貴州省野生皂莢種實(shí)表型性狀多樣性分析

田紅紅，楊 菊，陸春云，肖 楓，趙 楊*

(1 貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴陽550025; 2 貴州省森林資源與環(huán)境研究中心，貴陽 550025)

皂莢(GleditsiasinensisLam.)是豆科(Leguminosae)皂莢屬(Gleditsia)的高大落葉喬木，分布廣泛，喜溫暖濕潤(rùn)氣候及深厚肥沃稍濕潤(rùn)的土壤，具有較高的生態(tài)價(jià)值[1-3]。同時(shí)皂莢種子富含“皂角米”，是一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高、口感細(xì)膩、潤(rùn)滑的營(yíng)養(yǎng)保健食品[4-5]；皂角刺還可用作中藥[6]，因此皂莢具有很大的開發(fā)和應(yīng)用前景。

植物表型多樣性是環(huán)境多樣性與遺傳多樣性的綜合體現(xiàn)，它主要是研究種群在其生境內(nèi)受各種環(huán)境影響而產(chǎn)生的變異，是生物多樣性的重要研究?jī)?nèi)容[7]，表型性狀的研究具有快捷簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，至今在群體遺傳多樣性的研究中仍然是一個(gè)常用的方法[8]。國(guó)內(nèi)近年來對(duì)豆科植物扁蓿豆(Medicagoruthenica)[9]、鷹嘴豆(CicerarietinumL.)[10]，以及云南茶樹(CamelliasinensisL.)[11]、新疆野杏(ArmeniacavulgarisL.)[12]、垂珠花(StyraxdasyanthusPerkins)[13]等植物進(jìn)行表型多樣性研究，并在一定程度上解釋了其遺傳變異規(guī)律。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于皂莢的研究主要集中在種實(shí)運(yùn)動(dòng)[14]、引種栽培[15]、皂莢刺的發(fā)育[16]及其藥用成分[17]、以及抗逆性及種源試驗(yàn)[18]等方面，李偉等[19]在2013年研究了中國(guó)南方皂莢天然群體種實(shí)的表型多樣性，僅包含了貴州省兩個(gè)區(qū)域的皂莢群體，而對(duì)于貴州省內(nèi)皂莢資源的分布及群體內(nèi)的變異情況未做全面分析。因此本研究在全面調(diào)查貴州省皂莢資源分布區(qū)域的基礎(chǔ)上，對(duì)皂莢群體內(nèi)和群體間的種實(shí)表型多樣性、變異規(guī)律及相關(guān)性進(jìn)行了分析，以期為皂莢資源的挖掘、創(chuàng)新和保護(hù)提供科學(xué)支撐，對(duì)貴州省優(yōu)良皂莢品種選育及遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料來源以及采種地的自然條件

于2020年10～12月在貴州省皂莢自然分布區(qū)內(nèi)，按照貴州省行政區(qū)域?qū)⒃砬v群體進(jìn)行劃分，采集每個(gè)單株不同方位的莢果，記錄采集編號(hào)，置于室溫保存。采樣單株生長(zhǎng)健壯，且無明顯病蟲害或其他缺陷。觀測(cè)并記錄采種地地理信息，各皂莢野生群體的立地條件見表1。

表1 貴州省7個(gè)皂莢群體基本信息

1.2 表型性狀測(cè)定

從采集的單株中選取成熟的莢果，莢果在實(shí)驗(yàn)室自然陰干處理，每個(gè)單株隨機(jī)測(cè)定30個(gè)莢果及種子，用直尺測(cè)定莢果長(zhǎng)(pod length，PL)、莢果寬(pod width，PW)(最寬處直徑測(cè)量)，精確到0.01 cm，游標(biāo)卡尺測(cè)定莢果厚(pod thickness，PT)(最厚處測(cè)量)、種子長(zhǎng)(seed length，SL)、種子寬(seed width，SW)、種子厚(seed thickness，ST)，精確到0.01 mm。計(jì)算種子長(zhǎng)寬比(product seed aspect ratio，SL/SW)(形態(tài)指數(shù))、種子長(zhǎng)寬乘積(seed length plus width，SL×SW)(種子大小)。用0.001電子天平測(cè)量莢果質(zhì)量(pod mass，MP)，并記錄每莢粒數(shù)(number of seeds produced，PNS)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 軟件對(duì)皂莢各種實(shí)表型性狀數(shù)值進(jìn)行整理，并計(jì)算表型變異系數(shù)和多性狀綜合評(píng)價(jià)值。表型變異系數(shù)公式：CV(%) =σ/μ×100，式中σ為表型標(biāo)準(zhǔn)差,μ為某一行狀群體平均值。

