基于葉片和果實性狀的糠椴天然居群表型變異及多樣性分析

穆懷志 王清玉 張 玥 呂松瞳 靳旭紅 張 驍 夏富才*

（1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 132013； 2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計研究院，長春 130022）

糠椴（Tilia mandshurica）為椴樹科（Tiliaceae）椴樹屬（Tilia）高大喬木，主要分布在中國東北、朝鮮半島以及俄羅斯西伯利亞南部地區(qū)，其樹形通直、樹姿美麗，是珍貴的闊葉用材和綠化樹種；糠椴為蟲媒花，主要通過蜜蜂采蜜過程中進(jìn)行傳粉，是東北地區(qū)重要的蜜源樹種［1］。然而長期不合理的采伐，導(dǎo)致糠椴資源遭受嚴(yán)重破壞［2］。目前，糠椴天然居群處于生長衰退期，自然更新缺乏，個體數(shù)量不斷減少，加之現(xiàn)有天然居群的背景和多樣性水平不清晰，導(dǎo)致糠椴種質(zhì)資源的保護(hù)及改良受到嚴(yán)重制約［3］。

植物的表型性狀具有環(huán)境可塑性，反映了植物對環(huán)境因子的適應(yīng)程度，是研究植物變異和進(jìn)化的重要標(biāo)記［4-5］。天然居群表型性狀的變異及多樣性能夠反映居群變異的大小，是揭示居群適應(yīng)性的有效途徑［6-7］。近年來，眾多學(xué)者開展了植物天然種群變異和多樣性研究。樓明祝等［8］調(diào)查了新疆9 個野生黃花苜蓿（Medicago falcata）居群的22個表型性狀，發(fā)現(xiàn)黃花苜蓿變異豐富，其變異主要來自居群間。米老排（Mytilaria laosensis）各表型性狀在種源內(nèi)的變異均大于種源間的變異，種源間平均表型分化系數(shù)高達(dá)35.10%［9］。無患子（Sapindus mukorossi）天然居群內(nèi)的多樣性高于居群間，Nei’s 多樣性指數(shù)分別為0.390 9 和0.298 0［10］。上述研究為植物種質(zhì)資源保存提供參考。目前，關(guān)于糠椴表型多樣性缺乏全面且深入的研究。針對這一問題，本研究對東北地區(qū)8個糠椴天然居群的11 個葉片和果實表型性狀進(jìn)行分析，探討各表型性狀的變異和多樣性，以期為糠椴種源區(qū)劃和糠椴天然林可持續(xù)保護(hù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在東北林區(qū)的糠椴天然分布區(qū)內(nèi)選擇東豐、輝南、敦化、琿春、樺甸、龍?zhí)?、蛟河和蘿北8個天然居群，分別位于吉林省遼源市、通化市、延邊朝鮮族自治州、吉林市和黑龍江省鶴崗市。各居群生境概況見表1。

表1 供試糠椴天然居群生境概況Table 1 Habitat status of T.mandshurica natural populations tested

參照嚴(yán)靈君等［11］的研究方法以及蜜蜂授粉的有效范圍［12］，于2022 年9 月末至10 月初糠椴果實成熟期，在每個糠椴天然居群中隨機(jī)選取10 株生長正常、無嚴(yán)重缺陷、無病蟲害的糠椴單株作為采樣株。采樣株樹齡30 a 以上，胸徑不低于12 cm，樹高不低于10 m，采樣株間距30 m 以上。在每個糠椴采樣株的向陽方向采集樹冠中部的枝條，選取枝條中部的成熟葉片和果實各10 枚，放入帶有冰袋的保溫箱中用于表型性狀測定。

