基于q-r聚類(lèi)和類(lèi)間平均鏈鎖法的杜鵑分類(lèi)分析

基于q-r聚類(lèi)和類(lèi)間平均鏈鎖法的杜鵑分類(lèi)分析

杜鵑花植物通常具有很高的觀(guān)賞價(jià)值，是世界著名的觀(guān)賞花卉。提取的活性成分可以預(yù)防感冒，降低血壓（鐘華等，2000）。杜鵑的根系發(fā)達(dá)，枝葉繁茂，對(duì)維持山區(qū)的生態(tài)環(huán)境起著重要作用。中國(guó)西南是世界最大的杜鵑分布中心和多度中心,野生杜鵑資源豐富,具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值,但由于杜鵑花屬植物種類(lèi)多、分布廣、變異大,分類(lèi)問(wèn)題十分復(fù)雜。傳統(tǒng)的形態(tài)分類(lèi)往往進(jìn)行定性描述,缺乏定量分析,帶有一定的主觀(guān)色彩,在系統(tǒng)劃分和某些種類(lèi)的歸屬上長(zhǎng)期存在分歧,影響了杜鵑花屬植物的開(kāi)發(fā)利用。傳統(tǒng)的形態(tài)研究與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合,形成了數(shù)量分類(lèi)學(xué)。數(shù)量分類(lèi)使生物分類(lèi)學(xué)正逐漸從定性描述向定量的、精確的高水平發(fā)展。近年來(lái),數(shù)量分類(lèi)學(xué)已被應(yīng)用于品種分類(lèi)(趙冰等,2007)、科屬下種間分類(lèi)(閆雙喜等,2002;彭焱松等,2007;張漢堯等,2005)、系統(tǒng)學(xué)研究(閆雙喜等,2004;Eduardoetal.,2002)等。建立在數(shù)量分類(lèi)基礎(chǔ)上的主成分分析是一種掌握主要矛盾的統(tǒng)計(jì)分析方法,它可以從多元事物中揭示生命現(xiàn)象的主要方面,現(xiàn)已應(yīng)用于生態(tài)學(xué)(李景國(guó),2007;巫錫柱等,2007)、林業(yè)(邢世巖等,2000;李周岐等,2000;鐘偉華等,1999;趙亮等,2007)等領(lǐng)域的研究,成為研究生物學(xué)及其邊緣學(xué)科的重要工具。有關(guān)杜鵑花屬植物數(shù)量分類(lèi)的研究迄今在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)四川西南山地46種野生杜鵑花屬植物的表型性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析和主成分分析,旨在確定重要分類(lèi)指標(biāo),揭示主要性狀之間的內(nèi)在聯(lián)系及各性狀所占有的信息比例,為進(jìn)一步研究種間親緣關(guān)系及本屬植物的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1林花園5種植物種類(lèi)本研究的46種杜鵑中31種從四川西部山地采集,海拔2020~3435m,另15種從中國(guó)科學(xué)院華西亞高山植物園都江堰龍池杜鵑園采取。按Sleumer(1949;1980)分類(lèi)系統(tǒng),分屬3個(gè)亞屬,詳見(jiàn)表1。1.2方法1.2.1表型性狀編碼將采集到的46種杜鵑作為46個(gè)分類(lèi)運(yùn)算單位(OTU)。