不同地理種源麻瘋樹(shù)表型變異研究

郭國(guó)業(yè)，徐 鶯，唐 琳，陳 放，韓學(xué)琴

（1.南陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473061；2.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，成都 610064；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南元謀 651300）

麻瘋樹(shù)（Jatropha curcas L.），又名小油桐，為大戟科（Euphorbiaceae）麻瘋樹(shù)屬（Jatropha L.）多年生落葉灌木或小喬木[1]。麻瘋樹(shù)原產(chǎn)熱帶美洲，現(xiàn)廣泛分布于美洲、非洲和亞洲的熱帶和亞熱帶地區(qū)[2]。麻瘋樹(shù)在中國(guó)多呈野生或半野生，廣泛分布于云南、四川、貴州、廣西和海南等地區(qū)。以云南分布面積最廣，數(shù)量最多，集中分布于云貴高原南緣的亞熱帶干熱河谷地帶[3]。麻瘋樹(shù)耐干旱貧瘠，具有較好的抗逆性，是生態(tài)改良和荒坡地綠化的首選優(yōu)良樹(shù)種[4-5]。從麻瘋樹(shù)的葉、種子和根的汁液中分離提取的萜類(lèi)、香豆素類(lèi)和生物堿等物質(zhì)具有抑菌、殺蟲(chóng)和抗氧化等多方面的藥理活性[6-7]。麻瘋樹(shù)種油含量高，是當(dāng)前重點(diǎn)研發(fā)的生物能源植物，也是世界公認(rèn)的優(yōu)良生物能源樹(shù)種[8]。

基于分子標(biāo)記的研究表明，非洲和亞洲地區(qū)分布的麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)較為狹窄，資源群體的遺傳多樣性普遍不高[9-11]。由于麻瘋樹(shù)雌雄花比例小和抗寒性較差等原因造成其產(chǎn)量不高，甚至在極端條件下不能結(jié)果[12]。通過(guò)對(duì)生物學(xué)表型性狀的研究，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)分布的麻瘋樹(shù)在生物學(xué)特性、果實(shí)產(chǎn)量和種子質(zhì)量特性方面也存在較明顯的變異[13-15]。當(dāng)前，我國(guó)大部分地區(qū)分布的麻瘋樹(shù)植物未被馴化而處于野生或半野生狀態(tài)，現(xiàn)有品種良莠不齊，缺乏可大面積種植推廣的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的品種資源，限制了麻瘋樹(shù)作為能源植物的開(kāi)發(fā)和利用。

加強(qiáng)對(duì)我國(guó)麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的調(diào)查、搜集和生物學(xué)表型性狀的研究對(duì)選育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的麻瘋樹(shù)品種資源和促進(jìn)遺傳改良具有重要意義。本研究通過(guò)對(duì)不同地理種源麻瘋樹(shù)的表型性狀進(jìn)行測(cè)定分析，以期揭示麻瘋樹(shù)的表型性狀變異特征，探討麻瘋樹(shù)不同種源間表型性狀可能存在的遺傳多樣性，為麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的保護(hù)和利用、遺傳改良和品種選育提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用麻瘋樹(shù)種質(zhì)材料采自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所熱帶能源作物種質(zhì)資源圃，該苗圃基地位于云南省元謀縣的金沙江干熱河谷生態(tài)氣候區(qū)。其地理生境位于東經(jīng)101°35′～102°06′，北緯 25°23′～26°06′之間的南亞熱帶干熱季風(fēng)氣候區(qū)，海拔1 088～1 167 m。選取在地理分布和生境具有典型代表性的66份不同種源麻瘋樹(shù)，選取植株的樹(shù)齡一致且均為5年，水肥管理情況基本一致，且生長(zhǎng)狀況良好。66份麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的來(lái)源和生境信息見(jiàn)表1，依據(jù)種源地理分布將其劃分為23個(gè)地理組群。

