沙棘果實和種子表型性狀及變異分析

趙鑫丹, 張東為, 戈素芬, 李 前, 阮成江

(1.遼寧省旱地農(nóng)林研究所, 遼寧 朝陽 122000;2.大連民族大學(xué)生物技術(shù)與資源利用教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116600)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)為胡頹子科(Elaeagnaceae)沙棘屬(Hippophae)落葉灌木、小喬木或喬木[1],是水土保持和生態(tài)建設(shè)的重要經(jīng)濟(jì)樹種[2]。沙棘屬植物分為 6個種12個亞種,分布于全球52個國家,中國分布有6個種8個亞種[3]。中國不僅是世界上沙棘屬植物類群分布最多的國家,也是沙棘資源面積最大的國家,占世界的90%以上[4]。沙棘在植被恢復(fù)、水土保持、防風(fēng)固沙等方面均能發(fā)揮重要作用[5]。沙棘全身都是寶,沙棘葉、果實、種子等各部位富含多酚、黃酮、多糖等多種對人體有益的生物活性物質(zhì)[6-8]。

隨著對沙棘的生態(tài)價值和營養(yǎng)價值認(rèn)識的深入,沙棘在食品、日化和醫(yī)藥等行業(yè)被廣泛應(yīng)用,選擇沙棘果實性狀穩(wěn)定的優(yōu)良沙棘種源至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn),果實性狀和種子性狀密切相關(guān)[9]。種子是物種繁殖的器官和載體[10],決定著物種的擴(kuò)散能力[11],而種子的大小和質(zhì)量是其最為常見且重要的性狀指標(biāo)[12]。種子的大小和質(zhì)量影響著昆蟲寄生與捕食的機制,同時也影響種子萌發(fā)、幼苗存活、植物定植等,甚至影響著植物的壽命[13-14]。研究表明,為了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境及進(jìn)化的需要,植物種子在其質(zhì)量和大小等形態(tài)特征方面出現(xiàn)了不同程度的變異[15]。郭來珍等[16]通過分析天山花楸不同種源種子的變異程度,指出8個不同種源花楸種子在種子長度、種子寬度及千粒重等方面都存在顯著差異,通過種子性狀可篩選出優(yōu)良種源。因此,研究沙棘種子形態(tài)特征變異對優(yōu)良品種選育具有重要意義。戈素芬等[17]前期研究了遼西地區(qū)栽植的俄羅斯引進(jìn)第三代沙棘果實表型性狀及其變異程度,本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究,對遼西地區(qū)栽植的俄羅斯引進(jìn)第三代沙棘、雜交沙棘、中國沙棘等20個品種的果實及種子表型性狀及其變異程度進(jìn)行分析,以期為遼西地區(qū)沙棘的品種選育和綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于朝陽市南郊的遼寧省旱地農(nóng)林研究所試驗示范基地,地理坐標(biāo)為120°21′52″E、41°29′06″N,海拔184 m,地勢平坦。屬暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年平均氣溫8.3 ℃,極端最低氣溫-34.4 ℃,極端最高氣溫43.3 ℃,無霜期145～165 d,年日照時數(shù)2 752～2 950 h,年均降水量450 mm,年均水面蒸發(fā)量2 000 mm。土壤類型為褐土,土壤質(zhì)地為沙壤土,土層厚度0.6 m左右,土壤有機質(zhì)含量為0.8%,pH值為7.8,地下水埋深約5 m。

1.2 試驗材料

本試驗共選擇長勢良好的20個沙棘品種作為測試品種,分別為:俄羅斯引進(jìn)第三代沙棘品種14個:“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“伊尼亞”“埃特納”“金皇后”“杰塞爾”“蘇達(dá)魯斯卡”“熱姆丘任娜”“皇冠”“黃妃1號”“夕照”“黃妃2號”“賽枸杞”“橙棒”[4];雜交沙棘品種3個:“蒙中黃”“俄中黃”“俄中鮮”:大果沙棘品種1個:“深秋紅” ;中國沙棘優(yōu)良品種2個:“中紅果”“CY-201901”。

