楊 艷，湯玉喜，唐 潔，李昌珠，李永進(jìn)，吳 毅，謝 勇

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

黑楊Populus deltoides屬于楊柳科楊屬落葉喬木，其生長快，材質(zhì)優(yōu)良，具有較高的遺傳育種價值和經(jīng)濟(jì)價值，栽培范圍十分廣泛[1-2]。在長期的自然進(jìn)化和人工栽培過程中，形成了豐富多樣的種質(zhì)資源。黑楊的種質(zhì)資源是其生物學(xué)特性研究的重要材料及遺傳改良的基礎(chǔ)，種質(zhì)資源的遺傳多樣性決定著品種改良的深度和廣度。從上世紀(jì) 50年代開始，我國先后引進(jìn)了約 50 個黑楊品系，之后便開始黑楊的雜交育種，先后培育出大量的黑楊新品系[3]。然而，隨著黑楊種質(zhì)資源數(shù)量的增加，高效利用這些種質(zhì)資源的難度也相對加大，因此開展黑楊種質(zhì)資源遺傳多樣性評價，進(jìn)一步拓寬黑楊資源的高效開發(fā)利用途徑顯得尤為重要。

表型性狀是檢測遺傳多樣性最直觀且易行的途徑。目前，國內(nèi)外已對10 多種楊樹的物候期、材性、抗性等多個表型性狀開展了詳實的研究。李新國[4]和蔣選利[5]等分別對毛白楊P.tomentosa和白楊派楊樹的物候期以及表型差異開展了相關(guān)研究。2000年，Diane 等[6]通過對新墨西哥格蘭德河分水嶺5 個弗里氏楊P.fremontii種群的研究，發(fā)現(xiàn)不同種源間的種群大小、胸高斷面積密度以及平均胸徑等都存在顯著差異。李金花等[7]對美洲黑楊和青楊P.cathayana雜交所得的無性系開展了葉片和生長遺傳變異的研究，結(jié)果表明F1代無性系間存在豐富的遺傳變異，選擇潛力較大。蘇曉華等[8]發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地的大青楊P.ussuriensis封頂期和落葉期相差較大，但表現(xiàn)出一定的地理規(guī)律性。Hall 等[9]開展了12 個地區(qū)的歐洲山楊P.tremula表型性狀差異和分子標(biāo)記的對比研究，發(fā)現(xiàn)表型性狀的多樣性遠(yuǎn)高于分子標(biāo)記所反映的遺傳多樣性。欒鹖慧[10]開展了楊屬5 派18 個樹種1年生苗木在同一環(huán)境條件下生長性狀及生理指標(biāo)等評價，探明了楊屬樹種在生長、生理光合、水分和養(yǎng)分利用等方面存在一定的遺傳差異。隨后，丁昌俊等[11]對北方型美洲黑楊種質(zhì)生長及光、水分、養(yǎng)分等環(huán)境資源利用性狀進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評價，結(jié)果表明種源間、種源內(nèi)無性系間在生長、光合、水分和養(yǎng)分利用方面存在顯著差異。作為我國主要用材樹種，楊樹的木材材性也表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性[12-13]。童再康等[14]研究發(fā)現(xiàn)，木材物理性狀在速生楊無性系間無顯著差異，而力學(xué)性質(zhì)差異顯著或極顯著。黃秦軍等[15]利用美洲黑楊×青楊雜交三代譜系探討了木材密度、纖維長、纖維寬、纖維長寬比和微纖絲角等性狀的遺傳變異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)木材基本密度與纖維長受主基因的控制，纖維寬與微纖絲角表現(xiàn)出較為典型的微效多基因控制的數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn)。欒鹖慧[10]也對楊屬5 派18 個樹種1年生苗木木材物理性狀的遺傳變異進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)楊樹木材在基本密度、微纖絲角、纖維長、纖維寬及纖維長寬比上表現(xiàn)出極顯著差異。無論是從楊樹種質(zhì)資源的表觀形態(tài)、生理生態(tài)特性還是木材材性等方面所開展的遺傳多樣性研究，都為楊樹資源的有效利用奠定了理論基礎(chǔ)。

