任紅劍，豐 震*，喬 謙，安 凱，葉美靜，司芬芬，張 林，孫忠奎

(1.山東農業(yè)大學 林學院，山東 泰安 271018；2.泰安市泰山林業(yè)科學研究院，山東 泰安 271000；3.泰安時代園林科技開發(fā)有限公司，山東 泰安 271000)

植物在長期適應環(huán)境的過程中，群體產生各種程度和形式的變異,植物個體的形態(tài)差異是由自身的遺傳因素和環(huán)境條件共同作用的結果,也是植物適應其生存環(huán)境的表現形式[1]。形態(tài)表現差異經常作為遺傳變異的表征[2]，植物葉片的形態(tài)特征，例如葉片形狀和大小、葉柄長度等，是植物在長期進化過程中適應環(huán)境的結果，與植物的基本功能有密切的關系，可以有效地反映其生存環(huán)境的差異[3-5]，也影響生態(tài)系統(tǒng)的功能。從全球尺度到區(qū)域尺度,葉片大小和形態(tài)與溫度、水分、土壤等氣候條件之間存在顯著的相互關系[6-8]。

元寶楓(Acertruncatum)系槭樹科槭樹屬植物，作為一種植物資源用途繁多，首先其樹姿優(yōu)美,葉形秀麗,具有很高的觀賞價值；其次，各部分器官藥理作用明顯。元寶楓葉片中綠原酸、黃酮類物質含量豐富[9]可做元寶楓葉茶，元寶楓種子可制油，油中脂肪酸含量頗高[10]，其籽油已經被國家衛(wèi)計委批準為新資源食品；還有其木材紋理細密美觀[11]，是制作家具的重要木材材料。元寶楓應用于園林造景和食品藥品開發(fā)、家具生產等方面的前景十分廣闊。元寶楓為我國特有樹種，葉紙質，長5～10 cm，寬8～12 cm，常5裂，稀7裂，分布廣泛，且抗逆性與適應性很強。可作為我國特有樹種，關于元寶楓主要自然分布區(qū)內種群地理變異趨勢的研究尚未見報道，其價值和應用還未被人們重視和發(fā)揮。目前，相關性分析法、主成分分析是遺傳育種和品種資源研究中普遍應用的方法，在作物種質資源研究中被廣泛應用[12-14]。本研究旨在通過對不同種源的元寶楓進行葉片的形態(tài)變異研究，歸納其葉片的形態(tài)特征發(fā)現其地理變異，為科學分析和研究及開發(fā)元寶楓種質資源提供依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地點概括

2016年9-11月通過查閱《中國植物志》和大量文獻資料中有關元寶楓分布地的資料，篩選后共獲取15個省份的27個地點，不同種源間坐標位置，氣候特征差異顯著(表1)。

1.2 試驗材料與形態(tài)測定

首先采集不同地區(qū)元寶楓的葉片，采葉要求是從采集地點隨機選取3～5株大樹,在每株樹東南西北不同方位的枝條中部(長枝上第3、4、5對葉)采摘100片葉,從中選擇完好無損的20片葉進行形態(tài)特征類變量(葉長X1、葉寬X2、葉面積X3、葉柄長X4、葉裂長X5、葉裂寬X6、葉長寬比X7、葉裂長寬比X8、葉基角X9)的測量與計算。其中葉面積、葉基角利用萬深LA-S葉面積儀(公司或廠家)對葉片進行掃描后計算獲得，剩余指標的獲取均通過游標卡尺測定和計算。

1.3 數據處理及分析

數據整理統(tǒng)計后,計算各種源葉片性狀平均值、標準差(σx)、變異系數(CV),用變異系數代表性狀離散程度；對元寶楓葉片各性狀間、其與環(huán)境因子間的相關性分析比較；根據不同種源間葉片形態(tài)的差異進行主成分分析，探究影響元寶楓葉片形態(tài)的主要因素；通過不同種源間葉片性狀的不同，進行區(qū)域劃分。分析軟件采用Excel2007、SPSS22分析離散程度及相關性的分析、聚類分析用于種源分類，利用MATLAB9.0進行主成分分析的操作。