1.2 葉片和果實性狀測定

利用Microtek 便攜式掃描儀（ScanMaker i800 Plus，上海）測量葉長、葉寬、葉柄長和葉柄寬，利用游標(biāo)卡尺測量果實縱徑、果實橫徑、果柄長、苞葉長、苞葉寬、苞果合生長、果序柄長，測量精確到0.1 mm。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SAS v9.21 軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用嵌套模型對不同糠椴居群的表型性狀進(jìn)行方差分析，并利用Duncan 法進(jìn)行多重比較［13］。在此基礎(chǔ)上，采用表型分化系數(shù)分析糠椴表型性狀差異的主要來源［14］；利用變異系數(shù)反映糠椴不同表型性狀的變異程度［15］；采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)分析糠椴居群表型性狀的多樣性程度［16］；利用主成分分析對糠椴居群進(jìn)行評價［17］；采用Ward 法對糠椴居群進(jìn)行聚類分析［18］。

方差分析的線性模型為：

式中：Yijk為第i個天然居群，第j個采樣株，第k個性狀的測量值；μ為模型截距對模型的影響；Si為第i個天然居群對模型的影響；T()i j為嵌套在第i個天然居群內(nèi)第j個采樣株對模型的影響；zijk為系統(tǒng)誤差對模型的影響。

表型分化系數(shù)計算公式為：

式中:Vst為表型分化系數(shù)；δ2t s為居群間的方差分量；δ2s為居群內(nèi)的方差分量；S表示天然居群；t表示天然居群的單株。

變異系數(shù)計算公式為：

式中:CV為變異系數(shù)；S為表型標(biāo)準(zhǔn)差；xˉ為某一性狀群體平均值。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計算公式為：

式中：H′為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；Pi為某一性狀第i級材料內(nèi)分布頻率的有效百分比。

主成分分析綜合指數(shù)計算公式為：

式中：Y為綜合指數(shù)；m為每個主成分組下指標(biāo)數(shù)；n為每組下各指標(biāo)總樣本數(shù)；Wij為第j指標(biāo)第i樣本的權(quán)重數(shù)；Hij為第j指標(biāo)第i樣本原始數(shù)據(jù)正規(guī)化后的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 糠椴居群表型差異

對糠椴居群間和居群內(nèi)的葉片和果實性狀進(jìn)行方差分析（見表2），結(jié)果表明：葉長、葉寬、葉柄長和葉柄寬在居群間和居群內(nèi)的差異均達(dá)到極顯著水平，果實縱徑、果實橫徑、果柄長、苞葉寬、苞葉長、苞果合生長和果序柄長在居群間和居群內(nèi)的差異也均達(dá)到極顯著水平。為了進(jìn)一步明確糠椴居群間和居群內(nèi)表型性狀的差異，對各性狀的方差分量和表型分化系數(shù)進(jìn)行計算（見表3），發(fā)現(xiàn)各性狀居群間的方差分量百分比均大于居群內(nèi)，說明居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。居群間，果實橫徑的方差分量百分比最大（79.49%），葉寬的方差分量百分比最小（56.87%）；居群內(nèi)，葉長的方差分量百分比最大（11.75%），葉柄長的方差分量百分比最?。?.09%）。在表型分化方面，葉柄長的表型分化系數(shù)最大，高達(dá)0.95，葉長的表型分化系數(shù)最小，僅為0.83。

表2 糠椴天然居群葉片和果實性狀方差分析Table 2 Variance analysis on leaf and fruit traits of T.mandshurica natural populations

表3 糠椴天然居群葉片和果實性狀的方差分量和表型分化系數(shù)Table 3 Variance component and phenotypic differentiation coefficient of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

2.2 糠椴居群表型變異與多樣性

對糠椴居群間的葉片和果實性狀進(jìn)行多重比較，并計算變異系數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)（見表4），結(jié)果表明：糠椴葉長、葉寬、葉柄長和葉柄寬的平均值分別為113.69、98.81、56.48、2.06 mm，果實縱徑、果實橫徑、果柄長、苞葉長、苞葉寬、苞果合生長和果序柄長的平均值分別為9.18、8.01、15.95、85.39、16.06、37.03、27.8 mm。其中，東豐居群的葉長和葉寬均最大，分別為132.77、113.59 mm；蘿北居群的葉柄長最大，高達(dá)76.31 mm；琿春居群的葉柄寬、果柄長和果序柄長均最大，分別為2.36、18.21、34.19 mm；龍?zhí)毒尤旱墓麑嵖v徑和果實橫徑均最大，分別為10.63、9.17 mm；蛟河居群的苞葉長和苞葉寬均最大，分別為97.03、21.08 mm；樺甸居群的苞果合生長最大，達(dá)到44.87 mm。糠椴葉片和果實性狀的變異系數(shù)介于20.0%～39.9%，Shannon-Wiener 指數(shù)介于1.262～1.443，各性狀變異系數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)均較大，說明糠椴天然居群具有豐富的變異和表型多樣性，可根據(jù)表型性狀對糠椴居群進(jìn)行選擇。

