浙江省野生蠟梅花部形態變異及其與環境因子的相關性

杜會聰,蔣雅婷,田 敏,張 瑩,王彩霞

中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所,富陽 311400

1 材料與方法

1.1 研究地區自然概況

浙江省的野生蠟梅多生于避風、氣候溫和且濕潤的低山溝谷及山脊兩側。特殊生境及人工破壞性的砍伐，使得年代較久的蠟梅數量極少，直接影響了野生群落的自然演替。目前,主要分布在杭州富陽區胥口鎮的通天飛瀑風景區(TTFP)、洞橋鎮上林村龍王坎(LWK)、洞橋鎮石羊村碧東山(BDS)、萬市鎮白石村五尖山(WJS)和臨安市玲瓏鎮高山村方山境內(FS),其地理位置如表1所示。碧東山和龍王坎的蠟梅多沿陡峭的溪谷呈狹帶狀分布，主要分布在山坡的中部和谷底，立地環境惡劣，蠟梅為獲取足夠光照，向溪谷側斜向生長。通天飛瀑、方山和碧東山為常綠闊葉林，群落樹冠連續分布，呈波浪狀起伏，林相相對整齊，群落高度均在4.5—6.5 m，總郁閉度大約為90%，局部可達100%。伴生植物主要有：化香樹(PlatycaryastrobilaceaSieb.et Zucc.)、浙江楠(Phoebechekiangensis)、枇杷(Eriobotryajaponica)、桂花(Osmanthusfragrans)、紫楠(Phoebesheareri)、糙葉樹(Aphanantheaspera)、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、枳椇(Hoveniaacerba)、絡石(Trachelospermumjasminoides)、野菊(Dendranthemaindicum)等；五尖山分布區蠟梅數量較多且分布相對集中，該群落無喬木層，蠟梅是優勢種，其他灌木和草本較少，郁閉度低；龍王坎分布區上層有稀疏喬木層，灌木和草本植物受其影響呈稀疏分布，林分郁閉度相對偏中，伴生植物主要有：柏木(Cupressusfunebris)、化香樹、鹽膚木(Rhuschinensis)等。部分群落外貌有藤蔓交錯的現象，藤蔓植物主要有紫藤(Wisteriasinensis)、三葉木通(Akebiatrifoliata)、常春油麻藤(Mucunasempervirens)等，豐富的藤蔓植物客觀上對野生蠟梅的生長、演替和保護具有一定的積極意義。

表1 各種群的地理位置與生境概況

LWK:Longwangkan; BDS:Bidongshan; TTFP:Tongtianfeipu; WJS:Wujianshan; FS:Fangshan

1.2 形態特征測定

在蠟梅盛花期，在各居群內隨機選取9—15株生長正常、無嚴重缺陷和病蟲害的蠟梅。為了避免采樣株間的親緣關系[10]，株間距均在30 m以上。單株上隨機采取位于向陽方向枝條中部的5—10朵蠟梅花，分層置于較大體積的容器運回并立即測量各指標，防止運輸中擠壓和花萎縮對花型和各參數的影響。統計中被片數、內被片數、雄蕊數、雌蕊數和胚珠數，測定中被片長、內被片長、中被片寬、內被片寬、花冠直徑(花冠外輪直徑最大值)、花冠內徑(花冠內輪直徑最大值)、筒深、雄蕊長和雌蕊長，計算中被片長寬比和內被片長寬比，各指標均用精度為0.01 cm的電子游標卡尺測定，共16個形態指標。

1.3 土壤養分因子測定

在每一樣方內按照S型曲線選取取樣點，挖取根系附近距地表20 cm左右的土壤樣品,混合后自然風干、過篩備用。土壤pH值測定采用電位法，半微量凱氏法測定全氮含量，速效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀和Na離子采用火焰原子吸收法，鈣(Ca)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)和錳(Mn)等礦質元素的測定采用原子吸收光譜法。由國家林業局經濟林產品質量檢驗檢測中心(杭州)完成。各樣地土壤養分含量的測定結果見表2。

