穆懷志 王清玉 張 玥 呂松瞳 靳旭紅 張 驍 夏富才*

（1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 132013； 2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春 130022）

糠椴（Tilia mandshurica）為椴樹科（Tiliaceae）椴樹屬（Tilia）高大喬木，主要分布在中國(guó)東北、朝鮮半島以及俄羅斯西伯利亞南部地區(qū)，其樹形通直、樹姿美麗，是珍貴的闊葉用材和綠化樹種；糠椴為蟲媒花，主要通過蜜蜂采蜜過程中進(jìn)行傳粉，是東北地區(qū)重要的蜜源樹種［1］。然而長(zhǎng)期不合理的采伐，導(dǎo)致糠椴資源遭受嚴(yán)重破壞［2］。目前，糠椴天然居群處于生長(zhǎng)衰退期，自然更新缺乏，個(gè)體數(shù)量不斷減少，加之現(xiàn)有天然居群的背景和多樣性水平不清晰，導(dǎo)致糠椴種質(zhì)資源的保護(hù)及改良受到嚴(yán)重制約［3］。

植物的表型性狀具有環(huán)境可塑性，反映了植物對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)程度，是研究植物變異和進(jìn)化的重要標(biāo)記［4-5］。天然居群表型性狀的變異及多樣性能夠反映居群變異的大小，是揭示居群適應(yīng)性的有效途徑［6-7］。近年來，眾多學(xué)者開展了植物天然種群變異和多樣性研究。樓明祝等［8］調(diào)查了新疆9 個(gè)野生黃花苜蓿（Medicago falcata）居群的22個(gè)表型性狀，發(fā)現(xiàn)黃花苜蓿變異豐富，其變異主要來自居群間。米老排（Mytilaria laosensis）各表型性狀在種源內(nèi)的變異均大于種源間的變異，種源間平均表型分化系數(shù)高達(dá)35.10%［9］。無患子（Sapindus mukorossi）天然居群內(nèi)的多樣性高于居群間，Nei’s 多樣性指數(shù)分別為0.390 9 和0.298 0［10］。上述研究為植物種質(zhì)資源保存提供參考。目前，關(guān)于糠椴表型多樣性缺乏全面且深入的研究。針對(duì)這一問題，本研究對(duì)東北地區(qū)8個(gè)糠椴天然居群的11 個(gè)葉片和果實(shí)表型性狀進(jìn)行分析，探討各表型性狀的變異和多樣性，以期為糠椴種源區(qū)劃和糠椴天然林可持續(xù)保護(hù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在東北林區(qū)的糠椴天然分布區(qū)內(nèi)選擇東豐、輝南、敦化、琿春、樺甸、龍?zhí)?、蛟河和蘿北8個(gè)天然居群，分別位于吉林省遼源市、通化市、延邊朝鮮族自治州、吉林市和黑龍江省鶴崗市。各居群生境概況見表1。

表1 供試糠椴天然居群生境概況Table 1 Habitat status of T.mandshurica natural populations tested

參照嚴(yán)靈君等［11］的研究方法以及蜜蜂授粉的有效范圍［12］，于2022 年9 月末至10 月初糠椴果實(shí)成熟期，在每個(gè)糠椴天然居群中隨機(jī)選取10 株生長(zhǎng)正常、無嚴(yán)重缺陷、無病蟲害的糠椴單株作為采樣株。采樣株樹齡30 a 以上，胸徑不低于12 cm，樹高不低于10 m，采樣株間距30 m 以上。在每個(gè)糠椴采樣株的向陽方向采集樹冠中部的枝條，選取枝條中部的成熟葉片和果實(shí)各10 枚，放入帶有冰袋的保溫箱中用于表型性狀測(cè)定。

1.2 葉片和果實(shí)性狀測(cè)定

利用Microtek 便攜式掃描儀（ScanMaker i800 Plus，上海）測(cè)量葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)和葉柄寬，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果柄長(zhǎng)、苞葉長(zhǎng)、苞葉寬、苞果合生長(zhǎng)、果序柄長(zhǎng)，測(cè)量精確到0.1 mm。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SAS v9.21 軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用嵌套模型對(duì)不同糠椴居群的表型性狀進(jìn)行方差分析，并利用Duncan 法進(jìn)行多重比較［13］。在此基礎(chǔ)上，采用表型分化系數(shù)分析糠椴表型性狀差異的主要來源［14］；利用變異系數(shù)反映糠椴不同表型性狀的變異程度［15］；采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)分析糠椴居群表型性狀的多樣性程度［16］；利用主成分分析對(duì)糠椴居群進(jìn)行評(píng)價(jià)［17］；采用Ward 法對(duì)糠椴居群進(jìn)行聚類分析［18］。

