梁王山大花香水月季居群表型多樣性分析

付荷玲，王琛瑤，張曉龍，羅 樂*

(1 花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2 國家花卉工程技術(shù)研究中心，北京100083；3 城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083；4 北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083)

表型多樣性是遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，是遺傳多樣性最直接的體現(xiàn)，維持表型多樣性對于物種的長期生存至關(guān)重要[1-2]。長期以來，利用表型性狀的差異來檢測物種的遺傳多樣性是最簡便易行的方法[3-4]，其研究結(jié)果對了解物種居群的遺傳變異規(guī)律、適應(yīng)環(huán)境變化的能力等具有重要意義，為植物的保護(hù)和利用提供了理論支持[5-6]。

大花香水月季(Rosaodoratavar.gigantea)亦稱巨花薔薇，系薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(Rosa)月季組(Sect. Chinenses)植物，主要分布于中國云南，緬甸、泰國、越南、印度阿薩姆邦等地亦有分布[7-8]。但近年來，受人為活動(dòng)、自然環(huán)境變化等的影響，居群和居群內(nèi)個(gè)體數(shù)量逐年減少[9]。大花香水月季具有芳香、花大、較耐寒[10]、低溫開花、授粉率和結(jié)實(shí)率高[11]等優(yōu)良的特性，是中國古老月季和現(xiàn)代月季的重要間接親本之一[12-13]，是重要的種質(zhì)資源，在月季的起源與育種研究中占據(jù)著重要地位。在《中國植物志》中，大花香水月季被記載為香水月季的變種[14]，但陳俊愉[12]贊成將其由香水月季變種撤出而獨(dú)立成種(R.gigantea)。一般認(rèn)為，大花香水月季與月季花(R.chinensis)雜交產(chǎn)生了香水月季(R.odorata)[12,15]，但月季花的原始種單瓣月季花(R.chinensisvar.spontanea)目前主要分布于中國四川，其他省并未發(fā)現(xiàn)其野生分布群落[16-17]，香水月季可能是人工栽培品種，而非自然雜交的結(jié)果[18]。因此，對野外大花香水月季展開野外調(diào)查與研究意義重大。

前人研究表明，大花香水月季具有很高的遺傳多樣性，且在一個(gè)相對較小的分布范圍內(nèi)，大花香水月季居群表型性狀與環(huán)境的相關(guān)性不顯著[19]。在居群和物種水平上，遺傳距離與地理距離顯著正相關(guān)，地理距離是影響大花香水月季遺傳分化的主要因素[9]。因此，本研究以云南省澄江市梁王山一帶距離較近、生境相似的3個(gè)大花香水月季居群為研究對象，納入了更多的表型性狀，并增加了居群內(nèi)植株的研究數(shù)量，對大花香水月季花部和葉部表型性狀進(jìn)行測定和分析，進(jìn)一步探討較近距離內(nèi)居群間與居群內(nèi)表型性狀的變異規(guī)律及分化情況，為大花香水月季的種質(zhì)資源的收集、保護(hù)與開發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為研究香水月季的起源與演化、遺傳變異和栽培育種等工作提供參考。

1 材料和方法

1.1 居群選擇與試驗(yàn)材料采集

對云南梁王山地區(qū)展開調(diào)查，并依據(jù)山谷走向、坡向等環(huán)境因子，對大花香水月季居群進(jìn)行劃分。選取了3個(gè)生境相似、距離較近、植株分布集中的大花香水月季天然居群進(jìn)行表型多樣性分析(表1，圖1)，各居群間水平距離僅1～2 km，居群內(nèi)隨機(jī)選擇80株生長正常、無明顯病蟲害的植株。選定居群的每個(gè)采樣植株均用GPS定位。

1.2 表型性狀的選取及測定方法

選擇具有代表性、遺傳相對穩(wěn)定、易于獲得和測定的表型性狀，包括花瓣、萼片、花梗、復(fù)葉和頂葉等的16個(gè)相關(guān)性狀(圖2，表1)。

所有花部性狀于4月盛花期野外隨機(jī)選取單花帶回室內(nèi)用游標(biāo)卡尺測量，精度0.01 mm。其中，花瓣和萼片性狀每朵花任選3枚測量。所有葉部性狀均選取當(dāng)年生枝條中部健壯無病蟲害復(fù)葉，同期制成標(biāo)本后用Digimizer軟件測量。所有性狀每個(gè)植株均進(jìn)行5次重復(fù)。

