江西南方紅豆杉球果表型性狀多樣性分析

吳少東，郭昌慶，于 宏，裘利洪*，張文根*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學 野生動植物保護與利用研究中心/林學院，江西 南昌 330045；2.江西省上饒市林業(yè)科學研究所，江西 上饒 334000）

【研究意義】南方紅豆杉（Taxus wallichianaZucc.var.mairei（Lemee&H.Léveillé）L.K.Fu&Nan Li）為裸子植物紅豆杉科（Taxaceae）常綠喬木，主要分布于我國秦嶺以南各省區(qū)，屬國家一級重點保護植物[1]。其樹姿優(yōu)美，樹干紫紅通直，葉片排列整齊、濃綠，樹冠塔形，頗為美觀，特別是其假種皮肉質(zhì)紅色，鮮艷美麗，故又稱之為“美麗紅豆杉”[2]。同時，假種皮含有較高的可溶性糖、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素C、氨基酸、礦物質(zhì)元素等成分，無毒[3]，可鮮食，也可曬干制成果脯，具有較高的營養(yǎng)價值和觀賞價值，經(jīng)濟開發(fā)潛力巨大。【前人研究進展】目前，南方紅豆杉的研究大多集中在化學成分[4-6]、繁殖體系[7-9]、種群動態(tài)[10-12]等方面。南方紅豆杉表型方面的研究主要是針對其枝葉性狀。例如，肖遙等[13]對24 個產(chǎn)地的南方紅豆杉樹高、胸徑和冠幅等生長性狀進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各性狀在不同產(chǎn)地之間差異顯著，存在著不同程度的變異。羅芊芊等[14]對18 個天然居群的葉子表型進行了多樣性分析，發(fā)現(xiàn)各性狀在居群間和居群內(nèi)差異極顯著。歐建德等[15]則對不同種源南方紅豆杉3 年生幼樹的抽側(cè)枝密度、側(cè)枝數(shù)量等10 個枝干性狀指標進行了分析，發(fā)現(xiàn)單株和家系之間的枝干性狀均存在著明顯的差異。而對南方紅豆杉球果（為敘述方便，將含假種皮的種子稱“球果”）鮮有專題報導(dǎo)，一定程度上不利于其優(yōu)良種源的篩選和育種工作?！颈狙芯壳腥朦c】表型觀測是研究植物多樣性最直觀、最基礎(chǔ)的方法，通過這一方式可以從整體上了解資源的豐富程度，為基因和細胞的研究提供直觀依據(jù)。本研究首次對南方紅豆杉球果的表型性狀進行分析，探討各表型性狀間的相關(guān)性以及聚類情況，并對其球果表型進行綜合評價，這對南方紅豆杉品種的選育工作具有重要的意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為南方紅豆杉觀果和食用品種選育提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，彌補南方紅豆杉球果表型研究方面的一些空白。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

根據(jù)“江西省第二次國家重點保護野生植物資源調(diào)查”的南方紅豆杉資源調(diào)查結(jié)果，并考慮實驗材料的代表性，于2020 年在宜春市、上饒市、撫州市等江西南方紅豆杉集中分布地采集37 份實驗材料，詳情見表1。

表1 37份南方紅豆杉實驗樣品Tab.1 37 Samples of Taxus wallichiana var. mairei

1.2 數(shù)據(jù)采集

選取球果形狀、假種皮顏色、開口形狀及開口先端翹起情況和種子外露情況5個球果描述性狀，球果和種子的長度、寬度和長寬比及球果百粒質(zhì)量、種子千粒質(zhì)量和假種皮顏色9 個數(shù)量性狀來分析南方紅豆杉球果的表型多樣性[16]。描述性狀采用目測觀察法，等級劃分如表2。

表2 5個描述性性狀的賦值情況Tab.2 Valuation information of 5 descriptive characters

數(shù)量性狀測量：每株南方紅豆杉隨機抽取30粒球果，用精度為0.01 mm 的電子游標卡尺測定球果的長度、球果的寬度；之后將球果用刀片切開，將種子和假種皮分離，用游標卡尺測量其假種皮厚度；球果去假種皮后，測量種子長度、種子寬度，3 次重復(fù)取平均值；之后，每株樹隨機抽取100 粒球果，用精度為0.01 g 的電子天平測量球果百粒質(zhì)量，5 次重復(fù)取平均值；最后，球果去假種皮，用吸水紙吸凈表面水分，再用精度為0.01 g的電子天平測量種子的千粒質(zhì)量，5次重復(fù)取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)整理，計算平均值、標準差、變異系數(shù)、分布頻率和Shannon-weaver（H’）多樣性指數(shù)[17]；利用SPSS 22.0軟件對各表型數(shù)據(jù)進行聚類分析、主成分分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 南方紅豆杉球果表型性狀分析

