不同種源黃連木葉片表型性狀及光合特性比較

許澤楠，鄧 偉，李娟娟，鄭佳慧，張子君，張曉曼，路丙社

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

【研究意義】黃連木(Pistaciachinensis)原產(chǎn)我國(guó)，為漆樹科黃連木屬落葉小喬木，耐干旱瘠薄，對(duì)土壤的適應(yīng)性很強(qiáng)[1-2]，果實(shí)含油率高達(dá)40%以上，既可食用，又可用于工業(yè)生產(chǎn)，是我國(guó)特有的生物質(zhì)能源樹種[3-5]。此外，黃連木枝干挺拔，樹形優(yōu)美。入秋后，葉片和果實(shí)變紅，觀賞價(jià)值較高，也是一種極具開發(fā)潛力的的園林綠化樹種[6]。葉片是植物對(duì)太陽能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要場(chǎng)所。研究表明，植物葉片的數(shù)量、面積和結(jié)構(gòu)都與植物的光合作用、蒸騰作用和呼吸作用密切相關(guān)[7]。同時(shí)，植物葉片的表型性狀和光合生理受自身遺傳物質(zhì)和地理環(huán)境因子影響，不同種源之間存在較大差異，體現(xiàn)了植物對(duì)環(huán)境資源的不同利用方式[8-9]。因此，在林木早期選擇、遺傳改良以及栽培繁育時(shí)，葉片的表型性狀及光合特性研究仍然是重要內(nèi)容[10-11]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，有關(guān)黃連木葉片的研究主要集中在色素含量變化、內(nèi)含物質(zhì)提取及抗氧化研究等方面[12-14]，其研究結(jié)果僅針對(duì)某一性狀，而對(duì)黃連木葉片表型性狀、光合特性及地理環(huán)境因子之間關(guān)系的相關(guān)研究尚未見報(bào)道?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于不同種源黃連木幼苗葉片的表型性狀和光合特性往往存在較大差異。且到目前為止，黃連木的性狀比較和良種篩選的研究比較有限?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以13個(gè)種源黃連木種子為材料，測(cè)定黃連木幼苗葉片的形態(tài)指標(biāo)和光合指標(biāo)，探討黃連木葉片表型性狀、光合特性與環(huán)境因子之間的相關(guān)性，并通過主成分分析以及聚類分析，初步篩選出葉片表型和光合生理表現(xiàn)良好的黃連木種源，以期為河北地區(qū)后續(xù)開展優(yōu)良觀賞種質(zhì)篩選和苗木繁育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)三分場(chǎng)基地(38°80′67″ N,115°42′43″ E)，位處華北平原，海拔20 m，屬南溫帶亞濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫8～18 ℃，極端最低氣溫-20 ℃，極端最高氣溫43 ℃，年日照2500～2900 h，無霜期165～210 d，年均降水500 mm左右，主要集中在7—8月。

1.2 試驗(yàn)材料

2020年9月分別于河北、河南、山東和江蘇地區(qū)采集成熟黃連木種子，種源地信息如表1所示。選結(jié)實(shí)能力較強(qiáng)、生長(zhǎng)發(fā)育良好、樹干挺拔優(yōu)美、無病蟲危害的壯年黃連木母樹進(jìn)行采種，每個(gè)種源地選擇3～5株母樹，每2株之間間隔20 m以上。

表1 不同黃連木居群信息

續(xù)表1 Continued table 1

1.3 試驗(yàn)方法

于2021年8月，每個(gè)種源黃連木分別隨機(jī)選取5株健康無病害、長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗進(jìn)行葉片形態(tài)指標(biāo)和光合指標(biāo)的測(cè)定。在天氣晴朗的早上9：00—12：00，選擇幼苗中部或靠頂部的發(fā)育良好5個(gè)葉片，用Li-6400便攜式光合作用分析儀對(duì)黃連木幼苗測(cè)定凈光合速率Pn、氣孔導(dǎo)度Gs、胞間CO2濃度Gi、蒸騰速率Tr、水分利用效率WUE。光合指標(biāo)測(cè)定結(jié)束后，及時(shí)采摘所測(cè)的葉片，放到空白的A4復(fù)印紙上，讓其平展放好，再用透明的塑料板壓住，由上而下進(jìn)行拍照。通過Auto CAD 2017軟件對(duì)照片進(jìn)行分析，測(cè)定葉片的形態(tài)指標(biāo)[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析以及聚類分析，然后采用主成分分析對(duì)幼苗的生長(zhǎng)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源黃連木幼苗葉片形態(tài)指標(biāo)比較