1.3 樣品采集與測定

果實樣品于2022年7—9月果實成熟時期采集。對各優(yōu)株隨機選取300粒健康果實,平均分成3組,使用精度為0.01 g的電子天平測量果實百果質(zhì)量;從每個單株中隨機抽取30粒果實,平均分成3組,使用精度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺測量果實的縱徑、橫徑、果柄長。

果實自然風(fēng)干,人工去皮,得到沙棘種子。以100粒種子為1組,用精度為0.000 1 g的電子天平進(jìn)行稱量,測量3組,計算出種子千粒重;以10粒種子為一組,用精度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺測量種子的長度、寬度、厚度,測量3組。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2017軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,SPSS25.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、差異顯著性分析和聚類分析;Origin9.1軟件作圖。

CV/%=(SD/M)×100%,

式中:CV為變異系數(shù),SD為標(biāo)準(zhǔn)差,M為變量均值。

根據(jù)變異程度可分為3級:CV≤10% 為弱變異;10%

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種沙棘果實表型性狀

由表1可知,20個品種沙棘果實百果重為27.08～73.18 g;百果重>50.00 g的品種有10個,占供試品種的50.0%,30.00～50.00 g的品種有8個,占供試品種的40.0%,小于30.00 g的品種僅有2個,占供試品種的10.0%;“金皇后”和“杰塞爾”的百果重顯著高于其他品種,分別為73.18 g和70.46 g,“CY-201901”的百果重最低,僅為“金皇后”的37.0%。果實縱徑為6.51～14.07 mm,縱徑超過10 mm的品種有14個,占供試品種的70.0%;縱徑最長和最短的品種分別為“熱姆丘任娜”和“中紅果”,”熱姆丘任娜“縱徑長達(dá)到“中紅果”的2.16倍。果實橫徑的變化幅度要明顯小于縱徑,為6.81～9.16 mm,橫徑最長的品種同樣為“熱姆丘任娜”,最短的為“深秋紅”,“熱姆丘任娜”橫徑達(dá)到“深秋紅”的1.35倍。果實形狀由果形指數(shù)決定,即果實縱徑與橫徑之比。從表1可以看出,不同品種果形指數(shù)為0.89～2.01,說明不同品種果實形狀差異較大;其中“伊尼亞”果形指數(shù)最大,“中紅果”最小。根據(jù)張建國等[1]的劃分標(biāo)準(zhǔn),果形指數(shù)<0.90為扁圓形,0.91～1.10為圓形,1.11～1.40為卵圓形,>1.41為圓柱形。由此可知,“中紅果”沙棘果實為扁圓形,“蒙中黃”“俄中鮮”和“CY-201901”沙棘果實為圓形,“黃妃1號”“橙棒”和“俄中黃”沙棘果實為卵圓形,其余13個品種沙棘果實為圓柱形。果柄長是反映沙棘果實可采收性的一個重要指標(biāo)。除未測量品種外,沙棘果柄長為2.00～4.77 mm,“杰塞爾”果柄最長,更便于采收。

表1 不同品種沙棘果實表型性狀差異性分析

2.2 不同品種沙棘種子表型性狀

由表2可知,不同品種沙棘種子千粒重為10.84～22.77 g;種子千粒重>20.00 g的品種有8個,占供試品種的40.0%;其中,“黃妃2號”的千粒重最高,“CY-201901”的最低,前者千粒重達(dá)到后者的2.10倍。20個不同品種沙棘的種子長度、寬度、厚度3個指標(biāo)分別為4.01～7.04 mm、1.99～2.87 mm、1.40～2.07 mm。其中,“杰塞爾”種子最長,為7.04 mm,其次是“熱姆丘任娜”,為6.82 mm,“中紅果”最短,為“杰塞爾”的57.0%;“熱姆丘任娜”種子最寬,為2.87 mm,其次是“黃妃1號”,為2.85 mm,最窄的為“深秋紅”,這與果實橫徑的結(jié)果是一致的,說明種子的寬度影響果實的寬度;“俄中鮮”種子最厚,為2.07 mm,其次是“賽枸杞”,為2.06 mm,“伊尼亞”最薄,為“俄中鮮”的67.6%。不同沙棘種子長寬比和厚寬比分別為1.43～2.99 mm、0.56～0.85 mm,厚寬比的變化幅度要明顯小于長寬比。長寬比和厚寬比最大的均為“深秋紅”,最小的分別為“中紅果”和“伊尼亞”。根據(jù)張建國[1]的劃分標(biāo)準(zhǔn),長寬比1.1～1.5為卵形,大于1.5為長卵形。由此可知,20個品種中只有“中紅果”種子為卵形,其余19個品種種子均為長卵形。各品種種子照片見圖1。

