湖北不同種源紅椿天然居群的種實(shí)表型變異

蔡京勇， 陳文學(xué)， 汪 洋， 付翠林， 鐘 雄

(1.湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430200； 2.竹山縣林業(yè)局，湖北竹山 442200； 3.巴東縣野三關(guān)林業(yè)站，湖北巴東 444324)

遺傳多樣性是一個物種生存或者適應(yīng)所生存環(huán)境和發(fā)展乃至于不斷進(jìn)化提高的重要前提[1]，對于任何一個物種來說，面對不斷變化的生長環(huán)境、擴(kuò)展分布及開拓新環(huán)境，就意味著其需要強(qiáng)大的適應(yīng)力，所以該物種的遺傳多樣性就需要高豐富度[2]。引起物種表型變異正是遺傳多樣性的表現(xiàn)，其根源來自于多種內(nèi)在及外在環(huán)境因子的影響。表型性狀即物種的數(shù)量性狀，受許多基因控制[3]。因此，基于表型性狀來研究物種的變異特征是一種有效的方法。從19世紀(jì)達(dá)爾文進(jìn)化論誕生以來，研究遺傳多樣性最常見的技術(shù)方法就是通過測定植株的表型性狀來實(shí)現(xiàn)[4]。目前，對于植物表型變異的研究主要集中在2個方面，一是對于重要的經(jīng)濟(jì)性狀，側(cè)重于遺傳分析，尋找具有優(yōu)良性狀的遺傳材料，為遺傳改良奠定基礎(chǔ)。二是在生態(tài)上較重要的性狀，主要從地理環(huán)境上開展相關(guān)研究，注重探究物種的適應(yīng)性[5-6]。

紅椿(ToonaciliataRoem.)為楝科(Meliaceae)香椿屬(Toona)落葉大喬木。紅椿材質(zhì)優(yōu)良，是珍貴用材樹種，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值[7]。紅椿已被列為國家Ⅱ級重點(diǎn)保護(hù)野生瀕危鄉(xiāng)土樹種。該樹種具有良好的開發(fā)利用前景，但自然資源稀少，遺傳資源尚不明確，且人為破壞嚴(yán)重。因此，紅椿種質(zhì)資源保護(hù)迫在眉睫。保護(hù)的前提是了解其居群規(guī)模和遺傳背景[8]，根據(jù)其現(xiàn)存居群大小與遺傳多樣性水平進(jìn)行針對性的科學(xué)保護(hù)[9]。

研究一個物種不同種源的表型變異，有助于全面準(zhǔn)確地了解不同種源遺傳變異規(guī)律和種源內(nèi)個體的形態(tài)變異，為優(yōu)良種源的選育和種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)[10]。種實(shí)是遺傳的集中點(diǎn)[11]，種實(shí)變異是遺傳變異的重要特征之一[12]。植物形態(tài)主要受遺傳控制，但在不同分布區(qū)也會由于適應(yīng)不同生境而產(chǎn)生分化，其在大尺度上的變化格局通常與氣候及緯度梯度有關(guān)[13]。因此，從紅椿種實(shí)形態(tài)性狀來研究其表型遺傳變異，能在一定程度上地更好揭示其遺傳變異的大小，以及一定地理區(qū)域內(nèi)，在氣候、經(jīng)緯度梯度上的遺傳多樣性變化規(guī)律，對于紅椿種源選擇與評價，種質(zhì)資源保護(hù)及利用具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

2013—2015年對湖北不同種源紅椿天然林種質(zhì)資源進(jìn)行全面調(diào)查。選取其中16個尺度合適的紅椿天然居群設(shè)立樣方，對樣方內(nèi)所有喬木、灌木和草木進(jìn)行每木檢尺。在前期研究基礎(chǔ)上，于2015年采集種實(shí)。由于紅椿結(jié)實(shí)存在大小年現(xiàn)象，在16個天然居群中，僅有8個居群結(jié)實(shí)良好，且基本覆蓋紅椿在湖北的天然分布范圍。其中利川堡上村居群、宣恩金盆村居群、宣恩大臥龍居群、咸豐村木田居群屬于鄂西南地區(qū)，谷城瑪瑙觀居群和竹山洪坪居群屬于鄂西北地區(qū)，黃石黃荊山居群和通山九宮山居群屬于鄂東南地區(qū)。采集種實(shí)的居群地理位置及生態(tài)因子見表1。

