山桐子天然居群果實表型多樣性分析及綜合評價

徐嘉娟， 陳婷敬， 謝 濤， 李 芳， 耿陽陽， 朱亞艷， 許 杰

(1.貴州省林業(yè)科學研究院， 貴陽 550005； 2.貴州省核桃研究所， 貴陽 550005；3.水城縣自然資源局， 貴州 六盤水 553040)

表型多樣性是生物多樣性研究的重要內容[1]，表型性狀是檢測遺傳變異最直接和最簡便的方法[2-3]。植物的表型性狀是由基因型和環(huán)境因素共同決定的形狀、結構、大小、顏色等外在的性狀，包括葉、花、果實、種子、樹體性狀等，其中種實性狀是植物繁殖系統(tǒng)的主要組成部分，是生存和繁衍適應性的集中表現(xiàn)，與其他性狀相比，種實性狀具有較高的穩(wěn)定性[1-2]，其測定和評價結果對揭示不同種群的遺傳規(guī)律、變異大小具有指導意義。目前，國內外學者對茶條槭(AcerginnalaMaxim.)[1]、楓香樹(LiquidambarformosanaHance.)[4]、無患子(SapindusmukorossiGaertn.)[3,5]、元寶楓(AcertruncatumBunge.)[6]、小果油茶(CamelliameiocarpaHu.)[7]、紅春(ToonaciliateRoem.)[8]及松屬(Pinus)的思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)[9]、油松(PinustabuliformisCarr.)[10-11]、美國白皮松(Whitebarkpine)[12]等樹種的種實性狀變異進行了研究，為這些樹種的種質資源評價、保護、利用及種質創(chuàng)新奠定了基礎。

山桐子(IdesiapolycarpaMaxim.)為大風子科(Flacourtiaceae)山桐子屬(Idesia)落葉喬木，是一種兼具觀賞、用材和能源等多功能的速生經濟型樹種[13]。山桐子不僅具有良好的生態(tài)景觀特質，其果實還可以制備生物柴油、煉制優(yōu)良食用油、提取藥用成分，而且適應性強、含油率高，生長快，果實產量高，開發(fā)利用價值高，具有廣闊的發(fā)展前景[14-18]。種質資源是良種選育的基礎，表型多樣性的分析有助于物種遺傳分化和進化潛力的了解，有利于優(yōu)異種質的篩選和保護利用[19]。本研究對山桐子果實表型多樣性和變異特征進行分析，以期了解山桐子果實性狀的分化程度和變異規(guī)律，為貴州山桐子種質資源的挖掘、保護、資源的改良及種質創(chuàng)新提供數據基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料采集

于2019年10月中旬至11月中旬在貴州山桐子天然分布區(qū)內，取貴陽、貴定、水城共3個居群的果實(表1)。每個居群隨機選擇無明顯缺陷及嚴重病蟲害、生長正常、株間距離200 m以上(保證采樣均勻，防止母系遺傳)、10～20年生處于盛果期(性狀相對穩(wěn)定)的單株作為樣株[17]，取每個單株樹冠中上部4個方向成熟果實，帶回實驗室分析測定。對選定的居群采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)觀測居群的經度、緯度、海拔等地理生態(tài)因子。由于參試山桐子為天然居群，其居群規(guī)模大小不一，能夠同時滿足單株距離200 m和處于盛果期的居群有限，因此，規(guī)模較小的居群的樣株數量相應較少。

表1 山桐子居群地理位置

1.2 表型性狀測定

選擇較為穩(wěn)定、便于獲取的表型性狀。每個單株隨機選取30串果穗，隨機選取90顆果實。用直尺測量果穗長、果穗寬，精確到0.01 cm，計算果穗長寬比，記錄單穗果粒數。用游標卡尺測量果縱徑、果橫徑、果柄長，精確到0.01 mm，計算果形指數(果縱徑/果橫徑)、果大小指數(果縱徑×果橫徑)。用電子天平測量果穗質量、單穗果粒質量、單果質量、果皮質量，精確到0.01 g，并記錄單果飽滿種子數由于山桐子種子較小，每個單株隨機選取100粒新鮮種子稱重，換算成鮮籽千粒重。

1.3 含油率測定

果實自然陰干后，分離種子與果皮，在85 ℃的干燥箱內干燥8 h，干燥后分別稱重、研磨，取1.5～4 g，采用索氏提取法提取油脂，計算果實含油率。

含油率(%)=[(樣品質量-抽提后殘渣質量)/樣品質量]×100%。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Excel 2007軟件進行數據統(tǒng)計整理，采用SPSS 22軟件對各性狀進行巢式方差分析、聚類分析、主成分分析、多重比較分析，計算各性狀的平均值、標準差、Shannon-weaver多樣性指數(H′)、變異系數(CV)和表型分化系數(VST)。

