薄殼山核桃17個家系種子性狀和子代苗期性狀變異及初步選擇

潘平平1,， 竇全琴1， 謝寅峰， 湯文華

(1.江蘇省林業(yè)科學研究院， 江蘇 南京 210014； 2.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院， 江蘇 南京 210037)

薄殼山核桃(Caryaillinoensis)又名美國山核桃、長山核桃、碧根果，屬胡桃科山核桃屬植物[1]，是世界著名的干果樹種。因其堅果殼薄、個大、產(chǎn)量高、出仁率高、取仁容易，果仁味香，營養(yǎng)豐富，含油脂、蛋白質(zhì)、碳水化合物和對人體有益的各種氨基酸[2]，深受人們喜愛。它原產(chǎn)美國和墨西哥北部[3]，我國在19世紀末開始引種栽培在江蘇、浙江、云南、陜西、安徽、江西和湖南等地[4]，但在多數(shù)地區(qū)至今未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其中優(yōu)良品種選育、優(yōu)質(zhì)苗木供應和高效栽培技術(shù)的滯后阻礙了其產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展[5]。目前我國對薄殼山核桃的研究主要側(cè)重于引種栽培、適生性、繁殖技術(shù)、營養(yǎng)成分、根系生長發(fā)育等方面[6-8]，李永榮等[9]對薄殼山核桃實生單株開展了果實性狀變異測定及選擇改良研究；在優(yōu)良植株方面李永榮等[10]初步篩選出了一些大果型、高出仁率和綜合性狀好的優(yōu)株，但關于薄殼山核桃不同家系種子性狀及子代幼苗生長情況方面的研究尚少。因此，本研究以薄殼山核桃不同家系種子及其子代幼苗為試驗材料，通過對薄殼山核桃種子性狀如種長、種寬、長/寬、種殼厚、出仁率和發(fā)芽率等指標的對比、幼苗生長情況的分析，以期能夠了解薄殼山核桃不同家系種子性狀以及與幼苗生長之間的關系，同時綜合篩選出表現(xiàn)較優(yōu)的植株，為薄殼山核桃良種選育和優(yōu)良單株的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于江蘇省林業(yè)科學研究院苗圃基地進行。供試材料為從云南省林業(yè)科學研究院漾濞核桃研究所引進的17個薄殼山核桃優(yōu)樹自由授粉家系種子，具體信息見表1。種子于2017年2月25日進行沙藏催芽處理，4月20日開始發(fā)芽，于5月6日移栽上盆，容器為20 cm×32 cm(上口徑×高度)的美植袋，基質(zhì)為體積比4∶3∶2∶1的園土、菌渣、泥炭和有機肥。

1.2 試驗設計

采用單因素隨機區(qū)組設計，每小區(qū)20株苗，3次重復，每個家系60株，所有幼苗進行日常的除草、噴灌及病蟲害防治等措施培育管理。

1.3 種子基本形態(tài)和幼苗生長的測定

種子形態(tài)測定：將每個家系種子隨機分成3個區(qū)組，每個區(qū)組隨機選取20粒，用精確度為0.01 mm的電子游標卡尺測量種子的長軸直徑即為種長，短軸直徑即為種寬，長/寬=種長/種寬；將種子用電子天平稱量重量即為種重，然后將其敲破，測量種殼厚度；從敲碎的種子中將仁取出，稱量仁重，計算出仁率(%)=(仁重/種重)×100%；從每個區(qū)組中隨機選取100粒種子稱量其重量即為百粒重；從沙藏的種子中每個家系隨機選取50粒種子，重復3次，統(tǒng)計發(fā)芽的種子數(shù)，計算發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

苗高、地徑及生物量測定：于2017年10月30日從每小區(qū)隨機取20株苗，測定苗高和地徑，結(jié)果取平均值。之后每小區(qū)隨機取5株苗，把根系從育苗袋中完整取出，用自來水將植株表面基質(zhì)沖洗干凈，分為根、莖、葉3部分，于80 ℃下烘干至恒重，稱量測定各部分干重生物量；計算根冠比=根干重(g)/[葉干重(g)+莖干重(g)]。