1.3 表型多樣性參數(shù)及統(tǒng)計(jì)分析方法

參照李斌等[20]的方法，采用IBM SPSS Statistics 25軟件對各表型性狀進(jìn)行巢氏方差分析，線性模型為：Yijk=μ+Si+T(i)j+e(ij)k；式中Yijk為第i個(gè)居群第j個(gè)單株第k個(gè)觀測值；μ為總均值；Si為居群效應(yīng)(固定)；T(i)j為居群內(nèi)單株效應(yīng)(隨機(jī))；e(ij)k為試驗(yàn)誤差。

表1 云南梁王山3個(gè)大花香水月季居群信息表

P1.新莊村居群；P2.平山居群；P3.飲馬池村居群圖1 大花香水月季居群生境圖P1. Xinzhuang Village population; P2. Ping Mountain population; P3. Yinmachi Village populationFig.1 Habitat of R. odorata var. gigantea populations

圖2 表型性狀測量示意圖Fig.2 Schematic illustration of measurement of phenotypic traits

為群體間均方，MSs為群體內(nèi)均方，MSe為隨機(jī)誤差均方，j為群體內(nèi)樣本數(shù)，k為觀測重復(fù)數(shù)。

采用Excel 2019軟件計(jì)算各性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，表型變異系數(shù)CV(%)=σ/μ×100，式中σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為平均值。采用IBM SPSS Statistics 25軟件對表型性狀進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀在居群間和居群內(nèi)的差異

對所有表型性狀均采用巢氏設(shè)計(jì)方差分析(表2)，結(jié)果顯示，萼片寬、花梗長、復(fù)葉長、頂葉長寬比、頂葉寬位/頂葉長與頂葉葉柄長僅在居群內(nèi)不同植株間為極顯著差異(P<0.01)，在居群間無顯著差異；其余性狀在居群間和居群內(nèi)不同植株間均具有極顯著差異(P<0.01)，表明大花香水月季表型性狀在居群間和居群內(nèi)都有較高的多樣性 (表2)。

F值的大小表現(xiàn)了結(jié)果可靠性的高低，在一定程度上反映了不同表型性狀在居群間和居群內(nèi)差異程度的不同[22]。因此大花香水月季居群間花瓣長變異最為豐富，頂葉長寬比與頂葉葉柄長變異較??；居群內(nèi)萼片長寬比與花梗長變異較豐富，頂葉尖角變異最小。

2.2 天然居群的表型分化

按巢氏設(shè)計(jì)方差分量組成比，進(jìn)一步分析各方差分量占總變異的比例(表3)。16個(gè)表型性狀在居群間和居群內(nèi)的平均方差分量百分比分別為4.80%和54.49%，表明3個(gè)大花香水月季居群內(nèi)的分化程度遠(yuǎn)大于居群間的分化程度。

大花香水月季16個(gè)表型分化系數(shù)(VST)平均值在-1.51%～26.18%之間，VST最大的性狀為花瓣長(26.18%)，表明該性狀在居群間分化最大；VST最小的為頂葉長寬比(-1.24%)和頂葉葉柄長(-1.51%)，萼片寬、花梗長和復(fù)葉長、頂葉寬位/頂葉長VST也較低，分別為1.21%、2.14%、2.10%和2.43%，表明這幾個(gè)性狀在居群間幾乎無分化。VST總平均值僅為7.65%，即大花香水月季居群表型變異在居群間和居群內(nèi)的貢獻(xiàn)分別為7.65%和92.35%，說明大花香水月季居群內(nèi)表型多樣性程度遠(yuǎn)大于居群間表型多樣性程度。

