胡 盼,仲崇祿*,張 勇,姜清彬,陳 羽,陳 珍,KHONGSAK Pinyopusarerk
(1 中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所,廣州510520;2 澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織植物所,阿克頓2601,澳大利亞)
短枝木麻黃(Casuarina equisetifolia)為木麻黃 科(Casuarinaceae)木 麻 黃 屬(Casuarina),喬木[1-2]。天然分布主要位于澳大利亞的亞熱帶至熱帶的東北部沿海地區(qū),此外,馬來西亞、美拉尼西亞、米克羅尼西亞、菲律賓、波利尼西亞和泰國等也有天然分布[3-5]。木麻黃科植物生長迅速,萌芽力強,且其根系深廣,具有耐干旱、抗風沙和耐鹽堿的特性,是熱帶海岸地區(qū)防風固沙的先鋒樹種[6-7]。該樹種先后被中國、印度、越南等多國引種后,在防止臺風危害、海浪侵蝕及改良退化的丘陵地區(qū)土壤等過程中發(fā)揮著重要作用[8-9],其中短枝木麻黃是中國引種最早且目前栽培面積最大的木麻黃樹種[10-11]。
表型多樣性主要研究群體在其分布區(qū)內(nèi)各種環(huán)境下的表型變異,是遺傳多樣性及環(huán)境多樣性的綜合體現(xiàn)[12]。短枝木麻黃在其原生區(qū)之外得到了廣泛和長期的引種栽培,其引種區(qū)的遺傳結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化[13]。短枝木麻黃國際種源實驗表明,不同種源間以及種源內(nèi)不同家系間在生長量、生育期等 方 面 存 在 極 為 顯 著 的 遺 傳 差 異[14-15]。葉 功 富等[16]研究發(fā)現(xiàn),41個木麻黃種源間在各個生長和形態(tài)性狀上存在顯著或極顯著差異。
然而,目前已有的研究雖然對其種內(nèi)的遺傳多樣性進行了分析,但均是將原生區(qū)與引種次生區(qū)混合分析,未能分析其多樣性的來源,不能反映真實的遺傳多樣性水平。因此,本研究全面收集了短枝木麻黃種質(zhì)資源,并劃分出原生種源區(qū)和引種次生分布區(qū),以此進行短枝木麻黃苗期表型遺傳多樣性分析,目的在于揭示短枝木麻黃種群的遺傳多樣性水平和分化規(guī)律,為中國優(yōu)良短枝木麻黃種源選育和栽培提供理論依據(jù)。
本試驗設(shè)在惠安赤湖國有防護林場,位于福建省泉州市惠安縣崇武半島,地理位置118°55′E、24°35′N。屬于南亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫20.7 ℃,最高氣溫36.6 ℃,最低氣溫3.6 ℃,年蒸發(fā)量2 056.7mm,干濕季明顯,干旱頻度大,夏季多臺風,年平均5.1 次,秋冬盛行東北風,平均風速7.1m·s-1,年8級以上大風100d。試驗地設(shè)在林場場部苗圃,沙壤土,土層深厚,肥力中等,排灌一般,光照充足。
實驗材料由澳大利亞林木種子中心提供,共20個種源,各種源基本情況見表1。2013 年3 月25日,在赤湖國有防護林場進行播種育苗。播種時使用育苗盤,首先在盤中鋪1層報紙,然后鋪3cm 厚的細砂1層,將種子均勻撒播在細砂上面,最后覆蓋1層1cm 厚的木屑,并澆水。苗木出土后進行常規(guī)土壤和水分管理。6月26日移栽到塑料營養(yǎng)缽,每缽1株,營養(yǎng)缽規(guī)格為8cm×15cm,基質(zhì)為赤紅壤,肥力低,pH 4.5,速效N、P 和K 分別為72.4、1.8和37.4 mg·kg-1,全Cu、Zn 和Mn 分別為14.03、17.48和18.98μg·kg-1。試驗采用隨機完全區(qū)組設(shè)計,3次重復,每重復每種源30株。
2013年3 月初,進行千粒重測定,每個種源測定8次重復,每重復100粒種子,共測定19個種源(中國廣東種源種子較少,未測定千粒重)。2013年12月對7個幼苗性狀進行調(diào)查,包括苗高、地徑、一級側(cè)枝長度、一級側(cè)枝粗度、二級側(cè)枝長度、每小枝節(jié)數(shù)、齒葉數(shù)。每重復每個種源調(diào)查10株。