表4 糠椴天然居群葉片和果實性狀的多重比較、變異系數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)Table 4 Multiple comparisons，coefficient of variation and Shannon-Wiener index of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

2.3 糠椴居群主成分分析

對糠椴的葉片和果實性狀進(jìn)行主成分分析（見表5），結(jié)果表明：11 個表型性狀可分為4 個主成分，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.46%。其中，主成分1 方差貢獻(xiàn)率為36.97%，果實縱徑和果實橫徑的特征向量絕對值較大，說明該主成分主要反映果實大?。恢鞒煞? 方差貢獻(xiàn)率為26.94%，苞葉長和苞果合生長的特征向量絕對值較大，說明該主成分主要反應(yīng)苞葉特征；主成分3 方差貢獻(xiàn)率為13.87%，葉長和葉寬的特征向量絕對值較大，說明該主成分主要反映葉片大??；主成分4方差貢獻(xiàn)率為10.68%，果柄長和果序柄長的特征向量絕對值較大，說明該主成分主要反映了果柄和果序柄的大小。以每個主成分對應(yīng)的特征值占所提取主成分特征值之和的比例為權(quán)重，得出各表型性狀主成分綜合模型為：

表5 糠椴天然居群葉片和果實性狀主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 5 Principal component eigenvalues and contribution rates of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

根據(jù)表型性狀主成分綜合模型，8個居群綜合排序由大到小依次為：琿春、龍?zhí)?、輝南、蛟河、東豐、敦化、樺甸、蘿北。

2.4 糠椴居群聚類分析

根據(jù)糠椴的葉片和果實性狀計算聚類系數(shù)（見圖1），發(fā)現(xiàn)當(dāng)分類數(shù)為3 時，聚類系數(shù)的上升趨勢明顯變緩，此時聚類系數(shù)為0.631。因此，可以將糠椴8 個居群分為三類（見圖2）。第Ⅰ類居群包括東豐和蘿北，該類居群葉片性狀較為突出，葉片較大，其他表型性狀適中。第Ⅱ類居群包括敦化、琿春、樺甸和蛟河，該類居群果柄和苞果性狀較為突出，果柄長、果序柄長、苞葉寬、苞葉長和苞果合生長較大。第Ⅲ類居群包括龍?zhí)逗洼x南，該類居群果實大小性狀較為突出，果實縱徑和果實橫徑性狀較大。

圖1 糠椴天然居群聚類系數(shù)Fig.1 Clustering coefficient variation in T.mandshurica natural populations

圖2 糠椴天然居群聚類Fig.2 Dendrogram of T.mandshurica natural populations

3 討論

3.1 糠椴居群的表型差異來源

天然居群的表型性狀變異系數(shù)和表型分化系數(shù)可以有效反映表型性狀的離散程度和變異來源［19］?？烽踩~片和果實性狀在居群間和居群內(nèi)的差異均達(dá)到極顯著水平，各性狀在居群間的方差分量百分比均大于居群內(nèi)，表型分化系數(shù)介于0.83～0.95，說明居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。這與嚴(yán)靈君等［11］對南京椴（Tilia miqueliana）天然居群的表型性狀多樣性及變異分析的結(jié)果一致，南京椴11 個表型性狀居群間的方差分量百分比（43.50%）明顯大于居群內(nèi)（14.16%），各表型性狀的居群間表型分化系數(shù)介于0.66～0.86；但湯詩杰等［20-21］基于ISSR 和RAPD 標(biāo)記對南京椴天然居群的遺傳變異進(jìn)行分析，認(rèn)為居群內(nèi)變異是南京椴分化的主要來源?？烽驳谋硇托誀畈粌H由因素決定，還受到不同居群的土壤、光照、水分和伴生樹種的影響，具有一定的環(huán)境可塑性，是植物適應(yīng)環(huán)境因子的一種表現(xiàn)。