參照葛頌等[20]的方法，采用SPSS tatistics 25軟件對(duì)各種實(shí)表型性狀進(jìn)行巢氏方差分析，方差線性模型為：Yijk=μ+Si+T(i)j+e(ij)k，式中，Yijk為第i 個(gè)群體第j個(gè)單株第k 個(gè)觀測(cè)值;μ為總均值;Si為種群效應(yīng)(固定);T(i)j為群體內(nèi)單株效應(yīng)(隨機(jī));e(ij)k為試驗(yàn)誤差；

群體間表型分化系數(shù)的定義和分析參照王婭麗[21]的方法。表型分化系數(shù)公式為：VST=(σ2t/s)/(σ2t/s+σ2s)，式中σ2t/s為群體間方差分量，σ2s為群體內(nèi)方差分量，VST表示群體間變異占遺傳總變異的百分比。

利用ggbiplot package進(jìn)行主成分分析(Principal components analysis，PCA)及各表型性狀間的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 貴州省野生皂莢各群體表型性狀的平均值

貴州省7個(gè)皂莢群體的莢果和種子表型性狀的差異見表2，不同群體間各表型性狀均存在不同程度的差異。

表2 野生皂莢群體各表型性狀的平均值

在莢果表型性狀中，惠水縣(P7)群體的莢果質(zhì)量(25.89 g)、莢果長(zhǎng)(24.55 cm)、莢果寬(31.84 mm)均最大，總體顯著大于安順市(P1)和貴陽市(P3)兩個(gè)群體；獨(dú)山縣(P6)群體的莢果厚(9.03 mm)最小，且顯著小于貴陽市(P3)和惠水縣(P7)兩個(gè)群體。在5個(gè)種子表型性狀中，思南縣(P5)的種子寬(9.74 mm)最大，與福泉市(P2)和貴陽市(P3)2個(gè)群體無顯著差異，與安順市(P1)、凱里市(P4)、惠水縣(P7)3個(gè)群體差異顯著，獨(dú)山縣(P6)群體其余種子性狀平均值均為最大，且與其他幾個(gè)群體差異顯著。

2.2 皂莢表型性狀的方差分析

皂莢各表型性狀的方差分析結(jié)果表明，除每莢粒數(shù)、種子寬、種子長(zhǎng)寬積及種子長(zhǎng)寬比在群體間未達(dá)到顯著水平外，其余表型性狀的分析指標(biāo)在群體間和群體內(nèi)均達(dá)極顯著水平(表3)。說明皂莢的莢果表型性狀在群體間和群體內(nèi)都具有較高的多樣性，而種子的表型性狀在群體內(nèi)表現(xiàn)出更高的多樣性。

表3 皂莢各群體間及群體內(nèi)莢果和種子表型性狀的方差分析

F值的大小表現(xiàn)了結(jié)果可靠性的高低，在一定程度上反映了不同表型性狀在群體間和群體內(nèi)差異情況。因此皂莢群體間種子厚變異最為豐富，莢果寬和莢果厚的變異程度較?。蝗后w內(nèi)莢果厚的變異指數(shù)最高，其變異最豐富，而莢果長(zhǎng)的變異最小。

2.3 皂莢表型性狀變異分析及群體間表型分化

由表4可見，皂莢群體10個(gè)表型性狀的變異系數(shù)存在較大差異，平均變異系數(shù)為21.16%，平均變異幅度為8.76%～41.59%。在各表型性狀中，群體間莢果的變異(29.22%)高于種子的變異(11.04%)，變異系數(shù)最大為莢果質(zhì)量(41.59%)，種子長(zhǎng)(9.41%)及種子寬(8.76%)的變異程度較小，說明在皂莢各群體間種子的表型性狀更趨于穩(wěn)定。此外皂莢種實(shí)表型性狀在不同群體間的變異程度也不同，平均表型變異幅度為16.96%～24.44%，惠水(P6)群體的平均變異系數(shù)低于其他各群體，說明其表型多樣性較低，而凱里(P4)群體的平均變異系數(shù)高于其他群體，說明P4的表型多樣性高于其他群體。

