天山櫻桃種質(zhì)資源表型多樣性研究

李春僑,周 龍,陸 彪,董凱向,劉春燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.特克斯縣林業(yè)局，新疆特克斯 835500)

天山櫻桃(CerasustianschanicaPojark)又稱野櫻桃，屬于薔薇科(Rosaceae)櫻桃屬(Cerasus)矮生櫻亞屬植物，是中國(guó)瀕臨滅絕的樹(shù)種之一，也是野生珍奇果品資源，在國(guó)內(nèi)僅分布于新疆伊犁和塔城地區(qū)[1]。天山櫻桃集中分布在海拔1 100～1 500 m的陽(yáng)坡地，冬季最低溫達(dá)-35 ℃，平均年降水量300～600 mm，土壤類型多為栗鈣土，與栽培櫻桃相比有較強(qiáng)的抗寒、抗旱和耐瘠薄能力，且矮化效果明顯，因此了解天山櫻桃遺傳多樣性對(duì)栽培櫻桃的育種和優(yōu)良砧木的篩選具有重要意義。目前，對(duì)于天山櫻桃的研究主要集中在繁殖生物學(xué)特性[2]、花粉萌發(fā)特性[3]和花芽形態(tài)分化[3]等方面，尚未涉及到天山櫻桃表型多樣性方面的研究。劉胤等[4]對(duì)80份中國(guó)櫻桃種質(zhì)資源的26個(gè)表型性狀進(jìn)行多樣性分析，認(rèn)為參試材料的數(shù)量性狀在群體間和群體內(nèi)均表現(xiàn)出極顯著差異。曾斌等[5]研究新疆野巴旦杏天然居群的表型多樣性時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片形態(tài)在群系間和群系內(nèi)存在廣泛差異，且形態(tài)變異主要來(lái)源于群系內(nèi)。周龍等[6]利用表型性狀變異研究新疆野生櫻桃李遺傳多樣性，認(rèn)為枝條長(zhǎng)度、枝條粗度、葉片長(zhǎng)度和葉柄長(zhǎng)度是造成新疆野生櫻桃李表型差異的主要因素。表型多樣性是遺傳多樣性與生境多樣性的綜合體現(xiàn)，主要研究各居群在不同生境條件下的表型變異。有關(guān)表型多樣性方面的研究文獻(xiàn)較多，并且隨著遺傳多樣性研究的加強(qiáng)而逐步成為熱點(diǎn)。開(kāi)展天山櫻桃野生群體表型多樣性研究有利于該物種種質(zhì)資源的收集、保存、評(píng)價(jià)與利用研究。為此，本研究通過(guò)對(duì)天山櫻桃4個(gè)野生居群(特克斯、喀拉峻、大西溝、裕民縣)的16個(gè)表型性狀進(jìn)行觀測(cè)，分析不同居群間形態(tài)性狀的多樣性和變異特點(diǎn)，以期為天山櫻桃種質(zhì)資源保護(hù)與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 天山櫻桃分布區(qū)域概況

裕民縣野生居群位于巴爾魯克山以北的山地草原，海拔1 115 m，為溫帶大陸性氣候，年平均降水量280 mm，受巖畫(huà)風(fēng)景區(qū)與野扁桃風(fēng)景區(qū)的影響，人為干擾頻繁；特克斯縣野生居群位于蒙古鄉(xiāng)北山較為封閉狹長(zhǎng)的山谷中，海拔1 375 m，高山氣候，年平均降水量383 mm，由于實(shí)行禁牧措施，人為干擾較少；喀拉峻野生居群位于天山北麓，海拔1 454 m，是典型的山地草甸類型草原，年平均降水量600 mm，放牧嚴(yán)重；大西溝野生居群位于天山西部，海拔1 165 m，為山地逆溫帶氣候，年平均降水量671 mm，受中華福壽山景區(qū)影響，人為干擾頻繁。4個(gè)天山櫻桃野生居群的地理位置如表1所示。

表1 4個(gè)天山櫻桃野生居群的地理位置Table 1 Geographical position of 4 natural populations of Cerasus tianschanica Pojark

