不同種源文冠果種子的表型變異

劉 莉，王 磊，吳 丹，趙永軍，莊振杰，王 震，魯儀增，劉立江，陸 璐，解孝滿，

（1.山東師范大學(xué)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省林草種質(zhì)資源中心，山東 濟(jì)南 250102；3.山東林昱宏文冠果有限公司，山東 淄博 255400）

文冠果Xanthoceras sorbifolium又名文官果、崖木瓜等，為無患子科Sapindaceae文冠果屬Xanthoceras灌木或小喬木。文冠果種仁含油率高達(dá)66.39%，其中不飽和脂肪酸含量94%，亞油酸含量36.9%[1]，因此文冠果有“北方油茶”的美譽(yù)，是我國特有的木本油料珍稀樹種[2]。其對土壤的適應(yīng)性強(qiáng)，耐嚴(yán)寒、干旱、鹽堿，因此又是優(yōu)良的生態(tài)樹種[3]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究結(jié)果表明文冠果的枝、葉、果實(shí)等均可入藥，具有消炎、抗癌、提高免疫力等功效[4]。文冠果在我國分布區(qū)域廣泛，以華北、華東及西北地區(qū)為主要分布區(qū)，西藏等地亦有少量分布[5]。表型性狀多樣性是遺傳多樣性的表現(xiàn)形式之一，能夠直觀解釋遺傳變異，是最古老也是操作最簡單的遺傳多樣性分析方法[6]。近年來，諸多學(xué)者[7-15]對文冠果的表型變異進(jìn)行了研究，但是有關(guān)其種源選擇及其代表性的研究仍存在一定局限性，尚未建立文冠果高產(chǎn)資源引種選育的表型指標(biāo)體系。本研究中對文冠果主要分布區(qū)進(jìn)行了調(diào)查，并對文冠果種子表型多樣性及其與地理環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了分析，以期為文冠果種質(zhì)資源的保護(hù)和優(yōu)樹選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2020年7—8月，在文冠果主要分布區(qū)（107°39′01″～129°34′48″E，35°43′48″～44°34′48″N）共采集10個種源130份文冠果單株種子。為控制其他因素，減少對試驗(yàn)結(jié)果的干擾，所選母樹年齡為40～65 a，相距200 m以上，隨機(jī)取樣。各種源的地理信息及采樣地環(huán)境因子等見表1。

表1 文冠果種源采集地點(diǎn)概況Table 1 Overview of provenance collection site of X.sorbifolium

1.2 測定方法

將文冠果種子凈種后，放置于“雙十五”（溫度15 ℃、相對濕度15%）干燥間至恒質(zhì)量，備用。從每份樣品中隨機(jī)選擇20粒種子，使用WinSEEDLE種子和針葉圖像分析系統(tǒng)（加拿大）測量種子長度、寬度、體積、表面積，重復(fù)3次。

從每份樣品中隨機(jī)選取100粒種子稱取種子百粒質(zhì)量，重復(fù)3次。從每份樣品中隨機(jī)選取100粒種子，逐個剝除種皮，稱取質(zhì)量，得到百粒出仁量，重復(fù)3次。使用MQ-one布魯克小型核磁譜儀（德國）測定種仁含油率，重復(fù)3次。

分別計(jì)算種形指數(shù)（種子長度與種子寬度的比值）、單粒種子的出仁率（單粒種仁質(zhì)量與單粒種子質(zhì)量的比值）和百粒含油量（即100粒種子含油的質(zhì)量）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2019和SPPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用巢式方差分析方法進(jìn)行表型變異分析[16]，采用Pearson系數(shù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，采用歐氏距離對10個種源的文冠果進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 文冠果種子表型性狀的變異分析

2.1.1 文冠果種子表型性狀的種源間變異

不同種源文冠果種子表型性狀的方差分析結(jié)果見表2。由表2可以看出，在供試文冠果的10個表型性狀指標(biāo)中，除出仁率外，其他性狀指標(biāo)在種源間和種源內(nèi)均存在極顯著差異，表明文冠果種子性狀廣泛存在著差異。

表2 不同種源文冠果種子表型性狀的方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis result of phenotypic traits of X.sorbifolium seeds from different provenances

變異系數(shù)代表表型性狀離散程度，變異系數(shù)越大代表表型性狀離散程度越大。不同種源文冠果種子表型性狀的種源間變異分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，文冠果種子10個表型性狀指標(biāo)在不同個體間存在著一定的變異范圍，其中百粒質(zhì)量的變異范圍最大，最大值（163.08 g，內(nèi)蒙古通遼種源）是最小值（30.02 g，河北承德種源）的5.4倍，平均值為90.35 g。其次，種子體積和表面積的變異范圍也較大，分別是0.67～1.25 cm3、3.02～4.58 cm2，其中種子體積最大的是河北承德種源，表面積最大的是內(nèi)蒙古通遼種源。含油率變異范圍最小，最大值（0.62，山東淄博種源）是最小值（0.55，山西臨汾種源）的1.1倍。種子長度、種子寬度、種形指數(shù)、種子出仁率均存在著一定的變異范圍，但是與百粒質(zhì)量相比其變化不大。

