铁橡栎不同种源及家系种子的形态特征及变异

常恩福， 张 清， 肖桂英， 李品荣， 李 娅， 丁玉雄， 黄春良， 景跃波

(1.云南省林业和草原科学院， 昆明 650201； 2.建水县林业技术推广所， 云南 建水 654300；3.云南建水荒漠生态系统国家定位观测研究站， 云南 建水 654399)

铁橡栎(QuercuscocciferoidesHand)为壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)常绿或半常绿乔木[1]，是云南干热河谷地区常见的分布种和适生种，也是云南喀斯特断陷盆地石灰岩山地次生林的生态优势种和建群种之一[2]。因其具有耐旱、耐瘠薄、适应性强和水土保持性能好等特点，而被列为半干旱岩溶区生态修复优先选择的乡土树种。但受人为及生态因素的干扰，其原生植被已大幅减少，现存植被多为干扰后形成的次生林且呈现矮态[3]。在铁橡栎分布区，大面积纯林减少，多以块状、散生(孤立木)分布，或与其它树种混交，这不仅严重影响了其生态功能的发挥及群落结构的稳定，同时也造成了大量优良种质基因的流失。因此，对铁橡栎进行系统深入的研究，对保护、挖掘及利用其优良的种质资源均具有重要的现实意义。

种子是物种繁殖系统的重要特征[4]，在生态系统中占有非常重要的地位，是植被恢复的基础[5]。在同一物种内部，种子形态特征常常被认为是相对稳定的，然而有研究表明，在种群内、种群间，甚至个体间，种子形态特征有很大差异[6-8]，其特征往往受到自然胁迫的影响[9]，反映了生存环境的变化[5]。目前，虽有同属树种锥连栎(Q.franchetii)[10]、弗吉尼亚栎(Q.virginiana)[11]、麻栎(Q.acutissima)[12]及落叶栎类[13,14]种子形态特征研究的报道，但关于铁橡栎种子形态特征研究，仅见常恩福等[2]开展不同育苗基质对铁橡栎苗木生长影响的报道。因此，本研究以红河州4个种源地采集的单株铁橡栎种子为对象，对不同种源及家系的种子形态特征及差异进行分析比较，以期为铁橡栎苗木繁育技术的研发及优良家系的早期选择提供参考。

表1 采种地地理位置及气象因子

采种地东经/E北纬/N年均温/℃≥10℃积温/℃降雨量/mm无霜期/d建水102°34'～103°11'23°12'～24°10'20.86 249.8828.3307个旧103°37'～103°45'23°01'～23°06'15.81 100.0320弥勒103°04'～103°49'23°50'～24°39'19.8900.0330开远103°04'～103°43'23°30'～23°58'20.06 729.8800.3341

1 研究地概况

研究地位于云南省东南部红河哈尼族彝族自治州境内的建水、个旧、弥勒及开远等4个县(市)，采种地地理位置及气象因子详见表1。

2 材料与方法

2.1 供试种子

供试的铁橡栎种子于2018年11月采集于4个种源的33个家系(表2)。采种母树为生长及结实状况良好、林龄30年以上的单株，林分为原生植被或受干扰破坏后形成的次生林，同一林分内采种母树间相距30 m以上。每个家系分别采集500粒左右的种子置于编号的塑料自封袋内带回室内，去掉种壳自然风干7～10 d后备用。

表2 种源及家系概况

种 源产 地家系号家系数量/个建水南庄镇李海寨1、2、3、4、55个旧乍甸镇大河湾6、7、8、9、10、11、12、138建水盘江镇欧家庄14、15、16、174建水岔科镇大山18、19、203建水岔科镇莫舍21、222建水盘江镇上寨23、242弥勒巡检司镇25、26、27、28、29、30、31、328开远楷甸镇331