通過(guò)對(duì)杜鵑的實(shí)地調(diào)查、標(biāo)本的觀(guān)察測(cè)量,獲取有關(guān)杜鵑種各性狀的原始記錄。經(jīng)過(guò)對(duì)原始記錄進(jìn)行分析整理,篩選出在杜鵑花分類(lèi)中常用的44個(gè)表型性狀進(jìn)行編碼,其中二元性狀18個(gè),編碼0,1;多元性狀13個(gè),編碼0,1,2…;直接數(shù)量性狀11個(gè),測(cè)定值或計(jì)數(shù)值即為編碼;轉(zhuǎn)換數(shù)量性狀2個(gè),分別是葉柄相對(duì)長(zhǎng)和花梗相對(duì)長(zhǎng),其中葉柄相對(duì)長(zhǎng)為葉柄長(zhǎng)與葉片長(zhǎng)之比,花梗相對(duì)長(zhǎng)為花梗長(zhǎng)與花冠長(zhǎng)之比。一般而言,葉片越長(zhǎng),葉柄也越長(zhǎng),花梗長(zhǎng)和花冠長(zhǎng)也基本呈正相關(guān),用相對(duì)長(zhǎng)度可避免計(jì)算過(guò)程中葉長(zhǎng)和冠長(zhǎng)的二次影響。各性狀編碼詳見(jiàn)表2。1.2.2試驗(yàn)樣本的測(cè)定葉長(zhǎng)、寬、葉柄長(zhǎng)從每份標(biāo)本上隨機(jī)抽取5~20片葉測(cè)定后計(jì)算平均值;花冠長(zhǎng)寬、花梗長(zhǎng)、子房長(zhǎng)、雄蕊長(zhǎng)每份標(biāo)本上隨機(jī)抽5朵小花測(cè)定后計(jì)算平均值;果長(zhǎng)每份標(biāo)本上隨機(jī)抽5個(gè)果測(cè)定后計(jì)算平均值,長(zhǎng)度單位均為mm;雄蕊數(shù)和子房數(shù)為多次計(jì)數(shù)結(jié)果。每種植物測(cè)定標(biāo)本數(shù)3個(gè)以上。1.2.3數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方法數(shù)據(jù)在進(jìn)行運(yùn)算之前,以標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法(徐克學(xué),1999)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計(jì)算各OTU之間的距離系數(shù)。1.2.4生長(zhǎng)性狀間相關(guān)分析用SPSS10.0forwindows采用平均歐氏距離平方系數(shù)作Q聚類(lèi),分析杜鵑種間的表型性狀相似程度;用相同軟件采用相關(guān)系數(shù)作R聚類(lèi),分析性狀間的相關(guān)程度。2種聚類(lèi)均采用類(lèi)間平均連鎖法。根據(jù)聚合過(guò)程中ΔDK和ΔRK值的跳變情況分別確定Q聚類(lèi)和R聚類(lèi)的結(jié)合線(xiàn)。1.2.5主成分及微量元素的測(cè)定計(jì)算各性狀間相關(guān)系數(shù)得相關(guān)系數(shù)矩陣;根據(jù)成分提取結(jié)果確定主成分;以李朝鋒等(2007)的方法計(jì)算特征向量和主成分向量;以主成分1向量為橫坐標(biāo),主成分2向量為縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖。2結(jié)果與分析2.1聚類(lèi)結(jié)果分析2.1.1常綠杜仲亞屬b的表型變異46種杜鵑按歐氏平方距離系數(shù)由小到大進(jìn)行聚合,聚合過(guò)程及距離見(jiàn)表3。