2.1.2 文冠果種子表型性狀的種源內(nèi)變異

不同種源文冠果種子表型性狀的種源內(nèi)變異系數(shù)見表4。由表4可以看出，不同種源文冠果種子表型性狀種源內(nèi)變異系數(shù)的差異較大，其中種源內(nèi)變異系數(shù)最大的是百粒含油量（24.122%），體積、百粒出仁量和百粒質(zhì)量變異系數(shù)較大，分別為23.374%、22.596%和20.888%。這4個性狀指標(biāo)變異最大的均為山西臨汾種源。種源內(nèi)表型變異系數(shù)最小的性狀指標(biāo)是種形指數(shù)（3.433%），長度和寬度的種源內(nèi)變異也較小。

表4 文冠果種子表型性狀的種源內(nèi)變異系數(shù)Table 4 Intra provenance variation coefficient of phenotypic characters of X.sorbifolium %

2.1.3 文冠果種子表型性狀的種源間分化

文冠果種子表型性狀種源間和種源內(nèi)的表型變異分布見表5。由表5可以看出，文冠果10個表型性狀分化系數(shù)為62.95%～78.69%，平均值為72.275%。百粒出仁量和百粒含油量在種源內(nèi)和種源間的變異均較大。表型性狀在種源間的方差分量（53.575%）比種源內(nèi)的方差分量（20.641%）大，表明文冠果種子表型在種源間的分化程度大于種源內(nèi)，種源間變異是文冠果種子表型變異的主要來源。

表5 文冠果種子表型性狀種源間和種源內(nèi)的表型變異分布Tabie 5 Distribution of phenotypic variation among and within provenances of the seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.2 文冠果種子表型性狀的相關(guān)性分析

文冠果種子表型性狀的相關(guān)系數(shù)見表6。由表6可以看出，文冠果種子的10個表型性狀間呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，且多數(shù)指標(biāo)之間呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，含油率與百粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與出仁率呈極顯著正相關(guān)，而與其他性狀無顯著相關(guān)關(guān)系。種形指數(shù)與長度呈極顯著正相關(guān)，與寬度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與其他性狀無顯著相關(guān)關(guān)系。

表6 文冠果種子表型性狀的相關(guān)系數(shù)?Table 6 Correlation analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.3 文冠果種子表型性狀的主成分分析

對供試文冠果種子10個表型性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表7。由表7可以看出，以特征值大于1提取主成分，得到3個主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.716%，表明這3個主成分能夠包含10個表型性狀的大部分信息。第1主成分與種子的體積和表面積正相關(guān)，反映了種子大小；第2主成分與出仁率和種仁含油率正相關(guān)，反映了種子的品質(zhì)情況；第3主成分與種形指數(shù)正相關(guān)，與種子寬度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，反映了種子的發(fā)育狀況。結(jié)果表明，種子越大，寬度越窄，種子的品質(zhì)越高?？梢愿鶕?jù)種子大小和種形指數(shù)初步判斷種子品質(zhì)，篩選采種母樹優(yōu)樹。

表7 文冠果種子表型性狀的主成分分析結(jié)果Table 7 Principal component analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.4 文冠果種子表型性狀與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

文冠果種子表型性狀與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)見表8。由表8可以看出，文冠果種子的10個表型性狀與11個環(huán)境因子呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。其中，種形指數(shù)與年均氣溫、年均最高氣溫、年均最低氣溫、降水量均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，說明溫度越低，降雨量越少，其種形指數(shù)越大，種子相對狹長，溫度過高或過低均會影響種子形狀。種子體積和表面積均與相對濕度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與日照時長呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，說明文冠果在相對濕度較小、日照時長越長的區(qū)域生長，有利于其種子的體積和表面積發(fā)育。百粒質(zhì)量與日照時長呈顯著正相關(guān)，百粒質(zhì)量和出仁率均與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明在陽光充足和較干燥的地區(qū)文冠果種子的品質(zhì)性狀較好。種仁出油率和百粒出仁量均與相對濕度顯著相關(guān)，說明在相對濕度越小的區(qū)域，文冠果種子的種仁含油率和百粒出仁量越高。結(jié)合主成分分析結(jié)果可知，文冠果種子的發(fā)育明顯受環(huán)境因子的調(diào)控，在所研究的10個種源地中，越往北、西北方向，相關(guān)區(qū)域的空氣濕度相對越低、溫度越低，其種子的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（種仁含油率和百粒出仁量）越好。

