紫楠天然種群表型變異特征

摘要：[目的]揭示紫楠天然種群的表型變異程度及規(guī)律。[方法]以其分布區(qū)內(nèi)20個種群為研究對象，運用巢式方差分析等方法，對紫楠11個表型性狀及其與地理生態(tài)因子的相關(guān)性進行系統(tǒng)研究。[結(jié)果]紫楠11個表型性狀在種群間和種群內(nèi)均存在極顯著差異，其變異系數(shù)為8.54%～43.75%，均值為20.83%，且6個葉片性狀的平均變異系數(shù)（26.27%）高于5個種子性狀（14.31%），即種子比葉片具有更大的遺傳穩(wěn)定性；紫楠種群間的變異（50.44%）高于種群內(nèi)的變異（23.42%），平均表型分化系數(shù)為66.46%，種群間變異是紫楠表型變異的主要來源。在調(diào)查分布范圍內(nèi)，葉片隨海拔升高而變小，呈由西向東逐漸變寬的趨勢，而種子大小則表現(xiàn)為由東北向西南逐漸變大的趨勢。依據(jù)葉片和種子性狀可將20個種群聚為三大類群，基本可代表紫楠在不同分布區(qū)域的表型特征。[結(jié)論]紫楠11個表型性狀在種群間和種群內(nèi)均存在極顯著差異，以種群間變異為主。葉片的平均變異系數(shù)高于種子，呈由西向東逐漸變寬趨勢，種子則呈由東北向西南逐漸變大的趨勢。聚類分析將20個紫楠天然種群依地理位置分為三大類。

關(guān)鍵詞：紫楠；葉片性狀；種子特性；表型分化；聚類分析

中圖分類號：S718.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2024）05-0169-09

遺傳多樣性是構(gòu)成生物多樣性的基本要素，在探究物種起源、預(yù)測種源適應(yīng)性以及評估基因資源分布等方面具有至關(guān)重要的意義。研究遺傳多樣性的主要手段是通過使用不同類型的遺傳標(biāo)記。植物表型是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果，研究種群在其分布區(qū)內(nèi)不同環(huán)境下的表型變異，是生物系統(tǒng)學(xué)和生物多樣性中的重要研究領(lǐng)域。通過較為穩(wěn)定的遺傳性狀研究表型變異是簡便且直接的方法，可以揭示植物種群的變異程度與遺傳結(jié)構(gòu)。目前，美國白皮松（Pinus a/bicau/is Engelm．）、卡西亞松（Pinus kesiya Royle ex．Gordon）和岷江柏（Cupressus chengiana S．Y．Hu）等針葉樹種，以及西南樺（Betula alnoides Buch.Ham. ex D．Don）、無患子（Sapindus mukorossiL．）112）和五角楓（Acer mono Maxim.）等闊葉樹種的表型性狀變異研究發(fā)現(xiàn)表型變異程度在其種群間及種群內(nèi)均較高，為各樹種遺傳資源的保護與利用提供了重要參考。

紫楠（Phoebe sheareri （Hemsl.） Gamble）為樟科（Lauraceae）楠屬（Phoebe）我國特有的珍貴常綠闊葉樹種，其木材堅硬、紋理美觀，是商品材“金絲楠木”的原植物種之一。紫楠喜生于氣候溫暖、濕潤的環(huán)境，常見于1000 m以下的山地溪邊闊葉林，自然分布于浙江、江蘇、安徽、湖南、江西等?。▍^(qū)）。然而，因氣候變遷，過度采伐，及其自然更新能力弱等原因，紫楠天然資源日益減少。現(xiàn)存較大面積的天然群落較少，種質(zhì)資源分布與結(jié)構(gòu)均不明確。

近年來楠屬植物的表型性狀變異研究集中在楨楠（Phoebe zhennanS.Lee et F.N.Wei）、浙江楠（Phoebe chekiangensis C．B．Shang）及閩楠（Phoebe bournei （Hemsl.） Yen C.Yang）。然而，對紫楠的研究主要在幼苗生長、木材結(jié)構(gòu)、精油成件和葉綠體基因組等方面，作為植物生物學(xué)研究基礎(chǔ)的表型多樣性和地理變異規(guī)律還未見報道，不利于開展紫楠人工林營造的良種選育工作。為此，本研究在全面調(diào)查紫楠野生資源的基礎(chǔ)上，測定了20個天然種群的葉片和種子共11個表型性狀，運用方差分析、相關(guān)性分析等方法，揭示紫楠表型在種群間和種群內(nèi)的變異程度，分析表型變異與地理生態(tài)因子之間的關(guān)系，為紫楠天然種群的區(qū)劃、種質(zhì)資源的保護與利用、遺傳改良工作的開展提供科學(xué)理論依據(jù)，也為進一步研究紫楠這一珍貴樹種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣地選擇和材料采集