2.1.1 描述性狀分析 由表3 可知，37 份江西南方紅豆杉球果的5 個描述性狀均有不同程度的變異（圖1），多樣性指數(shù)在0.494～1.876，其中球果形狀和開口形狀多樣性指數(shù)較大。球果形狀有4 種表型，以長球形和橢球形為主，共有26 份，兩者所占頻率相同，都為0.351；圓球形和扁球形分布較少。球果顏色4 種，以紅色為主，橙黃色次之，黃色、橙色最少。開口先端有翹起和不翹起2 種表型，以不翹起為主，頻率為0.676。種子以不外露的為主，33 份，頻率為0.892。開口形狀3 類，以開口為橢圓形為主，頻率為0.595。

圖1 南方紅豆杉球果形態(tài)多樣性Fig.1 Cones diversity of Taxus wallichiana var.mairei

表3 南方紅豆杉描述性狀的頻率分布及多樣性指數(shù)Tab.3 Frequency distribution and diversity index of descriptive traits in Taxus wallichiana var.mairei

2.1.2 數(shù)量性狀分析 從表4可以看出，不同種源南方紅豆杉的球果百粒質(zhì)量之間有較大的差異。球果百粒質(zhì)量反映的是球果的大小：百粒質(zhì)量在80.0～102.0 g 的有7 份，占總數(shù)的20%；在60.0～80.0 g 的有13 份，占總數(shù)的35%；60.0 g 以下的有17 份，所占比例為45%；球果最小的為YC-WZ-03，百粒質(zhì)量僅為38.95 g。由此可將其劃分為3 類：（1）小果型，百粒質(zhì)量在60.0 g 以下，如YC-WZ-02、YC-WZ-03、YCTG-03；（2）中果型，百粒質(zhì)量在60.0～80.0 g，如YC-TG-02、YC-TG-04、YC-GS-05；（3）大果型，百粒質(zhì)量在80.0 g以上，如JA-SC-03、JA-SC-04、GZ-CY-03等。球果的長寬比反映的是球果的形狀：球果長寬比在0.8 以下的僅有5 份，如YC-TG-03、GZ-LN-01、GZ-LN-02；大多集中在0.8 以上，如YC-WZ-01、YCWZ-02、YC-TG-01，這說明球果形狀以圓球形和橢球形為主，扁球形的較少。假種皮厚度則與南方紅豆杉的可食率息息相關(guān)：假種皮厚度在3 mm 以上的有8 份，如JA-SC-03、JA-SC-04、JA-AF-01 等，假種皮較厚，可食率較高，可以拿來鮮食或制成蜜餞。

表4 南方紅豆杉球果性狀指標Tab.4 Cone traits of Taxus wallichiana var. mairei

從表5可知，南方紅豆杉球果的表型性狀變異系數(shù)為7.49%～26.55%，變異程度由高到低依次為球果百粒質(zhì)量、假種皮厚度、種子千粒質(zhì)量、球果長、球果長寬比、種子長寬比、球果寬、種子寬和種子長。球果百粒質(zhì)量最大值為102.04 g，最小為38.95 g，變異系數(shù)為26.55%，說明不同種源間南方紅豆杉球果大小差異較大。球果長、球果寬、球果百粒質(zhì)量的變異系數(shù)大于種長、種寬、種子千粒質(zhì)量的變異系數(shù)，說明南方紅豆杉的假種皮變異程度是普遍大于種子的，可能具有重要的適應(yīng)性意義。

表5 南方紅豆杉球果數(shù)量性狀多樣性分析Tab.5 Diversity analysis of quantitative traits of Taxus wallichiana var. mairei cone

2.2 南方紅豆杉球果表型相關(guān)性分析

從表6 可知，南方紅豆杉球果9 個數(shù)量性狀之間存在著不同的相關(guān)性。球果長和球果寬、球果百粒質(zhì)量、球果長寬比都存在極顯著的正相關(guān)性，種子長和種子寬之間相關(guān)性不顯著，種子千粒質(zhì)量與種子長種子寬呈顯著的正相關(guān)，種子長寬比和球果長寬比之間存在著顯著的正相關(guān)。假種皮厚與球果長、球果寬、球果百粒質(zhì)量存在著極顯著正相關(guān)。這種性狀之間的相關(guān)性顯示了植物在生長過程中性狀之間的協(xié)調(diào)性。