表8 文冠果種子表型性狀與環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)?Table 8 Correlation analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium and ecological factors

2.5 文冠果種源的聚類分析

10個種源文冠果種子表型性狀的聚類如圖1所示。由圖1可以看出，以歐氏距離10為閾值，10個文冠果種源可以劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4大類。第Ⅰ類包括5個種源，分別為遼寧朝陽種源、內(nèi)蒙古赤峰種源、內(nèi)蒙古鄂爾多斯種源、陜西榆林種源、黑龍江牡丹江種源；第Ⅱ類包括2個種源，分別為內(nèi)蒙古通遼種源和北京種源；第Ⅲ類包括1個種源，為山東淄博種源；第Ⅳ類包括2個種源，分別為河北承德種源和山西臨汾種源。地理位置相近的種源基本聚在一起，而且自西北至東南方向其親緣關(guān)系逐漸變遠(yuǎn)。

圖1 不同種源文冠果種子表型性狀聚類Fig.1 Clustering tree diagram of phenotypic traits of X.sorbifolium from different provenances

3 結(jié)論與討論

來自10個種源的130份文冠果種子的10個表型性狀在不同個體間均存在變異，其中百粒質(zhì)量變異幅度最大，種仁含油率變異幅度最小。文冠果種子的10個表型性狀具有顯著的相關(guān)性，反映種子大小、種子品質(zhì)和種子發(fā)育狀況的3個主成分能夠包含10個表型性狀84.716%的信息量。多數(shù)性狀在種源間和種源內(nèi)的差異達(dá)到極顯著水平，種源間的方差分量（53.575%）比種源內(nèi)的方差分量大（20.641%），72.275%的變異來自種源間。文冠果種子的10個表型性狀與11個環(huán)境因子呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，部分呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)，降雨量越小，文冠果種子的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)育越好。根據(jù)歐氏距離將10個文冠果種源劃分為4大類，地理位置相近的種源基本聚在一起，而且自西北至東南方向其親緣關(guān)系逐漸變遠(yuǎn)。

3.1 文冠果種子表型性狀的變異

表型多樣性是遺傳變異的主要內(nèi)容之一，是遺傳和環(huán)境共同作用的結(jié)果，在研究植物對環(huán)境的適應(yīng)性和進(jìn)化上具有重要意義[17]。本研究中對10個種源的文冠果資源表型變異進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同種源文冠果表型性狀的變異程度不同。在所研究的10個表型性狀中，種仁含油率的變異范圍最小，表明種仁含油率變異程度低，性狀更加穩(wěn)定，這與前人的研究結(jié)果一致[12]。作為衡量種子品質(zhì)的主要指標(biāo)，百粒質(zhì)量是反映親本特征的重要指標(biāo)，在種群劃分和生態(tài)型劃分中具有一定的意義[18]。在文冠果種子10個表型性狀中，百粒質(zhì)量的變異系數(shù)最大，能達(dá)到25.37%，這與王藝林等[19]的研究結(jié)果基本一致。雖然百粒質(zhì)量的變異范圍較大，但是出仁率、種仁含油率、百粒出仁量和百粒含油量的變異范圍較小，這說明文冠果不同種源間種子品質(zhì)的差異較大，基因型和環(huán)境等因素的影響使得種仁飽滿度、種殼厚度等存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致不同種源間文冠果種子的百粒質(zhì)量均存在較大差異，這對文冠果優(yōu)樹選擇有一定的指導(dǎo)作用。文冠果種子的其他表型性狀也存在著一定程度的變異，與同科的無患子Sapindus saponaria表型變異的幅度相近[20]。在研究種源內(nèi)變異時發(fā)現(xiàn)，山西臨汾種源文冠果種子的百粒出仁量和百粒含油量變異較大，而其他種源的這2個性狀在種源內(nèi)變異系數(shù)范圍較小，造成這2個性狀在種源間變異小、在種源內(nèi)變異大，這是種子本身品質(zhì)因素所導(dǎo)致的。在進(jìn)行野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，地形、土壤以及人為等因素對同一種源不同個體果實(shí)的影響較大。地形和土壤等方面的差異使得文冠果的養(yǎng)料供給方面有著較大的差異，例如山西文冠果野生資源有位于貧瘠荒山的，也有位于肥沃田地的。土壤的緊實(shí)程度以及砂土和壤土的土質(zhì)不同，造成其在儲水性能方面的較大差異，使得樹木的水分供給狀況有著較大的差異，例如鄂爾多斯種源地有砂質(zhì)壤土和壤質(zhì)粘土。由于文冠果的分布位置有寺廟、林場以及荒山等，人為因素會對文冠果的樹木生長和果實(shí)品質(zhì)產(chǎn)生影響。以上因素對文冠果種子發(fā)育產(chǎn)生影響，使得種源間百粒出仁量和百粒含油量的差異較大。

