不同種源高山栲種子性狀特征及其變異

田瑞杰，鞏合德，雷晨雨，馮德楓，張春華，孫永玉

（1.西南林業(yè)大學(xué) a.地理與生態(tài)旅游學(xué)院；b.林學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 a.資源昆蟲(chóng)研究所；b.云南元謀荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，云南 昆明 650224）

植物形態(tài)特征是其長(zhǎng)期進(jìn)化與環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果，它的表型可塑性變異是其應(yīng)對(duì)資源缺乏及其梯度變化的主要響應(yīng)機(jī)制。作為植物生活史的關(guān)鍵特征，種子性狀（包括形態(tài)和質(zhì)量等指標(biāo)）受到遺傳和環(huán)境因素的共同調(diào)控[1]，其表型可塑性則反映著植物的生長(zhǎng)環(huán)境條件和適應(yīng)能力，研究不同種源間種子性狀變異可在一定程度上揭示種源的遺傳規(guī)律和變異程度[2]。其中，種子的大小和質(zhì)量是其最為常見(jiàn)且重要的性狀指標(biāo)[3]。諸多研究表明，種子大小和質(zhì)量不僅決定昆蟲(chóng)寄生和捕食的機(jī)率及防御狀況[4]，而且與其傳播和擴(kuò)散模式、存活、萌發(fā)、幼苗建立及土壤種子庫(kù)的持久力也有密切關(guān)聯(lián)，甚至還影響植物壽命，但是種子性狀隨地理（經(jīng)緯度和海拔）因素的變化趨勢(shì)仍然存在較大爭(zhēng)議。因此，研究種子形態(tài)特征及其地理變異格局可以加強(qiáng)對(duì)植物自然更新、種群動(dòng)態(tài)和群落分布格局等過(guò)程的深入認(rèn)識(shí)。

高山栲Castanopsis delavayi為殼斗科Fagaceae栲屬Castanopsis植物，主要分布在云南、四川西南部和貴州西南部海拔1 500～2 800 m 的山地，越南、緬甸、泰國(guó)亦有分布，是西部半濕潤(rùn)常綠闊葉林的主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組成之一，具有優(yōu)良的木材性質(zhì)。以高山栲為建群種形成的森林是滇中高原和川西南山地區(qū)域的地帶性頂級(jí)群落，通常是該區(qū)域常綠闊葉林中的低海拔和偏干性森林類型。高山栲林在維持區(qū)域的水土保持、水源涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)服務(wù)功能方面具有重要作用，然而受人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，遭受常年砍伐等干擾，現(xiàn)存林地多為殘留的斑塊狀森林，林下自然更新?tīng)顩r較差。殼斗科植物在我國(guó)闊葉林生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，種子是直播造林及采種育苗過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于種子性狀變異特征篩選優(yōu)良種源是開(kāi)展人工育苗與營(yíng)造人工林的重要基礎(chǔ)性研究。然而，當(dāng)前高山栲相關(guān)研究主要集中在高山栲群落的多樣性[5]、種間關(guān)系[6]、葉片功能性狀[1]、土壤種子庫(kù)[7]和種子儲(chǔ)存[8]等方面，而對(duì)種子形態(tài)特征及其變異研究尚未涉及。殼斗科植物種子通常含有較高的淀粉含量[9]，使其種子性狀研究受到了較多關(guān)注，當(dāng)前主要集中在櫟屬的栓皮櫟Quercus variabilis[10]、麻櫟Q.acutissima[11]、遼東櫟Q.liaotungensis[12]、蒙古櫟Q.mongolica[13]、烏岡櫟Q.phillyraeoides[14]、白櫟Q.fabri[15]、冬青櫟Q.ilex[16]、錐連櫟Q.franchetii[17]、鐵橡櫟Q.cocciferoides[18]和青岡屬的青岡櫟Cyclobalanopsis glauca[19]等樹(shù)種的地理變異、空間分布或表型可塑性變化，然而對(duì)栲屬種子性狀的研究相對(duì)缺乏，僅在鉤栲Castanopsis tibetana[20]和苦櫧Castanopsis sclerophylla[21]方面有所涉及。高山栲作為重要的木本淀粉資源植物，堅(jiān)果果皮可以治療心悸、耳鳴、腰痛，種仁含淀粉86.86%、單醣1.38%、雙醣3.25%、鞣質(zhì)0.26%、脂0.22%、纖維1.99%，種子可食用，具有廣闊的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用價(jià)值。本研究選擇不同地理種源的高山栲種子作為試驗(yàn)材料，分析和探討種子形態(tài)特征的地理變異格局及其與氣候驅(qū)動(dòng)的關(guān)系，為高山栲種群的生態(tài)地理分布和優(yōu)良種源早期選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