表6 南方紅豆杉球果表型相關(guān)性分析Tab.6 Correlation of traits among the cone phenotypes of Taxus wallichiana var. mairei

2.3 南方紅豆杉球果表型數(shù)量性狀主成分分析

主成分分析結(jié)果（表7）表明：前4個主成分的累計貢獻率達97.494%，說明前4個主成分可基本反映南方紅豆杉球果表型的大部分信息。第1主成分的貢獻率為35.85%，其中，球果寬、球果長、球果百粒質(zhì)量、假種皮厚度特征向量的絕對值均大于0.6，說明該主成分主要反映球果的大小。第2主成分的貢獻率為29.216%，其中，種子寬、種子長寬比的特征向量的絕對值較大，均在0.7 以上，說明該主成分主要反映的是種子的寬度。第3主成分貢獻率為18.503%，其中種子千粒質(zhì)量、種子長特征向量絕對值較大，均在0.6以上，說明該成分主要反映種子的質(zhì)量。第4主成分的貢獻率為13.925%，其中球果長寬比特征向量絕對值最大，說明該主成分反映的是球果的形狀。

表7 南方紅豆杉球果表型主成分分析Tab.7 Principal component analysis of the fruit phenotype of Taxus wallichiana var. mairei

根據(jù)特征向量矩陣及標準化的9個表型性狀值，代入上述4各主成分中，由此可以得到4個主成分得分公式，公式如下：

將9 個數(shù)量性狀數(shù)值進行標準化處理，代入公式，得到F1、F2、F3 和F4。根據(jù)F1、F2、F3 和F4 數(shù)值以及各主成分的貢獻率，計算出每個球果表型的綜合得分，綜合得分公式為F=0.358 5F1+0.292 16F2+0.185 03F3+0.139 25F4。基于F值對37 個球果表型數(shù)量性狀進行綜合評價（表8），F(xiàn)值越大，表型綜合性越好。綜合得分第1 的是JA-SC-03，球果百粒質(zhì)量最大，假種皮厚，具有良好的食用價值和觀賞價值。第2為SR-DX-02，假種皮橙色，球果較大，觀賞價值極高。綜合得分最低的是GZ-LN-02，表現(xiàn)最差。其余得分情況見表8。

表8 南方紅豆杉球果表型性狀綜合評價Tab.8 Comprehensive score of cone phenotypic in Taxus wallichiana var. mairei

2.4 南方紅豆杉球果表型聚類分析

從圖2 可知，以歐氏距離10 為闕值，37 份南方紅豆杉球果被分為4 類：A 類，包含YC-WZ-01、YCGS-03、YC-TG-03等11份，種子的表現(xiàn)較好，主要反映的是種子的優(yōu)良性狀；B類，包含YC-WZ-02、YCWZ-03、JA-SC-01 等13 份，表現(xiàn)均為中等；C 類，包含YC-TG-02、SR-WY-01、FZ-NF-01 等6 份，假種皮較厚，可食率較高。D 類，包括JA-SC-04、FZ-LA-01、GZ-CY-03 等7 份，球果表現(xiàn)較其他3 組較好，球果性狀優(yōu)良。并且，37個南方紅豆杉球果并沒有按照地理上的分布聚集在一起，其球果表型在地理上沒有特異性。

圖2 南方紅豆杉球果表型聚類分析Fig.2 Cluster analysis of cone traits in Taxus wallichiana var.mairei

