云南松天然群體球果表型變異研究

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(1.西南林業(yè)大學(xué),云南省高校林木遺傳改良與繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650224；2.北京林業(yè)大學(xué),林木育種國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

云南松(PinusyunnanensisFranch.)是我國(guó)云貴高原的主要鄉(xiāng)土樹(shù)種[1-3]，具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱瘠薄、木材用途廣等特點(diǎn)，在分布區(qū)域林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位[3-5]，天然分布于東經(jīng)96°～108°、北緯23°～30°之間，分布范圍廣，生境復(fù)雜多樣[6]，其中云南省是云南松的集中分布區(qū)[3,7-8]。目前云南松現(xiàn)存林分低矮、彎曲、扭曲等不良個(gè)體的比例逐漸增加，表現(xiàn)出林分衰退問(wèn)題日益突出現(xiàn)象，亟需對(duì)云南松種質(zhì)資源開(kāi)展保護(hù)工作，而遺傳多樣性研究是開(kāi)展種質(zhì)資源保護(hù)的基礎(chǔ)[9]。

表型多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境多樣性的綜合體現(xiàn)，主要研究群體在其分布區(qū)內(nèi)各種環(huán)境下的表型變異，是遺傳多樣性和生物系統(tǒng)學(xué)研究的重要內(nèi)容[10-11]，其表型性狀形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)特征也是植物遺傳多樣性研究形態(tài)學(xué)標(biāo)記的重要內(nèi)容[12-16]，同時(shí)通過(guò)表型來(lái)檢測(cè)群體的變異和分化又是一種簡(jiǎn)便、快捷、有效的方法[11,17]，特別是在短期內(nèi)對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，常作為一種重要的評(píng)價(jià)手段。球果作為裸子植物繁殖系統(tǒng)的重要特征[18]，在選擇壓力下會(huì)發(fā)生適應(yīng)性演化[19-20]，且果實(shí)形態(tài)往往是較穩(wěn)定的遺傳特征[20]，其表型性狀不僅決定物種的擴(kuò)散能力，也影響到物種的萌發(fā)和幼苗定居，進(jìn)而影響到種群的分布格局[21]。云南松種實(shí)性狀在不同海拔梯度群體或不同莖干類型群體的相關(guān)研究中初步表明存在一定的變異[22-24]，但針對(duì)不同分布區(qū)域群體間的球果表型變異未見(jiàn)研究報(bào)道。鑒于此，本研究在前期針葉表型變異研究基礎(chǔ)上[25]，以云南松主分布區(qū)不同分布區(qū)域天然群體的球果為材料，分析云南松群體間和群體內(nèi)球果性狀的表型變異程度與變異規(guī)律，以期為云南松資源保護(hù)與合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 群體的分布及球果的采集

在云南松自然分布區(qū)內(nèi)選擇天然群體9個(gè)(表1)，樣株的年齡均在25年生以上[14]。為了最大化地代表各群體的遺傳變異狀況，采集的樣品均來(lái)自于不同植株，且各樣株不相鄰，間隔5倍以上樹(shù)高[23]，從樹(shù)冠南向中上部采集當(dāng)年成熟的球果，用于表型性狀測(cè)定。

表1 云南松天然群體信息[23]

表2 云南松球果性狀的方差分析

注：**表示在0.01%水平上差異顯著。

1.2 球果性狀的測(cè)定

包括球果長(zhǎng)、球果粗、球果重量、球果長(zhǎng)/球果粗等4個(gè)性狀。用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量球果長(zhǎng)(兩端的直線長(zhǎng)度)和球果粗(最寬處直徑)[15]，精確到0.01 mm，用電子天平測(cè)量球果重，精確到0.01 g，計(jì)算球果長(zhǎng)/球果粗，即球果的形狀指數(shù)，精確到0.01，每單株測(cè)定5～10個(gè)球果。

1.3 土壤樣品的采集與測(cè)定

土壤樣品的采集與測(cè)定同前期研究所述[25]，分別測(cè)定含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、水解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀及質(zhì)地共10個(gè)指標(biāo)，其中質(zhì)地采用定性描述，未用于后續(xù)的分析中。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)球果性狀采用巢式方差分析[10,26-27]計(jì)算群體間和群體內(nèi)的方差分量，線性模型為：

Yijk=μ+τi+δj(i)+εk(ij)，

2 結(jié)果與分析

2.1 群體間和群體內(nèi)的球果性狀變異特征

將4個(gè)球果表型性狀進(jìn)行巢式方差分析，各性狀的均方及F值見(jiàn)表2。云南松4個(gè)球果性狀在群體間和群體內(nèi)均呈極顯著差異(p<0.01)，表明云南松的球果表型性狀在群體間和群體內(nèi)存在廣泛的變異[23]。

