香椿天然群体种实性状表型多样性研究

吴 军，钟志真，楼 君，余 峰，余裕龙，傅国林，张烨华，刘 军

(1．浙江省建德市林业局，浙江 建德 311600；2.浙江省杭州市富阳区农林局，浙江 富阳 311400；3.浙江省建德市建德林场，浙江 建德 311600；4.中国林科院亚热带林业研究所,浙江 富阳 311400)

香椿属(ToonaRoem.)树种材质优良，为上等家具及装饰用材，被称为“中国桃花心木”，倍受人们青睐[1]。其中香椿(T.sinensis(A. Juss.)Roem.)是我国特有珍贵用材树种，落叶乔木，生长迅速，其木材细密富有弹性、纹理通直美观、色泽红润耐腐，同时其嫩叶具有浓郁的香气，自古以来是人们喜食的山珍名菜[2]，明代徐光启就将其作为救饥植物载入《农政全书》。香椿的材用、叶用等经济价值较高，极具开发、利用潜力。目前对其研究主要集中在分类[3-4]、栽培繁育[5-6]、营养价值[7-8]和药用[9]等方面，对其它方面的研究报道很少。

植物遗传多样性为植物群体间和群体内个体间遗传变异的综合，具体包括表型性状、蛋白质和DNA等多层次遗传变异。植物表型多样性是植物遗传多样性与生态环境多样性的综合体现，研究群体在其分布区内表型变异分布格局，是生物多样性与生物系统学的非常重要研究内容[10-11]，植物表型多样性研究在国内外一直比较活跃[12-14]。植物果实和种子等表型性状是比较稳定的遗传特征，在植物分类学和遗传学研究上具有重要的价值[15-16]。采用遗传上比较稳定的、环境影响较小的性状研究植物表型多样性，可以揭示植物天然群体的遗传规律、变异大小。

本文通过对香椿16个天然群体果实、种子等性状的研究，揭示香椿的表型变异程度与变异规律，为其种质资源保护和遗传改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

在对香椿分布区内群体调查的基础上，选取香椿16个天然群体，于2008年11月份完成全部种实的采集工作，各群体地理生态因子见表1。采用小样本进行采样，每个群体内选取15个单株作为采种母树。为保证采样的均匀性，最大限度的降低母树间的亲缘关系，单株间距离50 m以上。在每个单株中上部采集100个成熟果实，分单株包装编号并运回实验室。

表1 香椿采样群体的地理位置和生态因子情况

1.2 表型测定方法

参照王娅丽等[17]和罗建勋等[13]表型分析方法对香椿种实进行测量。用游标卡尺测量果长、果宽(最宽处直径)、果宽基(果最宽处到果基部的长度)，果实干燥后称量每个果实的质量，每个单株随机选择30个果实。分单株收集种子，每单株随机选择30粒种子，测量种翅长、种翅、种子长。每个单株随机取100粒种子称其质量，3次重复，求其平均值。为比较天然群体间果实形状差异，用果长/果宽表示果实的形状。

1.3 统计分析方法

对各群体各性状值根据巢式设计的方差分析方法进行分析[11,15,17]，用DPS软件进行相关和聚类分析等，用SAS软件进行表型分化系数(Vst)和变异系数(CV)等计算。其它统计运算利用EXCEL2003进行分析。

2 结果与分析

2.1 香椿天然群体间、群体内表型性状变异特征

在植物分布区内，植物通过对生态环境因子的选择，引起不同天然群体在地理水平上的变异。香椿天然分布比较广，通过对其表型性状在群体间和群体内变异进行分析，可以了解不同群体地理变异特点。香椿群体表型性状在群体间和群体内方差分析见表2。结果表明，果实和种子的9个表型性状在群体间和群体内都存在极显著差异。这与乌药(Linderaaggregam)、樟树(Cinnamomumcamphora)、桤木(Alnuscremastogyne)等植物表型变异研究结果一致[18-20]。

表2 香椿天然群体群体间和群体内的表型性状方差分析

**表示1%水平上差异显著**Indicating significant difference of 1% probility level

GW：果实质量;GC：果实长度;GK：果实宽度;GKJ：果宽基;GC/GK：果实长度/果实长度;ZC：种长;CC：翅长;CK：翅宽；BLZ：百粒质量

GW：Weight of fruit;GC：Length of fruit;GK：Width of fruit;GKJ：Length from the widest to the base;GC/GK：Length of fruit/ Width of fruit;ZC：Length of seed;CC：Length of seed wing;CK：Width of seed wing；BLZ：Weight of 100 seeds

