44份流蘇樹種質(zhì)資源種實(shí)性狀綜合評(píng)價(jià)

牛牧歌, 任 靜, 李際紅, 黨成祿, 劉翠雙, 劉 源, 孫茂桐, 王錦楠

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站/黃河下游森林培育國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安 271018;2.海東市平安區(qū)自然資源和林業(yè)草原局, 青海 海東 820600)

流蘇樹(ChionanthusretususLindl et Paxt)是木犀科(Oleaceae)流蘇屬(Chionanthus)喬木,主要分布于中國(guó)、朝鮮[1]。流蘇樹花、芽、葉均可入藥,種仁含油豐富,含油率可達(dá)36.5%;根系發(fā)達(dá),可作嫁接桂花的砧木;木質(zhì)堅(jiān)固,為優(yōu)質(zhì)木材;樹形優(yōu)美,可作行道樹;流蘇樹作為我國(guó)重要的鄉(xiāng)土樹種,擁有著廣闊的開發(fā)利用前景和重要的科學(xué)研究意義[2-3]。

種實(shí)表型是其基因型和環(huán)境因子共同作用的結(jié)果[4]。羅建勛等[5]對(duì)10個(gè)天然云杉群體的16項(xiàng)遺傳多樣性指標(biāo)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,云杉天然群體多樣性總體呈現(xiàn)“北高南低”的趨勢(shì)。喬謙等[6]對(duì)15個(gè)天然元寶楓居群的13個(gè)種實(shí)性狀的研究結(jié)果顯示,居群內(nèi)的變異高于居群間的變異。曾郅涵等[7]以40株沙棗為試材,比較15個(gè)種實(shí)表型性狀變異性和多樣性,將沙棗的果實(shí)性狀(顏色、大小和性狀)、葉片性狀(顏色、大小和形狀)以及分枝性狀(枝下高和分枝數(shù))和冠幅作為關(guān)鍵性狀對(duì)沙棗的觀賞價(jià)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。在長(zhǎng)期進(jìn)化進(jìn)程中流蘇樹形成了豐富的遺傳多樣性[8-9],但目前有關(guān)流蘇樹的種實(shí)表型性狀變異的研究尚未見報(bào)道,故開展相關(guān)研究對(duì)流蘇樹種質(zhì)資源保護(hù)和利用具有重要意義。

果實(shí)及種子作為被子植物生命周期的起始,承載一定變異特征[10],其質(zhì)量決定著植物的繁殖能力和分布格局[11],其特征是評(píng)價(jià)木本油料作物的重要經(jīng)濟(jì)性狀[12]。因此,本研究以44份流蘇樹為試材,比較流蘇樹的12個(gè)種實(shí)性狀、胸徑和樹高共14個(gè)性狀的變異規(guī)律,構(gòu)建種實(shí)性狀評(píng)價(jià)體系,篩選流蘇樹種實(shí)性狀最優(yōu)指標(biāo),以期探究流蘇樹種實(shí)表型的關(guān)系,為流蘇樹種質(zhì)資源的保護(hù)、開發(fā)與利用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

在2016—2019年全國(guó)流蘇樹種質(zhì)資源廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上,于2020年8月中下旬及9月上旬(8月16日、8月21日、8月23日、8月26日及9月3日)共采集44個(gè)單株(表1),單株之間距離均在50 m以上,每單株采集500粒成熟種子。各群體的相關(guān)地理位置、生態(tài)條件及分布狀況見表1。

表1 流蘇樹采樣的地理位置以及生態(tài)條件

1.2 流蘇樹種實(shí)性狀的測(cè)定方法

1.2.1種實(shí)形態(tài)性狀測(cè)定

每個(gè)單株挑選30粒果實(shí),用游標(biāo)卡尺測(cè)定其果實(shí)縱徑和果實(shí)橫徑,計(jì)算果形指數(shù)[13]。剝?nèi)ス?測(cè)量其種子橫徑,種子縱徑與種殼厚度,計(jì)算實(shí)殼比。使用卷尺以及勃魯萊測(cè)高器測(cè)量樹高和胸徑。

果形指數(shù)=果實(shí)縱徑/果實(shí)橫徑;

