核桃物候期與葉、果表型可塑性研究

黃發(fā)新，宋曉波，陳凌娜,3，齊 季,4，徐永杰,

（1湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢 430075；2林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091；3新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830054；4中國(guó)-阿拉伯化肥有限公司，河北秦皇島 066003）

0 引言

植物的表型不僅由基因型決定，在外界環(huán)境刺激下還可以通過環(huán)境誘導(dǎo)“揚(yáng)長(zhǎng)避短”地向有利的方向發(fā)展，最大程度地減小不利影響來更好地適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境[1-2]。植物對(duì)環(huán)境適應(yīng)后的響應(yīng)特征即為植物表型可塑性(phenotypic plasticity)。其與遺傳分化一起，被認(rèn)為是生物適應(yīng)異質(zhì)環(huán)境的2種主要方式[3-4]。傳統(tǒng)的植物表型可塑性研究認(rèn)為，有性繁殖植物具有較強(qiáng)的表型可塑性[3]。近年來的研究表明，無性繁殖植物（克隆植物）對(duì)異質(zhì)生境也具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力[5-6]，其借助高度的表型可塑性，可最大限度地獲得資源以促進(jìn)其在異質(zhì)環(huán)境中成功拓殖[7]。經(jīng)濟(jì)林樹種由于生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的多重效益在國(guó)際社會(huì)中受到廣泛關(guān)注，且多以克隆形式栽培[8]。研究經(jīng)濟(jì)林克隆表型可塑性，對(duì)豐富表型可塑性理論和預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)林栽培的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

核桃是世界上一種古老而廣域的經(jīng)濟(jì)林樹種，中國(guó)是核桃的原產(chǎn)國(guó)之一[9]。近年來，隨著木本油料產(chǎn)業(yè)的興起，國(guó)內(nèi)20多個(gè)?。▍^(qū)）均有核桃基地建設(shè)。而在廣域的基地建設(shè)中，對(duì)大區(qū)域和大自然尺度下核桃的表型可塑性研究報(bào)道甚少?！逑恪颂沂墙陙韲?guó)內(nèi)引種較為廣泛的核桃品種之一，在南北方的15個(gè)省（直轄市、自治區(qū)）均有栽培[10]。本研究擬跨越國(guó)內(nèi)暖溫帶栽培區(qū)（河北定州市、陜西周至縣）、北亞熱帶栽培區(qū)（湖北?？悼h、甘肅武都區(qū)）和南亞熱帶栽培區(qū)（云南云龍縣、四川會(huì)理縣），以‘清香’核桃為研究對(duì)象，在保證‘清香’核桃品種純正的基礎(chǔ)上，觀測(cè)‘清香’核桃大區(qū)域和大自然尺度下物候期和葉、果的表型可塑性，旨在探討氣候變化對(duì)核桃物候期和葉、果表型可塑性的影響，為核桃跨區(qū)域優(yōu)質(zhì)栽培和理解核桃種群分化提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

分別在暖溫帶栽培區(qū)（河北定州市、陜西周至縣）、北亞熱帶栽培區(qū)（湖北?？悼h、甘肅武都區(qū)）和南亞熱帶栽培區(qū)（云南云龍縣、四川會(huì)理縣）選擇一個(gè)由河北德勝農(nóng)林科技有限公司銷售并定植7年的‘清香’核桃核桃園，從中隨機(jī)選擇6株單株進(jìn)行材料一致性檢測(cè)。6個(gè)采樣果園地理氣候因子見表1。

表1 果園地理-氣候因子

1.2 材料一致性檢測(cè)

利用SSR等位變異計(jì)算得到的株間遺傳相似系數(shù)來反映試驗(yàn)材料一致性。其中DNA提取參照王滑等[11]的 方 法 。 利 用 WJR007、WJR031、WJR061、WJR069、 WJR073、 WJR100、 WJR115、 WJR202、WJR265、WJR281 10對(duì)SSR引物進(jìn)行PCR擴(kuò)展，引物特征信息、PCR擴(kuò)增與產(chǎn)物檢測(cè)參照Chen等[12]方法進(jìn)行。用POPGENE version 1.32軟件計(jì)算植株間遺傳相似系數(shù)。

1.3 物候期與觀測(cè)

物候期觀測(cè)參照劉慶忠[13]的方法進(jìn)行。葉片和堅(jiān)果觀測(cè)參照《植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測(cè)試指南核桃屬》(GB/T 26909—2011)[14]進(jìn)行。

1.4 多果率統(tǒng)計(jì)