2 結果與分析

2.1 山桐子果實表型性狀變異特征

對山桐子15個果實表型性狀變異進行分析結果(表2)表明，山桐子15個果實表型性狀均存在不同程度的變異，不同性狀的變異情況也有所差異。15個表型性狀的平均變異系數為18.39%，變異幅度為5.67%～38.57%。單果飽滿種子數的變異系數最大(38.57%)，單穗果粒重、果穗重、單穗果粒數、果皮重、單果重的變異系數均大于20%，上述6個表型性狀變異較豐富，穩(wěn)定性較低。果形指數的變異系數最小(5.67%)，果實含油率、果縱徑、果橫徑的變異系數均小于10%，這4個表型性狀的變異幅度較小，具有較高穩(wěn)定性。15個表型性狀的Shannon-Weaver多樣性指數(H′)在1.944～2.090之間，平均為2.019，多樣性指數均較高，說明大部分性狀具有較為豐富的表型多樣性及遺傳改良潛力。15個表型性狀的極大值是極小值的1.36～8.23倍，其中果皮重的極大值與極小值的比值最大(8.23)，果形指數的極大值與極小值的比值最小(1.36)。山桐子15個果實表型性狀的進化及適應性潛力為：果皮質量>單果飽滿種子數>單果質量>鮮籽千粒重>果穗質量>單穗果粒質量>單穗果粒數>果穗長>果大小指數>果柄長>果穗寬>果縱徑>果橫徑>果實含油率>果形指數。

表2 山桐子果實表型性狀變異分析

2.2 山桐子果實表型性狀變異來源及居群變異規(guī)律

山桐子15個果實表型性狀在居群間和居群內的方差分析結果(表3)表明，果橫徑在居群間存在顯著差異，在居群內存在極顯著差異，果形指數在居群內存在顯著差異，在居群間存在極顯著差異，其余性狀在居群間和居群內均存在極顯著差異，說明山桐子果實表型性狀在居群間和居群內都存在不同程度的變異。15個果實表型性狀的多重比較分析(表4)表明，山桐子天然居群果實形態(tài)特征在居群間存在一定差異，P2居群的果縱徑、果橫徑、單果質量、果皮質量、單果飽滿種子數、果穗長、果穗寬、單穗果粒數、果穗質量、單穗果粒質量的平均值均最大，果實含油率居中，表現(xiàn)為果大、果穗大、籽粒多的特征；P1居群的果橫徑、單果質量、果皮質量、單果飽滿種子數、果穗長、果穗寬、果穗質量、單穗果粒質量的平均值居中，果實含油率平均值最大，表現(xiàn)為出油率高的特征；P3居群的果實較小，出油率較低。

表3 山桐子居群間及居群內各表型性狀的方差分析

表4 3個居群間表型性狀的平均值、標準差及多重比較

2.3 山桐子果實表型性狀變異來源及居群間表型分化

對山桐子15個果實表型性狀進行巢式方差分析(表5)，用某性狀在居群間方差分量占居群總方差分量的百分比表示表型分化系數(VST)，估算表型變異在居群間貢獻率的大小。結果表明，15個山桐子果實表型性狀在居群間的平均方差分量百分比為17.76%，居群內為38.24%，其表型分化系數在9.68%～65.08%之間，平均為31.79%，說明3個居群山桐子果實表型性狀在居群內和居群間均存在一定程度的變異，但居群內變異是山桐子果實性狀表型變異的主要來源。其中，表型分化系數最大的是果穗長(65.08%)，最小的是鮮籽千粒重(9.68%)。除果穗長外，單穗果粒數(56.60%)、果穗寬(56.59%)、果形指數(55.79)的表型分化系數較大，這4個性狀在居群間的變異大于居群內變異，居群間變異占相對優(yōu)勢。而鮮籽千粒重(9.68%)、單果飽滿種子數(10.16%)、果大小指數(10.43%)、果柄長(16.23%)的表型分化系數較小，其變異來源主要以居群內變異為主。