實(shí)殼比=果實(shí)縱徑與果實(shí)橫徑的平均值/種殼厚度。

1.2.2種實(shí)質(zhì)量性狀的測(cè)定

從每個(gè)單株中隨機(jī)選取100個(gè)未受損果實(shí)測(cè)定其果實(shí)鮮重,果實(shí)去皮、清洗和65 ℃干燥后,每個(gè)單株隨機(jī)選取100粒種子,測(cè)定其種子質(zhì)量、種仁重量和種殼重量,計(jì)算出仁率。以上指標(biāo)均重復(fù)3次,取平均值。

出仁率/%=(M種仁/M種子)×100%。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

1.3.1種實(shí)性狀遺傳多樣性指數(shù)(H′)

式中,pi表示第i級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

1.3.2隸屬函數(shù)值的計(jì)算

參考胡標(biāo)林等[15]的方法,通過模糊隸屬函數(shù)法對(duì)各種實(shí)性狀值歸一化。計(jì)算方式如下:

式中,μ(xi)為各種質(zhì)第i個(gè)性狀的隸屬函數(shù)值,xi為各種質(zhì)的第個(gè)性狀值,ximin和ximax分別為各種質(zhì)中的第i個(gè)性狀的最小值和最大值。

1.3.3綜合評(píng)價(jià)方法

應(yīng)用Excel 2018軟件處理44份流蘇樹種質(zhì)資源的14個(gè)性狀數(shù)據(jù)。使用SPSS 26.0、Origin 2017軟件對(duì)各種質(zhì)的性狀值進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析,對(duì)其性狀隸屬函數(shù)值進(jìn)行主成分分析及綜合評(píng)價(jià),再結(jié)合逐步回歸分析篩選指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀變異分析

由表2可知,14個(gè)性狀的平均變異系數(shù)介于9.00%～45.00%之間,平均為20.13%,遺傳多樣性指標(biāo)(H′)在1.69～2.07之間,平均值為1.96,表明流蘇樹種實(shí)性狀遺傳多樣性豐富。其中變異系數(shù)較高的6個(gè)指標(biāo)依次為樹高、胸徑、種殼重量、果實(shí)鮮重、實(shí)殼比、種仁重量。遺傳多樣性指數(shù)較高的5個(gè)指標(biāo)依次為種殼重量、果實(shí)鮮重、果實(shí)橫徑、種仁重量、種子重量,表明其性狀分布較均勻。

表2 44份流蘇樹種質(zhì)資源14個(gè)性狀的變異分析

2.2 種實(shí)性狀的相關(guān)性分析

流蘇樹種質(zhì)資源各種實(shí)性狀內(nèi)存在顯著相關(guān)性(表3)。種子縱徑與種殼厚度和種殼重量呈極顯著正相關(guān)。種子橫徑與種殼厚度、種仁質(zhì)量和種殼重量呈極顯著正相關(guān)。種殼厚度與種殼重量呈極顯著正相關(guān),與實(shí)殼比和出仁率呈極顯著負(fù)相關(guān)。實(shí)殼比與出仁率呈極顯著正相關(guān),與種殼重量呈極顯著負(fù)相關(guān)。種仁質(zhì)量與出仁率呈極顯著正相關(guān)。種殼重量與出仁率呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此,實(shí)殼比與出仁率呈極顯著正相關(guān),這表明實(shí)殼比越大,出仁率越高。種殼厚度和出仁率呈極顯著負(fù)相關(guān),種殼厚度越厚出仁率越低。

表3 44份流蘇樹種質(zhì)資源14個(gè)性狀的相關(guān)性分析

2.3 44份流蘇樹種質(zhì)資源聚類分析

對(duì)44個(gè)流蘇樹單株的種實(shí)性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析(圖1)。選取遺傳距離為15時(shí),44個(gè)單株分為4個(gè)組,第一組有T-11、S-6、BC-3、WS-5、Z-1、WS-5、B-2、T-2、T-10、T-5、WS-2、T-15; 第二組有WA-1、WA-2、B-1;第三組有T-8、WS-4、T-6、G-8;第四組有G-2、BC-5、S-3、BC-1、G-1、BC-4、BC-2、S-5、G-3、G-7、T-9、T-21、T-16、Z-5、T-4、T-20、T-19、T-7、S-2、T-18、T-17、Z-4、G-5、G-6、G-4。聚類結(jié)果未按照地理位置聚為一類,由此推斷,其種實(shí)性狀變異具有不連續(xù)性和不穩(wěn)定性,具有隨機(jī)變異的特點(diǎn)。