方差分析的線性模型為：

式中：Yijk為第i個(gè)天然居群，第j個(gè)采樣株，第k個(gè)性狀的測(cè)量值；μ為模型截距對(duì)模型的影響；Si為第i個(gè)天然居群對(duì)模型的影響；T()i j為嵌套在第i個(gè)天然居群內(nèi)第j個(gè)采樣株對(duì)模型的影響；zijk為系統(tǒng)誤差對(duì)模型的影響。

表型分化系數(shù)計(jì)算公式為：

式中:Vst為表型分化系數(shù)；δ2t s為居群間的方差分量；δ2s為居群內(nèi)的方差分量；S表示天然居群；t表示天然居群的單株。

變異系數(shù)計(jì)算公式為：

式中:CV為變異系數(shù)；S為表型標(biāo)準(zhǔn)差；xˉ為某一性狀群體平均值。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：H′為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；Pi為某一性狀第i級(jí)材料內(nèi)分布頻率的有效百分比。

主成分分析綜合指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Y為綜合指數(shù)；m為每個(gè)主成分組下指標(biāo)數(shù)；n為每組下各指標(biāo)總樣本數(shù)；Wij為第j指標(biāo)第i樣本的權(quán)重?cái)?shù)；Hij為第j指標(biāo)第i樣本原始數(shù)據(jù)正規(guī)化后的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 糠椴居群表型差異

對(duì)糠椴居群間和居群內(nèi)的葉片和果實(shí)性狀進(jìn)行方差分析（見表2），結(jié)果表明：葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)和葉柄寬在居群間和居群內(nèi)的差異均達(dá)到極顯著水平，果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果柄長(zhǎng)、苞葉寬、苞葉長(zhǎng)、苞果合生長(zhǎng)和果序柄長(zhǎng)在居群間和居群內(nèi)的差異也均達(dá)到極顯著水平。為了進(jìn)一步明確糠椴居群間和居群內(nèi)表型性狀的差異，對(duì)各性狀的方差分量和表型分化系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（見表3），發(fā)現(xiàn)各性狀居群間的方差分量百分比均大于居群內(nèi)，說明居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。居群間，果實(shí)橫徑的方差分量百分比最大（79.49%），葉寬的方差分量百分比最?。?6.87%）；居群內(nèi)，葉長(zhǎng)的方差分量百分比最大（11.75%），葉柄長(zhǎng)的方差分量百分比最?。?.09%）。在表型分化方面，葉柄長(zhǎng)的表型分化系數(shù)最大，高達(dá)0.95，葉長(zhǎng)的表型分化系數(shù)最小，僅為0.83。

表2 糠椴天然居群葉片和果實(shí)性狀方差分析Table 2 Variance analysis on leaf and fruit traits of T.mandshurica natural populations

表3 糠椴天然居群葉片和果實(shí)性狀的方差分量和表型分化系數(shù)Table 3 Variance component and phenotypic differentiation coefficient of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

2.2 糠椴居群表型變異與多樣性

對(duì)糠椴居群間的葉片和果實(shí)性狀進(jìn)行多重比較，并計(jì)算變異系數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)（見表4），結(jié)果表明：糠椴葉長(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)和葉柄寬的平均值分別為113.69、98.81、56.48、2.06 mm，果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果柄長(zhǎng)、苞葉長(zhǎng)、苞葉寬、苞果合生長(zhǎng)和果序柄長(zhǎng)的平均值分別為9.18、8.01、15.95、85.39、16.06、37.03、27.8 mm。其中，東豐居群的葉長(zhǎng)和葉寬均最大，分別為132.77、113.59 mm；蘿北居群的葉柄長(zhǎng)最大，高達(dá)76.31 mm；琿春居群的葉柄寬、果柄長(zhǎng)和果序柄長(zhǎng)均最大，分別為2.36、18.21、34.19 mm；龍?zhí)毒尤旱墓麑?shí)縱徑和果實(shí)橫徑均最大，分別為10.63、9.17 mm；蛟河居群的苞葉長(zhǎng)和苞葉寬均最大，分別為97.03、21.08 mm；樺甸居群的苞果合生長(zhǎng)最大，達(dá)到44.87 mm?？烽踩~片和果實(shí)性狀的變異系數(shù)介于20.0%～39.9%，Shannon-Wiener 指數(shù)介于1.262～1.443，各性狀變異系數(shù)和Shannon-Wiener 指數(shù)均較大，說明糠椴天然居群具有豐富的變異和表型多樣性，可根據(jù)表型性狀對(duì)糠椴居群進(jìn)行選擇。