楊樹作為我國重要的速生用材樹種[16-17]，栽培面積大，種質(zhì)資源數(shù)目龐大，但因地域性的差異，表型多樣性的研究受到限制，特別是對南方型黑楊資源表觀形態(tài)、生長性狀以及生理特點(diǎn)的遺傳多樣性等方面的研究鮮有報道?；谶m地適樹及多元化利用原則，本研究探討了南方型黑楊生長量、樹體形態(tài)、部分生理指標(biāo)等性狀差異，分析了表型性狀的多樣性，為南方型黑楊種質(zhì)資源的保護(hù)、創(chuàng)新利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

研究材料選自岳陽君山楊樹種質(zhì)資源收集圃。分別于2015—2017年的2月初至12月初對種質(zhì)資源收集圃中具有代表性的62 個南方型黑楊無性系材料的表型性狀進(jìn)行定株定點(diǎn)連續(xù)3年的測定及采樣。

1.2 性狀選取及測定方法

選取地徑、苗高、葉面積、葉長、葉寬、葉柄長、葉綠素、側(cè)枝數(shù)、葉厚、單株總?cè)~片、葉片干質(zhì)量共11 個樹體性狀及生理指標(biāo)，同時觀測記錄了每個無性系的生長期和抗性（抗病蟲）。

地徑和苗高：通過目測每個無性系選取5 株生長良好具有代表性的樣株，于12月初分別利用游標(biāo)卡尺和伸縮標(biāo)尺測定地徑和苗高，3 次重復(fù)。

葉片相關(guān)性狀：于9月初，每個無性系選取樣株中部成熟且正常的葉片5 片，分別利用SPAD502 葉綠素含量測定儀和LA-S 系列便攜式活體葉面積儀測定葉綠素含量及葉片面積，用直尺測量葉長、葉寬、葉柄長，用游標(biāo)卡尺測量葉片厚度（葉厚），葉片干質(zhì)量利用烘干法測量，每個性狀測定3 次重復(fù)。

單株總?cè)~片：每個無性系選取3 個樣株，3 次重復(fù)，于9月底數(shù)取樣株的總?cè)~片數(shù)。

側(cè)枝數(shù)：于11月底，每個無性系選取3 個樣株統(tǒng)計側(cè)枝數(shù)，3 次重復(fù)。

生長期和抗性：于2月初至12月初觀測記錄各無性系的展葉期以及落葉期以及病蟲害情況，用于統(tǒng)計各無性系的生長期及抗性。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

①數(shù)量性狀等級劃分：根據(jù)各性狀的平均值（MN）和標(biāo)準(zhǔn)差（δ）進(jìn)行分級，中間每級相差0.5δ[18]。

②多樣性指數(shù)：通過Shannon’s 信息指數(shù)來計算性狀多樣性指數(shù)H′，即：

H′=-ΣPijlnPij，其中：i為第i個性狀的代碼（i=1，…，m，為性狀所劃分的等級數(shù)），j為性狀數(shù)（j=1，2，3，…，n），Pij為第j個性狀第i個代碼值出現(xiàn)的頻率[19]。

③主成分分析以及聚類分析：利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于形態(tài)和生長性狀的種質(zhì)聚類分析

根據(jù)表型及生長性狀的差異，對62份黑楊種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析（圖1），結(jié)果表明，在歐氏距離為2.97 時，供試的62份黑楊種質(zhì)或劃分為7 個類群，每個類群所包含材料的13 個性狀平均值及變異幅度歸納于表1。第Ⅰ類群包含11份材料，占供試材料總數(shù)的17.74%。該類群材料表現(xiàn)為抗性較強(qiáng)，生長期一般，葉面積變化在174.07～187.93 cm2；第Ⅱ類群包含6份材料，主要表現(xiàn)為抗性強(qiáng)，生長期較短，苗高在4.07～4.77 m；第Ⅲ類群包含3份材料，均為同一個家系，具體表現(xiàn)為抗性強(qiáng)，生長期一般，側(cè)枝較多；第Ⅳ類群包含7份材料，該類群材料主要性狀表現(xiàn)為抗性強(qiáng)，生長期長，葉面積較小，最大的僅為141.88 cm2；第Ⅴ類群包含13份材料，占供試材料總數(shù)的20.96%，該類群主要性狀表現(xiàn)為抗性強(qiáng)，生長期長，地徑較粗，葉面積大，變異幅度在221.76～253.09 cm2，葉綠素含量高，平均高達(dá)42.4，居7 個類群之首，側(cè)枝少，大部分材料側(cè)枝僅為2～3 個，單株葉片多；第Ⅵ類群包含11份材料，占供試材料總數(shù)的17.74%，該類群材料抗性一般，生長期短；第Ⅶ類群包含11份材料，該類群材料主要表現(xiàn)為生長期最短，側(cè)枝多，葉綠素含量低，平均僅為36.4。綜合以上可以看出，供試的62份黑楊種質(zhì)資源在表型及生長性狀上的聚類整體分散，部分具有相似性狀指標(biāo)的材料聚在一起，說明這些種質(zhì)具有較高的分化強(qiáng)度，相互之間可能具有獨(dú)立的遺傳背景，涵蓋比較豐富的遺傳變異，可為后期品種選育提供更為豐富的遺傳材料。