由于人為破壞較為嚴(yán)重，高山栲林呈現(xiàn)破碎化零星分布。依據(jù)高山栲的潛在地理分布，并參考中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館中相關(guān)標(biāo)本采集歷史的地理信息，2018—2019年通過(guò)實(shí)地踏查，確定了高山栲林的現(xiàn)存主要分布區(qū)域。在此工作基礎(chǔ)之上，選擇了分布區(qū)域內(nèi)的9 個(gè)縣域開(kāi)展地理種源研究（表1）。待高山栲種子成熟，于2019年9—10月在每個(gè)縣域（種源地）內(nèi)選擇不少于15 株生長(zhǎng)良好的壯齡母株，分別采集去除殼斗后正常、無(wú)病蟲(chóng)害的高山栲果實(shí)約1 kg，標(biāo)記后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。

表1 高山栲種源采集地的基本信息Table 1 Basic information of Castanopsis delavayi from various provenances

1.2 方 法

先手工剝?nèi)ジ呱借喙麑?shí)的堅(jiān)果果殼后，在每個(gè)種源內(nèi)每株母樹(shù)上隨機(jī)選擇10 粒種子，用于相關(guān)性狀的測(cè)定，故每個(gè)地理種群共選擇了150粒種子。高山栲種子為寬卵形，可以直接測(cè)定其高度和寬度。以種子縱軸為其高，以腹面橫向最大寬度為其寬，用電子游標(biāo)卡尺分別測(cè)定其種高（mm）和種寬（mm），精確到0.01 mm，并計(jì)算種形指數(shù)（高寬比：EI）；采集的新鮮高山栲堅(jiān)果在陰涼通風(fēng)處放置兩周后，對(duì)每粒種子進(jìn)行標(biāo)記，先測(cè)定單粒鮮質(zhì)量，后在75℃烘箱中經(jīng)過(guò)48 h烘干后稱質(zhì)量，每粒種子質(zhì)量作為單粒干質(zhì)量。用萬(wàn)分之一電子天平秤稱量種子鮮質(zhì)量（g）與干質(zhì)量（g），精確到0.01 g。

1.3 數(shù)據(jù)分析

變異系數(shù)（CV）與種形指數(shù)（EI）的計(jì)算公式為：

CV=SD/M；

EI=H/W。

式中：CV 為各性狀的變異系數(shù)（%）；SD 為各性狀的標(biāo)準(zhǔn)差；M為各性狀的平均值；H為種子高度；W為種子寬度。其中，種形指數(shù)越接近于1，種子近似于球形，越大則種子呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)型[22]。

采用方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)各種子性狀在不同地理種源之間的差異顯著性以及種子性狀的穩(wěn)定性（1/CV）在各指標(biāo)之間的差異顯著性，采用皮爾森相關(guān)系數(shù)分析種子性狀間的相關(guān)關(guān)系，種子性狀與地理因素（經(jīng)緯度和海拔）和氣候因子（年均溫和年降水量）間的關(guān)系采用線性和非線性回歸分析。以種高、種寬、種形指數(shù)、單粒鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和千粒質(zhì)量為變量，基于歐氏距離進(jìn)行聚類分析。應(yīng)用SPSS 23.0 (IBM Corp.,Somers,NY,USA)軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性和回歸分析及聚類分析，并在Origin 9.3 (OriginLab Corp.,Northampton,Massachusetts,USA.)軟件中繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地理種源間高山栲種子性狀變異特征

由表2可知，在9 個(gè)地理種源內(nèi)，高山栲種子高度的平均值為11.24 mm，變化范圍為7.34～17.66 mm；其中來(lái)自劍川種源的平均種高最大（13.66 mm），來(lái)自興義種源的平均種高最小（10.45 mm）。種子寬度的平均值為10.45 mm，變化范圍為6.81～18.09 mm；其中來(lái)自劍川種源的平均種寬最大（12.52 mm），來(lái)自廣南種源的平均種寬最?。?.25 mm）。種高和種寬的最大值均為最小值的1.4 倍。種形指數(shù)平均值為1.08，變化范圍為0.56～1.74；其中來(lái)自臨翔種源的平均種形指數(shù)最大（1.19），來(lái)自文山種源的平均種形指數(shù)最?。?.01），前者為后者的1.2 倍。單粒鮮質(zhì)量平均值為0.97 g，變化范圍為0.36～2.75 g；其中來(lái)自劍川種源的平均單粒鮮質(zhì)量最大（1.55 g），來(lái)自興義種源的平均單粒鮮質(zhì)量最?。?.67g）。單粒干質(zhì)量平均值為0.61 g，變化范圍為0.22～1.72 g；其中來(lái)自劍川種源的平均單粒干質(zhì)量最大（0.97 g），來(lái)自興義種源的平均單粒干質(zhì)量最?。?.43 g）。千粒質(zhì)量平均值為974.34 g，變化范圍為572.20～1 671.00 g；其中來(lái)自劍川種源的平均千粒質(zhì)量最大（1 551.65 g），來(lái)自興義種源的平均千粒質(zhì)量最?。?74.79 g）。質(zhì)量指標(biāo)的變化幅度相差2.3 倍。