采用Excel 2007 和SPSS 16.0 進 行 數(shù) 據(jù) 整 理和統(tǒng)計分析。(1)方差分析和多重比較:以單株測定值參與各性狀巢式方差分析,線性模型為:Yijk=μ+τi+δ(i)j+ε(ij)k,式中,μ 為總體平均值,τi為區(qū)域間效應(yīng)值,δ(i)j為區(qū)域內(nèi)效應(yīng)值,ε(ij)k為機誤,Yijk為第i個區(qū)域中第j 種源第k 個觀測值。多重比較采用Duncan法。(2)表型變異系數(shù)計算:表型變異系數(shù)表示表型性狀的離散程度,以家系平均值參與變異系數(shù)(CV)計算。,式 中,S 為 標 準 差,x 為群體平均值。(3)表型分化系數(shù)計算:表型分化系數(shù)表示群體間變異占遺傳總變異的百分比,計算公式為,式中,σt2/s為群 體間方差分量,σs2為群體內(nèi)方差分量,Vst為表型分化系數(shù)。

表1 原生和次生短枝木麻黃種源信息Table 1 Provenances information of C.equisetifoliaresource
2.1.1 千粒重 巢式方差分析結(jié)果(圖1)表明,本試驗中短枝木麻黃種子千粒重在4個區(qū)域間差異極顯著,而且區(qū)域內(nèi)種源間也具有極顯著差異(P<0.01)。其中,4個區(qū)域千粒重平均值表現(xiàn)為:非洲引種次生區(qū)>亞洲原生種源區(qū)>亞洲引種次生區(qū)>大洋洲原生種源區(qū);種源千粒重變化范圍為0.59~1.75g,最大和最小值分別為越南哈南寧和中國福建種源,都來源于亞洲引種次生區(qū);而大洋洲和亞洲原生種源區(qū)內(nèi)種源千粒重的最大和最小值分別為北領(lǐng)地種源(1.39g)和湯加種源(0.81g)以及泰國拉廊種源(1.14g)和馬來西亞沙撈越種源(1.54g);非洲引種次生區(qū)的肯尼亞基利菲種源的千粒重在該區(qū)域內(nèi)最小,貝寧和毛里求斯種源的千粒重值一致,為該區(qū)域最大值(1.56g)。進一步相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),短枝木麻黃種子千粒重與其種源地經(jīng)度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系(r=-0.552*)。這就表明短枝木麻黃種子千粒重具有明顯的地理變異模式,具有隨經(jīng)度增大而降低的趨勢。
2.1.2 苗高和地徑 對收集于4個不同區(qū)域的20個短枝木麻黃種源1年生幼苗的苗高和地徑進行巢式方差分析,結(jié)果(圖1)表明苗高和地徑在不同區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)均存在極顯著差異(P<0.01)。其中,亞洲原生種源區(qū)的幼苗生長最好,種源苗高和地徑均值分別達到65.1cm 和3.88mm;亞洲引種次生種源區(qū)的幼苗生長次之,種源苗高和地徑均值分別為54.8cm 和3.81mm;大洋洲原生種源區(qū)的幼苗生長最差,種源苗高和地徑均值分別為41.2cm和3.13 mm。大洋洲原生種源區(qū)、亞洲原生種源區(qū)、亞洲引種次生區(qū)和非洲引種次生區(qū)區(qū)域內(nèi)種源間苗高的變異范圍分別為28.25~48.54、55.84~76.61、44.53~61.69cm 和36.42~60.20cm,而相應(yīng)地徑的變異范圍分別為2.58~3.67、3.50~4.64、3.42~4.40 和2.75~4.02 mm。參試種源中,亞洲原生種源泰國董里干東港來源幼苗生長最好,苗高和地徑分別達到76.6cm 和4.64 mm;亞洲原生種源馬來西亞沙撈越、泰國拉廊、泰國董里和亞洲引種次生種源印度奧里薩邦、印度泰米爾納德邦、越南哈南寧來源幼苗次之;大洋洲原生種源湯加Onetaka島來源幼苗生長最差,苗高和地徑分別為28.3cm 和2.58mm,僅分別為泰國董里干東港來源幼苗的37%和56%。