選擇在生境條件和種群大小等方面具有一定代表性的紫楠天然種群進行采樣（表1）。每個種群選取至少20株生長良好、樹齡相近、長勢一致且無病蟲害的成年植株采集葉片和種子，采樣株間距大于30 m。采用GPS記錄各樣地的經(jīng)緯度及海拔，測定坡度與群落林分郁閉度，并查閱各種群所在地的年日照時長、年均溫和年降水量等氣象因子。

1.2 研究方法

以葉片和種子共11個性狀作為紫楠表型變異研究的指標(biāo)。共采集了20個種群的477個單株，每個單株隨機選取30片發(fā)育成熟、完整無損葉片，利用手持活體葉面積測量儀測量葉片長與寬、葉面積，計算葉片長寬比（形態(tài)指標(biāo)），并測定葉片的側(cè)脈數(shù)和葉柄長。同時采集各單株飽滿新鮮成熟果實，去皮處理并陰干。隨機取30粒陰干后的種子用游標(biāo)卡尺測量種子長、寬（測量精度為0.01 mm）并計算種子長寬比；每株植株隨機選取100粒種子，稱質(zhì)量后換算成千粒質(zhì)量，重復(fù)3次；利用排水法測定100粒測完百粒質(zhì)量后的種子的體積，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用巢式方差分析紫楠1 1個表型性狀在種群間和種群內(nèi)的差異顯著性，線性模型為：Yijn=μ+αi+βj（i）+εijn，其中，yijn表示第i個種群的第j個個體的第n個觀測值，μ為總體平均值，αi表示第i個種群的效應(yīng)值，βj（i）為第i個種群內(nèi)第j個個體的效應(yīng)值，εijn為第ijn個觀測值的誤差。結(jié)果進行鄧肯多重比較，分別計算各性狀的平均值（X）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）、變異系數(shù)（CV=SD/X）。表型分化系數(shù)Vst=δ2t/s／（δ2t/s+δ2s），其中δ2t/s為種群間方差值，δ2s為種群內(nèi)方差值。同時，進行主成分分析、Pearson相關(guān)性分析、逐步回歸分析及UPGMA聚類分析。應(yīng)用Excel 2007與SPSS19.0進行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種群間和種群內(nèi)的表型變異

紫楠葉片和種子表型性狀變異的方差分析結(jié)果表明：11個性狀在種群間和種群內(nèi)均存在豐富的變異且差異極顯著（p＜0.01）。葉片最長的為ZJS種群（17.45 cm），顯著長于除ZJB外的其它18個種群，且長寬比（3.38）也顯著高于其它種群；ZJB種群的葉片寬（8.66 cm）和葉面積（95.37 cm2）均顯著大于其它種群；而XS種群葉片寬（4.18 cm）和葉面積（29.46 cm2）最小，其中，葉面積僅為ZJB種群的30.9%。葉柄長最大的為SC（2.01 cm），最小的為ZJS （0.99cm）。葉片側(cè)脈數(shù)最多的為CH種群（21.11條），且顯著多于其它19個種群。種子最長的為ZY種群（10.77 mm），顯著高于其他種群；種子最寬的為LS種群，顯著大于與除ZY和ZJS外的其它17個種群。種子長寬比最大和最小的分別為CH（1.56）和ZJS（1.26）；LS的單粒種子體積（0.315 1 cm3）與千粒質(zhì)量（328.35 g）均最大，而最小的均為CH種群（表2）。