表2 浙江省蠟梅居群土壤養分特征

1.4 數據處理

使用Excel 2007、SPSS 20.0和SAS 11.5軟件包提供的有關程序進行統計分析，計算各指標的算術平均值、標準差和變異系數；通過變異系數衡量表型性狀及種群的變異水平；對各性狀及其與環境因子的相關性進行分析；主成分分析得出表型性狀對種群變異的貢獻率；最后進行Q型聚類(UPGMA法)和R型聚類分析[11- 12]。

巢式方差[13]分析蠟梅性狀變異的線性模型為

Yijk=μ+Pi+Ti(j)+e(ij)k，

式中,Yijk為第i群體第j個個體第k個觀測值，μ為總均值，Pi為第i個群體的效應值(固定)，Ti(j)為第i個群體內的第j個個體的效應值(隨機)，e(ij)k為試驗誤差。

以表型分化系數[14](Vst)反應群體間表型分化。

多洛肯,男，新疆霍城人，博士，教授，博士研究生導師，主要研究方向為古今少數民族漢文學、元明清文學古籍整理、元明清詩文。

變異系數計算公式：

CV(%)=S/x×100%

式中，CV為變異系數;S為標準差；x為平均值。

2 結果與分析

2.1 蠟梅居群花部的形態特征

野生蠟梅5個居群16個花部性狀變異的測定結果顯示(表3)：不同的花部性狀在群體間存在一定差異?；ü谥睆?、筒深、中被片長、內被片長和雌蕊長均以碧東山居群的數值最大，其中花徑、筒深、中被片長的數值極顯著高于其他4個居群；臨安方山居群的花冠直徑、花冠內徑、筒深、內被片長度和內被片長寬比數值最小，其中花冠直徑、花冠內徑和內被片長寬比的數值極顯著低于其他4個居群；數量形狀上，方山居群內被片數最多，雄蕊數、雌蕊數和胚珠數均值最??；通天飛瀑居群雌蕊數和胚珠數均值最大，中被片數和內被片數均值最小。在各居群間花冠直徑的均值差異最大，碧東山均值為25.0789 mm,臨安方山的均值為15.5073 mm；內被片個數、雄蕊長度、雌蕊數、雌蕊長度的均值在各居群間差異不顯著。

2.2 蠟梅花部性狀變異分析

變異系數可以反映蠟梅花部形態特征的變異程度，表3顯示花部各性狀間的變異程度各不相同，同一性狀在不同居群間變異程度也不同，如筒深在不同居群間變異系數差值較大，五尖山居群的變異系數為0.3615，而通天飛瀑居群的變異系數僅為0.1220；同一居群不同性狀變異系數也不相同，如通天飛瀑居群內胚珠數的變異系數是0.2396，而花冠內徑的變異系數僅為0.0771，差距較大。在居群間五尖山居群變異系數均值最大為0.1765，其他四個居群數值相近。5個居群的16個花部性狀中，變異系數均值從大到小依次為：胚珠數、內被片長度、筒深、雌蕊長度、雌蕊數、雄蕊長度、內被片長寬比、內被片寬度、花徑、雄蕊數、中被片寬度、中被片長度、中被片長寬比、內被片數、中被片數、花冠內徑(胚珠數的平均變異系數最大為0.2338，花冠內徑最小為0.1081)。通過變異系數的分析可知, 蠟梅花部各個性狀的變異程度在群體內和群體間有一定的差異，說明浙江省野生蠟梅有著豐富的形態變異。按巢式方差分析得到的各方差分量和表型分化系數可知：花部性狀表型分化系數(Vst)的變異幅度為1.57%—89.62%，其中花冠直徑、花冠內徑、筒深、中被片長、中被片長寬比、內被片長、內被片長寬比、雄蕊數的表型分化系數在50%以上，說明這些性狀在群體間的變異大于群體內變異，剩余與外界環境接觸較少的花部性狀的群體間變異小于種群內變異。16個性狀的平均表型分化系數為44.38%，說明蠟梅花部形態變異以群體內的變異為主。