表1 17個薄殼山核桃家系信息

編號家系名稱特性1Choctaw雌先型,果熟期10月26日。堅果大,品質(zhì)好,殼薄。2Moreland雌先型,果熟期10月15日。堅果質(zhì)量極好,抗皮痂病。3Caddo雄先型,果熟期10月3日。堅果足球型,極易去殼,高產(chǎn),極抗皮痂病。4Kiowa雌先型,果熟期10月26日。堅果大,質(zhì)量好,抗皮痂病。5Oconee雄先型,單果重9.5g,出仁率56%,殼薄。6Tejas雌先型,果熟期10月底11月初。果實橢圓形,部分長圓形,果實中等大小、殼薄。7Maramec雌先型、單重種6.94g,出仁率59%8Kanza雄先型,單果重4.7g,出仁率53%。9G.Grande雌先型,果熟期10月10日。極抗皮痂病10Summer雌先型,果熟期10月24日。堅果大小中等,抗皮痂病。11Melrose雌先型,果熟期10月15日。堅果質(zhì)量極好,極抗皮痂病。12Surprise雄先型,單重種4.75g,出仁率51%13Colby雌先型,果熟期9月28日。14Mahan雌先型,果大、長,殼薄,大小年現(xiàn)象明顯。15Pawnee雄先型,早熟,堅果大,花粉成熟早,需人工授粉,較抗皮痂病,比其他品種抗蚜蟲病。16金華雌雄同步型,單重種6.45g,出仁率50%17紹興雌先型,單重種4.43g,出仁率46%

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件整理，DPS 16.05軟件對試驗所測的數(shù)據(jù)進行相關性和主成分分析，采用單因素隨機區(qū)組試驗統(tǒng)計分析法和新復極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同家系種子性狀及發(fā)芽率的差異

薄殼山核桃17個家系種子性狀6項指標和發(fā)芽率測定結(jié)果見表2。從表2可以看出，不同家系種子形態(tài)存在差異，種子長度為3.03～5.83 cm，其中家系14號種子最長，高出平均值92.41%，家系17號最小，低于平均值25%；種寬在1.76～2.53 cm之間，大多數(shù)家系的種寬值高于平均值；長/寬可以表示種子的外形，長/寬的值越大，說明種子越狹長，該指標通常與種殼厚度結(jié)合，用來表示種子的破殼難易程度，長/寬的值越大，種殼厚度越小，說明種子越容易破碎，其中家系6號和11號的長/寬的值較大，種殼厚度值較小，在生產(chǎn)加工過程中破殼容易，易于食用。

表2 種子性狀和發(fā)芽率差異

編號種長/cm種寬/cm長/寬種殼厚/mm百粒重/kg出仁率/%發(fā)芽率/%14.11cd2.09ef1.96e0.94defg0.54e60.43ab47.97cde23.61g1.93gh1.86f0.83gh0.42gh54.42defg38.55ef33.89ef1.76k2.21bc0.92efg0.38ij53.03efg44.65de44.25c2.17d1.94e1.07bcde0.64c62.80a51.33bcde54.45b2.09ef2.15cd0.82gh0.55e56.44bcdef48.67cde64.03de1.83ij2.25ab0.84fgh0.36j51.30g48.67cde74.49b2.03f2.21bc0.97defg0.66c58.77abcd64.92ab83.42h1.97g1.78fg1.14bc0.45g52.53efg27.25fg93.81f2.26c1.72g1.16b0.55e51.77g55.42bcd104.03de2.09ef1.94e1cdef0.60d58.97abc62.10abc113.96def1.88hi2.12d0.76h0.40hi56.97bcde71.58a123.56gh2.45b1.46h0.98cdefg0.51f55.07cdefg61.73abc134.22c1.82jk2.32a1.31a0.43gh42.40h52.68bcde145.83a2.53a2.31a1.04bcde0.96a52.07fg23.86g154.26c2.46b1.73g1.10bcd0.86b55.50cdefg55.39bcd163.83f2.13de1.8fg1.03bcde0.64c58.07bcd29.21fg173.03i2.05f1.47h1.0cdef0.44g52.33fg55.65bcd平均值4.042.091.950.990.5554.8749.39CV(%)2.181.632.057.203.113.8811.85

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達5%顯著水平。下同。

百粒重和出仁率是衡量薄殼山核桃種子的重要指標[11]，各家系種子百粒重和出仁率差異較大，百粒重為0.36～0.96 kg，平均百粒重為0.55 kg，其中家系14號和15號的百粒重高達0.96 kg和0.86 kg，而家系6號只有0.36 kg；從出仁率方面來看，薄殼山核桃各家系的種子較飽滿，除家系13號外，各家系的出仁率均在50%以上，其中有2個家系的出仁率在60%以上。生產(chǎn)中種子發(fā)芽率是衡量種子質(zhì)量好壞的重要指標，試驗中有9個家系的種子發(fā)芽率在50%以上，并且它們的出仁率也較高，其中家系11號的種殼厚度僅為0.76 mm，發(fā)芽率高達71.58%。不同家系種子變異系數(shù)中，種長、種寬、長/寬、百粒重和出仁率的變異系數(shù)較小，均在5%以下，種殼厚和發(fā)芽率的變異系數(shù)較大，說明薄殼山核桃種殼厚和發(fā)芽率存在較豐富的變異。

