不同種源黃連木種子形態(tài)多樣性及地理變異分析

許澤楠，鄧偉，李娟娟，鄭佳慧，張子君，張曉曼，路丙社

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000)

黃連木(Pistaciachinensis)為漆樹(shù)科黃連木屬落葉小喬木，原產(chǎn)我國(guó)，分布很廣，北自河北、山東，南至廣東、廣西，東到臺(tái)灣，西南至四川、云南都有野生和栽培，耐干旱瘠薄，對(duì)土壤要求不高，枝干挺拔，樹(shù)形優(yōu)美，是極具開(kāi)發(fā)前景的鄉(xiāng)土觀賞樹(shù)種[1]。黃連木的應(yīng)用價(jià)值比較廣泛，不僅可用作阿月渾子的嫁接砧木，而且果實(shí)含油率高達(dá)42.5%，既可以食用，又可以用于工業(yè)生產(chǎn)，是特有的木本油料和重點(diǎn)發(fā)展的生物質(zhì)能源樹(shù)種[2-4]。目前，前人關(guān)于黃連木的研究主要集中在資源調(diào)查及評(píng)價(jià)、生物能源利用和栽培繁育技術(shù)等方面，而關(guān)于不同種源黃連木種子形態(tài)特征的研究很少，僅陳隆升和王超等人比較了不同種源黃連木種子的形態(tài)差異，卻沒(méi)有進(jìn)一步分析差異產(chǎn)生的原因[5-9]。本研究以13個(gè)種源黃連木種子為材料，以探討不同種源黃連種子的形態(tài)差異及地理變異規(guī)律，初步篩選黃連木種源，以期為后續(xù)開(kāi)展優(yōu)良種質(zhì)和苗木繁育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2020年9月，成熟黃連木種子分別采自于河北、河南、山東和江蘇，種源地信息見(jiàn)表1。

表1 不同黃連木居群信息Table 1 Source information of different Pistacia chinensis

各個(gè)居群的氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)中心。每個(gè)種源地選結(jié)實(shí)能力較強(qiáng)，且生長(zhǎng)發(fā)育良好，樹(shù)干挺拔優(yōu)美，沒(méi)有病蟲(chóng)危害的壯年黃連木作為母樹(shù)，選3～5株分別采種，每2株之間間隔大于20 m。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 (1)橫徑、縱徑：每個(gè)種源黃連木隨機(jī)抽取50粒種子，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量其橫徑和縱徑，精確到0.01 mm，并計(jì)算橫縱徑之比。

(2)種子千粒重：按照《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》，每組1 000粒，每個(gè)種源重復(fù)3次，計(jì)算種子千粒重[10]。

1.2.2 種子品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 (1)種子含水量：按照《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》，采用烘干法，溫度為(100±2) ℃，17 h，3次重復(fù)[10]。

(2)萌發(fā)指標(biāo)：黃連木種子經(jīng)過(guò)沙藏100 d后，然后分別取出，每個(gè)種源50粒為1組， 3次重復(fù)。所有種子經(jīng)過(guò)0.15%的高錳酸鉀消毒后，放在培養(yǎng)皿中，然后在恒溫光照培養(yǎng)箱等待萌發(fā)。每天定時(shí)進(jìn)行觀察，計(jì)算萌發(fā)的種子數(shù)。直至種子萌發(fā)完全，統(tǒng)計(jì)總的萌發(fā)時(shí)間，并計(jì)算不同種源的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

發(fā)芽勢(shì)(%)=(發(fā)芽第10天種子的萌發(fā)數(shù)/供試種子數(shù))×100%

(1)

發(fā)芽率(%)=(全部的種子的萌發(fā)數(shù)/供試種子數(shù))×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)Gi=∑(Gt/Dt)

(3)

式中：Gi表示發(fā)芽指數(shù)；Gt表示第t天的種子萌發(fā)數(shù)；Dt表示對(duì)應(yīng)的天數(shù)。

活力指數(shù)Vi=S×∑(Gt/Dt)=S×Gi

(4)

式中：S表示幼苗的生物量；Gi表示發(fā)芽指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析以及聚類(lèi)分析，然后通過(guò)隸屬函數(shù)法和主成分分析對(duì)種子的形態(tài)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種源黃連木種子形態(tài)指標(biāo)比較

