李 娜，楊袁木，李子玥,3，魏瑞研，徐 放，陳新宇，朱報著，張衛(wèi)華*

(1.廣東省林業(yè)科學研究院 / 廣東省森林培育與保護利用重點實驗室，廣東 廣州 510520；2.廣東省森林資源保育中心，廣東 廣州510173；3.河北農(nóng)業(yè)大學林學院，河北 保定 071000)

紅錐Castanopsishystrix又名紅黎、赤黎、錐栗、刺栲、紅栲等，隸屬殼斗科的常綠闊葉喬木，分布于我國廣東、廣西及福建等省(自治區(qū))。該樹種適應(yīng)性強，生長較快，樹干通直、材質(zhì)優(yōu)良，生態(tài)和經(jīng)濟效益顯著，是華南地區(qū)珍貴鄉(xiāng)土用材和高效多用途速生樹種。其木材堅硬耐腐蝕，少變形，易加工，心材大、褐紅色，邊材淡紅色，色澤和紋理美觀，是優(yōu)質(zhì)用材樹種；果實富含淀粉，可炒食，也可用來釀酒、做飼料；種實、殼斗均富含單寧，可提制栲膠用于工業(yè)生產(chǎn)；枝葉茂密，耐蔭性好，枝條萌芽力強，生長迅速?；焐阅軓?，可作為用材林進行純林種植，亦可與桉樹等混交造林[1—4]，是構(gòu)建木材儲備林和生態(tài)公益林的重要鄉(xiāng)土樹種，是廣東省重點發(fā)展的優(yōu)質(zhì)用材樹種。目前，對紅錐的研究主要集中在群落特征[5—6]、優(yōu)良種源及優(yōu)樹選擇[7—11]、木材材性[12—14]、葉片養(yǎng)分含量分析[15—17]等方面，而涉及不同種源的葉片形態(tài)變異研究相對較少。

表型性狀差異常廣泛用于鑒定種質(zhì)資源、分析林木表型多樣性和選擇育種材料等，探究表型變異規(guī)律，可為新品種選擇、遺傳改良和引種馴化奠定基礎(chǔ)。葉片表型變異是由植物遺傳變異和環(huán)境差異共同引起的，表型差異可反映基因型變異豐富度。一般來說，種源表型變異越大，遺傳變異也越大[18—20]。植物葉片易受環(huán)境影響，葉片形態(tài)與植物生理等密切相關(guān)。葉片大小和葉柄長度等表型是植物長期適應(yīng)環(huán)境的結(jié)果，可利用葉片表型多樣性來揭示植物生存、適應(yīng)和進化規(guī)律[21]。葉面積大小直接影響著樹木的生長，可作為早期指標選育林木良種[22—23]。植物葉片性狀主要受自身遺傳特性控制，故認為相對穩(wěn)定，但受生境條件和氣候特性等綜合環(huán)境影響也表現(xiàn)出差異性，體現(xiàn)出對環(huán)境因子變化的適應(yīng)性，常作為品種間、種源間及家系間的重要研究性狀[24]。研究不同種源葉片的性狀變化規(guī)律有助于解析物種的生態(tài)適應(yīng)性機制[25—26]，為林木優(yōu)良種源的選擇提供依據(jù)。

本研究以來自17 個地理種源的229 個紅錐無性系為研究對象，對其葉片表型性狀進行測定和統(tǒng)計，利用方差分析、相關(guān)性分析和聚類分析等方法對其葉片變異規(guī)律展開研究，了解紅錐不同種源葉片變異程度，探明葉片表型與種源地地理氣候因子的相關(guān)關(guān)系，為其種質(zhì)資源收集、保存、評價及其良種選育和開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東省廣州市白云區(qū)帽峰山，23°10'～23°18'N，113°21'～113°27'E，平均海拔534.9 m。氣候為典型的南亞熱帶季風海洋氣候，年均溫21.8 ℃，其中，夏季平均溫度最高為29.6 ℃，冬季平均溫度最低為13 ℃。年均降水量1760 mm。母巖為花崗巖和砂巖，土壤類型屬紅壤，pH 為4.75～5.20，透水性良好，適宜紅錐等鄉(xiāng)土闊葉樹種生長發(fā)育[27]。

