吉泰盆地古樟群體遺傳多樣性分析

鐘永達(dá) 田曉娟 李彥強(qiáng) 劉立盤 楊愛紅 劉淑娟 余發(fā)新

(江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西省觀賞植物遺傳育種重點實驗室，江西 南昌 330096)

香樟 (Cinnamomumcamphora) 是我國重要的經(jīng)濟(jì)和用材樹種，主要分布在我國臺灣省和長江以南數(shù)省。朝鮮、越南、日本等地亦有分布，其他各國有引種栽培[1]。香樟是一種古老的樹種，早在石炭紀(jì)中就有香樟植物的化石，而且中國古代人民栽培利用香樟歷史悠久，在距今約7 000年的浙江河姆渡遺址中就發(fā)現(xiàn)有樟木的使用，在兩三千年就有栽培香樟的記載[2-3]。1999年香樟被列入國家二級重點保護(hù)野生植物[2]。吉泰盆地是江西省最大的盆地，地域上包括吉安地區(qū)8縣1市 (吉安市、泰和縣、吉水縣、吉安縣、永豐縣、新干縣、峽江縣、安?？h、萬安縣)。盆地土層深厚，土壤肥沃，氣候溫和濕潤、雨量豐沛、光照充足，非常適宜香樟的生長[4-5]。永豐縣現(xiàn)有古樟林20余處，泰和縣16處，安?？h15處。其中，安福縣400年以上的香樟有8 700多株，千年以上的有200多株，有2株香樟為漢代遺物，樹齡2 000余年[3,6]。香樟作為一種古老樹種，在長期的進(jìn)化過程中，受到土壤、氣候和人為干擾等外部因素影響，造成了基因的遺傳漂變、基因漸滲概率改變以及瓶頸效應(yīng)等，最終不可避免的導(dǎo)致香樟群體遺傳多樣性水平和遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[7-8]。目前，我國學(xué)者開展了中國香樟部分地區(qū)的遺傳多樣性與遺傳結(jié)構(gòu)研究[9-14]，對了解我國香樟的遺傳變異來源和規(guī)律，指導(dǎo)香樟種質(zhì)資源保護(hù)，提高香樟良種選育水平起到了重要作用。本研究對吉泰盆地的古樟群體進(jìn)行收集并育種，調(diào)查各材料的種子性狀和苗期性狀，分析各性狀間的遺傳變異程度和相關(guān)性，并進(jìn)行聚類分析，旨在了解吉泰盆地古樟群體的原始遺傳多樣性信息，為進(jìn)一步篩選香樟核心種質(zhì)，進(jìn)行種質(zhì)資源保護(hù)和良種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為來自吉泰盆地8縣1市的148株古樟樹 (樹齡大于100 a以上)，其中安?？h、泰和縣和新干縣各20株，吉安縣18株，吉水縣和永豐縣各16株，峽江縣和萬安縣各14株，吉安市10株 (表1)。

1.2 試驗設(shè)計

2014年11月底，待種子呈紫黑色后，利用高枝剪從樹上直接采種，每棵樹采種1 kg左右?guī)Щ貙嶒炇?。將種子用清水浸泡2～3 d，使果皮吸水軟化，用細(xì)沙搓揉除凈果皮果肉，將種子沖洗干凈，晾干后即可進(jìn)行種子大小測量并濕沙貯藏。沙藏后蓋上塑料薄膜，1個星期左右噴水1次，保持溫度在15 ℃以下。2015年2月底在江西省南昌縣黃馬鄉(xiāng)育苗基地進(jìn)行播種。試驗采用完全區(qū)組設(shè)計，雙行區(qū)，行長1.2 m，株距12 cm，平均行距20 cm，3次重復(fù)，人工點播，以常規(guī)方法進(jìn)行田間管理。

表1 供試148棵古樟的來源及分布Table 1 The provenance and distribution of 148 C.camphora over 100 years

