蔡年輝 楊博寧 王亞楠 汪夢婷 許玉蘭 李根前

(1. 西南林業(yè)大學西南山地森林資源保育與利用教育部重點實驗室，云南 昆明 650224; 2. 西南林業(yè)大學云南省高校林木遺傳改良與繁育重點實驗室，云南 昆明 650224)

云南松 (Pinusyunnanensis) 是我國云貴高原的主要鄉(xiāng)土樹種和重要用材樹種[1-3]，分布于東經(jīng)96°～108°、北緯23°～30°之間，其中云南省是云南松的集中分布區(qū)[3-5]，具有適應(yīng)性強、耐干旱瘠薄、喜光、木材用途廣等特點，是分布區(qū)域內(nèi)瘠薄荒山造林的先鋒樹種和治理水土流失的重要樹種[3,6-7]，對分布區(qū)域的林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)經(jīng)濟建設(shè)具有舉足輕重的作用[3]。但是，目前云南松林分出現(xiàn)穩(wěn)定性差、遺傳品質(zhì)退化、林分生產(chǎn)力下降等問題[8]，如何提高云南松人工林的生態(tài)功能和生產(chǎn)功能，并使其得以協(xié)調(diào)發(fā)展和可持續(xù)利用是云南林業(yè)急需解決的重要問題之一[9]，而維持群體遺傳多樣性顯得尤其重要。擇伐是森林生態(tài)系統(tǒng)最常見的干擾因素之一[10]，而不同擇伐強度和方式則可能強化了離散性過程，不同擇伐方式保留的種質(zhì)不同，可能對次生種群的遺傳結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，進而影響其穩(wěn)定性[10-11]，但不同擇伐方式對云南松群體遺傳多樣性的變化等尚缺乏研究證據(jù)。

表型變異反映植物對于環(huán)境變化的適應(yīng)性[12]，經(jīng)過長期的自然選擇，性狀逐步穩(wěn)定形成新表型，表型變異在適應(yīng)進化過程中具有重要的意義[13-15]。研究植物表型多樣性，不僅有助于了解環(huán)境因子對物種的影響，同時還可以揭示遺傳因素與自然因素的關(guān)系[16]。同時，表型分析是研究物種遺傳多樣性的傳統(tǒng)方法，可以直觀展現(xiàn)群體的遺傳結(jié)構(gòu)[17]。葉片是植物光合作用和呼吸作用的主要器官，在植物進化過程中對環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大，環(huán)境變化常導致葉性狀的變異以適應(yīng)不同的環(huán)境條件[18-21]。因此，研究植物葉表型多樣性在一定程度下可揭示其遺傳多樣性，前人已對云南松針葉在不同莖干類型及多種環(huán)境因子下的多樣性特征進行了研究[22-24]。因此，研究不同擇伐方式對云南松針葉表型變異的影響，有助于制定更為合理經(jīng)營措施，為云南松林分的可持續(xù)經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料采集

在全面踏查的基礎(chǔ)上，根據(jù)代表性和典型性原則在云南省雙江縣 “留優(yōu)去劣”、“伐優(yōu)留劣” 和 “無人為擇伐” 3種擇伐方式下云南松群體設(shè)置3個30 m × 30 m樣地，3個樣地均為云南松主伐后天然更新林分，林分年齡基本一致。2015年11月進行調(diào)查和采樣，采集樣地中每株云南松樹冠中上部位2年生針葉，用自封袋保存并進行單株編號，帶回實驗室備用，每個樣地的植株數(shù)100～200株。

1.2 性狀測定

在所采集的枝條上隨機抽取健康完整10束針葉用于表型測定，針葉長、葉鞘長用直尺測量，精確到0.1 cm；針葉粗、針葉束粗用游標卡尺測量，精確到0.01 mm；計算針葉長/針葉粗、針葉長/葉鞘長和針葉束粗/針葉粗3個針葉表型性狀指標。

1.3 統(tǒng)計分析

采用SAS 9.0軟件對各性狀進行巢式方差分析，線形模型為：

Yikj=μ+Si+T(i)j+ε(ij)k

(1)

式中：Yikj為第i個群體第j個家系第k個觀測值，μ為總平均值，Si為群體效應(yīng) (固定)，T(i)j為群體內(nèi)家系效應(yīng) (隨機)；ε(ij)k為試驗誤差，分析云南松群體的表型變異特征，并計算表型分化系數(shù)[25]，計算公式為：

(2)

采用Bio-Dap軟件計算針葉性狀多樣性Shannon-Wiener指數(shù)：

H=-∑(Pi)(lnPi)

(3)

式中：Pi為某性狀第i個級別出現(xiàn)的概率。

對數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行統(tǒng)計，運用SPSS 19.0進行方差分析、相關(guān)性分析，并計算平均值、標準差以及變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 云南松針葉表型性狀差異