1.2 材料

選自帽峰山紅錐種質(zhì)基因庫中17 個種源229個無性系。各種源原產(chǎn)地經(jīng)緯度及氣候特征情況見表1。2001年采集當年生枝條嫁接，成活后于2003年春季定植于基因庫中。2018年夏，選取不同種源每個無性系3 株長勢正常、無病蟲害的植株，在據(jù)東、南、西、北四個方向取植株外圍中部及上部枝條從梢端數(shù)第6～8 片成齡葉，每株取8 片葉，帶回實驗室測定相關(guān)指標。用Matlab 軟件編寫命令測量葉長(Leaf length，LL)、葉寬(Leaf width，LW)、葉柄長(Petiole length，PL)、葉面積(Leaf area，LA)等參數(shù)，并計算葉形指數(shù)(Leaf index，LI，葉長/葉寬)。

表1 紅錐各種源地理氣候信息Table 1 Geographic information of Castanopsis hystrix populations

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用Excel 2019 整理原始數(shù)據(jù)，R4.2.0 軟件進行統(tǒng)計分析。計算各種源不同性狀的平均值(Mean)、標準差(SD)和變異系數(shù)(CV)，CV=SD/X×100%；利用R 軟件的“corrplot”包進行相關(guān)性分析。利用SPSS 軟件以歐氏距離計算種源間遺傳距離，采用系統(tǒng)聚類法作聚類分析。

采用巢式方差分析，線性模型為：Yijk=μ+Pi+Cj/i+eijk，式中Yijk為第i 個種源內(nèi)第j 個無性系第k 片葉片的觀測值；μ 為總體平均值；Pi為第i 個種源效應(yīng)值(隨機)；Cj/i為第i 個種源內(nèi)第j 個無性系效應(yīng)值(隨機)；eijk為剩余項[28]。采用Duncan 多重比較法分析種源間的性狀差異顯著性。計算種源重復力和表型分化系數(shù)，種源重復力Rp=1-1/F，F(xiàn)為方差分析中種源間的F值。表型分化系數(shù)Vst=σ2t/s/(σ2t/s+σ2s)，σ2t/s為種源間方差分量，σ2s為種源內(nèi)的方差分量[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 種源間和種源內(nèi)葉片性狀變異分析

紅錐17 個種源5 個葉片表型性狀差異顯著，葉面積、葉長、葉寬、葉形指數(shù)和葉柄長分別為10.9～17.9 cm2、7.5～9.3 cm、2.2～2.9 cm、3.3～3.6 和0.39～0.67 cm，均值分別為13.58 cm2、8.40 cm、2.46 cm、3.45 和0.53 cm；各性狀變異系數(shù)為3.2%～15.6%，其中，變異系數(shù)最小的是葉形指數(shù)，變異系數(shù)最大的是葉柄長。

在紅錐17 個種源中，云南景洪種源(P16)的葉長(9.3 cm)、葉寬(2.9 cm)和葉面積(17.9 cm2)總體上顯著大于其他種源(P＜0.05)，整體表現(xiàn)為葉片較大、生長優(yōu)勢顯著。廣東信宜種源(P6)的葉長、葉寬和葉面積最小，分別為7.5 cm、2.2 cm 和10.9 cm2，葉形指數(shù)值處于中等水平；廣東始興種源(P9)的葉形指數(shù)值最小(3.3)，廣東陸河種源(P8)的葉形指數(shù)最大(3.6)。湖南江華種源(P13)的葉柄最短(0.39 cm)，云南思茅種源(P17)的葉柄最長(0.67 cm)。方差分析表明，紅錐葉片性狀在種源間和種源內(nèi)的差異均具有極顯著差異，說明紅錐葉片形態(tài)在種源間和種源內(nèi)變異廣泛(表2、表3)。

