河西走廊不同紅砂天然群體種子表型性狀相關(guān)性研究

蘇世平，李毅，種培芳，高茜

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

植物的性狀是由基因型和環(huán)境共同作用的結(jié)果，可以通過測定表型或進(jìn)行遺傳標(biāo)記等多種手段進(jìn)行多樣性研究，其中用表型性狀來測定是最現(xiàn)實(shí)和直接的方法［1］，因?yàn)楸硇妥儺惐厝惶N(yùn)藏著遺傳變異，對植物表型性狀進(jìn)行研究不僅能初步了解種群遺傳變異的大小，同時也有助于了解生物適應(yīng)和進(jìn)化的方式。

同一植物，由于長期處在不同的生境下，受到各種條件的限制，在形態(tài)和生理上出現(xiàn)不同程度的變化，這種變化與植物所處環(huán)境的生態(tài)因子、群體間的距離以及群體內(nèi)的生殖方式有關(guān)，一般認(rèn)為，生境越復(fù)雜、群體間距離越遠(yuǎn)、異花授粉程度越高則表型變異越大，可能存在的遺傳變異也越大。利用形態(tài)性狀來研究物種遺傳變異是簡便而易行的手段，可以直接利用野外采集的樣本來進(jìn)行分析［2］。

紅砂（Reaumuriasoongorica）屬檉柳科（Tamaricaceae）紅砂屬（Reaumuria）的落葉超旱生半灌木，主要分布在年降水量在60～300mm、海拔500～3 200m的荒漠、半荒漠的山麓洪積平原、山地丘陵、剝蝕殘丘、山前砂礫質(zhì)和礫質(zhì)洪積扇、戈壁等地，是干旱荒漠區(qū)分布最廣的植物種之一，具有固沙、固土的優(yōu)良特性，以其為建群種的植被群落是干旱荒漠中的主要植被類型之一，是保護(hù)干旱荒漠化土地的重要生物屏障［3－5］。但是，由于干旱和人為破壞，導(dǎo)致以紅砂為建群種的植被群落自然更新速度緩慢，使得群落的穩(wěn)定性下降，迫切需要恢復(fù)與重建。通過對天然群體紅砂種子性狀的研究，揭示其種內(nèi)變異規(guī)律，為今后開展種質(zhì)資源收集與保存、遺傳評價及種質(zhì)創(chuàng)新利用以及人工輔助更新及群體遺傳多樣性研究提供理論依據(jù)［6］。

在紅砂的研究方面，前人主要集中于繁殖特性［4，5］、群落更新［3］、群落穩(wěn)定性［4－7］以及不同種群生理特性［8，9］等方面，而對于不同群體紅砂遺傳多樣性方面的研究比較少見［10－12］。因此進(jìn)行紅砂群落種子表型多樣性的研究，可揭示紅砂表型變異程度和變異規(guī)律，可為今后該樹種種質(zhì)資源的保護(hù)與開發(fā)利用提供依據(jù)［4，12－14］。

1 材料與方法

1.1 群體的確立與試驗(yàn)材料的采集

按經(jīng)度、緯度和海拔梯度設(shè)置樣地，于2007年10月完成所有群體種子的采集工作。在河西走廊紅砂天然分布區(qū)內(nèi)，自西向東共選取10個群體（圖1）：酒泉1（JQ1）、酒泉2（JQ2）、酒泉3（JQ3）、武威1（WW1）、武威2（WW2）、武威3（WW3）、武威4（WW4）、張掖1（ZY1）、張掖2（ZY2）、張掖3（ZY3）。每群體選取15株生長正常、具有代表性的單株進(jìn)行采種，株間距離5m以上；在每個單株上采收所有種子帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

樣地中實(shí)測經(jīng)緯度、海拔；年均溫、1月均溫、7月均溫和年降水量等氣象因子從當(dāng)?shù)貧庀蟛块T查詢（2007年氣象數(shù)據(jù)）（表1）。

圖1 紅砂采種分布圖Fig.1 The plots of R.soongoricaseed collecting

表1 紅砂采樣群體地理位置、生態(tài)因子及樣地簡介Table 1 Locations and releated ecological factors of the sampled populations

