不同種源蒙古櫟種子表型性狀的多樣性

任俊杰，龐新博，劉昭陽，李靜雅，張婉瑩，尹書樂，王利兵，李迎超

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2. 河北省洪崖山國(guó)有林場(chǎng)，河北 易縣 074200；3. 北京林淼生態(tài)環(huán)境技術(shù)有限公司，北京 100085）

蒙古櫟Quercus mongolica為殼斗科Fagaceae櫟屬Q(mào)uercus植物，廣泛分布于寒溫帶、溫帶和暖溫帶地區(qū)[1]。距今2 000 ～7 000 a，以櫟為主的櫟類闊葉林和草甸是河北省平原地區(qū)的原生植被[2]。蒙古櫟是重要的用材[3]、柞蠶[1,4]、染料、栲膠[5]、食品、藥用[6]、釀酒原料和景觀樹種，也是營(yíng)造防風(fēng)林、水源涵養(yǎng)林及防火林的優(yōu)良樹種，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、文化和生態(tài)功能。到目前為止，蒙古櫟大多數(shù)處于野生狀態(tài)，良種水平較為低下，良種選育研究?jī)H限于對(duì)天然群體變異選種或以用材等為目的的種源試驗(yàn)研究階段，而以結(jié)實(shí)為目的的良種選育研究尚未開始。因此，加強(qiáng)良種選育工作，提高蒙古櫟的良種化水平迫在眉睫。

種子表型性狀作為重要的經(jīng)濟(jì)性狀[7]，是遺傳多樣性的重要基礎(chǔ)[8]。因此，對(duì)種子遺傳變異進(jìn)行分析顯得尤為重要[9]。通過表型性狀分析種質(zhì)資源的遺傳多樣性直觀易行，能夠快速了解植物的遺傳變異水平[10]。目前，針對(duì)東北三省(黑龍江省、遼寧省、吉林省)[11?12]及其他個(gè)別地區(qū)[13?14]蒙古櫟不同種源的苗木生長(zhǎng)情況、種子性狀的分析研究較多，但對(duì)于全國(guó)蒙古櫟不同種源的種子特性及環(huán)境因子的分析較少。本研究對(duì)全國(guó)蒙古櫟天然分布區(qū)進(jìn)行調(diào)查收集，了解現(xiàn)有蒙古櫟的自然分布狀況，采集種子作為種質(zhì)資源保存，并對(duì)各種源收集的蒙古櫟種子進(jìn)行表型性狀測(cè)定和統(tǒng)計(jì)分析，以期為蒙古櫟種質(zhì)資源收集、雜交育種及品種改良提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

于2020年8—11月蒙古櫟種子成熟期，在全國(guó)蒙古櫟天然分布區(qū)調(diào)查并收集8省12個(gè)種源的蒙古櫟種質(zhì)資源，種源確定依據(jù)河北省洪崖山國(guó)有林場(chǎng)2018—2019年的全國(guó)蒙古櫟種質(zhì)資源踏查結(jié)果，結(jié)合厲月橋[15]關(guān)于蒙古櫟分布的研究，選擇蒙古櫟主要天然分布區(qū)且具有優(yōu)良林分的蒙古櫟天然林，所選種源基本涵蓋了蒙古櫟主要天然分布區(qū)，可代表全國(guó)蒙古櫟分布情況。所選采種林分為當(dāng)?shù)胤植嫉奶烊涣址?，林齡＞30 a，每個(gè)種源選取30株以上采種母樹，母樹間距50 m以上，收集的種子均已成熟飽滿，無病蟲害。蒙古櫟不同種源的主要生態(tài)因子見表1。

表1 不同種源蒙古櫟主要生態(tài)因子Table 1 Main ecological factors of Q. mongolica from different provenances

1.2 研究方法

1.2.1 調(diào)查收集方法 8—9月，選取健壯植株，掛牌標(biāo)記，拍攝植株照片，進(jìn)行蒙古櫟種質(zhì)資源踏查，并準(zhǔn)確記錄采種地的經(jīng)緯度、海拔及年均氣溫等；9—11月，收集掛牌標(biāo)記且具代表性的蒙古櫟植株種子。

