珍稀濒危植物峨眉含笑种实表型性状的空间变异特征

陈俐洁 党万园 陈巍巍 邱 涛 陈小红*

（1. 四川农业大学林学院，成都 611130；2. 中国科学院昆明植物研究所，昆明 650201）

植物表型性状变异是遗传变异的外在表现形式，在环境和遗传双重因素作用下，不同植物之间或同一植物之间有着不同程度的表型变异［1］。果实和种子是植物重要的繁殖器官，其表型性状不仅体现了植物的繁育对策，还决定了植物扩散、定居的天然更新能力［2-4］。目前，关于珍稀濒危植物种实表型性状变异的研究逐渐丰富，主要集中在通过表型性状探究种源内及种源间的遗传多样性，为濒危植物的资源保护及开发利用提供数据支持［5-8］。关于植物种实空间变异的研究，目前仍集中在分析不同层次树冠上的种实特征，以及不同种源间的差异，较少有利用变异函数等地统计学方法来分析植物种实的空间异质性。空间异质性是存在于生态学系统中的一个普遍现象，反映了生态系统属性在不同方向和尺度上的复杂性和变异性［9］。种实表型性状在不同的尺度和方向上有时存在一定的差异，不同性状的空间自相关性、空间分布格局有所不同，具有较为明显的空间变异特征［10］。因此，研究植物尤其是珍稀濒危植物种实表型性状的空间异质性，不仅可以了解植物在一定空间范围内的分布和自相关性，还可以掌握在不同方向上的差异性，从而为植物资源保护与利用提供一定的理论依据。

峨眉含笑（Michelia wilsonii）为木兰科（Magnoliaceae）含笑属（Michelia）常绿乔木，其分布地域狭窄，为国家二级保护濒危树种［11］。目前，关于峨眉含笑的应用和研究多集中于人工繁殖、精油提取、种群动态和胁迫生理［12-15］等方面，有关其果实和种子的表型特征及种实的空间变异规律还鲜见报道。因此，本研究以雅安周公山分布的野生峨眉含笑为对象，分析12 项种实表型性状的空间变异特征，旨在了解珍稀濒危植物峨眉含笑种实表型的变异程度及空间异质性，以期丰富峨眉含笑表型性状的基础数据，从种实方面揭示峨眉含笑的分布格局、变化范围及自相关性程度，探究是否存在各向异性，并根据研究结果指导种实的采集，为其保护与繁育工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于雅安市雨城区周公山（29°57′55″—29°58′18″N，103°2′40″—103°3′7″E），海拔900～1 158 m。该地为亚热带湿润性季风气候，年平均气温16.2 ℃，年平均降水量1 774.3 mm，年平均蒸发量1 011.2 mm，年平均相对湿度79%，土壤类型为山地黄壤。研究区的植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，林分郁闭度0.7～0.9。乔木层除峨眉含笑外，有杉木（Cunninghamia lanceolata）、亮叶桦（Betula luminifera）、栗（Castanea mollissima）、山鸡椒（Litsea cubeba）、刺楸（Kalopanax septemlobus）和尖叶桂樱（Laurocerasus undulata）等树种，林下主要为姬蕨（Hypolepis punctata）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、菝葜属（Smilax）和悬钩子属（Rubus）等植物。

1.2 试验材料

在峨眉含笑种群内设置一块200 m×200 m 的样地，采用GPS 记录峨眉含笑植株的经纬度坐标并挂牌定位，具体信息见表1。于2017 年9 月下旬，对已挂果的91株峨眉含笑植株，从每株树冠的东、南、西、北4 个方向随机采摘10 颗成熟但蓇葖未裂开的果实，共计910 颗果实，将果实编号挂牌后进行后续性状的测定。果实采样点分布如图1所示。

图1 峨眉含笑结果植株分布Fig.1 The distribution map of M.wilsonii fruits

表1 样地信息Table 1 Sample plot information of M.wilsonii

1.3 测量方法

用电子天平（精度为0.01 g）测量果实鲜质量后，将果实置于通风阴凉处风干。待蓇葖自然裂开后，使用游标卡尺（精度为0.01 mm）测量果实长和宽、蓇葖纵径和横径，电子天平（精度为0.01 g）测量果实干质量，并计算果形指数，公式：果形指数=果实长/果实宽。

