紫果云杉天然種群種實(shí)性狀表型多樣性研究

羅建勛，趙福培，劉邵謀，辜云杰，孫志鵬，賈 晨

(1西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637002；2四川省林業(yè)科學(xué)研究院,四川 成都610081；3四川勿角自然保護(hù)區(qū)管理處， 四川 九寨溝 623400；4九寨溝縣林業(yè)和草原局，四川 九寨溝 623400)

紫果云杉(Piceapurourea)是中國(guó)西部特有樹種，天然分布于四川西部、青海和甘肅南部的高山林區(qū)，水平分布大致位于東經(jīng)100°30′-104°30′和北緯30°-32°，垂直分布于海波2 500～3 800 m，在大渡河中、上游可能分布更高[1]。紫果云杉林是中國(guó)西部亞高山暗針葉林的主要類型，也是西部高原地區(qū)組成森林草原過渡地帶的連緣森林，其分布區(qū)是長(zhǎng)江、黃河主要支流的源頭或上游，生態(tài)地位十分重要[2]。由于紫果云杉木材為云杉屬(Picea)樹種中最優(yōu)良的木材，歷史上曾大量采伐，加之紫果云杉天然更新不良，導(dǎo)致其天然林破壞嚴(yán)重。

表型多樣性的形成，是物種在長(zhǎng)期壓力選擇中發(fā)生的不可逆變化經(jīng)穩(wěn)定遺傳后產(chǎn)生了新的表型，是物種應(yīng)對(duì)環(huán)境多樣性變化的綜合體現(xiàn)[3-4]。植物表型形態(tài)主要受遺傳控制，但不同分布區(qū)在不同生境中也會(huì)產(chǎn)生分化，氣候及緯度梯度往往在大尺度上影響變化格局[5-7]。由于長(zhǎng)期的地理隔離和生境片段化導(dǎo)致基因流隔離，因而紫果云杉個(gè)體間產(chǎn)生了一定變異，對(duì)其種實(shí)形態(tài)進(jìn)行研究將有助于了解環(huán)境和遺傳因素對(duì)群體的影響。目前，對(duì)于紫果云杉的研究主要集中在種群結(jié)構(gòu)特征[8]、種子萌發(fā)[9]以及育苗技術(shù)[10-11]等方面，對(duì)其保護(hù)生物學(xué)的研究甚少。賈子瑞等[12]對(duì)紫果云杉花粉形態(tài)進(jìn)行了研究，而作為遺傳研究基礎(chǔ)的表型多樣性的研究還未見報(bào)道，這極大地限制了人們對(duì)紫果云杉種群保護(hù)策略的制定。因此研究紫果云杉天然群體種實(shí)表型分化程度和地理變異規(guī)律，探究紫果云杉種群間和種群內(nèi)的種實(shí)表型多樣性，對(duì)其種群的保護(hù)和經(jīng)營(yíng)尤為重要。鑒于此，本研究以紫果云杉10個(gè)天然群體為對(duì)象，系統(tǒng)測(cè)定了種實(shí)的9個(gè)數(shù)量性狀，旨在揭示紫果云杉的種實(shí)表型變異程度及規(guī)律，為中國(guó)西部這一特有樹種的種質(zhì)資源保存和遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 紫果云杉天然種群的選擇及其立地氣候條件

2019年9—10月在紫果云杉全分布區(qū)內(nèi)，選取青海澤庫(kù)、甘肅天水以及四川省若爾蓋、九寨溝、阿壩、紅原、壤塘、理縣、小金和松潘縣境內(nèi)共10個(gè)天然種群，涵蓋了紫果云杉天然分布區(qū)的“四界”和中心區(qū)域。入選種群林分保存基本完好，林相整齊，紫果云杉為建群種。在各種群中分別選擇30株紫果云杉，在每個(gè)單株的樹冠中上部采集60個(gè)球果。采樣單株生長(zhǎng)健壯，無明顯病蟲害和其他缺陷，且單株間隔在100 m以上，以保證降低單株間的親緣性。觀測(cè)并記錄種群所處的經(jīng)度、緯度和海拔因子，從氣象部門查閱相關(guān)氣象因子，各紫果云杉天然種群的立地氣候條件見表1。