1.2 表型性狀測(cè)定

每種源地隨機(jī)選取10株進(jìn)行表型性狀的數(shù)據(jù)測(cè)定，每個(gè)性狀指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算其平均值。測(cè)定表型參數(shù)指標(biāo)：地徑、株高、冠幅（東西和南北）、分支數(shù)（一級(jí)和二級(jí)）、結(jié)果量、果重、種形（種長(zhǎng)和種寬）、百粒重和種子出仁率（種仁質(zhì)量/種子質(zhì)量×100%）。對(duì)植株的營(yíng)養(yǎng)性狀指標(biāo)如地徑、株高、冠幅和分支數(shù)的測(cè)定于當(dāng)年6月，即麻瘋樹(shù)植株的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)趨于穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，測(cè)量工具為卷尺（0.10 cm）和數(shù)顯游標(biāo)卡尺（0.01 mm）。測(cè)定工作均在云南省元謀縣云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所熱帶能源作物種質(zhì)資源圃開(kāi)展，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣進(jìn)行。對(duì)麻瘋樹(shù)的生殖性狀如結(jié)果量、果實(shí)和種子的測(cè)定于10月初，即在植株的果實(shí)成熟期進(jìn)行，果色為黃褐色時(shí)為宜。將采集到的果實(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室，置于60℃烘箱條件下烘干至果實(shí)重量恒定為止，測(cè)定果重、種形和百粒重等。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對(duì)種質(zhì)資源的表型數(shù)據(jù)進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等分析。利用SPSS 12.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件首先對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在進(jìn)行t檢驗(yàn)和方差分析之前，首先對(duì)所有群組的性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)以及方差齊性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)顯著性Significance（P值均大于0.001），服從正態(tài)分布假設(shè)，符合正態(tài)分布和方差齊性，可以進(jìn)行方差分析（ANOVA）。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、主成分分析和因子分析，基于歐氏距離（euclidean distance）和組間連接法（between-groups linkage）進(jìn)行層次聚類(lèi)分析（hierarchical cluster）。

表1 麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源和地理分布信息Table 1 Jatropha curcas germplasm resources and their geographical distribution information

續(xù)表1

2 結(jié)果和分析

2.1 麻瘋樹(shù)種源組群間表型多樣性

對(duì)23個(gè)麻瘋樹(shù)種源組群的地徑、株高、冠幅、分支數(shù)、每株果簇?cái)?shù)、每簇結(jié)果數(shù)、單果重、種長(zhǎng)、種寬、百粒重和出仁率共11個(gè)植物學(xué)表型性狀進(jìn)行單因子方差分析（表2）。結(jié)果顯示，不同地理種源組群在地徑、株高、冠幅、分支數(shù)、每株果簇?cái)?shù)、每簇結(jié)果數(shù)、單果重、種長(zhǎng)、種寬、百粒重和出仁率方面在0.05的水平上均存在一定的差異性。其中，植株地徑在各組群的性狀間的差異呈顯著水平（P＜0.01），由中科院昆植所種源引種的植株地徑最大（12.94±3.14），其次為云南楚雄（YNCD）種源（12.70±0.01），地徑最小為云南昭通種源（5.75±1.43）。廣西崇左種源的株高表現(xiàn)最高（3.53±0.25），其次為印度種源（3.36±0.28），云南玉溪種源的株高為最?。?.89±0.62）。綜合冠幅（東西和南北）數(shù)據(jù)，四川攀枝花種源植株在冠幅方面較為突出（冠幅東西3.43±0.87，冠幅南北3.08±0.69），云南文山種源的冠幅為最低。二級(jí)分支數(shù)在各組群的性狀間呈極顯著差異（P＜0.001），印度種源植株在分支數(shù)（一級(jí)分支數(shù)，二級(jí)分支數(shù)）上占有相對(duì)優(yōu)勢(shì)（5.00±1.00，13.33±1.15），其次為云南省農(nóng)科院熱區(qū)研究所選育品種（4.50±0.71，11±1.41），云南玉溪種源表現(xiàn)為最?。?.50±0.71）。云南文山種源的每株果簇?cái)?shù)表現(xiàn)較高水平（141.00±5.66），其次為緬甸種源（121.50±7.78），云南玉溪種源的果簇?cái)?shù)為最?。?1.50±3.54）；每簇結(jié)果數(shù)較高的為四川涼山（2.79±0.95），其次為由中科院昆明植物所引種品種（2.73±0.43），最低為云南曲靖（1.71±0.22）。印度種源在植株單果重方面具有較明顯優(yōu)勢(shì)（2.66±0.19），其次為廣西崇左種源（2.51±0.01），云南曲靖最低（1.45±0.06）。在麻瘋樹(shù)種實(shí)方面，種形（種長(zhǎng)和種寬）、百粒重和出仁率在組群間的差異均不顯著，種形較大的為云南玉溪（19.17±0.10，12.24±0.12），其次為云南楚雄雙柏（18.45±0.58，11.16±0.16）；百粒重較高的為印度種源（69.75±4.61），其次為四川涼山種源（66.49±1.54），最低為印度尼西亞種源（43.02±3.92）；云南西雙版納、云南楚雄（YNCS）和四川攀枝花種源的麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的出仁率具有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，印度尼西亞種源的出仁率表現(xiàn)最低。