對不同擇伐方式下的群體各針葉性狀進行方差分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同擇伐方式下云南松針葉表型性狀的方差分析Table 1 Variance analysis of needles phenotypic traits of P.yunnanensis in different selective cutting ways

注：**表示差異極顯著(P< 0.01)。

由表1可知，各針葉性狀在群體間和群體內(nèi)均存在極顯著差異 (P< 0.01)，表明云南松針葉性狀變異豐富。

進一步對3種擇伐方式下針葉表型性狀分析結(jié)果 (表2) 表明，針葉長、針葉束粗/針葉粗和針葉長/葉鞘長3個表型性狀均以無人為擇伐方式的稍低，其次為留優(yōu)去劣方式，而以伐優(yōu)留劣方式的較高。此外，針葉粗和針葉束粗也以伐優(yōu)留劣方式的較高。

表2 不同擇伐方式下云南松針葉表型性狀分析Table 2 Needles morphological traits of P.yunnanensis in different selective cutting ways

注：同列字母不相同表示差異顯著 (P< 0.05)。

2.2 云南松針葉性狀變異分析

對云南松3個群體葉的形態(tài)性狀的變異程度進行分析 (表3)，云南松7個針葉性狀的變異系數(shù)范圍在14.28%～22.04%，平均變異系數(shù)為17.83%，其中針葉長/葉鞘長的變異系數(shù)最大為22.04%，葉鞘長次之，為20.08%，針葉長/針葉粗的變異系數(shù)也大于平均變異系數(shù)，針葉束粗/針葉粗的變異系數(shù)最小為14.28%，其他3個性狀均小于平均變異系數(shù)17.83%。此外，針葉形狀指數(shù)的變異系數(shù)比其單個性狀稍大，平均變異系數(shù)最大的針葉長/葉鞘長(22.04%)和最小的針葉束粗/針葉粗(14.28%)均為形狀指數(shù)，說明云南松針葉形狀指數(shù)比單個性狀變異度更大。變異系數(shù)間接反映群體的多樣性豐富程度，變異系數(shù)越大表明性狀多樣性越豐富。通過對3個群體針葉表型性狀變異系數(shù)的均值比較可知，3個群體所有性狀的平均變異系數(shù)相差較小，說明云南松針葉的變異類型分布較均勻，以無人為擇伐方式的相對穩(wěn)定。

表3 不同擇伐方式下云南松針葉表型性狀變異系數(shù)Table 3 Variation coefficients of needles phenotypic traits of P.yunnanensis in different selective cutting ways %

2.3 云南松針葉表型性狀分化

不同擇伐方式下云南松針葉表型性狀方差分量分析見表4。

表4 不同擇伐方式下云南松針葉表型性狀方差分量分析Table 4 Variance components of P.yunnanensis in different selective cutting ways

對3個云南松群體的7個針葉性狀進行巢式方差分析，計算出各分量占總變異的比例。由表4可知：云南松7個針葉性狀在群體間的平均方差分量為7.23%、群體內(nèi)為48.94%，即群體間的變異遠小于群體內(nèi)。各表型分化系數(shù)幅度為0.29%～22.42%，較大的為針葉粗度和針葉束粗，分別為22.42%和19.51%，最小的為針葉束粗/針葉粗，僅0.29%。7個性狀群體間平均表型分化系數(shù)為11.38%，即群體間變異占遺傳總變異的11.38%，相應(yīng)地群體內(nèi)變異占遺傳總變異的88.62%，群體間的變異遠小于群體內(nèi)變異，說明群體內(nèi)變異是云南松針葉性狀的主要變異來源。

2.4 云南松針葉表型性狀多樣性指數(shù)

在前述分析的基礎(chǔ)上，進一步對各群體的多樣性指數(shù)進行比較 (表5)，結(jié)果表明，云南松7個針葉性狀的Shannon-Wiener指數(shù)變化于1.414 7～1.467 2，各性狀的多樣性指數(shù)差異較小，性狀間分布較均勻。3個群體間Shannon-Wiener指數(shù)的范圍1.405 6～1.457 2，群體間多樣性指數(shù)差異也較小，與變異系數(shù)結(jié)果一致，其中以無人為擇伐方式的Shannon-Wiener指數(shù)略高，以伐優(yōu)留劣方式的稍低。

表5 不同擇伐方式下云南松針葉表型多樣性指數(shù)Table 5 Shannon-Wiener index of P.yunnanensis in different selective cutting ways

