徐肇友 王云鵬

(浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院，龍泉，323700) (浙江省林木育種技術(shù)重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所))

肖紀(jì)軍 沈斌 王幫順 周志春

(浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院) (浙江省林木育種技術(shù)重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所))

表型是物種各種形態(tài)特征的組合，是植物遺傳多樣性的最直觀反應(yīng)，也是植物自身基因表達(dá)及對環(huán)境適應(yīng)性的綜合表現(xiàn)。表型性狀作為基因型的外在表征，研究種群的表型多樣性可以直觀地揭示種群的變異大小。植物經(jīng)過長期的自然選擇，其表型性狀對生長環(huán)境具有較強的適應(yīng)性，有研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)不同種源喬松(Pinuswallichiana)的球果、種子和幼苗的表型變異特點，可將其種群聚為5類，發(fā)現(xiàn)地理上遙遠(yuǎn)的種子源在遺傳上卻是相近的[1]。不同種群云南松(Pinusyunnanensis)的針葉表型在群體內(nèi)變異大于群體間，基于針葉性狀把所測種群分成了4類[2]。不同種群紅松(Pinuskoraiensis)表型性狀的種群內(nèi)變異也大于種群間的變異，具有中等水平的表型分化，將種子園的6個種群歸為4類[3]。大量的表型多樣性研究表明，相同植物的表型性狀在不同地區(qū)具有相似性，掌握表型變異規(guī)律及對其分類是引種馴化和遺傳改良的基礎(chǔ)，可為種質(zhì)資源地收集、保存、挖掘和利用提供理論依據(jù)。

木荷(Schimasuperba)為山茶科(Theaceae)木荷屬常綠闊葉大喬木，自然分布在北緯31°以南，東經(jīng)105°以東的廣大地區(qū)[4]，是亞熱帶常綠闊葉林的主要建群種，也是我國南方各省區(qū)重要的生態(tài)修復(fù)樹種、高效的生物防火樹種和珍貴的用材樹種[5]。前期利用RAPD分子標(biāo)記研究種源遺傳多樣性表明，木荷種內(nèi)遺傳多樣性豐富，分別有27.4%和72.86%的遺傳變異來自種源間和種源內(nèi)個體間[6]。然而，現(xiàn)階段木荷的育種工作急需在系統(tǒng)分析表型多樣性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步得到有實際意義的育種類群，為良種選育工作提供資源。鑒于此，本文選用來自17個產(chǎn)地的170個木荷優(yōu)樹無性系，分析其生長、形質(zhì)和葉片性狀的變異及相關(guān)性，以揭示木荷優(yōu)樹無性系表型性狀的多樣性，并通過主成分和Q型聚類分析，結(jié)合各性狀的綜合表現(xiàn)形成特定用途的育種類群，以期為優(yōu)異種質(zhì)資源地發(fā)掘和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

供試的木荷優(yōu)樹無性系為2013年保存于浙江省龍泉市林科院上圩基地的種質(zhì)資源庫，地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°5′52″～119°6′27″，北緯28°0′23″～28°1′47″，海拔30～50 m，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫14.7 ℃，年降水量1 400～2 275 mm，年日照時間1 712～1 825 h，無霜期180～280 d。參試的170個木荷優(yōu)樹無性系來自江西、湖南和福建等3個省份的17個產(chǎn)地，利用1年生容器苗作砧木，于當(dāng)年3月利用帶休眠芽的小枝進(jìn)行嫁接，接口離地面皆在5 cm以下，試驗林采用完全隨機設(shè)計，定植株行距4 m×4 m。