2.2 种子性状测定

每个家系采用四分法抽取30粒种子，测量其种长、种宽及单粒重，各3次重复。随后每个家系随机取100粒种子称重后计算其千粒重，各3次重复。

2.3 数据处理与分析

应用Excel 2010软件进行观测数据统计，DPS 7.05软件进行进分析。

种形指数=种长/种宽。

变异系数CV(%)=(标准差/平均值)×100%。

表3 铁橡栎不同家系种子性状的差异性比较

家系种长/mm种宽/mm种形指数单粒重/g千粒重/g113.54±0.36Bbcd9.88±0.21Jjk1.37±0.02Bb0.88±0.06Llmn894.87±21.44MNn214.00±0.55Bbc11.95±0.28Ddefgh1.17±0.02Eefg1.23±0.11Eefgh1 160.53±38.51Gghi315.45±0.25Aa10.43±0.08IJj1.48±0.04Aa1.12±0.01Ffghi1 105.73±38.97Hhijk413.32±0.31Bbcdef9.955±0.10Jjk1.34±0.04Bbc0.93±0.03Jjklmn858.67±8.99Nno511.77±0.25Iij11.58±.20Ddefgh1.02±0.02Iij1.06±0.05Gghijklm1 051.37±15.61JKkl613.30±0.18Bbcdef12.478±0.89BCcd1.07±0.06Gghij1.18±0.03Eefghi1 133.13±27.23Hhij712.03±0.38Hhij11.258±0.20Eefghi1.07±0.02Gghij1.08±0.08Ffghijkl1 057.07±21.57JKkl813.52±0.45Bbcd10.95±0.40Gghi1.24±0.05Ddef1.21±0.13Eefghi1 222.73±38.67Gfg913.52±0.28Bbcd10.88±0.27Hhi1.24±0.05Dde1.04±0.02Hhijklm1 043.53±16.87JKkl1013.37±0.54Bbcdef12.02±1.24Ddefg1.12±0.15Ffghi1.25±0.04Eefg1 251.60±5.44Ff1111.73±0.47Iij11.41±0.11Ddefghi1.03±0.04Iij1.01±0.03Iijklm1 011.27±19.88KLl1215.91±0.24Aa13.33±0.12BCc1.19±0.02Ddefg1.87±0.06Cc1 835.53±55.04Cc1313.01±0.75Ccdefgh11.43±0.19Ddefghi1.14±0.05Eefghi1.10±0.12Ffghijk1 046.50±6.90JKkl1415.86±0.41Aa14.02±0.35Bb1.13±0.01Eefghi2.36±0.06Aa2 228.53±38.17Aa1512.12±0.33Gghij9.48±0.34Kkl1.28±0.01Ccd0.79±0.08Nn831.60±41.72No1613.01±0.19Ccdefgh11.87±0.21Ddefgh1.09±0.02Gghij1.33±0.03Ee1 335.67±8.49Ee1712.90±0.13Ccdefgh11.62±0.13Ddefgh1.11±0.02Gghi1.14±0.03Ffghi1 175.07±31.22Ggh1812.33±0.35Eefghi11.18±0.26Eefghi1.10±0.02Gghij1.06±0.10Gghijklm1840.93±33.37JKkl1914.37±0.33Bb13.02±0.93BCc1.10±0.06Gghij1.48±0.12DEd1 373.80±34.45Ee2012.24±0.52Ffghi9.10±0.23Ll1.34±0.02Bbc0.49±0.06Oo613.40±13.79O2112.43±0.10Ddefghi11.46±0.26Ddefghi1.10±0.02Gghij1.08±0.04Ffghijkl1 054.60±13.81JKkl2213.30±0.47Bbcdef11.84±0.15Ddefgh1.12±0.03Ffghi1.27±0.06Eef1 260.27±39.18Ff2312.47±0.31Ddefghi11.05±0.20Ffghi1.12±0.02Ffghi1.01±0.07Iijklm1 007.13±22.99KLl2413.10±0.78Ccdefgh11.63±0.18Ddefgh1.13±0.07Ffghi1.08±0.08Ffghijkl1 171.07±4.77Ggh2513.16±0.15Ccdefg11.92±0.17Ddefgh1.11±0.03Gghij1.13±0.09Ffghi1 165.20±41.51Gghi2615.25±0.10Aa15.37±0.12Aa0.99±0.01Jj2.18±0.05Bb2 111.07±28.10Bb2713.07±0.06Ccdefgh11.14±0.10Eefghi1.17±0.02Eefg1.06±0.06Gghijklm1038.53±20.63JKkl2812.24±0.73Ffghi10.48±0.44IJj1.17±0.04Eefg0.91±0.11Kklmn888.60±24.12MNn2913.69±0.24Bbc13.12±0.26BCc1.04±0.01Hhij1.52±0.06Dd1 518.8715.77Dd3010.77±0.25Kk12.09±0.19Ddef0.89±0.01Kk0.94±0.03Jjklm947.20±17.31LMm3113.03±0.57Ccdefgh12.21±0.19Dde1.07±0.04Gghij1.34±0.03Ee1262.47±34.05Ff3213.40±0.57Bbcde11.62±0.15Ddefgh1.15±0.03Eefgh1.09±0.09Ffghijk1070.60±24.89IJKkl3311.29±0.38Jjk13.13±0.03BCc0.86±0.03Kk1.18±0.06Eefghi1171.80±36.80Ggh均值13.1611.661.141.191 180.21CV/%9.1710.9711.2130.4328.28