2.2 球果性狀群體間的形態(tài)分化

對(duì)各個(gè)性狀成對(duì)群體間進(jìn)一步分析形態(tài)分化PST(表3和圖1)。球果重、球果長(zhǎng)、球果粗和球果長(zhǎng)/球果粗在各成對(duì)群體間的形態(tài)分化波動(dòng)于0.000 0～0.462 9、0.000 0～0.213 1、0.000 0～0.605 7和0.000 0～0.145 5，平均分別為0.124 1、0.051 5、0.162 1和0.026 4，以球果長(zhǎng)/球果粗有形態(tài)分化最低，即該性狀最穩(wěn)定?？傮w來(lái)看，球果性狀在各群體間的分化均較低，其中僅有一對(duì)群體間在球果粗方面表現(xiàn)出分化系數(shù)大于0.5。

2.3 球果性狀的變異特征

對(duì)同一群體的不同性狀或同一性狀的不同群體進(jìn)行比較[23]，9個(gè)群體球果表型性狀的相對(duì)極差見(jiàn)表4。云南松球果重、球果長(zhǎng)、球果粗和球果長(zhǎng)/球果粗的相對(duì)極差波動(dòng)于0.42～0.96、0.43～0.90、0.46～1.00和0.31～0.96，平均分別為0.66、0.71、0.61和0.62。綜合各群體的相對(duì)極差來(lái)看，BH和MD群體變異程度比較高，而TC群體的變異比較低。

表3 云南松天然群體球果性狀的形態(tài)分化(PST)

表4 云南松天然群體球果性狀的相對(duì)極差

注：群體名稱的縮寫(xiě)見(jiàn)表1。

注：A:PST=0；B:0

2.4 球果性狀與土壤因子間的相關(guān)性

對(duì)云南松球果性狀與土壤因子間相關(guān)分析表明(表5)，除球果重與有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量，及球果長(zhǎng)/球果粗與全鉀含量之間的相關(guān)性為顯著正相關(guān)關(guān)系外(p<0.05)，其它因子間的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，相關(guān)性弱，變異可能是隨機(jī)的分布[23]。

表5 云南松天然群體球果性狀與土壤因子間的相關(guān)分析 (Spearman’s)

注：*表示在0.05%水平上相關(guān)性顯著。

2.5 基于球果性狀云南松天然群體的聚類

基于云南松4個(gè)球果性狀，對(duì)9個(gè)群體進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表6和圖2。第一主成分主要解釋球果長(zhǎng)、球果粗和球果重，即球果的大小及其重量；第二主成分主要解釋球果長(zhǎng)/球果粗，即球果的形狀。其中第一主成分將BH群體明顯區(qū)分于其它群體，第三主成分使MD與其它群體區(qū)分開(kāi)來(lái)[23]。

將4個(gè)球果性狀在各群體的均值標(biāo)準(zhǔn)化后，計(jì)算各群體間的歐式距離，結(jié)果見(jiàn)表7。各距離波動(dòng)于0.761～5.255之間，以BH群體和SJ群體間的距離最大，而以HQ群體和LX群體間的距離最小。

表6 云南松天然群體球果性狀的主成分分析

表7 基于球果性狀云南松天然群體間的歐式距離

注：群體名稱的縮寫(xiě)見(jiàn)表1。

圖2 基于球果性狀云南松天然群體的主成分分析三維圖

圖3 基于球果性狀云南松天然群體的UPGMA聚類圖

基于球果性狀各成對(duì)群體間的歐氏距離，繪制云南松9個(gè)群體的UPGMA聚類圖(圖3)，結(jié)果表明，當(dāng)以歐氏距離2.8為閾值時(shí)，9個(gè)群體被分為3大類：其中BH單獨(dú)形成一類(Ⅰ)，SJ和EY聚成另一類(Ⅱ)，其余6個(gè)群體形成第三類(Ⅲ)。當(dāng)以歐氏距離1.5為閾值時(shí)，可將第三大類再分為3個(gè)亞類：LX和HQ 2個(gè)群體形成的第1亞類(Ⅲ-1)，KM、TC和MD 3個(gè)群體構(gòu)成的第2亞類(Ⅲ-2)，JS獨(dú)自形成一個(gè)亞類(Ⅲ-3)[23]。