圖1 44份流蘇樹種實(shí)性狀聚類分析

2.4 性狀主成分分析

44株流蘇樹的14個(gè)性狀模糊隸屬函數(shù)歸一化,以各模糊隸屬函數(shù)值進(jìn)行主成分分析(表4)。結(jié)果表明,前4個(gè)主成分能代表流蘇樹種質(zhì)87.262%的遺傳信息量。在第一主成分中,種子重量、果實(shí)鮮重、種殼重量、種子橫徑、種殼厚度、果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑的特征向量值較大,分別為0.158,0.143,0.139,0.138,0.125,0.114,0.114,這些性狀與流蘇樹種實(shí)性狀呈高度正相關(guān),主要反映流蘇樹果實(shí)特征和種子特征。在第二主成分中,出仁率、種仁重量、果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果實(shí)鮮重、果形指數(shù)的特征向量值較大,分別為0.243,0.204,-0.126,0.198,0.131,-0.292,主要反映種子質(zhì)量特征和果實(shí)形態(tài)特征。第三主成分中,果形指數(shù)、果實(shí)縱徑、種殼厚度的特征向量值較大,分別為0.28,0.268,-0.223,主要反映果實(shí)和種子的飽滿程度。第四主成分中,特征向量值較大的有胸徑、樹高,分別為0.521,0.508,主要反映出流蘇樹體性狀對(duì)流蘇樹種實(shí)變異的影響程度。

表4 44份流蘇樹種質(zhì)資源14個(gè)性狀的主成分分析

2.5 44份流蘇樹種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)流蘇樹種實(shí)性狀得分不能以單一性狀作為參考,要綜合考慮流蘇樹各種實(shí)性狀。參考徐嘉娟等[16]的方法,利用SPSS 25.0軟件得出各主成分得分值,再結(jié)合各主成分的貢獻(xiàn)率權(quán)重得出每個(gè)單株的綜合得分公式:F=(0.426 3F1+0.200 1F2+0.141 8F3+0.104 5F4)/0.872 6,并根據(jù)綜合組成分值進(jìn)行篩選。結(jié)果(表5)表明,綜合得分前十的分別為T-8(1.123)、G-8(1.008)、WS-4(0.901)、BC-2(0.754)、T-6(0.700)、G-3(0.618)、S-5(0.556)、G-1(0.539)、BC-4(0.519)、S-3(0.433)單株,綜合性狀較好。性狀F值與14個(gè)性狀的相關(guān)分析如表6所示,種實(shí)性狀F值與果實(shí)鮮重(0.577)、果實(shí)縱徑(0.430)、果實(shí)橫徑(0.479)、種子重量(0.510)、種子橫徑(0.541)、種仁重量(0.535)呈極顯著正相關(guān),與種子縱徑(0.325)呈顯著正相關(guān)。

表5 44份流蘇樹種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)

表6 種實(shí)綜合值(F值)與14個(gè)性狀的相關(guān)系數(shù)

2.6 44份流蘇樹種質(zhì)資源種實(shí)性狀綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選

利用綜合得分F值與14個(gè)性狀構(gòu)建最優(yōu)線性回歸方程,篩選種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。最優(yōu)回歸方程為y=0.459X9+0.266X14+0.302X4,其中X4、X9、X14分別代表種子果實(shí)縱徑、種子橫徑、出仁率,方程的相關(guān)系數(shù)r和判定R2分別為0.970,0.941,能解釋94.1%的總變異,方程的F值為219.841,達(dá)到極顯著水平。果實(shí)縱徑、種子橫徑、出仁率可以作為流蘇樹種實(shí)性狀的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)論與討論