種子的表型性狀一般比較穩(wěn)定，在一定程度上可以作為林木類(lèi)別和遺傳研究的一種重要指標(biāo)[11]。不同種源黃連木種子形態(tài)指標(biāo)比較，見(jiàn)表2。

表2 不同種源黃連木種子形態(tài)指標(biāo)比較Table 2 Comparison of morphological indexes of Pistacia chinensis seeds from different provenances

由表2可知，不同種源黃連木種子的橫徑、縱徑、橫縱徑比和千粒重均存在顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明黃連木種子在種群間的遺傳變異豐富。其中，橫徑介于4.62～6.37 mm之間，最短為白芟種源，最長(zhǎng)為新鄉(xiāng)種源，新鄉(xiāng)種源是白芟種源的1.38倍；縱徑介于5.70～7.57 mm之間，最短為沭陽(yáng)種源，最長(zhǎng)為新鄉(xiāng)種源，二者相差1.33倍；橫縱徑之比介于0.71～0.89之間，最小為白芟種源，最大為紅鶴種源，二者相差1.25倍；千粒重介于78.27～175.82 g之間，最大為紅鶴種源，最小為沭陽(yáng)種源，前者是后者的2.25倍。從變異系數(shù)來(lái)看，橫徑的變異系數(shù)最小，千粒重的變異系數(shù)最大，介于3.32%～9.88%之間，說(shuō)明黃連木種子形態(tài)指標(biāo)在種源內(nèi)的變異不明顯，具有較高的穩(wěn)定性。

2.2 不同種源黃連木種子品質(zhì)指標(biāo)比較

種子的含水量、發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)都是衡量種子品質(zhì)好壞的重要指標(biāo)。不同種源黃連木種子發(fā)芽指標(biāo)比較，見(jiàn)表3。

表3 不同種源黃連木種子發(fā)芽指標(biāo)比較Table 3 Comparison of seed germination index of Pistacia chinensis from different provenances

由表3可知，不同種源黃連木種子的含水量、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均存在顯著差異(P<0.05)。黃連木種子的含水量范圍為14.99%～25.17%，最大為紅鶴種源，最小為曲陽(yáng)種源，二者相差10.18%；發(fā)芽勢(shì)范圍為14.67%～63.67%，紅鶴種源的最高，為63.67%，白芟種源的最低，為14.67%，前者是后者的4.34倍；發(fā)芽率范圍為34%～89%，最高的仍是紅鶴種源，最低的仍是白芟種源，前者是后者的2.62倍。

種子發(fā)芽指數(shù)在一定程度上代表著種子的發(fā)芽速率和齊性，發(fā)芽指數(shù)越高，證明種子萌發(fā)速度較快且整齊，反之，則萌發(fā)速度較慢且參差不齊。種子的活力指數(shù)不僅能反映種子的萌發(fā)能力，還反映了黃連木幼苗對(duì)于外部環(huán)境的適應(yīng)性[12]。由表3可知，發(fā)芽指數(shù)范圍為41.48～134.03，紅鶴種源最大，白芟種源最小，二者相差3.23倍；活力指數(shù)范圍為5.47～61.70，南果種源最大，曲陽(yáng)種源最小，二者相差11.28倍。

2.3 不同種源黃連木種子指標(biāo)的主成分分析

通過(guò)對(duì)不同種源黃連木種子的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同種源黃連木種子指標(biāo)的主成分分析結(jié)果Table 4 Principal component analysis results of Pistacia chinensis seed indexes from different provenances

由表4可知，第1主成分特征值為5.914，方差貢獻(xiàn)率為65.711；第2主成分特征值為1.226，方差貢獻(xiàn)率為13.620；第3主成分特征值為1.051，方差貢獻(xiàn)率為11.676。3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.007，因此選擇前3個(gè)主成分進(jìn)行分析。

3個(gè)主成分的初始因子載荷矩陣矩陣，見(jiàn)表5。

表5 初始因子載荷矩陣Table 5 Initial factor load matrix

由表5可知，橫徑、縱徑、橫縱徑之比、千粒重、種子含水量、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)共9個(gè)指標(biāo)在3個(gè)主成分中均有較高載荷，可以從整體上反映出黃連木種子的質(zhì)量。

通過(guò)主成分分析結(jié)果，對(duì)13個(gè)種源黃連木種子進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同種源黃連木種子的主成分分析結(jié)果Table 6 Principal component analysis results of Pistacia chinensis seeds from different provenances

