珍稀瀕危植物峨眉含笑種實(shí)表型性狀的空間變異特征

陳俐潔 黨萬園 陳巍巍 邱 濤 陳小紅*

（1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130；2. 中國科學(xué)院昆明植物研究所，昆明 650201）

植物表型性狀變異是遺傳變異的外在表現(xiàn)形式，在環(huán)境和遺傳雙重因素作用下，不同植物之間或同一植物之間有著不同程度的表型變異［1］。果實(shí)和種子是植物重要的繁殖器官，其表型性狀不僅體現(xiàn)了植物的繁育對策，還決定了植物擴(kuò)散、定居的天然更新能力［2-4］。目前，關(guān)于珍稀瀕危植物種實(shí)表型性狀變異的研究逐漸豐富，主要集中在通過表型性狀探究種源內(nèi)及種源間的遺傳多樣性，為瀕危植物的資源保護(hù)及開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支持［5-8］。關(guān)于植物種實(shí)空間變異的研究，目前仍集中在分析不同層次樹冠上的種實(shí)特征，以及不同種源間的差異，較少有利用變異函數(shù)等地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來分析植物種實(shí)的空間異質(zhì)性?？臻g異質(zhì)性是存在于生態(tài)學(xué)系統(tǒng)中的一個普遍現(xiàn)象，反映了生態(tài)系統(tǒng)屬性在不同方向和尺度上的復(fù)雜性和變異性［9］。種實(shí)表型性狀在不同的尺度和方向上有時存在一定的差異，不同性狀的空間自相關(guān)性、空間分布格局有所不同，具有較為明顯的空間變異特征［10］。因此，研究植物尤其是珍稀瀕危植物種實(shí)表型性狀的空間異質(zhì)性，不僅可以了解植物在一定空間范圍內(nèi)的分布和自相關(guān)性，還可以掌握在不同方向上的差異性，從而為植物資源保護(hù)與利用提供一定的理論依據(jù)。

峨眉含笑（Michelia wilsonii）為木蘭科（Magnoliaceae）含笑屬（Michelia）常綠喬木，其分布地域狹窄，為國家二級保護(hù)瀕危樹種［11］。目前，關(guān)于峨眉含笑的應(yīng)用和研究多集中于人工繁殖、精油提取、種群動態(tài)和脅迫生理［12-15］等方面，有關(guān)其果實(shí)和種子的表型特征及種實(shí)的空間變異規(guī)律還鮮見報(bào)道。因此，本研究以雅安周公山分布的野生峨眉含笑為對象，分析12 項(xiàng)種實(shí)表型性狀的空間變異特征，旨在了解珍稀瀕危植物峨眉含笑種實(shí)表型的變異程度及空間異質(zhì)性，以期豐富峨眉含笑表型性狀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從種實(shí)方面揭示峨眉含笑的分布格局、變化范圍及自相關(guān)性程度，探究是否存在各向異性，并根據(jù)研究結(jié)果指導(dǎo)種實(shí)的采集，為其保護(hù)與繁育工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于雅安市雨城區(qū)周公山（29°57′55″—29°58′18″N，103°2′40″—103°3′7″E），海拔900～1 158 m。該地為亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 774.3 mm，年平均蒸發(fā)量1 011.2 mm，年平均相對濕度79%，土壤類型為山地黃壤。研究區(qū)的植被類型以亞熱帶常綠闊葉林為主，林分郁閉度0.7～0.9。喬木層除峨眉含笑外，有杉木（Cunninghamia lanceolata）、亮葉樺（Betula luminifera）、栗（Castanea mollissima）、山雞椒（Litsea cubeba）、刺楸（Kalopanax septemlobus）和尖葉桂櫻（Laurocerasus undulata）等樹種，林下主要為姬蕨（Hypolepis punctata）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、菝葜屬（Smilax）和懸鉤子屬（Rubus）等植物。

1.2 試驗(yàn)材料

在峨眉含笑種群內(nèi)設(shè)置一塊200 m×200 m 的樣地，采用GPS 記錄峨眉含笑植株的經(jīng)緯度坐標(biāo)并掛牌定位，具體信息見表1。于2017 年9 月下旬，對已掛果的91株峨眉含笑植株，從每株樹冠的東、南、西、北4 個方向隨機(jī)采摘10 顆成熟但蓇葖未裂開的果實(shí)，共計(jì)910 顆果實(shí)，將果實(shí)編號掛牌后進(jìn)行后續(xù)性狀的測定。果實(shí)采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 峨眉含笑結(jié)果植株分布Fig.1 The distribution map of M.wilsonii fruits