2.3 大花香水月季表型變異特征

變異系數(shù) (CV) 反映了表型性狀的離散程度(表4)。大花香水月季居群表型性狀在居群內(nèi)的平均變異系數(shù)為13.62%，變異幅度為6.85%～23.78%，離散程度相對較低。以 16個(gè)表型性狀的變異系數(shù)進(jìn)行居群間差異性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示變異系數(shù)在居群間不存在顯著差異，說明3個(gè)居群的表型性狀的離散程度差別不大。以3個(gè)居群的變異系數(shù)進(jìn)行不同性狀間差異性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示變異系數(shù)在表型性狀間存在極顯著差異(P<0.01)，這說明表型性狀之間的變異程度存在顯著差別，體現(xiàn)了不同表型性狀對環(huán)境適應(yīng)能力的不同。

平均變異系數(shù)最大的是花梗長，為23.78%，表明該性狀特征在居群內(nèi)最不穩(wěn)定；平均變異系數(shù)較小的是花瓣長、花瓣長寬比、萼片寬、頂葉長寬比、頂葉寬位/頂葉長、頂葉基角，表明這幾個(gè)性狀在各居群內(nèi)變異幅度小，穩(wěn)定性較高。頂葉長、頂葉寬、頂葉寬位、頂葉葉柄長、頂葉尖角等營養(yǎng)性狀在居群內(nèi)有較高的變異系數(shù)，表明這些性狀可能具有較高的表型可塑性，更易受到環(huán)境的影響。綜合來看，生殖性狀變異幅度大多低于營養(yǎng)性狀，具有更高的穩(wěn)定性。

表2 大花香水月季居群表型性狀的巢氏方差分析

表3 大花香水月季居群表型分化系數(shù)分析

P1居群的變異系數(shù)最大，結(jié)合野外調(diào)查來看，可能是因?yàn)榇司尤菏艿饺藶榛顒?dòng)干擾稍小，遺傳多樣性水平更高；而P2居群和P3居群的變異系數(shù)接近，這兩個(gè)居群可能遺傳多樣性水平較為接近。

2.4 大花香水月季的相關(guān)性分析

對大花香水月季的16個(gè)表型性狀進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表5)?；ò觊L與花瓣寬高度正相關(guān)，表明花瓣形狀比花瓣大小更加穩(wěn)定；復(fù)葉長與頂葉長高度正相關(guān)，表明頂葉越長，復(fù)葉也相應(yīng)越長；頂葉寬位與復(fù)葉長、頂葉長、頂葉寬高度正相關(guān)，表明葉片形狀較為穩(wěn)定。

頂葉長寬比與頂葉尖角、頂葉基角呈中度負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明頂葉尖角和頂葉基角越小，葉片形狀越狹長?；ò甑拈L、寬與萼片的長、寬相關(guān)系數(shù)也較大，表明花瓣的大小與萼片的大小相關(guān)性較強(qiáng)。頂葉寬與復(fù)葉長、頂葉長中度相關(guān)，頂葉葉柄長與復(fù)葉長、頂葉長、頂葉寬、頂葉寬位相關(guān)系數(shù)較高。而花部性狀與葉部形狀間相關(guān)性較低或不相關(guān)。

表4 大花香水月季居群表型性狀變異系數(shù)分析

表5 大花香水月季表型性狀間的 Pearson 相關(guān)性分析

3 討 論

3.1 大花香水月季的表型分化情況

居群間多樣性是種內(nèi)多樣性的重要組成部分[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，大花香水月季3個(gè)居群表型分化程度較低，居群間變異僅為7.65%，說明居群間多樣性遠(yuǎn)低于居群內(nèi)多樣性。居群間可能存在較強(qiáng)的基因交流，這可能與這3個(gè)居群距離較近有關(guān)，與其他大花香水月季的研究結(jié)論一致[9,19]。大花香水月季為異交昆蟲授粉木本植物，較近范圍的大花香水月季居群間的基因交流可能更頻繁，發(fā)生遺傳分化的可能性更小[24]，這有利于維持大花香水月季的遺傳多樣性，同時(shí)也能降低遺傳分化的發(fā)生。