人工统计果实上的蓇葖总数及败育蓇葖数量（蓇葖中无种子视为败育）、种子总数及败育种子数量（种子干瘪、中空视为败育），以此计算出蓇葖败育率和种子败育率；并按果实长的3∶4∶3 比例，将果实划分为上、中、下3个部分（靠近果柄处视为上部），分别统计这3个位置的败育情况。

每株树采用四分法随机选取30 粒种子，使用游标卡尺（精度为0.01 mm）测量种子纵径和横径，重复3 次取平均值。每株树随机选取100 粒种子用电子天平（精度为0.01 g）称量质量，重复3 次取平均值，并计算千粒质量。

1.4 数据处理

利用Excel 2019 计算峨眉含笑种实表型性状的变异系数，变异系数常用来衡量数据的变异程度，通常用标准差与算术平均数之比来计算。

利用SPSS 27 对峨眉含笑种实表型性状进行Shapiro-Wilk 检验，判断性状指标是否为正态分布，若sig值小于0.05，需进行正态转换。利用地统计学软件GS+7中的半方差函数（又称变异函数）对种实表型性状进行空间异质性分析。空间异质性与样点间的距离和位置有关，而半方差函数既可以将两者结合起来，建立出各种空间预测模型，又可以对空间格局的尺度和变异方向进行分析［16］，能够很好地反应空间异质性的大小。计算公式：

式中：r（h）为半方差函数值；h为样点空间间隔距离；N（h）为间距为h的点对总数；Z（xi）和Z（xi+h）为系统某属性Z在空间位置xi和xi+h处的值。

半方差函数的主要参数包括块金值C0、基台值（C0+C）、空间结构比C0/（C0+C）、变程A等［17］。间隔距离h=0 时的半方差函数值称为块金值C0，随着间隔距离h的增大，函数值达到一个相对稳定的常数，该常数称为基台值（C0+C），此时的间隔距离A称为变程。变程A反映了空间变异的尺度，在变程范围内，变量具有空间自相关，反之则不存在。空间结构比C0/（C0+C）表示随机部分占空间异质性的比值，若比值＜0.25，空间自相关性强烈；若比值在0.25～0.75，空间自相关性中等；若比值＞0.75，空间自相关性很弱［17-19］。

当变异函数是由某一特定方向θ构造时，称为各向异性变异函数，表示为r（h，θ）［17］。一般用各向异性比K（h）来描述各向异性结构的特点。计算公式：

式中：r（h，θ1）和r（h，θ2）为方向θ1和θ2上的半方差函数。如果各向异性比K（h）接近于1，则空间异质性为各向同性，否则为各向异性。

2 结果与分析

2.1 峨眉含笑种实表型性状特征

如表2所示，峨眉含笑各项种实表型性状存在不同程度的变异，变异系数为9.82%～75.65%，平均变异系数为27.59%。其中，种子败育率的变异系数高达75.65%，变异幅度为1.12%～43.95%；蓇葖败育率次之，变异系数为38.07%，变异幅度为3.97%～65.88%；而种子纵径的变异程度最弱，为9.82%，变异幅度为4.12～7.12 mm。从性状的类型来看，5 项聚合果性状的平均变异系数为25.32%，3 项蓇葖果性状的平均变异系数为24.72%，4 项种子性状的平均变异系数为32.57%，这意味着峨眉含笑种子性状较果实性状的变异程度更为丰富。此外，种子败育率等数量性状的变异程度普遍比种子千粒质量、果实干质量等质量性状要大，形态性状如果实长、果实宽、蓇葖纵径和种子纵径等的变异程度最低。

表2 峨眉含笑种实表型性状的统计特征Table 2 Statistical characteristics of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

峨眉含笑果实不同位置上的败育率如表3 所示，可以看出在果实的不同位置上，蓇葖败育率的差异显著（P＜0.05），种子败育率的差异不显著（P＞0.05）。败育率在果实下部的变异系数最小，性状离散程度较低。位于果实下部的败育率最高，蓇葖败育率为38.22%，种子败育率为18.32%；而位于果实中部的败育率最低，蓇葖败育率为23.45%，种子败育率为15.05%。可见，峨眉含笑果实首尾两端的败育率较中间部位高，而果实下部的败育率最高且性状比中上部要稳定。

