紅椿和毛紅椿遺傳與生理生態(tài)相關(guān)研究

汪洋 冉勇軍 冷艷芝等

摘要 紅椿和毛紅椿都是國家二級保護(hù)用材樹種。它們在我國零星分布，種群規(guī)模小，但發(fā)展?jié)摿薮?。該文對紅椿和毛紅椿的遺傳表現(xiàn)性狀選優(yōu)和分子遺傳標(biāo)記，紅椿和毛紅椿的生理與生態(tài)研究方面進(jìn)展進(jìn)行了概述，對相關(guān)研究利用提出建議和前景展望。

關(guān)鍵詞 紅椿；毛紅椿；遺傳；生理生態(tài)

中圖分類號 S718.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06910-03

Relevant Study of Genetic and Physiological Ecology of Toona ciliata Roem and Toona ciliate var. pubescens

WANG Yang， SHE Yuanguo et al

（Hubei Vocational College of Ecological Engineering， Wuhan， Hubei 430200）

Abstract Toona ciliata Roem and Toona ciliate var. pubescens， under state protection （category II）， are both rare commercial tree species， which distributes sporadically with small population size but with great development potential. Variety selection of Toona ciliata Roem and Toona ciliata var. pubescens through phenotypic expression of heredity and molecular genetic marker of Toona ciliate var. pubescens are addressed， and the correlating study of physiology and ecology of two species are also summarized. Some pertinent suggestions on researches and applications of the mentioned two species are put forth， so do some expectations.

Key words Toona ciliata Roem； Toona ciliate var. pubescens； Heredity； Physiology and ecology

紅椿 （Toona ciliata Roem）又名紅楝子，楝科（Meliaceae）香椿屬，其干形通直，樹姿挺秀，落葉或半常綠大喬木，強(qiáng)陽性樹種。毛紅椿（Toona ciliata var. pubescens），楝科香椿屬，為落葉大喬木，其干形通直，自然整枝明顯。這2種都是我國熱帶、亞熱帶地區(qū)的珍貴速生用材樹種。紅椿天然分布范圍從印度經(jīng)緬甸、老撾、巴基斯坦、泰國、馬來西亞、印度尼西亞等國至澳大利亞，主要分布于我國華南地區(qū)的低山丘陵區(qū)，地理坐標(biāo)范圍為100°16′～119°40′ E，24°21′～30°31′N[1]。四川的巴中南江海拔620 m，106°93′E，緯度分布達(dá)到32°42′N，也有紅椿分布[2]。這是迄今報道的緯度最高的紅椿自然分布區(qū)域。此次研究在湖北谷城縣111°24′E，32°10′N也發(fā)現(xiàn)了天然紅椿種群，其數(shù)量在百棵以上，保存狀態(tài)完好。毛紅椿為中國特有樹種，主要產(chǎn)于四川、貴州、福建和安徽，垂直分布在海拔500～2 500 m范圍內(nèi)[3]。紅椿和毛紅椿在我國分布不廣，且呈天然零星分布，且過度開發(fā)以及天然更新較慢，其數(shù)量不斷減少，但發(fā)展?jié)摿艽骩4]。

鑒于紅椿和毛紅椿優(yōu)良的品種特性以及面臨瀕危的現(xiàn)實，近年來，越來越多的國內(nèi)學(xué)者對其在種質(zhì)資源、遺傳結(jié)構(gòu)、植物生理、生態(tài)學(xué)、育種、栽培、造林、醫(yī)藥和化學(xué)成分以及資源保護(hù)等方面進(jìn)行了較為廣泛的研究。該文將毛紅椿與紅椿的研究進(jìn)展相結(jié)合，以此作為對同科同屬的紅椿相關(guān)研究進(jìn)行補(bǔ)充。

1 遺傳學(xué)方向研究

檢測植物遺傳多樣性的方法隨著生物學(xué)，尤其是遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展不斷得到提高和完善，從最初的表型變異到后來的染色體多態(tài)性、蛋白質(zhì)多態(tài)性，最后發(fā)展到現(xiàn)在的DNA 多態(tài)性。