1.2 種實(shí)表型性狀選擇與測量

紅椿果實(shí)采集于果實(shí)成熟期(湖北地區(qū)因緯度差異從南到北為11月上旬至12月上旬)。不同居群的結(jié)實(shí)單株不等(利川堡上村2株、宣恩金盆村4株、宣恩大臥龍5株、咸豐村木田7株，通山九宮山5株、黃石黃荊山6株、竹山洪坪3株、谷城瑪瑙觀5株)，在8個居群37個不同單株上采集種實(shí)，每個單株上收集60個種實(shí)。各居群內(nèi)取樣植株間距在35 m以上。盡量選擇朝南方向處于亞優(yōu)勢地位，樹冠中部生長正常的，無嚴(yán)重缺陷，無明顯病蟲害的果實(shí)，以避免不同生長環(huán)境造成的統(tǒng)計差異。

表1 不同種源紅椿采樣群體的地理位置及生態(tài)因子

注：氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心，平均氣溫參考采種點(diǎn)附近氣象站的觀測數(shù)據(jù)計算獲得。其他數(shù)據(jù)采用ArcGIS 10.2從WorldClim全球數(shù)據(jù)庫(www.worldclim.org)提取相應(yīng)氣候因子。

選擇相對穩(wěn)定、易于獲得和測量的表型性狀進(jìn)行分析，如果實(shí)質(zhì)量、果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、種子質(zhì)量、種子縱徑和種子橫徑等。采集的果實(shí)經(jīng)自然風(fēng)干后，根據(jù)百粒四分法標(biāo)準(zhǔn)，每單株隨機(jī)抽取30個果實(shí)[6]，用電子游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測量每個果實(shí)的縱徑和橫徑，并用1/1 000電子天平分別稱取每個果實(shí)的質(zhì)量(精度為0.01 g)，重復(fù)5次。果實(shí)性狀測后，剝離果殼，按照同樣方法分別測定種子縱徑、種子橫徑、種子厚度、單粒種子質(zhì)量，重復(fù)5次。種實(shí)測量指標(biāo)包括果縱徑、果橫徑、單果質(zhì)量、單果種子數(shù)、單種質(zhì)量、種縱徑、種橫徑、種厚度等，并計算果形指數(shù)(果縱徑/果橫徑)、果大小指數(shù)(果縱徑×果橫徑)、種形指數(shù)(種縱徑/種橫徑)、種大小指數(shù)(種縱徑×種橫徑)[6，14]。

1.3 統(tǒng)計分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 種實(shí)表型性狀居群間差異

由表2可知，不同居群間紅椿種實(shí)的12個指標(biāo)均呈極顯著差異(P<0.01)，其差異顯著程度由大到小依次為果縱徑、果形指數(shù)、單種質(zhì)量、果大小指數(shù)、單果質(zhì)量、果橫徑、種縱徑、種大小指數(shù)、種形指數(shù)、種子數(shù)、種橫徑、種厚度，其中果縱徑、果形指數(shù)和單種質(zhì)量是差異性較為突出的性狀。

表2 湖北不同居群間紅椿種實(shí)表型單因素方差分析

2.2 紅椿種實(shí)表型特征分析

從表3可以看出，不同居群內(nèi)不同指標(biāo)值變化范圍為 1.97%～18.86%。黃石居群變異系數(shù)平均值最大，竹山洪坪最小，可能與其地理區(qū)位或氣候條件有關(guān)。居群內(nèi)各測量或形狀指標(biāo)變異系數(shù)平均值均小于居群間，說明變異動力來源于不同種源的地理或環(huán)境因子。果形指數(shù)變異系數(shù)平均值最小，為3.504%，果形指數(shù)為果縱徑和果橫徑的比值，說明其果型變異幅度最小，較為穩(wěn)定。單種質(zhì)量變異系數(shù)平均值最大，為13.366%，單種質(zhì)量保證種子結(jié)實(shí)質(zhì)量，是種源選擇考慮的重要依據(jù)。

2.3 湖北不同種源紅椿種實(shí)的表型多樣性指數(shù)

由表4可知，8個居群種實(shí)表型Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H變化范圍為1.161～1.305，Simpson多樣性指數(shù)D變化范圍為0.530～0.596，說明種群間存在一定的多樣性，其中通山九宮山居群Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)最高，宣恩大臥龍的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最低，竹山洪坪的Simpson多樣性指數(shù)最低。通山九宮山、黃石黃荊山和谷城瑪瑙觀的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)均呈現(xiàn)較高水平，變化趨勢整體表現(xiàn)為從西部到東部逐漸升高。說明湖北不同種源紅椿種實(shí)表型隨地理經(jīng)度的升高，多樣性增大，變異相對豐富，地理變異趨勢較為明顯，這與居群間差異和表型特征分析結(jié)果基本一致。

