中國北部小葉楊光合生理與葉片表型變異分析

李炳虹, 宋躍朋, 張德強, 張曉宇

(1.北京林業(yè)大學理學院；2.北京林業(yè)大學生物科學與技術學院，北京 100083)

小葉楊(PopulussimoniiCarr)為楊屬落葉喬木，廣泛分布于我國華北、東北、西北及西南地區(qū)，作為中國本土樹種資源，小葉楊在林業(yè)、生態(tài)、經(jīng)濟等方面起著重要作用[1-3].因其具備生長快、壽命長、耐鹽堿、抗干旱等特點，是生態(tài)保護和防護林工程的首選樹種之一，又由于分布廣泛，小葉楊存在多個變種，如垂枝小葉楊、秦嶺小葉楊等，變種資源極其豐富[4-5].然而，隨著氣候變遷、土地荒漠化、鹽堿化的加劇，小葉楊的生長環(huán)境受到了嚴重破壞，為保護基因資源并加強小葉楊生長發(fā)育及遺傳改良研究，探究小葉楊光合生理及葉片表型變異變得尤為重要.

植物遺傳變異是指在生存進化過程中包含表觀變異和遺傳物質(zhì)改變的穩(wěn)定變異[6].而葉片表型作為重要的遺傳變異特征，代表著植物對自然環(huán)境的長期進化與適應性.目前，關于小葉楊的研究主要集中于人工林生長[7-9]、耐抗性分析[10-11]、基因克隆表達[12-13]等方面，而關于小葉楊光合生理及表型特征變異的研究則相對較少，且大多是關于小葉楊雜交系的對比分析，如李世峰等[14]研究了美洲黑楊與小葉楊8個雜交組合的苗高、胸徑等表型性狀，結(jié)果顯示雜交組合在苗高、胸徑、側(cè)枝數(shù)3個性狀上有較高遺傳力；劉友全等[15]對比分析了川西高原青楊的變種及變異分化特性；衛(wèi)尊征等[16]以華北及東北地區(qū)5個市縣的192株小葉楊樣本為試驗材料，對比了小葉楊生理及葉片表型的變異特性及其與地理、氣候等因素的關聯(lián).但是關于小葉楊自然種群在整個地理分布層面上涉及光合生理及葉片表型變異對比分析的研究則較少，且由于目前環(huán)境變化導致小葉楊天然資源不斷衰減，而國內(nèi)尚未建立關于小葉楊遺傳種質(zhì)資源的系統(tǒng)研究體系.因此，從地區(qū)分布層面對小葉楊光合生理及葉片表型變異情況進行摸底探究將極大程度上促進小葉楊變種和變型資源的對比分析，有助于進一步完善小葉楊遺傳多樣性評價和建立完備的基因資源庫.

有鑒于此，為深入了解小葉楊的光合生理與葉片表型變異多樣性，本文針對9個地區(qū)小葉楊葉片的10個生理及表型性狀展開對比，通過采用方差分析、多重比較、相關性分析、主成分分析與聚類分析方法，探究了小葉楊葉片不同性狀的變異程度及相互關聯(lián)，并對不同地區(qū)進行劃分，以期為小葉楊資源的遺傳多樣性研究及優(yōu)良樹種選育提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2007年，宋躍朋等[17]采集了中國北部1233株小葉楊材料，并在中國山東省關縣的克隆植物園內(nèi)對其根部進行無性繁殖.本研究針對其中425株典型個體進行對比探究.這425株小葉楊個體分別來自于9個地區(qū)(河北赤城縣、陜西富縣、陜西高陵縣、青?；ブh、寧夏中寧縣、陜西麟游縣、河南伊川縣、山西忻州市和河北承德市).

1.2 光合生理特征與葉片表型特征測量

在試驗中，設定便攜式氣體交換系統(tǒng)(Li-6400xt, LiCor)的光合光子通量密度為1 600 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，并于上午9:00—11:00進行光合生理特征測量.當凈光合速率維持不變(±0.1)時，記錄凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和水分利用率的值.為確保數(shù)據(jù)精確，測量3個葉片的光合生理特征3次(主莖頂?shù)谒闹恋诹~)并計算均值.再采用便攜式激光葉面積儀(CI-202)來測量6個葉片表型特征(葉面積、葉長、葉寬、葉周長、長寬比和葉形因子).

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

計算均值與標準差獲得變異系數(shù)(CV=標準差/均值).方差分析[18]中，采用完全隨機試驗設計模型：

yij=μ+αi+εij,i=1,2,…,k,j=1,2,…,ni

式中：yij為第i個因素的第j個觀察值，μ為總體均值，αi為第i個因素的主效應，εij為誤差項.k為因素個數(shù)，ni為第i個因素的觀察值總數(shù).結(jié)合方差分析使用Tukey檢驗[19]進行各特征的多重比較.