2.3 蠟梅花部性狀的主成分分析

對蠟梅花部性狀的數據進行主成分分析(表4)表明：前3個主成分方差累計貢獻率為88.286%，可以代表原始性狀的絕大部分信息。第一主成分方差貢獻率為49.113%，起主導作用的性狀是花冠直徑、花冠內徑、花筒深度、中被片長、內被片長,主要反映了花部花型。第二主成分的方差貢獻率為22.981%，起主導作用的性狀是中被片數。第三主成分方差貢獻率是16.192%，起主導作用的性狀是胚珠。由此說明與花大小相關的性狀對變異起主要作用。

表3 浙江省5個蠟梅居群花部形態指標均值、變異系數及其顯著性情況

表4 蠟梅天然種群的主成分分析

2.4 相關性分析

2.4.1 花部性狀間的相關性分析

植物在生長過程中各個形態特征間存在一定聯系，相關性分析可以反映各性狀間的影響關系。對5個種群16個性狀相關性分析結果表明(表5)：野生蠟梅花部各性狀間呈一定的相關性，如中被片長與除中被片數和內被片數以外的其他性狀均呈極顯著相關關系，相關個數最多；內被片數與胚珠數有顯著相關關系，與其他性狀均無顯著關系，相關個數最少。性狀內部花冠直徑、花冠內徑、筒深、中被片長、中被片寬和內被片長這6個花外部性狀間相互存在顯著相關關系，其中花冠直徑和中被片長度極顯著相關(0.603)，說明這6個性狀間相互影響較大。數量性狀中雄蕊數、雌蕊數、胚珠數三者相互間為極顯著相關，中被片數和內被片數沒有與任何性狀呈極顯著相關關系。

2.4.2 花部性狀與地理-土壤因子間的相關性分析

對蠟梅16個花部性狀的均值與居群的地理-土壤養分因子進行相關性分析，結果(表6)表明：銅含量與花冠直徑、中被片數和中被片長寬比呈顯著正相關，相關系數分別為0.937、0.918和0.941；鐵含量與中被片長寬比呈顯著正相關(r=0.915)。鈣含量與胚珠數呈顯著正相關(r=0.907)。海拔與內被片數極顯著正相關(r=0.978)，與中被片數呈正相關，與其他性狀均為負相關關系，不顯著；中被片寬、內被片數、內被片寬與經度呈正相關，中被片數、中被片長寬比、內被片數和內被片寬與緯度呈正相關；其他性狀與經緯度呈負相關關系，均不顯著。多數性狀與土壤養分因子正相關，少數為負相關。計算大量元素、中量元素和微量元素與花性狀的相關系數均值分別為0.422、0.327、0.413，由此說明大量元素與花部性狀變異程度的相關性最大，微量元素次之，中量元素最弱。各環境因子對蠟梅花部表型性狀的影響程度有一定差異，按照相關系數均值從大到小依次為土壤pH值、鋅含量、磷含量、鈉含量、經度、氮含量、緯度、鐵含量、海拔、錳含量、鉀含量、鎂含量、銅含量、鈣含量。

表5 野生蠟梅花部性狀相關性分析

*:α=0.05水平上顯著；**: α=0.01水平上顯著

表6 蠟梅花部性狀與地理土壤因子的相關系數

2.5 聚類分析

基于16項花的性狀特征值對5個天然居群進行聚類分析，結果(圖1)顯示：在歐氏距離臨近10處可以把5個居群可以分為2組。通天飛瀑居群與五尖山居群在最短截取處聚類，然后分別再與龍王坎居群和臨安方山居群形成第一大組，第二組碧東山居群單獨一組，其中通天飛瀑、五尖山居群遺傳距離較小說明兩者間的分化程度最小，龍王坎居群與方山和通天飛瀑居群、五尖山居群遺傳距離相近，而碧東山與其他居群遺傳距離最遠，分化程度最大。