表1 樣地信息Table 1 Sample plot information of M.wilsonii

1.3 測量方法

用電子天平（精度為0.01 g）測量果實(shí)鮮質(zhì)量后，將果實(shí)置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干。待蓇葖自然裂開后，使用游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）測量果實(shí)長和寬、蓇葖縱徑和橫徑，電子天平（精度為0.01 g）測量果實(shí)干質(zhì)量，并計(jì)算果形指數(shù)，公式：果形指數(shù)=果實(shí)長/果實(shí)寬。

人工統(tǒng)計(jì)果實(shí)上的蓇葖總數(shù)及敗育蓇葖數(shù)量（蓇葖中無種子視為敗育）、種子總數(shù)及敗育種子數(shù)量（種子干癟、中空視為敗育），以此計(jì)算出蓇葖敗育率和種子敗育率；并按果實(shí)長的3∶4∶3 比例，將果實(shí)劃分為上、中、下3個部分（靠近果柄處視為上部），分別統(tǒng)計(jì)這3個位置的敗育情況。

每株樹采用四分法隨機(jī)選取30 粒種子，使用游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）測量種子縱徑和橫徑，重復(fù)3 次取平均值。每株樹隨機(jī)選取100 粒種子用電子天平（精度為0.01 g）稱量質(zhì)量，重復(fù)3 次取平均值，并計(jì)算千粒質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019 計(jì)算峨眉含笑種實(shí)表型性狀的變異系數(shù)，變異系數(shù)常用來衡量數(shù)據(jù)的變異程度，通常用標(biāo)準(zhǔn)差與算術(shù)平均數(shù)之比來計(jì)算。

利用SPSS 27 對峨眉含笑種實(shí)表型性狀進(jìn)行Shapiro-Wilk 檢驗(yàn)，判斷性狀指標(biāo)是否為正態(tài)分布，若sig值小于0.05，需進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換。利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7中的半方差函數(shù)（又稱變異函數(shù)）對種實(shí)表型性狀進(jìn)行空間異質(zhì)性分析?？臻g異質(zhì)性與樣點(diǎn)間的距離和位置有關(guān)，而半方差函數(shù)既可以將兩者結(jié)合起來，建立出各種空間預(yù)測模型，又可以對空間格局的尺度和變異方向進(jìn)行分析［16］，能夠很好地反應(yīng)空間異質(zhì)性的大小。計(jì)算公式：

式中：r（h）為半方差函數(shù)值；h為樣點(diǎn)空間間隔距離；N（h）為間距為h的點(diǎn)對總數(shù)；Z（xi）和Z（xi+h）為系統(tǒng)某屬性Z在空間位置xi和xi+h處的值。

半方差函數(shù)的主要參數(shù)包括塊金值C0、基臺值（C0+C）、空間結(jié)構(gòu)比C0/（C0+C）、變程A等［17］。間隔距離h=0 時的半方差函數(shù)值稱為塊金值C0，隨著間隔距離h的增大，函數(shù)值達(dá)到一個相對穩(wěn)定的常數(shù)，該常數(shù)稱為基臺值（C0+C），此時的間隔距離A稱為變程。變程A反映了空間變異的尺度，在變程范圍內(nèi)，變量具有空間自相關(guān)，反之則不存在。空間結(jié)構(gòu)比C0/（C0+C）表示隨機(jī)部分占空間異質(zhì)性的比值，若比值＜0.25，空間自相關(guān)性強(qiáng)烈；若比值在0.25～0.75，空間自相關(guān)性中等；若比值＞0.75，空間自相關(guān)性很弱［17-19］。

當(dāng)變異函數(shù)是由某一特定方向θ構(gòu)造時，稱為各向異性變異函數(shù)，表示為r（h，θ）［17］。一般用各向異性比K（h）來描述各向異性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。計(jì)算公式：

式中：r（h，θ1）和r（h，θ2）為方向θ1和θ2上的半方差函數(shù)。如果各向異性比K（h）接近于1，則空間異質(zhì)性為各向同性，否則為各向異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 峨眉含笑種實(shí)表型性狀特征