由表2可知，不同種源黃連木幼苗的葉片形態(tài)指標(biāo)均存在極顯著差異(P<0.01)。其中小葉數(shù)變幅為9.00～15.00，紅鶴種源最多，白芟種源和沭陽種源最少，前者是后者的1.67倍；葉長(zhǎng)的變幅為8.61～15.15 cm，曲陽種源的最大，沭陽種源的最小，曲陽是沭陽的1.76倍；葉寬的變幅為3.86～6.55 cm，駕游種源的最大，沭陽種源的最小，駕游是沭陽的1.70倍；葉面積變幅為8.34～27.40 cm2，濰坊種源最大，沭陽種源最小，濰坊種源是沭陽種源的3.29倍；葉周長(zhǎng)變幅為44.78～102.88 cm，紅鶴種源的最大，沭陽種源的最小，紅鶴種源是沭陽種源的2.30倍；葉形指數(shù)變幅為1.82～2.84，曲陽種源的最大，駕游種源的最小，曲陽種源是駕游種源的1.56倍。從變異系數(shù)來看，變幅為3.11%～23.38%，說明不同種源黃連木幼苗的葉片表型性狀都比較穩(wěn)定。

表2 不同種源黃連木幼苗葉片形態(tài)指標(biāo)比較

2.2 不同種源黃連木幼苗光合指標(biāo)比較

由表3可知，13個(gè)種源黃連木幼苗的光合指標(biāo)均存在極顯著差異(P<0.01)。其中，凈光合速率的變幅為4.58～17.24 μmol/(m2·s)，紅鶴種源的最大，曲陽種源的最小，前者是后者的3.76倍；氣孔導(dǎo)度的變幅為151.60～302.80 mol/(m2·s)，駕游種源的最大，白芟種源的最小，兩者相差2.00倍；胞間CO2濃度變幅為259.40～342.20 μmol/(m2·s)，曲陽種源的最大，紅鶴種源的最小，前者是后者的1.32倍；蒸騰速率的變幅為3.62～7.87 μmol/(m2·s)，駕游種源的最大，固新種源的最小，兩者相差2.17倍；水分利用效率的變幅為0.80～2.75 μmol/mol，紅鶴種源的最大，曲陽種源的最小，兩者相差3.44倍。

2.3 不同種源黃連木幼苗指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

由表4可知，黃連木幼苗的小葉數(shù)和凈光合速率與海拔呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積和葉周長(zhǎng)與年降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與經(jīng)度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與海拔呈顯著或極顯著正相關(guān)；氣孔導(dǎo)度與溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；其他指標(biāo)之間沒有明顯的顯著關(guān)系。隨著經(jīng)度和年降水量的升高，黃連木葉片的長(zhǎng)、寬、面積和周長(zhǎng)都隨之減?。浑S著海拔升高，小葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉周長(zhǎng)和凈光合速率都隨之增大。綜上可知，黃連木幼苗葉片的表型性狀和光合特性隨著地理環(huán)境的改變，產(chǎn)生了豐富的變異。此外，海拔較高且氣候溫暖的這類地區(qū)更適合黃連木幼苗進(jìn)行光合作用，生長(zhǎng)發(fā)育更好。

對(duì)不同種源黃連木幼苗形態(tài)指標(biāo)與光合指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)顯示，黃連木幼苗的小葉數(shù)與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；葉周長(zhǎng)與凈光合速率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與胞間CO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；其他指標(biāo)沒有明顯相關(guān)性。黃連木小葉數(shù)和葉周長(zhǎng)與光合特性密切相關(guān)，是反映光合強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

表3 不同種源黃連木幼苗光合指標(biāo)比較

表4 不同種源黃連木幼苗性狀與環(huán)境因子相關(guān)分析

表5 黃連木幼苗形態(tài)指標(biāo)與光合指標(biāo)相關(guān)分析

2.4 不同種源黃連木幼苗性狀聚類分析

通過對(duì)13個(gè)種源黃連木幼苗的形態(tài)指標(biāo)和生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析(圖1)，當(dāng)歐式距離大約為10.0時(shí)，13個(gè)種源黃連木可以分為四大類。第Ⅰ大類包括白芟種源、紅旗種源、固新種源、卜連種源、曲陽種源和沭陽種源；第Ⅱ大類包括紅鶴種源和濰坊種源；第Ⅲ大類包括唐縣種源、新鄉(xiāng)種源、南果種源和東崗種源；第Ⅳ大類包括駕游種源。由表6可知，第Ⅱ大類的各項(xiàng)指標(biāo)比其他種源都偏大，說明紅鶴種源和濰坊種源小葉數(shù)更多，葉面積和周長(zhǎng)更大，更適合進(jìn)行光合作用，生長(zhǎng)狀況更好。