1.2 材 料

從2012年起，連續(xù)5 a對(duì)天山櫻桃分布區(qū)(特克斯、喀拉峻、大西溝、裕民縣)進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查，按照不同海拔高度，不同坡向，選取不同的植株作為定點(diǎn)觀測(cè)樣株。為盡可能降低樹(shù)齡對(duì)表型特征的影響，選擇基徑相近的單株，共篩選45棵具有代表性的樣株，為避免株間親緣關(guān)系較近，每樣株相隔不少于500 m。采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)定位，并掛牌標(biāo)記以便跟蹤調(diào)查。

1.3 方 法

1.3.1 表型性狀觀測(cè) 枝條停止生長(zhǎng)后，使用電子游標(biāo)卡尺(測(cè)量精度為0.01 mm)測(cè)量1 a生枝長(zhǎng)度和粗度；取新梢中部30枚成齡葉片，測(cè)定葉片長(zhǎng)度和寬度；盛花期，隨機(jī)選取30朵花，測(cè)量花冠直徑、花瓣長(zhǎng)、花瓣寬、花筒長(zhǎng)度、雄蕊數(shù)目和雌蕊長(zhǎng)度；果實(shí)成熟期，采集成熟度一致的果實(shí)30個(gè)，測(cè)量果實(shí)縱徑和橫徑，并用1/1 000電子天平稱量果實(shí)，剝離果皮及果肉，使用手持折光儀檢測(cè)果肉可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并稱量種核質(zhì)量，剝離種殼，稱量種仁質(zhì)量。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 變異系數(shù)是衡量材料中各觀測(cè)指標(biāo)變異程度的統(tǒng)計(jì)量，當(dāng)觀測(cè)指標(biāo)單位不一致時(shí)，可使用變異系數(shù)消除單位對(duì)多個(gè)材料變異程度的影響。Simpson多樣性指數(shù)與Shannon-weaver多樣性指數(shù)是用來(lái)估算遺傳多樣性水平高低的指標(biāo)。歐氏距離是居群間遺傳關(guān)系遠(yuǎn)近的指標(biāo)。類平均法是一種常見(jiàn)的聚類分析方法，目的是尋找數(shù)據(jù)中潛在的自然分組結(jié)構(gòu)，此方法較適用于物種樹(shù)的建立。采用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算各野生居群表型性狀的變異系數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-weaver多樣性指數(shù)和歐氏距離(Euclidean distance)，采用類平均法(UPGMA)對(duì)居群進(jìn)行聚類分析。利用IBM SPSS Statistics 19.0軟件對(duì)天山櫻桃16個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析，確定形成表型差異的主要表型性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 天山櫻桃野生居群表型多樣性

變異系數(shù)、Shannon-weaver指數(shù)和Simpson指數(shù)是衡量種質(zhì)資源遺傳多樣性的重要指標(biāo)，值越高，遺傳多樣性越豐富。如表2所示，16個(gè)表型性狀的變異系數(shù)為3.08%～50.32%，Shannon-weaver指數(shù)為2.22～4.00，Simpson指數(shù)為0.78～1.47，4個(gè)野生居群的平均變異系數(shù)、Shannon-weaver指數(shù)和Simpson指數(shù)由大到小排列一致，均為裕民縣>大西溝>特克斯>喀拉峻，表明裕民縣野生居群的表型多樣性最為豐富，喀拉峻野生居群表型多樣性水平最低。

2.2 天山櫻桃表型性狀的變異及分化

變異系數(shù)表示群體的離散程度，表型變異系數(shù)越大，表型性狀的變異程度越大。由表3可以看出，天山櫻桃16個(gè)表型的變異系數(shù)為8.67%～48.78%，其中種核質(zhì)量(40.61%)、單果質(zhì)量(48.78%)和果實(shí)縱徑(40.25%)的變異系數(shù)較大，可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(8.67%)、雄蕊數(shù)目(11.24%)和花瓣寬(12.81%)的變異系數(shù)較小，穩(wěn)定性好。16個(gè)表型性狀的分化系數(shù)變幅為3.74%～51.93%，種核質(zhì)量(51.93%)的表型分化系數(shù)最大，說(shuō)明天山櫻桃種核質(zhì)量受環(huán)境影響較大，各表型性狀平均分化系數(shù)為25.77%，即居群內(nèi)表型分化系數(shù)為74.23%，表明天山櫻桃野生居群內(nèi)多樣性程度高于野生居群間。