如表2所示，峨眉含笑各項(xiàng)種實(shí)表型性狀存在不同程度的變異，變異系數(shù)為9.82%～75.65%，平均變異系數(shù)為27.59%。其中，種子敗育率的變異系數(shù)高達(dá)75.65%，變異幅度為1.12%～43.95%；蓇葖敗育率次之，變異系數(shù)為38.07%，變異幅度為3.97%～65.88%；而種子縱徑的變異程度最弱，為9.82%，變異幅度為4.12～7.12 mm。從性狀的類型來看，5 項(xiàng)聚合果性狀的平均變異系數(shù)為25.32%，3 項(xiàng)蓇葖果性狀的平均變異系數(shù)為24.72%，4 項(xiàng)種子性狀的平均變異系數(shù)為32.57%，這意味著峨眉含笑種子性狀較果實(shí)性狀的變異程度更為豐富。此外，種子敗育率等數(shù)量性狀的變異程度普遍比種子千粒質(zhì)量、果實(shí)干質(zhì)量等質(zhì)量性狀要大，形態(tài)性狀如果實(shí)長、果實(shí)寬、蓇葖縱徑和種子縱徑等的變異程度最低。

表2 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistical characteristics of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

峨眉含笑果實(shí)不同位置上的敗育率如表3 所示，可以看出在果實(shí)的不同位置上，蓇葖敗育率的差異顯著（P＜0.05），種子敗育率的差異不顯著（P＞0.05）。敗育率在果實(shí)下部的變異系數(shù)最小，性狀離散程度較低。位于果實(shí)下部的敗育率最高，蓇葖敗育率為38.22%，種子敗育率為18.32%；而位于果實(shí)中部的敗育率最低，蓇葖敗育率為23.45%，種子敗育率為15.05%?？梢?，峨眉含笑果實(shí)首尾兩端的敗育率較中間部位高，而果實(shí)下部的敗育率最高且性狀比中上部要穩(wěn)定。

表3 峨眉含笑種實(shí)的敗育率Table 3 Abortive rate of seed and fruit of M.wilsonii

2.2 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的空間異質(zhì)性

將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在GS+7.0中進(jìn)行半方差函數(shù)模型的擬合。選擇決定系數(shù)R2大、殘差平方和小的函數(shù)模型為最優(yōu)模型，所得結(jié)果如表4 所示，半方差函數(shù)曲線如圖2 所示。峨眉含笑果實(shí)長、蓇葖橫徑、種子縱徑和種子敗育率的最優(yōu)模型為線性模型，表現(xiàn)為隨機(jī)分布；果實(shí)寬、果形指數(shù)、果實(shí)鮮質(zhì)量和果實(shí)干質(zhì)量為指數(shù)模型，蓇葖縱徑、種子橫徑和種子千粒質(zhì)量為球狀模型，蓇葖敗育率為高斯模型，表現(xiàn)為聚集分布。峨眉含笑12 項(xiàng)種實(shí)表型性狀的變程A為9.70～105.26 m，在此范圍內(nèi)，各項(xiàng)指標(biāo)存在空間自相關(guān)，超過這個范圍則不存在；其中果實(shí)長、蓇葖橫徑、種子縱徑和種子敗育率的變程最大，空間連續(xù)性優(yōu)于其余種實(shí)表型性狀。果實(shí)長、果實(shí)寬和蓇葖敗育率的塊金值C0和基臺值（C0+C）較大，空間異質(zhì)性程度較高?？臻g結(jié)構(gòu)比C0/（C0+C）顯示，果實(shí)寬、果形指數(shù)、果實(shí)鮮質(zhì)量、果實(shí)干質(zhì)量、蓇葖敗育率、種子橫徑和種子千粒質(zhì)量的值均小于0.25，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；蓇葖縱徑和橫徑的結(jié)構(gòu)比值分別為0.499 和0.491，具有中等程度的空間自相關(guān)性；果實(shí)長、種子縱徑和種子敗育率的結(jié)構(gòu)比值均大于0.75，空間自相關(guān)性較弱。

圖2 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的半方差函數(shù)A.果實(shí)長；B.果實(shí)寬；C.果形指數(shù)；D.果實(shí)鮮質(zhì)量；E.果實(shí)干質(zhì)量；F.蓇葖縱徑；G.蓇葖橫徑；H.蓇葖敗育率；I.種子縱徑；J.種子橫徑；K.種子千粒質(zhì)量；L.種子敗育率Fig.2 Semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；B.Fruit width；C.Fruit shape index；D.Fruit fresh mass；E.Fruit dry mass；F.Follicel longitudinal diameter；G.Follicel transverse diameter；H.Follicle abortion rate；I.Seed longitudinal diameter；J.Seed transverse diameter；K.1 000-seed mass；L.Seed abortion rate

