湖北不同種源紅椿天然居群的種實表型變異

蔡京勇， 陳文學， 汪 洋， 付翠林， 鐘 雄

(1.湖北生態工程職業技術學院，湖北武漢 430200； 2.竹山縣林業局，湖北竹山 442200； 3.巴東縣野三關林業站，湖北巴東 444324)

遺傳多樣性是一個物種生存或者適應所生存環境和發展乃至于不斷進化提高的重要前提[1]，對于任何一個物種來說，面對不斷變化的生長環境、擴展分布及開拓新環境，就意味著其需要強大的適應力，所以該物種的遺傳多樣性就需要高豐富度[2]。引起物種表型變異正是遺傳多樣性的表現，其根源來自于多種內在及外在環境因子的影響。表型性狀即物種的數量性狀，受許多基因控制[3]。因此，基于表型性狀來研究物種的變異特征是一種有效的方法。從19世紀達爾文進化論誕生以來，研究遺傳多樣性最常見的技術方法就是通過測定植株的表型性狀來實現[4]。目前，對于植物表型變異的研究主要集中在2個方面，一是對于重要的經濟性狀，側重于遺傳分析，尋找具有優良性狀的遺傳材料，為遺傳改良奠定基礎。二是在生態上較重要的性狀，主要從地理環境上開展相關研究，注重探究物種的適應性[5-6]。

紅椿(ToonaciliataRoem.)為楝科(Meliaceae)香椿屬(Toona)落葉大喬木。紅椿材質優良，是珍貴用材樹種，具有很高的經濟價值[7]。紅椿已被列為國家Ⅱ級重點保護野生瀕危鄉土樹種。該樹種具有良好的開發利用前景，但自然資源稀少，遺傳資源尚不明確，且人為破壞嚴重。因此，紅椿種質資源保護迫在眉睫。保護的前提是了解其居群規模和遺傳背景[8]，根據其現存居群大小與遺傳多樣性水平進行針對性的科學保護[9]。

研究一個物種不同種源的表型變異，有助于全面準確地了解不同種源遺傳變異規律和種源內個體的形態變異，為優良種源的選育和種質創新提供理論依據[10]。種實是遺傳的集中點[11]，種實變異是遺傳變異的重要特征之一[12]。植物形態主要受遺傳控制，但在不同分布區也會由于適應不同生境而產生分化，其在大尺度上的變化格局通常與氣候及緯度梯度有關[13]。因此，從紅椿種實形態性狀來研究其表型遺傳變異，能在一定程度上地更好揭示其遺傳變異的大小，以及一定地理區域內，在氣候、經緯度梯度上的遺傳多樣性變化規律，對于紅椿種源選擇與評價，種質資源保護及利用具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

2013—2015年對湖北不同種源紅椿天然林種質資源進行全面調查。選取其中16個尺度合適的紅椿天然居群設立樣方，對樣方內所有喬木、灌木和草木進行每木檢尺。在前期研究基礎上，于2015年采集種實。由于紅椿結實存在大小年現象，在16個天然居群中，僅有8個居群結實良好，且基本覆蓋紅椿在湖北的天然分布范圍。其中利川堡上村居群、宣恩金盆村居群、宣恩大臥龍居群、咸豐村木田居群屬于鄂西南地區，谷城瑪瑙觀居群和竹山洪坪居群屬于鄂西北地區，黃石黃荊山居群和通山九宮山居群屬于鄂東南地區。采集種實的居群地理位置及生態因子見表1。

1.2 種實表型性狀選擇與測量

紅椿果實采集于果實成熟期(湖北地區因緯度差異從南到北為11月上旬至12月上旬)。不同居群的結實單株不等(利川堡上村2株、宣恩金盆村4株、宣恩大臥龍5株、咸豐村木田7株，通山九宮山5株、黃石黃荊山6株、竹山洪坪3株、谷城瑪瑙觀5株)，在8個居群37個不同單株上采集種實，每個單株上收集60個種實。各居群內取樣植株間距在35 m以上。盡量選擇朝南方向處于亞優勢地位，樹冠中部生長正常的，無嚴重缺陷，無明顯病蟲害的果實，以避免不同生長環境造成的統計差異。

表1 不同種源紅椿采樣群體的地理位置及生態因子

注：氣象數據來源于國家氣象信息中心，平均氣溫參考采種點附近氣象站的觀測數據計算獲得。其他數據采用ArcGIS 10.2從WorldClim全球數據庫(www.worldclim.org)提取相應氣候因子。

選擇相對穩定、易于獲得和測量的表型性狀進行分析，如果實質量、果實縱徑、果實橫徑、種子質量、種子縱徑和種子橫徑等。采集的果實經自然風干后，根據百粒四分法標準，每單株隨機抽取30個果實[6]，用電子游標卡尺(精度0.01 mm)測量每個果實的縱徑和橫徑，并用1/1 000電子天平分別稱取每個果實的質量(精度為0.01 g)，重復5次。果實性狀測后，剝離果殼，按照同樣方法分別測定種子縱徑、種子橫徑、種子厚度、單粒種子質量，重復5次。種實測量指標包括果縱徑、果橫徑、單果質量、單果種子數、單種質量、種縱徑、種橫徑、種厚度等，并計算果形指數(果縱徑/果橫徑)、果大小指數(果縱徑×果橫徑)、種形指數(種縱徑/種橫徑)、種大小指數(種縱徑×種橫徑)[6，14]。