2.2 不同家系子代幼苗生長的差異

對不同家系子代幼苗的生長指標進行方差分析，結(jié)果(表3)表明，不同家系子代幼苗的苗高、地徑、根干重、莖干重、葉干重和根冠比差異顯著(p<0.05)。其中，苗高的變幅為31.23～59.9 cm，較大的是家系3號、4號、6號和7號，較小的是家系5號、11號、14號和16號。地徑的變幅為0.61～0.82 cm，表現(xiàn)較優(yōu)的是家系3號、4號、7號、9號、12號和17號，較差的是家系5號、10號和14號。生物量中家系1號、3號、8號、10號、11號、14號、15號和17號的根干重較大并且家系1、3和8號的莖干重和葉干重也較大。根冠比是反映植物生長狀態(tài)的指標之一，反映了植物地下部分與地上部分的相關性，家系1號、5號、8號和11號根冠比較大說明這些家系子代幼苗的地下部分生長量過大，地上部分生長量相對較小，家系4號、6號和12號的根冠比較接近1，說明這些家系子代幼苗的地下和地上部分生長較均衡。不同家系子代幼苗變異系數(shù)從大到小依次是莖干重>葉干重>根干重>根冠比>苗高>地徑，其中地徑的變異系數(shù)最小(僅為4.91%)，莖干重的變異系數(shù)最大(為17.26%)，說明，不同家系子代幼苗在生長過程中，粗生長變化不大，莖生物量變異較大。

2.3 種子性狀與苗期生長相關性分析

種子的發(fā)芽率和苗期生長與種子的性狀存在一定的關系，但已有的報道認為，植物不同，種子形態(tài)也不同。不同家系種子性狀與發(fā)芽率及子代苗期生長相關性見表4。從表4可以看出，種長、長/寬與發(fā)芽率存在負相關性，說明種子越圓越有利于萌發(fā)，但相關性不顯著。百粒重與種長和種寬存在極顯著正相關性，說明種子越長越寬，種子越大。地徑與種長存在顯著負相關性，說明種子越長對幼苗地徑的生長越不利。殼厚與葉干重的相關系數(shù)較大，說明種殼越厚越有利于葉生物量增加。

表3 苗期生長差異

編號苗高/cm地徑/cm根干重/g莖干重/g葉干重/g根冠比148.90bcde0.77abcd57.05a9.95ab7.77fg3.24a251.10bcd0.71de26.11b5.53fgh8.40def1.89cde359.90a0.79abc29.35b9.08abc11.02bcdef1.48efg459.10a0.82a24.37bc11.15a14.95a0.93h531.23h0.64fg22.82bc3.16h4.12h3.14a656.03ab0.73bcde20.82bc7.11cdef11.64abcde1.11fgh756.73ab0.82a24.33bc8.12bcde10.81bcdef1.28fgh846.47cdef0.75abcde58.58a10.17ab13.63ab2.47b953.70abc0.82a26.65b8.61bcd12.01abcd1.29fgh1046.83cdef0.68efg27.58b5.72efg11.97abcd1.56efg1137.13gh0.72cde27.91b3.99gh7.83fg2.34bc1254.17abc0.82a23.44bc9.11abc13.00abc1.09gh1344.90def0.73bcde20.76bc6.58def10.69bcdef1.20fgh1439.77fg0.61g28.91b5.66efg7.42fgh2.22bcd1542.40efg0.77abcd28.68b5.00fgh8.20efg2.17bcd1635.13gh0.71def15.35c4.73fgh4.76gh1.63ef1750.63bcd0.80ab28.41b6.26defg9.62cdef1.82de平均值47.890.7428.897.069.871.82CV(%)9.014.9115.8817.2617.0114.17

表4 種子性狀與子代苗期生長的相關性

指標種長種寬長/寬殼厚百粒重出仁率發(fā)芽率種寬0.39長/寬0.68**-0.41種殼厚0.010.27-0.18百粒重0.71**0.81**0.030.28出仁率0.040.24-0.19-0.370.27發(fā)芽率-0.26-0.04-0.19-0.04-0.230.19苗高-0.28-0.19-0.110.13-0.300.030.24地徑-0.53*-0.04-0.470.34-0.260.130.46根干重-0.14-0.04-0.140.01-0.080.13-0.19莖干重-0.20-0.02-0.170.34-0.160.13-0.01葉干重-0.28-0.08-0.180.43-0.24-0.070.22根冠比0.150.070.05-0.390.130.20-0.21