然而，邱顯欽等[24]的研究表明大花香水月季居群的分化程度與地理距離無顯著的相關(guān)性，這可能是部分居群被孤立或居群內(nèi)植株數(shù)量偏少導(dǎo)致近交和無性繁殖的概率增加，繼而加劇了居群間的遺傳分化[9]。近年來，隨著大花香水月季棲息地缺失、人工采挖等問題的涌現(xiàn)，大花香水月季數(shù)量銳減，遺傳多樣性可能逐步喪失[7,25]，同時(shí)，生境的片段化、遺傳漂變等原因也將加速居群間的遺傳分化[26-28]。通常，花瓣長是較為穩(wěn)定的性狀[29-31]，但本研究中居群間花瓣長分化明顯(VST=26.18%)，表明該性狀可能受到較強(qiáng)的自然選擇作用[32-33]。而萼片寬、花梗長、復(fù)葉長、頂葉長寬比、頂葉寬位/頂葉長與頂葉葉柄長在居群間無顯著差異且表型分化系數(shù)極低，表明這幾個(gè)性狀在居群間較為穩(wěn)定，不易分化。

3.2 大花香水月季的表型變異規(guī)律

表型性狀的變異對于植物適應(yīng)環(huán)境及進(jìn)化有重要作用，受自身遺傳物質(zhì)和生態(tài)環(huán)境共同的影響[2]。本研究中大花香水月季表型性狀的離散程度較低(CV=13.62%)，說明梁王山一帶大花香水月季遺傳多樣性可能相對偏低，或者居群內(nèi)環(huán)境條件較為一致。然而，Meng等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，大花香水月季具有豐富的遺傳多樣性，其遺傳多樣性指數(shù)遠(yuǎn)高于彎刺薔薇[34]、絹毛薔薇[35]、峨眉薔薇[36]和長尖葉薔薇[37]等其他薔薇屬植物。大花香水月季適應(yīng)性強(qiáng)，分布較廣，這與其較高的遺傳多樣性密不可分，其豐富的變異也能為大花香水月季的種質(zhì)資源保育和開發(fā)提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。但邱顯欽等[24]的研究也表明不同地區(qū)大花香水月季居群的遺傳多樣性存在較大差異。

大花香水月季居群表型性狀變異幅度為6.85%～23.78%，不同性狀的離散程度不同，體現(xiàn)出不同性狀對與環(huán)境變化的響應(yīng)方式不同[38]。其中，大花香水月季花瓣長寬比最穩(wěn)定，說明花瓣長寬比是大花香水月季表型性狀中相對穩(wěn)定的性狀。但同為薔薇屬的中甸刺玫[31]的花瓣長寬比離散程度卻較高，表明不同薔薇屬植物表型變異情況存在差異。此外，花瓣長、萼片寬、頂葉長寬比、頂葉寬位/頂葉長和頂葉基角這幾個(gè)性狀在各居群內(nèi)也相對較為穩(wěn)定。大花香水月季平均變異系數(shù)最大的是花梗長，表明該性狀可能擁有較高的表型可塑性，易受到外界條件的影響?？傮w來看，大花香水月季葉部表型性狀變異幅度普遍大于花部表型性狀，說明在面臨復(fù)雜的野外環(huán)境時(shí)，營養(yǎng)器官通常具有更大的表型可塑性，這與其他植物表型多樣性研究的結(jié)論相吻合[39-41]。

大花香水月季大部分性狀相關(guān)性達(dá)到顯著和極顯著水平，反映出這些性狀在對環(huán)境的適應(yīng)中表現(xiàn)出相互調(diào)節(jié)的作用[42]。但花部性狀與葉部形狀間相關(guān)性較低或不相關(guān)，說明大花香水月季生殖生長受營養(yǎng)生長影響較小，寬刺薔薇[43]、華中五味子[39]等研究中也得到了相似的結(jié)論。

香水月季人工栽培歷史悠久，種內(nèi)關(guān)系復(fù)雜，其起源與演化問題一直備受關(guān)注[44-46]。了解大花香水月季居群內(nèi)和居群間的表型多樣性，明確其物種特征和表型變異規(guī)律，有助于進(jìn)一步挖掘其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科研價(jià)值，對香水月季的遺傳變異和品種分類等方面研究具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為大花香水月季和其他薔薇屬植物種質(zhì)資源的保護(hù)、收集與管理等研究提供借鑒與參考。