1.2.2 測(cè)定方法 分別對(duì)每個(gè)種源所采集的蒙古櫟單株種子等量混合后，采用四分法隨機(jī)選取300粒種子進(jìn)行種長(zhǎng)、種寬及種子單粒重、千粒重的測(cè)定，用電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行蒙古櫟種寬和種長(zhǎng)的測(cè)定，精確到0.01 mm，用電子天平進(jìn)行種子單粒重的測(cè)定，用百粒法測(cè)量種子千粒重，精確到0.01 g。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 用Excel對(duì)測(cè)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)；種形指數(shù)為種子的寬(直徑)和長(zhǎng)(縱徑)之比[16]；運(yùn)用SPSS 11.5進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析(Pearson相關(guān))、主成分分析；同時(shí)運(yùn)用SPSS 11.5將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，采用歐式距離法進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源蒙古櫟種子性狀差異性分析

如表2所示：不同種源蒙古櫟種長(zhǎng)、種寬差異較大，種長(zhǎng)為11.38 ～20.96 mm，種寬為11.07 ～17.80 mm。其中遼寧省撫順市蒙古櫟種子的種長(zhǎng)和種寬最長(zhǎng)，均值分別為20.96、17.80 mm，其種寬、單粒重顯著高于其他地區(qū)(P＜0.05)；內(nèi)蒙古赤峰市最低，種長(zhǎng)和種寬均值分別為11.38、11.07 mm，顯著低于其他地區(qū)(P＜0.05)。河北省承德市圍場(chǎng)縣與興隆縣蒙古櫟種子的種長(zhǎng)、種寬無顯著差異。種形指數(shù)均存在一定差異，但差異較小，其中河北省秦皇島市最高，山東省泰安市最低，均值分別為1.28、1.02。

表2 不同種源蒙古櫟種子表型性狀差異性分析Table 2 Difference analysis of seeds phenotypic characters in Q. mongolica from different provenances

單粒重和千粒重差異較大，其中各種源千粒重之間均存在顯著差異(P＜0.05)，最高為遼寧省撫順市(3 027.39 g)，最低為內(nèi)蒙古赤峰市(1 244.40 g)，可以看出千粒重的變異幅度較大。

2.2 不同種源蒙古櫟種子表型性狀之間相關(guān)性分析

如表3所示：不同種源蒙古櫟種子表型性狀存在一定的相關(guān)性。其中蒙古櫟種子的種長(zhǎng)、種寬、單粒重、千粒重相互之間均存在極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，即種長(zhǎng)越長(zhǎng)，種寬越寬，單粒重和千粒重隨著種長(zhǎng)、種寬的增大而增加，表明這4個(gè)表型性狀是相互影響的。種形指數(shù)與種長(zhǎng)、種寬、單粒重和千粒重的相關(guān)性呈不顯著正相關(guān)。

表3 不同種源蒙古櫟種子表型性狀的相關(guān)性Table 3 Correlation of seeds phenotypic characters in Q. mongolica from different provenances

2.3 不同種源蒙古櫟種子表型性狀與生態(tài)因子之間的相關(guān)性分析

從不同種源蒙古櫟種子表型性狀與生態(tài)因子之間的相關(guān)性分析(表4)可知：海拔與種寬呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，與單粒重、千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)，相關(guān)系數(shù)達(dá)?0.67、?0.75、?0.75，即海拔越高，種寬、單粒重和千粒重越小。東經(jīng)與千粒重、單粒重呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.72，即隨著經(jīng)度的增加，單粒重、千粒重增大。無霜期與單粒重呈正相關(guān)，即無霜期越長(zhǎng)，單粒重越大。種長(zhǎng)、種形指數(shù)與生態(tài)因子之間也存在一定的相關(guān)性，但差異不顯著，說明蒙古櫟種子表型性狀的差異與種源生態(tài)環(huán)境因子有一定的相關(guān)性，即存在地理變異特性。

表4 不同種源蒙古櫟種子表型性狀與生態(tài)因子之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between seeds phenotypic characters in Q.mongolica and ecological factors from different provenances

