福建省不同種源樟樹(shù)表型性狀多樣性研究

余旭敏， 張北紅，2， 肖祖飛，2， 賴 駿， 黃國(guó)敏，2， 金志農(nóng)，2

(1.南昌工程學(xué)院， 江西 南昌 330099; 2.江西省樟樹(shù)繁育與開(kāi)發(fā)利用工程研究中心， 江西 南昌 330099)

樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)隸屬于樟科(Lauraceae)樟屬(Cinnamomum)，是亞熱帶地區(qū)常綠闊葉樹(shù)種，在中國(guó)主要分布于長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)，其中以臺(tái)灣、江西、福建等地區(qū)的資源最為豐富。樟樹(shù)集優(yōu)質(zhì)木材、香精香料、園林綠化、生態(tài)防護(hù)等多種用途為一身，具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值[1]。植物葉片、果實(shí)、種子的性狀受遺傳因素和環(huán)境因素的共同作用[2]，經(jīng)過(guò)自然選擇逐漸形成穩(wěn)定的外在表現(xiàn)形式。表型性狀是適應(yīng)、選擇、生存、進(jìn)化的重要指標(biāo)[3]，是植物種內(nèi)個(gè)體遺傳多樣性和環(huán)境差異性的體現(xiàn)，其中葉片、果實(shí)和種子的表型性狀差異性是遺傳變異的重要體現(xiàn)。研究表明，不同種源樟樹(shù)的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等形態(tài)特征存在差異性，而且這種差異性在一定程度上是受遺傳控制的[4]；不同種源、家系樟樹(shù)的苗期葉片形態(tài)特征、光合特性和精油性狀均存在差異[5]。同一省域范圍內(nèi)，樟樹(shù)的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積等葉形性狀在市和縣之間存在極顯著差異，且在不同地理區(qū)域內(nèi)有規(guī)律可循[6]。相對(duì)葉片而言，果實(shí)和種子的表型性狀更為穩(wěn)定，其性狀除受遺傳因素影響之外，也與經(jīng)緯度、年均氣溫、降水量等環(huán)境條件有一定關(guān)系[7]。植物表型性狀在評(píng)價(jià)種質(zhì)資源適應(yīng)性、遺傳改良及育種價(jià)值等方面起著重要作用[8]，可作為植物良種早期選擇的重要參考指標(biāo)[9]。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

福建省地處中國(guó)東南部，位于115°50′—120°40′E，23°33′—28°20′N，屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。其降雨充沛，溫暖濕潤(rùn)；年平均氣溫17～21 ℃，年平均降雨量1 400～2 000 mm；土壤以紅壤、黃壤為主。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

福建省8個(gè)樟樹(shù)種源地分別為武夷山市、南平市建陽(yáng)區(qū)、邵武市、光澤縣、閩清縣、閩侯縣、永泰縣、長(zhǎng)泰縣。分別于各種源地的天然林中隨機(jī)選擇樹(shù)齡在100年以上的樟樹(shù)5株作為樣株，要求樣株之間均間隔10 km以上。采用多點(diǎn)混合采樣法[10]，在各樣株樹(shù)冠的東、南、西、北4個(gè)方向，分別于上、中、下3個(gè)部位采集樹(shù)葉及果實(shí)，將健康完整的葉片、飽滿成熟的果實(shí)收集至自封袋中備用。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 葉片表型性狀測(cè)量 將擦拭干凈的葉片放入便攜式葉面積儀(北京力高泰科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)LI-3000)，測(cè)量葉長(zhǎng)(LL)、葉寬(LW)、葉面積(LA)、葉周長(zhǎng)(LP)；用電子游標(biāo)卡尺(桂林廣陸數(shù)字測(cè)控股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)0～200 mm)測(cè)量葉厚(LT)。依據(jù)公式(1)(2)分別計(jì)算葉形指數(shù)(LI)、葉緣因子(LMF)[11]。

LI=LL/LW

(1)

LMF=4×LA/LP

(2)

2.2.2 果實(shí)和種子表型性狀測(cè)量 隨機(jī)抽取果實(shí)，用千分之一電子天平測(cè)量果實(shí)百粒質(zhì)量(HGWF)，用液差法測(cè)量果實(shí)體積(FV)，每次測(cè)100粒，重復(fù)3次，取平均值。用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)長(zhǎng)(FL)、果實(shí)寬(FW)、果實(shí)高(FH)等，重復(fù)10次，取平均值。依據(jù)公式(3)(4)分別計(jì)算果實(shí)比重(FP)、果形指數(shù)(FI)等。

FP=HGWF/FV

(3)

FI=FL/FW

(4)

將果實(shí)去皮，用測(cè)量果實(shí)性狀的方法測(cè)量種子對(duì)應(yīng)性狀，包括種子百粒質(zhì)量(HGWS)、種子體積(SV)和種子直徑(SD)等。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel 2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、聚類分析等。