2 結果與分析

2.1 各種源間葉片性狀離散程度

用各種源均值對元寶楓27個種源的9片葉表型性狀進行統(tǒng)計分析結果(表2)表明葉片性狀變異較大，從7.12% ～21.89%，表現為，葉長寬比X7(7.12%)<葉裂寬X6(7.71%)<葉長X1(10.26%)<葉寬X2(11.82%)<葉柄長X4(14.99%)<葉裂長寬比X8(15.32%)<葉基角X9(15.78%)<葉裂長X5(15.94%)<葉面積X3(21.89%)。

總體上看，葉長寬比(X7)表現的差異最小，標準偏差只有0.05，大都在0.65～0.80之間，說明元寶楓葉片的葉長寬比是一個較穩(wěn)定的性狀。葉裂寬(X6)變異系數為7.71，也是不易發(fā)生改變的性狀。但是像葉面積(X3)、葉裂長(X5)、葉裂長寬比(X8)、葉基角(X9)等4項指標變異系數都大于15%，證明不同種源間該些性狀差異顯著，對環(huán)境變化較為敏感；尤其以葉面積(X3)這一性狀在總體水平上變異系數最大，標準偏差達到6.62，表明隨著經緯度和各地環(huán)境條件的變化，元寶楓為適應環(huán)境其葉片大小發(fā)生改變。對環(huán)境最為敏感，變異最為顯著。

表1 樣本采集地點

2.2 葉片性狀間的相關性分析

葉長(X1)與葉寬(X2)、葉面積(X3)、葉裂長(X5)、葉裂長寬比(X8)；葉寬(X2)與葉面積(X3)、葉裂長(X5)、葉裂寬(X6)、葉裂長寬比(X8)；葉面積(X3)與葉柄長(X4)、葉裂長(X5)、葉裂寬(X6)；葉裂長(X5)與葉裂長寬比(X8)；葉長寬比(X7)與葉基角(X9)等均極顯著正相關；其中葉長(X1)與葉裂長(X5)相關性系數是0.931，是其中相關性系數最高的數據。葉寬(X2)與葉長寬比(X7)、葉基角(X9)；葉裂長(X5)與葉基角(X9)等呈極顯著負相關。葉長(X1)與葉柄長(X4)、葉裂寬(X6)；葉寬(X2)與葉柄長(X4)等均顯著正相關。葉裂寬(X6)與葉長寬比(X7)、葉基角(X9)呈顯著負相關(表3)。根據相關性關系，通過單個性狀比較其他表觀特性的差異。

2.3 葉片性狀與地理、環(huán)境因子的相關分析

葉片性狀與地理、氣候等環(huán)境因子相關性檢驗(表4)表明，元寶楓葉片的葉長(X1)隨緯度的增加而縮短，與緯度呈顯著負相關，但與年均溫和年降水量間呈顯著正相關；葉面積(X3)與年均溫呈顯著正相關，相關性系數為0.450，葉片面積隨溫度和降水量的增加而變大，即越溫暖濕潤葉片越大，反之，葉片就??；葉柄長(X4)和緯度、海拔顯著負相關，隨著緯度與海拔的升高，葉柄減短，縮短了葉片與枝干間養(yǎng)料與水分的運輸距離，但它和年均溫呈顯著正相關，年均溫越高葉柄也越長。