表1 10個(gè)紫果云杉天然種群的立地氣候條件Table 1 Site climatic conditions of ten natural populations of Picea purpurea

1.2 種實(shí)性狀測(cè)算方法

待球果自然陰干后，參照Li等[13]和Wang等[14]的方法，對(duì)紫果云杉球果的各項(xiàng)性狀指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)單株從采集的60個(gè)球果中隨機(jī)選擇30個(gè)完整的球果測(cè)定球果長(zhǎng)、球果寬(中央直徑)，再?gòu)拿總€(gè)球果的中部隨機(jī)抽取一個(gè)完整種鱗(種翅)測(cè)定種鱗長(zhǎng)、種鱗寬、種翅長(zhǎng)、種翅寬(最寬端)，測(cè)量精度為0.01 cm。并計(jì)算球果長(zhǎng)寬比、種鱗長(zhǎng)寬比和種翅長(zhǎng)寬比。

1.3 種實(shí)性狀在種群間和種群內(nèi)變異的巢氏方差分析

分別計(jì)算種群內(nèi)各單株以及不同種群各種實(shí)性狀的平均值，采用SAS 9.0軟件對(duì)各種實(shí)性狀在種群內(nèi)和種群間的變異特征進(jìn)行巢氏方差分析[15-16]，其線性模型為：

Yijk=μ+τi+δj(i)+εk(ij)。

式中：Yijk表示第i個(gè)群體第j個(gè)家系的第k個(gè)觀測(cè)值，μ表示總平均值，τi表示群體間效應(yīng)值，δj(i)表示群體內(nèi)家系效應(yīng)值，εk(ij)表示隨機(jī)誤差。

對(duì)不同種群各種實(shí)性狀進(jìn)行差異顯著性多重比較。

1.4 種群間各種實(shí)性狀變異系數(shù)的計(jì)算

采用變異系數(shù)分析種實(shí)表型性狀的離散程度。變異系數(shù)(CV)的計(jì)算公式為：

1.5 種群間各種實(shí)性狀表型分化系數(shù)的計(jì)算

表型分化系數(shù)(VST)表示種群間變異占遺傳總變異的百分比，其計(jì)算公式為：

VST(%)=[(δ2t/S)/(δ2t/S+δ2S)]×100%。

式中：δ2t/S為群體間方差分量，δ2S為群體內(nèi)方差分量。

1.6 種實(shí)性狀間相關(guān)系數(shù)的計(jì)算

基于不同種群各種實(shí)性狀數(shù)據(jù)，采用SAS分析軟件進(jìn)行表型性狀間的相關(guān)關(guān)系分析。

1.7 基于表型性狀的種群聚類分析

采用SPSS軟件的類平均法，以平均歐氏距離為依據(jù)，對(duì)10個(gè)種群的各種實(shí)性狀進(jìn)行變量聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫果云杉種實(shí)性狀在種群間和種群內(nèi)的變異特征

對(duì)紫果云杉種實(shí)9個(gè)表型性狀在10個(gè)種群間和群體內(nèi)的差異進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表2)顯示，紫果云杉的9個(gè)種實(shí)表型性狀在種群間、種群內(nèi)均存在極顯著差異(P<0.01) ，表明其性狀在種群間、種群內(nèi)的穩(wěn)定性均較差，存在著較大的變異。

表2 紫果云杉天然種群間和種群內(nèi)種實(shí)表型性狀的方差分析Table 2 Variance analysis of phenotypic traits within and between populations of Picea purpurea