3 結(jié)果與分析

3.1 福建省不同種源樟樹(shù)葉片表型性狀的差異性

福建省不同種源樟樹(shù)葉片表型性狀變異系數(shù)和多樣性指數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知：福建省不同種源樟樹(shù)葉片7個(gè)表型性狀的變異系數(shù)范圍在10.74%～24.23%之間，由大到小依次為葉面積的(24.23%)、葉周長(zhǎng)的(16.50%)、葉長(zhǎng)的(15.71%)、葉寬的(14.60%)、葉緣因子的(13.36%)、葉厚的(12.89%)、葉形指數(shù)的(10.74%)。葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)的變異系數(shù)均大于15.00%，表明不同種源樟樹(shù)的葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)的離散程度較高。葉片表型性狀的Shannon-wiener多樣性指數(shù)均大于1.00，范圍在2.05～2.07之間，表明福建省樟樹(shù)葉片表型多樣性豐富。

表1 福建省樟樹(shù)葉片表型性狀的變異系數(shù)及多樣性指數(shù)Tab.1 Coefficient of variation and Shannon-wiener index of leaf phenotypic traits of Cinnamomum camphora in Fujian Province

對(duì)福建省樟樹(shù)葉片表型性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表2)顯示，葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積、葉周長(zhǎng)、葉形指數(shù)、葉緣因子在種源間、種源內(nèi)的差異均達(dá)顯著(P<0.05)，表明葉片表型性狀的變異來(lái)源于種源內(nèi)和種源間，福建省樟樹(shù)葉片的表型性狀遺傳多樣性豐富。

3.2 福建省不同種源樟樹(shù)果實(shí)和種子表型性狀的差異性

福建省不同種源樟樹(shù)果實(shí)和種子的變異系數(shù)及多樣性指數(shù)見(jiàn)表3。由表3可知：福建省不同種源樟樹(shù)果實(shí)和種子10個(gè)表型性狀的變異系數(shù)范圍在5.45%～28.43%之間，由大到小依次為種子體積的(28.43%)、種子百粒質(zhì)量的(27.88%)、果實(shí)百粒質(zhì)量的(22.06%)、果實(shí)體積的(21.45%)、種子直徑的(10.07%)、果實(shí)寬的(9.61%)、果實(shí)高的(7.91%)、果實(shí)長(zhǎng)的(7.09%)、果形指數(shù)的(6.64%)、果實(shí)比重的(5.45%)。種子體積、種子百粒質(zhì)量、果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積的變異系數(shù)均大于15.00%，表明不同種源樟樹(shù)的果實(shí)和種子的體積、百粒質(zhì)量的離散程度較高。果實(shí)和種子表型性狀的Shannon-wiener多樣性指數(shù)范圍在2.04～2.07之間，多樣性指數(shù)均大于1.00，表明福建省樟樹(shù)果實(shí)和種子表型多樣性豐富。

表2 福建省不同種源樟樹(shù)葉片表型性狀方差分析Tab.2 Variance analysis of leaf phenotypic traits of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

表3 福建省樟樹(shù)果實(shí)和種子表型性狀的變異系數(shù)及多樣性指數(shù)Tab.3 Coefficient of variation and Shannon-wiener index of fruit and seed phenotypic traits of Cinnamomum camphora in Fujian Province

對(duì)福建省樟樹(shù)果實(shí)和種子的表型性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表4)顯示：果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積、果實(shí)長(zhǎng)、果實(shí)比重、果實(shí)寬、果實(shí)高、種子體積、種子百粒質(zhì)量、種子直徑在種源間、種源內(nèi)的差異均達(dá)顯著(P<0.05)；果形指數(shù)在種源間差異顯著，在種源內(nèi)差異不顯著。這表明果實(shí)和種子表型性狀的變異來(lái)源于種源內(nèi)和種源間。福建省樟樹(shù)的果實(shí)和種子的表型性狀遺傳多樣性豐富。

表4 福建省不同種源樟樹(shù)果實(shí)和種子表型性狀方差分析Tab.4 Variance analysis of fruit and seed phenotypic traits of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

3.3 福建省樟樹(shù)表型性狀的相關(guān)性

由表3可知：葉片表型性狀中有4個(gè)性狀(葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬)兩兩間均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)關(guān)系，葉緣因子與葉面積、葉寬均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；葉形指數(shù)與其他16個(gè)性狀的相關(guān)性均不顯著。果實(shí)表型性狀中有5個(gè)性狀(果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積、果實(shí)長(zhǎng)、果實(shí)寬、果實(shí)高)兩兩間存在顯著正相關(guān)(P<0.05)或極顯著正相關(guān)(P<0.01)關(guān)系；果形指數(shù)與果實(shí)體積、果實(shí)寬、果實(shí)高均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；種子的3個(gè)表型性狀(種子百粒質(zhì)量、種子體積、種子直徑)兩兩間均存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)關(guān)系。葉片(營(yíng)養(yǎng)器官)與果實(shí)(繁殖器官)的表型性狀中有多個(gè)性狀間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，如葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉形指數(shù)與果實(shí)比重、果形指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。