表4 糠椴天然居群葉片和果實(shí)性狀的多重比較、變異系數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)Table 4 Multiple comparisons，coefficient of variation and Shannon-Wiener index of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

2.3 糠椴居群主成分分析

對(duì)糠椴的葉片和果實(shí)性狀進(jìn)行主成分分析（見表5），結(jié)果表明：11 個(gè)表型性狀可分為4 個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到88.46%。其中，主成分1 方差貢獻(xiàn)率為36.97%，果實(shí)縱徑和果實(shí)橫徑的特征向量絕對(duì)值較大，說明該主成分主要反映果實(shí)大??；主成分2 方差貢獻(xiàn)率為26.94%，苞葉長(zhǎng)和苞果合生長(zhǎng)的特征向量絕對(duì)值較大，說明該主成分主要反應(yīng)苞葉特征；主成分3 方差貢獻(xiàn)率為13.87%，葉長(zhǎng)和葉寬的特征向量絕對(duì)值較大，說明該主成分主要反映葉片大小；主成分4方差貢獻(xiàn)率為10.68%，果柄長(zhǎng)和果序柄長(zhǎng)的特征向量絕對(duì)值較大，說明該主成分主要反映了果柄和果序柄的大小。以每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分特征值之和的比例為權(quán)重，得出各表型性狀主成分綜合模型為：

表5 糠椴天然居群葉片和果實(shí)性狀主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 5 Principal component eigenvalues and contribution rates of leaf and fruit traits in T.mandshurica natural populations

根據(jù)表型性狀主成分綜合模型，8個(gè)居群綜合排序由大到小依次為：琿春、龍?zhí)丁⑤x南、蛟河、東豐、敦化、樺甸、蘿北。

2.4 糠椴居群聚類分析

根據(jù)糠椴的葉片和果實(shí)性狀計(jì)算聚類系數(shù)（見圖1），發(fā)現(xiàn)當(dāng)分類數(shù)為3 時(shí)，聚類系數(shù)的上升趨勢(shì)明顯變緩，此時(shí)聚類系數(shù)為0.631。因此，可以將糠椴8 個(gè)居群分為三類（見圖2）。第Ⅰ類居群包括東豐和蘿北，該類居群葉片性狀較為突出，葉片較大，其他表型性狀適中。第Ⅱ類居群包括敦化、琿春、樺甸和蛟河，該類居群果柄和苞果性狀較為突出，果柄長(zhǎng)、果序柄長(zhǎng)、苞葉寬、苞葉長(zhǎng)和苞果合生長(zhǎng)較大。第Ⅲ類居群包括龍?zhí)逗洼x南，該類居群果實(shí)大小性狀較為突出，果實(shí)縱徑和果實(shí)橫徑性狀較大。

圖1 糠椴天然居群聚類系數(shù)Fig.1 Clustering coefficient variation in T.mandshurica natural populations

圖2 糠椴天然居群聚類Fig.2 Dendrogram of T.mandshurica natural populations

3 討論

3.1 糠椴居群的表型差異來源

天然居群的表型性狀變異系數(shù)和表型分化系數(shù)可以有效反映表型性狀的離散程度和變異來源［19］?？烽踩~片和果實(shí)性狀在居群間和居群內(nèi)的差異均達(dá)到極顯著水平，各性狀在居群間的方差分量百分比均大于居群內(nèi)，表型分化系數(shù)介于0.83～0.95，說明居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。這與嚴(yán)靈君等［11］對(duì)南京椴（Tilia miqueliana）天然居群的表型性狀多樣性及變異分析的結(jié)果一致，南京椴11 個(gè)表型性狀居群間的方差分量百分比（43.50%）明顯大于居群內(nèi)（14.16%），各表型性狀的居群間表型分化系數(shù)介于0.66～0.86；但湯詩杰等［20-21］基于ISSR 和RAPD 標(biāo)記對(duì)南京椴天然居群的遺傳變異進(jìn)行分析，認(rèn)為居群內(nèi)變異是南京椴分化的主要來源?？烽驳谋硇托誀畈粌H由因素決定，還受到不同居群的土壤、光照、水分和伴生樹種的影響，具有一定的環(huán)境可塑性，是植物適應(yīng)環(huán)境因子的一種表現(xiàn)。