3.2 糠椴居群的表型多樣性

植物表型性狀多樣性是生物多樣性研究的重要內(nèi)容，有利于了解植物的分化和進(jìn)化潛力，為優(yōu)質(zhì)種質(zhì)的篩選、保護(hù)和利用提供理論依據(jù)［22-23］。Mishra 等［24］對番石榴（Psidium guajava）果實品質(zhì)性狀和生物活性的表型多樣性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)番石榴的果實品質(zhì)性狀和生物活性均具有高度的表型多樣性。本研究中，糠椴各表型性狀的變異系數(shù)介于20.0%～39.9%，變異程度較大，說明糠椴表型性狀存在豐富的變異；Shannon-Wiener指數(shù)介于1.262～1.443，表明糠椴的表型性狀具有豐富的多樣性。植物表型性狀越豐富，表明植物的可選擇性越高，越有可能產(chǎn)生較高的增益。

3.3 糠椴居群表型性狀的綜合排序

主成分分析中，特征向量絕對值較大的表型性狀為反映植物表型性狀差異的主要因子，也是植物多樣性保護(hù)和目的性狀選育研究中的主要觀測性狀［25］。Vidakovi? 等［26］分析了亞得里亞海東部海岸地區(qū)刺梨（Pyrus spinosa）的表型多樣性，將刺梨的10 個葉片性狀分為3 個主成分，分別反映了葉片大小、葉形和葉柄特征。本研究將糠椴的11 個表型性狀分為4 個主成分，分別反映果實大小、苞果特征、葉片大小、果柄和果序柄大小，累計方差貢獻(xiàn)率高達(dá)88.46%。說明主成分分析可將存在相關(guān)性的性狀轉(zhuǎn)換為不相關(guān)的主成分，進(jìn)而反映植物的表型差異。

3.4 糠椴居群分類

植物天然居群保持較高的多樣性水平有利于其居群的發(fā)展。在糠椴種質(zhì)資源保護(hù)過程中，通過對表型性狀的聚類分析，可以闡明不同居群表型性狀的差異，進(jìn)而依據(jù)育種目標(biāo)篩選出適宜的育種材料［27-28］。聚類分析結(jié)果表明：當(dāng)聚類系數(shù)為0.631時，可以將8個糠椴居群分為三類。其中，第Ⅰ類居群包括東豐和蘿北，葉片較大；第Ⅱ類居群包括敦化、琿春、樺甸和蛟河，果柄和苞葉較大；第Ⅲ類居群包括龍?zhí)逗洼x南，果實較大?？烽踩惥尤翰]有表現(xiàn)出明顯的地理距離特征，在第Ⅰ類居群中，東豐與蘿北的地理距離較遠(yuǎn)卻聚為一類，這與亞得里亞海東部海岸地區(qū)刺梨［26］的研究結(jié)果一致，17 個天然居群沒有遵循明確的地理或環(huán)境特征。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于糠椴天然居群之間沒有明顯的地理障礙，不同居群間的遺傳物質(zhì)可以通過以糠椴種子為食的動物進(jìn)行傳播。

4 結(jié)論

綜上所述，糠椴天然居群的葉片和果實性狀具有豐富的表型多樣性，居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。通過對表型性狀的聚類分析對糠椴不同居群進(jìn)行分類，可依據(jù)不同的育種目標(biāo)篩選出適宜的育種材料，為糠椴核心種質(zhì)資源挖掘、資源的保護(hù)與利用提供參考。然而，本研究選取的糠椴天然居群主要分布于吉林省范圍內(nèi)，具有一定的空間局限性，后續(xù)可進(jìn)一步根據(jù)糠椴的分布區(qū)域擴(kuò)大取樣范圍。與此同時，氣候和土壤等環(huán)境因子對糠椴表型性狀穩(wěn)定性和環(huán)境可塑性的解析有待于進(jìn)一步研究。