表3 湖北紅椿8個居群種實(shí)表型性狀變異系數(shù)

表4 湖北紅椿8個居群種實(shí)表型多樣性指數(shù)

2.4 種實(shí)表型性狀間及其與地理環(huán)境相關(guān)性分析

表5可知，湖北紅椿居群間大多數(shù)種實(shí)表型性狀間顯著相關(guān)。果縱徑與果形指數(shù)、果大小指數(shù)、單果質(zhì)量、單種質(zhì)量、種縱徑、種形指數(shù)、種大小指數(shù)均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與果橫徑呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與單果種子數(shù)、種橫徑、種厚度相關(guān)性不顯著。果橫徑與果大小指數(shù)、單果質(zhì)量、單種質(zhì)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。果形指數(shù)與種縱徑、種形指數(shù)、種大小指數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。果大小指數(shù)與單果質(zhì)量、單種質(zhì)量、種大小指數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與種縱徑呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。單果質(zhì)量與單種質(zhì)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與種縱徑、種形指數(shù)、種大小指數(shù)呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

由表6可知，紅椿果縱徑、果橫徑、果大小指數(shù)、單果質(zhì)量、單種質(zhì)量與經(jīng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。果橫徑與海拔呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。果縱徑、種縱徑、種橫徑與無霜期呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，種大小指數(shù)與無霜期呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說明無霜期對種實(shí)形狀的影響較大。年均無霜期與紅椿種質(zhì)資源分布有密切關(guān)系，而年積溫(不是年平均溫度)效應(yīng)影響紅椿種實(shí)的變異，同時影響紅椿地理種源的分布。

表5 湖北紅椿12個種實(shí)表型性狀間相關(guān)性

注：“*”表示不同表型性狀間呈顯著相關(guān)(P<0.05)；“**”表示不同表型性狀間呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。

2.5 湖北不同種源紅椿居群分類

2.5.1 表型性狀間的主成分分析 提取累積貢獻(xiàn)率大于80%的前m個主成分，由表7可知，當(dāng)m=2時，12個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)83.301%(>80%)，說明前2個主成分可表征全部因子所代表信息，具有很高可信度。根據(jù)前2個主成分值，計算并作出主成分散點(diǎn)分析圖，由圖1可知，通山九宮山居群種實(shí)表型性狀明顯游離于其他居群之外。黃石黃荊山、竹山洪坪和通山九宮山居群均位于第3象限，與位于鄂西南居群和谷城瑪瑙觀居群離散較明顯。在湖北8個天然居群中，位于鄂東南居群與位于鄂西南的居群均保持較為獨(dú)立的變異連續(xù)性，呈現(xiàn)地理隔離模式。

表6 湖北紅椿種實(shí)表型性狀與地理環(huán)境因子間相關(guān)關(guān)系

注：“*”表示果型性狀與地理環(huán)境因子間呈顯著相關(guān)(P<0.05)，“**”表示果型性狀與地理環(huán)境因子間呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。

表7 前2個主成分值、特征根、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率

2.5.2 表型性狀間的聚類分析 采用非加權(quán)平均法(UPGMA)對湖北江椿8個天然居群種實(shí)進(jìn)行聚類分析。由圖2可知，第1個節(jié)點(diǎn)為閾值δ=138.47，將谷城瑪瑙觀、通山九宮山、黃石黃荊山分為一個類群，利川堡上村、咸豐村木田、宣恩金盆村、宣恩大臥龍和竹山洪坪劃分為一個類群。第2個節(jié)點(diǎn)閾值δ=100.388，將通山九宮山分為一個類群，黃石黃荊山和谷城瑪瑙觀聚為一個類群。依次在低節(jié)點(diǎn)閾值δ=58.847 時，向下劃分，將咸豐村木田、宣恩金盆村、宣恩大臥龍和利川堡上村聚為一個類群，竹山洪坪居群單獨(dú)為一個類群。聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果基本一致。

2.5.3 表型性狀間遺傳距離與地理距離檢驗(yàn) 湖北不同種源紅椿8個居群種實(shí)表型性狀的遺傳距離與地理距離經(jīng)過Mantel檢測(表8)，R=0.783，P=0.002<0.01，說明各居群種實(shí)表型變異為顯著地理隔離模式，Mantel檢測相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)分布見圖3。Mantel檢測表明，居群間種實(shí)表型變異為顯著地理隔離模式。