1.3 統計分析方法

2 結果與分析

2.1 種實表型性狀居群間差異

由表2可知，不同居群間紅椿種實的12個指標均呈極顯著差異(P<0.01)，其差異顯著程度由大到小依次為果縱徑、果形指數、單種質量、果大小指數、單果質量、果橫徑、種縱徑、種大小指數、種形指數、種子數、種橫徑、種厚度，其中果縱徑、果形指數和單種質量是差異性較為突出的性狀。

表2 湖北不同居群間紅椿種實表型單因素方差分析

2.2 紅椿種實表型特征分析

從表3可以看出，不同居群內不同指標值變化范圍為 1.97%～18.86%。黃石居群變異系數平均值最大，竹山洪坪最小，可能與其地理區位或氣候條件有關。居群內各測量或形狀指標變異系數平均值均小于居群間，說明變異動力來源于不同種源的地理或環境因子。果形指數變異系數平均值最小，為3.504%，果形指數為果縱徑和果橫徑的比值，說明其果型變異幅度最小，較為穩定。單種質量變異系數平均值最大，為13.366%，單種質量保證種子結實質量，是種源選擇考慮的重要依據。

2.3 湖北不同種源紅椿種實的表型多樣性指數

由表4可知，8個居群種實表型Shannon-Wiener多樣性指數H變化范圍為1.161～1.305，Simpson多樣性指數D變化范圍為0.530～0.596，說明種群間存在一定的多樣性，其中通山九宮山居群Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson多樣性指數最高，宣恩大臥龍的Shannon-Wiener多樣性指數最低，竹山洪坪的Simpson多樣性指數最低。通山九宮山、黃石黃荊山和谷城瑪瑙觀的Shannon-Wiener多樣性指數和Simpson多樣性指數均呈現較高水平，變化趨勢整體表現為從西部到東部逐漸升高。說明湖北不同種源紅椿種實表型隨地理經度的升高，多樣性增大，變異相對豐富，地理變異趨勢較為明顯，這與居群間差異和表型特征分析結果基本一致。

表3 湖北紅椿8個居群種實表型性狀變異系數

表4 湖北紅椿8個居群種實表型多樣性指數

2.4 種實表型性狀間及其與地理環境相關性分析

表5可知，湖北紅椿居群間大多數種實表型性狀間顯著相關。果縱徑與果形指數、果大小指數、單果質量、單種質量、種縱徑、種形指數、種大小指數均存在極顯著正相關關系(P<0.01)，與果橫徑呈顯著相關關系(P<0.05)，與單果種子數、種橫徑、種厚度相關性不顯著。果橫徑與果大小指數、單果質量、單種質量呈極顯著相關關系(P<0.01)。果形指數與種縱徑、種形指數、種大小指數呈極顯著相關關系(P<0.01)。果大小指數與單果質量、單種質量、種大小指數呈極顯著相關關系(P<0.01)，與種縱徑呈顯著相關關系(P<0.05)。單果質量與單種質量呈極顯著相關關系(P<0.01)，與種縱徑、種形指數、種大小指數呈顯著相關(P<0.05)。

由表6可知，紅椿果縱徑、果橫徑、果大小指數、單果質量、單種質量與經度呈極顯著負相關關系(P<0.01)。果橫徑與海拔呈顯著正相關關系(P<0.05)。果縱徑、種縱徑、種橫徑與無霜期呈顯著正相關關系(P<0.05)，種大小指數與無霜期呈極顯著正相關關系(P<0.01)，說明無霜期對種實形狀的影響較大。年均無霜期與紅椿種質資源分布有密切關系，而年積溫(不是年平均溫度)效應影響紅椿種實的變異，同時影響紅椿地理種源的分布。

表5 湖北紅椿12個種實表型性狀間相關性

注：“*”表示不同表型性狀間呈顯著相關(P<0.05)；“**”表示不同表型性狀間呈極顯著相關(P<0.01)。

2.5 湖北不同種源紅椿居群分類

2.5.1 表型性狀間的主成分分析 提取累積貢獻率大于80%的前m個主成分，由表7可知，當m=2時，12個主成分累計貢獻率達83.301%(>80%)，說明前2個主成分可表征全部因子所代表信息，具有很高可信度。根據前2個主成分值，計算并作出主成分散點分析圖，由圖1可知，通山九宮山居群種實表型性狀明顯游離于其他居群之外。黃石黃荊山、竹山洪坪和通山九宮山居群均位于第3象限，與位于鄂西南居群和谷城瑪瑙觀居群離散較明顯。在湖北8個天然居群中，位于鄂東南居群與位于鄂西南的居群均保持較為獨立的變異連續性，呈現地理隔離模式。

