广西石韦叶片性状的变异度及主成分和聚类分析

1 / 10广西石韦叶片性状的变异度及主成分和聚类分析作者：陈超君，尹小红，李莉蓉，杜金子，黄棉，黄荣韶【摘要】 目的探明广西不同产地石韦叶片性状的异同，为广西石韦的引种栽培提供科学依据。方法比较 6 个产地石韦的叶片长、叶片宽、叶片周长、叶片厚、叶面积、叶片鲜重、叶片干重、叶片干物质含量、比叶面积、叶片体积、叶片组织密度、叶形指数和叶片形态因子的变异度，并进一步进行主成分和系统聚类分析。结果广西石韦各性状的变异度存在一定的差异，LV，LFW，LDW，LSI 和 LA 在不同产地间表现的尤为不稳定。此外，还发现各性状间存在复杂的相关关系，与 LFW 或 LDW 呈显著或极显著正相关的性状就有 5 个，即 LL，LP，LT，LA 和 LV。同时，得到 3个累计贡献率达%的主成分，并将 6 个产地划分为了 4 个类群。其中，藤县、金秀、大明山所在类群石韦的LW，LT，LA，LFW，LDW 和 LV 较其他 3 个类群有一定的优势。结论广西石韦叶片性状的形成与其生长环境有密切的关系，其种质资源筛选应侧重 LL、LP、LT、LA 和 LV 等性状的选择，藤县、金秀和大明山具备了石韦高产栽培的环境条件。2 / 10【关键词】 广西石韦； 叶片性状； 变异度； 主成分分析； 聚类分析中药石韦为水龙骨科石韦属多种多年生草本植物的地上部分，含芒果苷、异芒果苷、绿原酸、黄酮和木犀草素等多种活性成分14 ，具有利水通淋、清热止血的功效5 ，常用于治疗尿道炎、肾炎水肿、泌尿系统结石、支气管炎、肾盂肾炎、颈淋巴结核、功能性子宫出血及白血球下降等病症。随着其疗效的被确认， “复方石韦片”“复方石韦胶囊”和“结石通片”等以石韦类药材为主要原料的中成药都极为畅销，石韦类药材的年消耗量也越来越大。但目前，石韦类药材仍然以采收野生资源为主，使得天然石韦类药材资源不断的减少，已不能满足人们医疗保健的需要和制药企业对药材原料的需求。因此，迫切需要加强石韦类药材资源的开发利用研究。引种栽培是中药资源保护、扩大和再生最有效的手段，也是当前中药材生产的主要方法6 。广西是石韦类药材的重要分布区域之一，境内分布有石韦 P. lingua、西南石韦 P. gralla 和庐山石韦 P. sheareri 等多种药源植物7 ，为石韦类药材的引种提供了丰富的种质资源。但是广西地域辽阔，区内各地的海拔、气温和降水等均存在3 / 10一定的差别，而且土壤类型也多种多样，在以上地带性和非地带性因素的影响下，各地石韦类药材的生长必然出现不同程度的差异。但目前，石韦类药材的研究主要集中在活性成分方面14，813 ，还未见有关不同产地资源研究的报道。叶片是石韦类药材最主要的入药部位。据此，笔者选择对广西不同产地石韦叶片性状进行研究，以期为广西石韦种质资源的筛选和适宜种植条件的确定提供科学依据。1 材料供试植物材料共 6 份，分别采自广西东南部的藤县、中南部的大明山、中部偏东的金秀、西南部的那坡、西北部的环江和北部的资源，经广西大学农学院植物与植物生理生化教研室鉴定为石韦。2 方法测定项目每份材料取 10 株，分别采用直尺测量叶片长、叶片宽和叶片周长；游标卡尺测量叶片厚；CI-203激光叶面积仪测定叶面积；电子天平称量叶片鲜重和叶片干重，各性状均以平均值表示。然后根据以上性状进一步计算出叶片干物质含量14 、比叶面积15 、叶片体积16 、叶片组织密度16 、叶形指数17和叶片形态4 / 10因子18 ，其具体计算公式依次为：LDMC = LDW / LFW 100%；SLA = LA / LDW；LV = LA LT / 10；LTD = LDW / LV；LSI = LL / LW 和 LMF = 4 LA / LP2。 