表2 天山櫻桃野生居群變異系數(shù)、Shannon-weaver指數(shù)和Simpson指數(shù)Table 2 Variable coefficient,Shannon-weaver index and Simpson index of different populations of Cerasus tianschanica Pojark

表3 天山櫻桃表型性狀變異系數(shù)及分化系數(shù)Table 3 Variable coefficient and differentiation coefficient from morphological data of Cerasus tianschanica Pojark

2.3 天山櫻桃野生居群的聚類分析

4個(gè)天山櫻桃野生居群間的歐式距離為3.75～7.16，歐氏距離平均值為5.56，表明4個(gè)天山櫻桃野生居群的親緣相對(duì)較近。由歐式距離矩陣可知特克斯野生居群與喀拉峻野生居群的歐式距離最小(3.75)，遺傳分化程度??；裕民縣野生居群與大西溝野生居群的歐式距離最大(7.16)，遺傳分化程度大，親緣關(guān)系相對(duì)較遠(yuǎn)(表4)。

根據(jù)4個(gè)野生居群間的歐氏距離，采用UPGMA聚類法對(duì)居群進(jìn)行聚類分析(圖1)。4個(gè)天山櫻桃野生居群的距離系數(shù)為0～6.34，在距離系數(shù)為5.27時(shí)，4個(gè)野生居群被分為3大類；裕民縣野生居群?jiǎn)为?dú)為第1類，特克斯野生居群與喀拉峻野生居群聚為第2類，大西溝野生居群為第3類。

表4 不同天山櫻桃野生居群間表型性狀的歐式距離Table 4 Euclidean distances from morphological data of different populations of Cerasus tianschanica Pojark

圖1 基于16個(gè)表型性狀的UPGMA聚類圖Fig.1 UPGMA cluster of 16 phenotypic dates

2.4 天山櫻桃表型性狀主成分分析

主成分分析是將原來(lái)眾多具有一定相關(guān)性的變量，在不損失原有數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，重新組合成彼此相互獨(dú)立的變量[7]。通過(guò)對(duì)天山櫻桃16個(gè)表型性狀的主成分分析(表5、表6)，前4個(gè)主成分的特征根大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.02%。其中第1主成分的貢獻(xiàn)率為35.07%，起決定性作用的表型性狀有果實(shí)縱徑(0.40)、果實(shí)橫徑(0.39)、單果質(zhì)量(0.39)、種核質(zhì)量(0.39)和種仁質(zhì)量(0.38)。第2主成分貢獻(xiàn)率為20.15%，起決定性作用的表型性狀有葉片長(zhǎng)度(0.38)、葉片寬度(0.43)、1 a生枝長(zhǎng)度(0.31)和雌蕊長(zhǎng)度(0.45)。第3主成分貢獻(xiàn)率為12.43%，起決定性作用的表型性狀有花冠直徑(0.53)、花瓣長(zhǎng)(0.54)、花筒長(zhǎng)度(0.45)和雄蕊數(shù)目(0.39)。第4主成分的貢獻(xiàn)率為8.37%，葉片長(zhǎng)度(0.34)、1 a 生枝粗度(0.51)、花瓣寬(-0.32)和可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(-0.49)起決定性作用。使用4個(gè)主成分的得分進(jìn)行居群聚類(圖2)，與使用16個(gè)表型性狀所得聚類結(jié)果基本一致，表明篩選出的表型性狀可以代表天山櫻桃16個(gè)表型性狀的數(shù)據(jù)信息。

表5 主成分特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率分析Table 5 Analysis on matrix eigen value,contribution rateand accumulative contribution rate of principal component

表6 表型性狀主成分的負(fù)載量分析Table 6 Analysis of load capacity of principal component of phenotypic traits

