水榆花楸不同種源表型性狀變異分析

王 軒，李 浩，汲寧寧，錢關(guān)澤

(聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 聊城 252059)

植物群體在長期適應(yīng)環(huán)境的過程中進(jìn)化出不同的植物形態(tài)，植物個(gè)體本身的遺傳差異是環(huán)境因素和遺傳背景共同作用的結(jié)果[1].表型性狀變異是生物多樣性的重要基石.植物葉片具有易于保存，測量相對簡單，觀察便利等諸多優(yōu)點(diǎn)，常用作檢測植物多樣性.不同種源植株既可顯示出植物面對不同地理環(huán)境所產(chǎn)生的遺傳變異現(xiàn)象，也可在研究各種源苗木變異規(guī)律的同時(shí)篩選出適合生態(tài)環(huán)境的最佳育種來源，為園林綠化提供更高造林成活率的幼苗[2].

水榆花楸(Sorbusalnifolia(Sieb.et Zucc.) K.Koch.)，又名千筋樹，落葉喬木，隸屬薔薇科花楸屬[3]，廣泛分布于北溫帶地區(qū)，主產(chǎn)于中國，從中國東北部黑龍江到南部廣西均有分布.分布海拔為800～1 400 m，是一種典型的北溫帶分布種，因其卓越的觀賞價(jià)值、藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，已成為具有廣泛發(fā)展前景的多功能樹種之一.水榆花楸是一種良好的綠化樹種，對環(huán)境具有較強(qiáng)的抗逆性和適應(yīng)性[4]，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，近年來，作為綠化樹種開始推廣種植.迄今為止，有關(guān)水榆花楸的研究已涉及種源收集[5]、種子地理變異、植物組織培養(yǎng)[6]、扦插育苗[7]及抗逆性[8]等多個(gè)方面，但缺少水榆花楸葉片地理變異差異的研究.為研究不同種源水榆花楸的變異規(guī)律，以9個(gè)葉片性狀(葉片長、葉片寬、葉柄長、寬基距、脈左寬、葉尖角、葉基角、葉脈對數(shù)、葉形指數(shù))為測量指標(biāo)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，通過巢式方差分析[9]、表型變異系數(shù)等研究水榆花楸不同種源間及種源內(nèi)的表型變化多樣性，同時(shí)對不同種源水榆花楸進(jìn)行聚類分析，以期為種源遺傳多樣性研究和不同地區(qū)水榆花楸分類提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)方法

1.1 材 料

表1 水榆花楸17個(gè)種源地理坐標(biāo)及位置信息

試驗(yàn)材料為來自全國17個(gè)省市的野生水榆花楸植株，并選取國家數(shù)字標(biāo)本館(http：∥www.cvh.ac.cn)的標(biāo)本圖片作為補(bǔ)充.每個(gè)種源所在省市選擇某地區(qū)作為代表，每個(gè)地區(qū)挑選5份以上水榆花楸標(biāo)本，每份標(biāo)本選擇5～10張完整葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最后以各數(shù)據(jù)平均值作為原始數(shù)據(jù).水榆花楸的17個(gè)種源地理坐標(biāo)及位置信息見表1.

1.2 測量方法

實(shí)物標(biāo)本數(shù)據(jù)的獲取采用直尺、游標(biāo)卡尺、量角器直接測量，標(biāo)本照片采用Digimizer 4.0測繪軟件測量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 水榆花楸種源間及種源內(nèi)表型分化

水榆花楸表型性狀方差分析結(jié)果見表2，葉片表型性狀種群間和種群內(nèi)方差分量和表型分化系數(shù)見表3.

表2 水榆花楸表型性狀方差分析結(jié)果Tab.2 Variance analysis results of phenotypic traits in Sorbus alnifolia

注：*.P<0.05；**.P<0.01.下同.

表3 水榆花楸不同種源方差分量及表型分化系數(shù)Tab.3 Variance components and phenotypic differentiation coefficient of different provenances in Sorbus alnifolia

由表2可見：水榆花楸的葉長、葉寬、葉柄長、葉形指數(shù)在種源間和種源內(nèi)都存在極顯著差異，葉長、葉寬、葉柄長在水榆花楸各種源間差異極為顯著，而葉形指數(shù)在種源內(nèi)差異顯著.