3 結(jié)論與討論

表型多樣性是遺傳物質(zhì)多樣性的具體表現(xiàn)，表型變異大可能存在的遺傳變異大[26-27]，反映了群體基因型與環(huán)境互作的復(fù)雜性、以及適應(yīng)環(huán)境選擇壓的廣泛程度[13]，變異的豐富性是群體分化的源泉，也是不同環(huán)境選擇的結(jié)果[28]。云南松針葉表型性狀指標在群體間和群體內(nèi)都存在著顯著差異，且群體間的變異小于群體內(nèi)的變異，表明云南松群體基因型與環(huán)境互作的復(fù)雜性。云南松分布于東經(jīng)96°～108°、北緯23°～30°之間，約縱跨8個緯度、橫跨12個經(jīng)度，分布范圍廣，生境復(fù)雜多樣[4,29]。植物的變異與自身的遺傳特性及生長環(huán)境密切相關(guān)，一般情況下樹種分布范圍越大則變異大[30]。由此可以說明，云南松針葉性狀變異較大，與分布范圍較大相吻合。云南松7個針葉性狀變異系數(shù)變化波動于14.28%～22.04%，平均17.83%，變化幅度較大，表明云南松針葉表型性狀離散程度較高，存在豐富的變異。研究還表明，云南松針葉葉鞘長的變異系數(shù)相比其他性狀較大，葉鞘是針葉的保護部位，在復(fù)雜的生境下，葉鞘響應(yīng)外界環(huán)境的變化而發(fā)生改變，從而引起較大的表型變化。此外，不同擇伐方式下的表型變異系數(shù)均值比較接近，以無人為擇伐方式的稍低，即無人為擇伐對云南松針葉性狀的變化影響更小。在7個針葉表型性狀中，針葉長、針葉長/葉鞘長、針葉束粗/針葉粗、針葉粗和針葉束粗5個表型性狀均以伐優(yōu)留劣方式的較高，即在伐優(yōu)留下方式下，其中針葉長、針葉粗和針葉束粗的生長均有所提高，相應(yīng)的針葉長/針葉粗、針葉束粗/針葉粗也增加。與其他采伐方式相比，伐優(yōu)留劣方式是伐去林分中的優(yōu)勢木，對群落的結(jié)構(gòu)、光照、種內(nèi)競爭等因素的改變較大，環(huán)境因素的變化導致針葉表型性狀隨之變化。因此，生產(chǎn)上應(yīng)盡量降低人為干擾強度，保持針葉表型性狀的穩(wěn)定。

云南松群體間平均表型分化系數(shù)為11.38%，群體間的變異遠小于群體內(nèi)，群體內(nèi)變異是云南松針葉變異的主要來源。云南松為風媒異花授粉植物，可遠距離擴散，從而導致群體間的基因流較大，削弱群體間的遺傳分化，從而使群體間的變異降低[31]。云南松群體間平均表型分化系數(shù)遠低于蟲媒花植物山杏 (Prunusarmeniaca) (61.56%)[32]、五角楓 (48.42%)[33]和葛蘿槭 (Acergrosseri) (50.16%)[34]，與風媒花授粉植物西加云杉 (Piceasitchenrsis) (10.1%)[35]、馬尾松 (Pinusmassoniana) (6.44%)[25]和云南紅豆杉 (Taxusyunnanensis) (14.66%)[36]大致相同，大多數(shù)風媒花植物其群體間表型分化系數(shù)要低于蟲媒花植物[13]。與此同時，低的表型分化系數(shù)表明3種不同擇伐方式對群體遺傳結(jié)構(gòu)的影響較小。

云南松不同擇伐方式群體間的Shannon-Wiener′s多樣性指數(shù)差異較小，其中以無人為擇伐方式的稍高，一方面說明不同擇伐方式對云南松群體遺傳多樣性影響不大，另一方面表明無人為擇伐對遺傳多樣性有一定的維持作用。有研究報道認為擇伐或其他經(jīng)營活動會引起種群密度下降或生境片段化，從而引起種群等位基因的丟失和遺傳多樣性的下降[37]，異交率下降，近交率上升[38]，改變種群的遺傳結(jié)構(gòu)[39]。Wang等[40]以云杉 (Piceaasperata) 未破壞的天然林、擇伐后種植與擇伐后天然更新的成熟林和幼林為對象，研究顯示天然成熟林的遺傳多樣性最高，而擇伐后種植和天然更新的成熟林或幼林的遺傳多樣性均沒有顯著差異，擇伐后幼林和未受破壞過的天然成熟林間遺傳相似性高、遺傳分化低，這也說明未受破壞過的天然成熟林起著遺傳多樣性儲藏庫的作用。由此可見，林木擇伐后引起遺傳多樣性的改變，與林木自身特性有關(guān)，如果樹種的種子和花粉傳播能力強，則對遺傳多樣性無顯著影響。