表4 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的半方差函數(shù)模型及參數(shù)Table 4 Model and parameters of semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

2.3 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的各向異性

峨眉含笑種實(shí)在0°、45°、90°、135°4個方向上的各項(xiàng)異性比如圖3所示，可以看出峨眉含笑種實(shí)性狀呈現(xiàn)較為明顯的各向同性，僅少數(shù)種實(shí)表型性狀存在各向異性現(xiàn)象。果形指數(shù)于10 m的小尺度內(nèi)在0°、90°方向上各向異性比較大，蓇葖敗育率于10 m 的小尺度內(nèi)在0°、45°、90°、135° 4 個方向上具有較大的各向異性比，蓇葖橫徑于120 m尺度內(nèi)在45°、135°方向上各向異性明顯。相對來說，峨眉含笑其余9項(xiàng)種實(shí)表型性狀在不同尺度下的90°/0°和135°/45°的各向異性比均接近于1，表現(xiàn)為各向同性。

圖3 峨眉含笑種實(shí)表型性狀的各向異性比A.果實(shí)長；B.果實(shí)寬；C.果形指數(shù)；D.果實(shí)鮮質(zhì)量；E.果實(shí)干質(zhì)量；F.蓇葖縱徑；G.蓇葖橫徑；H.蓇葖敗育率；I.種子縱徑；J.種子橫徑；K.種子千粒質(zhì)量；L.種子敗育率Fig.3 Anisotropy ratios of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；B.Fruit width；C.Fruit shape index；D.Fruit fresh mass；E.Fruit dry mass；F.Follicel longitudinal diameter；G.Follicel transverse diameter；H.Follicle abortion rate；I.Seed longitudinal diameter；J.Seed transverse diameter；K.1 000-seed mass；L.Seed abortion rate

3 討論與結(jié)論

對雅安市周公山的野生峨眉含笑種實(shí)表型性狀的研究顯示，峨眉含笑12 項(xiàng)種實(shí)表型性狀的平均變異系數(shù)為27.59%，與其他珍稀瀕危植物相比，其平均變異系數(shù)大于格木（Erythrophleum fordii）（12.41%）［7］、梓葉槭（Acer amplumsubsp.catalpifolium）（15.03%）［8］和閩楠（Phoebe bournei）（6.14%）［20］，說明峨眉含笑種實(shí)表型性狀的變異程度較為豐富，對環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。峨眉含笑種實(shí)形態(tài)性狀的變異程度較數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀低，果實(shí)和種子的形態(tài)較為穩(wěn)定，這與刁松峰等［21］對無患子（Sapindus saponaria）的研究結(jié)果一致。峨眉含笑種子的平均變異系數(shù)大于果實(shí)，果實(shí)性狀的穩(wěn)定性較種子性狀高，這與閩楠［20］和無患子［21］的研究結(jié)果一致，與厚樸（Houpoea officinalis）［22］和夏蠟梅（Calycanthus chinensis）［23］的研究結(jié)果相反。12 項(xiàng)種實(shí)表型性狀中，種子敗育率的變異系數(shù)最大，是峨眉含笑種實(shí)變型變異的主要來源。種子的敗育情況是影響植物繁殖和存活的重要因素，其較大的變異程度體現(xiàn)了峨眉含笑種群繁殖策略的靈活性。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)峨眉含笑果實(shí)尾

部的蓇葖和種子敗育率最高，果實(shí)中部的敗育率最低，這可能與柱頭所接受的花粉量有關(guān)。有研究表明，鵝掌楸（Liriodendron chinense）上部位柱頭接收的花粉明顯最少，花中部柱頭接收的花粉較上、下部位柱頭要多［24］，天女花（Oyama sieboldii）也存在花的上部柱頭接受花粉量最少的現(xiàn)象［25］。木蘭科花在轉(zhuǎn)化為果實(shí)的過程中，上部位的柱頭發(fā)育為聚合果尾部，下部位的柱頭發(fā)育為靠近果柄處的頂部，峨眉含笑可能也存在花上部位柱頭花粉量較少的情況，從而導(dǎo)致果實(shí)尾部的蓇葖和種子敗育率較高。

