樟科楠屬4種植物種實表型性狀及其發(fā)芽特性研究

陸云峰， 王 豪， 徐沁怡， 李修鵬， 王建軍

(寧波市林特科技推廣中心， 浙江 寧波 315012)

林木果實、種子作為生殖器官，相較于葉片等營養(yǎng)器官，其表型性狀更具穩(wěn)定性，是林木長期遺傳和自然環(huán)境選擇的綜合體現(xiàn)，在遺傳育種上具有重要意義[1-2]。林木遺傳變異研究可通過表型測定、細(xì)胞學(xué)、生化和分子標(biāo)記等方法，其中，表型測定具有簡單、直觀、易測等特點而被廣泛應(yīng)用[3-4]。種子發(fā)芽過程是實現(xiàn)種群更新和物種延續(xù)的重要階段，是構(gòu)建植物群落的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5]。同時，林木種實性狀與發(fā)芽特性呈較高程度的相關(guān)性[6-7]。因此，開展種實表型性狀及發(fā)芽特性的研究，是苗木培育和品種改良的關(guān)鍵。

楠屬(Phoebe)是樟科(Lauraceae)中經(jīng)濟(jì)價值極高的一個屬，全世界約有94種，我國有34種3變種，主要零散分布于長江流域及長江以南地區(qū)[8]。該屬植物木材堅硬致密，紋理直，有光澤，耐腐且富楠木芳香，是家具、雕刻的高級用材；同時其樹體高大通直，枝葉繁茂且常綠，也可作為優(yōu)良園林綠化樹種。其中，楨楠(Ph.zhennan)、閩楠(Ph.bournei)、浙江楠(Ph.chekiangensis)、紫楠(Ph.sheareri)等因其珍貴稀有而被稱為“金絲楠木”。然而，由于氣候環(huán)境變化，人類過度砍伐，自然更新能力弱等諸多原因，楠屬植物天然資源越來越少，開展資源保護(hù)和良種選育工作迫在眉睫[9]。目前，針對楠屬植物的研究主要集中在資源調(diào)查、遺傳多樣性分析、育苗技術(shù)、造林方法等方面[10-14]，而對其果實、種子性狀及其發(fā)芽特性的研究鮮見報道。鑒于此，本研究收集楠屬4種植物(楨楠、閩楠、浙江楠、紫楠)的代表性種源的成熟果實16份，通過測定果實、種子的表型性狀及播種試驗，研究其不同種間、同一植物不同種源間果實、種子表型性狀及其發(fā)芽特性，以了解其表型變異規(guī)律和實生繁育能力，為楠屬植物的遺傳改良和高效育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在查閱文獻(xiàn)記載和野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，于2018年11—12月在四川、重慶、湖北、湖南、江西、福建、浙江、江蘇等省份開展楠屬4種植物(楨楠、閩楠、浙江楠、紫楠)成熟果實的野外采集工作，共計16個采樣點(表1)。采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)記錄各采樣點的經(jīng)緯度及海拔，并查閱獲得其年均溫、年降水量、年日照時長等氣候因子。選擇生長健壯、結(jié)實良好的單株作為采樣母樹，并盡量拉大兩采樣母樹之間的距離，避免其親緣關(guān)系。在各母樹的樹冠中上部東、南、西、北4個方向進(jìn)行均勻采樣，并將各采樣點的樣品混勻保濕保存，帶回實驗室進(jìn)行測定。

表1 楠屬4種植物16個群體的地理氣候概況

1.2 試驗方法

1.2.1果實、種子表型性狀測定

每個參試種源隨機(jī)選取300粒健康飽滿果實，分為3個重復(fù)，每個重復(fù)100粒。用電子游標(biāo)卡尺測量果實長與寬(測量精度為0.01 mm)，計算果實長寬比(形態(tài)指標(biāo))；用電子天平稱100粒果實質(zhì)量(稱量精度為0.001 g)，記為M果實；剝?nèi)」ぃ古c種子分離，果皮放入40 ℃烘箱烘干至恒重后稱重，記為M種皮。同理，測量種子長與寬，計算種子長寬比；稱量去皮后的100粒種子質(zhì)量，記為M種子。

種皮含水量(%)=[1-M種皮/(M果實-M種子)]×100%；

最后，先向100 mL量筒倒入適量自來水，記下讀數(shù)1，再將測定完百粒重后的100粒種子加入量筒，記下讀數(shù)2，則單粒種子的平均體積為：(讀數(shù)2-讀數(shù)1)/100。