表2 高山栲種子性狀統(tǒng)計(jì)情況Table 2 Statistical characteristic of seed traits of Castanopsis delavayi

種子性狀的變異系數(shù)可以用來(lái)衡量相關(guān)指標(biāo)的穩(wěn)定性，變異系數(shù)越大，則離散程度越大，性狀指標(biāo)的穩(wěn)定性就較差。從6 個(gè)種子性狀指標(biāo)間的變異系數(shù)來(lái)看，種高、種寬、種形指數(shù)、單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量的變異系數(shù)分別為13.26%、14.32%、11.80%、35.16%、34.79%和29.75%，最大值約是最小值的2.6 倍。方差分析結(jié)果表明，所選擇的6 個(gè)測(cè)定指標(biāo)在本研究的分布區(qū)域內(nèi)變異程度存在極顯著性差異（P＜0.001），單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量的變異系數(shù)顯著高于種高、種寬和種形指數(shù)，這表明高山栲種子形狀指標(biāo)在地理分布區(qū)域內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定，而種子質(zhì)量指標(biāo)則呈現(xiàn)出較大的表型可塑性變化（圖1）。方差分析結(jié)果顯示，在不同地理種源之間，高山栲種子的種高、種寬、種形指數(shù)、單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量都存在極顯著差異（P＜0.001）。臨翔種源的種形指數(shù)顯著高于其他種源，除此之外，劍川種源的種高、種寬、單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量等指標(biāo)均顯著高于其他地理種源（圖2）。聚類分析表明，供試的高山栲種源可以被分為三個(gè)大類：第一類是劍川種源，地理位置處于各采樣地最北部，其形狀和質(zhì)量都最大；第二類包括文山、賓川和云龍種源，除文山種源可能是受到地理因素影響外，其余種源地理位置處于各采樣地的西北部，其形狀和質(zhì)量都稍小于第一類；第三類包括西山、雙柏、臨翔、興義和廣南種源，地理位置處于各采樣地的中南、東南部，其形狀和質(zhì)量最?。▓D3）。聚類結(jié)果總體上呈現(xiàn)顯著的地域性。

圖1 高山栲6 個(gè)種子性狀間變異程度（CV）的差異性Fig.1 Difference of CV of seed trait in Castanopsis delavayi among six trait indices

圖2 不同種源間高山栲種子性狀的差異Fig.2 Difference of six seed characters of Castanopsis delavayi among nine provenances

圖3 不同地理種源高山栲種子的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of Castanopsis delavayi seeds from different geographical provenances

2.2 高山栲種子性狀的地理變異格局及其與氣候因子間的關(guān)系

相關(guān)性分析表明，除了種形指數(shù)外，高山栲的種高、種寬、單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），表明這5 個(gè)性狀指數(shù)之間有著非常緊密的關(guān)聯(lián)，高山栲種子性狀變異具有協(xié)同變化特征。

表3 高山栲種子性狀間的相關(guān)性?Table 3 Correlation between various seed traits of Castanopsis delavayi

高山栲的種高、種寬、種形指數(shù)、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量均與地理因素（經(jīng)度和緯度）之間存在顯著的非線性變化關(guān)系（R2為0.26～0.94；P＜0.001）。種高、種寬、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量均隨著經(jīng)度的增大呈下降的趨勢(shì)（圖4f—j），隨著緯度的增大呈現(xiàn)拋物線型關(guān)系，在北緯24°～25°間存在最小值（圖4k—o）。高山栲種子性狀也與海拔存在顯著的非線性變化關(guān)系（R2為0.43～0.58；P＜0.001），種高、種寬、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量均隨著海拔的升高而增大（圖4a—e）。這些種子性狀與氣候因子間的非線性回歸發(fā)現(xiàn)，種高、種寬、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量均隨年均降水量（MAP）和年均溫（MAT）的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)（圖4p—y）。