数据处理主成分和聚类分析分别采用 SPSS 和 DPS软件。其中，主成分分析中各性状的标准化采用公式 x = (X- ) / S 进行，主成分值分布图使用二维坐标体系，以第1 主成分值为横坐标，第 2 主成分值为纵坐标19 ；聚类分析以主成分分析所得主成分为变量，选用欧式距离和 6种系统聚类方法，即最短距离法、重心法、加权平均法、可变类平均法、可变法和离差平方和法。3 结果石韦叶片性状的变异度分析广西石韦叶片各性状的变异度存在一定的差异，它们的变异系数介于% %间。具体看来，变幅较大的性状是 LV，LFW，LDW，LSI 和 LA，它们的变异系数均大于%；其次为 LMF，LP，LL 和 LW，它们的变异系数在% %之间；变幅较小的是 LDMC、LT、LTD和 SLA，它们的变异系数都在%以下。由此说明，广西石韦的 LV，LFW，LDW，LSI 和 LA 容易受环境条件的影响，LMF，LP，LL 和 LW 次之，而 LDMC，LT，LTD 和 SLA 的表现则相对稳定。5 / 10石韦叶片性状的主成分分析广西石韦叶片性状的相关矩阵如表 2 所示。从表中可以看出，LL 与 LP、LFW 和LDW 呈极显著或显著的正相关，与 SLA 和 LMF 呈极显著或显著的负相关；LP 与 LT，LFW，LDW，LV 呈显著的正相关，与SLA 和 LMF 呈显著的负相关；LT 与 LFW 和 LV 呈极显或显著的正相关；LA 与 LFW、LDW 和 LV 呈极显著的正相关；LFW与 LDW 和 LV 呈极显著的正相关；LDW 与 LV 呈极显著的正相关；LDMC 与 LTD 呈显著的正相关；SLA 与 LMF 呈显著的正相关；LSI 与 LMF 呈极显著的负相关。由此可见，广西石韦叶片性状间存在错综复杂的关系。其中值得注意的是，与LFW 或 LDW 呈显著或极显著正相关的性状有 5 个，即LL，LP，LT，LA 和 LV。表 1 广西石韦叶片性状及其变异度表 2 广西石韦叶片性状的相关矩阵进一步计算出的相关矩阵特征根及其贡献率如表 3所示。由表可知，前 3 个特征根的累计贡献率达到了%。因此，选择它们作为石韦叶片性状的主成分，其对应的特征根向量见表 4。第 1 主成分的贡献率为%，其中LL，LP，LT，LA，LFW，LDW 和 LV 具有较强的正向负荷，而SLA 和 LMF 则具有的较强逆向负荷，表明该主成分反映的是6 / 10这两类性状的对比，具体可用方程：Y1 = - + LL + LW + LP + LT + LA + LFW + LDW - LDMC - SLA + LV - LTD + LSI - LMF 来表示；第 2 主成分的贡献率为%，其中 LW具有较强的正向负荷，而 LSI 则具有较强逆向负荷，表明该主成分反映的是 LW 与 LSI 的对比，具体可以方程：Y2 = - - LL + LW - LP + LT + LA + LFW + LDW + LDMC + SLA + LV - LTD - LSI + LMF 来表示；第 3 主成分的贡献率为%，其中 LDMC 和 LTD 均有较强的正向负荷，表明该主成分的综合反映了 LDMC 和 LTD 两个性状，具体可以方程：Y3 = - + LL + LW + LP - LT + LA - LFW + LDW + LDMC - SLA - LV + LTD + LSI + LMF 来表示。 根据以上 3 个方程，得到不同产地石韦叶片性状的主成分值列于表 5。