山桐子天然群體表型遺傳多樣性研究

李大偉，龔榜初，白杰建，彭佳龍，陳紅星

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽 311400；2.青川縣林業(yè)局，四川青川281000；3.臺州市仙居縣林業(yè)局，浙江 臺州 317300；4.金華市磐安縣林業(yè)局，浙江 金華 322300）

山桐子（Idesia polycarpa）為大風(fēng)子科山桐子屬植物，在中國主要分布于長江流域、華北和西北南部的17個省區(qū)。另外，朝鮮、日本的南部也有分布。山桐子是陽性速生樹種，適應(yīng)性強，對氣候要求不嚴格。山桐子結(jié)實量大，含油率高，果實成串，鮮紅艷麗形似瑪瑙，既可以作為冬季觀果的園林綠化樹種，又是良好的新型能源樹種。其油脂成分中不飽和脂肪酸的含量在80%以上，作為食用油對人體健康十分有益，并且對高血壓、高血脂等心腦血管疾病有很好的預(yù)防作用和輔助療效[1]。迄今，陜西、四川等地仍有食用山桐子油的習(xí)慣。但是對于山桐子的研究基礎(chǔ)十分薄弱，近年來一些學(xué)者對山桐子的栽培技術(shù)[2]，果實成分[3]、組織培養(yǎng)[4]以及引種育苗方面[5]做過一些研究，但有關(guān)山桐子天然居群遺傳多樣性方面的研究尚未見報道。筆者以山桐子葉片、果實、果穗和種子等形態(tài)特征為研究內(nèi)容，對秦嶺淮河以南、四川以及陜西等八個省份山桐子天然居群的群體遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性進行了研究，旨在為我國新一代能源樹種的資源保護和生產(chǎn)應(yīng)用提供幫助，同時也為基因資源保存和遺傳改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 群體選擇和試驗材料的采集

在全面收集山桐子天然分布區(qū)資料和實地勘測的基礎(chǔ)上，于2008年9～12月在我國山桐子自然分布區(qū)內(nèi)選擇12個群體進行調(diào)查采樣。經(jīng)調(diào)查和試驗獲得各居群生態(tài)與地理狀況見表1。在每個群體內(nèi)，選取15～20株、10～20 a生處于盛果期的健康植株作為樣株，株間距離在200 m以上。對樣株進行定位、標記，在樣株樹冠中上部外緣隨機采集30片葉子和30穗成熟果穗做測試材料。由于山桐子種子自然萌發(fā)率極低，天然分布稀少，所以湖北宜昌、湖南通道和浙江磐安三地采集的樣品數(shù)量不足，以下主要對其他9個群體所采集樣品的數(shù)據(jù)進行分析。

表1 山桐子采樣群體的地理位置及生態(tài)因子情況

1.2 性狀測定方法

選取相對穩(wěn)定、便于測量的表型性狀，每個地點選取15株樹，每株樹選取葉片30個，果穗30串，隨即選擇果實30顆。用直尺測定葉長、葉寬、葉柄長、果穗長、果穗寬，精確到0.1 cm。用數(shù)顯游標卡尺測量葉柄徑、果長、果寬，精確到0.01 cm。定義葉長/葉寬為葉形指數(shù)，果長/果寬為果形指數(shù)。從每個單株中隨機選取50粒種子稱重，換算成千粒重。

1.3 統(tǒng)計分析

對各性狀采用巢氏設(shè)計方差分析[6]，生態(tài)梯度綜合值（EGA）是生態(tài)因子經(jīng)過CA、PCA降維的綜合值，能夠綜合反映生態(tài)諸因素的綜合效應(yīng)[7]。

采用雙變量相關(guān)分析對山桐子各表型性狀和采集點的地理生態(tài)因子進行相關(guān)分析。表型數(shù)據(jù)標準化以后，利用歐式離差平方和法對表型性狀進行聚類分析。

其他統(tǒng)計運算按照常規(guī)方法并利用EXCEL2003，DPS11.5，SPSS16.0 軟件包提供的有關(guān)程序進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 山桐子群體間表型性狀的形態(tài)變異特征

表2為山桐子群體間和群體內(nèi)表型性狀的變異均方及F值，葉片、葉柄、果實、果穗、種子等15個表型性狀在群體間和群體內(nèi)均存在極顯著差異。從各表型性狀的均值及均值的多重比較結(jié)果可知，山桐子各性狀在群體間大多存在顯著差異，葉長和葉寬變異相近，均值較大的群體均為朝天、寧強。各樣本間葉長差異顯著，而葉寬不顯著。葉形指數(shù)測量值較大的群體為奉化和黃山相互差異不顯著，較小群體為上猶和分宜相互之間差異顯著。葉柄長均值較大群體為奉化和朝天相互之間差異顯著，較小群體為元壩和黃山相互差異顯著。果穗的性狀研究結(jié)果表明，每穗出果數(shù)變異最大，各群體間均存在顯著差異，其次為果穗長。果穗寬比較穩(wěn)定，各樣本間均值的變幅為5.772～9.324 cm，果實大小較為穩(wěn)定，各群體內(nèi)果長和果寬的均值都在8.0～9.5 mm之間，只有奉化群體的均值達到10.572 mm。其余性狀例如果形指數(shù)、果重、單果種子重、千粒重各群體間均值差異較小，只有單果出籽數(shù)這一指標各地樣本的均值變幅18.593～41.937，并且各群體間存在顯著差異。由此可見，山桐子群體間各性狀差異較大，從葉片和果實表型指標測定結(jié)果而言，采集于西北地區(qū)朝天和寧強的山桐子種源優(yōu)于東部采集地。