圖1 不同品種沙棘種子

2.3 不同品種沙棘果實和種子表型性狀變異分析

通過變異系數(shù)可以看出性狀的離散程度,變異系數(shù)越大,則離散程度越大,性狀指標(biāo)的穩(wěn)定性就越差[19]。沙棘果實和種子各表型性狀的變異系數(shù)如圖2所示。從圖2可以看出,11個性狀指標(biāo)變異系數(shù)為8.84%～26.56%,由大到小依次為:百果重、果柄、種子千粒重、果實縱徑、果形指數(shù)、長寬比、種子長度、厚寬比、種子厚度、果實橫徑、種子寬度,百果重變異系數(shù)最大,為種子寬度變異系數(shù)的3倍。11個性狀指標(biāo)中,僅有果實橫徑和種子寬度變異系數(shù)小于10%,分別為9.90%和8.84%,屬于弱變異,其余9個指標(biāo)均為中等程度變異。說明沙棘果實在橫徑表型上及沙棘種子在寬度表型上的變異不明顯,具有較高的穩(wěn)定性。綜合比較,果實百果重和種子千粒重的變異系數(shù)均大于其形狀指標(biāo)的變異系數(shù),說明沙棘果實和種子在質(zhì)量表型性狀上具有較高的遺傳多樣性,而在形狀表型性狀上具有較高的穩(wěn)定性,特別是在寬度表型上,穩(wěn)定性最高。

圖2 沙棘果實及種子表型性狀變異系數(shù)

2.4 不同品種沙棘果實和種子表型性狀相關(guān)性分析

通過相關(guān)性分析可以進(jìn)一步探明沙棘果實和種子不同表型性狀之間的相互影響關(guān)系,結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,沙棘果實百果重和果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)、果柄、種子千粒重、種子長度、種子寬度之間呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系,說明除種子厚度、種子長寬比和種子厚寬比外,果實與種子其他表型性狀均影響果實百果重,其中與果實縱徑相關(guān)系數(shù)最大,為0.745。果實縱徑和果形指數(shù)、種子千粒重、種子長度和長寬比之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.858,0.787,0.910和0.720,與種子長度的相關(guān)系數(shù)在正相關(guān)關(guān)系中最大,說明種子越長,果實也越長;果實橫徑和種子寬度之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.560,即種子越寬,果實也越寬。果柄長與果實百果重、果實縱徑、果形指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明沙棘果實越大越長,果柄也越長,果柄還與種子長度、長寬比之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,說明沙棘果柄不僅受果實大小和形狀的影響,種子長度同樣影響果柄長度。種子千粒重與種子長度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.797,與種子寬度、厚度、厚寬比均無顯著關(guān)系,說明在種子形態(tài)特征方面,種子長度是影響種子千粒重的關(guān)鍵因素。種子長度與長寬比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.843;種子寬度與厚寬比呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.558;種子厚度與厚寬比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.712。