表5 山桐子果實表型性狀的方差分量及居群間與居群內表型分化系數

2.4 山桐子果實表型性狀主成分分析及綜合評價

對山桐子果實表型性狀的主成分分析結果(表6)表明，前6個主成分的累積貢獻率達85.38%，表明前6個主成分代表了山桐子果實表型性狀的大部分信息。第Ⅰ主成分的特征值為4.873，貢獻率為32.484%，特征向量絕對值較大的為果大小指數、單果質量、果皮質量、果縱徑、果橫徑，主要表征山桐子果實大小。第Ⅱ主成分的特征值為3.708，貢獻率為24.721%，特征向量絕對值較大的是單穗果粒數、果穗質量、單穗果粒質量，主要反映山桐子每個果穗的果實粒數和質量。第Ⅲ主成分的特征值為1.195，貢獻率為7.966%，特征向量絕對值較大的是果形指數，主要反映果實形狀性狀。第Ⅳ主成分的貢獻率為7.389%，特征值為1.108，起主要作用的是果柄長，果形指數也是載荷較大的因子。第Ⅴ主成分的貢獻率為6.594%，特征值為0.989，起決定作用的表型性狀為果實含油率。第Ⅵ主成分的貢獻率為6.225%，特征值為0.934，主要由鮮籽千粒重決定。

表6 山桐子果實表型性狀主成分分析

根據各主成分特征向量，計算各主成分分值：

F1=0.152X1+0.140X2+0.151X3+0.147X4+0.128X5-0.017X6+0.011X7+0.153X8-0.011X9+0.002X10+0.130X11+0.094X12+0.122X13+0.135X14+0.137X15；

F2=-0.133X1-0.158X2-0.122X3-0.091X4-0.112X5-0.023X6+0.050X7-0.154X8+0.034X9-0.014X10+0.163X11+0.170X12+0.193X13+0.187X14+0.188X15；

F3=-0.144X1+0.251X2-0.034X3-0.097X4-0.10X5+0.328X6-0.670X7+0.054X8+0.293X9+0.256X10-0.044X11+0.010X12+0.072X13+0.078X14+0.086X15；

F4=0.181X1-0.110X2-0.038X3+0.045X4+0.013X5+0.520X6+0.488X7+0.037X8+0.541X9+0.216X10-0.048X11+0.014X12-0.013X13-0.034X14+0.001X15；

F5=0.023X1-0.036X2-0.006X3-0.061X4+0.034X5-0.411X6+0.097X7-0.002X8-0.064X9+0.906X10+0.018X11-0.010X12+0.003X13-0.006X14-0.032X15；

F6=0.236X1+0.153X2-0.283X3-0.329X4-0.148X5+0.483X6+0.120X7+0.196X8-0.680X9+0.143X10-0.027X11+0.071X12+0.043X13+0.060X14+0.039X15。

根據各主成分分值，以及各主成分的貢獻率權重得出每個單株的綜合得分公式：F=0.380F1+0.290F2+0.093F3+0.087F4+0.077F5+0.073F6，說明山桐子單株綜合得分不能以某一性狀為主要參考，需要綜合考慮各果實表型性狀。對32個山桐子單株果實表型性狀進行綜合評價，結果(表7)表明，綜合得分排名前十的分別為13號(6.530)、14號(6.236)、16號(3.710)、6號(3.266)、21號(2.807)、23號(2.625)、15號(2.227)、22號(1.659)、7號(1.567)、31號(1.418)單株，其F值較高，綜合性狀較好。其中P2居群的13號單株表現(xiàn)最優(yōu)，其次為同一居群的14號單株。聚類分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，這兩個單株與其他單株具有較遠的遺傳距離，單獨聚為一大類。

表7 32個山桐子果實表型性狀的綜合評價

圖1 32株山桐子果實性狀的聚類分析

2.5 山桐子果實表型性狀聚類分析

對3個天然居群32個山桐子單株基于果橫徑、單果質量等15個果實表型性狀進行聚類分析(圖1)。結果表明，P2居群的13、14號單株與其他供試單株的遺傳距離最大。以歐式距離12為閾值，可將32個單株分為四大類，包括1個較大的類群和3個較小的類群。第Ⅰ類包括21號、23號、19號、29號等27個單株，又分別聚為4個小類。第Ⅱ類包括P1居群的5號和6號單株，這類單株果形指數明顯小于其他單株。第Ⅲ類為P2居群的12號單株，其果穗較長，鮮籽千粒重較小。第Ⅳ類包括13號和14號單株，此類單株單果質量、果皮質量、果實含油率、果穗長、果穗寬、單穗果粒數、果穗質量、果穗果粒質量等性狀明顯高于其他單株，可為山桐子的良種選育提供材料。而32個單株并未按照地理距離而聚類，其果實表型性狀無空間上的特異性。