2.1.3 表型性狀 為了解不同區(qū)域和種源幼苗數(shù)量性狀的變異情況,對幼苗一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度、二級側(cè)枝長度、每小枝節(jié)數(shù)和齒葉數(shù)進行巢式方差分析,結(jié)果(表2)表明,5個性狀在不同區(qū)域間及區(qū)域內(nèi)種源間均存在極顯著差異(P<0.01),說明它們在不同區(qū)域以及區(qū)域內(nèi)種源間存在較大的變異。其中,大洋洲原生種源區(qū)、亞洲原生種源區(qū)、亞洲引種次生區(qū)和非洲引種次生區(qū)4個種源區(qū)的一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度、二級側(cè)枝長度、每小枝節(jié)數(shù)和齒葉數(shù)平均值變化范圍分別為0.84~1.14 mm、10.2~18.1cm、4.4~6.9cm、26~32個和6~8片。在參試種源中,亞洲原生種源區(qū)的泰國干東港種源(TH4)的一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度、每小枝節(jié)數(shù)和齒葉數(shù)均最大,分別達到1.35mm、21.1cm 和8片,分別較最小種源高71%、167%和33%。

圖1 短枝木麻黃不同區(qū)域/種源種子千粒重及幼苗苗高和地徑差異不同小寫字母表示種源間在0.05水平上差異顯著,種源代號同表1Fig.1 The difference of weight per 1 000seeds,height and ground diameter between regions and provenances of C.equisetifolia Different lowercases mean the significant difference between provenances at the 0.05level,provenance code are same as Table 1
2.2.1 方差分量及分化系數(shù) 短枝木麻黃各性狀分差分量分析結(jié)果如表3所示??傮w上,除地徑和每小枝節(jié)數(shù)以外,其他性狀均是區(qū)域間的方差分量占總變異的比重較大,區(qū)域內(nèi)種源間的方差分量占總變異的比重較小。其中,區(qū)域間的方差分量比重以齒葉數(shù)最大(59.00%),其次為一級側(cè)枝長度(45.45%),每小枝節(jié)數(shù)和地徑較?。ǚ謩e為12.10%和7.71%);區(qū)域內(nèi)種源間的方差分量比重以每小枝節(jié)數(shù)最大(37.43%),苗高次之(19.48%),其他性狀比較相近。除地徑和每小枝節(jié)數(shù)以外,其他性狀的表型分化系數(shù)均高于60%,其中齒葉數(shù)的表型分化系數(shù)最高(82.15%)。這說明不同分布區(qū)域的表型變異主要來源于區(qū)域間,并且區(qū)域內(nèi)種源間也具有較高的變異。
2.2.2 變異系數(shù) 變異系數(shù)表示性狀值離散性特征,變異系數(shù)越大,性狀值離散程度越大[17]。表4顯示,短枝木麻黃7個表型性狀在大洋洲原生種源區(qū)內(nèi)種源間差異均達到顯著水平(P<0.05);除地徑以外,其他6個性狀在亞洲引種次生區(qū)內(nèi)種源間的差異均達到顯著水平;在非洲引種次生區(qū)內(nèi),只有一級側(cè)枝粗度在種源間的差異不顯著,其他6個性狀均有顯著差異;在亞洲原生種源區(qū)內(nèi),只有一級側(cè)枝粗度、每小枝節(jié)數(shù)和齒葉數(shù)在種源間的差異達到顯著水平,其他4個性狀差異均不顯著。區(qū)域內(nèi)種源間7個性狀的平均變異系數(shù)范圍為9.7%~15.1%,4個種源區(qū)平均變異系數(shù)表現(xiàn)為:大洋洲原生種源區(qū)>非洲引種次生區(qū)>亞洲引種次生區(qū)>亞洲原生種源區(qū)。以上結(jié)果說明不同性狀的變異程度在種源間的分布不均衡,表明不同性狀對于同一環(huán)境影響的反應(yīng)是不同的,同時同一性狀在不同生境中的反應(yīng)亦是不同的,即環(huán)境因素對性狀的影響具有選擇性。