表3 紅錐葉片表型性狀方差分析Table 3 Analysis of variance of leaf phenotypic traits in Castanopsis hystrix

2.2 葉片表型性狀的方差分量和表型分化系數(shù)

根據(jù)方差分量，進一步得出各性狀方差分量百分比(表4)。種源間的方差分量占總變異的11.423%，種源內(nèi)的占48.404%，環(huán)境隨機誤差占40.173%，種源內(nèi)的方差分量百分比明顯大于種源間；另外，從葉片5 個表型性狀的種源間表型分化系數(shù)看，種源間表型分化系數(shù)變幅為1.90%～20.95%，葉面積的種源間表型分化系數(shù)最大，為20.95%，葉形指數(shù)的種源間表型分化系數(shù)最小，僅為1.90%；各表型性狀的種源間平均表型分化系數(shù)為12.62%，即有87.38%的紅錐葉片性狀是由種源內(nèi)變異引起的，故種源內(nèi)變異是導致紅錐葉片表型性狀變異的主要來源。

表4 紅錐葉片性狀方差分量及種源間表型分化系數(shù)Table 4 Variance components of leaf traits and phenotypic differentiation coefficients among populations of Castanopsis hystrix

由表4 可知，各性狀重復力在0.523～0.678 之間，均大于0.5，說明紅錐葉片表型性狀受中等以上的遺傳控制。其中葉長、葉寬和葉形指數(shù)的變異系數(shù)均小于10%，這三個性狀相對較穩(wěn)定，受遺傳因素的影響更大；葉柄長的變異系數(shù)最大，為15.6%，重復力最高，為0.678，說明葉柄長變異大，更有助于優(yōu)良種源的選擇。

2.3 紅錐各種源葉片性狀間相關(guān)性分析

各種源葉面積、葉長和葉寬3 個性狀兩兩間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.917、0.961、0.834；而葉寬、葉面積、葉柄長分別與葉形指數(shù)呈極顯著或顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為–0.755、–0.588、–0.529，說明葉片窄的其葉柄較短，葉形指數(shù)較大(表5)。

表5 紅錐葉片表型性狀間及其與地理因子的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between leaf phenotypic traits and geographical factors in Castanopsis hystrix

葉面積、葉長和葉寬與經(jīng)度存在顯著或極顯著的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為–0.636、–0.567、–0.496，說明越靠近東部紅錐葉片越??；葉面積、葉長和葉寬與海拔呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.729、0.624、0.647，說明海拔高的種源在此基因庫中葉片更為寬大。葉片性狀只與經(jīng)度和海拔有顯著相關(guān)性(越靠東部葉片越短小，海拔越高的種源，其葉片越寬大)，但與原產(chǎn)地的緯度、年均溫以及年降水量均無相關(guān)性，可見紅錐的生長變異主要屬隨機變異模式。

2.4 聚類分析

基于紅錐17 個自然種源的5 個葉片性狀進行聚類分析。由圖2 可知，以歐式距離15，可將17 個種源分為3 類。第1 類種源數(shù)量最多，包括廣西浦北(P1)、廣西博白(P2)、廣西容縣(P3)、廣西憑祥(P4)、廣東高州(P7)、廣東陸河(P8)、福建金山(P10)、福建華豐(P11)、湖南江華(P13)、海南樂東(P14)、海南昌江(P15)等 11 個種源，這類種源葉片形狀較??；第2類包括廣西東蘭(P5)、廣東信宜(P6)、廣東始興(P9)、福建高車(P12)等4 個種源，這類種源葉片形狀較大。第3 類種源數(shù)量最少，僅包括云南景洪(P16)和云南思茅(P17)等 2 個種源，這類種源葉片形狀較大，主要為云南種源。部分地理分布相近的種源聚為1 類，如廣東陸河、福建金山、福建華豐和湖南江華；但是也有部分地理分布相差很遠的種源聚在一起，如廣西東蘭和福建高車。綜合來看，紅錐種源葉片特征并沒有完全依照地理距離而聚類，說明紅錐葉片表型性狀變異存在不連續(xù)性，總體上表現(xiàn)出緯度變化規(guī)律。