1.3 性狀測定

種子大小和千粒質(zhì)量的測量利用掃描儀和Image J軟件進(jìn)行。具體步驟為：選取待測香樟種子，平鋪于白布上，種子之間隔開一定距離。在白布邊上擺一把有刻度的直尺，作為 “標(biāo)尺” 用于在該掃描模式下像素值與距離值的轉(zhuǎn)換。采用紫光高清拍攝儀Unispro G760 (或其他掃描儀) 進(jìn)行掃描，保存文件。運行Image J軟件，open導(dǎo)入照片。選取直尺上已知距離，打開analyze/set scale，設(shè)定參數(shù)。distance inpixels為掃描時的分辨率；known distance為選取的直尺距離；pixel aspect ratio可理解為放大倍數(shù)，由于掃描時多為100%掃描，此處設(shè)置為1.0；unit of length為已知距離的長度單位，點擊ok進(jìn)入下一步驟。 打開Image/type/8-bit，將待測種子彩色圖像轉(zhuǎn)換成黑白二值圖像，打開Image/adjust/threshold，種子自動用黑色填充。最后，打開analyze文件下的analyze particles，設(shè)置size (10～100 mm2)，circularity (0.50～1.00)。點擊ok，輸出種子面積大小及個數(shù)。該結(jié)果可以保存也可直接復(fù)制粘貼至Excel表中進(jìn)行處理。用精度為0.001 g天平稱量，根據(jù)Image J軟件測定的粒數(shù)，換算成千粒質(zhì)量。2015年12月底在各重復(fù)中每小區(qū)選中間30株調(diào)查苗高和地徑，調(diào)查按常規(guī)方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

H′=-∑(Pi×lnPi)

(1)

式中：H′表示Shannon′s信息指數(shù)，Pi表示第i種表型出現(xiàn)的頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 古樟的表型性狀及遺傳變異情況

148株古樟的4個表型性狀及變異系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。4個性狀的變異系數(shù)在13.92%～18.55%之間，平均變異系數(shù)為16.51%。地徑的變異系數(shù)最大，種子大小和苗高次之，千粒質(zhì)量最小。4個數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)介于3.30～3.36之間，最高的是種子大小，苗高最小，平均多樣性指數(shù)為3.34，表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性。對4個性狀的種源間和群體內(nèi)個體間差異進(jìn)行了方差分析，結(jié)果表明：4個性狀在種源間的差異均達(dá)到極顯著水平 (P< 0.01)，除苗高性狀在群體內(nèi)個體間差異達(dá)到顯著水平 (P< 0.05)，種子大小、千粒質(zhì)量和地徑等3個性狀群體內(nèi)個體間差異均不顯著。

表2 參試古樟的表型性狀及變異系數(shù)Table 2 The phenotypic traits and variation coefficient of C.camphora over 100 years

2.2 表型性狀間的相關(guān)分析和主成分分析

對4個表型性狀進(jìn)行了相關(guān)性分析 (表3)，結(jié)果表明：種子大小和千粒質(zhì)量顯著正相關(guān)；苗高和種子大小、千粒質(zhì)量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)；地徑只和千粒質(zhì)量顯著正相關(guān)，與種子大小和苗高無顯著相關(guān)性。

表3 江西古樟各性狀間的相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis of phenotypic traits of C.camphora over 100 years from Jiangxi Provenance

注：**表示差異極顯著 (P< 0.01)。

主成分分析結(jié)果表明 (表4)：第1主成分的特征值和貢獻(xiàn)率最大，分別為3.075和76.88%，說明利用第1個主成分就能解釋不同香樟個體表型性狀的絕大部分遺傳信息含量。第一主成分包含了全部的表型信息，4個表型性狀的絕對值都較大，說明種子大小、千粒質(zhì)量大的個體其苗高、地徑也較好，種子大小在一定程度上決定了后期植株苗期的生長量。

表4 4個表型性狀的特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率及累計貢獻(xiàn)率Table 4 Power vector, eigenvalues, contribution rate, and cumulative contribution rate of 4 phenotypic traits

2.3 聚類分析

利用SPSS軟件對各表型數(shù)據(jù)進(jìn)行Z得分標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，以歐式距離為遺傳距離，采用Ward法進(jìn)行聚類分析。從聚類圖可以看出 (圖1)，在遺傳距離為5處，9個群體可以分為5個類群，類群的組成及各類群的表型性狀平均值如表5所示。安?？h和吉水縣2個種源組成第I個類群，其種子大小和千粒質(zhì)量中等，但苗高和地徑較??；第II個類群有泰和縣和新干縣組成，表現(xiàn)為種子大小和地徑最小，千粒質(zhì)量和苗高中等；第III個類群由萬安縣、峽江縣和永豐縣組成，表現(xiàn)為苗高和地徑中等，種子大小和千粒質(zhì)量較小；吉安縣單獨為第IV類群，表現(xiàn)為種子大小、千粒質(zhì)量、苗高和地徑均較大；吉安市為第V個類群，其種子大小、千粒質(zhì)量、苗高和地徑等4個性狀均為最大。相關(guān)性分析表明，種子大小與千粒質(zhì)量性狀與海拔、年均氣溫、年均降雨量、年日照時數(shù)和無霜期等環(huán)境因子均無顯著相關(guān)性。