其中，前 2 个主成分值的分布情况如图1 所示。从图中可以看出，藤县、金秀和大明山均分布在第一象限，表明它们的关系较近；而那坡、环江和资源在第2，3 和 4 象限的单独分布，则反映出了它们叶片性状的特7 / 10殊性。表 3 广西石韦叶片性状相关矩阵的特征根及其贡献率表 4 广西石韦叶片性状主成分的特征根向量表 5 广西不同产地石韦叶片性状的主成分值 石韦叶片性状的聚类分析广西不同产地石韦叶片性状主成分值的聚类结果如图2 所示。由图可知，不同方法得出的结果基本一致，按照距离的远近，可将广西 6 个产地的石韦划为 4 个类群。第类包括藤县、大明山和金秀，第，类分别为那坡、环江、资源。其中，第类的特点是LW，LT，LA，LFW，LDW 和 LV 的平均值处于较高的水平，LL，LP，LDMC，SLA，LTD，LSI，LMF 处于中间水平；第类的特点是 LL、LP 和 LSI 处于较高的水平，LT，LA，LFW，LDW，LDMC，LV 和 LTD 处于中间水平，LW，SLA 和 LMF 处于较低的水平；第类的特点是 SLA 处于较高的水平，LW，LT，LSI 和 LMF 处于中间水平，LL，LP，LA，LFW，LDW，LDMC，LV 和 LTD 处于较低的水平；第类的特点是 LDMC，LTD 和 LMF 处于较高的水平，LL，LW，LP，LA，LFW，LDW，SLA 和 LV 处于中间水平，LT和 LSI 处于较低的水平。表 6 广西石韦各类群叶片性状平均值的排序4 结论8 / 10变异度分析的结果显示，广西石韦的LV，LFW，LDW，LSI 和 LA 在不同产地间表现的尤为不稳定，表明石韦叶片性状的形成与产地的环境有密切的关系。此外，还在一定程度上反映出它们具有较强的可塑性。其中，LFW 和 LDW 表现出的高可塑性为石韦高产种质资源的筛选和高产栽培提供了可能，但由于中药材在产量和性状等方面都表现为由多基因控制的连续变异20 ，极易受到环境的影响，为石韦种质资源的筛选增加了难度21 。此外，中药材栽培技术中有不少都是来自于对野生生长环境的模拟，如石斛的贴石栽培、贴树栽培、荫棚栽培等22 。因此，摸索筛选石韦种质资源的合理手段，探明影响石韦生长的关键环境因子并对其进行模拟，可作为今后石韦引种栽培研究的重要方面。主成分分析的结果显示，广西石韦的LL，LP，LT，LA 和 LV 与其 LFW 或 LDW 的相关性均达到了显著或极显著的水平。因此，在高产石韦资源筛选的过程中应侧重对 LL，LP，LT，LA 和 LV 几个性状的选择。但LL，LP，LT，LA 和 LV 并不是孤立存在的，它们之间以及它们与其他性状间同样存在复杂的相关关系，说明如果能够采用多个性状来综合反映 LFW 和 LDW 将会更加合理，赵寿9 / 10经等23就是通过对 4 个人参品系多性状的综合评价，建立了单根重 + 根粗 + 茎粗的综合选择方程，进而获得了丰产性强、单根重大、根形美观的人参新品种吉参 1 号。此外，本研究得出的 3 个不同意义的主成分能够反映出广西石韦叶片性状的绝大部分信息，可作为评价广西石韦叶片性状的综合指标，利用前两 2 个主成分对广西 6 个产地石韦的分析表明，藤县、金秀和大明山所产的石韦联系较紧密，可考虑并作同一类，那坡、环江和资源则都单独成类，同时也反映出藤县、金秀和大明山具备某些相似的环境条件从而使得石韦叶片表现出类似的性状，而那坡、环江和资源则具备某些独特的环境条件促使其石韦叶片性状独特。如果能进一步结合 6 个产地的环境条件进行分析，就可探明影响石韦叶片性状的环境因