毛竹種子表型性狀與質量分級研究

梁梅華，買凱樂，蘭健花，馮立新，徐振國

（1.廣西生態(tài)工程職業(yè)技術學院 林業(yè)工程學院，廣西柳州 545004；2.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗，廣西南寧 530002）

毛竹（Phyllostachys edulis）又稱楠竹，是我國竹類資源中分布最廣、栽培面積最大、利用最廣泛及經濟價值最高的竹種［1-4］。根據(jù)第9 次全國森林資源清查數(shù)據(jù)，中國竹林面積為641．16萬hm2，其中毛竹林467．78萬hm2，占全國竹林面積的72．96%[5]。作為重要的經濟竹種，毛竹在鄉(xiāng)村振興方面發(fā)揮著重要作用。

毛竹開花周期長，開花零散，自然條件下常不結實或結實率低[6-7]。毛竹造林多采用移植母竹的方法，造林成本高，苗木運輸困難，造林成活率不理想。20世紀60年代至今，廣西桂林海洋山地區(qū)毛竹林連續(xù)不斷地自然開花結實［8-9］，為毛竹實生苗繁育提供穩(wěn)定的種子來源，實現(xiàn)了毛竹實生苗造林。種子質量的優(yōu)劣對其育苗和造林起著十分關鍵的作用，種子的大小、飽滿程度不同，發(fā)芽率差別較大［10］。

可對種子質量進行等級劃分和評定[11]。反映種子質量的指標有多個，種子質量檢驗各指標間具有一定的相關性，利用多個指標進行評價的信息往往是重疊的[12]。近年來，聚類分析法在種子質量分級中的應用逐漸增多。艾倫強等[13]通過主成分分析、系統(tǒng)聚類分析和K-聚類分析3 種統(tǒng)計學方法對續(xù)斷（Phlomis umbrosa）的種子質量進行分級；甘嬌娥[14]通過K-均值聚類算法對黃連（Coptis chinensis）的種子質量進行分級。本研究在已有的毛竹種子生活力［15-18］和萌發(fā)特性［19-21］研究的基礎上，對毛竹種子凈度、發(fā)芽率、生活力、含水量和千粒重等種子質量指標進行研究，采用系統(tǒng)聚類分析法對毛竹種子質量進行等級劃分，以期為毛竹種子質量分級提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

供試毛竹種子采自廣西桂林市靈川區(qū)、灌陽縣。2019年9月采收，種子情況見表1。

1．2 試驗方法

種子的扦樣、凈度、千粒重、發(fā)芽率和含水量均采用《林木種子檢驗規(guī)程》（GB 2772-1999）[22]中的方法進行抽取與檢驗。

1．2．1 扦樣

根據(jù)混合樣品的重量一般不能少于送檢樣品10 倍的原則，采用“徒手減半分取法”分取850 g 混合樣品，獲得85 g毛竹種子作為送檢樣品。

1．2．2 凈度分析

采用四分法，從送檢樣品中分取略多于50 g 種子置于種子檢驗板上，將純凈種子、夾雜物和其他植物種子分開，分別稱量重量，達到容許差值時，根據(jù)公式計算種子凈度（%），4次重復。

1．2．3 千粒重測定

采用百粒法進行測定，重復8次。

1．2．4 含水量測定

從送檢樣品中稱取5 g種子，采用低恒溫烘干法（105±2）℃進行種子含水量測定，4次重復。

1．2．5 生活力測定

采用TTC 法，TTC 濃度為0．5%。從凈度分析后的純凈種子中隨機抽取50 粒種子，剝去種子稃殼，用45 ℃溫水浸種48 h，4次重復。種子充分吸漲后，將種子縱切露胚，帶胚的一半種子加入TTC 溶液，使溶液完全淹沒種子，于35 ℃恒溫黑暗條件下染色4 h。染色結束后用清水沖洗，并在體式顯微鏡下觀察種子生活力。

1．2．6 發(fā)芽率測定

從凈度分析后的純凈種子中隨機抽取50 粒種子，4 次重復。剝去種子稃殼，用0．3%高錳酸鉀溶液消毒4 h，然后用45 ℃溫水浸種28 h。將吸漲后的種子置于雙層濾紙發(fā)芽床，生化培養(yǎng)箱內培養(yǎng)至發(fā)芽，培養(yǎng)箱內溫度為25 ℃，濕度為80%。以突破種皮的胚軸達到或超過種子長度為發(fā)芽標準，逐日記錄發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽率（Gr，%）。

式中，NT表示種子總數(shù)；Gt表示在t日時的發(fā)芽數(shù)。

1．2．7 穎果長度、寬度及種仁長度、寬度、種芒長度測定

從凈度分析后的純凈種子中隨機抽取30 粒種子，3 次重復。以穎果縱軸為長度，以橫向最大寬度為寬度；以種仁縱軸為長度，以橫向最大寬度為寬度。采用數(shù)顯游標卡尺（精度為0．01 mm）測量穎果長度、寬度及種仁長度、寬度和種芒長度。