巢式方差分析結(jié)果表明，10個文冠果種源的種子表型性狀，除出仁率外，其他表型性狀在種源間和種源內(nèi)的差異均達(dá)到了極顯著水平，說明文冠果的種質(zhì)資源豐富，并具有較好的選擇潛力。分布在種源間的變異程度能真正反映文冠果在不同環(huán)境下的適應(yīng)情況，種源間變異越大，說明其適應(yīng)的環(huán)境越廣泛，種源間的多樣性越高，種源間變異也與地理隔離和生殖隔離有關(guān)[21-22]。文冠果表型性狀在種源內(nèi)和種源間均存在明顯的遺傳變異，但以種源間變異為主。在文冠果適生區(qū)域有幾座較大的山脈，如分布在山西和陜西之間的呂梁山、分布在甘肅與陜西之間的六盤山，以及分布在山西與山東之間的太行山。文冠果種子的傳播主要是通過嚙齒動物[23]，山脈會影響種子的傳播，影響文冠果種源間的交流，可能是文冠果種子表型性狀在種源內(nèi)差異較小的原因。在20世紀(jì)六七十年代，國家為解決食用油短缺的問題，掀起了文冠果人為交叉引種應(yīng)用的熱潮，這是導(dǎo)致文冠果種源間差異較大的原因之一[24-25]。

3.2 文冠果種子表型性狀的影響因素

相關(guān)性分析結(jié)果表明，文冠果種子的百粒質(zhì)量與出仁率正相關(guān)，出仁率與含油率呈顯著正相關(guān)，可考慮將百粒質(zhì)量和出仁率作為選擇種子含油量高的文冠果優(yōu)株的指標(biāo)。在研究環(huán)境因子對文冠果種子表型的影響時，發(fā)現(xiàn)百粒質(zhì)量、出仁率、種仁含油率和百粒含油量均與相對濕度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，文冠果耐旱不耐澇，水分過多易引起根系腐爛，不利于油脂和有機(jī)物的合成與積累，這一現(xiàn)象在惠文凱等[26]對麻風(fēng)樹Jatropha curcas的研究中也有發(fā)現(xiàn)。種子體積、表面積和百粒質(zhì)量與日照時長呈顯著正相關(guān)，這是因?yàn)槲墓诠麨橄补庵参?，隨著年日照時長的增加，光合作用有所加強(qiáng)[12]。在本研究中發(fā)現(xiàn)，種仁出油率與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明隨著溫度的升高，種仁出油率會降低；種仁出油率與年均最高溫和年均最低溫均呈顯著負(fù)相關(guān)，說明存在適宜文冠果生長的溫度，溫度過高或過低均會影響文冠果的生長發(fā)育，這也符合文冠果主要分布在暖溫帶氣候區(qū)的規(guī)律[5]。在探究土壤因素對種子表型性狀的影響時，未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是由于直接從土壤數(shù)據(jù)庫提取的數(shù)據(jù)不能直接對應(yīng)于當(dāng)前樹種的具體位置，對試驗(yàn)結(jié)果造成了一定的影響。地理因子雖然對文冠果種子的表型變異造成一定的影響，但是其影響程度不及生態(tài)因子。在對文冠果種源進(jìn)行聚類分析時發(fā)現(xiàn)，其地理分布規(guī)律可能與我國季風(fēng)風(fēng)向有關(guān)。5—8月是文冠果果實(shí)發(fā)育時期，這段時間風(fēng)向整體是從東南向西北的走向，越往西北，降雨量越小，空氣濕度也變小，使得不同地區(qū)的文冠果果實(shí)的發(fā)育情況不同。較高的形態(tài)穩(wěn)定性使種子性狀成為分類的重要依據(jù)，并可作為反映植物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[27]。

由于種質(zhì)資源是從野外采集的，表型性狀研究結(jié)果可能會受多種條件的影響，因此下一步考慮在試驗(yàn)地通過控制試驗(yàn)條件去研究不同種源種質(zhì)資源的利用價值。水分、土壤及人為因素對文冠果表型變異的影響較大，僅通過表型特征來探究物種的變異有一定的局限性。為給有效保護(hù)文冠果種質(zhì)資源提供參考，有必要選擇合適的分子標(biāo)記開展分子水平的研究，結(jié)合表型差異進(jìn)行變異分析，并深入分析可利用的表型變異。