2.2 表型性狀變異特征

紫楠11個表型性狀在種群內(nèi)個體間的平均變異系數(shù)為20.83%，變異幅度為8.54%～43.75%（表3）。葉片長和寬、葉面積、葉長寬比、葉柄長及單粒種子體積的變異系數(shù)均大于總平均變異系數(shù)（20.83%），其中葉面積的變異系數(shù)高達43.75%。而葉片側(cè)脈數(shù)、種子長和寬及長寬比的變異系數(shù)均遠小于20.83%；種子千粒質(zhì)量變異系數(shù)（19.06%）接近20.83%。6個葉片性狀的平均變異系數(shù)（26.27%）遠高于5個種子性狀（14.31%）。不同種群的平均變異系數(shù)中，最高為XH種群（13.71%），最低為ZJS種群（8.49%）。

2.3 表型性狀在種群間的分化

采用巢式方差分析對紫楠種群間和種群內(nèi)的表型性狀變異分析表明11個表型性狀在種群間平均方差分量百分比為50.44%，種群內(nèi)為23.42%，隨機誤差為26.14%（表4）。不同性狀的分化程度相差很大，其表型分化系數(shù)變異幅度為39.73%～89.40%，6個葉片性狀的表型分化系數(shù)均值（64.83%），略低于5個種子性狀（68.41%），11個表型性狀在種群間的平均表型分化系數(shù)為66.46%，種群內(nèi)的貢獻僅為33.54%，說明紫楠葉片和種子性狀的表型變異以種群間變異為主。

2.4 表型性狀主成分分析

對11個指標(biāo)進行主成分分析，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，前4個主成分的累積貢獻率為81.12%。其中，第1主成分的貢獻率為37.16%，特征值為4.087，主要反映種子長、千粒質(zhì)量、種子寬等種子特性；第2主成分的貢獻率為19.12%，特征值為2.103，主要反映葉片長、葉面積、葉片長寬比等葉片特性；第3主成分的貢獻率為13.18%，特征值為1.450，仍然主要反映葉柄長、葉片長寬比、葉片寬等葉片特性；第4主成分的貢獻率為11.66%，特征值為1.282，主要反映種子長寬比、種子長、種子寬等種子特性。

2.5 表型性狀與地理生態(tài)因子的相關(guān)性

紫楠種群表型性狀與采樣地生態(tài)因子間相關(guān)分析結(jié)果表明（表5），葉片長、寬及葉面積與海拔均呈顯著負(fù)相關(guān)；葉片寬、葉柄長及側(cè)脈數(shù)與經(jīng)度、日照時間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，且側(cè)脈數(shù)與緯度也呈顯著正相關(guān)。種子長、寬、體積與經(jīng)、緯度均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，且種子千粒質(zhì)量與經(jīng)度也呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明紫楠種子在其分布區(qū)內(nèi)呈由東北向西南顆粒逐漸變大的變異規(guī)律。而葉片、種子性狀與其它地理生態(tài)因子間的相關(guān)性均未達到顯著水平。

對紫楠表型性狀與地理生態(tài)因子進行逐步回歸分析，結(jié)果表明，紫楠的11個表型性狀中，葉片長主要受海拔、日照時長和郁閉度的影響，這3個因子分別解釋了15.6%、22.4%和13.4%的變異；經(jīng)度（61.2%）、海拔（21.6%）則分別是解釋葉片寬、葉面積變異的唯一因子；葉片長寬比主要受海拔、日照時長的影響，這2個因子分別解釋了23.7%、35.1%的變異；側(cè)脈數(shù)變異主要受經(jīng)度（24.8%）、海拔（18.3%）的影響。緯度（34.0%）是解釋種子長變異的唯一原因；種子寬則主要受經(jīng)度、年均溫的影響，這2個因子分別解釋了22.6%、15.7%的變異；并且經(jīng)度、年均溫也是影響種子體積、千粒質(zhì)量變異的主要原因。地理生態(tài)因子對其余2個性狀變異的影響不顯著而未能生成模型。