表5 福建省樟樹(shù)葉片、果實(shí)和種子表型性狀間的相關(guān)系數(shù)

3.4 福建省樟樹(shù)種源聚類

基于葉片、果實(shí)、種子等的17個(gè)表型性狀，對(duì)福建省8個(gè)樟樹(shù)種源進(jìn)行聚類分析，結(jié)果(圖1)表明:當(dāng)歐式距離為3時(shí)，福建省樟樹(shù)種源聚為2類，第1類包括的種源有光澤(GZ)、邵武(SW)、閩侯(MH)、武夷山(WYS)種源，第2類包括的種源有長(zhǎng)泰(CT)、永泰(YT)、建陽(yáng)(JY)、閩清(MQ)種源；當(dāng)歐式距離為1時(shí)，第2類又分為2個(gè)亞類，其中長(zhǎng)泰、永泰、建陽(yáng)種源為一個(gè)亞類，閩清種源單獨(dú)歸為一個(gè)亞類。從表型性狀來(lái)看，第1類種源的葉片表現(xiàn)為大而厚，而第2類種源的葉片總體上呈現(xiàn)出小而薄的特點(diǎn)。

圖1 福建省樟樹(shù)種源聚類Fig.1 Cluster analysis of phenotypic characters of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

4 結(jié)論與討論

4.1 福建省不同種源樟樹(shù)表型性狀的差異性

表型多樣性是揭示生物多樣性的重要指標(biāo)，是對(duì)遺傳多樣性的一種間接估計(jì)[12]。植物表型性狀主要包括枝、葉、花、果等的表型性狀[13]。變異系數(shù)可揭示表型性狀的變異程度，性狀的變異系數(shù)越大，說(shuō)明該性狀的離散程度越大，選擇空間也越大，對(duì)種質(zhì)變異和創(chuàng)新的貢獻(xiàn)率也越高[14]。本研究表明，福建省樟樹(shù)的表型性狀在種源間存在變異。葉面積、葉長(zhǎng)、葉周長(zhǎng)、果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積、種子百粒質(zhì)量、種子體積的變異系數(shù)均大于15%，表明福建省不同種源樟樹(shù)這些表型性狀的離散程度較大。Shannon-wiener 多樣性指數(shù)表示群落的異質(zhì)性，是評(píng)價(jià)物種保育價(jià)值的重要指標(biāo)，其值越大代表群落的物種多樣性越豐富[15]。本研究中表型性狀的Shannon-wiener 多樣性指數(shù)在2.04～2.07之間，說(shuō)明福建省樟樹(shù)表型性狀的遺傳多樣性豐富。福建省不同種源樟樹(shù)的果形指數(shù)在種源內(nèi)差異不顯著，除果形指數(shù)外的葉片、果實(shí)、種子等的其他16個(gè)表型性狀在種源間和種源內(nèi)均存在顯著差異，說(shuō)明樟樹(shù)葉片、果實(shí)、種子的表型性狀在種源內(nèi)和種源間均存在一定程度的變異。類似的研究結(jié)果在文昌錐[16]、板栗[17]、楠木[14]等植物中均存在。種源內(nèi)的變異反映的是種質(zhì)資源個(gè)體基因型間的表型變異。種質(zhì)資源中豐富的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆以及高光合效率的基因型是品種改良和新品種選育的基礎(chǔ)[17]，因此，樟樹(shù)種源內(nèi)和種源間的性狀變異是福建省樟樹(shù)育種效率提高的基礎(chǔ)。

4.2 福建省樟樹(shù)表型性狀的相關(guān)性

福建省樟樹(shù)葉片表型性狀中有4個(gè)性狀(葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬)兩兩間均存在極顯著(P<0.01)正相關(guān)關(guān)系，葉緣因子與葉面積、葉寬均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；果實(shí)表型性狀中有5個(gè)性狀(果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積、果實(shí)長(zhǎng)、果實(shí)寬、果實(shí)高)兩兩間存在顯著正相關(guān)(P<0.05)或極顯著正相關(guān)(P<0.01)關(guān)系；葉形指數(shù)與其他16個(gè)性狀間均不存在顯著相關(guān)關(guān)系；果形指數(shù)與果實(shí)體積、果實(shí)寬、果實(shí)高均呈顯著負(fù)相關(guān)；種子的3個(gè)表型性狀(種子百粒質(zhì)量、種子體積、種子直徑)兩兩間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。葉片(營(yíng)養(yǎng)器官)與果實(shí)(繁殖器官)的表型性狀中多個(gè)性狀間均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，如葉面積、葉周長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉形指數(shù)與果實(shí)比重、果形指數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。