表4 皂莢野生群體各表型性狀的表型變異系數(shù)

按巢式設(shè)計(jì)方差分量比組成分析了各方差分量占總變異的比例以及表型分化系數(shù)VST。表5表明群體間的方差占9.91%，群體內(nèi)的方差占17.45%；皂莢形態(tài)性狀的VST變異幅度為17.8494%～57.5813%，其中種子長(zhǎng)、種子厚的VST較大，VST最小的為單莢籽數(shù)；皂莢10個(gè)形態(tài)性狀群體間的平均VST為36.51%，說明皂莢在群體間的表型變異的貢獻(xiàn)率為36.51%，群體內(nèi)的貢獻(xiàn)率為63.49%，群體內(nèi)的變異大于群體間的變異，群體間多樣性小于群體內(nèi)多樣性，且群體內(nèi)變異是皂莢種實(shí)形態(tài)性狀變異的主要來源。

表5 皂莢形態(tài)性狀的方差分量及群體間表型分化系數(shù)

2.4 皂莢各表型性狀間的相關(guān)性

對(duì)群體間所有個(gè)體進(jìn)行種實(shí)表型性狀間的相關(guān)性分析，結(jié)果(圖1)表明，莢果質(zhì)量與莢果長(zhǎng)、莢果寬、莢果厚、單莢籽數(shù)、種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚、種子長(zhǎng)寬積與種子長(zhǎng)寬比10個(gè)指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，且莢果質(zhì)量、莢果長(zhǎng)、莢果寬與單莢籽數(shù)各指標(biāo)之間的相關(guān)性均達(dá)極顯著正相關(guān)水平，從種子表型性狀來看，種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚與種子長(zhǎng)寬積這4者之間互為極顯著正相關(guān)水平；種子長(zhǎng)寬比與種子長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)(r= 0.61)，與種子寬呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.52)。

***表示0.001水平顯著差異，**表示0.01水平差異顯著；*表示0.05水平差異顯著圖1 皂莢莢果和種子表型性狀間相關(guān)分析*** mean significant differences at 0.001 level; ** mean significant differences at 0.01 level; *mean significant differences at 0.05 levelFig.1 Correlation analysis of different provenances of pod and seed of G. sinensis

2.5 皂莢各表型性狀間的主成分分析

對(duì)貴州省7個(gè)皂莢群體進(jìn)行主成分分析，結(jié)果(表6)顯示：前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)69.783%，表明前4個(gè)主成分可基本反映皂莢表型性狀的大部分信息。

表6 皂莢野生群體各表型性狀的主成分分析

第1主成分的貢獻(xiàn)率為25.971%，在10個(gè)表型性狀中，特征向量值較高的性狀為種子長(zhǎng)(0.855)、種子寬(0.683)、種子長(zhǎng)寬積(0.931)，說明第1主成分主要反映皂莢種子大小。第2主成分的貢獻(xiàn)率為17.447%，其大小主要由莢果重(0.646)、單莢籽數(shù)(0.616)決定，說明主要解釋了皂莢單個(gè)莢果出籽數(shù)的大??；第3主成分的貢獻(xiàn)率為15.887%，其大小主要由種子長(zhǎng)、種子長(zhǎng)寬比解釋，可命名為皂莢種子形態(tài)指數(shù)因子；第4主成分的貢獻(xiàn)率為10.478%，與莢果長(zhǎng)、種子厚相關(guān)。

2.6 皂莢各群體的多性狀綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)相關(guān)性、主成分分析結(jié)果，以皂莢10個(gè)種實(shí)表型性狀為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)貴州省7個(gè)群體進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用公式計(jì)算綜合得分(Qn)[22]，并以Qn值的大小反映不同群體皂莢種實(shí)性狀綜合評(píng)價(jià)高低。綜合得分計(jì)算公式為：Qn=0.2597Q1+0.1745Q2+0.1589Q3+0.1048Q4