2.6 基于11個表型性狀的種群聚類分

對20個紫楠種群進行UPGMA聚類分析，以平均歐式距離10 cm為閾值，分為三大類（圖1）。第一大類包含QY、LC、SC、SY和NH，都為分布區(qū)內(nèi)中南部以及東部的5個種群，海拔、日照和年降水等指標(biāo)均較高，其葉片長和葉面積分別小于20個種群的平均值12.18 cm和49.17 cm2；第二大類包含LJ、THY、TMS、CH、CA、LHT、ZJB、XH和ZJS，都為分布區(qū)內(nèi)東北部的9個種群，經(jīng)、緯度和年均溫指標(biāo)均較高，其葉片長和寬的均值分別為13.99 cm和7.19 cm，都大于20個種群的平均值，而種子長和寬的均值分別為8.44 mm和6.01 mm，都小于20個種群的平均值；第三大類包含F(xiàn)JS、ZJ、XN、ZY、LS和XS，都為分布區(qū)內(nèi)西部及西南部的6個種群，海拔高，日照和經(jīng)、緯度等指標(biāo)較低，其葉片寬都小于20個種群的平均值，而種子長除XS種群外都大于20個種群的平均值，種子寬都大于20個種群的平均值。

3 討論

3.1 紫楠天然種群的表型多樣性

通過對紫楠20個天然種群的葉片和種子性狀的研究發(fā)現(xiàn)，11個表型性狀在種群間和種群內(nèi)均存在極顯著差異，與浙江楠、閩楠、西南樺、五角楓等闊葉樹種的研究結(jié)果基本一致，這是物種基因型和環(huán)境互作的結(jié)果。紫楠11個表型性狀的平均變異系數(shù)為20.83%，變異幅度為8.54%～43.75%，高于浙江楠葉片和種子的10個性狀變異（16.99%），閩楠葉片和種子的10個性狀變異（12.12%），潤楠屬（Machilus）紅楠（Machilus thunbergii Sieb. et Zucc.）葉片、果實和種子的8個性狀變異（15.40%）以及木姜子屬（Litsea）山蒼子（Litsea cubeba（Lour）Pers.）葉片、果實和種子的10個性狀變異（1 4.03%），這可能與紫楠天然種群的分布范圍大有關(guān)，本研究中20個采樣地的地理環(huán)境差異大，導(dǎo)致了紫楠在長期自然選擇中積累了豐富的遺傳變異，表現(xiàn)出葉片和種子表型的豐富變異，這與一些廣布性樹種，如無患子、皂莢（Gleditsiasinensis Lam.）和青錢柳（Cyclocarya paliurus（Batal.） ll jinsk.）等研究結(jié)果一致。紫楠葉片6個性狀的平均變異系數(shù)（26.27%）高于種子5個性狀（14.31%），這可能由于種子是紫楠遺傳物質(zhì)的載體，變異相對較小，穩(wěn)定性較高，所受環(huán)境影響較小，這與浙江楠的研究結(jié)果一致；而紫楠葉片受環(huán)境影響較大，變異程度較高，與植物的環(huán)境適應(yīng)能力密切相關(guān)，且葉片性狀在楠屬種間也具明顯差異，因此葉片常被作為劃分楠木類樹種的重要依據(jù)。

3.2 紫楠表型性狀的變異來源

紫楠天然種群間平均表型分化系數(shù)為66.46%，遠高于種群內(nèi)，說明紫楠表型變異以種群間變異為主，這與白花樹（Styrax tonkinensis Pierre Craibex Hartw.）（59.08%）和無患子（62.21%）等分布較廣的樹種研究結(jié)果一致，而高于浙江楠（41.43%）和野生玫瑰（Rosa rugosa Thunb．）（29.52%）等現(xiàn)有分布區(qū)較窄的物種，同時，也高于川西云杉（Picea balfouriana Hillier exSlavin）（6.53%）和云南松（Pinus yunnanensisFranch.）（25.28%）等針葉樹種。研究表明，種群間的變異程度不僅能反映地理和生殖隔離的差異，并且體現(xiàn)了植物對不同環(huán)境的適應(yīng)能力，表型分化系數(shù)值越大，適應(yīng)環(huán)境的能力越強，則分布越廣。雖然紫楠為異花授粉植物，但該樹種保存植株總量不多，且天然種群分布不連續(xù)，花粉傳播難以實現(xiàn)，由此產(chǎn)生了種群間的遺傳分化。此外，紫楠種子傳播距離也十分有限，且種子萌發(fā)、幼苗生長對生態(tài)條件的要求較高，這也促進了種群間的遺傳分化。

