百色地區(qū)香合歡種子表型性狀變異分析

羅群鳳，胡 拉，譚健暉，賈 婕，馮源恒，楊章旗

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530002；2. 廣西馬尾松工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530002)

香合歡[Albiziaodoratissima(Linn.f) Benth.]又名黑格、香須樹，含羞草科合歡屬常綠大喬木，分布于廣西、廣東、福建、貴州和云南等地，印度、越南、馬來西亞亦有分布。一般呈散生或數(shù)量不多的群狀聚生。在土層較深厚、濕潤的緩坡地生長良好，萌芽力強(qiáng)。香合歡木材重硬(密度0.68～0.82 g·cm3)，與格木相當(dāng)，心材顏色深呈栗褐色或巧克力色，在木材構(gòu)造上接近格木，木材外觀也與格木有些相似，硬度比格木低，尺寸穩(wěn)定性比格木好，被稱為“土格木”。香合歡材性優(yōu)良，不僅耐腐抗蟲，而且不開裂不變形，主要用于加工實(shí)木地板、家具和門等木制品，經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高。但由于近年來香合歡產(chǎn)地人為破壞嚴(yán)重，分布范圍日漸縮小，瀕危狀況日益嚴(yán)重，急需對(duì)香合歡不同居群分布格局和遺傳變異進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，并開展優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的收集選育，為進(jìn)行遺傳改良和發(fā)展人工種植奠定基礎(chǔ)。

遺傳變異是開展林木改良的前提條件，種實(shí)變異是林木遺傳變異的重要內(nèi)容[1-2]。種實(shí)性狀不但影響種子的生活力，也與樹種居群分布格局密切相關(guān)[3-4]。表型變異則是遺傳變異在個(gè)體上的綜合表現(xiàn)，是遺傳多樣性研究的重要內(nèi)容[5]。研究一個(gè)物種不同居群的種實(shí)表型變異，有助于準(zhǔn)確全面地了解該物種的遺傳變異規(guī)律和居群分布格局關(guān)系，為優(yōu)良種源選擇和種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)[6]。本研究通過對(duì)百色地區(qū)香合歡6個(gè)自然居群26株優(yōu)良單株進(jìn)行實(shí)地觀察測(cè)量和種子收集，分析香合歡種子性狀在居群間、局群內(nèi)的變異程度，揭示香合歡表型性狀的變異規(guī)律，以期為香合歡種質(zhì)資源的收集保護(hù)、種源區(qū)劃、優(yōu)良種源和單株選擇、種源試驗(yàn)采樣和試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供重要技術(shù)支持，為日后良種選育工作提供一定參考，同時(shí)也為香合歡種質(zhì)資源的保存利用和遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)地概況

以廣西百色地區(qū)香合歡分布區(qū)澄碧河、田林縣、西北樂、田東縣、隆林縣和西林縣6個(gè)自然居群(JQ1～JQ6)的香合歡優(yōu)良單株為試材，每個(gè)居群選取3～5株生長正常、無病蟲害的優(yōu)良單株，于2017年2月采莢果并調(diào)查各項(xiàng)基本信息，各居群和單株的基本情況見表1。將莢果帶回室內(nèi)，獲得純凈的種子后對(duì)種子性狀進(jìn)行測(cè)定，而后進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。在所測(cè)定的性狀中，種子的長、寬、厚直接反應(yīng)了母本對(duì)繁殖資源的投入情況；而種子百粒重、發(fā)芽率則反映了繁殖的成功率，有助于分析各居群的交配系統(tǒng)狀況。

試驗(yàn)設(shè)置于廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院科研試驗(yàn)基地(108°20′E， 22°55′N)，位于南寧市北郊，海拔約80 m。年均氣溫21.7 ℃，年均降水量1 300 mm，平均相對(duì)濕度為80%左右，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。土壤為赤紅壤，肥力中等，pH值約為5.6。2017年4月播種，播種前將種子置于清水中浸泡24 h，待半數(shù)以上種子充分吸水、種殼開裂后，撈出瀝干，然后均勻播種于細(xì)沙中，苗木出土后移植至規(guī)格為8 cm×12 cm的無紡布杯袋中，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，20株小區(qū)，5次重復(fù)。

表1 香合歡6個(gè)自然居群的地理位置與環(huán)境因子Table 1 Geographical location and environmental factors of 6 natural populations of A. odoratissima