10個(gè)紫果云杉種群各種實(shí)表型性狀的均值及標(biāo)準(zhǔn)差見表3。

表3 紫果云杉天然種群種實(shí)表型性狀的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Table 3 Mean value and standard deviation of phenotypic traits of 10 populations in Picea purpurea

由表3可知，各種群球果長(zhǎng)(CL)均值為4.38～6.98 cm，以紅原(HY)種群的球果長(zhǎng)最大，松潘(SP)種群最??；球果寬(CW)均值為2.50～3.05 cm；球果長(zhǎng)寬比(CLW)反映球果形狀變異，其均值為1.65～2.30，最大值為紅原(HY)種群，最小值為九寨溝(JZG)種群。種鱗長(zhǎng)(SSL)均值為1.25～1.70 cm，最大值為紅原(HY)種群，最小值為九寨溝(JZG)和壤塘(RT)種群；而種鱗寬(SSW)均值為0.91～1.15 cm，最大值為小金(XJ)種群，最小值為壤塘(RT)種群；種鱗長(zhǎng)寬比(SSLW)反映種鱗形狀變異，均值為1.30～1.55 cm，最大值為紅原(HY)種群，最小值為青海澤庫(kù)(ZK)種群。種翅長(zhǎng)(SWL)均值為0.63～0.83 cm，最大值為小金(XJ)種群，最小值為壤塘(RT)種群；種翅寬(SWW)均值為0.29～0.41 cm，最大值為青海澤庫(kù)(ZK)種群，最小值為阿壩(AB)種群；種翅長(zhǎng)寬比(SWLW)反映種翅形狀變異，均值為1.96～2.54，最大值為阿壩(AB)種群，最小值為若爾蓋(REG)種群。綜上所述，紫果云杉大多數(shù)球果長(zhǎng)度變異模式基本呈現(xiàn)出中心種群最大、南部種群次之、北部種群最小的趨勢(shì)。

2.2 紫果云杉種實(shí)表型性狀的形態(tài)變異特征

植物表型性狀的離散程度可用變異系數(shù)值來反映，變異系數(shù)值越大表明表型性狀的離散程度越大[17]。紫果云杉10個(gè)種群的9個(gè)種實(shí)表型性狀變異系數(shù)見表4。由表4可以看出，各種群球果、種鱗和種翅性狀的平均變異系數(shù)存在差異，其中種翅的平均變異系數(shù)最大，為21.02%；種鱗的變異系數(shù)次之，為19.7%；球果的變異系數(shù)最小，為15.11%；表明在種群內(nèi)球果、種鱗和種翅的性狀穩(wěn)定性依次減弱。9個(gè)種實(shí)表型性狀在不同種群間的平均變異系數(shù)為14.32%～23.85%，總平均變異系數(shù)為18.61%，其中種鱗長(zhǎng)寬的比變異系數(shù)最大(23.85%)，其次是種翅長(zhǎng)寬比(23.29%)，表明種鱗和種翅性狀指數(shù)(長(zhǎng)寬比)的變異系數(shù)較其單個(gè)性狀的(長(zhǎng)或?qū)?變異大。本次調(diào)查和采種的10個(gè)種群各種實(shí)表型平均變異系數(shù)從大到小依次為：壤塘(29.45%)>阿壩(22.48%)>九寨溝(17.93%)>松潘(17.76%)>紅原(17.39%)>小金(17.03%)>澤庫(kù)(16.48%)>若爾蓋(15.66%)>理縣(15.10%)>天水(13.95%)，這表明不同種群的環(huán)境異質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致種群表型的變異。

