记录表进行表型记录。数值性状用卷尺或游标卡尺（十字法）测量，包括株高、茎长、蕾径、花径、茎粗、花高和花梗长。其他性状采用目测法进行测定，包括茎秆形状（直立或弯曲）、顶小叶基部是否连合、萼片瓣化程度、花蕾是否绽口、侧蕾有无、雄蕊瓣化瓣与外花瓣颜色是否相同花药是否残留等二元性状，首片复叶顶生小叶数、复叶叶柄与花枝角度和花色数等有序多态性状，生长势、茎色、复叶上表面颜色、小叶内卷程度、小叶叶缘波状程度、花香、花姿、花蕾形状、花蕾颜色、花型、花色、外花瓣形状、雄蕊瓣化程度和花期等无序多态性状，评判标准参见文献[13,15]。每次测量时，以上每个指标随机选取3—6株植株进行重复测定，数量性状计算平均值，质量性状以多数植株表现出的性状为准。

1.2.2 表型性状的赋值 质量性状的赋值参照文献方法略有修改，同前期研究的赋值方法。

1.2.3 数据分析 使用 Excel 2019统计性状出现频率和变异系数，并根据前人算法，基于平均值和标准差，以每级相差0.5倍标准差的等差数列，将性状分为10个等级，据此计算Shannon-Wiener多样性指数H′。使用 R3.6.3（https://www.R-project.org）进行数据正态性检验和方差齐性检验，满足条件的数据进行方差分析（LSD检验并经Bonferroni校正），不符合方差分析条件的数据进行 Wilcoxon秩和检验（经Bonferroni校正）。基于欧式距离对芍药品种进行聚类，依据ggplot2等包进行小提琴图、聚类树和箱线图等图形绘制。

2.1 观赏芍药品种花部和枝条性状遗传多样性

芍药花部性状和枝条性状对观赏特征有重要影响。调查记载的与观赏特征直接相关的花部性状包含颜色（花色和花蕾颜色）、形状（花型、雄蕊瓣化程度、花蕾形状、花蕾是否绽口、侧蕾有无）、花香和花期等 9个二元性状和无序多态性状及蕾径、花高和花径等 3个数值性状，茎部性状包含茎色、茎秆形状和花姿等 3个二元性状和无序多态性状及花梗长、株高、茎长和茎粗等 4个数值性状。下面从资源整体和不同栽培地两个层面着重对花部和枝条性状进行分析。

2.1.1 花部和枝条二元性状和无序多态性状的遗传多样性 芍药品种花部和枝条二元性状和无序多态性状的频率分布情况因性状而异，多样性指数介于0.29—1.90，其中大于1的性状有6个（表1）。

表1 观赏芍药花部和枝条二元性状和无序多态性状的频率分布与多样性指数Table 1 Frequency distribution and diversity index of binary and disordered multistate characteristics in flower and stem of ornamental herbaceous peony

上述性状中分化最大的是花型（10个），多样性指数为1.88，其次是花色（9个），多样性指数为1.90；
分化最小的包含茎秆形状、侧蕾有无及花蕾是否绽口这3个性状，分别仅有2种分化类型，多样性指数介于0.29—0.64。

分别计算各栽培区品种的多样性指数，结果显示，菏泽栽培区品种的全部12个花部和茎部性状的多样性指数均高于其余 3个栽培区，表现出最丰富的多样性。洛阳和扬州栽培区品种的多样性指数相近，临洮栽培区品种的多样性指数最低。对临洮栽培区多样性指数最大的性状即花型进行分析，发现临洮仅有菊花型、蔷薇型、皇冠型和台阁型 4种花型，缺乏其他花型。

2.1.2 花部和枝条数值性状的遗传多样性 观赏芍药7个数值性状的平均多样性指数为2.02，平均变异系数为20.93%，显示出丰富的多样性。所有品种株高等7个数值性状的分布、变异系数和多样性指数见图1和表2。

图1 芍药品种7个数值性状的数据分布Fig. 1 Data range of seven numerical characteristics

表2 芍药品种7个数值性状的平均值、标准差、变异系数和多样性指数Table 2 The average, standard deviation, coefficient of variation and diversity index of seven numerical characteristics

结果显示，芍药品种的株高和茎长数据均呈正态分布，变异系数相近，分别为 16.75%和 16.33%，二者平均值分别为68.74±11.52和76.07±12.42 cm。其余数量性状数据不符合正态分布。其中花径分布最集中，主要介于 2.23—2.47 cm，其次为茎粗，主要介于2.95—3.25 cm；
花高分布最离散，变异系数达32.55%，仅8个品种的花高大于9 cm；
然后为花梗长，变异系数达25.89%。仅7个品种的花梗长大于24 cm。花径近似正态分布，以11.75—12.71 cm数量最多。此外，7个性状的多样性指数较为接近，均在1.90—2.08。由此可见，数值性状中，仅株高和茎长未受到人为选择，蕾径、花高、花径、茎粗和花梗长等5个指标分布的非正态性，显示出种植者对现有栽培群体的偏好性，即追求花蕾和花相对较大、重瓣性更高、茎更粗和花梗相对更长的品种。