香椿天然群体表型性状均值及标准差分析见表3。从表3可以看出，香椿天然群体果实的形态特征在群体间存在着显著的差异。从果实质量(GW)数值来看，香椿果实质量整体平均值为0.441 g，其中湖南桑植(SZ)果实质量最大，达到0.629 2 g；以浙江遂昌(SC)的果实质量为最小，只有0.253 g。虽然云南元谋(YM)果实长度(GC)数值为最大，但其果实宽度(GK)数值较小，导致其果实质量小于其它群体，该群体果宽基(GKJ)数值最大，这与该群体果实长度(GC)最长相一致。山西绛县(SX)群体香椿果实宽度(GK)数值最大，达到17.510 2 mm，甘肃天水(TS)群体果实宽度最小，只有10.255 2 mm。利用果实长度比果实宽度(GC/GK)比值来表示果实的形状，从表中数值来看，云南元谋(YM)群体该性状数值为最大(2.880 7)，山西绛县(JX)群体该性状数值为最小(1.544 6)。河北邯郸(HD)、山西绛县和甘肃天水等3个群体的GC/GK值在1.544 6～2.035 4，果实形状接近椭圆形。而其它13个群体的GC/GK值大于2.1，果实形状接近于长椭圆形。

香椿种子形态特征在群体间差异显著，四川宜宾(SI)群体种子长度(ZC)值为最大，而浙江遂昌(SC)群体种子长度为最小。种翅长度(CC)以浙江遂昌(SC)群体为最小，而贵州晴隆(GZ)群体为最大，同时贵州晴隆群体种翅宽度(CK)数值也为最大。从种子百粒质量(BLZ)数值上看，以山东济南(SD)群体种子为最大，而广东惠州(GD)最小。

表3 香椿16个天然群体表型性状的平均值及标准差

2.2 香椿表型性状变异特征

表型性状变异系数可以表示性状值离散性，变异系数越大则表明性状值离散的程度越大。16个香椿群体表型性状变异系数(CV)见表4。从表中可以看出，香椿群体内果实和种子性状的平均变异系数有一定差异。种子的平均变异系数为13.593%，而果实的平均变异系数为13.864%，这表明果实和种子的稳定性基本差不多，种子的稳定性高于果实。在9个表型性状中，果实质量(GW)的变异系数为最大，达到22.403%，明显高于其它性状的变异系数。种子长度(ZC)变异系数最小，说明该性状稳定性最好。对16个群体变异系数的比较表明，江西九连山(JL)、山西绛县(SX)和陕西安康(SS)3个群体表型变异系数为最大，分别为17.994%、18.401%和19.785%，说明这3个群体特别是陕西安康群体表型变异丰富，表型多样性高。而湖北恩施(HB)和浙江遂昌(SC)2个群体表型变异系数最小，分别为8.254%和5.895%，表明这2个群体特别是浙江遂昌群体的表型多样性较低。对香椿16个天然群体表型性状变异系数进行排序，从大到小依次为：SS、SX、JL、TS、SZ、GX、HD、SD、PY、YM、GZ、GD、FH、SI、HB和SC。以上结果表明，香椿采样区的西北部和南部为香椿表型多样性的中心，表型多样性水平较高。

表4 香椿16个天然群体表型性状的变异系数

2.3 香椿群体间表型分化分析

根据巢式设计方差分量比组成，分析出各性状方差分量占总变异的比例。用群体间方差分量占总方差分量的百分比来表示群体间表型分化系数(VST)。香椿表型性状方差分量和表型分化系数统计表见表5。从分析结果可以看出，香椿果实和种子性状表型分化系数VST的变异幅度为15.918%～76.425%，其中果实5个性状的表型分化系数VST均值为44.298%，种子4个性状的表型分化系数VST均值为67.714%。果实和种子9个表型性状的平均表型分化系数VST为40.209%，群体间变异(40.209%)小于群体内变异(59.791%)，表明香椿群体内多样性大于群体间的多样性，香椿群体种实变异主要以群体内变异为主。

表5 香椿表型性状的方差分量及表型分化系数

2.4 香椿天然群体表型聚类分析

采用类平均法(UPGMA)对香椿16个群体的果实和种子等性状进行聚类，聚类结果见图1。以欧式距离4.5为阈值，16个天然群体被分为4大类，第一类包括甘肃天水(TS)和浙江遂昌(SC)群体；第二类包括广东惠州(GD)、广西桂林(GX)、湖南凤凰(FH)、陕西安康(SS)、湖北恩施(HB)、贵州晴隆(GZ)、河北邯郸(HD)、河南濮阳(PY)、湖南桑植(SZ)、四川宜宾(SI)、山东济南(SD)和江西九连山(JL)群体，这一类表型变异最为丰富，且分布范围较广；云南元谋(YM)和山西绛县(SX)2个群体各自为一类。

2.5 香椿表型性状间的相关分析

图1 香椿表型性状聚类分析Fig.1 UPGMA cluster based on the phenotypic traits of ten populations in T. sinensis(A. Juss.)Roem.