表2 不同種源麻瘋樹(shù)組群的表型性狀方差分析Table 2 Variance analysis of phenotypic traits between J.curcas groups among provenances

2.2 麻瘋樹(shù)組群表型變異分析

表型性狀變異分析顯示（表3），麻瘋樹(shù)表型性狀間存在一定的差異。麻瘋樹(shù)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的性狀的平均變異系數(shù)較高，而生殖生長(zhǎng)的性狀的平均變異系數(shù)相對(duì)較小，不同麻瘋樹(shù)種源組群的表型性狀變異依次為：二級(jí)分支數(shù)＞一級(jí)分支數(shù)＞每株果簇?cái)?shù)＞地徑＞每簇結(jié)果數(shù)＞冠幅東西＞單果重＞百粒重＞冠幅南北＞株高＞出仁率＞種長(zhǎng)＞種寬。其中分支數(shù)、果簇?cái)?shù)和地徑的變異系數(shù)相對(duì)較高，表明這些表型性狀存在遺傳不穩(wěn)定性；平均變異系數(shù)相對(duì)較小的為種形，即種寬（0.025）和種長(zhǎng)（0.034），其次為出仁率（0.058），顯示它們?cè)诼榀倶?shù)的表型性狀中具有較穩(wěn)定的遺傳性。不同種源組群麻瘋樹(shù)的表型性狀的平均變異系數(shù)也存在差異，變異系數(shù)較大的為云南普洱（YNPE）、云南紅河（YNHH）、廣西百色（GXBS）和云南楚雄（YNCY）種源的組群，其中，云南普洱（YNPE）組群的平均變異系數(shù)最大，為0.263，其次為云南紅河（YNHH）為0.262，顯示這兩個(gè)地區(qū)麻瘋樹(shù)的表型多樣性較高，遺傳多樣性較為豐富；平均變異系數(shù)相對(duì)較小的為云南曲靖（YNQJ）、老撾（LAWO）、緬甸（MIDI）和云南西雙版納（YNXS）種源組群，云南曲靖（YNQJ）組群的變異系數(shù)最小，為0.067，其次為老撾組群，為0.069，表明這兩個(gè)群體的多樣性相對(duì)較低。