表3 峨眉含笑种实的败育率Table 3 Abortive rate of seed and fruit of M.wilsonii

2.2 峨眉含笑种实表型性状的空间异质性

将不符合正态分布的数据转换后，在GS+7.0中进行半方差函数模型的拟合。选择决定系数R2大、残差平方和小的函数模型为最优模型，所得结果如表4 所示，半方差函数曲线如图2 所示。峨眉含笑果实长、蓇葖横径、种子纵径和种子败育率的最优模型为线性模型，表现为随机分布；果实宽、果形指数、果实鲜质量和果实干质量为指数模型，蓇葖纵径、种子横径和种子千粒质量为球状模型，蓇葖败育率为高斯模型，表现为聚集分布。峨眉含笑12 项种实表型性状的变程A为9.70～105.26 m，在此范围内，各项指标存在空间自相关，超过这个范围则不存在；其中果实长、蓇葖横径、种子纵径和种子败育率的变程最大，空间连续性优于其余种实表型性状。果实长、果实宽和蓇葖败育率的块金值C0和基台值（C0+C）较大，空间异质性程度较高。空间结构比C0/（C0+C）显示，果实宽、果形指数、果实鲜质量、果实干质量、蓇葖败育率、种子横径和种子千粒质量的值均小于0.25，具有强烈的空间自相关性；蓇葖纵径和横径的结构比值分别为0.499 和0.491，具有中等程度的空间自相关性；果实长、种子纵径和种子败育率的结构比值均大于0.75，空间自相关性较弱。

图2 峨眉含笑种实表型性状的半方差函数A.果实长；B.果实宽；C.果形指数；D.果实鲜质量；E.果实干质量；F.蓇葖纵径；G.蓇葖横径；H.蓇葖败育率；I.种子纵径；J.种子横径；K.种子千粒质量；L.种子败育率Fig.2 Semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；B.Fruit width；C.Fruit shape index；D.Fruit fresh mass；E.Fruit dry mass；F.Follicel longitudinal diameter；G.Follicel transverse diameter；H.Follicle abortion rate；I.Seed longitudinal diameter；J.Seed transverse diameter；K.1 000-seed mass；L.Seed abortion rate

表4 峨眉含笑种实表型性状的半方差函数模型及参数Table 4 Model and parameters of semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

2.3 峨眉含笑种实表型性状的各向异性

峨眉含笑种实在0°、45°、90°、135°4个方向上的各项异性比如图3所示，可以看出峨眉含笑种实性状呈现较为明显的各向同性，仅少数种实表型性状存在各向异性现象。果形指数于10 m的小尺度内在0°、90°方向上各向异性比较大，蓇葖败育率于10 m 的小尺度内在0°、45°、90°、135° 4 个方向上具有较大的各向异性比，蓇葖横径于120 m尺度内在45°、135°方向上各向异性明显。相对来说，峨眉含笑其余9项种实表型性状在不同尺度下的90°/0°和135°/45°的各向异性比均接近于1，表现为各向同性。

图3 峨眉含笑种实表型性状的各向异性比A.果实长；B.果实宽；C.果形指数；D.果实鲜质量；E.果实干质量；F.蓇葖纵径；G.蓇葖横径；H.蓇葖败育率；I.种子纵径；J.种子横径；K.种子千粒质量；L.种子败育率Fig.3 Anisotropy ratios of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；B.Fruit width；C.Fruit shape index；D.Fruit fresh mass；E.Fruit dry mass；F.Follicel longitudinal diameter；G.Follicel transverse diameter；H.Follicle abortion rate；I.Seed longitudinal diameter；J.Seed transverse diameter；K.1 000-seed mass；L.Seed abortion rate

3 讨论与结论

对雅安市周公山的野生峨眉含笑种实表型性状的研究显示，峨眉含笑12 项种实表型性状的平均变异系数为27.59%，与其他珍稀濒危植物相比，其平均变异系数大于格木（Erythrophleum fordii）（12.41%）［7］、梓叶槭（Acer amplumsubsp.catalpifolium）（15.03%）［8］和闽楠（Phoebe bournei）（6.14%）［20］，说明峨眉含笑种实表型性状的变异程度较为丰富，对环境的适应能力较强。峨眉含笑种实形态性状的变异程度较数量性状和质量性状低，果实和种子的形态较为稳定，这与刁松峰等［21］对无患子（Sapindus saponaria）的研究结果一致。峨眉含笑种子的平均变异系数大于果实，果实性状的稳定性较种子性状高，这与闽楠［20］和无患子［21］的研究结果一致，与厚朴（Houpoea officinalis）［22］和夏蜡梅（Calycanthus chinensis）［23］的研究结果相反。12 项种实表型性状中，种子败育率的变异系数最大，是峨眉含笑种实变型变异的主要来源。种子的败育情况是影响植物繁殖和存活的重要因素，其较大的变异程度体现了峨眉含笑种群繁殖策略的灵活性。此外，本研究还发现峨眉含笑果实尾