由表3可見：在各葉片性狀的總方差分量中，種源間方差分量平均為3.155%，種源內(nèi)方差分量平均為10.42%，機(jī)誤高達(dá)86.43%；從種間變異幅度看，葉柄長的變異幅度最小，僅為0.68%，而葉寬的變異幅度最大，為7.14%；葉寬的變異幅度最大，其次為葉片長、葉形指數(shù)和葉柄長；種源間的葉片性狀表型分化系數(shù)變化幅度為8.89%～37.13%.其中，葉形指數(shù)分化系數(shù)最小，葉片長分化系數(shù)最大.水榆花楸葉片表型分化系數(shù)平均值為21.37%，說明水榆花楸的葉片形態(tài)變異主要存在于種源間.

2.2 不同種源水榆花楸表型性狀變異特征

水榆花楸不同種源表型性狀變異系數(shù)見表4，各表型性狀的相對極差見表5.由表4可知：葉片各形狀變異系數(shù)間存在差異.其中，葉柄長的變異幅度最大(23.25%)，其次為葉基角(21.80%)、葉尖角(21.64%)、寬基距(21.31%)、葉片寬(21.94%)、脈左寬(20.28%)、葉片長(16.43%)、葉形指數(shù)(12.09%)；不同種源同一性狀變異系數(shù)差異程度不等，葉長2.83%～28.46%、葉寬8.12%～55.37%、葉柄長7.67%～64.38%、寬基距12.49%～29.18%、脈左寬10.49%～33.22%、葉形指數(shù)6.10%～24.21%、葉尖角13.95%～43.14%、葉基角10.76%～30.68%；不同種源水榆花楸表型性狀變異較大，無法單一使用個(gè)別差異作為區(qū)分物種多樣性的依據(jù).江西廬山的水榆花楸變異系數(shù)最小，僅為14.66%；北京香山的變異系數(shù)最大，為33.69%.

表4 水榆花楸不同種源表型性狀變異系數(shù)Tab.4 Variation coefficient of phenotypic traits of different provenances in Sorbus alnifolia /%

表4(續(xù)) /%

由表5可知：水榆花楸各種源平均相對極差有明顯差異.其中，北京香山的平均極差最大達(dá)到64.10%，多數(shù)性狀的相對極差密集分布在30%～45%區(qū)間內(nèi).相對極差體現(xiàn)的是物種性狀變異的極端幅度，因此，17個(gè)不同種源水榆花楸的極端差異程度明顯不同，因此證實(shí)：水榆花楸種群內(nèi)部存在豐富的表型變異.

表5 水榆花楸不同種源表型性狀相對極差Tab.5 Relative range of phenotypic traits of different provenances in Sorbus alnifolia /%

2.3 水榆花楸表型性狀相關(guān)性分析

供試水榆花楸相關(guān)性分析結(jié)果見表6.由表6可知：在水榆花楸葉片形態(tài)中，大多數(shù)表型性狀呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.062～0.879變化較大.其中，葉片長和寬基距呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最大為0.879，其次為葉片長和脈左寬極顯著相關(guān)(0.713)，而葉尖角與寬基距呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.373)，與葉片長呈極顯著負(fù)相關(guān)(-0.257)，葉尖角越尖銳，寬基距越小，葉片形態(tài)更為細(xì)長，葉脈對數(shù)更多.

2.4 不同種源水榆花楸聚類分析

利用歐式距離法對不同種源水榆花楸進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1.由圖1可知：水榆花楸可明顯分為兩個(gè)類群.其中，第1類群中在距離為8時(shí)可分為3個(gè)小類.第1類包含15個(gè)種源：江西廬山、黑龍江帽兒山、河南商城縣、浙江天目山、山東昆崳山、江蘇花果山、北京香山、河北內(nèi)丘縣、河南云夢山、遼寧本溪、福建武夷山、安徽黃山、四川巧家縣、甘肅秦安縣、湖北神農(nóng)架、湖南張家界、陜西太白山；第2類包含四川巧家縣和湖南張家界兩個(gè)種源.