由表6可知，紅鶴種源和南果種源的黃連木種子質(zhì)量較好，白芟種源和曲陽(yáng)種源的表現(xiàn)較差。按照綜合得分由高到低，對(duì)13個(gè)種源進(jìn)行排序，依次為：紅鶴、南果、新鄉(xiāng)、紅旗、濰坊、東崗、唐縣、固新、沭陽(yáng)、駕游、卜連、曲陽(yáng)、白芟。

2.4 不同種源黃連木種子指標(biāo)的隸屬函數(shù)分析

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對(duì)13個(gè)種源的種子質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果如表7所示。

表7 不同種源黃連木種子質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)Table 7 Comprehensive evaluation of Pistacia chinensis seed quality from different provenances

由表7可知，根據(jù)隸屬函數(shù)值大小排序依次為：紅鶴>南果>紅旗>濰坊>新鄉(xiāng)>東崗>固新>沭陽(yáng)>唐縣>駕游>卜連>曲陽(yáng)>白芟。其中紅鶴種源和南果種源在橫縱徑之比、種子含水量、千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)上的數(shù)值均較大，說(shuō)明紅鶴種源和南果種源的種子整體質(zhì)量較好；白芟種源和曲陽(yáng)種源在橫徑、橫縱徑之比、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)上的數(shù)值均較小，說(shuō)明種子質(zhì)量較差，這與前面的主成分分析結(jié)果保持一致。

2.5 不同種源黃連木種子指標(biāo)聚類(lèi)分析

通過(guò)對(duì)13個(gè)種源黃連木種子的形態(tài)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)共9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同種源黃連木種子指標(biāo)聚類(lèi)分析Figure 1 Cluster analysis of Pistacia chinensis seeds from different provenances

由圖1可知，當(dāng)歐式距離大約為7.0時(shí)，13個(gè)黃連木種子可以分為3大類(lèi)。第Ⅰ大類(lèi)包括紅鶴種源和南果種源；第Ⅱ大類(lèi)包括東崗種源、紅旗種源、濰坊種源和沭陽(yáng)種源；第Ⅲ大類(lèi)包括卜連種源、曲陽(yáng)種源、白芟種源、唐縣種源、新鄉(xiāng)種源、駕游種源和固新種源。

聚類(lèi)后，各大類(lèi)種子的形態(tài)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)，如表8所示。

表8 不同種源黃連木種子聚類(lèi)分析結(jié)果(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)Table 8 Cluster analysis results of Pistacia chinensis seeds from different provenances (Mean±SE)

由表8可知，第Ⅰ大類(lèi)的種子的縱徑、橫徑、千粒重、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的數(shù)值均較大，而第Ⅲ大類(lèi)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值較其他大類(lèi)明顯偏低。可見(jiàn)，各大類(lèi)的黃連木種子性狀產(chǎn)生了較大的差異，而產(chǎn)生這種差異的原因可能是受到原種源地地理位置和氣候因子等方面的影響。

2.6 種子指標(biāo)和環(huán)境因子的相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)不同種源黃連木種子指標(biāo)與環(huán)境因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表9所示。

表9 不同種源黃連木種子指標(biāo)與環(huán)境因子相關(guān)分析Table 9 Correlation analysis between seed indexes and environmental factors of Pistacia chinensis from different provenances

由表9可知，種子的橫徑與年均最低溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；種子的縱徑與海拔呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與年降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；橫縱徑之比和千粒重與環(huán)境因子沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明黃連木的種子形態(tài)不僅受到遺傳物質(zhì)影響，還受地理環(huán)境的影響。發(fā)芽勢(shì)與年均溫度和年均最低溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而種子含水量和活力指數(shù)與海拔呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。隨著年降水量的增加，種子的縱徑呈逐漸減小的趨勢(shì)；而隨著年均溫度和年均最低溫的升高，黃連木種子的發(fā)芽勢(shì)和橫徑都呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。綜上所述，不同種源黃連木種子性狀間的差異不僅是由豐富的遺傳分化引起的，同時(shí)還受到降水量、溫度等地理環(huán)境因子的影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