1.2 種子表型性狀的測定方法

千粒重：在10個群體中進(jìn)行每株測定。每群體測定15株，每株抽取3 000粒種子分成3等份測量千粒重。取平均值作為單株千粒重。

種子長（Ls）、種子寬（Ws）：每群體15個單株，每單株隨機(jī)取20粒種子，用濃硫酸腐蝕掉種毛，將去掉種毛后的種子置于坐標(biāo)紙上進(jìn)行數(shù)碼拍照，種子長寬用CAD軟件進(jìn)行測量，按實(shí)際比例進(jìn)行換算。

式中，y1為沿種子長方向坐標(biāo)紙單位長度CAD測量值，y2為種子長CAD測量值，y3為沿種子長方向坐標(biāo)紙單位長度。

式中，x1為沿種子寬方向坐標(biāo)紙單位長度CAD測量值，x2為種子寬CAD測量值，x3為沿種子寬方向坐標(biāo)紙單位長度。

1.3 統(tǒng)計分析方法

對各性狀采用巢式設(shè)計方差分析［15－19］，線性模型為：

式中，Yijk為第i個群體第j個家系第k個觀測值，μ為總平均值，τi為群體間效應(yīng)值，δj（i）為群體內(nèi)家系效應(yīng)值，εk（ij）為隨機(jī)誤差。

表型分化系數(shù)（Vst）［18］反映群體間表型分化的值，即群體間變異占遺傳總變異的百分比。

式中，σ2t/s為群體間的方差分量，σ2s為群體內(nèi)的方差分量。

用變異系數(shù)CV表示表型性狀的離散性特征，變異系數(shù)越大，性狀值離散程度越大。

式中，S為標(biāo)準(zhǔn)差，珡X為平均值［19］。

為了消除量綱使性狀間具有可比性，采用相對極差R′i表示各群體內(nèi)的極端變異程度。

式中，Ri為群體內(nèi)的極差，Ro為性狀總極差。

采用雙變量相關(guān)分析法對紅砂各性狀與采集點(diǎn)地理生態(tài)因子之間進(jìn)行相關(guān)分析。利用歐氏平均距離法進(jìn)行分層聚類分析。

上述的數(shù)據(jù)統(tǒng)計均利用Excel 2003，SPSS 11.5軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅砂群體間和群體內(nèi)的形態(tài)變異特征

紅砂種子4個表型性狀在群體間都存在極顯著差異，在群體內(nèi)差異不顯著（表2）。各性狀平均值和多重比較（表3）表明，群體中4個性狀間存在顯著的差異。千粒重最大的群體是WW4，為2.42g，最小的是JQ3，為1.07g，種子長最大的群體是 WW4，為3.496mm，最小的群體是ZY1，為2.532mm，種子寬最大的群體是JQ3，為1.364mm，最小的群體是ZY1，為0.850mm，種子長寬比最大的群體是 WW4，為3.977，最小的群體是JQ3，為3.006。

2.2 紅砂種子形態(tài)變異特征

各群體表型性狀變異系數(shù)（表4）表明，4個種子性狀平均變異系數(shù)為0.019 3，變異幅度0.001 8～0.068 5。各表型變異系數(shù)由大到小依次為：千粒重（0.068 5）＞種子寬（0.004 0）＞種子長寬比（0.003 1）＞種子長（0.001 8），這表明千粒重在群體間變化最大，種子寬最小。

同一性狀在不同群體內(nèi)的變異幅度也有差異，說明不同地區(qū)的環(huán)境異質(zhì)性導(dǎo)致表型產(chǎn)生差異。10個群體所有性狀的平均變異系數(shù)從大到小的排序?yàn)椋篫Y1（0.048 4）＞ZY2（0.037 1）＞W(wǎng)W2（0.025 5）＞W(wǎng)W4（0.018 1）＞JQ3（0.017 7）＞W(wǎng)W1（0.010 8）＞JQ1（0.010 4）＞ZY3（0.010 3）＞W(wǎng)W3（0.008 3）＞JQ2（0.006 6）。變異系數(shù)最大的群體（ZY1）要比最小的群體（JQ2）大近7倍多。說明ZY1的表型多樣性較高，而JQ2的表型多樣性程度較低。

表2 紅砂群體間群體內(nèi)表型性狀的方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis of phenotypic traits among population/within population

表3 10個天然群體表型性狀的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 The mean value and standard deviation of phenotypic traits of 10populations

