麻櫟天然群體種子表型變異分析

呂 鋒，解孝滿，韓 彪，喬 婕，董 昕，吳 丹，陸 璐，李文清＊

(1. 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2. 山東省林木種質(zhì)資源中心，山東 濟(jì)南 250102)

麻櫟(Quercus acutissimaCarruth.) 屬于殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus) 植物，在我國分布十分廣泛，是一種重要的珍貴用材樹種[1]，可作為木材、菌材和薪炭材，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和利用價(jià)值；其種子富含淀粉和脂肪油，可釀酒、制作飼料，也可食用，具有非常廣闊的發(fā)展前景。種子是植物有性生殖最重要的器官，是聯(lián)系上下代植物體不可替代的紐帶[2]。20 世紀(jì)50 年代以來，種子的微形態(tài)特征被一些學(xué)者應(yīng)用于植物系統(tǒng)學(xué)和分類研究，證明了種子微形態(tài)特征在科、屬、種等不同層次上具有分類學(xué)意義[3-5]。已知的大多數(shù)森林樹種是通過種子發(fā)育生長(zhǎng)為生殖成熟的個(gè)體，從而周而復(fù)始的繁殖下去，生長(zhǎng)在不同環(huán)境中的林木經(jīng)過漫長(zhǎng)的演化過程形成了對(duì)各自生境的適應(yīng)性，各部分器官具有多樣的形態(tài)變異，其中，種子的形態(tài)變異蘊(yùn)含了許多較為穩(wěn)定的可遺傳變異，因此，種子是研究林木天然群體遺傳變異的重要材料。

目前，對(duì)麻櫟種質(zhì)的相關(guān)研究主要集中在組織培養(yǎng)及快速繁殖技術(shù)[6]，苗期生長(zhǎng)特性[7]，優(yōu)良家系的選擇[8]和群體遺傳多樣性[9-10]等，對(duì)表型多樣性的研究鮮有報(bào)道。表型變異是基因型與環(huán)境相互作用的結(jié)果，是探索群體遺傳分化和變異來源的重要層面。因此，本研究通過對(duì)7 個(gè)麻櫟天然群體種子表型變異進(jìn)行分析，以期揭示麻櫟表型變異大小及規(guī)律，為促進(jìn)麻櫟種質(zhì)資源保護(hù)和遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的麻櫟種子于2019 年9 月至10 月分別采自麻櫟自然分布區(qū)(25°21′～39°49′ N，100°54′～121°59′ E)的7 個(gè)天然群體。麻櫟林中選擇優(yōu)勢(shì)樹種作為母樹，采種母樹之間相距50 m 以上，每一群體選取20～30 株母樹采集種子作為1 份，每份種子不少于300 粒，將采集的所有種子進(jìn)行充分混合，然后將其用作群體的種子樣品，為增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將每個(gè)地理種源都使用了GPS 定位軟件進(jìn)行定位。種子來源情況詳見表1。

表1 麻櫟群體采種母樹來源Table 1 The source of the mother trees collected by the population of Quercus acutissima

1.2 表型性狀測(cè)定及分析

對(duì)不同群體的種子長(zhǎng)、種子寬、種子長(zhǎng)寬比、表面積和體積等利用掃描儀Epson/V700 PHOTO 測(cè)定表型性狀，采用winseedle Pro 2013b 軟件可獲得表型性狀指標(biāo)，使用1/100 電子天平測(cè)定千粒質(zhì)量，從每組樣品分別隨機(jī)選取50 粒種子稱質(zhì)量，重復(fù)3 次，取其平均值。

采用巢式線性模型對(duì)麻櫟群體間和群體內(nèi)的表型變異進(jìn)行方差分析。用變異系數(shù)（CV）表示表型性狀的離散程度。計(jì)算表型分化系數(shù)（Vst）來表示麻櫟群體的表型分化程度，即群體間方差分量與方差總量的比值。計(jì)算公式分別為：100%，其中，δ為標(biāo)準(zhǔn)差、為群體平均值，Vst=[δ2t/s/(δ2t/s+δ2s)] × 100%，其中，δ2t/s為群體間的方差分量，δ2s為群體內(nèi)的方差分量[11]。采用Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用SPSS 21 軟件對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，其中，采用Pearson 相關(guān)分析雙變量相關(guān)性，并根據(jù)各性狀在群體間的歐氏距離進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麻櫟種子性狀的群體間變異

由表2 的方差分析結(jié)果可知：在群體間和群體內(nèi)，種子長(zhǎng)、寬、長(zhǎng)寬比、表面積、體積及千粒質(zhì)量均差異極顯著（P＜ 0.01），說明麻櫟種子表型性狀在群體間存在一定程度的變異。