相關性分析中，利用Person相關系數(shù)：ρX,Y=cov(X,Y)/σXσY，度量不同特征之間的關聯(lián)強弱;主成分分析中，進行特征值分解來獲取各特征貢獻率;

聚類分析中則利用數(shù)據(jù)相似性采用基于歐氏距離的Ward法[20]對不同地區(qū)進行劃分.所有數(shù)據(jù)分析工作均使用R軟件來完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 小葉楊光合生理及葉片表型變異分析

在種群水平上(表1)，小葉楊葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、水分利用率、葉面積、長度、寬度、周長、長寬比、葉形因子的平均值分別為14.57 μmol·m-2·s-1、0.32 mol·m-2·s-1、260.0 μmol·mol-1、3.38 μmol·mmol-1、33.52 cm2、8.30 cm、5.83 cm、40.81 cm、1.47和0.41.其中，葉片面積的變異系數(shù)最大，高達0.78，變異范圍為3.91～177.95 cm2；胞間CO2濃度的變異系數(shù)最小，為0.14，變異范圍為144.24～400.38 μmol·mmol-1.此外，根據(jù)樣本峰度和樣本偏度值，除水分利用率、葉面積、寬度和長寬比外，其余性狀均近似服從正態(tài)分布.

在不同地區(qū)之間，小葉楊葉面積、周長和葉形因子具有最大的平均變異系數(shù)(表2)，分別為0.52、0.51和0.61.相較于光合生理特征(0.235)，小葉楊的葉片表型特征具有更大的平均變異系數(shù)(0.395).

表1 小葉楊光合生理及葉片表型性狀變異Table 1 Variation of photosynthetic physiological characteristics and leaf phenotypic traits of P.simonii

表2 各地區(qū)小葉楊葉片光合生理及葉片表型性狀變異系數(shù)均值Table 2 Averages of variation coefficients of photosynthetic physiological characteristics and leaf phenotype of P.simonii from different regions

由此可見，在小葉楊種群中，光合生理特征保持相對穩(wěn)定，而葉片表型特征則由于環(huán)境和地理因素的不同出現(xiàn)了較明顯的變異.

2.2 方差分析與多重比較

方差分析結(jié)果表明(表3)，不同地區(qū)之間，除水分利用率外，其余特征均存在極顯著(P<0.001)差異.說明小葉楊群落的光合生理特征與葉片表型特征均存在豐富變異.多重比較(表4、5)結(jié)果顯示，個別地區(qū)的某些特征相較于其它地區(qū)存在明顯差異.例如，富縣和伊川縣地區(qū)小葉楊的葉面積均值高達54.39和57.42 cm2，而高陵縣與中寧縣的小葉楊葉面積均值僅有18.78和17.81 cm2，雖然富縣與高陵縣地區(qū)相近，但小葉楊葉面積相差較大，并且葉片長度均值也存在較大差距(10.80 cm>6.21 cm)；此外，互助縣地區(qū)小葉楊的葉周長均值為所有地區(qū)最大值63.97 cm，但葉形因子均值(0.17)卻明顯低于其它地區(qū).說明不同地區(qū)之間小葉楊的葉片表型性狀存在明顯變異，且互助縣地區(qū)的小葉楊葉片更細長，而其它地區(qū)近似為橢圓.

表3 不同地區(qū)小葉楊光合生理及葉片表型性狀方差分析1)Table 3 Variance analysis of photosynthetic physiology and leaf phenotype on P.simonii from different regions

1)***代表在0.001水平上顯著.

表4 小葉楊光合生理特征多重比較1)Table 4 Multiple comparison of photosynthetic physiological characteristics of P.simonii

1)不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05).

表5 小葉楊葉片表型特征多重比較1)Table 5 Multiple comparison of leaf phenotypic traits of P.simonii

1)不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05).

2.3 相關性分析

相關系數(shù)反映了變量之間線性關系的強弱，而正負則代表兩個變量之間存在正相關或者負相關.表6為小葉楊群落的10個光合生理及葉片表型特征的Person相關系數(shù).其中，光合生理特征之間在P=0.01水平上均顯著相關，且凈光合速率與氣孔導度及水分利用率之間存在正強相關(0.6

表6 小葉楊光合生理特征與葉片表型特征相關系數(shù)1)Table 6 Correlation coefficients between photosynthetic physiology characteristics and leaf phenotypic traits of P.simonii

1)**代表在0.01水平上顯著，*代表在0.05水平上顯著.

2.4 主成分分析

主成分分析可用于縮減變量復雜關系，簡化系統(tǒng)內(nèi)核.通過對小葉楊光合生理及葉片表型特征進行主成分分析(表7)，結(jié)果表明，前4個主成分可以解釋小葉楊葉片總變異的86%，即1個四因素的模型可解釋小葉楊葉片86%的變異.其中，第一、第二、第三和第四主成分的方差貢獻率分別為0.29、0.26、0.18和0.13.且相關性分析表明，第一主成分與葉面積、葉長、葉寬的相關系數(shù)高達-0.96、-0.95和-0.92.說明葉片變異主要涉及葉面積和葉片長寬的變化，這與相關性分析結(jié)果是一致的.