1.2 性狀指標(biāo)測(cè)定與計(jì)算

每個(gè)家系隨機(jī)挑選30粒飽滿、健壯的種子，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺分別測(cè)量長度、寬度和厚度(精確到0.01 mm)；采用十字對(duì)角取樣法抽取100粒種子，用電子天平(精度0.01 g)稱其百粒重量，8次重復(fù)。

用四分法隨機(jī)抽取50粒種子并稱重，將稱重后的種子置于發(fā)芽盒中進(jìn)行發(fā)芽率試驗(yàn)，4次重復(fù)。以胚根突破種皮、胚芽達(dá)種長1/2 作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[7]，每天觀察記錄1次發(fā)芽粒數(shù)，統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽率。發(fā)芽率/%=n/N×100，其中，n為正常發(fā)芽粒數(shù)，N為供測(cè)種子總數(shù)[8-11]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft excel 2007和SAS 8.1軟件提供的程序進(jìn)行分析。

1.3.1 方差分析 以各性狀指標(biāo)的每次觀測(cè)值為統(tǒng)計(jì)單元，采用巢式設(shè)計(jì)方差分析。線性模型見式(1)：

Yijk=u+Fi+Sj(i)+Bk(ij)+Eijkl

(1)

式中：u表示總體平均值；Fi表示居群效應(yīng)；Sj(i)為居群內(nèi)家系效應(yīng)；Bk(ij)為區(qū)組效應(yīng)；Eijkl為隨機(jī)誤差。

1.3.2 均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù) 統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算根據(jù)顧萬春[12]的方法進(jìn)行分析。

(2)

(3)

(4)

1.3.3 表型分化系數(shù) 表型分化系數(shù)(Vst)是性狀居群間平均方差占居群間與居群內(nèi)合計(jì)方差的百分比，反應(yīng)居群間表型分化的大小。參照葛頌等[13]的方法進(jìn)行計(jì)算表型分化系數(shù)，其公式如下：

(5)

1.3.4 相關(guān)性分析 以各居群平均值為統(tǒng)計(jì)值探討各性狀間及其與居群所在地的緯度、經(jīng)度、海拔、年均氣溫、年均降水量等環(huán)境因子間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 香合歡種子表型性狀變異水平方差分析

對(duì)6個(gè)香合歡自然居群的5個(gè)性狀進(jìn)行巢式方差分析，結(jié)果如表2所示。5個(gè)表型性狀在居群間、居群內(nèi)單株間均存在極顯著差異(P<0.000 1)，說明香合歡種子性狀在居群間和居群內(nèi)變異豐富。這種變異的產(chǎn)生一方面與其遺傳因素有關(guān)，另一方面與各居群所處的不同生態(tài)環(huán)境相關(guān)。

表2 香合歡5個(gè)種子表型性狀的巢式方差分析Table 2 Nested variance analysis of 5 seed phenotypic traits of A.odoratissima

2.2 香合歡居群間和居群內(nèi)的種子表型變異

對(duì)各居群主要性狀進(jìn)行變異特征分析(表3)，各居群間性狀差異較大。JQ6種子長、種子寬、種子百粒重、種子萌發(fā)率均值都最大，分別為8.893 mm、6.468 mm、7.181 g、69.83%；JQ1種子厚均值最大，為2.351 mm。JQ3種子長、種子寬均值最小，分別為7.070 mm、5.285 mm；JQ4種子厚、種子百粒重均值最小，分別為1.829 mm、4.354 g；JQ5種子萌發(fā)率最小，為20.17%。由此可見，來自西林縣的JQ6在6個(gè)居群中表型性狀表現(xiàn)最好，來自澄碧河的JQ1次之。

變異系數(shù)可以揭示表型性狀的變異幅度和規(guī)律，數(shù)值越大表型性狀的離散程度越大，數(shù)值越小表型性狀越穩(wěn)定[14]。由表4可知，香合歡5個(gè)表型性狀平均變異系數(shù)在10.68%～49.30%之間，各個(gè)性狀間差異較大，種子長、種子寬、種子厚的變異系數(shù)相對(duì)較小，種子發(fā)芽率的變異系數(shù)最大，達(dá)49.30%。說明香合歡居群內(nèi)種子大小變異相對(duì)穩(wěn)定，而種子生活力的變異則受居群結(jié)構(gòu)影響更大。