2.3 各群體表型性狀的相對極差

4個表型性狀的平均相對極差（表5）為40.369 0，相對極差最大的性狀是種子長（R′i＝65.541 5），相對極差最小的是種子寬（R′i＝17.228 9），說明種子長在群體內(nèi)的極端變異程度最大，而種子寬在群體內(nèi)變異程度比較穩(wěn)定。4個表型性狀的相對極差排序?yàn)椋悍N子長＞種子長寬比＞千粒重＞種子寬。10個群體之間相對極差的變化比較大，按相對極差從大到小的順序?yàn)椋篔Q3＞ZY1＞ZY2＞JQ1＞ZY3＞W(wǎng)W2＞W(wǎng)W4＞W(wǎng)W1＞JQ2＞W(wǎng)W3。

2.4 紅砂天然群體間的表型分化及各形態(tài)特征變異來源

表型性狀的表型分化系數(shù)（Vst）變異幅度為68.312 458%～99.247 950%（表6），其中最大的是種子長，Vst＝99.247 950%，最小的是千粒重，Vst＝68.312 458%，說明4個性狀在群體間的變異大于群體內(nèi)的變異，群體間的變異占絕對優(yōu)勢。

表4 紅砂天然群體表型性狀的變異系數(shù)Table 4 Variation coefficient of phenotypic traits of R.soongorica populations

2.5 紅砂表型性狀和采集地的地理生態(tài)因子的相關(guān)關(guān)系

對4個性狀與其分布地地理生態(tài)因子偏相關(guān)分析與檢驗(yàn)結(jié)果表明（表7），千粒重、種子長、種子長寬比與經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，種子寬與經(jīng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)。千粒重與緯度呈顯著負(fù)相關(guān)，種子長、種子寬、種子長寬比與緯度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系。千粒重、種子長、種子寬與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)，種子長寬比與海拔呈顯著正相關(guān)。種子長與1月均溫、7月均溫呈顯著正相關(guān)，與年均溫、年降水量呈極顯著正相關(guān)。

這說明千粒重、種子長和種子長寬比3個表型性狀隨著經(jīng)度的升高而升高，種子寬隨經(jīng)度的減小而增加；種子長、種子寬和種子長寬比隨緯度升高而升高。即由西到東，千粒重、種子長、種子長寬比都有所增大，由北到南，紅砂種子長、種子寬、種子長寬比都有所降低，千粒重有所升高；從高海拔到低海拔，除種子長寬比外，其他性狀均有升高的趨勢。

表5 紅砂天然群體表型性狀的相對極差（R′i）Table 5 Relative extreme value differences of phenotypic traits in R.soongorica populations %

表6 表型性狀的方差分量及群體間表型分化系數(shù)Table 6 Variance portions and differentiation coefficients of phenotypic traits among/within populations

表7 紅砂表型性狀與地理生態(tài)因子間的相關(guān)關(guān)系Table 7 Correlation coefficients matrix between the phenotypic traits and geo－ecological factors in R.soongorica

2.6 紅砂天然群體表型聚類分析

利用歐氏平均距離法，對各群體4個表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析（圖2）。根據(jù)聚類結(jié)果將10個群體劃分為4個類群。將JQ1、JQ2、ZY2聚為一類，WW1、WW2、WW3、WW4和 ZY3聚為一類，JQ3、ZY1單獨(dú)歸為2類。

圖2 紅砂天然群體表型性狀聚類Fig.2 UPGMA cluster based on the phenotypic traits of 10 populations