在果園里隨機(jī)選擇6株‘清香’核桃，每株?yáng)|西南北4個(gè)方位各選一主枝，統(tǒng)計(jì)總結(jié)果枝數(shù)和單枝≥3果的結(jié)果枝數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)材料一致性

3個(gè)栽培區(qū)6個(gè)果園36個(gè)樣品引物WJR069電泳圖見圖1。統(tǒng)計(jì)各采樣區(qū)‘清香’核桃單株間遺傳相似系數(shù)見表2。結(jié)果顯示，6個(gè)果園‘清香’核桃單株間遺傳相似系數(shù)平均在0.995～1.000之間，總體平均值為0.998。說明3個(gè)栽培區(qū)6個(gè)果園‘清香’核桃純度較高，一致性較好。

圖1 6個(gè)栽培區(qū)36個(gè)樣品引物WJR069電泳圖

表2 不同栽培區(qū)‘清香’核桃單株間遺傳相似系數(shù)

2.2 不同栽培區(qū)‘清香’核桃物候期觀測(cè)

從表3中可以看出，同一氣候區(qū)內(nèi)‘清香’核桃物候期基本一致。南亞熱帶栽培區(qū)（云南云龍縣、四川會(huì)理縣）萌芽期較北亞熱帶栽培區(qū)（湖北保康縣、甘肅武都區(qū)）早約40～50天，落葉期晚約20天。而北亞熱帶栽培區(qū)（湖北保康縣、甘肅武都區(qū)）萌芽期較暖溫帶栽培區(qū)（河北定州市、陜西周至縣）早約10～15天，落葉期晚約10天。從暖溫帶栽培區(qū)到北亞熱帶栽培區(qū)再到南亞熱帶栽培區(qū)，盡管在各氣候區(qū)域物候期不盡相同，但‘清香’核桃在不同栽培區(qū)物候期順序一致，且果實(shí)發(fā)育時(shí)間從125天逐漸遞增至150天。

表3 不同栽培區(qū)‘清香’核桃物候期觀測(cè)

2.3 不同栽培區(qū)‘清香’核桃觀測(cè)

2.3.1 復(fù)葉性狀 對(duì)不同栽培區(qū)‘清香’核桃復(fù)葉觀測(cè)（圖2）發(fā)現(xiàn)，河北定州和陜西周至‘清香’核桃復(fù)葉小葉數(shù)5～9片，頂葉無退化現(xiàn)象，卵圓形，葉尖鈍圓；側(cè)葉橢圓形，葉尖多銳尖，葉脈12～14對(duì)。湖北?？岛透拭C武都‘清香’核桃復(fù)葉小葉數(shù)5～9片，頂葉無退化現(xiàn)象，橢圓形，葉尖短尖；側(cè)葉橢圓形，葉尖多漸尖，側(cè)脈12～14對(duì)。云南云龍和四川會(huì)理‘清香’核桃復(fù)葉小葉數(shù)5～11片，頂葉有少量退化，多具頂葉，長(zhǎng)橢圓形，葉尖銳尖或漸尖；側(cè)葉長(zhǎng)橢圓形，葉尖多漸尖，側(cè)脈多12～14對(duì)，少數(shù)15～16對(duì)。

圖2 不同栽培區(qū)‘清香’核桃復(fù)葉

2.3.2 單枝多果率 由圖3可知，暖溫帶河北定州和陜西周至‘清香’核桃單枝結(jié)果數(shù)為1～2個(gè)，多2個(gè)，單枝多果率分別為2.16%和2.28%，平均為2.22%；北亞熱帶湖北?？岛透拭C武都‘清香’核桃單枝結(jié)果數(shù)為1～4個(gè)，多2個(gè)，單枝多果率分別為4.95%和4.52%，平均為4.74%；南亞熱帶云南云龍和四川會(huì)理‘清香’核桃單枝結(jié)果數(shù)為1～6個(gè)，多3個(gè)，單枝多果率分別為7.13%和7.73%，平均為7.43%。方差分析表明，‘清香’核桃單枝多果率在南亞熱帶栽培區(qū)（云南云龍縣、四川會(huì)理縣）、暖溫帶栽培區(qū)（河北定州市、陜西周至縣）、北亞熱帶栽培區(qū)（湖北?？悼h、甘肅武都區(qū)）存在極顯著差異(P＜0.01)，但同區(qū)域內(nèi)差異不顯著。

圖3 不同栽培區(qū)‘清香’核桃單枝多果率

2.3.3 堅(jiān)果性狀 觀察圖4發(fā)現(xiàn)，河北定州和陜西周至‘清香’核桃堅(jiān)果表面光滑，刻窩和刻紋極少、淺；湖北?？岛透拭C武都‘清香’核桃堅(jiān)果表面較光滑，刻窩較少、淺，刻紋較多較淺；云南云龍和四川會(huì)理‘清香’核桃堅(jiān)果表面較麻，刻窩和刻窩均較多、較深。