1.2.2播種育苗

種子去皮后，采用混沙濕藏越冬催芽。播種育苗試驗地位于浙江省寧波市林業(yè)局林特種苗繁育中心東吳苗圃(121°42′E，29°49′N)，于2019年2月上旬開始播種，將泥炭與珍珠巖按1∶1的比例混合作為基質(zhì)，每立方米基質(zhì)中施入1.5～3.5 kg緩釋肥。所施緩釋肥為美國愛貝施(APEX)長效控釋肥，全氮含量為180 g·kg-1，有效磷和有效鉀含量分別為60 g·kg-1、120 g·kg-1[15]。各個種源隨機(jī)選取300粒種子進(jìn)行播種，分為3個重復(fù)，每個重復(fù)100粒。將上述基質(zhì)裝入無紡布容器袋，種子直接播于其中，育苗過程需要保持基質(zhì)濕潤。種子開始萌發(fā)后，持續(xù)觀察其生長情況，每天定時記錄當(dāng)天萌發(fā)出土的種子數(shù)。當(dāng)連續(xù)5 d無種子萌發(fā)出土，結(jié)束發(fā)芽試驗[16-17]。

試驗結(jié)束后分別計算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，計算公式如下：

發(fā)芽率(%)=(正常發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子總粒數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(達(dá)到高峰時正常發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子總粒數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，式中，Gt為不同發(fā)芽時間(t)的發(fā)芽率，Dt為不同發(fā)芽試驗時間(d)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2007與SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性分析

由表2可知，楨楠的果實長、寬均值最大，分別為14.65 mm和7.82 mm，其中，果實最長的為PZ-YA種源(16.65 mm)，果實最寬的為PZ-DJY種源(8.84 mm)。果實百粒重由大到小依次為楨楠(59.34 g)、閩楠(54.46 g)、浙江楠(49.99 g)、紫楠(40.69 g)。而果皮含水率由大到小依次為紫楠(70.60%)、浙江楠(69.47%)、閩楠(65.68%)、楨楠(54.34%)。楠屬4種植物的種子長、寬與其果實長、寬表現(xiàn)一致，且種子百粒重與果實百粒重表現(xiàn)也一致，由大到小依次為楨楠(36.02 g)、閩楠(30.09 g)、浙江楠(29.15 g)、紫楠(27.27 g)。楠屬4種植物發(fā)芽率由高到低依次為楨楠(88.48%)、閩楠(88.05%)、紫楠(85.76%)、浙江楠(84.48%)，其中發(fā)芽率最高的是PZ-YA、PB-YX兩種源，均達(dá)到91.79%。發(fā)芽勢由高到低依次為楨楠(52.25%)、閩楠(48.94%)、紫楠(47.32%)、浙江楠(45.85%)，而發(fā)芽指數(shù)由高到低則為楨楠(5.78)、紫楠(5.71)、閩楠(5.58)、浙江楠(5.10)。

表2 楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性的變異情況(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)

2.2 楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性的變異系數(shù)

變異系數(shù)(CV)能反映楠屬4種植物不同種源各性狀間的變異程度，變異系數(shù)越大，離散程度越大。由表3可見，楠屬4種植物各性狀平均變異系數(shù)由大到小依次為楨楠(11.85%)、閩楠(7.74%)、浙江楠(7.05%)、紫楠(6.64%)。楨楠各性狀中變異系數(shù)最大的為種子長寬比(17.44%)，最小的為發(fā)芽率(4.45%)；閩楠最大的為種子長寬比(13.20%)，最小的為果皮含水率(4.55%)；浙江楠最大的為單粒種子體積(11.79%)，最小的為果皮含水率(2.90%)；且紫楠最大的為單粒種子體積(13.22 cm3)，最小的為果皮含水率(2.82%)。同一樹種4個不同種源的平均變異系數(shù)也存在明顯差異，例如，閩楠最大的為PB-SC種源(6.46%)，最小的為PB-TH種源(4.68%)。

表3 楠屬4種植物16個群體的性狀變異系數(shù)

2.3 楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性的相關(guān)性分析

果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性之間相關(guān)分析結(jié)果(表4)表明，果實長與果實長寬比、果實百粒重、種子長、種子長寬比、種子體積均呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，果實長與果皮含水率呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.709;p=0.002)；果實寬與果實百粒重、種子寬、種子百粒重、種子體積均呈顯著負(fù)相關(guān)(0.01

表4 楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性的相關(guān)性分析

2.4 主成分分析

對楠屬4種植物果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性進(jìn)行主成分分析。由表5可見，前3個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90.622%。其中，第1主成分的特征值為7.114，方差貢獻(xiàn)率為54.722%，主要反映果實長、果實百粒重、種子長、種子百粒重、種子體積的形態(tài)特征；第2主成分的特征值為2.989，方差貢獻(xiàn)率為22.994%，主要反映果實寬、種子寬的形態(tài)特征；第3主成分的特征值為1.678，方差貢獻(xiàn)率為12.906%，主要反映發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的種子發(fā)芽特征。