1．3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計；采用SPSS 21．0軟件進行LSD 法多重比較、Pearson 相關分析和主成分分析；采用系統(tǒng)聚類分析和K-均值聚類相結合進行毛竹種子質量分級。

2 結果與分析

2．1 不同種源毛竹種子表型性狀

不同種源毛竹種子的穎果長度、穎果寬度、種仁長度、種仁寬度和種芒長度均差異極顯著（P＜0．01）（表2）。9 個不同種源毛竹種子的穎果長度為23．314 ～24．705 mm，穎果寬度為1．732 ～2．149 mm，種仁長度為8．458 ～9．701 mm，種仁寬度為1．668 ～1．899 mm，種芒長度為2．854 ～4．019 mm。各表型性狀的變異系數(shù)表現(xiàn)為穎果寬度（38．7%）＞種芒長度（29．5%）＞種仁寬度（25．0%）＞種仁長度（10．2%）＞穎果長度（7．3%）。穎果長度變異系數(shù)小于10，說明穎果長度變異范圍小，遺傳性狀較穩(wěn)定。種仁長度、種仁寬度、種芒長度和穎果寬度4個表型性狀的變異系數(shù)均大于10%，說明這4 個表型性狀在種源間變異范圍大，具有較豐富的遺傳基礎。

表2 不同種源毛竹種子表型性狀Tab.2 Phenotypic characteristics of P.edulis seeds collected from different provenances

2．2 毛竹種子質量指標

不同種源毛竹種子的含水量、凈度、千粒重、生活力和發(fā)芽率均差異極顯著（P＜0．01）（表3）。9 個不同種源毛竹種子含水量為12．2%～14．8%，凈度為96．98% ～99．86%，千粒重為23．98 ～30．37 g，生活力為70．0%～95．8%，種子發(fā)芽率為61．5%～87．0%。

表3 不同種源毛竹種子質量比較Tab.3 Comparison on seed quality of P.edulis collected from different provenances

9個種源毛竹種子質量指標變異系數(shù)表現(xiàn)為發(fā)芽率（14．9%）＞生活力（9．6%）＞千粒重（7．8%）＞含水量（6．0%）＞凈度（1．6%）。發(fā)芽率和生活力的變異系數(shù)較大，說明不同種源毛竹種子發(fā)芽率和生活力變化范圍大。不同種源毛竹種子含水量、凈度和千粒重變異系數(shù)均小于10%，說明不同種源毛竹種子含水量、凈度和千粒重變化范圍較小。

2．3 毛竹種子質量等級初步劃分

2．3．1 毛竹種子質量檢測指標的相關性分析

種子發(fā)芽率與生活力呈顯著正相關（P＜0．05），相關系數(shù)為0．775；其余指標間的相關性均沒有顯著水平（表4）。

表4 毛竹種子質量分級標準指標相關性分析Tab.4 Correlation analysis on standard indexes of P.edulis seed quality classification

2．3．2 毛竹種子質量檢測指標的主成分分析

主成分分析結果顯示，前3 個特征值累計貢獻率達89．137%，說明前3 個主成分基本包含了全部的指標信息（表5）。取前3個特征值，并計算相應的特征向量。

表5 主成分分析的貢獻率Tab.5 Contribution rates of principal component analysis

前3個特征向量分別為：

F1= 0．910X1- 0．231X2+ 0．634X3+ 0．852X4+0．701X5-0．111X6-0．521X7

F2= 0．008X1+ 0．761X2+ 0．352X3+ 0．299X4-0．423X5-0．876X6+0．180X7

F3= -0．072X1+ 0．363X2- 0．248X3+ 0．350X4+0．547X5+0．203X6+0．662X7

式中，X1代表含水量；X2代表凈度；X3代表千粒重；X4代表生活力；X5代表發(fā)芽率；X6代表穎果長度；X7代表穎果寬度。

第1主成分中，含水量、生活力和發(fā)芽率發(fā)揮主要作用；第2主成分中，種子凈度和穎果長度發(fā)揮主要作用；第3主成分中，穎果寬度發(fā)揮主要作用。

種子質量分級能反映種子內在品質，便于測量；采用生產上易于推廣應用的指標進行種子質量分級，可使種子質量分級具有實踐意義。生產上，種子的發(fā)芽率可直接反映田間出苗率，是確定播種量的主要依據(jù)，是種子內在質量的反映，由表4可知毛竹種子生活力與發(fā)芽率相關性顯著。因此，將生活力和發(fā)芽率作為種子質量等級劃分的主要指標，將凈度和穎果長度作為重要參考指標，將種子含水量、穎果寬度和千粒重作為一般參考指標。

2．3．3 系統(tǒng)聚類分析

結合系統(tǒng)聚類分析的結果以及實際生產的可操作性，依據(jù)毛竹種子生活力、發(fā)芽率兩項指標對9個種源毛竹種子進行系統(tǒng)聚類，9 個種源種子在閾值為5 處分為3 類，01、05、07 和08 歸為一類，04、06和09歸為一類，02和03歸為一類。