表7 主成分貢獻率Table 7 Principal component contribution rates

2.5 聚類分析

對整體數(shù)據(jù)進行標準化后并對各地區(qū)求平均，通過使用R語言mvstats包中的H.clust函數(shù)，根據(jù)歐氏距離對各地區(qū)小葉楊數(shù)據(jù)進行ward法系統(tǒng)聚類，結(jié)果如圖1所示.可以清晰看出，來自不同地區(qū)小葉楊樣本可按地區(qū)劃分為3個子類，第1類來自富縣和伊川縣，第2類來自互助縣、麟游縣和忻州市，第3類來自于中寧縣、承德市、赤城縣和高陵縣.從表型性狀來看，富縣和伊川縣地區(qū)小葉楊具有最大的葉片面積、葉長度和寬度，而另外兩類則相對較小，這與方差分析和多重比較結(jié)果是一致的；從地區(qū)分布來看，第1類和第3類(除中寧縣外)類內(nèi)地區(qū)相距較近，而第2類小葉楊樣本雖然地區(qū)相差較遠，但均分布多山脈地區(qū)，因此而聚為一類.值得注意的是，富縣與高陵縣雖地區(qū)相近，但小葉楊表型差異較大，樣本也因此分布于不同子類，說明了這兩者地區(qū)之間的小葉楊存在明顯的變異情況.

3 討論

得力于優(yōu)良的環(huán)境適應性，小葉楊在我國眾多地區(qū)均有分布，且由于不同地理及環(huán)境條件的影響，變種資源異常豐富.衛(wèi)尊征等[16]分析了中國東北及華北地區(qū)小葉楊5個種源的17個生理及表型特征，結(jié)果表明：(1)在小葉楊的17個生理及表型特征中，有15個特征在種源內(nèi)達到了差異極顯著，其中，華北地區(qū)小葉楊葉片要明顯大于東北地區(qū)，且山西寧武地區(qū)的小葉楊種源變異要大于吉林通榆地區(qū)；(2)小葉楊生理特征在種源間也存在顯著差異，類胡蘿卜素等特征的差異極有可能是由海拔因素而引起的；(3)相對于生理性狀，小葉楊的表型特征穩(wěn)定性較差，變異更加豐富；(4)小葉楊種源間的變異要稍低于種源內(nèi)的變異，證明了種源內(nèi)變異為主要變異，并且相關分析表明，生理及表型性狀的變異與地理及環(huán)境因素顯著相關.本文研究中，通過對比地區(qū)間小葉楊光合生理特征與葉片表型特征的平均變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)光合生理特征的平均變異系數(shù)為0.235，明顯低于葉片表型特征的平均變異系數(shù)0.395，且光合生理特征的平均變異幅度0.18也明顯低于表型特征的平均變異幅度0.45，證明了小葉楊生理特征的變異要低于表型特征的變異，與上述研究是一致的.

多重比較結(jié)果顯示小葉楊表型特征在不同地區(qū)之間存在顯著差異.由于群體間差異反映了小葉楊對不同地理情況的適應性，并且作為種內(nèi)多樣性的組成部分，群體間的變異也彰顯了小葉楊對不同環(huán)境的廣泛適應能力[21].小葉楊作為我國重要的鄉(xiāng)土樹種資源，遍布我國北部及西南地區(qū)，伴隨各地區(qū)生態(tài)因素的不同，小葉楊在葉片表型特征方面也因環(huán)境而差異顯著.例如，中寧縣與高陵縣屬西北多山脈地區(qū)，氣候偏干旱，葉片面積偏小以降低蒸騰速率減少水分流失[10,22]；互助縣地區(qū)由于海拔較高溫度偏低，葉片長寬比高于其它地區(qū)，葉片偏細長且周長較大.聚類分析顯示，河北承德和河北赤城歸為一類，由于該兩地區(qū)地理位置相距較近且小葉楊變種多為遼東小葉楊[23-24]，葉片偏小并具有相似的光合及表型特性，與分類結(jié)果相符合；陜西富縣和河南伊川地區(qū)同屬黃土高原，生態(tài)條件差別不大且小葉楊變種多為秦嶺小葉楊，因此歸于一類；此外，值得注意的是，陜西富縣、陜西高陵與陜西麟游雖屬同一省份，但由于該地區(qū)屬于小葉楊適生區(qū)[22]，變種資源豐富，3個地區(qū)由于小葉楊樣本的光合及表型差異而歸于不同分類中.由上可見，正是由于小葉楊存在豐富的變異性，才使其能夠在多個地區(qū)進行生存.同時，豐富的變異為小葉楊種質(zhì)資源多樣性提供了保障，也為小葉楊基因資源的研究提供了新鮮材料.加強遺傳多樣性研究將為小葉楊生長發(fā)育和優(yōu)良樹種選育提供堅實的理論基礎.