對蠟梅花部性狀的R型聚類分析可知(圖2)，在遺傳距離臨近15的位置可以將蠟梅花部性狀分為兩大類。第一類為花冠直徑、筒深、中被片長，包括了花外部形態相關的3大性狀；第二類為除去上述三個性狀的所有性狀。在遺傳距離5—10中間的位置則可以將蠟梅花部形狀分為4大類，上述第一類分為A、B兩類，A類包括中被片長、筒深，兩者決定著蠟梅的花瓣的伸展角度，能體現其花型；花冠直徑為一類為B類，花冠直徑也是蠟梅分類標準中特別重要的一個性狀。上述第二類分為C、D兩類，C類主要為花部營養性狀，其中包含中被片寬、內被片寬、中被片長寬比、內被片長寬比、雄蕊長、雌蕊長；D類主要為花部相關的數量性狀，其中包括花冠內徑、內被片長、中被片數、內被片數、雄蕊數、雌蕊數、胚珠數。

圖1 基于花部性狀分析結果的5個蠟梅居群UPGMA聚類圖

圖2 蠟梅花部形態特征性狀R型聚類分析圖

3 結論與討論

3.1 蠟梅花部形態變異的多樣性

表型性狀是植物基因型和所處生態環境的綜合體現[15]。對蠟梅5個居群花部性狀多樣性研究結果表明：碧東山居群的蠟梅花冠直徑和中被片長的均值分別為25.0789 mm和16.3609 mm，顯著大于國內其他野生居群[16-18]花冠直徑和中被片長度的數值(花徑和中被片最大均值分別為17.996 mm和14.056 mm[17])。由此說明浙江省野生蠟梅是優良的種質資源；各個居群內不同性狀的變異系數存在較大的差異，變異范圍是7.60%—36.15%，平均變異系數為15.03%，高于扇脈杓蘭(Cypripediumjaponicum)[19](CV=11.143%)表型性狀的平均變異系數，說明蠟梅存在豐富的遺傳變異。野生蠟梅種群間平均表型分化系數為44.38%，高于玫瑰(Rosarugosa)[20](29.52%)，低于張彩霞等[21]分析蠟梅群體8個性狀的平均表型分化系數，這表明蠟梅天然群體間花部表型分化系數較大，可能存在較高的群體內自交率，調研中也發現授粉昆蟲較少，這與蠟梅開花物候和生境海拔有關。與張彩霞等分析結果的差異可能是選取性狀不同所導致。蠟梅居群花部形態變異以居群內為主，對于一個物種遺傳結構來講，植物本身的繁殖方式起決定作用[22]。Hamrick等[23]也指出，異花授粉物種的遺傳變異主要發生在居群內，而自花授粉則相反。