半方差函數(shù)最優(yōu)模型表明，峨眉含笑種實(shí)主要表現(xiàn)為聚集分布，這可能與峨眉含笑的果實(shí)類型及其傳播方式有關(guān)。蓇葖果一般為自體傳播，種子常掉落在母樹周圍［26］，造成峨眉含笑大小植株相聚的現(xiàn)象，隨著植株發(fā)育至結(jié)果階段，所結(jié)果實(shí)也呈現(xiàn)出聚集分布的現(xiàn)象?？臻g異質(zhì)性包含隨機(jī)和自相關(guān)兩部分，受到多種因素的影響：當(dāng)空間自相關(guān)性表現(xiàn)強(qiáng)烈時，氣候、光照、土壤類型等結(jié)構(gòu)類因素引起的空間異質(zhì)性程度較大，較弱時則人為干擾等隨機(jī)因素占主導(dǎo)［27］。在一定程度上，基臺值可以描述空間異質(zhì)性程度，但容易受自身因素和測量單位的影響［17］。峨眉含笑果實(shí)長、果實(shí)寬和蓇葖敗育率的基臺值較大，說明其總的空間異質(zhì)性程度較高，空間變異性較大?？臻g結(jié)構(gòu)比與基臺值相比，不僅能反映出不同因素所造成的空間異質(zhì)性程度，還能體現(xiàn)空間自相關(guān)性強(qiáng)度。峨眉含笑果實(shí)長和種子敗育率的空間結(jié)構(gòu)比為1，表現(xiàn)為純塊金效應(yīng)，具有恒定的變異性。峨眉含笑12 項(xiàng)種實(shí)表型指標(biāo)的變程為9.70～105.26 m，對空間尺度的依賴程度各不相同?？傮w而言，在40 m尺度下，峨眉含笑大多數(shù)種實(shí)表型性狀的空間結(jié)構(gòu)比接近0.25，空間自相關(guān)性程度較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)類因素引起的空間異質(zhì)性程度較高。木蘭科植物的繁育類型以異交為主［28-29］，由于樣地內(nèi)峨眉含笑呈聚集分布，異株傳粉間距離較近，遺傳信息交流方便，由此推測相聚植株的果實(shí)性狀形成了較為強(qiáng)烈的自相關(guān)性。少數(shù)種實(shí)性狀指標(biāo)其空間自相關(guān)性較弱的原因，可能是采樣時隨機(jī)摘取了不同冠層內(nèi)的果實(shí)。有研究表明，植物果實(shí)在上中下不同冠層內(nèi)的表型性狀有所差異［22，30］，而本研究在采樣時僅設(shè)置了東南西北4個方位，未考慮冠層的影響，人為干擾因素的存在導(dǎo)致了自相關(guān)性程度的降低?？臻g異質(zhì)性不僅與尺度有關(guān)，還與方向有關(guān)，一般由地形、水分等因子導(dǎo)致的空間異質(zhì)性通常為各向異性［17］。本研究發(fā)現(xiàn)峨眉含笑12項(xiàng)種實(shí)表型性狀中僅3項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)為各向異性，并且差異主要集中在小尺度內(nèi)；其余9項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為各向同性，在4 個方向上的差異不大，這可能是研究區(qū)域內(nèi)地勢較為一致，所選樣地的微環(huán)境差異不大所致。

目前，針對峨眉含笑種質(zhì)資源評價、良種選育回歸引種等資源保護(hù)與利用方面的研究較為缺乏，本研究為進(jìn)行峨眉含笑資源保護(hù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，對峨眉含笑種質(zhì)資源收集、遺傳改良等工作具有一定的指導(dǎo)意義。周公山峨眉含笑的種實(shí)表型性狀變異豐富，種實(shí)敗育率波動較大，種子性狀的變異程度較果實(shí)要大，這為峨眉含笑種實(shí)的培育提供了多種選擇，為峨眉含笑的選擇育種奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于峨眉含笑種實(shí)在研究區(qū)中等尺度下表現(xiàn)為各向同性，在不同方位上的變化差異不大，因此在對周公山峨眉含笑天然種群進(jìn)行實(shí)地保護(hù)繁育時，可于種群200 m的范圍內(nèi)，在任意地理方向上收集種實(shí)、育苗繁殖，以促進(jìn)峨眉含笑種群的更新。