各栽培地芍药的同一数值性状的变异系数不同（表3）。花径在芍药各栽培地间的变异系数最小，介于12.40%—18.74%。株高、茎长、蕾径和茎粗在各栽培地间的变异系数差异相对较小，平均变异系数为15.08%—16.11%，表明这些性状的变异幅度相对较小。花梗长在芍药各栽培地间变异系数差异相对较大，临洮最小，仅 17.24%，洛阳最大，达 31.77%。花高在芍药各栽培地间的变异系数最大，介于 18.56%—41.89%，其中洛阳、菏泽和扬州3地的花高变异系数均大于30%，临洮的芍药花高变异系数仅18.56%，侧面反映出目前洛阳、菏泽和扬州3地的栽培品种花型相对丰富，因此品种间的花高差异大。

表3 芍药4个栽培地的数值性状的变异系数Table 3 Coefficient of variation of numerical characteristics among various regions of herbaceous peony

进一步对不同栽培地区品种的7个数值性状进行差异比较（图2）。4个栽培地区品种的株高和茎长均无明显差异，洛阳栽培品种的花梗长显著高于菏泽。茎粗在各栽培地区之间差异显著，其中临洮栽培的品种茎最粗，其次为菏泽和洛阳，扬州栽培的品种茎最细。除菏泽和洛阳栽培的品种蕾径没有显著差别外，各栽培区间蕾径的差异规律与茎粗一致。此外，菏泽的花径显著高于洛阳和扬州，但花高无明显差别，仅临洮品种的花高显著大于扬州。由以上与切花品质相关的7个数值性状来看，临洮和菏泽品种有一定的切花优势，尤其是茎粗、蕾径和花径，这与两地大力发展切花产业相符。扬州品种在这7个性状上均没有明显优势，相对不适宜作为切花采切。

图2 不同栽培地芍药品种的数值性状比较Fig. 2 Comparison of numerical characteristics of herbaceous peonies in various cultivated areas

2.2 我国芍药资源的切花适用性分析与评价

目前芍药切花生产占有重要地位，下面就与切花生产和切花质量密切相关的重要农艺性状进行分析。

花蕾否绽口、花蕾颜色和花蕾形状是影响切花销售的重要因素，目前我国观赏芍药绝大多数品种不绽口（91.3%）；
花蕾颜色包括白色、绿色、粉色、紫色、紫红和复色，其中，紫红和粉色花蕾品种占比最高，分别为 36.4%和 34.7%，绿色品种占比最少，仅2.6%；
花蕾形状包括扁圆、圆形和长圆形，其中，圆形占比最高（75.7%），长圆形次之（19.34%），扁圆形仅占4.9%。而是否具有侧蕾与切花栽培和产量密切相关，研究表明多数品种具侧蕾（71.7%），不太符合切花生产要求。

这些品种中，满足目前热销切花种类所要求的同时具有无侧蕾、不绽口且花蕾圆形等特征条件的品种仅73个（约21%）。此外，本研究涉及的12个临洮栽培的品种中，仅‘红楼子’花蕾绽口而为扁圆形，其余临洮品种的花蕾均为不绽口而呈圆形，但当地栽培者在早期人工去除了侧蕾，这可能是临洮品种蕾径偏大的原因（图2-E）。

花色和花型也是切花品种选择的重要因素。目前，粉色和白色、绣球型切花品种较受欢迎。研究表明，目前栽培观赏芍药品种的花色和花型是多样性指数最高和次高的性状，分别为1.90和1.88。品种数量最丰富的3大花色为复色（69个）、红色（62个）和粉蓝色（61个），共占比55.4%，近年新育出的绿色品种数量最少（3个）。品种数量最丰富的花型为台阁型（107个）、托桂型（73个）和蔷薇型（52个），分别占30.9%、21.1%和15.0%，但绣球型品种仅占4.9%（17个）。这些花型花瓣层数相对较多，与67.6%品种雄蕊多数（110个）或全部瓣化（124个）、46.5%的品种（161个）存在萼片瓣化的现象一致。

花香分为淡、一般和浓，前两者分别占比 28.3%和51.5%，显示目前栽培品种花香普遍不明显。此外，早花期、中花期和晚花期的品种分别占18.8%、62.7%和 18.5%，目前栽培品种花期较为集中，盛花期主要集中在4月底至5月初，早花和晚花品种相对较少。

