酸漿不同品種葉片遺傳差異分析

張巍,徐宜彬,李陽,李金禹

(黑龍江省林業(yè)科學(xué)院伊春分院,黑龍江 伊春 153000)

0 引言

遺傳多樣性的研究是種質(zhì)資源創(chuàng)新利用的基礎(chǔ),而植物表型性狀是植物本身遺傳因子和環(huán)境因子綜合作用的綜合體現(xiàn)。在長期的自然選擇,植物的表型性狀會不可逆地形成新表型性狀并遺傳給后代,即表型性狀變異必然蘊(yùn)藏著遺傳變異。因此,通過表型性狀來檢測植物遺傳變異情況,對挖掘基因型資源并加以利用具有重要意義。葉片是植物進(jìn)行光合作用、蒸騰作用和合成有機(jī)物質(zhì)的主要器官,是植物在生殖生長過程中的主要物質(zhì)吸收能量來源[1],其形態(tài)特征、解剖學(xué)特征等會直接影響植物的生理生化、生長發(fā)育及繁殖特性,最終影響植物的適應(yīng)性及進(jìn)化方向,對觀測植物在生殖生長中的合理性具有重要參考價(jià)值。

葉片隨環(huán)境因子的變化是其物質(zhì)投資和分配格局的具體體現(xiàn),其中,比葉面積(specific leaf area, SLA,葉面積與干重的比例)在葉片生長早期較大,可以有效反映葉片生長早期的光資源獲取能力。相反, 葉片干物質(zhì)含量(leaf dry matter content, LDMC,鮮重與干重的比率)在生長前期則較小,反映了發(fā)育初期葉片的含水率及代謝活動規(guī)律。這2項(xiàng)指標(biāo)也可以在一定程度上證明植物受環(huán)境飾變后的遺傳性狀。

酸漿(Alkekengiofficinarum)屬茄科(Solanaceae),酸漿屬(Physalis)是多年生草本植物。果肉柔嫩多汁,酸甜爽口,花萼、全草及根均可入藥,具清熱、利咽、化痰、行水之功效[2],是一種果藥兼用的經(jīng)濟(jì)植物。目前對于酸漿的研究主要集中于栽培、藥用成分含量及醫(yī)學(xué)用途等方面,而對于酸漿的遺傳變異及品種遺傳性狀差異研究目前還處于空白。

為進(jìn)一步探討酸漿不同品種葉片遺傳差異及不同品種在人工種植后的遺傳變異情況,在對本研究所使用的引進(jìn)種源及本地區(qū)野生種源2個(gè)試驗(yàn)材料進(jìn)行綜合分析的同時(shí),通過變異系數(shù)(CV) 、比葉面積(SLA) 、葉片干物質(zhì)含量(LDMC) 3個(gè)指標(biāo)的計(jì)算[3],完成酸漿在小興安嶺伊春林區(qū)統(tǒng)一種植后的葉片遺傳變異情況的數(shù)據(jù)分析,試圖觀測探討酸漿不同品種在栽植后的遺傳性狀變異規(guī)律,進(jìn)而為酸漿遺傳育種構(gòu)建提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本次試驗(yàn)所用試驗(yàn)樣地位于黑龍江省友好縣伊春森工友好林業(yè)局公司藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi),試驗(yàn)樣區(qū)0.34 hm2。樣區(qū)日照時(shí)數(shù)2 430.4 h,年降水量633.2 mm。年平均溫為0 ℃,無霜期110 d,年積溫2 000～2 280 ℃,冬季平均溫-16.2 ℃,年平均降水量為640 mm,無霜期110 d,土壤為暗棕壤。設(shè)計(jì)樣區(qū)土壤pH為5.57,有機(jī)質(zhì)含量為12.35%,全效氮(N)含量31.49,全效磷(P)含量198.46,全效鉀(K)含量203.54[4]。

1.2 試驗(yàn)材料情況

課題組于2020年從吉林省果樹研究所引進(jìn)酸漿新品種“大紅燈籠山菇娘”,同時(shí)在小興安嶺伊春林區(qū)收集野生酸漿種質(zhì)資源“掛金燈酸漿”。于當(dāng)年在小興安嶺伊春林區(qū)“伊春森工友好林業(yè)局公司藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)園區(qū)”內(nèi)統(tǒng)一建立試驗(yàn)樣地1處,2個(gè)品種分區(qū)栽植,栽植密度、方法及田間管理方式相同。

1.3 研究方法

葉片采集于2022年7月,為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,采集方式為依據(jù)品種不同,分別以全株上、中、下3個(gè)部位的葉片為采集對象,每株各部位采集2片葉片,每個(gè)品種共采集樣本30株[5]。采集后將葉片洗凈,依據(jù)各部位葉片進(jìn)行分別測量。測量指標(biāo)主要有葉片長、葉片寬和葉片鮮重,同時(shí)計(jì)算葉面積、長寬比和葉形系數(shù)等。