3 結(jié)論與討論

3.1 紅椿種實(shí)變異豐富性

種實(shí)表型性狀主要受遺傳因素控制，在不同地理分布區(qū)也會因適應(yīng)不同的生境而產(chǎn)生多樣性[13]。這主要由于棲息環(huán)境條件差異較大，在長期的進(jìn)化過程中，造成的地理隔離、生境片段化和基因交流不頻繁，都會促使一定表型變異的產(chǎn)生[21]。研究發(fā)現(xiàn)，不同紅椿居群間果縱徑、果形指數(shù)差異性較大。種實(shí)表型性狀在種群內(nèi)的變異系數(shù)平均值為3.504%～13.366%，而居群間種實(shí)表型性狀變異系數(shù)為6.400%～31.355%，居群間的變異遠(yuǎn)大于居群內(nèi)部。果縱徑為最大性狀變異(P<0.01)(F=116.646)，其次為果形指數(shù)(F=106.106)、單果質(zhì)量(F=74.750)、單種質(zhì)量(F=82.339)，均達(dá)到極顯著差異(P<0.01)。表型多樣性指數(shù)表明，通山九宮山、黃石黃荊山、谷城瑪瑙觀多樣性指數(shù)整體偏高，地理變異趨勢明顯。由表型性狀與地理環(huán)境因子間的相關(guān)性分析可知，紅椿種子質(zhì)量受地理空間經(jīng)度變化影響較大，緯度、海拔變化對種實(shí)影響不大，但通過日照時數(shù)表現(xiàn)出影響，即隨緯度增大、海拔升高，單果質(zhì)量下降。紅椿種實(shí)表型性狀與地理環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，種子質(zhì)量受年積溫效應(yīng)影響較為明顯，積溫相對較高的生長環(huán)境更適于種子質(zhì)量的累積，這反映出紅椿強(qiáng)陽性的生物學(xué)特性。主成分分析和聚類分析結(jié)果表明，通山九宮山居群與黃石黃荊山居群遺傳距離較近，鄂西北地區(qū)的2個居群遺傳距離較近，鄂西南地區(qū)的4個居群遺傳距離較近，與地理方位一致，說明湖北不同種源紅椿居群種實(shí)表型變異為顯著地理隔離模式。

表8 不同居群紅椿種實(shí)遺傳距離與標(biāo)準(zhǔn)化地理距離

注：表中下三角數(shù)據(jù)為不同居群種實(shí)遺傳距離；上三角數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)化ln(x+1)地理距離。

3.2 紅椿遺傳育種展望

湖北不同種源紅椿種實(shí)表型特征的多樣性具有地理適應(yīng)意義，其地理變異特征隨經(jīng)度的變化而變化，與緯度無明顯相關(guān)性。果縱徑、果橫徑、單果質(zhì)量、單種質(zhì)量等主要性狀指標(biāo)明顯隨經(jīng)度增高而遞減，說明紅椿種實(shí)的變異與自然分布區(qū)內(nèi)環(huán)境異質(zhì)性有關(guān)。湖北為紅椿在亞熱帶自然分布的北緣地帶[22]，湖北境內(nèi)環(huán)境異質(zhì)性較大，中部跨越江漢平原，生態(tài)氣候類型差別較大，不同局部立地環(huán)境差異十分明顯。鄂西地區(qū)紅椿居群多處于自然保護(hù)區(qū)，地理環(huán)境、生物多樣性更為豐富。鄂中地區(qū)為平原和低山丘陵，居群自然分布受到阻隔。鄂東南分布區(qū)為低山區(qū)和低山丘陵，紅椿天然居群表型性狀與鄂西地區(qū)差異明顯。地理隔離造成生態(tài)類型的差異，使得紅椿不同地理區(qū)域居群間種實(shí)表型性狀自然變異豐富，對天然居群保持較高的遺傳多樣性是有利的。

表型變異是遺傳型和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果，表型變異必然蘊(yùn)藏著遺傳變異。表型變異越大，可能存在的遺傳變異越大[23]。地理隔離與自然選擇使得湖北不同種源紅椿產(chǎn)生了極其豐富多樣的地理種源變異，其改良前景很大。因此，在種源苗期試驗(yàn)和造林試驗(yàn)工作中，應(yīng)該注重優(yōu)良種源和優(yōu)良個體選擇，這對于湖北地區(qū)紅椿種質(zhì)資源的保護(hù)、評價和利用具有現(xiàn)實(shí)意義。