續(xù)表2

2.3 麻瘋樹(shù)組群表型聚類(lèi)分析

對(duì)23個(gè)麻瘋樹(shù)組群的11個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析（表4）。結(jié)果顯示，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)77.14%，可代表和保留原始因子中的絕大部分信息。第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為34.27%，起決定性作用的性狀是百粒重（0.827），特征值為4.46。第2主成分對(duì)各變量的方差貢獻(xiàn)率為18.93%，主要由種寬（0.703）決定，特征值為2.461，具有較高的正載荷。第3主成分對(duì)各變量的方差貢獻(xiàn)率為13.14%，起決定性作用的性狀是一級(jí)分支數(shù)（0.687）和二級(jí)分支數(shù)（0.681），特征值為1.708，具有較高的正載荷。第4主成分對(duì)各變量的方差貢獻(xiàn)率為10.79%，起決定性作用的變量性狀是一級(jí)分支數(shù)（0.536）。主成分分析表明麻瘋樹(shù)組群的表型多樣性主要來(lái)源于百粒重、種寬、一級(jí)分支數(shù)和二級(jí)分支數(shù)4個(gè)性狀。依據(jù)主成分分析確定的4個(gè)性狀，采用歐氏距離法對(duì)23個(gè)麻瘋樹(shù)種源組群進(jìn)行聚類(lèi)分析（圖1）。結(jié)果顯示，在歐氏距離閾值M=10時(shí)，23個(gè)麻瘋樹(shù)組群被劃分為5類(lèi)群：第一類(lèi)群是云南玉溪（YNYX）組群，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為種長(zhǎng)和種寬，即種形在組群間表現(xiàn)為最大；第二類(lèi)群是印度（YIDU）組群，主要特點(diǎn)表現(xiàn)為二級(jí)分支數(shù)、單果重和百粒重在組群間最大；第三類(lèi)群是云南昭通（YNZT）組群，主要表現(xiàn)為地徑、種長(zhǎng)和種寬在組群內(nèi)為最??；第四類(lèi)群包含印度尼西亞（YDNX）和云南農(nóng)科院熱區(qū)研究所（YNRQ）兩個(gè)組群，印度尼西亞組群的冠幅（南北）、一級(jí)分支數(shù)為組群間最大，而百粒重和出仁率為最小，云南農(nóng)科院熱區(qū)研究所（YNRQ）種源性狀表現(xiàn)為一級(jí)分支數(shù)和二級(jí)分支數(shù)較大，單果重為組群間最小；第五類(lèi)群為多個(gè)不同地理種源組群交叉聚類(lèi)，部分地理分布鄰近的麻瘋樹(shù)組群聚類(lèi)在一起。

表3 不同地區(qū)麻瘋樹(shù)組群的表型性狀變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of phenotypic traits in J.curcas groups from different distribution areas

表4 前4個(gè)主成分的負(fù)荷量、特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率Table 4 Factor loadings，eigen value，contribution rate and cumulative contribution rate of the first four principal components

續(xù)表4

圖1 23個(gè)麻瘋樹(shù)組群表型性狀聚類(lèi)圖Figure 1 Dendrogram constructed by Un-weight pair-group method using arithmetic averages(UPGMA)cluster based on phenotypic traits of 23 groups of J.curcas

3 討論與結(jié)論

麻瘋樹(shù)在中國(guó)西南地區(qū)呈現(xiàn)野生和半野生分布，適生區(qū)為年均溫20℃以上的南亞熱帶半濕潤(rùn)地區(qū)的金沙江、紅河、瀾滄江、南盤(pán)江和怒江流域，多生長(zhǎng)于干熱及濕熱河谷地帶[16]。不同種源來(lái)源以及西南地區(qū)復(fù)雜多變的氣候和地理生態(tài)環(huán)境，使麻瘋樹(shù)的生物學(xué)性狀呈現(xiàn)較明顯的表型特征變異[17-18]。表型性狀具有變異性和穩(wěn)定性，受其本身的遺傳組成和生態(tài)環(huán)境兩方面的影響，是生物適應(yīng)其生態(tài)環(huán)境的表現(xiàn)形式，表型變異越大，可能存在的遺傳變異也越大[19]。本研究對(duì)66份不同種源的麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的地徑、株高、冠幅（東西和南北）、分支數(shù)（一級(jí)和二級(jí)）、每株果簇?cái)?shù)、每簇結(jié)果數(shù)、單果重、種長(zhǎng)、種寬、百粒重和出仁率共11個(gè)生物學(xué)性狀的變幅和變異水平進(jìn)行測(cè)定分析，顯示各性狀間均存在不同程度的變異。其中，分支數(shù)、地徑和冠幅等以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的植物學(xué)性狀變異較大，而結(jié)果數(shù)、單果重、百粒重、出仁率和種形（種長(zhǎng)和種寬）等以生殖生長(zhǎng)的性狀變異相對(duì)較低，顯示麻瘋樹(shù)植物的營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)不同地理生境的反映更加敏感，更容易發(fā)生變異[19-20]。