2.4 不同種源蒙古櫟種子主成分分析

以11個(gè)種源間蒙古櫟種子相關(guān)特性為樣本，將種子5個(gè)表型性狀和6個(gè)生態(tài)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。由表5可知：特征值大于1有3個(gè)主成分，貢獻(xiàn)率分別為43.78%、22.92%、12.57%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.27%。其中，第1主成分特征值為5.37，對(duì)應(yīng)的特征向量千粒重和單粒重最大，均為0.41。可以把第1主成分稱為種子質(zhì)量因子。第2主成分特征值為2.52，對(duì)應(yīng)的特征向量無霜期最大，為0.51，可以把第2主成分稱為環(huán)境因子；第3主成分特征值為1.38，對(duì)應(yīng)的特征向量北緯最小，可以把第3主成分稱為地理因子。綜上可知，影響蒙古櫟種子特性的因素從大到小為單粒重、千粒重、無霜期、北緯。

表5 不同種源蒙古櫟種子相關(guān)特性的主成分分析Table 5 Principal component analysis of seeds related characteristics in Q. mongolica from different provenances

2.5 不同種源蒙古櫟單粒重和千粒重的聚類分析

由聚類分析結(jié)果(圖1)可以看出：根據(jù)單粒重和千粒重，不同種源蒙古櫟共分為4類，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類種群，其中黑龍江省黑河市、遼寧省本溪市、遼寧省撫順市為Ⅰ類，種子的單粒重和千粒重遠(yuǎn)高于所有種源的均值，為最優(yōu)種源；北京市門頭溝區(qū)、吉林省延邊市為Ⅱ類，單粒重和千粒重略高于均值；河北省張家口市、河北省承德市興隆縣、山東省泰安市、河北省秦皇島市為Ⅲ類，單粒重和千粒重略低于均值；河北省承德市圍場(chǎng)縣、內(nèi)蒙古赤峰市為Ⅳ類，單粒重和千粒重最小。從聚類分析結(jié)果看，蒙古櫟種子表型性狀表現(xiàn)出了一定的區(qū)域性，天然種源基本上分布于東北部地區(qū)，Ⅰ類分布于東部偏冷地區(qū)，Ⅱ類分布于東部和北部地區(qū)，Ⅲ類分布于中部地區(qū)(華北和華東)，Ⅳ類分布于北部地區(qū)，表現(xiàn)出從東北向西南的走向，種源質(zhì)量逐漸降低，這與相關(guān)性分析結(jié)果相吻合。

圖1 不同種源蒙古櫟種子的聚類分析Figure 1 Cluster analysis for Q. mongolica seeds from different provenances

3 討論與結(jié)論

3.1 不同種源蒙古櫟種子表型性狀差異及其與生態(tài)因子的相關(guān)性

種質(zhì)資源的調(diào)查和評(píng)價(jià)是研究品種起源、演化和馴化的基礎(chǔ)，對(duì)優(yōu)異資源篩選、品種選育具有重要意義[17]。本研究通過對(duì)蒙古櫟種子5種表型性狀的測(cè)定和分析，得出不同種源蒙古櫟種實(shí)表型性狀之間存在差異，其中種長(zhǎng)、千粒重均存在顯著差異(P＜0.05)，這與厲月橋等[18]對(duì)蒙古櫟、李迎超[19]對(duì)栓皮櫟Q. variabilis、麻櫟Q. acutissima的研究結(jié)果一致，且種長(zhǎng)與種寬、單粒重、千粒重之間均存在極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，表明蒙古櫟種質(zhì)資源豐富，各生長(zhǎng)性狀在種源間存在較大的遺傳改良潛力。