圖4 高山栲種子性狀隨海拔、經(jīng)緯度、MAT 和MAP 的變化趨勢(shì)Fig.4 Relationships between seed traits of Castanopsis delavayi with elevation,longitude and latitude,MAT and MAP

3 討 論

3.1 高山栲種子性狀變異特征

櫟屬種子形態(tài)研究認(rèn)為，其變異與樹(shù)木地理分布區(qū)域的大小相關(guān)，例如廣域種麻櫟和栓皮櫟種子比狹域種蒙古櫟、遼東櫟和烏岡櫟具有更大的種子形態(tài)[10]。在栲屬植物中，鉤栲種子高度和寬度的變化幅度分別為19.84～20.22 mm和19.23～19.69 mm[20]，苦楮種子高度和寬度的變化幅度分別為11.32～13.29 mm 和11.36～13.57 mm[10]。本研究中高山栲種子高度和寬度的平均值為11.24 mm 和10.45 mm，變化幅度分別為7.34～17.66 mm 和6.81～18.09 mm。相對(duì)于前兩者，盡管高山栲的地理分布區(qū)域較窄，但是其分布區(qū)域內(nèi)跨域的氣候梯度變化范圍更大，故高山栲種子形態(tài)變異要小于鉤栲而大于苦楮。由此進(jìn)一步推測(cè)栲屬種子形態(tài)大小關(guān)系可能受到地理分布范圍內(nèi)資源或氣候梯度變化的影響。

種形指數(shù)是種子形態(tài)的重要指標(biāo)，其值越接近于1，種子形狀就近似于球形[22]。高山栲堅(jiān)果呈闊卵形[9]。本次研究中高山栲種形指數(shù)平均值為1.08，表明高山栲種子近似于球形。相關(guān)分析表明，高山栲種子高度與寬度之間及其與單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，且都與種形指數(shù)無(wú)關(guān)。由此可見(jiàn)，高山栲種子高度和寬度的協(xié)同增加，從而促進(jìn)種子質(zhì)量的增加，并保持高山栲種子形狀具有較高的穩(wěn)定性。

高山栲種子性狀在不同地理種源間均存在顯著性差異，這與殼斗科的櫟類和栲類植物，如栓皮櫟[10]、麻櫟[11]、白櫟[15]、苦櫧[21]和鉤栲[20]等種子性狀的種源變異特征研究結(jié)果一致。從高山栲種子各性狀的變異系數(shù)來(lái)看，種高、種寬和種形指數(shù)的離散程度遠(yuǎn)低于千粒質(zhì)量、單粒鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，這與錐連櫟[17]和鐵橡櫟[18]、苦櫧[21]、白櫟[15]等的研究結(jié)果基本一致。由此可知，高山栲種子形狀相對(duì)于種子質(zhì)量具有較高的穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明地理分布區(qū)域內(nèi)高山栲種子質(zhì)量具有較大的表型可塑性變異。這些結(jié)果可以推測(cè)在環(huán)境資源的變化梯度之上，高山栲主要是采取改變種子質(zhì)量的適應(yīng)策略來(lái)保持穩(wěn)定的種子形狀，表明高山栲種子性狀表型可塑性主要體現(xiàn)在種子質(zhì)量變異方面。種源間性狀差異是種源選擇和良種選育的重要基礎(chǔ)[18]，據(jù)此可以進(jìn)一步將種子質(zhì)量作為指導(dǎo)高山栲種質(zhì)資源篩選與育苗工作的重要指標(biāo)。種子質(zhì)量反映了種子的大小和飽滿程度，種子質(zhì)量越大，種子越飽滿，內(nèi)含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越高，發(fā)芽迅速且整齊[15]。方差分析與聚類分析均表明，劍川種源的形狀和質(zhì)量指標(biāo)均顯著高于其他種源，可以初步將該地域作為高山栲優(yōu)質(zhì)種源的備選地。