2．3．4 K-均值聚類分級

K-均值聚類分析法即按類間距距離大小依次對各指標進行質量等級分類，設置10 次迭代、聚類數(shù)為3類，得到最終的聚類中心值。標準化處理后，Ⅰ級種子的聚類中心為（0．89，0．90），Ⅱ級種子的聚類中心為（0．58，0．35）（表6）。

表6 種子質量等級K 均值聚類中心Tab.6 K-mean clustering center of P.edulis seed quality grade

3 個聚類中心之間種子發(fā)芽率和生活力差異極顯著（P＜0．01），種子凈度、千粒重、含水量、穎果寬度和穎果長度差異不顯著，與相關分析和主成分分析結果基本一致（表7）?？梢妼γ穹N子聚類中心的選擇和類別的劃分科學合理、切實可行。因此制定毛竹種子分級標準時，以發(fā)芽率和生活力為主要分級指標；因凈度是種子播種品質的重要指標，對種子生活力的保存有較大影響，在第2主成分中，穎果長度和種子凈度發(fā)揮主要作用，故將種子凈度和穎果長度作為重要參考指標；種子含水量、穎果寬度和千粒重作為一般參考指標。

圖1 毛竹種子聚類分析Fig.1 Clustering analysis of P.edulis seeds

表7 毛竹種子分級指標方差分析結果Tab.7 Analysis of variance on P.edulis seed indexes

2．3．5 種子級別臨界值

Ⅰ級種子生活力≥90．7%，發(fā)芽率≥84．5%；Ⅱ級種子生活力≥79．8%，發(fā)芽率≥67．3%（表8）。結合本研究結果與生產實際，各等級毛竹種子的含水量應在安全含水量范圍內，種子凈度應＞99．7%。

表8 毛竹種子質量等級劃分標準Tab.8 Grading standard of seed quality of P.edulis

3 討論與結論

成熟毛竹穎果呈針狀，果皮膜質，頂端加厚，淺灰褐色；種仁圓柱形，淺棕色，腹溝明顯。本研究中，毛竹穎果平均長度（24．170 mm）大于孫立方測得的穎果長度（23．6 mm）、穎果平均寬度（1．934 mm）小于孫立方測量平均值（2．3 mm）[8]；種仁長度（9．174 mm）大于喻富根等的結果（7．55 mm），種仁寬度（1．764 mm）大于喻富根等的結果（1．60 mm）[23]。研究結果與前人的研究不完全一致，可能是由于種子生長環(huán)境條件存在差異。種子是植物形態(tài)學分類的主要依據(jù)，也是植物的重要繁殖材料[24]。種子大小不僅受到嚴格的遺傳控制影響，還受到環(huán)境的影響；由于地理阻隔和自然環(huán)境的長期作用，不同種群間的植物種子可能存在較大的表型差異[25]。本研究結果表明，不同種源毛竹種子的穎果長度、穎果寬度、種仁長度、種仁寬度和種芒長度差異極顯著（P＜0．01），表明不同種源毛竹種子表型性狀差異較大，具有較為豐富的遺傳基礎，遺傳改良潛力大。

變異系數(shù)可以評價不同性狀間的變異程度，變異系數(shù)越大，表明性狀的離散程度越大[26]。本研究結果顯示，不同種源毛竹種子除穎果長度變異系數(shù)為7．3%外，其余表型性狀的變異系數(shù)為10．25% ～38．7%，表明不同種源毛竹種子表型性狀整體離散程度較高，存在豐富的變異。穎果寬度變異系數(shù)最大，說明該性狀受環(huán)境影響大。毛竹穎果長度變異范圍最?。?．3%），說明穎果長度遺傳性狀較為穩(wěn)定，受環(huán)境的影響較小。

種子是植物生產最基本的物質基礎，其質量將直接影響植物的產量和質量，制定種子分級標準是保障種子質量的有效途徑。本研究利用相關性、主成分分析確定毛竹種子分級標準的主要指標為種子發(fā)芽率和生活力，采用聚類分析法進行毛竹種子質量分級。將不同種源地的毛竹種子分為3個質量等級，Ⅰ級種子生活力≥90．7%，發(fā)芽率≥84．5%；Ⅱ級 種 子 生 活 力79．8% ～90．7%，發(fā) 芽 率67．3% ～84．5%；Ⅲ級種子生活力＜79．8%，發(fā)芽率＜67．3%。采用該標準進行分級，毛竹種子質量分級呈正態(tài)分布曲線，9 個不同種源種子，Ⅰ級種子占11．11%，Ⅱ級種子占55．56%，Ⅲ級種子占33．33%，Ⅰ級種子占比較低，這與采種母竹林管理粗放，導致毛竹種子質量差、產量低的現(xiàn)狀一致，說明本研究制定的毛竹種子的分級是科學、可行的，可操作性強。

本研究結果表明不同種源毛竹種子表型性狀和種子質量差異大，說明毛竹種子質量與種源地立地條件有著密切的聯(lián)系，深入研究栽培地氣候條件、坡位、坡向和土壤等立地條件對毛竹結實和種子質量的影響，對提高毛竹種子產量和質量有重要意義。