表2 山桐子群體間及群體內(nèi)表型性狀方差分析結(jié)果

2.2 山桐子表型變異和地理、氣候生態(tài)因子的相關(guān)性

進一步對山桐子15個表型性狀與海拔、經(jīng)緯度、年均溫、年降雨量、無霜期和生態(tài)梯度值等生態(tài)因子進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：果形指數(shù)與經(jīng)度和年降雨量，葉片長、寬與緯度分別呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為 0.856**、0.668*、0.732*、0.794*。葉片長、寬與年均溫和EGA，單果出籽數(shù)和經(jīng)度，千粒重與無霜期分別呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.786*、-0.752*、-0.696*、-0.738*、-0.708*。15個性狀與海拔的相關(guān)性均為不顯著，以上可知，生態(tài)環(huán)境因子對山桐子表型性狀的影響主要集中在葉片長、寬，果實大小，單果出籽數(shù)和千粒重。

2.3 山桐子群體表型聚類分析

為進一步研究山桐子群體間的遺傳關(guān)系，利用歐式離差平方和法對9個天然群體的葉形指數(shù)、葉柄長、果穗長、單果重等15個表型數(shù)據(jù)進行聚類分析（圖 1）。

根據(jù)聚類分析結(jié)果，可將9個群體歸為3個類群。其中上猶與仙居表型性狀相近，黃山與其接近，這3個種源屬于第一類群。分宜與元壩歸為第二類群。青川與朝天距離很相近，奉化與這兩個種源接近，寧強距離稍遠但也同屬于第三類群。由圖可知，山桐子的表型性狀聚類與地理距離聚類不相一致。分宜與元壩分別屬于江西省與四川省，但山桐子的表型性狀卻很相近，具體原因還有待進一步研究。

3 結(jié)論與討論

3.1 山桐子遺傳變異豐富

本研究結(jié)果表明山桐子表型性狀存在廣泛變異，通過群體間和群體內(nèi)表型性狀的變異均方及F值檢驗，所研究的葉長、寬，果實大小，果穗，種子等15個表型性狀在群體間和群體內(nèi)均存在極顯著差異。各性狀指標變異系數(shù)的變幅為12.65%～74.22%。充分說明山桐子群體表型性狀變異豐富。山桐子這種變異是自身遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。這種多層次的變異為優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源和生物多樣性保護提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也表明了生物多樣性保護任務(wù)的艱巨性。

3.2 環(huán)境對山桐子遺傳變異的影響較大

山桐子在我國的17個省區(qū)都有分布，植物在與環(huán)境長期互作或生存競爭的過程中，形成了許多適應(yīng)或防御機制，包括形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化代謝等方面，這些特性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇z傳的性質(zhì)保留下來，這是植物適應(yīng)環(huán)境發(fā)展的結(jié)果[8]。形態(tài)或表型特征變異反映基因型、群體或生態(tài)型的變異豐富度，表型變異是基因組的遺傳變異與環(huán)境互作的結(jié)果[9]。山桐子分布區(qū)內(nèi)地形、氣候等環(huán)境生態(tài)因子復(fù)雜多變，以及通過長期的地理隔離和自然選擇，使其產(chǎn)生了極其豐富的種間和種內(nèi)變異。本研究表明，山桐子對緯度變化表現(xiàn)出一定的梯度規(guī)律性，隨著緯度的變化，由南向北，葉片長和葉寬等性狀都有增加的趨勢，作為一個優(yōu)良的速生陽生樹種，這也是山桐子適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)。

另外，研究還表明山桐子的單果重、單果出籽率、單果種子重等性狀對經(jīng)度變化改變比較明顯，從東到西均有增加的趨勢，形態(tài)特征的變異往往具有適應(yīng)意義，自然群體中保持較大的變異貯存對群體是有利的，因此山桐子豐富的表型變異，也進一步說明了山桐子抗逆性強、適應(yīng)性廣的原因。

3.3 山桐子種質(zhì)資源遺傳改良前景廣闊

本研究主要從山桐子表型變異著手，表型變異是遺傳型和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[10-11]，而且表型變異必然蘊涵著遺傳變異，表型變異越大，可能存在的遺傳變異越大。研究自然存在的表型變異，是研究遺傳變異的先導(dǎo)。根據(jù)山桐子豐富的自然變異情況，可以推斷山桐子的改良前景是廣闊的。山桐子具有較高的變異水平，遺傳潛力很大。因此，在遺傳改良工作中，要兼顧優(yōu)良種源、優(yōu)良群體和優(yōu)良個體進行選擇。

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