表3 不同品種沙棘果實和種子表型性狀相關(guān)性分析

2.5 不同品種沙棘果實和種子聚類分析

對20個品種沙棘果實和種子的11個性狀指標(biāo)聚類分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)歐式距離為10時,20個沙棘品種可以分為三大類。A1類包括“俄中鮮”“中紅果”“橙棒”“CY-201901”;A2類包括“皇冠”“黃妃1號”“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“夕照”“蒙中黃”“埃特納”“賽枸杞”“俄中黃”“伊尼亞”“深秋紅”;A3類包括“金皇后”“杰塞爾”“蘇達(dá)魯斯卡”“黃妃2號”“熱姆丘任娜”。聚類后,各大類沙棘果實和種子的性狀指標(biāo)如表4所示。由表4可知,A3類的果實百果重、果實縱徑、果實橫徑、種子千粒重、種子長度、種子寬度較大,而A1類的果實百果重、果實縱徑、果實橫徑、種子千粒重、種子長度、種子寬度較其他類明顯偏低,A2類的果實和種子相關(guān)性狀指標(biāo)介于A1類和A3類之間。由此可知,A1類為小型果沙棘、A2類為中型果沙棘、A3類為大型果沙棘。當(dāng)歐式距離為5時,又可將A3大類細(xì)分成A3-1類和A3-2類。由表4可知,A3-1類沙棘果實百果重、果實縱徑、果實橫徑較大,A3-2類沙棘種子千粒重、種子長度、種子寬度、種子厚度較大,即A3大型果沙棘又可分為A3-1大果型沙棘和A3-2大籽型沙棘。

圖3 沙棘果實及種子表型性狀聚類分析

表4 不同類別沙棘果實和種子的表型性狀

3 討 論

3.1 沙棘果實和種子表型性狀變異特征

沙棘是我國重要的生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種,不同品種沙棘果實和種子表型性狀差異較大。性狀的變異程度是評價該物種資源豐富程度和選育潛力的重要指標(biāo)[20]。本研究對遼西地區(qū)栽植的俄羅斯引進(jìn)第三代沙棘、雜交沙棘、中國沙棘等20個品種的果實及種子表型性狀及變異性進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),11個性狀指標(biāo)變異系數(shù)為8.84%～26.56%,說明沙棘果實和種子性狀存在較為豐富的遺傳多樣性,選育潛力較大。其變異系數(shù)順序為:百果重>果柄>種子千粒重>果實縱徑>果形指數(shù)>長寬比>種子長度>厚寬比>種子厚度>果實橫徑>種子寬度。沙棘果實的百果重變異系數(shù)最大,說明其變異程度最高。此外,本研究發(fā)現(xiàn),沙棘果實橫徑和種子寬度變異系數(shù)<10%,為弱變異,其余性狀指標(biāo)均為中等程度變異?？梢?無論沙棘果實還是種子在寬度方面都較其他性狀穩(wěn)定,而在質(zhì)量方面變化較大。戈素芬等[17]對遼西地區(qū)栽植的8個俄羅斯第三代大果沙棘的果實性狀變異程度進(jìn)行分析,結(jié)果表明,變異系數(shù)依次為:百果重>果實縱徑>果實橫徑;謝嗣榮等[21]對內(nèi)蒙古不同種群沙棘種子性狀變異情況進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)種子指標(biāo)的變異系數(shù)最大的同樣為質(zhì)量。說明沙棘果實和種子性狀特別是寬度表型上維持相對穩(wěn)定,而在質(zhì)量表型上表現(xiàn)出較強的變異能力。沙棘果實及種子質(zhì)量尤為重要,可將其作為沙棘種質(zhì)資源篩選的重要指標(biāo)。

3.2 沙棘果實和種子表型性狀及其聚類分析

本研究發(fā)現(xiàn),沙棘果實百果重和果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)、果柄、種子千粒重、種子長度、種子寬度之間均呈極顯著或顯著正相關(guān)關(guān)系,說明種子性狀與植物果實性狀相互影響,果實大小和種子大小協(xié)同增加,這與姜翠翠等[22]對47份無患子種質(zhì)果實性狀與種子性狀的研究結(jié)果基本一致。除種子厚度、種子長寬比和種子厚寬比外,果實與種子其他表型性狀均影響果實百果重。本研究還發(fā)現(xiàn),果柄長與果實百果重、果實縱徑、果形指數(shù)、種子長度、長寬比呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。郭學(xué)斌等[23]和師瑞瑞等[24]的研究也發(fā)現(xiàn)果柄長與果實和種子的相關(guān)關(guān)系:郭學(xué)斌等發(fā)現(xiàn),果柄長與果實縱徑、果形指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;師瑞瑞等發(fā)現(xiàn),果柄長和果形指數(shù)、種子長和種子體積呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可知,沙棘果實越大越長、種子越大越長,果柄也越長。果柄長度與沙棘果采摘的難易直接關(guān)聯(lián),果柄越長,越便于采摘,長柄易采也應(yīng)該是選育優(yōu)良沙棘品種的一個重要指標(biāo)[25]。

