不同地理唐古特白刺家系花粉形態多樣性研究

李超群,李 毅,張詠梅,陳君嬋,李 蒙,蘆 倩

(1.甘肅農業大學 林學院,蘭州 730070;2.甘肅農業大學研究測試中心,蘭州 730070)

白刺是古老的第三紀孑遺植物[1],由于在獨立成科的問題上一直存在爭論[2],目前,分類學上普遍認同白刺屬于蒺藜科白刺屬(ZygophyllceaeNitraria)。在世界范圍內白刺屬被劃分為11種或13種,但絕大部分學者認為有12種[3-6],在中國分布有8種,其中,唐古特白刺為中國特有種[7]。

花粉是植物開啟一生的關鍵因素之一,攜帶著大量的遺傳信息。其表面紋飾精巧,形態特殊,構造奇特,在隨著環境的變化發展中,具有穩定的遺傳保留性和呈現性[8-9]。因此,植物花粉的外部特征是分類學的重要指標之一,對植物物種和品種的鑒定具有十分重要的意義[10]。潘曉玲等[2]依據果實和葉片性狀對白刺屬植物進行了分類,制作了分種檢索表,卻未考慮到花粉和種子等性狀具有較高的遺傳穩定性。目前,關于白刺花粉研究的文獻較少。席以珍等[1]利用白刺屬化石花粉與現代花粉進行了對比研究,明確了白刺花粉形態的進化方向;努爾巴衣·阿布都沙力克等[11]利用臘葉標本對蒺藜科5屬11種植物花粉的形態進行了研究,結果表明花粉表型性狀是可以作為區分5個屬之間的重要依據,并且支持白刺屬升為白刺科;張曉明等[12]在內蒙古收集白刺屬花粉,制作標本后進行觀察研究,發現不同種之間存在差異,而且白刺屬植物可能正處于進化過程中的分化階段。唐古特白刺(Nitrariatangutorum)花粉的研究水平仍停留在白刺屬或種間,而對這一特有種的花粉未見詳細研究報道。相關文獻[10,13-15]證明植物在種間與種內均有不同程度的遺傳多樣性,而同一植物個體產生不同的花粉形態有利于植物的進化,對此,研究唐古特白刺種內花粉多樣性對于遺傳育種具有重要意義。甘肅地處青藏高原、黃土高原、蒙新高原和西秦嶺山地的交匯地帶,境內地形地貌復雜、氣候多變[16],尤其是地處青藏高原向蒙新荒漠過渡的甘肅省河西走廊,大部分地區屬于中國中度和重度生態環境脆弱區,白刺屬植物資源分布非常充足,可以提供豐富多樣的試驗材料。前人的試驗材料均來自標本,而標本花粉與自然狀態下的花粉存在明顯的差異[17]。本研究選用甘肅省不同地理的6個唐古特白刺家系花粉,采用冷凍干燥的方法,旨在發現唐古特白刺不同家系間花粉形態的變異,從種內角度研究其花粉的遺傳多樣性。

1 材料與方法

1.1 材料收集

唐古特白刺試驗林位于甘肅省蘭州新區中川鎮倒水塘村(36°30′N,103°37′E),黃土高原的西北部,海拔1 947.2 m,年降水量328 mm,1月平均氣溫為-6.9 ℃,7月平均氣溫為22.2 ℃,屬于溫帶半干旱大陸性氣候,土壤均為堿性砂壤。試驗林由2011年收集的來自甘肅省武威、張掖和酒泉等地區的唐古特白刺自然群落的種子,建植成林。2020年6月20日選擇處于盛花期的、生長健壯的唐古特白刺家系(表1),每個家系隨機選擇3個單株收集新鮮花粉,低溫保存帶回實驗室。

表1 唐古特白刺家系的概況

1.2 預處理

將采集的新鮮花粉放入5 mL離心管中,將離心管蓋剪掉,用封口紙將管口封實,然后用小針在封口紙上留下4～6個小孔,冷凍干燥12 h。

1.3 掃描電鏡觀察花粉形態

取出預處理后的離心管于干燥器中恢復至室溫,將花粉均勻粘貼在雙面導電膠上。離子濺射儀進行噴金(Pt)1.5 min。然后在掃描電子顯微鏡(HITACHI S-3400N,日本)下觀察花粉的表面形態,鏡下挑選30粒清晰花粉粒進行拍照,利用Photoshop測量花粉粒極軸長和赤道軸長等數據并記錄。

1.4 數據統計與分析

利用Excel 2019軟件統計花粉測量數據,在此基礎上利用SPSS 18.0軟件對測量數據進行方差分析,統計各個家系間的異同,并計算變異系數(CV):CV=標準差/平均值×100%;后進行主成分分析,得到不同家系間變異的主要性狀,并將6個家系進行聚類分類。