種實(shí)表型隨機(jī)化是研究植物適應(yīng)波動(dòng)環(huán)境的有利手段[17-18]。本研究對(duì)44份流蘇樹種質(zhì)資源的14個(gè)性狀進(jìn)行研究,流蘇樹14個(gè)性狀的平均變異系數(shù)為9.00%～45.00%,變異豐富,可為流蘇樹選育提供良好的種質(zhì)資源。遺傳多樣性指標(biāo)(H′)為1.69～2.07,表明這些性狀的多樣性較高,性狀變異豐富,具有篩選優(yōu)良品種的潛能,可根據(jù)不同用途定向選育,這與曾郅涵等[7]在40份野生沙棗種質(zhì)資源的研究相似。40份野生沙棗種質(zhì)資源的數(shù)量性狀變異系數(shù)在10.29%～104.77%;質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)分別為1.00～1.34和1.58～3.58。流蘇樹與沙棗結(jié)果相似,變異豐富,可依此進(jìn)行流蘇樹品種選育。

近年來,主成分分析和聚類分析已廣泛應(yīng)用于木本、作物種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)和篩選[13-16]。本研究結(jié)果表明,前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率87.262%,代表流蘇樹種實(shí)性狀的大部分信息,其中前兩個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到62.638%。第一主成分主要體現(xiàn)流蘇樹果實(shí)特征和種子特征,第二成分主要體現(xiàn)產(chǎn)量性狀和果實(shí)性狀。并結(jié)合聚類分析結(jié)果顯示,在遺傳距離選取15時(shí),可將44份流蘇樹分為4類,其中第二組T-8、WS-4、T-6、G-8綜合表現(xiàn)最佳,與其他單株具有較遠(yuǎn)的遺傳距離。另外,流蘇單株聚類結(jié)果未按照地理位置所聚,表現(xiàn)出隨機(jī)變異的特點(diǎn)[19]。這可能與流蘇樹雄全異株繁育方式和其流蘇花的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。何艷霞等[20]研究表明,流蘇樹花粉自交和異交雖都親和,但流蘇樹的雌蕊和雄蕊在花冠管中,直接接受外來花粉概率較低,同時(shí)依靠風(fēng)媒和蟲媒授粉的流蘇樹花期多雨,這可能使花粉難以在居群內(nèi)傳播,即居群內(nèi)單株難以進(jìn)行基因交流,增加了各種群獨(dú)立分化的機(jī)會(huì)[21]。

隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,食用油缺口逐年增大,使用木本油料作物來替代草本油料作物,成為彌補(bǔ)食用油缺口的重要途徑[22]。而流蘇樹作為重要的木本油料作物,其果實(shí)和種子的品質(zhì)決定了其發(fā)展?jié)摿23]。本研究通過14個(gè)流蘇樹性狀的綜合評(píng)價(jià)F值對(duì)44份流蘇樹種質(zhì)資源進(jìn)行排序。結(jié)果顯示,來自泰安的T-8綜合評(píng)分最高,來自濰坊市的WS-2綜合評(píng)分最低,都是構(gòu)建遺傳豐富變異群體的重要組成部分。孫東雷等[14]認(rèn)為,為解決種質(zhì)資源種實(shí)性狀復(fù)雜繁多并彼此相關(guān)的問題,可通過逐步回歸分析方法篩選最優(yōu)化指標(biāo)。通過逐步回歸方法構(gòu)建最優(yōu)回歸方程時(shí)通常包含常數(shù)項(xiàng)[24-25],而本研究在添加常數(shù)項(xiàng)時(shí)最優(yōu)回歸方程的r和R2太低,不能反映所有性狀的特征,王青蓉[26]在對(duì)主成分分析和線性回歸方程模型的研究中表明,常數(shù)項(xiàng)是對(duì)解釋變量留下的偏誤進(jìn)行的線性修正,因此,構(gòu)建通過原點(diǎn)的最優(yōu)回歸方程來解決這一問題。本研究通過逐步回歸分析得到3個(gè)表性性狀包括果實(shí)縱徑、種子橫徑、出仁率,與綜合評(píng)分F值影響顯著。果實(shí)縱徑、種子橫徑、出仁率分別為果實(shí)性狀、種子性狀和產(chǎn)量性狀,這3個(gè)性狀可作為流蘇樹種質(zhì)資源的關(guān)鍵種實(shí)性狀,針對(duì)這3個(gè)性狀的研究可以提高流蘇樹育種效率,為流蘇樹種質(zhì)資源創(chuàng)新提供新思路。