本研究對(duì)植株地徑、冠幅、每簇結(jié)果數(shù)、百粒重和出仁率等11個(gè)表型性狀的方差分析顯示，以云南楚雄、四川攀枝花和四川涼山等位于金沙江干熱河谷分布區(qū)的麻瘋樹(shù)組群表現(xiàn)相對(duì)較高的變異水平。金沙江干熱河谷相對(duì)高度差可達(dá)2 500 m以上，垂直分布差異顯著，獨(dú)特的地理氣候可能是導(dǎo)致干熱河谷的麻瘋樹(shù)分布自成體系而在表型性狀呈現(xiàn)變異的重要原因[3，17]。不同種源組群麻瘋樹(shù)的表型性狀的變異系數(shù)也存在差異，以云南普洱、云南紅河、廣西百色、云南元謀、云南麗江和四川攀枝花的麻瘋樹(shù)組群的表型變異相對(duì)較高，推測(cè)可能是由于地理隔離和有限的基因交流所造成。主成分分析表明，麻瘋樹(shù)組群的表型多樣性主要來(lái)源于百粒重、種寬、一級(jí)分支數(shù)和二級(jí)分支數(shù)4個(gè)性狀，依據(jù)4個(gè)性狀參數(shù)對(duì)麻瘋樹(shù)組群進(jìn)行形態(tài)聚類(lèi)分析，成功將23個(gè)麻瘋樹(shù)種質(zhì)組群劃分為5大類(lèi)群，各類(lèi)群都能夠依據(jù)形態(tài)特征的差異而分開(kāi)，顯示這4個(gè)性狀是形成麻瘋樹(shù)表型變異的主要因子。沈俊嶺等[21]對(duì)海南麻瘋樹(shù)試驗(yàn)基地2年生19個(gè)種源麻瘋樹(shù)的生長(zhǎng)和結(jié)實(shí)性狀研究，發(fā)現(xiàn)種群聚類(lèi)未呈明顯的地理相關(guān)性，認(rèn)為中國(guó)境內(nèi)麻瘋樹(shù)的變異為隨機(jī)的地理變異模式。F.Maghuly等[22]綜合利用AFLP、ISSR和SNP分子標(biāo)記對(duì)收集于三個(gè)大洲15個(gè)國(guó)家共53個(gè)地區(qū)的麻瘋樹(shù)種質(zhì)資源的群體遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)亞洲和非洲麻瘋樹(shù)種質(zhì)的遺傳多樣性相對(duì)狹窄，不支持其作為地理種源的真實(shí)起源，認(rèn)為該地區(qū)麻瘋樹(shù)居群是由于人為強(qiáng)化選擇導(dǎo)致的迅速擴(kuò)張，而非自然野生分布。本研究綜合聚類(lèi)分析顯示，部分同源地理組群能夠聚類(lèi)，但多數(shù)組群聚類(lèi)呈現(xiàn)交叉，表明依據(jù)生長(zhǎng)性狀的組群聚類(lèi)結(jié)果與種群的實(shí)際地理分布水平并不完全吻合，生長(zhǎng)性狀的組群劃分與種源地理沒(méi)有明顯的相關(guān)性，顯示麻瘋樹(shù)表型性狀變異呈現(xiàn)不連續(xù)性，與前人研究結(jié)果基本一致。中美洲被認(rèn)為是麻瘋樹(shù)的起源中心和多樣性分布中心，推測(cè)不同的遺傳背景、不同的遷徙擴(kuò)散路徑以及地理生境的差異可能是形成亞洲地區(qū)不同種源麻瘋樹(shù)組群表型性狀多樣性的主要原因[11]。

本研究通過(guò)對(duì)不同地理種源的麻瘋樹(shù)組群的形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同種源間的地徑、冠幅、分支數(shù)和每株果簇?cái)?shù)的變異水平較大，暗示其容易受到環(huán)境壓力的選擇，而百粒重、出仁率、種實(shí)形狀和種子出仁率的變異水平相對(duì)較低，在種質(zhì)遺傳進(jìn)化中具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性。本研究分析并揭示了不同地理種源麻瘋樹(shù)群體的表型變異特征和變異來(lái)源，可為麻瘋樹(shù)的品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新等工作提供參考依據(jù)。在表型多樣性分析的基礎(chǔ)上結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)價(jià)將是今后研究的重要方向。