葉片是植物光合作用的主要營(yíng)養(yǎng)器官之一，葉片表型性狀是植物為獲得最大光熱能量所形成的重要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。果實(shí)、種子是植物的主要繁殖器官，其表型多樣性是種源變異的重要體現(xiàn)。本研究表明，福建省樟樹(shù)的葉片、果實(shí)、種子等各自表型性狀間的相關(guān)性較強(qiáng)，但該3種類型表型性狀間的相關(guān)性相對(duì)較弱。如葉面積與葉片表型性狀中的葉長(zhǎng)、葉周長(zhǎng)、葉寬、葉緣因子間均存在極顯著相關(guān)性，但葉面積除與果實(shí)表型性狀中的果長(zhǎng)呈顯著相關(guān)外，與果實(shí)的其他表型性狀及種子的表型性狀間均不存在顯著相關(guān)性。此外，葉片(營(yíng)養(yǎng)器官)的性狀與果實(shí)(繁殖器官)的性狀間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，如葉形指數(shù)與果實(shí)百粒質(zhì)量、果實(shí)體積、果實(shí)長(zhǎng)、果實(shí)寬、果實(shí)高、果實(shí)比重均呈負(fù)相關(guān)。這與鄧紹勇等[18]對(duì)藥用梔子的研究結(jié)果一致。這可能是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的有限資源合理分配的進(jìn)化策略。在香料葉用樟樹(shù)生產(chǎn)中，人們期待生物量更多地集中在葉片而不是果實(shí)，因此，在選育時(shí)，可選擇葉大而厚，果實(shí)小的優(yōu)良單株。葉片與果實(shí)的負(fù)相關(guān)關(guān)系可為葉用植物品種選育提供參考。

4.3 福建省樟樹(shù)種源聚類

基于葉片、果實(shí)、種子等的17個(gè)表型性狀對(duì)福建省的樟樹(shù)種源進(jìn)行聚類分析的結(jié)果顯示，在歐式距離為3時(shí)，福建省8個(gè)樟樹(shù)種源聚為2類，其中光澤、邵武、閩侯、武夷山種源聚為一類，長(zhǎng)泰、永泰、建陽(yáng)、閩清種源聚為一類。一類種源的葉片表現(xiàn)為大而厚，另一類種源的葉片總體上呈現(xiàn)出小而薄的特點(diǎn)。葉面積是葉片表型特征的重要指標(biāo)，是反映植物獲取光照資源和光合能力的重要指標(biāo)[19]，葉面積越大，植物在短時(shí)間內(nèi)的物質(zhì)積累速率越快[6]，而葉面積小的植物則可以更好地適應(yīng)土壤貧瘠和干旱的環(huán)境[19]。通常認(rèn)為，聚類為同類的種源遺傳距離較近，聚類為不同類的種源遺傳距離較遠(yuǎn)。從樟樹(shù)種源的地理分布位置來(lái)看，聚類分析結(jié)果與各種源的地理分布沒(méi)有呈現(xiàn)出特定的關(guān)系。王軒等[20]對(duì)水榆花楸的研究也得出了類似的結(jié)論。湯詩(shī)杰等[21]利用分子標(biāo)記方法對(duì)南京椴天然居群進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明居群遺傳因子與其地理分布并沒(méi)有呈現(xiàn)出特定關(guān)系。趙姣[6]對(duì)江西省不同種源香樟葉片表型差異性分析結(jié)果表明，香樟葉片表型性狀與其種源地的經(jīng)緯度顯著相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，種源聚類與種源地的地理位置沒(méi)有特定關(guān)系，可能是由于受大規(guī)模的引種栽培影響。福建省對(duì)樟樹(shù)的開(kāi)發(fā)利用較早，長(zhǎng)期大規(guī)模的繁育栽培，種源間遺傳多樣性受到一定程度的人為因素影響[18]。此外，還可能受福建省地形復(fù)雜的影響。例如閩清縣境內(nèi)閩江以南為戴云山脈東北麓，北部為鷲峰山脈南麓，全縣四周群山連綿，盆谷相間，地貌類型復(fù)雜多樣，平原狹小，層狀地貌明顯。推測(cè)閩清種源樟樹(shù)的表型性狀受到了種源地小氣候環(huán)境條件的影響。因此，采用表型性狀特征作為區(qū)分種源間遺傳變異特點(diǎn)存在一定的局限性，由于表型、化學(xué)型、生態(tài)型是植物多樣性的體現(xiàn)[2]，因此，可從葉片表型、葉片精油、葉片解剖結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行綜合分析。