表5 各性狀主成分的因子負(fù)荷量、特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

2.5 聚類分析

基于果實、種子表型性狀及發(fā)芽特性，對楠屬4種植物16個群體進(jìn)行UPGMA聚類分析(圖1)。以平均歐式距離18 cm為閾值，可將其分為兩大類，第一大類為閩楠、浙江楠、紫楠3種植物的12個群體；第二大類為楨楠的4個群體PZ-YC、PZ-LF、PZ-YA、PZ-DJY。在第一大類中，浙江楠的4個群體PC-HZ、PC-QY、PC-NB、PC-KH可聚為一類，閩楠的3個群體PB-TH、PB-YX、PB-JD可聚為一類，紫楠的3個群體PS-LA、PS-JD、PS-SC可聚為一類，而PS-NJ、PB-SC則單獨(dú)為一類群。

圖1 基于表型性狀及發(fā)芽特性的16個群體聚類結(jié)果

3 結(jié)論與討論

林木種實表型性狀是相對穩(wěn)定的遺傳特征，是遺傳變異的直接表現(xiàn)形式[18]。經(jīng)過長期自然選擇，種實性狀表現(xiàn)出了對環(huán)境變化的適應(yīng)性，因此其性狀研究對林木具有重要意義[19]。本研究結(jié)果表明，種實性狀在楠屬4種植物種間、種內(nèi)均存在明顯變異，這與李因剛等[20]的研究結(jié)果一致；此外，發(fā)芽特性在種間、種內(nèi)存在明顯變異，這與謝英贊等[21]的研究結(jié)果相一致。楠屬4種植物各性狀平均變異系數(shù)由大到小依次為楨楠(11.85%)、閩楠(7.74%)、浙江楠(7.05%)、紫楠(6.64%)，均屬于輕度離散，性狀相對穩(wěn)定[22]。Li等[19]研究指出，閩楠葉片、種子表型性狀平均變異系數(shù)為12.12%，遠(yuǎn)高于本研究中閩楠的7.74%，這是由于本研究僅測定了閩楠種實和發(fā)芽性狀，而未測定葉片表型性狀，這也進(jìn)一步證實了多數(shù)植物種實性狀比葉片性狀更穩(wěn)定[20,23]。

各性狀間相關(guān)分析結(jié)果顯示，楠屬植物的果皮含水率與果實百粒重、種子百粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，且與果實長、種子長和種子體積均呈極顯著負(fù)相關(guān)，這說明果實、種子越長或越重，其果皮含水率則越低。種子發(fā)芽率與果實寬、種子寬呈極顯著正相關(guān)，且與果實百粒重、種子體積呈顯著正相關(guān)，表明楠屬植物種子顆粒越飽滿，質(zhì)量越大，發(fā)芽能力越強(qiáng)，這與砂生槐(Sophoramoorcroftiana)[24]、紅皮云杉(Piceakoraiensis)[25]等種子發(fā)芽特性相似。然而，發(fā)芽勢則與果皮含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，因此可以推斷楠屬植物因其果實為漿果，果皮含水越多，可能會在一定程度上降低種子活力而影響正常發(fā)芽。主成分分析表明，第1主成分、第2主成分均反映出果實、種子的形態(tài)特征，同時，聚類分析結(jié)果顯示，楠屬4種植物16個群體基本按照物種聚為一類，說明通過果實、種子性狀對不同楠屬物種進(jìn)行植物學(xué)分類的可行性[26]。

楠屬植物作為長江以南地區(qū)優(yōu)良珍貴常綠闊葉樹種，在用材、綠化等方面頗具發(fā)展前景和應(yīng)用價值。其中，楨楠、閩楠、浙江楠均已被列為國家二級保護(hù)漸危種，盡管如此，因遭受亂砍濫伐、生境破壞等原因，現(xiàn)存楠屬植物天然資源已經(jīng)十分稀缺。因此，對楠屬植物資源保護(hù)與合理利用刻不容緩。基于楠屬植物種實性狀及發(fā)芽特性變異豐富的特點，選擇優(yōu)良群體或個體進(jìn)行采種培育，并運(yùn)用扦插、嫁接、體胚等無性快繁技術(shù)保存優(yōu)株；在楠屬植物采種時應(yīng)選擇顆粒飽滿，質(zhì)量體積均較大的種實進(jìn)行采種播種，可提高其發(fā)芽率；進(jìn)一步觀測本研究中楠屬4種植物苗期生長狀況，為良種選育和資源保護(hù)提供依據(jù)。