据现行的芍药DUS测试指南（NY/T 2225—2012）中规定的指标，茎秆形状直且花姿直立可初步认为该品种直立。指南中，将芍药品种茎秆形状（stem shape）分为直立和弯曲，占比分别为 71.1%和 33.5%。花姿是盛花期时所有花枝呈现的直立与开展状态，分为直立型、半直立型和开展型，三者占比分别为 36.1%、37.9%和26.0%。由这两点来看，目前栽培品种中已具备切花直立特性的数量有待提高。

2.3 芍药品种资源的聚类及各类群特征

为明确中国芍药品种在表型性状上的差异，为种质利用尤其是育种亲本选择提供依据，基于调查到的所有31个表型性状，采用聚类方法对品种进行解析。结果表明，346个品种可分为9个聚类组群（图3）。每个聚类组群的品种数量不同，其中，品种数量最多的是组群IV，含品种63个，数量最少的为组群IX，仅包含4个品种。

图3 基于表型性状的中国观赏芍药品种聚类图Fig. 3 Cluster map of ornamental herbaceous peonies in China based on phenotypic traits

绝大多数聚类组中包含来自 2—4个栽培地的品种，但各栽培地品种的聚类结果略有不同。其中，菏泽和洛阳栽培的品种零散分布于8个聚类组中；
临洮栽培的品种多数（11个）聚集在第V组，少数（1个）在第VIII组；
扬州栽培的品种分布在5个组中，但第VI组的28个品种全部来源于扬州。由此可见，聚类分组情况并未严格按照栽培地域进行划分，各地应发展创新品种。

对每个聚类组群品种的 7个数值性状进一步分析，结果表明，各聚类组群品种的蕾径、花径、茎粗和花梗长间没有明显不同，但株高、茎长和花高有差异（图4）。其中，第IV组的株高显著高于第I、II和III组，第IV和V组的茎长高于其余组，第V组的花高与第IV组无明显差别，但显著高于其他组。

图4 各聚类组群的芍药品种3个数值性状对比分析Fig. 4 Comparative analysis of three numerical characteristics of herbaceous peonies in each clustering groups

结合数值性状和定性多态性状，各聚类组群的特征可概括如下：第I组群绝大多数雄蕊几无瓣化，为中或早花期的直立品种；
第II组群雄蕊全部瓣化，多为复色托桂型直立品种；
第III组群雄蕊多数或全部瓣化，多为中或晚花期的直立品种；
第 IV组群多为台阁型或皇冠型的中花期品种，花茎长但多数弯曲；
第V组群雄蕊中度或多数瓣化，以红色、紫红和粉蓝色的直立型品种为主，茎长在所有组群中最长；
第 VI组群为雄蕊全部瓣化且其瓣化颜色与外花瓣不同的托桂型品种；
第VII组群为雄蕊多数瓣化且萼片瓣化的中花期品种；
第VIII组群雄蕊多数或全部瓣化，大多萼片瓣化，花期为中或晚期；
第IX组群的4个品种为‘凤凰涅槃’‘花红重楼’‘黄金带’和‘满江红’。

3.1 中国芍药品种的表型多样性探讨

本研究所调查的表型性状，是基于芍药DUS测试指南的指标及其相应的测量标准，具有客观性和可重复性。笔者课题组自2014年至今持续进行表型性状记录，其中菏泽和洛阳的240个品种包含2年重复记录，扬州和临洮等地品种仅1年记录。在持续观测中发现，由于同一地域的水肥管理相对稳定，因此年份间的花色和叶色等多数质量性状稳定，茎长和茎粗等数值性状的差异不明显。实际操作过程中，多数学者在进行芍药同类研究时均采用 1年观测。值得注意的是，笔者观测到，不同年份间气温等波动会影响芍药生长势和开花率等指标，在进行表型分析时，已尽量避免这类指标，但从全面掌握品种特性的角度出发，未来仍需对扬州和临洮等地的品种进行重复观测。

变异系数的大小可以直观反映性状的分化程度，一般认为该值大于10%时，变异程度较高，性状差异较大。本研究中的7个数值性状涉及蕾径、花高和花径等花部性状及茎长度、粗度等茎部性状，其变异系数介于 15.65%—32.55%，与前人在秋海棠（spp.）和现代月季（spp.）中的结果相近，显示芍药的花和茎部性状变异丰富。与前人对扬州栽培的110个芍药品种研究中所选相同指标的结果进行对比，本研究株高和茎粗的变异系数与前人结果接近，花径变异系数为 15.65%，高于后者的9.97%，但花径的多样性指数基本一致，反映出本分析结果的可靠性。学者认为多样性指数大于1即为多样性程度高，本研究中各数值性状的多样性指数为1.90—2.08，其他性状（二元性状、有序多态性状和无序多态性状）的多样性指数为0.29—1.90，整体来看，观赏芍药数值性状的多样性指数大于其他性状的多样性指数。31个性状中多样性指数大于1的有16个，涉及花色、花型、花高、茎长和茎粗等性状，也反映出芍药表型尤其是花部观赏性状的多样性丰富。