3.2 高山栲種子性狀的地理變異格局及其氣候影響

植物受基因及環(huán)境因素共同影響，導(dǎo)致種子表型性狀的地理變異規(guī)律較復(fù)雜[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，高山栲種子性狀在種源間差異極顯著，導(dǎo)致其與地理因子間存在極顯著的非線性變化關(guān)系。高山栲種子性狀隨經(jīng)度的增加而逐漸減小的變化趨勢(shì)與栓皮櫟[17]及全球尺度[23]的研究結(jié)果一致。海拔是影響種子特征（質(zhì)量和大?。┑闹匾蜃?，然而兩者間的關(guān)系至今仍然尚存爭(zhēng)議[24]，先前多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，由海拔升高引起的可利用資源減少會(huì)導(dǎo)致種子大小呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)[10,24]。與一些植物種間[25]和種內(nèi)[26]的海拔變化趨勢(shì)研究結(jié)果相似，本研究也發(fā)現(xiàn)兩者之間存在協(xié)同增加的變化趨勢(shì)?？傊?，高山栲種子性狀具有明顯的地理分異格局，即在北緯24°～25°、經(jīng)度較低及海拔較高地域的高山栲種子具有較大的體積和質(zhì)量，這反映了高山栲種子的遺傳多樣性，也表明其種子形態(tài)性狀受到較強(qiáng)的環(huán)境因子控制[27]。本研究中高山栲種子性狀受到MAT 和MAP 的負(fù)影響效應(yīng)，導(dǎo)致水熱條件較差地區(qū)的高山栲種子體積和質(zhì)量較大。種子質(zhì)量和大小是影響植物多種生態(tài)適應(yīng)對(duì)策的關(guān)鍵特性[28]，高山栲種子形態(tài)的地理變異格局可能與其應(yīng)對(duì)水熱梯度變化時(shí)所采取生存策略的適應(yīng)性進(jìn)化結(jié)果關(guān)聯(lián)。一般認(rèn)為，在水熱條件較好的地區(qū)，生長(zhǎng)良好的植物可以通過(guò)形成較大的種子性狀來(lái)獲取繁殖優(yōu)勢(shì)[3]，然而高山栲種子性狀采取截然不同的生存策略來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境中水熱條件變化；在水熱較差生境中的高山栲種子大小和質(zhì)量較大，這樣可能會(huì)在逆境中增加種子的地表留存時(shí)間來(lái)提高萌發(fā)率，并產(chǎn)生更大的幼苗個(gè)體來(lái)提高后代的生存適合度和繁殖優(yōu)勢(shì)。

3.3 研究局限與下一步研究方向

種源及家系選擇是樹(shù)木遺傳改良的重要手段之一，對(duì)許多樹(shù)種已經(jīng)進(jìn)行了種源選擇研究。在麻櫟[11]、錐連櫟[17]、鐵橡櫟[18]等經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值較高的樹(shù)種中進(jìn)行了較多研究，結(jié)果證明種源選擇能取得良好的優(yōu)育改良效果。較高的形態(tài)穩(wěn)定性使得種子性狀可以作為分類的重要依據(jù)，可作為對(duì)植物的地理分布格局的重要指標(biāo)，地理環(huán)境差異越大，種源間的遺傳與變異則可能越大。本研究中綜合分析了高山栲種子的形狀和質(zhì)量性狀，研究了9 個(gè)高山栲種源種子的種高、種寬、種形指數(shù)、單粒鮮質(zhì)量、單粒干質(zhì)量和千粒質(zhì)量等6 個(gè)性狀的遺傳變異情況，并在分析其種源地理變異格局的基礎(chǔ)上為優(yōu)良種源的選擇提供了一定的理論依據(jù)。而由于西南地區(qū)地貌變化多樣，容易形成許多微氣候類型，在一定程度上對(duì)種子性狀變異的經(jīng)度地帶性和緯度地帶性結(jié)論產(chǎn)生影響，如文山種源。本研究局限于對(duì)小尺度區(qū)域的高山栲種子性狀未進(jìn)一步深入分析，由于各種源分布范圍較廣，不同種源性狀可能會(huì)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性產(chǎn)生差異。今后應(yīng)開(kāi)展多尺度、多地區(qū)種質(zhì)資源的聯(lián)合選擇，選出具有穩(wěn)定遺傳性狀的優(yōu)良種源，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，選擇出優(yōu)良家系和單株。

4 結(jié) 論

高山栲種子平均高度為11.24 mm，平均寬度為10.45 mm，平均種形指數(shù)為1.08，平均單粒鮮質(zhì)量為0.97 g，平均單粒干質(zhì)量為0.61 g，平均千粒質(zhì)量為974.34 g，種子質(zhì)量性狀的穩(wěn)定性顯著低于形狀指標(biāo)。不同種源間高山栲種子性狀存在顯著差異，其中以劍川種源的種子形狀與質(zhì)量指標(biāo)最大。高山栲種子性狀與地理因子間存在極顯著的非線性變化關(guān)系，使其在北緯24°～25°、經(jīng)度較低及海拔較高地域的種子體積和質(zhì)量較大，這主要是由于年均溫和年均降水量的負(fù)效應(yīng)所致。