注：同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，大写字母表示在0.01水平上差异极显著。下同。

3 结果与分析

3.1 不同种源及家系种子形态特征分析

由表3、表4可知，铁橡栎种子的种长、种宽、种形指数、单粒重及千粒重等5个种子性状在种源及家系间均存在着显著或极显著差异，说明其种子在种源及个体间的分化较为明显，遗传变异丰富。个体差异是家系间产生差异的主要原因，而种源间的差异则是个体差异与气候、种群特征、土壤等环境因素综合作用的结果。变异系数可以表示性状值的变异程度，变异系数越大，则性状值变异程度越大[8]。从5个种子性状的变异系数来看，单粒重和千粒重在家系间的变异最大，种源间则最小，其在家系间的变异系数达30.43%和28.28%，变幅在0.49～2.36 g和613.40～2 228.53 g之间，最大值是最小值的4.8倍和4.5倍，而种源间仅为4.43%和4.09%，变幅在1.15～1.27 g和1 134.87～1 250.32 g之间，最大值仅为最小值的1.1倍；种长和种宽在家系间变异系数为9.17%和10.97%，变幅在10.77～15.91 mm和9.1～15.37 mm之间，最大值是最小值的1.5倍和1.7倍，种源间的则为7.60%和6.65%，变幅在11.29～13.26 mm和11.25～13.13 mm之间，最大值均是最小值1.2倍；种形指数在二者间的变异幅度基本一致，变异系数为11.21%和13.56%，变幅在0.86～1.48和0.86～1.27之间，种子形状呈扁圆形、圆形或长圆形。可见，铁橡栎种子在种源及家系间变异趋势及幅度均有所不同，但种源间的变异要小于家系间的变异，说明种子的形态受遗传特性及环境因素的影响并具有一定的变化幅度。综合而言，其种子性状以单粒重及千粒重最不稳定，变异幅度最大，种长、种宽及种形指数3个性状更趋于稳定。

表4 铁橡栎不同种源种子性状的差异性比较

种源种长/mm种宽/mm种形指数单粒重/g千粒重/g建水13.26±0.18Aa11.25±0.10Dd1.19±0.01Aa1.15±0.03ab1 134.87±8.37Bc个旧13.30±0.08Aa11.72±0.13Cc1.14±0.02Ab1.22±0.02ab1 200.17±7.64ABb弥勒13.08±0.06Aa12.25±0.10Bb1.07±0.01Bc1.27±0.01a1 250.32±6.16Aa开远11.29±0.38Bb13.13±0.03Aa0.86±0.03Cd1.18±0.06b1 171.80±36.80Bb均值12.7312.081.071.201 189.29CV/%7.606.6513.564.434.09

表5 种子性状的相关性

相关系数种长种宽种形指数单粒重千粒重经度纬度海拔种长1.00种宽0.43*1.00种形指数0.40*-0.65**1.00单粒重0.72**0.88**-0.281.00千粒重0.72**0.87**-0.280.99**1.00经度-0.100.14-0.220.030.071.00纬度-0.050.11-0.140.100.12-0.101.00海拔0.11-0.010.100.120.10-0.310.171.00

注：“*”p<0.05，“**”p<0.01。

表6 铁橡栎种子形态特征影响因素主成分分析结果

主成分各因子特征向量种长种宽种形指数单粒重千粒重经度纬度海拔特征值贡献率/%累计贡献/%10.36490.5015-0.20170.53130.53090.04090.07810.05213.451843.147243.147220.4659-0.22400.61630.07130.0543-0.4525-0.01300.37411.703321.290864.43803-0.31240.0610-0.3180-0.0329-0.04160.39000.61740.51141.301916.273580.711540.1800-0.13410.3079-0.01920.02900.3728-0.33440.77640.79249.904590.6160

3.2 种子性状与经结纬度及海拔的相关性分析

由表5可知，铁橡栎种子的种长、种宽、单粒重及千粒重4个性状相互间存在着极显著的正相关关系，说明其中任一性状的变化均会引起其余3个性状的变化。种形指数与种长、种宽呈显著的正相关关系或极显著的负相关关系，而与单粒重、千粒重及经纬度呈不显著的负相关关系，说明种子的形状主要受遗传控制，但随着种子质量的增大及经纬度的升高，种形指数变小，种子形状呈“长圆形-圆形-扁圆形”的变化之势。种子的5个性状与经度、纬度及海拔3个地理因子之间无明显的相关关系，说明铁橡栎种子的大小、形状及质量在种源及家系间均无明显的地理变异及垂直变异。究其原因，可能与采种的种源地之间相互毗邻，经纬度无明显变化及海拔高差较小有关。

3.3 种子形态特征影响因子主成分分析

以33个家系的种子为样本单元，将5个种子性状、经度、纬度及海拔作变量进行主成分分析(表6)。由表6可知，第1、第2、第3和第4主成分的贡献率分别为43.147 2%、21.290 8%、16.237 5%和9.904 5%，累积贡献率达90.616 0%。在第1主成分上特征向量较大的因子是种子的单粒重和千粒重，集中反映了种子质量的大小；第2主成分是种子的种形指数，反映了种子的形状；第3主成分是纬度，反映的是地理因子；第4主成分是海拔，反映的是环境因子。可见，影响铁橡栎种子形态特征的首要因子是种子的单粒重、千粒重和形状(种形指数)，其次是纬度和海拔。