從表3可見(jiàn),最大的跳變出現(xiàn)在聚合的第43步,其次是第35步和第21步,據(jù)此確定3條結(jié)合線(xiàn)的位置。從聚類(lèi)圖(圖1)上可見(jiàn),結(jié)合線(xiàn)L1將46種杜鵑劃分為2個(gè)大類(lèi)群,第1類(lèi)群(I)共20種,包括了全部有鱗類(lèi)杜鵑;第2類(lèi)群(Ⅱ),由常綠杜鵑亞屬的26個(gè)種組成。結(jié)合線(xiàn)L2將I類(lèi)群的20種有鱗杜鵑全部劃為1類(lèi);Ⅱ類(lèi)群被分為A,B,C,D4部分:A部分是云錦杜鵑亞組的7個(gè)種,B部分只有1種白碗杜鵑;C部分包括14個(gè)種;D部分由杯毛杜鵑亞組的2個(gè)種和云錦杜鵑亞組中的美容杜鵑和汶川星毛杜鵑組成,均為喬木,葉極大,小花數(shù)多。結(jié)合線(xiàn)L3將有鱗的I類(lèi)群劃分為a,b,c3個(gè)小組:a小組只有高山杜鵑亞組的3個(gè)種,其植株、葉片、花冠等均非常小;b小組由三花杜鵑亞組的12個(gè)種和亮鱗杜鵑亞組的紅棕杜鵑組成,均表現(xiàn)幼枝、葉背無(wú)毛,花冠較大,子房較長(zhǎng);c小組的4種杜鵑共同點(diǎn)是幼枝、葉兩面、花萼、子房等明顯有毛。L3將ⅡA類(lèi)群進(jìn)一步劃分為a,b,c3個(gè)小組,反映的是云錦杜鵑亞組內(nèi)的分化;ⅡB類(lèi)群只有1個(gè)種;ⅡC類(lèi)群被L3劃分為a,b,c3個(gè)小組,其中c小組有9個(gè)種,分屬銀葉杜鵑亞組、大理杜鵑亞組、鐘花杜鵑亞組、露珠杜鵑亞組;ⅡD類(lèi)群被分為2個(gè)小組。每小組種類(lèi)都較少,說(shuō)明常綠杜鵑亞屬內(nèi)種間表型變異幅度較大。通過(guò)對(duì)歐氏平方距離系數(shù)矩陣的整理和計(jì)算,常綠杜鵑亞屬內(nèi)26個(gè)種間平均距離72.310,有鱗類(lèi)20種杜鵑種間平均距離35.264,表明有鱗類(lèi)杜鵑在表型上變異相對(duì)較小;46種杜鵑平均歐氏平方距離為90.00,最大達(dá)229.938,距離系數(shù)差異巨大,意味著杜鵑花屬內(nèi)種間表型性狀分化十分劇烈。2.1.2r-u型1a類(lèi)及b類(lèi)性狀各性狀按相關(guān)系數(shù)由大到小逐步聚合,聚合結(jié)果見(jiàn)性狀聚類(lèi)樹(shù)系(圖2)。由圖2可見(jiàn),結(jié)合線(xiàn)將44個(gè)分類(lèi)性狀劃分為4類(lèi)。A類(lèi)共12個(gè)性狀,其中7個(gè)性狀與鱗片有關(guān),且各部位有鱗與否相關(guān)緊密,其余5個(gè)性狀有4個(gè)表現(xiàn)花器特征;B類(lèi)只有花冠有毛與否1個(gè)性狀;C類(lèi)有6個(gè)性狀,全部與毛有關(guān);D類(lèi)性狀最多,達(dá)25個(gè),又可再劃分為2個(gè)小類(lèi),第1小類(lèi)主要與腺體有關(guān),第2小類(lèi)基本全是數(shù)量性狀。