皂莢各群體種實(shí)性狀Q值見表7。依據(jù)種實(shí)性狀為選擇指標(biāo)，對(duì)7個(gè)野生皂莢群體進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其排名為：P7>P6>P4>P2>P5>P3>P1，惠水(P7)群體綜合表現(xiàn)最優(yōu)，其莢果質(zhì)量、莢果長(zhǎng)、莢果寬、莢果厚、單莢籽數(shù)、種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚和種子長(zhǎng)寬積的平均值(表2)分別高于總體平均值(22.39%、11.59%、6.46%、11.47%、4.21%、1.28%、1.18%、0.40%和3.95%)；相較于得分最低的安順(P1)群體，惠水(P7)群體各表型性狀平均值分別高出78.80%、26.48%、21.85%、14.08%、10.25%、8.40%、7.23%、9.02%、15.55%和0.72%。

表7 皂莢野生群體的多性狀綜合評(píng)價(jià)

3 討 論

3.1 皂莢的表型分化情況

表型性狀是資源收集、保存、鑒定和利用的基礎(chǔ)[23]，植物形態(tài)指標(biāo)既具有變異性，又有其穩(wěn)定性，是個(gè)體基于內(nèi)在基因?qū)Νh(huán)境變化所做出的形態(tài)調(diào)整，是植物對(duì)環(huán)境異質(zhì)性的一種適應(yīng)，同時(shí)受植物自身遺傳物質(zhì)和生態(tài)環(huán)境兩方面的影響[24-25]，可在一定程度上反映物種的遺傳多樣性。關(guān)于表型多樣性的研究國(guó)外早在20世紀(jì)60、70年代就已經(jīng)很成熟，早期主要研究經(jīng)濟(jì)和速生類植物的表型多樣性，揭示了美國(guó)黃松、班克松和美國(guó)五針?biāo)缮L(zhǎng)速度的相對(duì)變量在種源間大于家系間[26-27]。

本研究對(duì)貴州省7個(gè)皂莢群體進(jìn)行了表型形態(tài)上的相關(guān)分析，方差分析結(jié)果表明，皂莢種實(shí)的10個(gè)形態(tài)性狀在群體內(nèi)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，每莢粒數(shù)、種子寬、種子長(zhǎng)寬積及種子長(zhǎng)寬比這4個(gè)形態(tài)性狀在群體間達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，與姜英等[28]研究香合歡在不同種源間的種子千粒重、種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚和長(zhǎng)寬比差異顯著結(jié)果相似，各種實(shí)形態(tài)性狀差異顯著，說明皂莢種實(shí)形態(tài)性狀具有豐富的多樣性。從各群體的形態(tài)性狀平均值來看，惠水群體平均值最大，而獨(dú)山群體的種子性狀平均值更大，說明皂莢群體間各形態(tài)性狀有著明顯的差異性，皂莢群體內(nèi)的變異更高，遺傳多樣性更豐富。

3.2 皂莢種實(shí)性狀表型變異豐富

變異系數(shù)包括表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)，表型變異系數(shù)直接反映表型性狀的變異程度[29]，間接表明表型多樣性的豐富度，即變異系數(shù)越大，其性狀變異程度越高，表型多樣性越豐富。在皂莢10個(gè)表型性狀中，平均變異系數(shù)為21.16%，平均變異幅度為8.76%～41.59%，群體間莢果的變異(29.22%)高于種子的變異(11.04%)，說明種子的穩(wěn)定性好，變異系數(shù)最大為莢果質(zhì)量(41.59%)，而種子長(zhǎng)(9.41%)及種子寬(8.76%)的變異程度較小，不同群體間莢果的差異較大，種子的表型性狀更趨于穩(wěn)定，這與李偉等[19]的研究結(jié)果相似。本次采集的貴州省7個(gè)皂莢群體中，凱里群體的平均變異系數(shù)最大，其皂莢種實(shí)表型多樣性最豐富，獨(dú)山群體的變異系數(shù)較低，其表型多樣性程度較低，這與獨(dú)山群體種子性狀表達(dá)更高相符合。