林木種子具有比較穩(wěn)定的遺傳特性，對(duì)林木分類(lèi)與親緣關(guān)系研究都有重要意義，種子性狀變異研究對(duì)于開(kāi)展優(yōu)良種質(zhì)篩選與保存都非常重要[13-14]。在本研究中，黃連木的種子性狀變異十分豐富，均存在顯著差異，說(shuō)明不同種源黃連木具有明顯的遺傳分化，篩選優(yōu)質(zhì)種源的潛力較大。這也與浙江楠、花楸樹(shù)、沙棘和棕櫚等樹(shù)木的研究結(jié)果一致[15-18]。不同地區(qū)的同一樹(shù)種，由于地理環(huán)境的影響，產(chǎn)生豐富的遺傳變異，并且通過(guò)穩(wěn)定的遺傳物質(zhì)反映在種子的性狀方面[19-21]。因此，在林業(yè)研究中，根據(jù)種子的地理變異規(guī)律和遺傳分化的差異，進(jìn)行優(yōu)良種質(zhì)篩選，對(duì)充分利用林木資源和改良林木品質(zhì)具有重要意義[22-24]。

常恩福等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鐵橡櫟種子表型性狀存在顯著差異，受自身遺傳物質(zhì)影響，與地理環(huán)境因子無(wú)明顯關(guān)系[25]。陳隆升等人雖然對(duì)不同種源黃連木種子的形態(tài)特征進(jìn)行了研究，但沒(méi)有很好的說(shuō)明種子性狀產(chǎn)生差異的原因到底是環(huán)境造成的還是自身的遺傳物質(zhì)引起的[8]。本試驗(yàn)表明，不同種源黃連木種子的性狀差異受原種源地地理氣候環(huán)境的影響，尤其是降水量和溫度等因素。此外，汪洋等人通過(guò)研究表明，不同地區(qū)的油松種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度相差較大，這可能是由遺傳物質(zhì)和地理環(huán)境因子等因素導(dǎo)致的[26]。高成杰等人的研究表明，種源間種子萌發(fā)性能的變化與種子質(zhì)量有關(guān)，而種子質(zhì)量又受到種子成熟過(guò)程中遺傳因素和環(huán)境因子的控制[27]。本試驗(yàn)中，白芟和紅鶴種源的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)存在明顯的變異，而這種變異是由種源本身的遺傳物質(zhì)導(dǎo)致的，這與前人的研究結(jié)果一致。

3.2 結(jié)論

本研究表明，不同種源黃連木種子性狀間差異受遺傳分化及降水量、溫度等環(huán)境因子的影響。13個(gè)種源黃連木種子形態(tài)指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)均存在顯著差異，紅鶴和南果種源綜合評(píng)價(jià)較高，白芟和曲陽(yáng)種源較差。13種黃連木聚為3類(lèi)，第Ⅰ大類(lèi)包括紅鶴種源和南果種源；第Ⅱ大類(lèi)包括東崗種源、紅旗種源、濰坊種源和沭陽(yáng)種源；第Ⅲ大類(lèi)包括卜連種源、曲陽(yáng)種源、白芟種源、唐縣種源、新鄉(xiāng)種源、駕游種源和固新種源。由于原種源地地理位置和氣候因子等方面的影響，各分支種子性狀產(chǎn)生較大差異。種子縱徑隨降水量增加逐漸減??；種子含水量和活力指數(shù)隨海拔升高而逐漸增高；發(fā)芽勢(shì)和橫徑隨溫度升高呈增高趨勢(shì)。

不同種源黃連木種子的縱徑、橫徑、橫縱徑之比、種子含水量、千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均存在顯著性差異(P<0.05)。采用主成分分析和隸屬函數(shù)法對(duì)13個(gè)種源黃連木種子進(jìn)行綜合評(píng)估，其中紅鶴種源和南果種源的種子綜合評(píng)價(jià)更高，而白芟種源和曲陽(yáng)種源種子綜合評(píng)價(jià)則較差，二者的分析結(jié)果保持一致。聚類(lèi)分析表明，當(dāng)歐式距離大約為7.0時(shí)，13個(gè)黃連木種子可以分為3大類(lèi)，各大類(lèi)的種子性狀產(chǎn)生了較大的差異。相關(guān)性分析表明，隨著降水量的增加，種子的縱徑呈逐漸減小的趨勢(shì)；而隨著年均溫度的升高，黃連木種子的發(fā)芽勢(shì)和橫徑都呈現(xiàn)增高的趨勢(shì)。