根據(jù)表3 可以看出：各群體種子長(zhǎng)度的平均值為1.63～2.32 cm，其中，最大的是云南祥云縣群體，最小的是貴州貴定縣群體；各群體種子寬度的平均值為1.33～1.84 cm，貴州貴定縣群體最小，云南祥云縣群體最大；長(zhǎng)寬比最大的是山西中條山群體，最小的是河北聯(lián)峰山群體；種子體積的平均值為1.48～4.15 cm3，其中，最小的是貴州貴定縣群體，最大的是云南祥云縣群體；種子表面積平均值為5.19～10.41 cm2，最小的是貴州貴定縣群體，最大的是云南祥云縣群體；種子千粒質(zhì)量差異最大，平均變幅為1.74～4.82 kg，貴州貴定縣群體最小，云南祥云縣群體最大。

表2 麻櫟群體種子表型性狀方差分析表Table 2 Table of variance analysis of phenotypic traits of Quercus acutissima populations seeds

表3 麻櫟群體種子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Mean and standard deviation of Quercus acutissima population seeds

2.2 麻櫟種子性狀的群體內(nèi)變異

分析和比較不同表型性狀時(shí)，性狀的離散程度用變異系數(shù)來表示[12]，變異系數(shù)越大，性狀的變異程度越大；變異系數(shù)越小，性狀的變異程度越小。由表4 可知：在麻櫟的6 個(gè)表型性狀中，平均變異系數(shù)最大的為種子體積，達(dá)28.18%，其次是種子表面積(18.79%)，變異系數(shù)最小的為種子長(zhǎng)(10.34%)，表明種子長(zhǎng)的變異程度最小，而種子體積這一性狀的變異程度最大。

表4 麻櫟群體種子表型性狀變異系數(shù)Table 4 Table of variation coefficient of phenotypic traits in Quercus acutissima population seeds %

2.3 麻櫟種子表型性狀的群體間分化

由表5 可以看出：在表型性狀的總方差分量占比中，群體間方差分量占比51.29%，群體內(nèi)方差分量占比13.64%，機(jī)誤占比35.07%。從群體間表型性狀的變異幅度看，群體間種子長(zhǎng)寬比的方差分量百分比最小，為41.67%；而千粒質(zhì)量的方差分量百分比最大，為72.20%。從群體內(nèi)表型性狀的變異幅度看，種子寬的方差分量百分比最大，其次為種子長(zhǎng)，最小的是長(zhǎng)寬比。種子表型分化系數(shù)(Vst)為73.17%～84.34%，其中，千粒質(zhì)量的Vst最大，種子寬的Vst最??；表型分化系數(shù)的平均值為78.84%，表明麻櫟群體78.84%的變異來自群體間。

2.4 表型性狀間的相關(guān)分析

根據(jù)表6 可知：各種子表型性狀中兩兩性狀具有極顯著的相關(guān)關(guān)系，其中，千粒質(zhì)量與長(zhǎng)寬比的相關(guān)系數(shù)較小，為0.289；而種子寬和種子體積的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.907。說明選擇的6 個(gè)表型性狀進(jìn)行麻櫟種子表型性狀分析是可行的。

2.5 麻櫟群體表型聚類分析

利用歐氏平方距離系數(shù)對(duì)麻櫟群體進(jìn)行聚類，圖1 表明：以歐氏距離10 為閾值，7 個(gè)麻櫟群體可以劃分為2 大類，第1 類包括山西中條山、遼寧普蘭店區(qū)、河南桐柏縣、云南祥云縣群體，第2 類包括貴州貴定縣、山東黃島區(qū)、河北聯(lián)峰山群體。

表5 麻櫟群體種子表型性狀方差分量及表型分化系數(shù)Table 5 Table of variance components of phenotypic traits and phenotypic differentiation coefficient of Quercus acutissima population seeds

表6 麻櫟種子表型性狀的相關(guān)分析和差異顯著性檢驗(yàn)Table 6 Correlation analysis and difference significance test of phenotypic traits of Quercus acutissima seeds

3 討論

3.1 麻櫟群體種子表型變異多樣性

表型變異既是生物遺傳變異最直接的表現(xiàn)形式，也是遺傳多樣性研究的重要內(nèi)容之一[13-14]。通常分布范圍廣泛的樹種都具有豐富的表型變異，本研究以麻櫟群體種子為材料進(jìn)行表型性狀變異的分析，可以在一定程度上反映其群體遺傳多樣性水平[15-16]。