3 結論與討論

表型性狀是物種自身遺傳因子和所處環(huán)境因素的綜合體現(xiàn)[20-22]，不同物種經過長期的自然選擇產生一定的遺傳變異，并較為直觀的體現(xiàn)為表型性狀的變異，表型變異必然蘊涵著遺傳變異[23-25]，對各物種自然資源在其分布區(qū)域內表型變異的研究，可揭示其遺傳多樣性，為物種的保護、利用及選擇育種提供科學依據[22,26-28]。盡可能多地對遺傳資源進行分析研究及篩選鑒定，對種質資源的改良利用、種質創(chuàng)新及親本選配等具有重要意義[21,24-25]。山桐子表型性狀豐富程度和變異情況是山桐子遺傳資源豐富程度和多樣化的具體體現(xiàn)。本研究對貴州3個山桐子天然居群32個單株的15個果實表型性狀分析發(fā)現(xiàn)，各性狀的Shannon-Weaver多樣性指數和變異系數均存在一定差異，表明山桐子果實形態(tài)特征變異豐富，大部分性狀具有較為豐富的表型多樣性及遺傳改良潛力。Shannon-weaver多樣性指數可直觀地反映各性狀出現(xiàn)的頻率和分布情況，可指示表型性狀的豐富程度[29]。15個果實表型性狀的Shannon-weaver多樣性指數在1.944～2.090之間，其中有10個性狀的多樣性指數大于2，其余5個性狀的多樣性指數大于1.9，說明山桐子果實性狀的多樣性程度較高。其平均變異系數為18.39%，變異幅度為5.67%～38.57%，變化幅度較大，說明山桐子果實表型性狀離散程度較高，存在豐富的變異，單果飽滿種子數、單穗果粒數、單果質量、果穗質量等性狀的變異系數較大，而果形指數變異系數較小，可能是由于山桐子果實性狀較為穩(wěn)定，受環(huán)境影響較少，而種實產量性狀的穩(wěn)定性較低，變異豐富，為良種選育提供了豐富的資源和極大的空間，這也與無患子種實性狀的研究結果一致[25]。

山桐子15個果實表型性狀在居群間和居群內均存在顯著或極顯著差異，說明這些性狀在居群間和居群內均存在豐富的變異，居群內變異大于居群間，即山桐子果實變異主要來源于居群內，這與大多數林木種群表型性狀的變異來源相同[22]。3個山桐子天然居群間的平均表型分化系數為31.79%，表型分化系數最大的為果穗長(65.08%)，最小的為鮮籽千粒重(9.68%)，說明果穗長度較其他性狀發(fā)生分化的可能性要高。此外，同一性狀在不同居群間存在一定差異，同一居群不同性狀的變異情況也不盡相同，表明山桐子同一果實性狀對不同的環(huán)境條件的適應性不同，不同性狀對相同環(huán)境條件的響應也存在差異。同時，基于山桐子果實表型性狀，采用隸屬函數和主成分分析結合的方法，對32個山桐子單株進行綜合評價，分析結果表明，前6個主成分的累積貢獻率達85.380%，代表了山桐子果實表型性狀的大部分信息，而其中前2個主成分累計貢獻率達到57.206%。第Ⅰ主成分以果實大小為主，第Ⅱ主成分以單穗果粒數和單穗果粒質量為主，主要體現(xiàn)產量性狀。果大小指數、單果質量、果皮質量、果縱徑、果橫徑、單穗果粒數、果穗質量、單穗果粒質量等8個性狀是造成山桐子果實表型差異的主要因素，在選擇育種時，應優(yōu)先考慮果實產量因子。通過表型性狀綜合得分F值對32個山桐子單株進行排序，以此評價其綜合優(yōu)劣程度。結果顯示，來自P2居群的13號單株綜合得分最高，其次為同一居群的14號單株；來自P3居群的27號單株綜合得分最低，都是構建遺傳多樣性豐富的種質資源的寶貴材料。但本研究僅對主要果實表型性狀進行分析，因此對于山桐子資源的綜合評價仍有待于進一步的研究分析。

貴州山桐子野生資源豐富，但對其遺傳多樣性分析、資源評價篩選、收集利用等的研究工作還不夠深入，本研究通過對山桐子天然居群的主要果實表型性狀調查，進行遺傳多樣性、主成分、聚類分析，對指導山桐子資源保護利用、遺傳改良、新品種選育等具有重要意義。