葉片重測量方法為將葉片洗凈后稱取葉片鮮重,然后置于80 ℃干燥箱中烘干2 h至恒重,稱量樣品干重[6]。運(yùn)用式(1)—式(3)進(jìn)行測算,其中葉片干物質(zhì)含量(leaf dry matter content,LDMC,鮮重與干重的比率在公式中用LDMC表示)、比葉面積(specific leaf area,SLA,面積與干重的比例在公式中用SLA表示)、變異系數(shù)(在公式中用CV表示)的計(jì)算[7],公式如下

LDMC=葉干重/葉濕重。

(1)

SLA=葉面積/葉干重。

(2)

CV=(SD/MN)×100%。

(3)

式中:LDMC為葉片干物質(zhì)量;SLA為比葉面積;CV為變異系數(shù);SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差;MN為平均值。

葉柄長用游標(biāo)卡尺測量,葉面積用杭州大吉光電儀器有限公司的YMJ-A葉面積儀進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)分析用SPSS19.0完成,其他數(shù)據(jù)用WPS-Excel 2020進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同酸漿品種葉片分析

以本次試驗(yàn)材料所測算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),由表1可知,掛金燈酸漿品種葉片長度取值范圍為4～8 cm,經(jīng)組內(nèi)離散程度分析表明,其總體數(shù)值集中分布于6.07～6.99 cm。葉片寬度取值范圍為3～7 cm,總體數(shù)值集中分布于4.23～5.77 cm。葉片長/寬比總體平均值為1.36。引進(jìn)酸漿品種葉片明顯大于小興安嶺原生掛金燈酸漿品種。其中葉片長度取值范圍為9～13 cm,經(jīng)數(shù)據(jù)分析其總體數(shù)值集中分布于10.3～12.3 cm。葉片寬度取值范圍為6～10 cm,總體數(shù)值集中分布于7.27～8.53 cm,經(jīng)計(jì)算葉片長/寬比值為1.41,可見2品種葉片雖然因品種不同而存在大小差異,但其形態(tài)差異并不顯著。

以葉片長度為參考值,對2個(gè)品種葉片柄長度分析可知,引進(jìn)酸漿品種平均葉片長度與葉柄長度比值為3.38,掛金燈酸漿葉長與葉柄長比值為3.80。由此可見,在相同比例計(jì)算下,掛金燈酸漿品種葉柄比引進(jìn)酸漿品種葉柄稍長,見表1。

葉面積的準(zhǔn)確測定是植物新品種選育、生理發(fā)育機(jī)制等方面的關(guān)鍵問題,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[8-9]。對本研究所選擇的2個(gè)試驗(yàn)材料進(jìn)行離散化分析,結(jié)果表明,掛金燈酸漿葉面積組內(nèi)主要集中分布于17.34～44.95 cm2,總體平均值為34.21 cm2。而引進(jìn)酸漿品種葉面積組內(nèi)總體分布于68.94～90.76 cm2,總體平均值為76.71 cm2。經(jīng)計(jì)算,引進(jìn)酸漿品種葉面積大于伊春林區(qū)野生掛金燈酸漿品種葉面積55.4%,見表2。葉片是植物生長發(fā)育的極為重要的功能器官,因?yàn)槿~片能為植物各個(gè)部分生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)。而能夠進(jìn)行光合作用的葉片又往往決定于葉片與太陽光的接觸面積[10]。上述分析證明,2個(gè)品種葉片大小差異很大,而作為本研究引進(jìn)品種,酸漿葉片更大,說明其在獲取陽光及自身生殖生長方面更具優(yōu)勢。

2.2 酸漿葉片變異關(guān)聯(lián)性分析

植物表觀性狀的差異是植物自身遺傳因素和環(huán)境因子共同作用下,為適應(yīng)不同的環(huán)境,群體和個(gè)體間均產(chǎn)生不同程度和形式的變異。植物葉片的形態(tài)特征是植物長期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果,與植物的生長發(fā)育密切相關(guān),具有重要研究意義[11]。干物質(zhì)含量(LDMC)是判斷植物光合作用及分解作用的重要指標(biāo)。通過對2個(gè)酸漿品種干物質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算,引進(jìn)酸漿品種葉片干物質(zhì)含量主要分布于0.50～0.58,本地掛金燈酸漿品種葉片干物質(zhì)含量則主要分布于0.38～0.45。

由表3可知,本次試驗(yàn)材料中,引進(jìn)酸漿品種葉片干物質(zhì)量明顯高于小興安嶺本地野生酸漿品種,對2樣本各自進(jìn)行組內(nèi)T檢驗(yàn),結(jié)果表明,葉片指數(shù)在置信度為95%時(shí)2個(gè)品種計(jì)算系數(shù)均小于0.05,表明2個(gè)酸漿品種組內(nèi)分析結(jié)果高度相關(guān),不存在明顯差異,這代表著品種間產(chǎn)生差異的主要因素是2個(gè)品種葉片大小差異,而這種差異來自品種自身的遺傳特性。