3 結(jié)論與討論

3.1 群體間表型變異產(chǎn)生的原因

紅砂不同群體間同一性狀都存在著廣泛差異，說明群體表型的差異是由不同地區(qū)的環(huán)境異質(zhì)性所導(dǎo)致，這表明其性狀穩(wěn)定性較差并受到一定環(huán)境壓力的影響［20，21］，導(dǎo)致群落內(nèi)差異不顯著的結(jié)果有可能與其繁殖方式有關(guān)，也可能與群落所處立地環(huán)境有關(guān)，也可能與群體之間的地理距離有關(guān)。曾彥軍等［5］報道紅砂的繁殖方式主要受其生長環(huán)境和群落的年齡結(jié)構(gòu)影響，生長于干旱、沙化生境的成熟紅砂群落以無性繁殖為主，無性繁殖占種群比例的72.4%，處于相對濕潤的幼齡紅砂種群以有性繁殖為主，這說明，在河西走廊這種干旱環(huán)境下，無性繁殖導(dǎo)致種群性狀高度一致，遺傳基礎(chǔ)趨于一致化；黃培祐等［22］對荒漠地區(qū)紅砂繁殖方式的研究表明，紅砂種子和幼苗建植需要較濕潤的環(huán)境，這也說明，干旱少雨導(dǎo)致紅砂種子難以萌發(fā)和幼苗難以成活，從而降低了通過有性繁殖所產(chǎn)生的表型分化，因此導(dǎo)致群體的遺傳基礎(chǔ)變窄，本研究與此結(jié)果相似，從降水量看，張掖1的年降水量為195mm，為10個群體中最高，該群落的變異系數(shù)均比其他群體高，這也表明，濕潤環(huán)境可提高種子和幼苗的建植；表型的這種變異模式也可能與生殖的地域隔離有關(guān)，由于各群體之間間隔距離比較大，導(dǎo)致群落之間沒有或者很少有基因交流，經(jīng)過長期的繁衍，從而導(dǎo)致這種群落分布格局。

3.2 表型變異的梯度規(guī)律性

樹種分布范圍的大小是影響樹木地理變異的主要因子。一般而言，分布區(qū)較大，則變異大；分布范圍小則變異小。另外，樹種自然分布區(qū)內(nèi)環(huán)境因素多樣性也是影響林木地理變異的因子。分布區(qū)的環(huán)境條件越復(fù)雜，則種內(nèi)群體的遺傳變異越大。研究結(jié)果表明紅砂種子性狀變異呈現(xiàn)以水平地帶性和垂直地帶性變異為主的梯度規(guī)律性，該研究結(jié)果與前人在云杉（Piceaasperata）［23］、青海云杉（Piceacrassifolia）［19］、白皮松（Pinusbungeana）［15］等的研究結(jié)果相似，導(dǎo)致這種結(jié)果發(fā)生的原因可能與河西走廊不同區(qū)域年降水量、1月和7月均溫的不同均有關(guān)。所抽樣群體在降水上整體趨勢從酒泉、武威到張掖呈陡減趨勢，7月和1月均溫絕對值都呈升高趨勢，這也可能導(dǎo)致種子體內(nèi)內(nèi)含物、營養(yǎng)物質(zhì)的積累由于環(huán)境因素不同而差異懸殊，所以才有這種變異趨勢。

盡管群體內(nèi)表型的變異不顯著，但群體間變異的意義卻大于群體內(nèi)的變異，因?yàn)榇嬖谟谌后w間的變異反映了地理、生殖隔離上的差異，群體間的多樣性變異是種內(nèi)多樣性的重要組成部分。分布在群體間的變異真正反映了群體在不同環(huán)境中的適應(yīng)狀況，其大小在某種程度上說明了該生物對不同環(huán)境適應(yīng)的廣泛程度，值越大適應(yīng)的環(huán)境越廣［20］。

3.3 種質(zhì)資源保存的艱巨性

根據(jù)紅砂豐富的自然變異，可以初步推斷其改良前景是廣闊的。紅砂表型性狀68% 以上的變異來自群體間，32%的變異存在于群體內(nèi)，群體間的分化明顯高于群體內(nèi)，造成這種變異的原因可能與植物自身的繁殖對策和環(huán)境因素有關(guān)。群落間的這種變異為生物多樣性保護(hù)和優(yōu)良種質(zhì)資源的利用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，但是群落內(nèi)部這種極大的相似性使群落穩(wěn)定性和抗御自然災(zāi)害的能力降低，群落內(nèi)部的生物多樣性指數(shù)下降，這種多層次的變異為種質(zhì)資源保存和生物多樣性保護(hù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也為遺傳改良工作提出了新的要求，即在遺傳改良工作中進(jìn)行優(yōu)良種源、優(yōu)良群體選擇和利用的同時，應(yīng)加大優(yōu)良個體選擇和利用的力度［24，25］，同時也表明了生物多樣性保護(hù)任務(wù)的艱巨性，這就要求如何在保持和發(fā)展群體間這種廣泛變異的基礎(chǔ)上發(fā)掘和擴(kuò)大群體內(nèi)的變異，使得群體內(nèi)和群體間均有豐富的遺傳多樣性。

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