群體內(nèi)的多樣性是種內(nèi)多樣性的重要組成部分[30]，本研究發(fā)現(xiàn)皂莢群體內(nèi)的變異(63.49%)大于群體間的變異(36.51%)，說明群體間的多樣性低于群體內(nèi)的多樣性，變異來自于群體內(nèi)，與蘭彥平[31]、李偉[19]的研究結(jié)果一致，本研究中皂莢的平均分化系數(shù)為36.51%，低于砂生槐(Sophoramoorcroftiana)(39.25%)、國(guó)槐(SophorajaponicaL.) (53.11%)、香合歡(Albiziaodoratissima)(47.36%)，高于紫荊 (CerischinensisBge.)(32.3%)[32-35]，與以上植物相比，皂莢群體間的表型分化系數(shù)處于中等水平。

3.3 皂莢群體間各表型性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)分析是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上有相關(guān)性的變量進(jìn)行分析，從而確定變量之間的相關(guān)程度[36]，本研究中皂莢的10個(gè)表型性狀具有一定程度的相關(guān)性，莢果質(zhì)量與莢果長(zhǎng)、莢果寬、莢果厚、單莢籽數(shù)、種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚、種子長(zhǎng)寬積與種子長(zhǎng)寬比10個(gè)指標(biāo)之間呈極顯著正相關(guān)，莢果質(zhì)量的大小是由莢果多個(gè)性狀指標(biāo)決定，從種子表型性狀來看，種子長(zhǎng)、種子寬、種子厚與種子長(zhǎng)寬積這4個(gè)之間互為極顯著正相關(guān)水平，當(dāng)種子的長(zhǎng)寬指數(shù)越大時(shí)，其種子的形態(tài)大小也更大，從而莢果的表現(xiàn)也越長(zhǎng)、越寬，在后續(xù)相關(guān)育種工作中，可以通過遺傳改良莢果的性狀從而讓種子形態(tài)更滿足生產(chǎn)需要。

3.4 皂莢群體的主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

皂莢莢果形態(tài)多樣、表型性狀較多，良種選育不明確，利用主成分分析可考察多個(gè)表型性狀間的相關(guān)性，能在盡可能保留原有形態(tài)性狀信息的前提下，利用較少的綜合指數(shù)代替原先較多的變量，從而簡(jiǎn)化形態(tài)性狀的分類工作[37]。在本研究中，前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)69.783%，表明前4個(gè)主成分可基本反映皂莢表型性狀的大部分信息。也是反映皂莢表型性狀差異的主要因子，可作為皂莢多樣性保護(hù)、性狀改良及選育中主要的觀測(cè)性狀。依據(jù)相關(guān)性、主成分分析結(jié)果，以皂莢10個(gè)種實(shí)表型性狀為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)貴州省7個(gè)群體進(jìn)行評(píng)價(jià)，惠水縣群體的綜合表型性狀最好。在今后的皂莢優(yōu)株遺傳改良工作中，優(yōu)良個(gè)體和單株的選擇改良是一條有效的途徑，能夠加速皂莢選育的進(jìn)程。

綜上所述，貴州省皂莢野生群體的表型性狀群體間及群體內(nèi)都存在豐富的遺傳多樣性。植物的表型性狀存在一定的環(huán)境可塑性，是其適應(yīng)環(huán)境因子的一種表現(xiàn)[38]，在皂莢野生資源的保護(hù)過程中，可選取表型性狀差異較大的群體進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)取樣，并依據(jù)育種目標(biāo)篩選適宜的育種材料，改良不同的莢果形態(tài)達(dá)到育種目的。

有關(guān)植物遺傳多樣性的研究方法，從表型、生理生化發(fā)展到分子水平。表型性狀具有直觀、方便、快速等特點(diǎn)，但是從表型研究物種資源的多樣性具有片面性[39]。本研究從皂莢10個(gè)表型性狀作為切入點(diǎn)，研究分析了其多樣性水平，在之后的工作中，可結(jié)合表型多樣性從分子水平進(jìn)行深入研究，明確貴州省皂莢資源的內(nèi)在遺傳多樣性水平。