圖1 不同種源紅錐葉片表型性狀聚類分析Fig.1 Dendrogram of leaf phenotypic traits of Castanopsis hystrix from different provenances

3 結(jié)論與討論

3.1 紅錐葉片表型性狀變異來源

林木遺傳變異是選擇育種的基礎(chǔ)，因生長環(huán)境的不同，在經(jīng)過長期的自然選擇后會形成不同程度的變異，而且同一樹種在不同種源間、同一種源內(nèi)、不同個體間及個體內(nèi)均存在不同程度的遺傳變異[30]。植物表型性狀變異對于研究植物的環(huán)境適應(yīng)性和演化具有重要意義[31]，廣泛用于揭示植物自然種源的遺傳變異規(guī)律及地理分布格局[32—33]。在植物表型性狀中，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(guān)，葉片表型性狀存在較大變異，表示遺傳變異豐富，這種顯著性差異一方面來自自身遺傳物質(zhì)，另一方面可能受環(huán)境因素的影響。本研究選取的17 個種源涵蓋紅錐的主要地理分布范圍，能較全面反映葉片表型性狀的變異程度。2011年張鳳良等[27]從形態(tài)學水平上對17 個紅錐種源214 個優(yōu)樹無性系的15 個葉片表型指標進行研究，經(jīng)過8年時間，又對此資源圃的表型進行測量，選取了其中5 個葉片指標，發(fā)現(xiàn)隨著樹齡的增長，紅錐葉片表型變異相當豐富，在長期進化過程中對環(huán)境的適應(yīng)能力強；各性狀在種源間和種源內(nèi)差異均達極顯著水平，受環(huán)境影響較大；種源間和種源內(nèi)存在廣泛的變異，選擇空間較大，為后期的遺傳改良奠定基礎(chǔ)。該結(jié)果與其他木本植物如珙桐Davidiainvolucrata[34]、大別山山核桃Carya dabieshanensis[35]、青楊Populuscathayana[36]等研究結(jié)果基本一致。其中，云南景洪的紅錐葉長、葉寬和葉面積總體上顯著大于其他種源，這可能與云南景洪的海拔較高有關(guān)。

變異系數(shù)可揭示葉片表型性狀的變異程度，變異系數(shù)越大，說明離散程度越大，性狀越不穩(wěn)定。本研究中紅錐葉片的表型性狀的變異系數(shù)變幅較大(3.2%～15.6%)，且以葉柄長的變異系數(shù)最大，但低于前人研究[27]，可能是葉片性狀較少的緣故。表型分化系數(shù)均值為12.62%，種源內(nèi)方差分量百分比(48.404%)明顯大于種源間(11.423%)，說明紅錐葉片表型性狀在種源間變異程度較低，種源間分化程度較低；種源內(nèi)變異較為豐富，是其表型性狀變異的主要來源，需要加以保護利用。該結(jié)果與李小琴等[37]、羅芊芊等[38]和王旭軍等[24]的研究結(jié)果一致。本研究紅錐種源間葉表型分化程度較低，可能與該物種分布較為狹窄，地理位置較近有關(guān)。鑒于此，在收集保存紅錐種質(zhì)資源時，應(yīng)選擇多樣性高的種源，優(yōu)先收集表型變異豐富的個體。重復力可以說明無性系間的變異主要由遺傳與穩(wěn)定的環(huán)境因素引起還是由隨機環(huán)境因素引起，性狀的重復力大，說明該性狀受遺傳控制較強，受隨機環(huán)境因素影響較弱[39]。本研究各性狀重復力在0.523～0.678 之間，大于0.5，受中等以上的遺傳控制，說明紅錐葉片表型性狀主要受遺傳因素制約，受培育條件和環(huán)境效應(yīng)影響較小。其中葉柄長的重復力最高，且變異系數(shù)最大，說明葉柄長變異大，可能更有助于優(yōu)良無性系的選擇。葉柄長度對植物的生長和適應(yīng)環(huán)境起著重要的作用，長葉柄可以使葉片遠離莖部，增加葉片的曝光面積，幫助葉片更好地接收陽光，增強光合作用，還可以使葉片遠離地面，降低葉片受到病菌、蟲害的風險。短葉柄可以使葉片緊貼莖部，減少水分蒸發(fā)，適應(yīng)干燥的環(huán)境。短葉柄還可以減少葉片和莖部之間的機械應(yīng)力，提高植物的穩(wěn)定性?？傊L葉柄和短葉柄在生物學上都有其適應(yīng)環(huán)境的優(yōu)勢，能夠幫助植物更好地適應(yīng)其生長環(huán)境。因此，后期可以進一步研究葉柄對于植物生長的影響。