沙棘的種質(zhì)資源非常豐富,不同品種沙棘表型性狀差異較大。當(dāng)選取的指標(biāo)體系或者評價側(cè)重點不一樣,得到的結(jié)果也不相同。郭學(xué)斌等[23]選擇果實橫徑、果實縱徑、果形指數(shù)、果柄長、百果質(zhì)量、種子千粒質(zhì)量、結(jié)實密度、當(dāng)年枝長、刺長、刺密度等10個性狀指標(biāo)對山西省中國沙棘進(jìn)行研究,通過聚類分析得到綜合性狀表現(xiàn)最好、表現(xiàn)良好、表現(xiàn)一般、表現(xiàn)較差4類。謝嗣榮等[21]基于沙棘種子百粒質(zhì)量、種長、種寬、種厚對內(nèi)蒙古不同種群沙棘進(jìn)行聚類,將10個種群分為4類,其中第1類包括1號種群和3號種群,是大粒種子篩選的首選種群;基于種子百粒質(zhì)量、種長、種寬、種厚變異系數(shù)進(jìn)行聚類,將10個種群又分為不同的4類,8號種群為第1類,是表型性狀最不穩(wěn)定的種群。本研究選擇果實百果重、果柄長、果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)、種子千粒重、種子長度、種子寬度、種子厚度、種子長寬比、種子厚寬比等11個指標(biāo)對遼西地區(qū)栽植的俄羅斯引進(jìn)第三代沙棘、大果沙棘、雜交沙棘和中國沙棘進(jìn)行分析,經(jīng)聚類可將20個沙棘品種劃分為三大類,即小型果沙棘、中型果沙棘和大型果沙棘,又將大型果沙棘細(xì)分為大果型沙棘和大籽型沙棘,為選擇優(yōu)良沙棘種源提供理論指導(dǎo),從而促進(jìn)我國沙棘資源的綜合利用與開發(fā)。

3.3 研究局限與下一步方向

本研究僅從形態(tài)學(xué)的方法上對沙棘果實和種子的表型性狀進(jìn)行分析,研究發(fā)現(xiàn),沙棘果實和種子在質(zhì)量上的穩(wěn)定性要弱于形狀,且沙棘果實和種子的大小相互影響。但并未從分子層面對其進(jìn)行深入分析。僅用表型性狀指標(biāo)的差異不能充分反映植物本身的遺傳變異。今后,應(yīng)將形態(tài)學(xué)研究與分子研究相結(jié)合,深入發(fā)掘沙棘果實與種子性狀指標(biāo)的內(nèi)在聯(lián)系,以及影響其變異程度的關(guān)鍵因素,進(jìn)一步揭示沙棘的遺傳變異規(guī)律,為沙棘品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新發(fā)展開拓更廣闊的空間。

4 結(jié) 論

不同品種沙棘果實和種子表型性狀存在顯著差異,果實性狀與種子性狀相互影響。不同性狀變異程度不同,質(zhì)量性狀的穩(wěn)定性低于形狀指標(biāo)。沙棘果實的百果重變異系數(shù)最大,說明其變異程度最高。由此可見,今后以沙棘果實為目標(biāo)進(jìn)行良種選育時,可將果實百果重作為篩選雜交沙棘優(yōu)良種源的重要指標(biāo)。

通過聚類分析,將20個沙棘品種劃分為三大類,“俄中鮮”“中紅果”“橙棒”“CY-201901”聚為小型果沙棘類,“皇冠”“黃妃1號”“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“夕照”“蒙中黃”“埃特納”“賽枸杞”“俄中黃”“伊尼亞”“深秋紅”聚為中型果沙棘類,“金皇后”“杰塞爾”“蘇達(dá)魯斯卡”“黃妃2號”“熱姆丘任娜”聚為大型果沙棘類。