3.3 紫楠天然種群的表型地理變異規(guī)律

植物表型的地理變異規(guī)律比較復(fù)雜，且因種而異。逐步回歸結(jié)果顯示海拔、經(jīng)度、日照時間是影響紫楠葉片性狀變異的主要因子，其中葉片長、寬及葉面積與海拔均呈顯著負(fù)相關(guān)，表明葉片隨海拔升高而變小，這與清涼峰不同海拔闊葉樹種葉片大小的結(jié)果相一致；葉片寬、葉柄長及側(cè)脈數(shù)與經(jīng)度、日照時間均呈顯著或極顯著正相關(guān)，說明紫楠葉片呈由西向東逐漸變寬、葉柄變長及側(cè)脈數(shù)增多的趨勢。經(jīng)、緯度、溫度則是影響紫楠種子性狀變異的主要因子，其中，種子長、寬與經(jīng)度、緯度均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，同時單粒種子體積、千粒質(zhì)量與經(jīng)度也呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明紫楠種子顆粒在其分布區(qū)內(nèi)呈由東北向西南逐漸變大的地理變異規(guī)律；然而，各性狀都未呈現(xiàn)與降水、坡度等因子的顯著相關(guān)性，造成紫楠表型地理變異規(guī)律的真正原因還有待于進一步研究。聚類分析結(jié)果顯示20個紫楠天然種群基本依據(jù)地理位置而聚為三大類。第一大類的5個種群位于分布區(qū)內(nèi)的中南部以及東部，其葉片長和葉面積均小于20個種群的平均值；第二大類的9個種群位于分布區(qū)內(nèi)東北部，其葉片長和寬的均值分別為13.99 cm和7.19 cm，都大于20個種群的平均值，而種子長和寬的均值分別為8.44 mm和6.01 mm，都小于20個種群的平均值；第三大類的6個種群位于分布區(qū)內(nèi)的西部及西南部，其葉片寬都小于20個種群的平均值，而種子長除XS種群外都大于20個種群的平均值，種子寬都大于20個種群的平均值。聚類結(jié)果進一步驗證了表型性狀與地理因子之間的相關(guān)性。

3.4 紫楠天然種群的保護策略

紫楠在自然環(huán)境改變以及人為干擾下，現(xiàn)存天然種群面積日益減少且資源分散程度嚴(yán)重。因此，我們亟需制定合理的保護和育種策略來確保紫楠天然資源得到有效保護，現(xiàn)由本研究結(jié)果提出以下措施：（1）各地政府應(yīng)切實加強對紫楠現(xiàn)存資源的就地保護，在分布較集中的地區(qū)建立重點保護區(qū)，盡可能最大限度保存野生珍貴資源；對破壞較嚴(yán)重的種群（如SY、XN等）進行適度人工干預(yù)，設(shè)立專門的機構(gòu)，以優(yōu)先保護和引種表型變異豐富、遺傳多樣性高的種群（如XH、LHT等），促進種群自然更新；（2）紫楠表型變異有66.46%來自于種群間，33.54%來自于種群內(nèi)，充分考慮種群間和種群內(nèi)的變異情況，在對全部種群進行保護的基礎(chǔ)上，篩選出具有優(yōu)異特征的種群，并進一步挑選種群內(nèi)具有杰出表現(xiàn)的個體，應(yīng)用嫁接、體胚等無性快繁技術(shù)，建立優(yōu)良種質(zhì)資源保存庫，同時營建母樹林或種子園，以滿足紫楠人工林發(fā)展的用種需求，不斷擴大基因資源；（3）開展種群生態(tài)學(xué)與分子遺傳學(xué)等研究，了解紫楠種群遺傳結(jié)構(gòu)及其瀕危成因，確定特定的保護區(qū)域，并制定相應(yīng)的科學(xué)保護方案。

4 結(jié)論

紫楠11個表型性狀在種群間和種群內(nèi)均存在極顯著差異，且葉片的平均變異系數(shù)高于種子。紫楠表型變異以種群間變異為主。葉片隨海拔升高而變小，呈由西向東逐漸變寬、葉柄變長及側(cè)脈數(shù)增多的趨勢，種子則呈由東北向西南逐漸變大的趨勢。聚類分析將20個紫楠天然種群依據(jù)地理位置分為三大類，進一步驗證了表型性狀與地理因子之間的相關(guān)性。

（責(zé)任編輯：張研）

基金項目：麗水市珍稀用材樹種資源保育與利用（H20230153）；浙江省農(nóng)業(yè)新品種選育重大專項（2021C2070-10）