2.4 元寶楓種源葉片性狀變異的主成分分析

供試元寶楓種源葉片性狀變異的主成分分析(表5)表明,元寶楓種源葉片性狀變異的第1、第2主成分和第3主成分的貢獻率分別為44.490%、20.262%和14.278%；在第1主成分分析中葉長(X1)、葉寬(X2)特征值較大，分別為0.422、0.488，即葉長、葉寬占主導地位，故可以稱第1主成分為葉片大小因子。在第2主成分中，葉長寬比(X7)的特征值達到0.534，葉基角X9的特征值達到0.514，表明葉片受葉基角和葉長寬比的影響較大，故可以稱第2主成分為葉片形狀因子。在第3主成分中，葉柄長(X4)特征向量較大為0.538，所以稱第3主成分是葉柄因子。前2個主成分累計貢獻率僅為64.752%，前3個主成分累計貢獻率為79.030%，表明各性狀指標的累計貢獻率增長較慢，元寶楓葉片形態(tài)性狀具有較大的遺傳多向性。

表2 27個種源的葉片性狀均值及變異系數

表3 元寶楓葉片形態(tài)性狀間的相關分析

注：**表示極顯著相關(P<0.01) ，*表示顯著相關(P<0.05)。

表4 葉片性狀與地理、氣候因子的相關性

注:*表示顯著相關(P<0.05) 。

2.5 葉片形態(tài)特征的聚類分析和種源分類

以葉片性狀變異系數較大的葉面積(X3)、葉裂長(X5)、葉裂長寬比(X8)、葉基角(X9)等4個葉片性狀為參數[15]，采用歐氏距離類平均法進行27個種源的聚類分析(圖1)。當歐氏距離為8時，27個種源的元寶楓可初步歸為4個種群，第Ⅰ類：16號陜西華山、17號陜西扶風、10號陜西永壽、25號上海佘山、01號內蒙代欽塔拉、20號四川九寨溝、06號河北平泉、09號北京八達嶺、22號河南南召、21號河南伏牛山、08號北京西山、18號陜西鳳州、19號甘肅成縣、14號陜西華陰、12號山西石膏、04號吉林長春、26號江蘇南京、13號山西永濟為一類；第Ⅱ類：02號內蒙蒙格罕山、23號河南濟源、11號山東泰山、03號內蒙古赤峰、07號河北霧靈山為一類；第Ⅲ類 05號遼寧法庫、10號北京小龍門為一類；第Ⅳ類24號湖北大洪山、27號江西九江各為一類。

表5 元寶楓種源葉片性狀變異的主成分分析結果

圖1 元寶楓葉片性狀聚類分析

聚類分析得到4大類種群(圖2)，24號湖北大洪山和27號江西九江作為該次調查的最南端，葉片表現出越往南部元寶楓葉片葉面積越大的特征。05號遼寧法庫、10號北京小龍門作為一類的結果，表現為葉基角較大，大都在180°左右和其他種源間差異顯著。第Ⅱ類種源中,葉片葉形較為穩(wěn)定，葉片長寬比值差異較小，都在0.69左右處于平均水平。其他種源間差異不顯著，可另作為一類來表示元寶楓葉片的形態(tài)特征。

圖2 基于聚類分析構建的元寶楓種源分類分布

3 結論與討論

元寶楓種源間葉片形態(tài)指標(葉長、葉寬、葉面積、葉柄長、裂長、裂寬、葉長寬比、裂長寬比、葉基角)差異顯著，產地效應明顯。由變異系數得到元寶楓葉片的葉面積變異幅度較大，說明葉面積受環(huán)境因子影響較大。試驗調查主要是探求元寶楓葉片形態(tài)隨地理位置變化而引起的某些變異趨勢，分析比較葉片性狀對地理環(huán)境條件的敏感程度。