1.1 遺傳表現(xiàn)性狀

利用形態(tài)學(xué)或表型性狀來檢測遺傳變異是直接且最簡便易行的方法。劉軍等[5]通過對毛紅椿天然分布區(qū)內(nèi)的13個種源果質(zhì)量、果長等11個表型性狀和苗高、地徑等2個生長性狀進(jìn)行分析，研究了種實和苗期生長性狀地理種源變異規(guī)律。結(jié)果表明，毛紅椿苗期生長性狀在種源水平上主要受中等以上水平的控制，1年生苗苗高的廣義遺傳力和變異系數(shù)最大，地徑次之，種實間不明顯，提出可利用苗高和地徑對不同種源毛紅椿進(jìn)行初步選擇，可取得較理想的結(jié)果。

張亞東等[6]以湖北恩施的6個紅椿半同胞家系為研究對象，其1年生實生苗木苗高、地徑、葉長、葉寬、葉長寬比的差異均達(dá)到了顯著水平，通過性狀差異和整體表現(xiàn)，驗證相似緯度，不同經(jīng)度的引種適應(yīng)性，選育出優(yōu)良家系。宋鵬等[7]則以江西、云南、重慶、四川等地46個紅椿半同胞家系為研究對象，進(jìn)行苗期試驗，測定1年生苗木苗高、地徑、冠幅、主根長度、主根粗度、二級側(cè)根數(shù)6個性狀，為遺傳選優(yōu)提供試驗基礎(chǔ)，研究表明紅椿家系間苗高、地徑、冠幅等3個性狀均達(dá)到極顯著的差異，而且受強(qiáng)度遺傳，通過苗高和地徑進(jìn)行聯(lián)合選擇可以取得較大的遺傳改良效果。根系參數(shù)在一定程度上也是評價紅椿半同胞家系苗期生長、遺傳育種的重要指標(biāo)。

優(yōu)樹選擇是森林良種繁育最有效和可靠的方法之一。優(yōu)樹子代的選優(yōu)是優(yōu)質(zhì)種源遺傳性可持續(xù)的保證，而種質(zhì)家系內(nèi)部半同胞家系間存在較為豐富的變異，遺傳改良和良種選育空間和潛力很大。文衛(wèi)華等[8]對20個1年生紅椿優(yōu)樹子代實生苗苗期苗高生長與地徑生長表現(xiàn)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，20個紅椿家系間苗高生長和地徑生長均達(dá)到極顯著差異。通過選擇育種等方法可篩選出速生優(yōu)質(zhì)的紅椿家系。根據(jù)1年生紅椿家系苗的苗期苗高生長、地徑生長情況，按20%的入選率，選擇苗期速生優(yōu)良家系[8]。劉軍[9]以毛紅椿優(yōu)樹子代為引種研究對象，進(jìn)行苗期試驗，分析苗期苗高、地徑、根干重、莖干重、根莖比、根總長度、根表面積和根體積等8個性狀，結(jié)果表明，家系間高、地徑、根干重、莖干重和根莖比等性狀均達(dá)極顯著差異， 說明毛紅椿各性狀遺傳力差異較大， 苗高的遺傳力相對較高；地徑、根干重、莖干重和根莖比4個性狀的遺傳力為中等；根總長度、根表面積和根體積等3個性狀的遺傳力相對較低。

現(xiàn)代數(shù)碼技術(shù)運用于紅椿苗期選優(yōu)具有高效快捷的優(yōu)點。Rulfe等[10]學(xué)者運用最佳線性無偏預(yù)測法（BLUP），在個體層面上，多次重復(fù)，將傳統(tǒng)預(yù)測技術(shù)和數(shù)碼圖像軟件（Imagej）相結(jié)合，在處理復(fù)雜不穩(wěn)定數(shù)據(jù)環(huán)境下，預(yù)估紅椿遺傳參數(shù)和遺傳值，在遺傳育種中具有實用性和快捷高效性。

1.2 分子標(biāo)記技術(shù)

形態(tài)標(biāo)記雖然簡單，但遺傳表達(dá)有時不太穩(wěn)定，還容易受到環(huán)境條件及基因顯隱性的影響。DNA分子標(biāo)記技術(shù)克服傳統(tǒng)分析法周期長和不穩(wěn)定因素的缺點，快捷準(zhǔn)確地對植物進(jìn)行遺傳多樣性分析，獲取更豐富的遺傳信息。