圖1基于表型性狀的江西古樟群體聚類
Fig.1 Cluster dendrogram of JiangxiC.camphoraover 100 years based on analysis of phenotypic traits

表5 各類群表型性狀平均表現(xiàn)Table 5 The average performance of phenotypic traits of each group

3 結(jié)論與討論

表型性狀遺傳多樣性研究是檢測林木群體遺傳變異最簡單、直接的方法。本研究對吉泰盆地9個種源，148株古樟的4個表型性狀進(jìn)行了形態(tài)多樣性分析，結(jié)果顯示4個性狀的平均多樣性指數(shù)為3.34，平均變異系數(shù)為16.51%，說明吉泰盆地古樟具有豐富的多樣性。

方差分析可以從種源和群體內(nèi)個體兩個層次分析群體的遺傳多樣性水平，為香樟的遺傳改良提供理論依據(jù)。本研究結(jié)果顯示4個性狀在種源層次均呈現(xiàn)出極顯著差異，而且從均方比例來看，決定各性狀的主要是種源，說明種源是決定香樟各性狀的決定因素，與前人的研究結(jié)果基本一致[11, 14, 16-17]。然而本研究中種源內(nèi)群體內(nèi)個體間除了苗高性狀為顯著差異，其他性狀差異均不顯著，暗示吉泰盆地香樟群體間雖然具有豐富的遺傳多樣性，但在長期的自然演替和進(jìn)化過程中，由于地理隔離等原因，群體內(nèi)保持了遺傳上的穩(wěn)定性，形成了不同的地理種源。

植物種子大小能直接影響幼苗建成，與幼苗高度顯著正相關(guān)[18-19]，而與幼苗的相對生長率呈負(fù)相關(guān)[20]。本研究中的研究結(jié)果也表明香樟苗高和種子大小及千粒質(zhì)量呈極顯著的正相關(guān)，但地徑只與千粒質(zhì)量顯著正相關(guān)，且與種子大小相關(guān)性不顯著。前人的研究結(jié)果也表明，地徑與地理氣候因子均無顯著相關(guān)性[14]，也不影響樹木的后期生長[11]，反映了地徑性狀可能是微效多基因和環(huán)境因子共同調(diào)控的結(jié)果。利用主成分分析，第一個主成分解釋了4個表型性狀的全部信息，貢獻(xiàn)率達(dá)到76.88%，而且4個性狀的特征向量都具有較高的值，說明種子大小在一定程度上決定了植株苗期生長量。

利用表型性狀將吉泰盆地9個古樟群體聚為5大類群。其中位于吉泰盆地腹地中間的第V類群 (吉安市) 和第IV類群 (吉安縣) 群體表現(xiàn)最好，相鄰的安?？h、吉水縣組成的第I類群和第II類群的泰和縣等3個縣的種子大小和千粒質(zhì)量次之，最外圍的萬安縣、永豐縣和峽江縣組成的第III類群種子最小，最輕 (表5)，呈現(xiàn)出中心大、四周小的分布模式。聚類結(jié)果表明其與吉泰盆地的地形地貌具有顯著相關(guān)性。吉泰盆地中部地勢最低，為贛江及其支流形成的河谷沖擊平原，經(jīng)臺地、崗地、低丘、高丘過渡到低山和中山，周圍山地地勢逐漸升高，向中心呈環(huán)狀階梯式排列，形成中部低、周圍高的地形地貌。相關(guān)分析結(jié)果顯示：這種分布模式可能是氣象因子與土壤條件等多因素共同作用的結(jié)果，例如降蒸差、坡向、凋落物厚度、沉積速率、土壤濕度、土壤顆粒大小、土壤肥力、土壤細(xì)菌構(gòu)成等[21-23]。

現(xiàn)有的研究表明，基于表型性狀的遺傳多樣性研究仍是進(jìn)行林木種質(zhì)資源收集，評價及遺傳改良的重要手段。本研究基于吉泰盆地特殊的地形及古樟種質(zhì)資源為對象，分析了其群體間的遺傳多樣性水平，為后續(xù)香樟核心種質(zhì)庫的構(gòu)建提供準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)，為種質(zhì)資源保護(hù)策略的制定、良種選育親本選擇及實際生產(chǎn)中種子的調(diào)運提供參考依據(jù)。

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