3 結(jié)論與討論

本研究以37 份南方紅豆杉球果為材料，對其球果表型的5 個質(zhì)量性狀、8 個數(shù)量性狀進行了分析，其中5 個質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)在0.494～1.876，8 個數(shù)量性狀的變異系數(shù)在7.49%～26.55%。據(jù)前人研究[17]結(jié)果表明多樣性指數(shù)大于1.0，則此性狀多樣性較高；而變異系數(shù)大于10%，則變異程度較為豐富。南方紅豆杉開口形狀和球果形狀的多樣性指數(shù)均大于1.0；除種子長、種子寬之外，其余數(shù)量性狀的變異系數(shù)均大于10%，這說明南方紅豆杉表型變異比較豐富。南方紅豆杉的植被區(qū)跨越了亞熱帶常綠闊葉林和暖溫帶針葉林，分布范圍較廣，可生長于山坡、濕地、林緣等多種生境之中，其較強的適應(yīng)性為球果多樣性提供了基礎(chǔ)。種子成熟后，假種皮變紅色且味甘甜，常常吸引鳥類和小型哺乳動物取食[18]，因此其種子常會隨著動物以及鳥類的遷徙散落在不同的空間中，由于環(huán)境和其自身遺傳作用下可能會導(dǎo)致其發(fā)生一定的變異，這可能也是南方紅豆杉球果多樣性形成的原因之一，具體的作用機制則需要進一步研究。

南方紅豆杉球果是鳥類越冬的重要食材，其大小、顏色和形狀可能與鳥類演化密切相關(guān)。已有研究表明，不同體型的鳥類對南方紅豆杉球果取食方式是不同的，體型較大的鳥類，喙大，如紅嘴藍鵲（Urocissa erythrorhyncha）、綠翅短腳鴨（Hypsipetes mcclellandii）、灰樹雀（Dendrocitta formosae）等采取的是整吞的方式，之后通過糞便排出傳播其種。而體型較小的鳥類，喙亦小些，如紅脅藍尾鴝（Tarsiger cyanurus）、棕臉鹟鶯（Seicercus albogularis）和灰眶雀鹛（Alcippe morrisonia）等則采取啄食的方式，即直接在空中懸停啄食假種皮或?qū)⒐麑嶃曋粮浇偎菏臣俜N皮[18-20]。因此推斷，南方紅豆杉球果大小、形狀與鳥類喙的演化可能存在較為密切的關(guān)系，其協(xié)同演化式樣有待進一步驗證。

南方紅豆杉球果是一種具有巨大潛在開發(fā)價值的新型果實。目前，人們對南方紅豆杉的認識和研究主要還是在于樹皮中紫杉醇的藥用開發(fā)或作為常綠喬木的園林綠化利用，而對其假種皮資源尚沒有得到足夠的重視和有效的開發(fā)。南方紅豆杉假種皮中可溶性糖、蛋白質(zhì)、脂肪、粗纖維、VC含量、人體生長發(fā)育所必需的8種氨基酸，均高于許多果蔬。而且，不管是野外調(diào)查取食，還是鳥類攝食事實，以及食品級毒性研究[3]，均表明南方紅豆杉假種皮無急性毒性，是安全的果實食品。因此，水果級品種選育，球果大、種子小、肉質(zhì)多、味甘美的果用型南方紅豆杉選育，將是今后南方紅豆杉良種選育、苗木繁殖和定向培育的重點方向之一。本研究發(fā)現(xiàn)，JA-SC-03、SR-DX-02、GZ-CY-03、FZ-LA-01和SR-WY-02等具備部分上述優(yōu)良特質(zhì)，蘊藏著較大的開發(fā)潛力，可作為第二代品種選育的母本，建議加大引種馴化，擴大栽培規(guī)模。

南方紅豆杉是價值較高的園林樹種。目前，人們對其園林開發(fā)價值的關(guān)注和研究主要在于樹形和枝葉方面。例如，歐建德等[21]對來自江西、福建、貴州等地的35 個南方紅豆杉單株的枝干表型進行了篩選和綜合評價，獲得了一批具有較高園林開發(fā)價值的單株。而對其球果的觀賞特性關(guān)注不夠，對其相關(guān)品種選育更是空白。本文研究發(fā)現(xiàn)，南方紅豆杉球果在大小、形狀、顏色等方面都存在著豐富的變異，其中FZ-LA-01和SR-DX-02假種皮顏色特異，呈黃色系，JA-SC-03的果實大小顯著不同于普通的南方紅豆杉，是其觀果品種選育的優(yōu)良株系。因此，建議對南方紅豆杉野生資源加大關(guān)注力度，并對其優(yōu)良株系進行扦插和嫁接等無性繁殖試驗。

總之，南方紅豆杉球果表型多樣性較為豐富，具有較高的園林景觀價值和極具開發(fā)潛力的食用價值。本文首次針對南方紅豆杉的球果進行了表型多樣性分析和綜合評價，獲得了一批球果表型綜合表現(xiàn)較好的優(yōu)良株系，為其觀果和食用品種選育提供了參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)。