2.2 表型及生長性狀多樣性分析

根據(jù)南方型黑楊種質(zhì)資源表型及生長性狀的量化及賦值后的指標(biāo)進(jìn)行分級，統(tǒng)計各性狀的頻率分布與多樣性指數(shù)H′（表2）。多樣性指數(shù)是豐富度和均勻度的綜合評價指標(biāo)[22]。根據(jù)表2可知，13 個性狀的多樣性指數(shù)H′在種質(zhì)資源間存在較大的差異，其值變化范圍介于0.587～1.550 之間，平均值為1.098。其中側(cè)枝數(shù)的多樣性指數(shù)最高為1.550，不同無性系側(cè)枝數(shù)差異較大，平均側(cè)枝數(shù)變化范圍由0.67 到15（表1），各頻率分布較均勻，遺傳多樣性較豐富；其次分別為單株總?cè)~片（1.523）、葉長（1.305）、葉面積（1.197）、葉寬（1.185）、苗高（1.105）、生長期（1.095）、葉綠素（1.074）、葉柄長（1.026），這些性狀的多樣性指數(shù)均高于1.0；地徑、葉厚、葉片干質(zhì)量的多樣性指數(shù)均在0.842～0.904；抗性的多樣性指數(shù)最低，僅為0.587，根據(jù)其頻率分布情況可以看出，供試的南方型黑楊資源的抗性均較強(qiáng)，具有較高的遺傳穩(wěn)定性，為選育南方型黑楊高抗新品種奠定基礎(chǔ)。

2.3 表型及生長性狀的主成分分析

主成分分析法是通過計算相關(guān)矩陣的特征根（主成分因子）、累積百分率和各特征根相應(yīng)的特征向量，利用特征根以及特征根積累的百分率，將多性狀因子濃縮至少數(shù)主導(dǎo)因子的一種多元統(tǒng)計分析方法[23]。對黑楊表型及生長性狀進(jìn)行主成分分析（表3），得到黑楊性狀中特征值大于1 的4 個主成分，主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)80.953%，保留了原始性狀中的大部分遺傳信息。第1 主成分貢獻(xiàn)率為39.413%，其中葉面積、葉長、葉寬及葉片干質(zhì)量載荷度最高均達(dá)到了0.75 以上，且均產(chǎn)生的是正向影響；第2 主成分貢獻(xiàn)率為19.082%，起決定作用的表型性狀為單株中葉片數(shù)，其載荷度最大為0.797；第3 主成分貢獻(xiàn)率為12.047%，其中起較大作用的性狀有抗性以及生長期，其載荷度分別為0.723 和0.727；第4 主成分貢獻(xiàn)率為10.411%，各性狀中載荷度最大的為側(cè)枝數(shù)（0.790）。第1 主成分主要反映了葉的表型性狀，第 2 主成分主要反映葉的數(shù)量性狀，第 3 主成分主要反映黑楊種質(zhì)資源的抗性以及生長性狀，第4 主成分主要反映側(cè)枝數(shù)這一樹體特征。該分析結(jié)果進(jìn)一步說明，在黑楊無性系遺傳分化中，葉片形狀、數(shù)量、側(cè)枝數(shù)以及生長期是表型性狀的主要差異來源。