3.2 野生蠟梅花部形態變異與環境因子關系

各環境因子與花性狀的相關系數的均值中pH的均值最大，土壤酸堿度是土壤中化學性質的綜合反映，土壤中各營養元素的轉化、釋放，鎂、鐵、鈣等微量元素的有效性，有機質的合成與分解以及微生物的活動都與土壤酸堿度有關[24]，且由土壤中養分因子和各性狀的相關性可知，對性狀形成絕對的支配作用需要多個養分因子甚至所有環境因子的綜合作用，土壤酸度與其他單獨的養分因子相比，綜合性更強，因此對花部性狀影響較大。花部性狀與土壤中大量元素氮、磷、鉀含量相關性最大，微量元素次之，中量元素最小，氮、磷、鉀作為大量元素是植物體內如核酸、蛋白質、葉綠素等重要化合物的組成成分，也是土壤易缺乏的元素，能直接或者間接影響植物的生長發育和代謝；蠟梅花部的部分性狀與土壤中的鈣、鐵和銅含量以及海拔有顯著相關性，由此說明這4個因子的差異是形成蠟梅花性狀多樣性的原因之一，李根有等[5]在調研中也認為蠟梅屬于喜鈣樹種。蠟梅花部各性狀與環境-土壤養分因子的224對相關性組合中僅有6組顯示有顯著相關性，而茶條槭(Acerginnala)[25]17個表型性狀與土壤中養分因子及地理坐標間有21組具有顯著的正負相關性。蠟梅各居群土壤中氮和鉀含量均值為235.17 mg/kg和90.98 mg/kg,均低于茶條槭(分別是388.08 mg/kg和113.8 mg/kg)和扇脈杓蘭[19](分別是524.33 mg/kg和178.00 mg/kg)。浙江省野生蠟梅各居群生境的土壤類型多為黑色石灰土，部分蠟梅生活在河谷兩側陡坡甚至極薄的土層或石縫間，陡坡坡度在50°—80°較多，生存環境惡劣，土壤貧瘠。物種間的差異可能是土壤肥力、環境的異質性或者植物本身營養成分需求差異導致，當土壤滿足植物生長所必需的營養成分時，物種各性狀之間的差異較小。鄧洪平[26]、李珊[9]、竇全麗[7]等分別進行了四川大頭茶(Gordoniaacuminata)、云南金錢槭(Dipteroniadyeriana)、縉云衛矛(Euonymuschloranthoides)等種實的表性性狀與土壤因子的相關性研究，證明了土壤因子對種實性狀變異有一定的影響。環境因子包括很多內容，例如土壤厚度、透光率和其他未測元素含量等，本研究只調查了14個相關因子，這也是本研究的不足。

3.3 野生蠟梅保護策略以及待解決問題

蠟梅花顏色獨特、芳香秀美，可提煉香精、入茶食用[27]，且蠟梅在杭州栽培歷史悠久[28]，是城市園林綠化中應用較多的樹種之一。作為華東唯一的野生蠟梅分布點，本地各居群遺傳多樣性水平較高，是蠟梅育種的重要基因資源。在野外調查發現該群落中的多數蠟梅正在經受病蟲害困擾，存在大量腐爛枯枝，嚴重影響蠟梅的著花座果。群落生境條件差，且種子萌發困難，5個居群中僅在方山居群發現一些實生苗。實生苗最高在50 cm左右，多數小實生苗受人為干擾和環境影響不能存活，對群落的穩定性有很大影響。針對當前情況，建議采取以下保護策略，第一，對經受病蟲害及生長勢衰弱的蠟梅進行調查研究，找出原因進行治療并修剪腐爛枯枝。對群落的演替進行一定的人為干涉，適當的疏伐，促進野生蠟梅的更新。第二，對蠟梅群落進行定期普查，蠟梅群落結構復雜，伴生種類繁多，結合蠟梅本身的適應性和人為干擾，建議至少2—3年對野生蠟梅資源進行普查，對其生長環境、生長勢、保護現狀進行監測。第三，建議在杭州富陽就近建立野生蠟梅基因庫，保證其遺傳多樣性的原始性，制定有序的開發利用方案，有效保護和合理利用野生資源。

在調研中發現五尖山、龍王坎居群野生蠟梅開花量較大，但座果率極低甚至不到5%，遠不及栽培蠟梅(70%左右)，野生蠟梅開花物候較栽培蠟梅晚1個月左右正處冬季較冷的時段，且生境海拔高、土壤養分貧瘠，冬季溫度低缺乏授粉昆蟲或其他原因，致使蠟梅花部變異退化所致，具體原因將會進一步進行研究。在方山居群調研中發現了單株全部雄蕊瓣化的蠟梅花，無前一年遺留的果實。另有單株花型奇特，盛花期花冠口呈閉合或略開不到5 mm左右的小口如花苞狀花型的蠟梅，這兩種特殊蠟梅在浙江其他居群或蠟梅相關報道中均未出現，有待進一步觀察研究。