3 討論與結(jié)論

遺傳變異是群體生物逐漸適應(yīng)環(huán)境和不斷進(jìn)化的產(chǎn)物，是遺傳信息的重要表征[35-36]。云南松球果表型性狀在群體間和群體內(nèi)均存在極顯著差異，在白皮松[10]、川西云杉[37]、云杉[38-40]、油松[41]、紅松[42]、華北落葉松[43]等研究中均揭示表型性狀變異的廣泛性，廣泛的形態(tài)變異能適應(yīng)不同環(huán)境[44]。不同海拔梯度云南松群體針葉、種實(shí)等性狀多樣性指數(shù)分析表明，云南松群體表現(xiàn)出豐富的表型多樣性[22,45]。此外，在不同地理分布區(qū)域群體間、不同莖干類型表型多樣性的研究均揭示云南松表型變異豐富，各表型性狀表現(xiàn)出不一樣的變異式樣[23-25,46-48]。豐富的表型變異是云南松適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)的基礎(chǔ)[25]。云南松分布范圍廣，且為異交的多年生植物，這些特性都有利于產(chǎn)生豐富的變異，從而適應(yīng)不同環(huán)境條件[23,25]。

各球果性狀在群體間存在極顯著差異，存在一定的形態(tài)分化，球果重、球果長(zhǎng)、球果粗和球果長(zhǎng)/球果重的形態(tài)分化分別為0.124 1、0.051 5、0.162 1和0.026 4，以球果粗和球果重的較高，總體來(lái)看，球果性狀形態(tài)分化都較低，群體內(nèi)變異是云南松球果變異的主要來(lái)源[23,25,49]，表型變異分析與遺傳多樣性分析一致[49]。在白皮松[10]、云杉[40]、川西云杉[37]、油松[41]、青海云杉[38-39]等研究中均揭示變異主要存在于群體內(nèi)。這可能與繁育系統(tǒng)有關(guān)，云南松為風(fēng)媒異花授粉植物，種子具翅，花粉具氣囊，可遠(yuǎn)距離擴(kuò)散[23]，從而導(dǎo)致群體間的基因流較大[49]，削弱群體間的遺傳分化，從而使群體間的變異降低。

不同性狀群體內(nèi)的變異程度有所差異，球果重的變異大于球果形狀大小的變異，其中又以球果長(zhǎng)的變異高于球果粗的變異，云南松球果大小在縱向上的變異較橫向上的變異大，以球果粗最為穩(wěn)定，而球果重的遺傳變異最為豐富。對(duì)紅松的研究也報(bào)道相似的結(jié)果，張恒慶等對(duì)不同緯度和海拔下3個(gè)生境的天然紅松林研究表明，3個(gè)群體的變異系數(shù)均表現(xiàn)為球果重>球果長(zhǎng)>球果粗，平均變異系數(shù)分別為30.77%、14.94%和10.60%，群體內(nèi)以球果粗最為穩(wěn)定[42]。研究還表明，云南松各球果性狀比針葉性狀變異幅度小[25]，即球果性狀比針葉性狀穩(wěn)定，這可能是因?yàn)槿~子性狀更容易受環(huán)境條件的影響[14]，相反，繁殖性狀更保守不易受環(huán)境條件的影響[50]，果實(shí)大小的性狀更為穩(wěn)定[20]。此外，不同群體的各個(gè)球果性狀的變異也不一樣，在9個(gè)群體中，BH和MD群體變異程度比較高，而TC群體的變異比較低。不同群體的相同性狀變異程度存在差異，這可能是由環(huán)境異質(zhì)性導(dǎo)致的[20]。

球果性狀與各土壤因子相關(guān)不顯著或弱相關(guān)，變異可能是隨機(jī)的分布。類似的如油松[41]、白皮松[10]、川西云杉[37]、華北落葉松[43]等研究中發(fā)現(xiàn)，球果性狀地理變異趨勢(shì)不明顯。聚類分析表明，有些地理上相近的群體并沒(méi)有優(yōu)先聚合成一類，在針葉性狀的分析中也表明，針葉性狀隨地理分布的變異趨勢(shì)不明顯，而與其生態(tài)因子分異間的關(guān)系更明顯[25]，這可能與群體間立地條件類型存在差異有關(guān)[20]，即基于球果性狀的云南松群體并不完全按地理分布進(jìn)行聚類，不宜利用地理分布區(qū)域?qū)υ颇纤汕蚬硇瓦M(jìn)行劃分。

綜上所述，云南松9個(gè)群體球果性狀在群體間和群體內(nèi)均存在極顯著差異，表明變異存在的廣泛性。各個(gè)性狀的變異主要存在于群體內(nèi)，開(kāi)展種質(zhì)資源收集與保護(hù)時(shí)，可適當(dāng)增加群體內(nèi)個(gè)體數(shù)、減少群體取樣數(shù)。由各個(gè)球果性狀形態(tài)分化較低，兩兩群體間的形態(tài)分化說(shuō)明群體間的分化較弱。相關(guān)分析表明，各球果性狀與土壤因子間的相關(guān)性較弱，變異可能是隨機(jī)的?；谇蚬誀畹闹鞒煞址治龊途垲惙治霰砻?，不同群體間的聚類并不完全按照地理分布聚類。

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