圖1 62份黑楊種質(zhì)基于13 個表型及生長性狀的聚類圖像Fig.1 Clustering graph of 62 Populus deltoides germplasm resources basing on 13 phenotypes and growth traits

表1 不同類群材料各性狀的平均值及變幅Table1 Mean value and variation amplitude of each character of different groups materials

表2 表型及生長性狀的頻率分布與Shannon-Weiner多樣性指數(shù)?Table2 Frequency distribution of phenotypes and growth traits and Shannon-Weiner diversity index

表3 表型及生長性狀主成分分析Table3 Principal component analysis of phenotype and growth traits

3 結(jié)論與討論

種質(zhì)資源是植物進(jìn)行遺傳改良和品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，而遺傳多樣性研究則是植物種質(zhì)資源評價的重要手段，又是植物遺傳育種的重要環(huán)節(jié)[24]。植物育種工作者能夠通過表型多樣性評價快速地掌握供試材料有價值的遺傳信息，順利開展定向育種工作[25-27]。本研究根據(jù)表型多樣性分析，供試的黑楊種質(zhì)資源表型及生長性狀多樣性指數(shù)存在較大差異，變化范圍介于0.587～1.550，平均值為1.098。側(cè)枝數(shù)（1.550）、單株總?cè)~片（1.523）、葉長（1.305）、葉面積（1.197）、葉綠素（1.074）多樣性指數(shù)均大于1，除抗性外其他性狀也表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性，遺傳基礎(chǔ)廣闊，進(jìn)而表明了供試種質(zhì)材料遺傳資源豐富，在南方型黑楊資源種質(zhì)中具有較好的代表性，在今后品種改良以及定向育種中具有較好的開發(fā)利用價值。性狀的穩(wěn)定性是遺傳育種中一個重要的構(gòu)成要素，供試材料表現(xiàn)出穩(wěn)定的抗性，表明供試的南方型黑楊資源具有穩(wěn)定的抗病蟲能力，這為今后選育高抗新品種提供了遺傳基礎(chǔ)。

通過主成分分析得到供試黑楊性狀中特征值大于1 的4 個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)80.953%，保留了原始性狀中的大部分遺傳信息。第1 主成分貢獻(xiàn)率為39.413%，其中葉片相關(guān)性狀指標(biāo)的載荷度均達(dá)到了0.75 以上；第2 主成分貢獻(xiàn)率為19.082%，起決定作用的是單株中葉片數(shù)，其載荷度為0.797；第3 主成分貢獻(xiàn)率為12.047%，抗性以及生長期起較大作用，其載荷度分別為0.723 和0.727；第4 主成分貢獻(xiàn)率為10.411%，各性側(cè)枝數(shù)起主導(dǎo)作用，載荷度為0.790。由此可以看出，葉的相關(guān)性狀對分組的貢獻(xiàn)率較大，這與郝蕾等[28]對北沙柳Salix psammophila種質(zhì)資源居群表型多樣性研究結(jié)果相似。聚類分析中，62份黑楊資源被分成7 類，各類群材料整體比較分散，根據(jù)不同性狀的相似性歸類。各類群中差異最大的主要是葉片性狀，其次是林木生長期、葉綠素以及側(cè)枝數(shù)，同時也是各類群分類的主要標(biāo)志，這意味著供試黑楊種質(zhì)資源遺傳分化中，葉片形狀、數(shù)量、側(cè)枝數(shù)以及生長期是表型性狀的主要差異來源，涵蓋比較豐富的遺傳變異。

綜上所述，通過葉片形態(tài)、生長性狀以及樹體性狀開展南方型黑楊種質(zhì)資源遺傳多樣性評價，對充分發(fā)掘南方型黑楊資源，開展我國南方地區(qū)高產(chǎn)低耗高效楊樹工業(yè)用材新品種選育奠定了基礎(chǔ)。但鑒于時間和條件限制，未能全面開展南方型黑楊資源的遺傳資源評價，還需進(jìn)一步拓寬研究面，如結(jié)合生理生態(tài)特性、微觀結(jié)構(gòu)、利用分子標(biāo)記技術(shù)等手段充分挖掘其潛在育種價值。