由表4還可看出，西部的壤塘和阿壩種群紫果云杉種鱗和種翅表型性狀的變異系數(shù)高于其他種群，表明這2個(gè)種群(特別是壤塘種群)的種鱗和種翅表型變異很豐富，表型多樣性也很高；但紅原和若爾蓋種群紫果云杉球果表型性狀的變異系數(shù)高于其他種群。另外，壤塘和阿壩種群的9個(gè)表型性狀中，有8個(gè)性狀的變異系數(shù)高于同一性狀不同種群間的平均變異系數(shù)，占總性狀的88.89%。天水、理縣、若爾蓋和澤庫(kù)種群各種實(shí)表型性狀的平均變異系數(shù)較小，說明這4個(gè)種群特別是甘肅天水種群的種實(shí)表型多樣性較低。上述結(jié)果表明，本次紫果云杉采樣區(qū)以西部地區(qū)種實(shí)表型多樣性較高，可能是紫果云杉種實(shí)表型多樣性的中心。

表4 紫果云杉天然種群種實(shí)表型性狀的變異系數(shù)Table 4 Coefficients of variation of seed phenotypic characters in natural populations of Picea purpurea %

2.3 紫果云杉天然種群間種實(shí)性狀的表型分化

由表5可知，紫果云杉天然種群球果、種鱗和種翅的表型分化系數(shù)變異幅度較大，為15.319 8%～61.882 0%；從方差分量百分比可知，種群內(nèi)表型變異大于種群間表型變異；球果、種鱗、種翅的表型分化系數(shù)均值分別為46.17%,27.06%和40.42%，可以看出種鱗性狀最穩(wěn)定。球果、種鱗和種翅等9個(gè)表型性狀的平均表型分化系數(shù)為37.883 0%，說明紫果云杉天然種群種實(shí)表型變異在種群間的貢獻(xiàn)占比為37.88%，在種群內(nèi)貢獻(xiàn)占比為62.12%，表明紫果云杉天然種群表型性狀在種群內(nèi)的多樣性大于種群間的多樣性。

表5 紫果云杉種實(shí)表型性狀的方差分量及表型分化系數(shù)Table 5 Variance population and phenotypic differentiation coefficient of seed and fruit phenotypic traits of Picea purpurea

2.4 紫果云杉種實(shí)表型性狀間的相關(guān)關(guān)系

表6顯示，除球果寬與種鱗長(zhǎng)寬比以及種翅長(zhǎng)寬比與球果長(zhǎng)寬比、種鱗長(zhǎng)、種鱗寬、種鱗長(zhǎng)寬比的相關(guān)性不顯著外，紫果云杉其余種實(shí)性狀間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中僅球果寬與球果長(zhǎng)寬比、種翅寬與種翅長(zhǎng)寬比以及種鱗長(zhǎng)寬比與種鱗寬、種翅長(zhǎng)、種翅寬呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表6 紫果云杉種實(shí)表型性狀間的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient among phenotypic characters of seed and fruit of Picea purpurea

2.5 紫果云杉種群基于種實(shí)表型性狀的聚類分析

圖1顯示，以平均距離0.75為閾值，10個(gè)紫果云杉種群明顯可分為3組，其中壤塘、阿壩和小金種群為一組，天水、理縣、若爾蓋、松潘、九寨溝和澤庫(kù)種群為一組，紅原種群?jiǎn)为?dú)為一組，初步表明紫果云杉邊緣種群和中心種群表型性狀具有明顯差異。

圖1 紫果云杉10個(gè)天然種群基于種實(shí)表型性狀的聚類結(jié)果Fig.1 Cluster analysis of 10 natural populations of Picea purpurea based on phenotypic traits