2 結果與分析

2.1 唐古特白刺花粉的基本特征

6個唐古特白刺家系花粉均以單粒形式存在,極軸長為35.95～41.53 μm,赤道軸長為 18.34～22.52 μm,極軸長/赤道軸長(P/E)在 1.82～1.96,均為中等大小花粉,長球形,具三孔溝。家系zglq-14的花粉粒最大(41.53 μm× 22.52 μm),萌發溝長(36.94 μm±0.53 μm)占極軸長的91%,家系w3-1的花粉粒最小(35.95 μm×18.34 μm),萌發溝(30.21 μm±1.07 μm)占極軸長的84%;家系w3-1的萌發溝脊面最窄(11.90 μm±0.43 μm),家系j3-30的最寬(15.88 μm±0.20 μm)。而花粉在萌發溝特征、萌發溝脊面形狀及紋飾類型等方面存在顯著差異(表2、圖1)。

圖1 不同家系花粉表型性狀

表2 6個家系唐古特白刺性狀指標值

萌發溝特征為(CG):①窄,存在縫隙;②寬,存在連接;③窄,存在連接;④窄,無連接;⑤寬,無連接。脊面形狀(垂直赤道軸觀察)為(GS):①兩極小,中間大;②變化不大;③兩極小,中間凹陷。萌發溝為赤道三孔溝,紋飾類型為(PT):①條狀,腦狀;②腦狀;③條狀,負網狀。由表面紋飾有無組成圖案(P)分為:①無;②似“指紋”。孔穴的形狀有(HS):①條形;②圓形(所有花粉粒上均有條形、圓形孔穴, 以占比多的命名為條形孔穴和圓形孔穴)。

家系j3-30表現為:萌發溝窄,存在縫隙;萌發溝脊面表現為:兩極小,中間較大;表面紋飾表現為條狀、腦狀混合與腦狀等兩種,不規則圖案;孔穴形狀有條形、圓形孔穴。

家系jc-17表現為:萌發溝有寬有窄,有連接;萌發溝脊面表現為:兩極小,中間較大;表面紋飾表現為條狀、腦狀混合與腦狀等兩種,不規則圖案;孔穴形狀為圓形孔穴。

家系zglq-14表現為:萌發溝寬,存在連接,萌發溝窄,無連接;萌發溝脊面表現為:①兩極小,中間大;②變化不大;③兩極小,中間凹陷;表面紋飾為條狀、腦狀與條狀、負網狀混合等兩種,并會構成似“指紋”般的圖案;孔穴形狀為圓形孔穴。

家系zglsm-29表現為:萌發溝寬,存在連接與無連接;萌發溝脊面表現為:①兩極小,中間大;②變化不大;表面紋飾為:①條狀,腦狀混合;②腦狀;③條狀,負網狀混合,不規則圖案;孔穴形狀為條形、圓形孔穴。

家系w3-1表現為:萌發溝有寬有窄,存在連接;萌發溝脊面表現為:①兩極小,中間大;②兩極小,中間凹陷;表面紋飾表現為條狀、腦狀混合與腦狀等兩種,不規則圖案;孔穴形狀為條形、圓形孔穴。

家系w2-28表現為:萌發溝窄,存在縫隙,存在連接,而萌發溝寬,存在連接;萌發溝脊面表現為:①變化不大;②兩極小,中間凹陷;表面紋飾為條狀、腦狀混合,并會出現似“指紋”般的圖案;孔穴形狀為條形、圓形孔穴。

2.2 唐古特白刺家系花粉間性狀比較

花粉表型性狀的方差分析結果見表3。6個唐古特白刺家系花粉在赤道軸長、萌發溝長和萌發溝脊面寬等存在顯著差異,其余花粉表型性狀差異不大,說明唐古特白刺花粉性狀具有較高的遺傳穩定性。花粉表型性狀的變異系數為 4.33%～40.09%,平均變異系數為10.58%(表4),其中有4個家系(zglq-14、w2-28、zglsm-29、w3-1)的平均差異系數高于10%,說明家系的遺傳多樣性較豐富,而酒泉的兩個家系(j3-30、jc-17)變異系數均小于10%,酒泉的家系遺傳穩定性相對較高。不同家系間花粉的極軸長 (5.47%)、赤道軸長(4.33%)、極軸/赤道軸 (4.97%)、萌發溝長(4.84%)、萌發溝長/極軸 (5.15%)和萌發溝脊面寬(4.71%)等變異系數較小,說明花粉的數量性狀差異較小。但萌發溝特征(31.02%)、萌發溝脊面形狀(29.78%)、紋飾類型(40.09%)、圖案(12.99%)和孔穴形狀 (25.98%)等變異系數較大,說明花粉的質量性狀差異較大。