3.2 糠椴居群的表型多樣性

植物表型性狀多樣性是生物多樣性研究的重要內(nèi)容，有利于了解植物的分化和進(jìn)化潛力，為優(yōu)質(zhì)種質(zhì)的篩選、保護(hù)和利用提供理論依據(jù)［22-23］。Mishra 等［24］對(duì)番石榴（Psidium guajava）果實(shí)品質(zhì)性狀和生物活性的表型多樣性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)番石榴的果實(shí)品質(zhì)性狀和生物活性均具有高度的表型多樣性。本研究中，糠椴各表型性狀的變異系數(shù)介于20.0%～39.9%，變異程度較大，說明糠椴表型性狀存在豐富的變異；Shannon-Wiener指數(shù)介于1.262～1.443，表明糠椴的表型性狀具有豐富的多樣性。植物表型性狀越豐富，表明植物的可選擇性越高，越有可能產(chǎn)生較高的增益。

3.3 糠椴居群表型性狀的綜合排序

主成分分析中，特征向量絕對(duì)值較大的表型性狀為反映植物表型性狀差異的主要因子，也是植物多樣性保護(hù)和目的性狀選育研究中的主要觀測(cè)性狀［25］。Vidakovi? 等［26］分析了亞得里亞海東部海岸地區(qū)刺梨（Pyrus spinosa）的表型多樣性，將刺梨的10 個(gè)葉片性狀分為3 個(gè)主成分，分別反映了葉片大小、葉形和葉柄特征。本研究將糠椴的11 個(gè)表型性狀分為4 個(gè)主成分，分別反映果實(shí)大小、苞果特征、葉片大小、果柄和果序柄大小，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率高達(dá)88.46%。說明主成分分析可將存在相關(guān)性的性狀轉(zhuǎn)換為不相關(guān)的主成分，進(jìn)而反映植物的表型差異。

3.4 糠椴居群分類

植物天然居群保持較高的多樣性水平有利于其居群的發(fā)展。在糠椴種質(zhì)資源保護(hù)過程中，通過對(duì)表型性狀的聚類分析，可以闡明不同居群表型性狀的差異，進(jìn)而依據(jù)育種目標(biāo)篩選出適宜的育種材料［27-28］。聚類分析結(jié)果表明：當(dāng)聚類系數(shù)為0.631時(shí)，可以將8個(gè)糠椴居群分為三類。其中，第Ⅰ類居群包括東豐和蘿北，葉片較大；第Ⅱ類居群包括敦化、琿春、樺甸和蛟河，果柄和苞葉較大；第Ⅲ類居群包括龍?zhí)逗洼x南，果實(shí)較大。糠椴三類居群并沒有表現(xiàn)出明顯的地理距離特征，在第Ⅰ類居群中，東豐與蘿北的地理距離較遠(yuǎn)卻聚為一類，這與亞得里亞海東部海岸地區(qū)刺梨［26］的研究結(jié)果一致，17 個(gè)天然居群沒有遵循明確的地理或環(huán)境特征。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于糠椴天然居群之間沒有明顯的地理障礙，不同居群間的遺傳物質(zhì)可以通過以糠椴種子為食的動(dòng)物進(jìn)行傳播。

4 結(jié)論

綜上所述，糠椴天然居群的葉片和果實(shí)性狀具有豐富的表型多樣性，居群間是糠椴表型性狀差異的主要來源。通過對(duì)表型性狀的聚類分析對(duì)糠椴不同居群進(jìn)行分類，可依據(jù)不同的育種目標(biāo)篩選出適宜的育種材料，為糠椴核心種質(zhì)資源挖掘、資源的保護(hù)與利用提供參考。然而，本研究選取的糠椴天然居群主要分布于吉林省范圍內(nèi)，具有一定的空間局限性，后續(xù)可進(jìn)一步根據(jù)糠椴的分布區(qū)域擴(kuò)大取樣范圍。與此同時(shí)，氣候和土壤等環(huán)境因子對(duì)糠椴表型性狀穩(wěn)定性和環(huán)境可塑性的解析有待于進(jìn)一步研究。