在毛紅椿分子標(biāo)記技術(shù)方面，已經(jīng)改良了傳統(tǒng)的磁珠富集法（分離基因組微衛(wèi)星DNA的方法），首次從毛紅椿基因組中分離出微衛(wèi)星DNA并測序；設(shè)計、合成SSR引物，優(yōu)化SSR反應(yīng)體系，為進(jìn)一步研究毛紅椿群體遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳變異研究提供了技術(shù)支持[11]。SSR分子標(biāo)記已經(jīng)被運用于對毛紅椿群體遺傳多樣性進(jìn)行分析。毛紅椿群體間的遺傳分化系數(shù)為0.185 4，群體間的基因流（Nm）為1.098 3，說明毛紅椿群體具有較低水平的遺傳變異；群體間遺傳距離與地理距離顯著相關(guān)[12]。采用微衛(wèi)星標(biāo)記對3個毛紅椿天然居群的遺傳結(jié)構(gòu)研究表明，毛紅椿天然居群具有較低水平的遺傳多樣性；基因流高于研究對比多年生植物平均水平， 基因分化系數(shù)低于平均水平；1個毛紅椿天然居群存在空間遺傳結(jié)構(gòu)，而另外2個居群等位基因遺傳變異缺乏空間遺傳結(jié)構(gòu)[13]。核心居群和邊緣居群的遺傳多樣性研究表明，毛紅椿邊緣居群遺傳多樣性水平高于核心居群；核心居群的遺傳分化程度明顯小于邊緣居群，居群間遺傳距離與地理距離的相關(guān)性不顯著，有可能是由于地形原因?qū)е戮尤洪g遺傳分化[14]。

1個物種遺傳多樣性的大小與其自身的生存能力和競爭力密切相關(guān)，保護(hù)生物多樣性最終就是保護(hù)其遺傳多樣性[4，15]。香椿屬植物自然保留居群的規(guī)模都很小，基本都是散生，居群內(nèi)幼苗極少，遺傳多樣性很低，天然植株間的變異小，居群更新能力差，暗示了近交衰退嚴(yán)重[16]。毛紅椿天然居群是較低遺傳多樣性水平的群體，可能與該群體的人類活動頻繁有關(guān)，人為干預(yù)比較嚴(yán)重，導(dǎo)致其遺傳多樣性降低[12]，因此應(yīng)加強(qiáng)對毛紅椿天然群體的保護(hù)。

2 生理生態(tài)研究

2.1 生理研究

對紅椿的生理研究近年來取得了長足進(jìn)展。在抗逆性研究方面，干旱脅迫是研究的主要方向。吳際友等[17]對紅椿5個無性系1年生盆栽幼苗在春季4月份進(jìn)行不同周期干旱脅迫試驗，重度脅迫（正常澆水?dāng)嗨?7 d）下，紅椿無性系幼苗葉片相對含水量最低；不同無性系間相對含水量差異不顯著；而幼苗葉片葉綠素含量最高，不同無性系之間幼苗葉片葉綠素含量差異不顯著；全周期紅椿無性系幼苗葉片葉綠素含量呈逐漸增加的趨勢。全光照、60%遮陰、80%遮陰和3種土壤水分（高、中和低）處理下，毛紅椿幼苗葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、葉綠素含量及葉面積等特性的研究，揭示了毛紅椿苗期夏季全光照和中度遮陰時的光合日進(jìn)程均呈“雙峰”型， 中午高光強(qiáng)與高溫促成明顯的光合“午休”現(xiàn)象；相同的光照條件下， 土壤含水量的高低與葉面積的大小呈正比；在遮陰條件下， 毛紅椿苗木通過增大葉面積、提高葉綠素含量有效地利用較弱的光輻射， 形成適應(yīng)遮陰條件的生態(tài)生存對策[18]。

紅椿幼苗無性系水分脅迫試驗表明，通過無性系幼苗葉綠素、MDA、脯氨酸的含量變化趨勢，SOD和POD活性變化趨勢，可以篩選抗旱能力較強(qiáng)的無性系[19]。根據(jù)夏秋扦插成活率、生根率和1年生苗木的生長量綜合優(yōu)選推廣品系[19]，是紅椿育種的可行方法。不同無性系、不同的干旱脅迫處理梯度，葉片SOD和POD明顯不同。中度脅迫（正常澆水后斷水12 d）下紅椿無性系幼苗葉片SOD含量最高 （606.83 U/g），各周期不同無性系幼苗葉片SOD含量沒有顯著差異；重度脅迫 （正常澆水后斷水 17 d）下幼苗葉片POD含量最高，各無性系幼苗葉片POD含量沒有顯著差異，葉片POD 含量隨試驗周期進(jìn)行遞減[20]。