部的蓇葖和种子败育率最高，果实中部的败育率最低，这可能与柱头所接受的花粉量有关。有研究表明，鹅掌楸（Liriodendron chinense）上部位柱头接收的花粉明显最少，花中部柱头接收的花粉较上、下部位柱头要多［24］，天女花（Oyama sieboldii）也存在花的上部柱头接受花粉量最少的现象［25］。木兰科花在转化为果实的过程中，上部位的柱头发育为聚合果尾部，下部位的柱头发育为靠近果柄处的顶部，峨眉含笑可能也存在花上部位柱头花粉量较少的情况，从而导致果实尾部的蓇葖和种子败育率较高。

半方差函数最优模型表明，峨眉含笑种实主要表现为聚集分布，这可能与峨眉含笑的果实类型及其传播方式有关。蓇葖果一般为自体传播，种子常掉落在母树周围［26］，造成峨眉含笑大小植株相聚的现象，随着植株发育至结果阶段，所结果实也呈现出聚集分布的现象。空间异质性包含随机和自相关两部分，受到多种因素的影响：当空间自相关性表现强烈时，气候、光照、土壤类型等结构类因素引起的空间异质性程度较大，较弱时则人为干扰等随机因素占主导［27］。在一定程度上，基台值可以描述空间异质性程度，但容易受自身因素和测量单位的影响［17］。峨眉含笑果实长、果实宽和蓇葖败育率的基台值较大，说明其总的空间异质性程度较高，空间变异性较大。空间结构比与基台值相比，不仅能反映出不同因素所造成的空间异质性程度，还能体现空间自相关性强度。峨眉含笑果实长和种子败育率的空间结构比为1，表现为纯块金效应，具有恒定的变异性。峨眉含笑12 项种实表型指标的变程为9.70～105.26 m，对空间尺度的依赖程度各不相同。总体而言，在40 m尺度下，峨眉含笑大多数种实表型性状的空间结构比接近0.25，空间自相关性程度较强，结构类因素引起的空间异质性程度较高。木兰科植物的繁育类型以异交为主［28-29］，由于样地内峨眉含笑呈聚集分布，异株传粉间距离较近，遗传信息交流方便，由此推测相聚植株的果实性状形成了较为强烈的自相关性。少数种实性状指标其空间自相关性较弱的原因，可能是采样时随机摘取了不同冠层内的果实。有研究表明，植物果实在上中下不同冠层内的表型性状有所差异［22，30］，而本研究在采样时仅设置了东南西北4个方位，未考虑冠层的影响，人为干扰因素的存在导致了自相关性程度的降低。空间异质性不仅与尺度有关，还与方向有关，一般由地形、水分等因子导致的空间异质性通常为各向异性［17］。本研究发现峨眉含笑12项种实表型性状中仅3项指标表现为各向异性，并且差异主要集中在小尺度内；其余9项指标均表现为各向同性，在4 个方向上的差异不大，这可能是研究区域内地势较为一致，所选样地的微环境差异不大所致。

目前，针对峨眉含笑种质资源评价、良种选育回归引种等资源保护与利用方面的研究较为缺乏，本研究为进行峨眉含笑资源保护提供了基础数据和理论依据，对峨眉含笑种质资源收集、遗传改良等工作具有一定的指导意义。周公山峨眉含笑的种实表型性状变异丰富，种实败育率波动较大，种子性状的变异程度较果实要大，这为峨眉含笑种实的培育提供了多种选择，为峨眉含笑的选择育种奠定了重要的物质基础。由于峨眉含笑种实在研究区中等尺度下表现为各向同性，在不同方位上的变化差异不大，因此在对周公山峨眉含笑天然种群进行实地保护繁育时，可于种群200 m的范围内，在任意地理方向上收集种实、育苗繁殖，以促进峨眉含笑种群的更新。