圖4 不同栽培區(qū)‘清香’核桃堅(jiān)果光滑度

3 結(jié)論

‘清香’核桃在從暖溫帶到北亞熱帶再到南亞熱帶遷移栽培過程中，生長(zhǎng)期延長(zhǎng)，葉片逐漸由圓變長(zhǎng)，葉尖變尖，單枝坐果數(shù)逐漸增多，堅(jiān)果表面光滑程度減弱，物候期和葉、果均表型出了較強(qiáng)的表型可塑性。由其表現(xiàn)推測(cè)得出核桃向泡核桃轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，核桃和泡核桃2個(gè)種的分化可能是由環(huán)境因子所致。

由于研究的內(nèi)容和時(shí)間有限，要確定哪個(gè)環(huán)境因子在核桃表型可塑性起決定性作用，還需在更大范圍內(nèi)更多的試驗(yàn)加以研究和驗(yàn)證。加強(qiáng)環(huán)境因子對(duì)核桃表型可塑性影響研究，有望揭示核桃物種進(jìn)化和變異的規(guī)律。

4 討論

（1）本研究中‘清香’核桃在從暖溫帶到南亞熱帶栽培過程中，物候期表現(xiàn)出了較強(qiáng)的可塑性（表3），這與Wood等[15]研究的結(jié)果相似。不同的栽培區(qū)盡管物候期不盡相同，但展葉、雌雄花開放等物候順序表現(xiàn)一致，這與張志華等[16]和Wood等[11]研究的結(jié)果一致。Nicotra等[3]認(rèn)為植物在環(huán)境變化時(shí)會(huì)啟動(dòng)溫度感應(yīng)元件和轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，說明物候期的可塑性是基因和環(huán)境共同作用的結(jié)果。

研究表明，當(dāng)海拔、溫度和光照適合時(shí)，植物通過增加葉面積來獲得更高的光能利用率[17-18]。葉脈的主要功能是物質(zhì)運(yùn)輸和支撐作用[19]。二級(jí)葉脈越多，植物運(yùn)輸水分和養(yǎng)分的能力越強(qiáng)，植物生長(zhǎng)越旺盛[20]?！逑恪颂覐呐瘻貛У侥蟻啛釒г耘噙^程中，為適應(yīng)環(huán)境的變化，短期內(nèi)葉片逐漸由圓變長(zhǎng)，葉尖變尖，葉片和葉脈數(shù)量增多，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的可塑性。加之其在南亞熱帶栽培區(qū)生長(zhǎng)期比暖溫帶長(zhǎng)約60～70天（表3），較長(zhǎng)的激素積累時(shí)間使單枝結(jié)果數(shù)量增加（圖3）。

（2）核桃和泡核桃是國(guó)內(nèi)2個(gè)重要的核桃栽培種，其在葉片、樹干和果實(shí)等器官[9]及葉綠體基因間隔區(qū)[21]均存在明顯差異，被分為2個(gè)種，其中泡核桃主要分布在南亞熱帶地區(qū)[22-23]。有學(xué)者認(rèn)為，不能用SSR分子標(biāo)記將2個(gè)種進(jìn)行區(qū)分，不存在基因隔離且2個(gè)種群體間存在基因漸滲現(xiàn)象[24]，因此推測(cè)核桃與泡核桃可能起源于同一祖先[25-26]。本研究中‘清香’核桃從暖溫帶到北亞熱帶再到南亞熱帶遷移栽培過程中，葉片和堅(jiān)果表型及結(jié)果性狀均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的可塑性，呈現(xiàn)出了由核桃向泡核桃轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。植物表型可塑性能夠?yàn)橹参锾峁┮粋€(gè)對(duì)環(huán)境快速變化的緩沖，幫助植物適應(yīng)環(huán)境的變化[26-27]，因此推測(cè)核桃和泡核桃的表型分化是環(huán)境變化所致，且長(zhǎng)期的表型可塑性變化會(huì)通過遺傳機(jī)制傳遞給后代。

致謝：本研究得到了河北農(nóng)業(yè)大學(xué)王紅霞老師、甘肅洛南市經(jīng)濟(jì)林研究院辛國(guó)老師、湖北霖煜農(nóng)公司孫紅川董事長(zhǎng)和王衛(wèi)忠經(jīng)理、湖北?？悼h核桃技術(shù)推廣中心多位同志等的幫助和支持，在此一并表示感謝！