在缺乏微量元素條件下，不利于澳洲紅椿（Toona ciliata M.Roem var.australis）高度、徑生長和干物質(zhì)積累，最直接相關(guān)的影響來自硼元素的缺乏。缺硼造成嫩葉枯萎，芽和根形態(tài)改變；缺錳葉面上卷，并表現(xiàn)輕微黃化??；缺銅嫩葉出現(xiàn)藍(lán)色點，葉萎焉；缺鋅會導(dǎo)致節(jié)間縮短，披針形葉片變小；缺鐵導(dǎo)致植物生長緩慢、嫩葉出現(xiàn)黃化病[21]。

西南地區(qū)酸性紫色土、鈣質(zhì)紫色土和沖積土上生長的1年生紅椿盆栽實生苗，暴露在不同濃度Pb脅迫（0、200、450和2 000 mg/kg）條件下，葉長、葉面積、生物量、各器官Pb含量特征和富集程度不同，紅椿對Pb污染的耐性和轉(zhuǎn)移效率各異。紅椿作為耐Pb污染的鄉(xiāng)土速生用材樹種，具有一定的吸收和富集Pb的能力，因此紅椿可以考慮作為西南地區(qū)Pb污染土壤生態(tài)修復(fù)的先鋒物種[22]。

2.2 生態(tài)研究

紅椿為落葉樹種，3月初枝葉凋落的梢頭上尚未萌發(fā)新枝，紅椿從發(fā)芽到落葉歷時260 d。紅椿幼樹耐陰，林冠下更新良好，根際萌蘗性強(qiáng)。3月下旬發(fā)芽展葉，花期6～7月份，10月中、下旬果成熟，11月下旬開始落葉。從發(fā)芽到落葉歷時260 d。該樹種常與漆酸棗、薄葉楠、青岡、豹皮樟、楓香、山槐、黃連術(shù)、青檀等樹種混生[23]，也常與毛紅椿混生，在土層深厚、肥沃、濕潤、排水良好的疏林地、林緣或溝谷地帶生長最好[24]。

植物種群的規(guī)模影響著種群的生活潛力，種群規(guī)模小是種群趨向瀕危的特征之一[25]。 香椿屬植物自然保留居群的規(guī)模都很小，基本都是散生，居群更新能力差。為揭示毛紅椿群落中種群的相互關(guān)系， 揭示群落的結(jié)構(gòu)和功能，了解其發(fā)展規(guī)律，選取不同地理位置、土壤狀況以及群落組成類型的典型樣地，測定各生態(tài)因子，設(shè)置樣方調(diào)查計算分析毛紅椿群落主要樹種種間聯(lián)結(jié)性。付方林等[26]研究發(fā)現(xiàn)毛紅椿群落多物種總體關(guān)聯(lián)性為顯著的正相關(guān)， 但毛紅椿與喬木層植物種間聯(lián)結(jié)性不顯著，群落處于種間競爭和環(huán)境選擇與演替中。

紅椿致危因素為：種子成苗率低，幼苗期生長緩慢；種群規(guī)模小，近交衰退嚴(yán)重；人為干擾嚴(yán)重，紅椿的生境遭破壞[16]。沈新華[27]對云南華坪紅椿資源，主要針對毛紅椿進(jìn)行了調(diào)查。在野外隨機(jī)選取樣方點，每個樣方點按不同海拔段（位置）抽取樣方，記錄樣方中紅椿的數(shù)量、齡組、生態(tài)狀況。計算紅椿在樣方內(nèi)的相對密度d（d=n/s），利用相對密度求得分布總量。通過該物種特性和分布特點，提出了瀕危因素，并提出了相應(yīng)的就地保存為主，輔以遷地保存，加強(qiáng)科研監(jiān)測工作和宣傳保護(hù)等建議[16，27]。

3 建議及展望

目前分子水平標(biāo)記只用于毛紅椿遺傳結(jié)構(gòu)研究，還尚未用于毛紅椿的育種上。對紅椿遺傳性狀的研究仍然處于表型變異上，分子水平的遺傳研究還未見報道。通過DNA分子標(biāo)記技術(shù)對紅椿進(jìn)行遺傳多樣性分析，獲取更豐富的遺傳信息，研究地理種源變異是亟待解決的課題。

生態(tài)學(xué)研究中，關(guān)于紅椿的種群動態(tài)、種群結(jié)構(gòu)與空間格局、地理種源變異以及優(yōu)樹選擇方面的研究少見報道。紅椿與毛紅椿的開發(fā)利用，尤其是化學(xué)和藥理方面利用研究有著廣泛的前景。

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