注：“**”表示0.01水平上的極顯著相關性，“*”表示0.05水平上的顯著相關性。

2.4 薄殼山核桃種子性狀與苗期生長綜合評價

對17個家系種子性狀和子代幼苗的13個指標進行主成分分析(見表5)，結(jié)果表明，第1主成分的貢獻率較高，為33.03%，其中苗高、地徑和葉干重有較大的特征正向量值，種長和根冠比有較大的負向量值；第2主成分的貢獻率為17.75%，其中種寬和百粒重有較大的正向量值；第3主成分的貢獻率為14.77%，其中出仁率、根干重和根冠比有較大的正向量值，長/寬有較大的負向量值；第4主成分的貢獻率為12.46%，其中發(fā)芽率有較大的負向量值，根干重有較大的正向量值；第5主成分的貢獻率為9.98%，其中種殼厚有較大的負向量值，出仁率有較大的正向量值；前5個主成分的累積貢獻率達到87.99%，說明前5個主成分基本概括了家系種子性狀和子代幼苗生長的13個指標的主要信息。

上面5個主成分中，如果向量值為正且值較大，說明此成分對該主成分的正向影響越大；如果向量值為負且值較大，說明此成分對該主成分的負向影響越大。主成分分析可以有效比較不同家系間種子性狀和子代幼苗生長狀況的綜合質(zhì)量，對良種和優(yōu)良子代植株的選擇及開發(fā)利用有較大的應用價值。

用Z1、Z2、Z3、Z4、Z5分別代表這5個主成分，X1、X2、X3、 ……X11、X12、X13分別代表13個指標，可得到如下的線性方程：

表5 初始因子載荷矩陣

指標第1主成分第2主成分第3主成分第4主成分第5主成分種長-0.290.32-0.260.220.34種寬-0.100.570.17-0.20-0.08長/寬-0.19-0.13-0.410.360.39種殼厚0.170.38-0.210.10-0.46百粒重-0.220.570.01-0.020.09出仁率-0.020.130.42-0.180.57發(fā)芽率0.18-0.080.04-0.470.25苗高0.410.04-0.100.110.29地徑0.420.080.12-0.130.04根干重0.06-0.010.490.52-0.09莖干重0.370.170.120.380.14葉干重0.410.13-0.110.170.06根冠比-0.30-0.120.470.21-0.06方差貢獻率/%33.0317.7514.7712.469.98方差累積貢獻率/%33.0350.7865.5578.0187.99

Z1=-0.29X1-0.1X2-0.19X3+0.17X4-0.22X5-0.02X6+0.18X7+0.41X8+0.42X9+0.06X10+0.37X11+0.41X12-0.3X13；

Z2=0.32X1+0.57X2-0.13X3+0.38X4+0.57X5+0.13X6-0.08X7+0.04X8+0.08X9-0.01X10+0.17X11+0.13X12-0.12X13；

Z3=-0.26X1+0.17X2-0.41X3-0.21X4+0.01X5+0.42X6+0.04X7-0.1X8+0.12X9+0.49X10+0.12X11-0.11X12+0.47X13；

Z4=0.22X1-0.2X2+0.36X3+0.1X4-0.02X5-0.18X6-0.47X7+0.11X8-0.13X9+0.52X10+0.38X11+0.17X12+0.21X13；

Z5=0.34X1-0.08X2+0.39X3-0.46X4+0.09X5+0.57X6+0.25X7+0.29X8+0.04X9-0.09X10+0.14X11+0.06X12-0.06X13。

同時，分別以第1、2、3、4、5主成分對應的方差貢獻率a1、a2、a3、a4、a5作為權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建的綜合評價模型為：C=a1Z1+a2Z2+a3Z3+a4Z4+a5Z5。

將17個家系種子性狀和子代幼苗的13個性狀指標的試驗數(shù)據(jù)代入對應的表達式中，得到各家系的綜合得分值(C值)，見表6。不同家系種子性狀和子代幼苗生長的綜合評價為：家系1>家系8>家系4>家系3>家系7>家系12>家系9>家系10>家系17>家系6>家系2>家系15>家系11>家系14>家系13>家系5>家系16。