表6 湖北紅椿種實表型性狀與地理環境因子間相關關系

注：“*”表示果型性狀與地理環境因子間呈顯著相關(P<0.05)，“**”表示果型性狀與地理環境因子間呈極顯著相關(P<0.01)。

表7 前2個主成分值、特征根、貢獻率和累計貢獻率

2.5.2 表型性狀間的聚類分析 采用非加權平均法(UPGMA)對湖北江椿8個天然居群種實進行聚類分析。由圖2可知，第1個節點為閾值δ=138.47，將谷城瑪瑙觀、通山九宮山、黃石黃荊山分為一個類群，利川堡上村、咸豐村木田、宣恩金盆村、宣恩大臥龍和竹山洪坪劃分為一個類群。第2個節點閾值δ=100.388，將通山九宮山分為一個類群，黃石黃荊山和谷城瑪瑙觀聚為一個類群。依次在低節點閾值δ=58.847 時，向下劃分，將咸豐村木田、宣恩金盆村、宣恩大臥龍和利川堡上村聚為一個類群，竹山洪坪居群單獨為一個類群。聚類分析結果與主成分分析結果基本一致。

2.5.3 表型性狀間遺傳距離與地理距離檢驗 湖北不同種源紅椿8個居群種實表型性狀的遺傳距離與地理距離經過Mantel檢測(表8)，R=0.783，P=0.002<0.01，說明各居群種實表型變異為顯著地理隔離模式，Mantel檢測相關關系散點分布見圖3。Mantel檢測表明，居群間種實表型變異為顯著地理隔離模式。

3 結論與討論

3.1 紅椿種實變異豐富性

種實表型性狀主要受遺傳因素控制，在不同地理分布區也會因適應不同的生境而產生多樣性[13]。這主要由于棲息環境條件差異較大，在長期的進化過程中，造成的地理隔離、生境片段化和基因交流不頻繁，都會促使一定表型變異的產生[21]。研究發現，不同紅椿居群間果縱徑、果形指數差異性較大。種實表型性狀在種群內的變異系數平均值為3.504%～13.366%，而居群間種實表型性狀變異系數為6.400%～31.355%，居群間的變異遠大于居群內部。果縱徑為最大性狀變異(P<0.01)(F=116.646)，其次為果形指數(F=106.106)、單果質量(F=74.750)、單種質量(F=82.339)，均達到極顯著差異(P<0.01)。表型多樣性指數表明，通山九宮山、黃石黃荊山、谷城瑪瑙觀多樣性指數整體偏高，地理變異趨勢明顯。由表型性狀與地理環境因子間的相關性分析可知，紅椿種子質量受地理空間經度變化影響較大，緯度、海拔變化對種實影響不大，但通過日照時數表現出影響，即隨緯度增大、海拔升高，單果質量下降。紅椿種實表型性狀與地理環境因子之間的相關性分析結果表明，種子質量受年積溫效應影響較為明顯，積溫相對較高的生長環境更適于種子質量的累積，這反映出紅椿強陽性的生物學特性。主成分分析和聚類分析結果表明，通山九宮山居群與黃石黃荊山居群遺傳距離較近，鄂西北地區的2個居群遺傳距離較近，鄂西南地區的4個居群遺傳距離較近，與地理方位一致，說明湖北不同種源紅椿居群種實表型變異為顯著地理隔離模式。

表8 不同居群紅椿種實遺傳距離與標準化地理距離

注：表中下三角數據為不同居群種實遺傳距離；上三角數據為標準化ln(x+1)地理距離。

3.2 紅椿遺傳育種展望

湖北不同種源紅椿種實表型特征的多樣性具有地理適應意義，其地理變異特征隨經度的變化而變化，與緯度無明顯相關性。果縱徑、果橫徑、單果質量、單種質量等主要性狀指標明顯隨經度增高而遞減，說明紅椿種實的變異與自然分布區內環境異質性有關。湖北為紅椿在亞熱帶自然分布的北緣地帶[22]，湖北境內環境異質性較大，中部跨越江漢平原，生態氣候類型差別較大，不同局部立地環境差異十分明顯。鄂西地區紅椿居群多處于自然保護區，地理環境、生物多樣性更為豐富。鄂中地區為平原和低山丘陵，居群自然分布受到阻隔。鄂東南分布區為低山區和低山丘陵，紅椿天然居群表型性狀與鄂西地區差異明顯。地理隔離造成生態類型的差異，使得紅椿不同地理區域居群間種實表型性狀自然變異豐富，對天然居群保持較高的遺傳多樣性是有利的。

表型變異是遺傳型和環境因子共同作用的結果，表型變異必然蘊藏著遺傳變異。表型變異越大，可能存在的遺傳變異越大[23]。地理隔離與自然選擇使得湖北不同種源紅椿產生了極其豐富多樣的地理種源變異，其改良前景很大。因此，在種源苗期試驗和造林試驗工作中，應該注重優良種源和優良個體選擇，這對于湖北地區紅椿種質資源的保護、評價和利用具有現實意義。