植物與其生存環(huán)境的關(guān)系一直是關(guān)注的熱點(diǎn)[20]，處于不同生態(tài)環(huán)境的同種物種，經(jīng)過長(zhǎng)期對(duì)當(dāng)?shù)厣车倪m應(yīng)，發(fā)生了地理變異，形成了不同的地理種源[21]。蒙古櫟地理分布較為廣泛，生存環(huán)境存在較大差異。氣候條件，如氣溫、水分等對(duì)植物的有性繁殖有著重要的影響[22]，海拔等對(duì)種子、果實(shí)的品質(zhì)也具有影響[23?27]，而氣候條件的波動(dòng)及其他環(huán)境條件的改變會(huì)影響物種更新和種群動(dòng)態(tài)[28?30]。本研究表明：蒙古櫟不同種源種子表型特征與生態(tài)因子之間均存在相關(guān)性，其中海拔與種寬存在顯著負(fù)相關(guān)，這與厲月橋等[18]對(duì)蒙古櫟研究結(jié)果相同，單粒重和千粒重受分布區(qū)海拔的影響存在垂直變異，說明蒙古櫟具有廣泛的適應(yīng)性，隨著環(huán)境條件的變化，出現(xiàn)遺傳變異。這與李斌等[31]對(duì)白皮松Pinus bungeana及張清等[32]對(duì)鐵橡櫟Quercus cocciferoides的研究結(jié)果一致，即變異越大，適應(yīng)環(huán)境的能力就越強(qiáng)。單粒重與東經(jīng)存在顯著正相關(guān)，隨著經(jīng)度的降低，單粒重和千粒重逐漸降低，種形指數(shù)無顯著變化，種源質(zhì)量相對(duì)降低，可能由于種子儲(chǔ)藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量直接影響幼苗建植，大種子有利于幼苗建植早期根系的發(fā)育和生物量的積累[33]，從而具有更強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)、逆境耐受能力和對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)能力[34]。種子的形狀與種長(zhǎng)和年均氣溫的相關(guān)性較大，說明蒙古櫟種子形狀受自身遺傳物質(zhì)控制，同時(shí)也受周邊環(huán)境因子的影響，存在地理變異，由于長(zhǎng)期生長(zhǎng)在生態(tài)條件明顯不同的地區(qū)，蒙古櫟種源間可能產(chǎn)生遺傳分化，這與相關(guān)的研究結(jié)果[15,35]一致。

3.2 不同種源蒙古櫟種子主成分和聚類分析

本研究表明：影響種子特性的因素按照重要性從大到小依次為單粒重、千粒重、無霜期、北緯。主成分分析表明：貢獻(xiàn)率最大的第1主成分表征的特征向量為單粒重和千粒重，因此可將單粒重和千粒重作為快速篩選種源優(yōu)良與否的優(yōu)先篩選指標(biāo)，這與常恩福等[36]對(duì)鐵橡櫟的研究結(jié)果一致。第2、3主成分主要為環(huán)境因子和地理因子，這與常恩福等[36]、張清等[32]的研究結(jié)果存在差異。常恩福等[36]研究表明：第2、3、4主成分是種形指數(shù)、緯度和海拔，即形狀因子和生態(tài)環(huán)境因子；張清等[32]研究表明：第2主成分為種形指數(shù)，可能與樹種特性及分布范圍存在一定關(guān)系。

根據(jù)種子性狀的綜合聚類分析結(jié)果，將11個(gè)種源按單粒重和千粒重聚為4類，地理分布相近的種源并沒有聚在一起，說明了種源間表型性狀變異不具有連續(xù)性。Ⅰ類種群中，黑河同遼寧地理位置距離較大，但聚為同一類群，可能由于其經(jīng)度相似，經(jīng)度和千粒重、單粒重呈顯著正相關(guān)有關(guān)，這與李文文[37]對(duì)蒙古櫟種源變異的研究結(jié)果一致。Ⅱ類和Ⅲ類種群中，河北和山東相隔距離較大，可能由于同一類群在不同種源之間地形起伏較大，形成了一定程度上的地理隔離，從而造成同一類群的種源，地理距離反而較大，這與李文文[37]的研究結(jié)果一致。Ⅲ類種群除山東泰安外，均位于河北地區(qū)，地理距離相對(duì)集中，且與Ⅳ類種群相隔地理距離較小，單粒重和千粒重均低于均值，種源質(zhì)量相對(duì)較差。

其中Ⅰ類種群在種源質(zhì)量方面優(yōu)于Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類，Ⅰ類分布區(qū)均為蒙古櫟集中分布區(qū)[15]，同時(shí)根據(jù)蒙古櫟適生分布區(qū)的研究可知：不同種源間地理梯度變異明顯，呈東北—西南走向，這與李斌等[31]對(duì)白皮松的研究結(jié)果相同。

只通過5種表型性狀特征確定各種源之間的表型差異存在一定的局限性，因此，還需進(jìn)一步連續(xù)多年收集測(cè)定或繼續(xù)開展分子水平方面的研究，深入分析蒙古櫟不同種源之間的遺傳變異。