比葉面積(SLA)為葉面積與葉片干重比的計(jì)算結(jié)果。其代表著在同一個(gè)處理下,受光越弱比葉面積越大。由表3可知,掛金燈酸漿的比葉面積明顯大于酸漿的計(jì)算系數(shù),說明在相同栽植條件下,因掛金燈酸漿葉片較小于引進(jìn)酸漿品種,所以其比葉面積計(jì)算值較大。

分別對2個(gè)酸漿品種葉片開展遺傳變異系數(shù)(CV)分析,以葉面積為計(jì)算單位,結(jié)果表明2個(gè)品種的表型性狀變異幅度為10.05～31.12,平均變異系數(shù)為 20.02%。其中引進(jìn)酸漿品種遺傳變異系數(shù)為11.85%,掛金燈酸漿遺傳變異系數(shù)為28.19%。分別以葉片長度和寬度系數(shù)為計(jì)算單位。通過遺傳系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明,引進(jìn)酸漿品種葉片長度遺傳變異系數(shù)為9.33%;葉片寬度遺傳變異系數(shù)為12.73%;掛金燈酸漿葉片長度遺傳變異系數(shù)為11.86%,寬度遺傳變異系數(shù)為19.39%。同時(shí),通過對2品種葉長、葉寬、葉面積3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn),結(jié)果表明各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)差異明顯。葉片隨環(huán)境因子變化而產(chǎn)生的物質(zhì)投資和分配格局是植物適應(yīng)環(huán)境的重要途徑之一[12],其在相同生境下的生長發(fā)育和性狀特征代表著植物與周圍環(huán)境進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的基本行為和功能強(qiáng)弱。而在這一過程中,葉片對環(huán)境變化的敏感程度可以對植物葉片的遺傳變異產(chǎn)生一定影響,即輕微的環(huán)境擾動就可能誘導(dǎo)葉片性狀發(fā)生改變[13]。上述分析證明,引進(jìn)酸漿品種雖為異地引種,但在小興安嶺伊春林區(qū)統(tǒng)一栽植后,無論組內(nèi)或組間,其遺傳變異系數(shù)均較小,證明其變異幅度并未因環(huán)境因子的改變而加劇,這也代表著其性狀的穩(wěn)定性。而作為小興安嶺林區(qū)野生品種,掛金燈酸漿在統(tǒng)一栽植后遺傳變異系數(shù)較大,說明其受環(huán)境影響較為強(qiáng)烈,穩(wěn)定性不高。

3 結(jié)論和討論

植物個(gè)體的差異是由本身遺傳因素和環(huán)境因子決定的。葉片是植物對環(huán)境變化最為敏感的器官之一,受溫度、光照和水分等環(huán)境條件的影響,植物葉片的長度、寬度、葉柄長度、葉片厚度和葉面積等形態(tài)特征會產(chǎn)生變化[14]。本次對不同酸漿品種葉片進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測算,結(jié)果表明,引進(jìn)酸漿品種葉片包括葉面積在內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)明顯大于本地野生品種。對2個(gè)品種酸漿葉片干物質(zhì)含量(LDMC)指標(biāo)的檢測結(jié)果也說明,由于引進(jìn)酸漿品種葉片更大,能量獲取更具優(yōu)勢,干物質(zhì)含量指數(shù)也更高。在對比葉面積(SLA)系數(shù)計(jì)算中也證明,掛金燈酸漿比葉面積系數(shù)更大,說明其受光能力越弱,在相同生長環(huán)境中處于弱勢地位。葉片大小直接影響著植物對光的截取和對碳的獲取能力,引進(jìn)酸漿品種葉片更大說明其可以在生殖生長過程中獲得更多的優(yōu)勢和物質(zhì)累積,這也代表著可以為植株及果實(shí)爭取到更多的養(yǎng)分。

葉片受控于植物遺傳特性,其表型是植物遺傳變異和環(huán)境差異的共同反映。通過對變異系數(shù)(CV)計(jì)算表明,引進(jìn)酸漿品種遺傳變異系數(shù)為11.85,數(shù)值較小,而掛金燈酸漿遺傳變異系數(shù)為28.19,數(shù)值較大。在遺傳變異系數(shù)計(jì)算中,目前一般將變異系數(shù) ≥30的規(guī)定為高度變異,15≤Cv<30 的為中度變異,<15 的為低度變異。本次引進(jìn)酸漿品種來自吉林省果樹研究所,上述計(jì)算表明,雖為跨省引進(jìn),但遺傳變異系數(shù)仍處于低維度變異區(qū)間,說明試驗(yàn)材料基因型穩(wěn)定,組內(nèi)分化不明顯,并未因外部因子改變而出現(xiàn)環(huán)境飾變。掛金燈酸漿雖為本地野生品種,但對于遺傳系數(shù)計(jì)算證明其處于中度變異區(qū)間,說明其容易受環(huán)境影響而產(chǎn)生遺傳變異,組內(nèi)分化嚴(yán)重。植物表型的遺傳變異程度是植物適應(yīng)不同環(huán)境因子的外在表現(xiàn),掛金燈酸漿這一生物學(xué)特性也可以視為遺傳選育的先決條件,抑或是選育高產(chǎn)品種、新品種的遺傳途徑參考之一。