表3 香合歡6個(gè)自然居群種子表型性狀 Table 3 Seed phenotypic traits in 6 natural populations of A. odoratissima

各個(gè)性狀在各居群間變異系數(shù)差異明顯，特別是種子百粒重和種子發(fā)芽率，JQ2的種子發(fā)芽率變異系數(shù)是JQ4的3.6倍，JQ3的種子百粒重變異系數(shù)是JQ2的5倍多。說明不同居群的交配系統(tǒng)效率存在較大差異。變異系數(shù)越小，居群內(nèi)部個(gè)體間授粉成功率越接近，交配系統(tǒng)更通暢；反之，變異系數(shù)越大，居群內(nèi)部個(gè)體間授粉成功率差異越大，居群部分片段化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

表4 香合歡6個(gè)自然居群種子表型性狀變異系數(shù)Table 4 Coefficient of variation of seed phenotypic traits in 6 natural populations of A. odoratissima

2.3 香合歡居群間表型分化

按巢式設(shè)計(jì)計(jì)算各方差分量及占比和表型分化系數(shù)(表5)。居群間的方差分量占總變異的31.67%，居群內(nèi)的方差分量占總變異的28.67%。種子長、種子寬、種子百粒重性狀的居群間表型分化系數(shù)均在60%以上，說明這3個(gè)性狀變異主要存在于居群間；種子厚性狀居群間和局群內(nèi)的變異相差不大，局群內(nèi)稍高于居群間；種子發(fā)芽率性狀居群間表型分化系數(shù)只有18.12%，變異主要存在于局群內(nèi)。

表5 方差分量與居群間表型分化系數(shù)Table 5 Variance component and phenotypic differentiation coefficient among populations

2.4 香合歡種子表型性狀相關(guān)性分析

對(duì)香合歡的各性狀進(jìn)行相關(guān)分析(表6)，結(jié)果顯示：種子長與種子寬、種子厚和種子百粒重均呈顯著正相關(guān)，種子寬與種子百粒重呈顯著正相關(guān)。

表6 性狀間Pearson相關(guān)分析Table 6 Inter-trait Pearson correlation analysis

對(duì)香合歡的5個(gè)種子表型性狀與居群地的地理、環(huán)境因子等進(jìn)行相關(guān)性分析(表7)，結(jié)果顯示：香合歡種子性狀均與海拔呈正相關(guān)，與年均降水量呈負(fù)相關(guān)。這意味著隨著海拔的升高，香合歡種子與幼苗表現(xiàn)均變強(qiáng)；年均降水量適當(dāng)減弱，種子與幼苗生長表現(xiàn)相應(yīng)加強(qiáng)，間接說明香合歡適合生長在較干爽的氣候條件下。但香合歡表型性狀與地理、環(huán)境、母樹生長等相關(guān)性均未達(dá)顯著水平，這可能與香合歡居群地較少的原因有關(guān)，需要加大樣本數(shù)量來進(jìn)一步驗(yàn)證。

表7 種子表型性狀與地理環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系Table 7 The correlation between seed phenotypic traits and geographic environmental factors

3 討論與結(jié)論

3.1 香合歡種實(shí)性狀表型遺傳多樣性

自然存在的表型變異是生物遺傳變異最直接的體現(xiàn)，是遺傳多樣性的重要組成部分，表型變異越大，可能存在的遺傳變異也越大。表型多樣性是在形態(tài)水平上對(duì)遺傳多樣性進(jìn)行闡述，反映了遺傳與環(huán)境共同作用的復(fù)雜性及適應(yīng)環(huán)境壓力的廣泛程度[15-16]。本研究中，6個(gè)香合歡自然居群5個(gè)表型性狀的變異系數(shù)為10.68%～49.30%，性狀間存在較大差異；居群間的表型分化系數(shù)變異范圍為18.12%～70.73%，且各性狀在居群間、局群內(nèi)均達(dá)到極顯著差異水平，表明香合歡居群具有較豐富的遺傳變異，有利于優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的選擇和利用。