為了研究表型性狀與生長的關(guān)系以及不同的性狀如何作用于生長指標,將各表型性狀對苗高和地徑進行通徑分析,獲得各性狀的貢獻率。依據(jù)生物學意義構(gòu)建的各表型性狀對生長性狀的通徑關(guān)系(表5)顯示,在5個性狀中,一級側(cè)枝長度對苗高的作用最大,直接通徑系數(shù)為1.367;一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度和二級側(cè)枝長度對地徑的作用均較大,直接通徑系數(shù)分別為0.553、0.242 和0.464。各性狀對苗高和地徑的總作用以及相關(guān)系數(shù)(表5)顯示,一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度和二級側(cè)枝長度對苗高和地徑的總作用與相關(guān)系數(shù)相近,其中一級側(cè)枝粗度和二級側(cè)枝長度的直接作用很低,間接作用是相關(guān)的主要原因,所以對苗高沒有顯著作用,而一級側(cè)枝長度對苗高的直接作用是相關(guān)的主要原因;一級側(cè)枝粗度和二級側(cè)枝長度對地徑的直接作用較高,是與地徑相關(guān)的主要原因。因此,運用一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度和二級側(cè)枝長度進行生長預(yù)測是可行的。

表2 不同區(qū)域和種源短枝木麻黃表型性狀平均值及變異系數(shù)Table 2 Quantitative characters variation of C.equisetifoliafrom different regions and provenances

表3 短枝木麻黃4個區(qū)域數(shù)量性狀方差分量及分化系數(shù)Table 3 Variance components and differentiation coefficients of quantitative characters in four regions and provenances of C.equisetifolia

表4 短枝木麻黃數(shù)量性狀在區(qū)域內(nèi)種源間的變異系數(shù)Table 4 Variation coefficients of quantitative characters among the provenances in regions of C.equisetifolia

表5 各表型性狀對苗高和地徑的作用Table 5 The influence value of each character with height and ground diameter
大量研究表明群體遺傳多樣性水平和遺傳結(jié)構(gòu)受其分類地位、繁育系統(tǒng)、進化年齡、分布范圍、生活型等多種不同因素綜合作用[18-19]。如36個種源木荷(Schima superba)的苗高和地徑于種源間存在極顯著差異[20];46個25年生馬尾松(Pinus massoniana)自由授粉家系的生長、樹干圓滿度和木材基本密度皆存在顯著的家系差異[21];30個3年生白楊雜種無性系的樹高、胸徑、樹形、葉片等17個表型性狀差異極顯著[22]。短枝木麻黃分布極為廣泛,本研究通過對全面收集的20個種源1年生實生苗表型性狀進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)包括苗高、地徑、一級側(cè)枝粗度和一級側(cè)枝長度等在內(nèi)的7個表型性狀在區(qū)域間及區(qū)域內(nèi)種源間皆存在顯著差異,其中當年生幼苗苗高和地徑的種源變幅分別為28.3~76.6cm 和2.46~4.90mm,表明短枝木麻黃的多數(shù)表型性狀變異是遺傳和環(huán)境共同作用的結(jié)果。