3.4 不同家系种子聚类分析

干粒重作为衡量种子质量的重要指标之一[15-16]，千粒重较高的种子其营养物质较丰富，它可为幼苗的高生长提供更多的营养[17]。因此，以铁橡栎种子的单粒重和千粒重为指标，采用最长距离(欧式距离)法，对铁橡栎4个种源的33个家系进行聚类分析(图1)。由图1可以看出，供试的33个家系可划分为4类。Ⅰ类包括12、14号和26号家系，其单粒重和千粒重质量最大且远高于总体平均值；Ⅱ类包括8、10、16、19、22、29号和31号家系，单粒重和千粒重质量高于总体平均值但小于Ⅰ类但；Ⅲ类包括2、3、5、6、7、9、11、13、17、18、21、23、24、25、27、32号和33号家系，其单粒重和千粒重质量中等且小于总体平均值；Ⅳ类包括1、4、15、20、28号和30号家系，其单粒重和千粒重质量最小。可见，聚类分析的结果并未出现明显的区域性，说明铁橡栎种子的单粒重和千粒重在种源及家系间并无明显的地理变异，结果与相关分析的结果一致。

图1 不同家系铁橡栎聚类分析

4 结论与讨论

铁橡栎种子的种长、种宽、种形指数、单粒重及千粒重等5个性状指标在种源及家系间均存在着显著或极显著差异，说明其种子在家系间、种源间均存在着丰富的遗传变异，这与孙玉玲等[6]、徐亮等[7]、张飞琳等[8]的研究结论相吻合 。个体差异是家系间产生差异的原因，种原间的差异则是个体差异与环境因素综合作用的结果。5个种子性状在种源及家系间的变异幅度及趋势均有所不同，但种源间的变异要小于家系间的变异，说明其种子的形态受遗传特性及环境因素的影响并具有一定的变化幅度。其种子性状的变异以单粒重及千粒重最不稳定，变异幅度最大，种长、种宽及种形指数3个性状更趋于稳定，结果与张飞琳等[8]、邓丽丽等[18]及常恩福等[19]的研究结论相近。种形指数随着种子质量的增大及经纬度的升高而变小，种子的形状呈“长圆形-圆形-扁圆形”的变化之势，说明种子的形状主要受遗传控制且与种的特性有关，而孙玉玲等[6]及徐亮等[7]在秦岭冷杉(Abieschensiensis)和岷江柏(CupressuschengginanS.Y.Hu)种群的球果与种子形态研究中也得出了相近的结论。相关分析结果表明，种子的大小、形状及质量在不同种源及家系间均无明显的地理变异及垂直变异，而不同家系聚类分析结的果也未出现明显的区域性，二者分析的结果基本一致，但与常恩福等[10]及刘志龙等[12]在同属树种锥连栎和麻栎种子形态研究中得出的结论相反，可能与采种的种源地之间相互毗邻，经纬度无明显变化海拔高差较小有关。但由于铁橡栎的结实存在明显的“大小年”现象，加之种子的成熟期不一致，种源材料收集有限，其结果仍待加以验证。

外界地理和气候环境条件与植物生长发育之间有着密切的联系，它不仅影响植物的生长，而且对种子的质量也有很大的影响[20]。主成分分析结果显示，影响铁橡栎种子形态特征的首要因子是种子的单粒重、千粒重和形状(种形指数)，其次是纬度和海拔。因此，可将单粒重及千粒重作为铁橡栎优良种质资源或家系早期快速筛选的指标。综合种子形态特征及聚类分析的结果，8、10、12、14、16、19、22、26、29号和31号家系共10个家系属种子质量较好的家系，其单粒重及千粒重分别为1.21～2.36 g和1 222.73～2 228.53 g ，分别较总体平均值高1.1%～142.9%和3.6%～88.8%，种子呈长圆形或扁圆形。就种源而言，较好的是弥勒种源，其单粒重和千粒重为1.27 g和1 250.32 g，其次是个旧种源，为1.22 g和1 200.17 g。

种子特征的差异属表现型变异，是基因型与环境交互作用的结果[20]，影响铁橡栎种子品质的因素较多，其亲本的优良性状在种子特征的变异中并未得到完全体现，应通过不同种源或家系种子营养成分、发芽率、苗期生长差异及子代测定等方面的研究，以筛选出优良的家系或种源，并同时选择出可作为早期选择的优良性状，以缩短其良种选育的周期。在未得到可靠的研究结果之前，可优先选择种子质量较好的10个家系和弥勒、个旧2个种源作为采种母树和采种林分，以满足当地林业生产的种苗需求。