3 結(jié)論與討論

通過家系間種子性狀變異分析發(fā)現(xiàn)，薄殼山核桃家系間存在豐富的變異，為優(yōu)良家系的選育和推廣提供了理論基礎。且種殼厚與發(fā)芽率的變異系數(shù)高于種長、種寬、長/寬、百粒重和出仁率，說明對種殼厚和發(fā)芽率的選擇效果更好。種殼厚與葉干重有較大的相關系數(shù)，與發(fā)芽率和根干重的相關系數(shù)較??；發(fā)芽率與地徑有較大的正相關性，說明發(fā)芽率高的種子產(chǎn)生的幼苗地徑生長情況較好；地徑與種長呈顯著負相關；已有研究表明，圓形的種子比長形種子的出仁率更高[12]，然而，吳文龍等研究表明，薄殼山核桃出仁率與長寬比相關性不顯著[13]，本試驗結(jié)果也顯示，出仁率分別與種寬和長寬比呈弱的正或負相關，沒有達到顯著水平，可見，出仁率與種子長還是圓關系不穩(wěn)定，物種不同，種子性狀之間的關系也不同，有待于進一步研究。

種子是植物物種延續(xù)的生命載體，種子大小是影響種子萌發(fā)的主要因素之一。研究表明，在同一物種內(nèi)種子大小能夠影響種子的萌發(fā)能力，直接影響幼苗的建成，最終影響整個群落的結(jié)構(gòu)[14-15]。種子大小對幼苗生長發(fā)育也有很大的影響，種子相對較大的幼苗生長快，幼苗較高[16]，大種子產(chǎn)生的幼苗保持有較大的生長優(yōu)勢而發(fā)育成較大的植株[17]。Harper等認為，在早期，從大種子長出的幼苗通常比小種子長出的幼苗大[18]；柯文山等的研究結(jié)果顯示，種子大小明顯地影響幼苗的初始大小和幼苗的生長高度[19]。但是也有研究指出，較大的種子不一定產(chǎn)生較大的幼苗，如云杉(Piceaasperata)的種子比落葉松(Larixgmelini)的種子大，但是落葉松的幼苗大小則是云杉幼苗的1倍以上，這可能與一些物種的生長特性相關[20]。結(jié)果表明：家系14號和15號的種長、種寬和百粒重較大而幼苗苗高和地徑卻相對較小。

表6 不同家系種子性狀和子代幼苗生長的綜合得分值

編號Z1Z2Z3Z4Z5C排序136.459.8351.045.3560.8428.181232.489.6731.53-5.2756.8922.2511339.2710.5031.49-1.8660.0425.354442.0612.7233.14-8.1968.0426.963521.987.8933.49-13.9254.0617.4316637.499.7326.60-8.9759.5422.9910741.139.6432.39-17.1968.7424.985833.7511.4646.8820.8848.7927.622939.459.5030.86-10.6461.0124.1871036.369.0734.88-16.0664.3823.3781131.676.4336.09-22.2562.3420.59131242.069.3931.12-17.7465.9324.7061333.137.6924.10-10.7752.1819.86151423.7711.3232.023.3748.8819.98141530.868.9934.73-11.7158.2321.43121621.1610.3529.08-8.4751.9617.39171737.187.9832.90-13.1460.2623.099

植物在幼苗階段，其生長的最佳狀態(tài)是將更多的資源分配給葉、莖和根的功能組織，通過葉面積、莖高度和根生物量的增加來獲取更多的資源以達到更大的生存適合度。Coomes等提出，較大種子產(chǎn)生的幼苗可能存在較大的根冠比[21]；Lloret等的研究也表明，不同物種根生物量的分配與種子大小顯著相關，試驗中家系14號和15號的種子較大，百粒重較重，根冠比也較大[22]，這與Loret的研究結(jié)果一致。然而，試驗中家系1號、5號、8號和11號的百粒重較小屬于小種子卻也有很大的根冠比，這可能是因為不同家系子代幼苗對環(huán)境的適應性不同，通過適當改變其地上和地下生物量分配來維持植物的整體生長，提高其對環(huán)境的適應性，具體的原因還需進一步探討研究。

為篩選出綜合表現(xiàn)較優(yōu)的家系子代幼苗，本研究采用主成分分析法進行種子性狀和幼苗生長綜合比較，綜合考慮多個指標的表現(xiàn)，初步篩選出家系1號、8號、4號、3號、7號、12號和9號表現(xiàn)較優(yōu)的子代。但是本研究只分析了1年的試驗數(shù)據(jù)，在后續(xù)的研究中應連續(xù)多年取樣測定來進行綜合評價，雖不全具有代表性，但本研究結(jié)果也代表了不同家系子代幼苗在江蘇地區(qū)的適應性，具有一定的地域特色性。