2又出現(xiàn)異形帶明顯斷裂率的不育從R聚類(lèi)所得性狀相關(guān)系數(shù)矩陣可見(jiàn),部分性狀之間相關(guān)程度較高,其中花萼、子房、幼枝、花梗有無(wú)鱗片4性狀間相關(guān)系數(shù)皆為1,說(shuō)明這些性狀相伴發(fā)生;葉背鱗片有無(wú)與該4性狀相關(guān)系數(shù)為0.9330,也幾乎同時(shí)出現(xiàn);鱗片的出現(xiàn)與株高、葉、花、子房、果等的長(zhǎng)度呈明顯負(fù)相關(guān),絕對(duì)值均在0.8以上,反映了有鱗類(lèi)杜鵑普遍較常綠類(lèi)杜鵑矮小且各器官也明顯較小;子房室數(shù)、小花數(shù)與花冠、子房、總梗長(zhǎng)等性狀的相關(guān)系數(shù)在0.75以上,反映了花器構(gòu)造有一定內(nèi)部聯(lián)系;此外,凡是反映器官尺寸的數(shù)量性狀相關(guān)系數(shù)基本都在0.7以上,表明各器官外部尺寸基本同步變化;花冠有無(wú)毛或鱗片或腺體、花絲基部有毛與否、花冠裂片數(shù)、花柱相對(duì)長(zhǎng)、有無(wú)附屬物、雄蕊長(zhǎng)、花萼裂片長(zhǎng)等性狀與其他性狀相關(guān)系數(shù)幾乎全在±0.4以下,說(shuō)明這些性狀的出現(xiàn)基本沒(méi)有規(guī)律可言,在種以上分類(lèi)階元的劃分中作用不大。2.2部分性狀的主成分分析R聚類(lèi)結(jié)果已表明部分性狀間相關(guān)系數(shù)很高,存在信息重疊;部分性狀的出現(xiàn)基本沒(méi)有規(guī)律可言,在種以上類(lèi)群的劃分中沒(méi)有明顯作用,因此有必要作主成分分析。通過(guò)主成分分析,可以排除重疊和分類(lèi)意義不大的性狀,使重要性狀突顯出來(lái)。2.2.1特征值及貢獻(xiàn)率成分提取分析(表4)是對(duì)44個(gè)分析特征(觀(guān)測(cè)性狀)綜合計(jì)算后,按其在分類(lèi)中的作用和類(lèi)別重新劃出的特征成分各自的特征值和貢獻(xiàn)率。從表4可見(jiàn),第1主成分所占達(dá)信息量就達(dá)40.555%,前3個(gè)成分占信息總量的60.393%,而其余41個(gè)成分所提供的信息量?jī)H39.607%,說(shuō)明在杜鵑分類(lèi)研究中存在重要性狀,有必要作主成分分析。2.2.2種子主成分信息將初始因子載荷矩陣和性狀抽提系數(shù)表綜合起來(lái),得到用于杜鵑分類(lèi)的44個(gè)特征性狀對(duì)應(yīng)的主成分載荷量、總載荷量和性狀重要性排序,詳見(jiàn)表5。從表5可知,第1主成分在幼枝鱗、葉背鱗、花梗鱗、萼鱗、子房鱗5個(gè)性狀上均呈現(xiàn)很高的負(fù)向載荷量,絕對(duì)值均在0.9以上,在葉上是否有鱗上載荷量稍低,為-0.807。與鱗片有無(wú)相反,第1主成分與葉長(zhǎng)、葉寬、花冠長(zhǎng)、子房長(zhǎng)、果長(zhǎng)等性狀均表現(xiàn)較高的正向載荷量,全部超過(guò)0.75。這些性狀的信息載荷很高,表明第1主成分主要反映植株是否被鱗以及葉、花、果、子房等器官的外部尺寸,也說(shuō)明這些性狀對(duì)杜鵑分類(lèi)很重要。載荷量的分化同時(shí)也明顯反映出第1主成分將46種杜鵑分為2大類(lèi)群:較大型的無(wú)鱗類(lèi)和較小型的有鱗類(lèi);第2主成分在幼枝、花冠、花萼、葉片是否具有腺體或毛被等性狀上載荷量較高,說(shuō)明這些性狀對(duì)杜鵑分類(lèi)較為重要。