居群間與居群內(nèi)的方差分量分別為31.67%、28.67%，相差不大；而表型分化系數(shù)分別為47.36%、52.64%，表明香合歡種實(shí)性狀在居群間存在一定的遺傳分化，在局群內(nèi)也存在豐富的遺傳變異，雖與花楸樹(Sorbuspohuashanensis)[5]、滇橄欖(Phyllanthusemblica)[17]、野生櫻桃李(Prunusdivaricata)[18]、臘梅(Chimonanthuspraecox)[19]、中國沙棘(Hippophaerhamnoides)[20]等植物結(jié)果稍有差異，但也說明物種間的差異性。居群內(nèi)的多樣性變異是種內(nèi)多樣性的重要組成部分，而分布在居群間的變異反映的是地理和生殖隔離上的差異[21]，也反映群體遺傳與環(huán)境交互效應(yīng)的復(fù)雜性及其適應(yīng)環(huán)境能力的差異[22-23]，是群體分化的源泉[24]，其大小在某種程度上反映了該物種對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)程度，值越大，適應(yīng)的范圍越廣。

3.2 香合歡種實(shí)性狀表型變異與居群結(jié)構(gòu)

本研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)表型性狀中種子長、寬、厚的居群內(nèi)變異系數(shù)相對(duì)較小，說明香合歡居群內(nèi)種子大小變異相對(duì)穩(wěn)定。但種子長、寬在居群間的方差分量明顯高于居群內(nèi)，表性分化系數(shù)均在60%以上，說明香合歡的種子大小的居群間發(fā)生明顯的遺傳分化，據(jù)此可推測(cè)由于生境不同，香合歡不同居群在雌性繁殖資源投入策略上發(fā)生了改變。如后續(xù)研究可以獲得單株開花總量、單株結(jié)實(shí)總量、P/O比等繁殖性狀數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步深入分析不同居群在繁殖資源投入策略上的差異。

與種子長、寬所不同的是香合歡的種子厚度在居群間與居群內(nèi)的方差分量差異不大，說明種子厚度不但居群間發(fā)生存在遺傳分化，還受所在居群結(jié)構(gòu)的影響。因?yàn)?，種子厚度既能反映母樹在結(jié)實(shí)上的資源投入，同時(shí)香合歡的種子厚度也能體現(xiàn)種子的飽滿度，該性狀與百粒重和發(fā)芽率都受到所在居群交配系統(tǒng)效率的影響。居群分布相對(duì)集中，傳粉效率越高，結(jié)實(shí)率越高，種子越飽滿；反之居群分布越分散，交配系統(tǒng)不暢，結(jié)實(shí)率越低，空癟種子越多。

種子百粒重也反映所在居群交配系統(tǒng)效率。本研究分析結(jié)果顯示，香合歡各居群在種子百粒重和發(fā)芽率的變異系數(shù)上差異明顯，表明不同居群的結(jié)實(shí)效率因居群結(jié)構(gòu)差異而不同。而研究也發(fā)現(xiàn)種子百粒重在居群間存在較明顯的遺傳分化，基于此可推測(cè)居群結(jié)構(gòu)差異是導(dǎo)致香合歡發(fā)生遺傳分化的推動(dòng)力之一。

3.3 香合歡種質(zhì)資源的保存和利用

由于復(fù)雜的生境變化、長期對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和自然選擇，香合歡種子性狀表現(xiàn)出豐富的變異特征，物種表型變異越大，可能存在的遺傳變異也越大[25]。因此，表型變異研究對(duì)優(yōu)良種質(zhì)資源的開發(fā)利用及遺傳改良具有極其重要的意義。進(jìn)行香合歡性狀改良時(shí)，可將群體和個(gè)體選擇結(jié)合起來，既充分利用群體內(nèi)的變異，又更好地挖掘群體間的遺傳變異，有助于選擇更具生存力的優(yōu)良資源，為資源良種化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供廣闊的前景。目前，對(duì)于香合歡僅進(jìn)行了比較零散的優(yōu)良單株選擇，還沒有開展系統(tǒng)的種質(zhì)資源收集保存、種源試驗(yàn)等，應(yīng)大力開展香合歡種質(zhì)資源收集保存，建立種質(zhì)資源庫，并結(jié)合課題組前期研究基礎(chǔ)和現(xiàn)代生物技術(shù)，選育香合歡優(yōu)良種源、家系和無性系，促進(jìn)香合歡優(yōu)良資源保存利用的可持續(xù)發(fā)展。