圖2 基于主成分得分的系統(tǒng)聚類Fig.2 System cluster based on score of principal component

3 討 論

3.1 天山櫻桃表型性狀變異特征

植物表型性狀既具有變異性，又有其穩(wěn)定性，同時(shí)受植物自身遺傳物質(zhì)和生態(tài)環(huán)境兩方面的影響[8]。本研究中16個(gè)表型性狀的變異幅度為8.67%～48.78%，其中1 a生枝長(zhǎng)、果實(shí)縱徑、單果質(zhì)量和種核質(zhì)量的變異系數(shù)較大。各器官表型性狀變異系數(shù)表現(xiàn)為果實(shí)>種子>枝葉>花，這可能與天山櫻桃作為野生果樹(shù)受坡向、土壤特征和水分等微氣候的影響有關(guān)，果實(shí)性狀表現(xiàn)出較為豐富的變異。梁玉琴等[9]分析河南省柿的表型多樣性，劉娟等[10]研究新疆杏表型多樣性時(shí)也發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果，均認(rèn)為表型性狀的各個(gè)指標(biāo)中果實(shí)性狀變異最為豐富，易受生境影響。

3.2 天山櫻桃表型分化

群體表型分化系數(shù)是群體間表型方差占群體間和群體內(nèi)表型總方差的比例[11]。本研究的16個(gè)表型性狀表型分化系數(shù)均值為25.77%，居群內(nèi)變異顯著高于居群間變異，天山櫻桃的變異主要來(lái)源于居群內(nèi)。在中國(guó)板栗[12]、海南島青梅[13]和浙江柿[14]的表型多樣性研究中也發(fā)現(xiàn)變異主要來(lái)源于居群內(nèi)，與本研究結(jié)果一致。天山櫻桃屬于異花授粉植物，由于長(zhǎng)期的授粉雜交，在同一居群內(nèi)后代表現(xiàn)出豐富的多樣性，其次，野生居群所處地形、地貌與氣候類型多樣，也會(huì)促使天山櫻桃形成豐富的表型變異。

3.3 天山櫻桃表型性狀主成分分析

本研究對(duì)天山櫻桃的16個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示：前4個(gè)主成分因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到76.02%，認(rèn)為果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、雌蕊長(zhǎng)度、花瓣長(zhǎng)和1 a生枝長(zhǎng)度等是評(píng)價(jià)天山櫻桃表型多樣性的重要指標(biāo)。刁松鋒等[15]對(duì)無(wú)患子表型性狀進(jìn)行主成分分析，認(rèn)為種子質(zhì)量、種子縱徑、種子橫徑、果實(shí)縱徑和果實(shí)橫徑可以代表原始因素的大部分信息。張強(qiáng)英等[16]將榆葉梅野生群體的16表型性狀進(jìn)行主成分分析，認(rèn)為花朵大小、花朵顏色、花瓣萼片反卷程度和花密度可以作為今后榆葉梅多樣性評(píng)估的指標(biāo)。與前人研究有一定的相似之處，但也存在差異，這可能與材料選擇和測(cè)定指標(biāo)不同有關(guān)。綜合分析認(rèn)為，本研究所篩選的果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、雌蕊長(zhǎng)度、花瓣長(zhǎng)和1 a生枝長(zhǎng)度可以代表原始數(shù)據(jù)大部分信息進(jìn)行天山櫻桃表型多樣性的評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

綜上所述，4個(gè)天山櫻桃野生居群中，裕民縣野生居群的表型多樣性最為豐富，大西溝野生居群次之，喀拉峻野生居群的表型多樣性水平最低。觀測(cè)的枝、葉、花和果表型性狀中以果實(shí)性狀變異最為豐富，花性狀變異最小，遺傳穩(wěn)定性相對(duì)較好。天山櫻桃表型分化系數(shù)均值為25.77%，表明天山櫻桃的變異主要來(lái)源于居群內(nèi)。聚類分析表明特克斯野生居群與喀拉峻野生居群親緣關(guān)系最近，裕民縣野生居群與大西溝野生居群親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。16個(gè)表型性狀中果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、雌蕊長(zhǎng)、1 a生枝長(zhǎng)度和花冠直徑是天山櫻桃進(jìn)行表型觀測(cè)時(shí)的重要指標(biāo)。

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