本研究的聚类分组情况与花部性状，尤其是雄蕊瓣化程度和花高关系较为密切，品种枝条性状，尤其是茎直立性和茎长也呈现出一定的聚集特征。其中第V组群从花型（台阁型占30.23%，蔷薇型占27.90%，皇冠型和菊花型各占18.60%）、直立性和茎长等指标来看，基本符合切花要求。进一步与实际应用对比，本组群中‘向天歌’‘红富士’‘杨妃出浴’和‘无暇玉’等是现在国内各地市场上的主流优秀切花品种，也侧面反映了本研究聚类结果的准确性。值得注意的是，第 V组群品种的花色分布情况为红色占25.57%，紫红色占23.26%，粉蓝色占18.60%，这也在一定程度上体现国内主栽品种的花色占比，即红色和紫红色品种比重较大，但市场偏爱的粉色系切花品种相对较少。此外，聚类结果中，仅部分扬州栽培的品种呈现出一定的地域聚集性，反映目前我国栽培的多数品种在各地间具有较为频繁的交流，推断各栽培地域的品种基因型并未形成明显分化；
未来可结合基于SSR标记的遗传分化系数等分析，进一步为分类等研究提供证据支持。

3.2 中国芍药品种资源评价与种质创新展望

从切花生产的角度出发，目前中国观赏芍药在多个性状具有优势，例如多数品种花蕾圆且不绽口，重瓣品种多，但同时也面临严峻挑战，例如仅3成左右品种直立，约8成品种花香不明显，约7成品种有侧蕾，6成以上品种花期集中在中花期，早花和晚花品种少，需予以关注。其中，‘向天歌’‘杨妃出浴’‘无暇玉’和‘红富士’等品种切花综合性状优秀，‘玫瑰飘香’和‘向天歌’等品种花香明显，‘仰望星空’和‘冰青’等品种无侧蕾，‘富士’和‘向天歌’等品种花期早。除了需要关注目前具有生产潜力的品种资源，从资源多样性角度出发，对具有低多样性指数指征的性状，尤其是具有其中频率分布少性状的品种也应予以保护，例如生长势弱、茎色晕紫或呈紫色、小叶叶缘波状程度重、花蕾绽口等品种，不能因为没有直接经济价值就逐步淘汰。“红药当阶翻”曾是古人对芍药的欣赏，保证品种资源的多样性，不仅具有生物学意义，也具有文化价值。

近年国内学者在中国芍药品种群新种质创建中已取得一定成果，在美国牡丹园艺协会（American Peony Society，APS）登录包含‘向天歌’‘凤凰涅槃’和‘笑春风’等40余个品种，但与表型多样性丰富的月季、牡丹等种质的丰硕育种成果相比，尚有较大差距。据报道，最早参与杂种香水月季育种的蔷薇属种质达8—11个，绝大多数牡丹栽培品种由矮牡丹（）、紫斑牡丹（）和杨山牡丹（）等多个种质参与的多源杂种起源，但中国芍药品种群的形成仅来源于芍药（）一个种。因此，未来芍药品种的选育有必要积极引入芍药组其他种质。我国分布有芍药组9个野生种和亚种，其中，多花芍药（）植株高大，茎秆强健，以其培育的品种‘White Innocence’株高可达 1.4 m；
草芍药（）和美丽芍药（）均是花单生枝顶，但目前尚无相关育种成果报道。2014年APS牡丹芍药年展获奖品种‘Anna’茎秆挺直，无侧蕾，花具香味，其亲本中有的血缘。因此，积极将芍药组其他种的优质基因引入品种培育，很可能为我国观赏芍药品种增添茎直、茎长、香花等新种质特点。

中国观赏芍药多数性状的多样性丰富，花部和枝条13个性状的多样性指数大于1，涉及花色、花型、花高、茎长和茎粗等。株高和茎长呈正态分布，二者分别为38.50—100.50 cm和43.19—120.00 cm，蕾径、花高、花径、茎粗和花梗长等5个指标受人为选择，呈非正态分布。从切花适用性分析，目前我国栽培品种中花蕾圆形且不绽口的数量较多，重瓣品种相对较多，但绣球型品种仅占4.9%，79.8%品种花香不明显，71.7%品种有侧蕾，且62.7%品种花期集中在中花期，早花、晚花品种少。从各栽培区水平来看，各栽培地品种在花高的变异系数上差异较大，临洮和菏泽品种在茎粗、蕾径和花径上有一定的切花优势。今后我国芍药新种质培育应引入具备茎长、单秆和花香等特征的资源。