3 討論與結(jié)論

3.1 紫果云杉變異類型豐富

通過對(duì)紫果云杉10個(gè)天然種群9個(gè)種實(shí)性狀(球果長(zhǎng)、球果寬、球果長(zhǎng)寬比、種鱗長(zhǎng)、種鱗寬、種鱗長(zhǎng)寬比、種翅長(zhǎng)、種翅寬、種翅長(zhǎng)寬比)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，紫果云杉天然種群種實(shí)表型性狀在種群間和種群內(nèi)均存在極顯著差異(P<0.01)，表明紫果云杉種實(shí)表型多樣性較高，各個(gè)性狀均存在豐富的遺傳變異[18]，這與前人對(duì)浙江楠(Phoebechekiangensis)[19]、白花樹(Styraxtonkinensis)[20]、青錢柳(Cyclocaryapaliurus)[21]的研究結(jié)果相同。另外，紫果云杉種實(shí)性狀在種群間的多樣性小于種群內(nèi)多樣性，表明紫果云杉種群變化的主要原因可能是對(duì)原生境的適應(yīng)性差異。紫果云杉種群內(nèi)具有較高的遺傳變異可能是由于其屬于風(fēng)媒傳粉植物，結(jié)實(shí)率較高，因此種群內(nèi)隨機(jī)交配程度相當(dāng)高[22]，這與羅建勛等[23]對(duì)云杉(Piceaasperata)的研究結(jié)果一致。紫果云杉球果、種鱗和種翅性狀的平均表型分化系數(shù)為37.883 0%，說明紫果云杉天然種群種實(shí)性狀的離散程度較低，是今后表型研究中可利用的較為穩(wěn)定的性狀[24]。種鱗性狀較球果性狀和種翅性狀穩(wěn)定，這說明種鱗性狀是較穩(wěn)定的遺傳特征，這與羅建勛[25]對(duì)粗枝云杉的研究結(jié)果相似。

3.2 紫果云杉種實(shí)表型性狀在種群內(nèi)的變異趨勢(shì)

本研究發(fā)現(xiàn)，位于調(diào)查區(qū)西部區(qū)域的紫果云杉種實(shí)表型性狀多樣性較高，該區(qū)域可能是紫果云杉種實(shí)表型多樣性的中心區(qū)域。阿壩種群的種翅長(zhǎng)寬比和小金種群的種鱗寬、種翅長(zhǎng)最大，壤塘種群的種鱗長(zhǎng)和種翅長(zhǎng)最小，紅原種群的球果長(zhǎng)、球果寬、球果長(zhǎng)寬比、種鱗長(zhǎng)和種鱗長(zhǎng)寬比均最大。阿壩和小金處于所有種群的中心區(qū)域，是四川省紫果云杉資源生長(zhǎng)的北部邊界，地勢(shì)起伏大，因海拔高而氣溫較低；壤塘位于調(diào)查區(qū)的西部，與甘孜州交界，地域和環(huán)境的差異是影響不同區(qū)域種群種實(shí)表型性狀的重要原因。進(jìn)一步的聚類分析結(jié)果顯示，紫果云杉邊緣種群和中心種群的表型性狀有明顯差異，變異大小在某種程度上說明了物種對(duì)不同環(huán)境適應(yīng)能力的強(qiáng)弱[26]，一方面可能是因?yàn)榛蜻z傳上的差異，有些種質(zhì)由于長(zhǎng)期引種馴化、變異或本身就與其他種質(zhì)存在極大差別，或有些種質(zhì)為遺傳變異較大的野生種質(zhì)[27]；另一方面，有些地理位置相同或相似的生境條件及栽培耕種史、品種間的頻繁交換，都有可能導(dǎo)致這些區(qū)域的種質(zhì)在遺傳組成上趨同[28]。

3.3 紫果云杉天然種群種質(zhì)資源的保存

紫果云杉林是四川省主要的森林類型，也是青藏高原東部地區(qū)特有森林植物群落，因其自然分布區(qū)垂直跨度大，且水系不同，環(huán)境條件復(fù)雜，通過長(zhǎng)期的地理隔離、自然選擇和人工選擇，導(dǎo)致紫果云杉產(chǎn)生了極其豐富的種類變異，這對(duì)紫果云杉種群的發(fā)展非常有利。紫果云杉種實(shí)豐富的表型變異為其資源良種化提供了廣闊的前景，本研究結(jié)果對(duì)紫果云杉的種質(zhì)資源收集、遺傳多樣性保護(hù)以及遺傳改良工作具有積極的指導(dǎo)意義。