表3 6個家系間花粉表型性狀方差分析

表4 6個家系間花粉表型性狀變異系數

2.3 唐古特白刺花粉性狀主成分分析

對花粉形態指標進行主成分分析,旨在可以找到一些反映家系間花粉變異的性狀。結果(表5)表明:前4個主成分的累計貢獻率達到 74.977%,涵蓋了所有花粉性狀指標,其中主成分1(貢獻率:30.689%)中,赤道軸長(0.916)、萌發溝長(0.920)和萌發溝脊面寬(0.791)的因子荷載值比較大,花粉的數量性狀占主導地位;主成分2(貢獻率:21.141%)中,極軸長(0.660)、極軸長/赤道軸長(0.820)、萌發溝長/極軸長(-0.768)和圖案(-0.711)的因子荷載值比較大,花粉的數量性狀占主導地位;主成分3(貢獻率:12.143%)中,紋飾類型(0.603)和孔穴形狀(-0.372)的因子荷載值比較大,花粉的質量性狀占主導地位;主成分4(貢獻率:11.002%)中,萌發溝特征 (-0.767)和萌發溝脊面形狀(0.433)的因子荷載值比較大,即花粉的質量性狀占主導地位。綜上所述,唐古特白刺花粉性狀中數量性狀累積方差的貢獻率高于質量性狀的貢獻率,說明質量性狀的遺傳穩定性高于數量性狀。

表5 主成分分析

2.4 唐古特白刺家系的聚類分析

對唐古特白刺花粉性狀進行家系聚類分析,采用組間聯接法,生成聚類樹系圖(圖2)。在閾值5以后,6個唐古特白刺家系被劃分為兩大類,第一類包括zglq-14(張掖甘州龍渠)、zglsm-29(張掖甘州老寺廟)、w2-28(武威民勤小壩口)、j3-30(酒泉金塔)和jc-17(酒泉瓜州槽沿子),第二類包括w3-1(武威民勤沙井子)。第一類進一步可分為兩個亞類,第一個亞類包括zglq-14(張掖甘州龍渠)、zglsm-29(張掖甘州老寺廟)和w2-28(武威民勤小壩口),第二個亞類包括j3-30(酒泉金塔)和jc-17(酒泉瓜州槽沿子);第一個亞類還可細分為zglq-14(張掖甘州龍渠)、zglsm-29(張掖甘州老寺廟)和w2-28(武威民勤小壩口)。通過聚類分析發現細分之下,唐古特白刺家系花粉的聚類與地理分布有顯著相關性。

圖2 唐古特白刺花粉性狀聚類

3 討 論

一般來說,由于植物花粉結構的高遺傳保守性,使其成為了研究植物起源、進化、分類和親緣關系的重要性狀。在這種情況下,許多學者[11-12,18]均以唐古特白刺作為白刺屬的代表植物,致力于研究白刺屬的分類學地位,結果均支持白刺屬獨立成科,但選取的唐古特白刺花粉表型性狀過于單一,且對其存在的差異并沒有進行深入研究。本研究在增加觀察及測量性狀的基礎上發現唐古特白刺花粉形態比較一致,為中等大小花粉粒,長球形,具三孔溝,萌發溝寬,局部連接,萌發溝脊面為兩極小,中間大,呈“凸”形增大,紋飾類型為條狀、腦狀,并沒有構成圖案。為了適應不同的環境條件,同一植物個體花粉也會出現多種變異形態,是更有利于植物的進化[19]。如武威民勤小壩口的花粉萌發溝隨寬窄不同,開裂的程度不同;張掖甘州龍渠的花粉萌發溝脊面形狀有3種,變異較大;張掖甘州老寺廟的花粉紋飾類型有3種,最豐富;僅有張掖甘州龍渠與武威民勤小壩口的表面紋飾構成了似“指紋”的圖案。結合資料,查閱前人研究[20-22]發現植物花粉形狀的演化趨勢是:舟形→縱長形→球形→扁球形→球形→圓球形→長球形;萌發溝的演化趨勢是:單溝→具溝→三溝;表面紋飾的演化趨勢是:表面光滑→表面條紋狀、網狀→表面疣狀、刺狀;萌發孔的演化趨勢是:橫長→圓形。即說明唐古特白刺屬于較進化的種。

遺傳因素與環境條件是影響花粉形態的主要原因,而種內花粉的豐富差異主要來自局部環境影響[23]。對此,索玉靜等[24]、單奇等[25]都已經在其他植物上進行了研究,均發現了種內花粉確實存在豐富的遺傳差異。本研究材料來自于唐古特白刺試驗田,首先材料在相同環境下生長10年,排除了由于環境條件影響而產生的差異,因此表現出的差異主要受遺傳因子控制[26]。其次唐古特白刺的花粉性狀較多,存在信息重疊現象,通過主成分分析,減少干擾,可以得到簡潔的結果[27]。在本研究中,發現前兩個主成分中數量性狀的載荷值位于前列,則花粉質量性狀的遺傳變異相對數量性狀較穩定,因此質量性狀表現出的差異是來源于遺傳基因的差異,但還需要進一步通過分子水平進行驗證。聚類結果沒有嚴格地按照不同地理聚類,但在小范圍內將近距離的聚為一類,說明唐古特白刺花粉與地理環境有顯著關系,與吉德娟等[28]發現唐古特白刺果實、葉片等性狀與地理存在顯著關系的結果一致。可以為唐古特白刺種質資源遺傳多樣性及育種研究提供一定依據。