通过对香椿9个种实性状进行了相关分析表明(表6)，果实质量(GW)与果实长度(GC)、种子长度(ZC)、种翅宽(CK)和百粒质量呈显著正相关，相关系数分别达到0.57、0.65、0.64和0.56。果实长度(GC)与果宽基(GKJ)、果实长度/果实宽度(GC/GK)、种子长度(ZC)和种翅长度(CC)呈显著正相关，相关系数分别为0.80、0.78、0.84和0.76。果实宽度(GK)与果实长度比果实宽度(GC/GK)显著负相关。果宽基(GKJ)与果实长度比果实宽度(GC/GK)、种翅长度(CC)和种子长度(ZC)呈显著正相关。果实形状指数果实长度比果实宽度(GC/GK)与种翅长度(CC)和种子长度(ZC)显著正相关。种子长度(ZC)与种翅长度(CC)显著正相关。种翅宽度(CK)与种子百粒质量显著正相关。种实性状间的相关显著性分析说明，果实质量(GW)、果实长度(GC)、果宽基(GKJ)、种子长度(ZC)和种翅长度(CC)等性状是影响香椿表型多样性的主要因素。

表6 香椿表型性状间相关系数

*表示α=0.05，相关显著；**表示α=0.01，相关极显著

* indicates significant correlation at 0.05 level,** indicates significant correlation at 0.01 level

3 结 论

本文通过对香椿16个群体种实表型多样性的研究，结果表明果实、种子表型性状在群体间、群体内存在非常丰富的变异，这些变异是遗传和环境因素共同作用的结果。香椿群体间、群体内丰富的变异为香椿种质资源库收集保存奠定了物质基础。

3.1 香椿种实表型性状变异的多样性

香椿9个表型性状在群体间和群体内都存在极显著差异。9个表型性状中果实质量和种子百粒质量变异系数较大，说明这2个性状受环境的影响较大。从群体水平上看，陕西安康群体变异系数最大，表明该群体内变异较其它群体丰富，选择潜力较大。香椿天然群体间变异(40.209%)小于群体内变异(59.791%)，说明香椿天然群体种实变异以群体内变异为主。

3.2 香椿表型聚类和相关

表型聚类结果显示，香椿分布区中心区主要群体聚为一类，这一类包括群体较多，包括了12个天然群体；其它各类多为边缘群体，如第一类包括了甘肃天水和浙江遂昌，第三类和第四类分别为云南元谋和山西绛县。聚类结果表明，香椿边缘群体和中心群体表型性状出现了明显的差异。种实性状间的相关显著性分析说明，果实质量、果实长度、种子长度、种翅长度和种子百粒质量等性状是影响香椿表型多样性的主要因素，在对香椿种质资源收集时，需关注和利用这些性状的变异。

4 讨 论

植物表型变异是遗传变异的重要表型形式，是基因型和环境因子共同作用的结果[21-22]，反映了它对于环境因子变化的适应性。经过长期的自然选择，性状逐渐稳定形成新的表型，所以植物表型变异在适应进化过程中具有非常重要的意义[23-24]。香椿天然群体种实变异以群体内变异为主，所以在进行香椿种质资源收集时，应加大群体内取样数量，以提高取样样品的遗传多样性。群体内的多样性大于群体间的多样性，主要是香椿对不同环境选择的结果。由于香椿在天然群体内分布数量较多，群体内单株间可以相互杂交，而且群体内天然生境差异较大，可以导致香椿天然群体内丰富的多样性。虽然其天然群体内多样性程度大于群体间的多样性，但群体间多样性变异是种内多样性变异的重要组成部分，反映了群体对不同环境的适应情况，其变异大小在某种程度上说明了该物种对不同环境适应能力[25-26]。

香椿天然群体表型分化系数的均值为40.2%，高于元宝枫(Acertruncatum)(19.87%)[23]、浙江柿(Diospyrosglaucifolia)(40.15%)[27]云南含笑(Micheliayunnanensis)(24.38%)[28];低于无患子(Sapindusmukorossi)(62.2%)[22]、山苍子(Litseacubeba)(66.66%)[29]、夏腊梅(Sinocalycanthuschinensis)(89.30%)[30]等，表明香椿群体间的表型分化程度较高。分析其原因主要是群体间的地理间隔距离较大，群体间的基因交流形式，如花粉、种子的传播等受到阻隔引起的。另外，花粉传播途径也可能加剧了香椿群体间表型性状分化。因为香椿是依靠虫媒花[1]，花粉在虫媒植物中的传播是受到限制的，从而导致了群体间的基因流水平较低，这也就增加了其群体间分化的可能性。

香椿具有较高材用、药用和食用价值，开发利用前景广阔。香椿天然分布较广，其生长环境因子各不相同，经过长期的地理隔离和自然选择，使得香椿群体间和群体内存在丰富的变异，这为香椿种质资源收集和品种育种奠定了物质基础。因此，在香椿种质资源收集和遗传改良中不但要重视群体间表型性状遗传变异分布格局，而且应重视群体内变异，需加大对群体内个体选择强度，特别是群体内优异种质的选择。香椿种实表型性状存在丰富的遗传变异为其种质资源良种化和产业化提供了非常广阔的前景。

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