3.2 紅錐葉片性狀相關(guān)性分析及地理變異規(guī)律

紅錐葉片各性狀間存在較強的相關(guān)性，其中，葉長、葉寬及葉面積兩兩間存在極顯著正相關(guān)，與唐慶蘭等[40]研究結(jié)果一致。基于種源水平進行表型變異分析，在空間維度上研究植物表型性狀與地理–氣候因子間的關(guān)系，可以更準確地揭示植物變異規(guī)律[41]。通常情況下，經(jīng)緯度和海拔的梯度變化能夠綜合反映氣溫、降水和植被等環(huán)境因子的作用[42]。由于地理位置和環(huán)境因子的影響，植物會形成不同的地理變異模式[43]。紅錐葉片表型性狀與原產(chǎn)地地理因子相關(guān)性分析表明，紅錐的葉長、葉寬和葉面積呈現(xiàn)以經(jīng)度和海拔變異為主的地理變異模式，這與斑皮檸檬桉葉片[40]、澳洲南部植物[44]的研究結(jié)果相似。本研究中葉面積與經(jīng)度極顯著負相關(guān)，葉長和葉寬顯著負相關(guān)，表明經(jīng)度低的種源比經(jīng)度高的種源的葉片生長的更大些；葉長、葉寬和葉面積與海拔呈顯著正相關(guān)，表明海拔高的種源比海拔低的種源葉片更大些；而緯度、年均溫和年降水量與所有葉片指標均無顯著相關(guān)性，表明影響紅錐葉片性狀變異的地理因子主要是經(jīng)度和海拔，也進一步說明經(jīng)度和海拔對植株葉片的生長影響較大。其中，緯度與葉片各性狀均無顯著相關(guān)性，可能與涉及的葉片表型性狀數(shù)量較少或種源分布地的緯度跨度遠小于經(jīng)度跨度有關(guān)。由于紅錐優(yōu)樹嫁接后的生長可能會受遺傳、砧木以及接穗等因素影響，本研究的紅錐葉片來自經(jīng)過嫁接后的無性系，其形態(tài)特征可能受到嫁接技術(shù)以及砧木的影響，可能并非完全與地理環(huán)境因子相關(guān)，需進一步結(jié)合種源和家系綜合分析，提高選擇的科學性。

聚類分析結(jié)果表明，17 個種源可劃分為3 個類群。在供試的紅錐17 個自然種源中，云南景洪種源的葉長、葉寬和葉面積均大于其他種源，云南思茅種源的葉柄最長，云南的兩個種源均聚在第3 類；而廣東信宜種源的葉長、葉寬和葉面積較小，聚在第2 類。廣東始興種源的葉形指數(shù)值最小，聚在第2 類；湖南江華種源的葉柄最短，廣東陸河種源的葉形指數(shù)最大，聚在第1 類。第1類和第2 類種源中既有地理分布相近的種源，也有地理分布相差較遠的種源。地理變異模式主要有區(qū)域變異和隨機變異，由于種源地理分布隔離，導致花粉和種子在種源間難傳播，即使種源間地理距離較近，其基因交流也較少。因此自然界中大多為隨機變異。