表6 聚類后各組性狀描述統(tǒng)計(jì)

2.5 不同種源黃連木幼苗性狀的主成分分析

通過對(duì)不同種源黃連木幼苗性狀進(jìn)行主成分分析(表7)，第1主成分特征值為5.386，方差貢獻(xiàn)率為48.962；第2主成分特征值為2.066，方差貢獻(xiàn)率為18.781；第3主成分特征值為1.867，方差貢獻(xiàn)率為16.977；第4主成分特征值為1.353，方差貢獻(xiàn)率為12.302。4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為97.023，因此，選擇4個(gè)主成分進(jìn)行分析。

通過對(duì)13個(gè)種源黃連木幼苗進(jìn)行綜合評(píng)估(表8)，紅鶴種源、濰坊種源和南果種源的幼苗葉片小葉數(shù)更多，面積和周長(zhǎng)更大，光合作用更強(qiáng)，幼苗的生長(zhǎng)狀況更好；反之，沭陽、紅旗和白芟種源則較差。按照綜合得分由高到低，對(duì)13個(gè)種源進(jìn)行排序，依次為紅鶴、濰坊、南果、駕游、新鄉(xiāng)、唐縣、卜連、東崗、曲陽、固新、白芟、紅旗、沭陽，這與聚類結(jié)果基本保持一致。

3 討 論

在同一環(huán)境下，不同地理種源的林木葉片的表型性狀和光合特性，如小葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度等均存在極顯著差異(P<0.01)，這是林木對(duì)環(huán)境長(zhǎng)期適應(yīng)過程中而形成的生存策略[16-17]。本研究中，除小葉數(shù)、葉形指數(shù)和胞間CO2濃度的變異系數(shù)低于10%，其他指標(biāo)的變異系數(shù)范圍為10.73%～27.03%，表現(xiàn)出豐富的遺傳變異，這說明黃連木在幼苗時(shí)期的選擇潛力就非常大，為其優(yōu)良種源的篩選提供了有利條件[18-20]。

表7 不同種源黃連木幼苗指標(biāo)的主成分分析

表8 不同種源黃連木幼苗的主成分分析

植物葉片的表型性狀和光合特性之間存在密切關(guān)系[21-22]。本研究中，黃連木幼苗的小葉數(shù)與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率呈極顯著正相關(guān)，與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)。葉周長(zhǎng)與凈光合速率呈極顯著正相關(guān)，與胞間CO2濃度呈顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明，黃連木幼苗的小葉數(shù)和葉周長(zhǎng)是反映其光合強(qiáng)度的重要指標(biāo)，但是幼苗的生長(zhǎng)情況只是一個(gè)開端，需要進(jìn)一步對(duì)不同種源的黃連木幼苗后期生長(zhǎng)狀況跟蹤調(diào)查。此外，由于長(zhǎng)期的地理隔離和復(fù)雜的環(huán)境因素，在不斷的自然選擇過程中，植物葉片的表型性狀和光合特性在不同種源間也會(huì)產(chǎn)生豐富的遺傳變異[22-26]。本研究對(duì)不同種源黃連木幼苗性狀與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析可知，隨著經(jīng)度和年降水量的升高，黃連木葉片的長(zhǎng)、寬、面積和周長(zhǎng)都隨之減??；而隨著海拔的升高，小葉數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉周長(zhǎng)和凈光合速率都隨之增大。綜上可知，黃連木幼苗葉片的表型性狀和光合特性隨著地理環(huán)境的改變，產(chǎn)生了豐富的變異。此外，海拔較高且氣候溫暖的這類地區(qū)更適合黃連木幼苗進(jìn)行光合作用，生長(zhǎng)發(fā)育更好。在樹木改良過程中，時(shí)間是測(cè)定和評(píng)價(jià)優(yōu)良性狀的主要障礙。由于林木在發(fā)育各個(gè)階段之間的緊密聯(lián)系，可通過“幼—成”的相關(guān)關(guān)系來評(píng)估其在林木成年期后的表現(xiàn)[27-31]。這種方法對(duì)黃連木的遺傳改良和早期測(cè)定具有重要意義，為人們利用幼齡林木的理化性狀預(yù)測(cè)成齡樹木的生長(zhǎng)性狀提供了一定的理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)采用主成分分析和聚類分析，對(duì)不同種源黃連木幼苗的表型性狀和光合特性進(jìn)行了比較全面的評(píng)估，初步篩選出了葉片表型和光合生理表現(xiàn)良好的紅鶴、濰坊和南果3個(gè)黃連木種源，大大節(jié)省了林木改良的時(shí)間，為今后開展優(yōu)良觀賞種質(zhì)篩選和苗木繁育提供了依據(jù)。