這一結(jié)果與另一廣泛引種的樹種印楝的研究結(jié)果一致,即印楝大多數(shù)表型性狀在氣候區(qū)間及種群間均存在顯著差異[19]。短枝木麻黃較大的表型變異可能為其生長發(fā)育提供更多的選擇潛力,具有更大的環(huán)境適應(yīng)能力,這就為我們有效開展優(yōu)良種源選擇和引種提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[23]。
按照收集地,可將20個種源劃分為大洋洲原生種源區(qū)、亞洲原生種源區(qū)、亞洲引種次生區(qū)和非洲引種次生區(qū)共4個區(qū)域。通過方差分析,除地徑和小枝節(jié)數(shù)以外,其他性狀均是區(qū)域間的方差分量占總變異的比重較大,而區(qū)域內(nèi)種源間的方差分量占總變異的比重較小。這表明短枝木麻黃當年生幼苗表型變異主要來自于不同分布區(qū)域間的變異,其次為區(qū)域內(nèi)種源間的變異。存在于區(qū)域間的變異是種內(nèi)遺傳多樣性的重要來源,反映的是地理或生殖隔離上的變異,分布于區(qū)域內(nèi)的變異真實地反映出群體在不同環(huán)境下的適應(yīng)狀態(tài),其大小在一定程度上說明該物種對不同環(huán)境適應(yīng)的廣泛程度,變異程度越高,適應(yīng)的環(huán)境越廣[24-26]。短枝木麻黃區(qū)域內(nèi)種源間變異程度由大到小依次為大洋洲原生種源區(qū)、非洲引種次生區(qū)、亞洲引種次生區(qū)和亞洲原生種源區(qū)。而羅美娟等通過RAPD 技術(shù)對11年生的4個短枝木麻黃種群的遺傳多樣性和群體遺傳結(jié)構(gòu)進行分析表明,短枝木麻黃具有較高的遺傳多樣性,且遺傳變異主要存在于群體內(nèi),種群的遺傳多樣性大小不一,由大到小依次為澳大利亞和太平洋地區(qū)的原生種群、引種于亞洲的次生種群、引種于非洲的次生種群、天然分布于東南亞的原生種群[27]。本研究中當年生幼苗表型分化結(jié)構(gòu)與11 年生大樹DNA 水平分化結(jié)構(gòu)不同,這可能是由于種源不同、實驗材料年齡不同等差異所致。但總體上,不同區(qū)域變異程度相似性結(jié)果較為一致,即大洋洲原生種源區(qū)與非洲引種次生區(qū)相近,亞洲原生種源區(qū)和亞洲引種次生區(qū)相近。
通徑分析可以簡明地剖析出相關(guān)性狀間的直接關(guān)系和間接關(guān)系,從而揭示性狀間的本質(zhì)聯(lián)系[28]。汪炳良等研究表明,一個與豆莢產(chǎn)量關(guān)系密切的性狀,其對單株豆莢產(chǎn)量的效應(yīng)總是由于存在一個或多個負向的間接通徑系數(shù)而被削弱,從而掩蓋了該性狀對單株豆莢產(chǎn)量的遺傳效應(yīng)[29]。朱景樂等通過通徑分析,發(fā)現(xiàn)纖維特性指標與木材密度、生長量與木材密度間均沒有通徑鏈,表明木材密度與纖維特性、木材密度與生長量間是相互獨立的,為日本落葉松生長和材性的聯(lián)合改良提供了依據(jù)[30]。另外,通徑分析不僅可以得知自變量、因變量間的相互關(guān)系,同時也能得到自變量對因變量的影響程度[31]。本研究的通徑分析和相關(guān)分析表明,短枝木麻黃一級側(cè)枝粗度、一級側(cè)枝長度和二級側(cè)枝長度對苗高和地徑的總作用與相關(guān)系數(shù)相近,其中僅一級側(cè)枝長度對苗高的控制作用較強,一級側(cè)枝粗度和二級側(cè)枝長度對地徑的控制作用較強。因此,在開展以生長量為目標的短枝木麻黃改良研究時,可將一級側(cè)枝長度、一級側(cè)枝粗度和二級側(cè)枝長度作為優(yōu)良新品種篩選的參考因子。
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