表6 水榆花楸表型性狀相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of phenotypic traits in Sorbus alnifolia

2.5 不同種源水榆花楸主成分分析

17個(gè)不同種源水榆花楸主成分分析結(jié)果見表7.表7表明：水榆花楸表型性狀變異第1主成分和第2主成分分別占比36.62%和26.85%.第1主成分主要反映葉片性狀，葉片長、葉片寬、脈左寬和寬基距都在80%以上.其中，葉長的貢獻(xiàn)率達(dá)到87.7%.葉尖角和葉形指數(shù)特征量為負(fù)值，其余特征量為正值.

表7 水榆花楸主成分分析結(jié)果Tab.7 Principal component analysis of Sorbus alnifolia

3 結(jié)果與討論

根據(jù)巢式方差分析結(jié)果可知：水榆花楸種源間葉長、葉寬、葉柄長、葉形指數(shù)差異極為顯著，種源內(nèi)葉寬和葉柄長的差異達(dá)到極顯著水平；水榆花楸種源內(nèi)葉長和葉形指數(shù)差異達(dá)到顯著水平.僅從某一性狀變異系數(shù)分析可知，葉柄長變異幅度最小，葉片寬變異幅度最大.可見，水榆花楸葉柄長度較其他性狀相對穩(wěn)定，葉片長寬變異巨大，說明葉片性狀變化劇烈.相對極差代表表型性狀的極端變異程度，水榆花楸各性狀的相對極差為24.65%～55.44%，變化幅度較為明顯.其中，葉片寬的極端差異幅度最小，葉基角相對極差平均值較大，為55.44%，變異程度劇烈.不同種源水榆花楸葉基角極端變異程度顯著.

水榆花楸葉片性狀表型分化系數(shù)約為19.72%，表明水榆花楸種源間遺傳變異幅度小于種源內(nèi)，推測水榆花楸不同種源差異主要存在于種源內(nèi).在水榆花楸種源的葉片性狀中，多呈極顯著正相關(guān)或極顯著負(fù)相關(guān).由此可見，不同種源各葉片性狀間具有極顯著差異，體現(xiàn)了生長過程中各性狀生長發(fā)育的協(xié)調(diào)性.

聚類分析結(jié)果表明：不同地理位置水榆花楸可劃分為兩大類群，第1類群包含15個(gè)種源，第2類群包含2個(gè)種源.由水榆花楸樣本地理分布位置發(fā)現(xiàn)，水榆花楸各來源地理分布無明顯相關(guān)性.由于表型分析受限于當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件，存在豐富的變異性.因此，采用表型性狀特征作為區(qū)分種源間遺傳變異特點(diǎn)存在一定的局限性，需要進(jìn)行染色體水平或分子水平的補(bǔ)充研究.分子標(biāo)記是常用作研究植物遺傳多樣性的重要指標(biāo)之一[11]，采用分子標(biāo)記技術(shù)對水榆花楸各種源進(jìn)行聚類劃分的結(jié)果可能更為準(zhǔn)確.水榆花楸分布較為廣泛，集中分布在北緯20°～50°，是一個(gè)典型的北溫帶分布屬，多產(chǎn)在海拔600 m以上[12].不同地區(qū)的水榆花楸無法進(jìn)行基因交流，同種個(gè)體在不同區(qū)域內(nèi)展現(xiàn)出不同性狀[13].目前，對于9個(gè)水榆花楸葉片性狀變異是由環(huán)境變化引起還是由種間隔離引起的機(jī)制尚不清晰.水榆花楸中同時(shí)存在二倍體、三倍體、四倍體3種核型[14]，形態(tài)變異復(fù)雜，而當(dāng)今分類系統(tǒng)中所采用的分類依據(jù)(比如葉脈對數(shù)、葉脈形狀、小葉數(shù)量)能否作為種系的分類依據(jù)應(yīng)重新進(jìn)行評估，并篩選出更優(yōu)的分類性狀.