植物表型性狀受環(huán)境及栽培因素影響較大，在相同的環(huán)境條件下，不同性狀的多樣性能夠較好的揭示其遺傳本質，其各性狀的遺傳穩(wěn)定性不一致或許是不同自然條件長期作用所造成的[16]。調查結果顯示，葉面積對環(huán)境條件較為敏感，且葉片面積隨溫度和降水量的增加而變大，即越溫暖濕潤葉片越大，反之，葉片就小。葉片的大小往往與水分獲得性相關[17],如細胞的擴展對植物水分虧缺,表現出高度的敏感性,葉面積會隨著水分資源的短缺而減小。在前人研究當中，葉面積與水分利用效率密切相關，研究表明金葉假連翹、福建茶和金邊決明等5種植物葉片面積與水分利用率呈顯著正相關[18]，單位葉面積減小不僅可以增加葉片保水性,而且可以減緩葉溫升高的速率,從而提高植物對有限水分的利用效率是適應環(huán)境的表現[19]。與中國林木樹種的分布情況結論相同[20]，南方溫暖濕潤多為闊葉林，葉片面積較大；北方寒冷干燥大都是針葉林，葉面積較小。元寶楓的葉長隨緯度的增加有顯著減短的趨勢，但隨年均溫和年降水量的升高葉長顯著變長，說明越往南方溫暖濕潤的地區(qū)元寶楓葉片葉長越長。元寶楓葉片的葉長變化現象,對其適應環(huán)境具有重要的意義。在南方地區(qū)溫度較高,降雨量也較大,空氣濕度較大,葉片表面蒸汽壓梯度小,不利于葉片的蒸騰作用[21-22]，而元寶楓葉片變長，寬度變化幅度較小的情況下，葉形變窄有利于葉片的蒸騰作用,降低葉片溫度,是適應高溫環(huán)境條件的表現。葉柄的長短和環(huán)境因素的關系顯著，其中緯度與海拔的升高，葉柄減短,因為葉柄的主要作用是支持和運輸,隨緯度的升高,水分減少,葉柄逐漸變短,有利于水分和養(yǎng)分的輸送[23]，是對地理環(huán)境條件適應性的表現。該結論和穆立薔[24]對紫椴各器官形態(tài)特征(包括葉柄長)的研究類似，隨緯度、海拔的升高呈現顯著的相關性(多為負相關)。充分說明地理生態(tài)因素對元寶楓葉片表觀形態(tài)影響較大。

根據元寶楓種源葉片性狀變異的主成分分析結果，得到影響其葉片形態(tài)的3大主成分分別是葉片大小因子、葉片形狀因子、葉柄因子，其中葉片大小因子貢獻率最大，這與楊科家[25]等對元寶楓葉片形態(tài)差異比較分析后，所得到的元寶楓葉片形態(tài)第1主成分主要受葉長和葉寬影響，稱第1主成分為葉片大小因子的結果一樣；但是其對第2、3主成分的描述是裂片的形態(tài)因子、葉片角度因子與本研究結果稍有差別，這可能與試驗材料的選擇差異關系較大。

種源區(qū)域的劃分為優(yōu)良植株種質資源的選擇提供了基礎與理論依據[26]，由聚類分析可將27個種源歸為4大種群。綜合從各種源的地理分布看，多數相似種源在地理分布上是連續(xù)的區(qū)域分布，有個別種源，如01號內蒙古的代欽塔拉、04號吉林長春和26號江蘇南京、25號上海佘山等地點被歸為了第1類，23號河南濟源、11號山東泰山和02號內蒙蒙格罕山、03號內蒙古赤峰、07號河北霧靈山組成的第2類等，以上種源和其相似種源在地理上不相鄰，究竟是遺傳飄變還是其它原因，有待于用分子手段進一步研究。因為在長期進化過程當中種群在不同的自然選擇壓下向不同方向分化，導致植物形態(tài)特征發(fā)生了不同程度的變異，所以本研究主要是根據不同地理起源的元寶楓葉片形態(tài)進行種群劃分，說明了元寶楓葉片形態(tài)的地理變異趨勢。

在植物體表型性狀中，葉片性狀與植物的營養(yǎng)、生理以及生態(tài)因子等密切相關[27]，元寶楓葉片不同產地間顯著差異，元寶楓種群適應能力強，具有較為明顯的地理區(qū)域特點，該研究對元寶楓種源的地理區(qū)劃有積極意義，作為重要彩葉樹種，優(yōu)良元寶楓種源選擇也有廣闊的前景。

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