由巢式方差分析結(jié)果可知：7 個(gè)麻櫟群體種子表型性狀在群體間和群體內(nèi)均差異極顯著，表明麻櫟種子遺傳變異較豐富，不同群體的地理環(huán)境不同使得麻櫟種子性狀變異差異明顯，為下一步進(jìn)行優(yōu)良種源和家系的選擇奠定了基礎(chǔ)。麻櫟群體間的變異大于群體內(nèi)，這與許洋等[17]、劉志龍等[18]及張?jiān)嗟萚19]的研究結(jié)論相反，可能是與遺傳因素和環(huán)境因素的共同作用有關(guān)。此外，麻櫟結(jié)實(shí)有明顯的“大小年”現(xiàn)象，而且不同群體間種子的成熟期不一致，可能會(huì)造成個(gè)體的差異，所以，群體間的變異程度也可能與個(gè)體的差異有關(guān)。各個(gè)不同性狀中，種子體積的變異系數(shù)最大，為28.18%，種子長(zhǎng)的變異系數(shù)最小，為10.34%，說明種子長(zhǎng)這一性狀較穩(wěn)定，這與常恩福等[20]、梁德洋等[21]及厲月橋等[22]對(duì)錐連櫟和蒙古櫟的研究基本上一致。7 個(gè)群體中，平均變異系數(shù)最大的是青島黃島區(qū)群體，為20.58%，平均變異系數(shù)最小的是貴州貴定縣群體，為13.17%，說明山東黃島區(qū)麻櫟群體的生境條件相對(duì)復(fù)雜。麻櫟群體平均表型分化系數(shù)為78.84%，表明麻櫟群體表型變異在群體間的貢獻(xiàn)率為78.84%，變異來源以群體間為主，群體間差異反映了地理隔離和生殖隔離的差異，群體間多樣性是物種內(nèi)多樣性的重要組成部分[23]。因此，在麻櫟種質(zhì)資源保護(hù)工作中應(yīng)當(dāng)注意對(duì)群體間的變異進(jìn)行合理利用。

3.2 麻櫟表型性狀的地理變異

相關(guān)性分析結(jié)果表明：麻櫟種子長(zhǎng)和種子寬、千粒質(zhì)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與厲月橋等[24]對(duì)不同種源蒙古櫟種子表型性狀的研究結(jié)果相近，說明種子長(zhǎng)增加，其種子寬和千粒質(zhì)量也極顯著的增加。根據(jù)聚類分析結(jié)果，將7 個(gè)麻櫟群體劃分成2 個(gè)組群，發(fā)現(xiàn)麻櫟群體并沒有完全按照地理距離遠(yuǎn)近而聚類，與地域沒有明顯相關(guān)性，這可能與不同的地理環(huán)境有關(guān)，此結(jié)果與櫟屬的其他樹種白櫟[25]、鐵橡櫟[26]和栓皮櫟[27]的種子表型性狀的研究基本吻合。千粒質(zhì)量可以作為檢測(cè)種子品質(zhì)的一個(gè)指標(biāo)，千粒質(zhì)量越大，種子品質(zhì)越好，將麻櫟群體聚成了2 類，第1 類代表千粒質(zhì)量大的，包括山西中條山、遼寧普蘭店區(qū)、河南桐柏縣、云南祥云縣群體；第2 類代表千粒質(zhì)量較小的，包括貴州貴定縣、山東黃島區(qū)、河北聯(lián)峰山群體。不同種源麻櫟種子千粒質(zhì)量具有一定的地理變異模式，可能與分布區(qū)域的環(huán)境因素有關(guān)，如光照、溫度、經(jīng)緯度、降雨及海拔等因素相互作用造成了不同群體麻櫟種子千粒質(zhì)量的不同變異模式[28]。

表型變異既受遺傳控制，也受環(huán)境因素的影響[29-31]，表型多樣性是遺傳和環(huán)境影響的結(jié)果。然而，表型變異中有多少遺傳成分可以被利用，需要進(jìn)一步深入研究，下一步有必要選擇合適的分子標(biāo)記開展麻櫟分子水平的變異分析，為有效保護(hù)麻櫟種質(zhì)資源提供可靠的理論依據(jù)，提高麻櫟的利用價(jià)值。

4 結(jié)論

麻櫟天然群體種子在群體間和群體內(nèi)都達(dá)到了極顯著的水平，其遺傳變異較豐富，是遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，且群體間的變異大于群體內(nèi)。研究結(jié)果表明，各表型性狀間呈極顯著相關(guān)關(guān)系。聚類分析將7 個(gè)群體分為2 個(gè)組群，與各個(gè)群體的地理位置分布無明顯相關(guān)性。麻櫟天然群體表型變異的研究，為麻櫟多樣性種質(zhì)資源保護(hù)和利用提供了理論依據(jù)。