從性狀排序(表5)上可見(jiàn),對(duì)杜鵑分類(lèi)最重要的外表是否具鱗或腺體或毛被,其次是葉、花、子房、果的大小,其總載荷量均在0.8以上,重要性占據(jù)了所有性狀的前15位;重要性排后10位的分別是葉柄相對(duì)長(zhǎng)、雄蕊長(zhǎng)、花冠鱗、花梗相對(duì)長(zhǎng)、花冠腺、花萼毛、萼裂片長(zhǎng)、花冠色、花絲基毛、花冠毛,其中萼片是否具毛、萼裂片長(zhǎng)短、花冠顏色、花絲基部毛、花冠毛在前3個(gè)主成分的總載荷量中重要性最不明顯,總載荷量都在0.5以下,對(duì)分類(lèi)貢獻(xiàn)最小。2.2.3鱗松茸屬種間以第1,2主成分向量分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作散點(diǎn)圖(圖3)。從圖3上可見(jiàn),46種杜鵑被明顯分為2個(gè)大類(lèi),左邊全是有鱗類(lèi)杜鵑,右邊則全是無(wú)鱗的常綠類(lèi)杜鵑。在有鱗杜鵑類(lèi)群中,最左邊的是糙葉杜鵑亞屬的2個(gè)種,雖與杜鵑亞屬比較接近,但并未混淆。僅用2個(gè)主成分就能比較有效地對(duì)亞屬進(jìn)行分類(lèi),說(shuō)明主成分提取方法可行,結(jié)果可信。3討論3.1胚葉類(lèi)采用亞屬種間的差異Sleumer(1949)將花序腋生的有鱗類(lèi)杜鵑單獨(dú)劃為1個(gè)糙葉杜鵑亞屬,但多數(shù)學(xué)者主張將其劃入杜鵑亞屬杜鵑組中作亞組處理(Chamberlainetal.,1996;Cullen,1980;Philipsonetal.,1982)。長(zhǎng)期以來(lái),糙葉類(lèi)杜鵑的歸屬一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一。從表型性狀上看,糙葉杜鵑亞屬與杜鵑亞屬之間確無(wú)太大差異,在本研究中,2亞屬間的平均歐氏距離為47.16,而同屬杜鵑亞屬杜鵑組的高山杜鵑亞組與三花亞組之間平均距離為48.76,兩者比較,看不出亞屬間的差異。但一些研究結(jié)果表明,在某些方面2亞屬間又存在明顯差異。高連明等(2000)采用水平淀粉凝膠電泳分析,顯示糙葉杜鵑亞屬內(nèi)的3種杜鵑遺傳相似性最高,與其他杜鵑的遺傳相似性較低;熊子仙(1996)通過(guò)對(duì)糙葉杜鵑亞屬的6個(gè)種葉解剖特征觀(guān)察,提出該亞屬植物具有角質(zhì)層發(fā)達(dá)、外層細(xì)胞小、內(nèi)層細(xì)胞大、葉主脈為周韌維管束等特征,認(rèn)可Sleumer(1949)將其劃分為1個(gè)亞屬的分類(lèi)系統(tǒng);花粉電鏡掃描結(jié)果也顯示2亞屬有一定差異(周蘭英等,2008)。因此,糙葉類(lèi)杜鵑分類(lèi)地位的合理確定,尚需要對(duì)更多種類(lèi)和在不同領(lǐng)域作更深入的研究。3.2云錦杜仲亞組的主要特征本研究中,亮鱗杜鵑亞組的紅棕杜鵑與三花杜鵑亞組的平均距離為28.958,而三花杜鵑亞組內(nèi)種間平均距離為26.640,二者并未表現(xiàn)明顯差異。由于這2個(gè)亞組形態(tài)差異本身很小,亞組劃分界線(xiàn)不清晰,因此可以考慮合并為1個(gè)亞組。在傳統(tǒng)的形態(tài)分類(lèi)中,美容杜鵑和汶川星毛杜鵑被劃分在常綠杜鵑亞屬下云錦杜鵑亞組中,但在本研究Q聚類(lèi)中,該亞組的另7種杜鵑在較小距離內(nèi)聚合在一起,美容杜鵑和汶川星毛杜鵑卻與之相距較遠(yuǎn),最終與杯毛杜鵑亞組的大王杜鵑和乳黃葉杜鵑聚合為1類(lèi)。按分類(lèi)檢索表,云錦杜鵑亞組的主要特征是幼枝無(wú)毛,稀有腺體或絨毛;葉較小,長(zhǎng)不到20cm;子房有腺體(何明友等,19