2018年3月，每個產(chǎn)地選擇10個無性系，每個無性系選擇生長正常的5個分株進(jìn)行性狀測定。生長性狀包括樹高、地徑和冠幅，形質(zhì)性狀包括樹干通直度、枝下高、最大分枝角和最大分枝粗。樹高、冠幅和枝下高均用米尺測量，嫁接口地徑(即地面以上20 cm處的直徑)和最大分枝粗用胸徑尺測量，最大分枝角(一級分枝與樹干的最大角度)用量角器測量。樹干通直度分為通直、較通直、一般、彎曲、嚴(yán)重彎曲5級分別記分為5、4、3、2和1，數(shù)字越大越通直。在每個無性系分株靠陽面的冠層中部隨機采集10張葉片，葉片使用EPSON LA2400掃描，Win RHIZO軟件測定，葉片性狀參數(shù)包括葉長、葉寬(從葉尖到葉基最寬的位置)、葉面積、葉周長、葉寬長比、葉平均寬(從葉尖到葉基寬度的平均值)。手持GPS記錄各采樣地的經(jīng)緯度，氣候因子數(shù)據(jù)來源于世界氣候數(shù)據(jù)庫World Clim(http://www.worldclim.org/)，1950—2000年世界各地氣象站的氣候觀測數(shù)據(jù)，利用Diva-Gis軟件提取。

方差分析統(tǒng)計模型為Yijk=u+Pi+C(P)i(j)+Eijk，式中，Yijk為第i個產(chǎn)地內(nèi)第j個無性系第k個分株的觀測值，u為群體平均值，Pi為第i個產(chǎn)地的效應(yīng)，C(P)i(j)為第i個產(chǎn)地內(nèi)第j個無性系的效應(yīng)，Eijk為機誤。在方差分析時，樹干通直度經(jīng)X1/2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最大分枝角經(jīng)反正弦轉(zhuǎn)換，最大分枝粗經(jīng)1/X轉(zhuǎn)換。采用SAS8.0軟件的GLM等過程進(jìn)行性狀單因素方差分析，各方差分量用PROC VARCOMP過程中REML方法計算，CORR過程計算Pearson表型相關(guān)，采用SPSS軟件進(jìn)行主成分和系統(tǒng)聚類分析。

表1 木荷優(yōu)樹無性系來源

2 結(jié)果與分析

2.1 木荷優(yōu)樹無性系表型變異

木荷優(yōu)樹無性系表型變異在產(chǎn)地間和產(chǎn)地內(nèi)均呈極顯著的差異(表2)。生長和形質(zhì)性狀的變異系數(shù)均很大，變化范圍為18.84%～26.60%，其中生長性狀中冠幅變異最大(20.38%)，樹高的變異系數(shù)相對較小(18.84%)；形質(zhì)性狀中枝下高的變異系數(shù)最大(26.6%)，變異系數(shù)最大無性系高出最小無性系8.37倍，樹干通直度次之(25.24%)，最大分枝角變異最小(20.77%)。葉片性狀的變異系數(shù)范圍為10.17%～21.25%，其中葉面積變異系數(shù)最大(21.25%)，變幅為13.34～34.85 cm2，最大無性系高出最小無性系1.61倍，葉平均寬變異系數(shù)最小(10.17%)，變幅為1.88～2.86 cm。木荷優(yōu)樹無性系在生長、形質(zhì)和葉片性狀存在的顯著變異，為以珍貴優(yōu)質(zhì)用材和生態(tài)修復(fù)等培育目標(biāo)的優(yōu)良無性系選育提供了很大的選擇潛力。

表2 木荷優(yōu)樹無性系表型相關(guān)性

2.2 木荷優(yōu)樹無性系表型分化

木荷優(yōu)樹無性系的樹高、地徑、冠幅和枝下高的產(chǎn)地間變異大于產(chǎn)地內(nèi)，而其他性狀產(chǎn)地間的變異均小于產(chǎn)地內(nèi)(表3)。13個表型性狀產(chǎn)地間和產(chǎn)地內(nèi)的平均方差分量百分比為25.05%和31.42%，說明木荷優(yōu)樹的表型變異主要來自產(chǎn)地內(nèi)，產(chǎn)地內(nèi)多樣性大于產(chǎn)地間。產(chǎn)地間和產(chǎn)地內(nèi)的平均表型分化系數(shù)為43.24%和56.76%，說明木荷優(yōu)樹處于中等分化水平。表型分化系數(shù)最大的為冠幅(69.79%)，最小的為葉平均寬(11.56%)，其中生長性狀、形質(zhì)性狀和葉片形狀的平均表型分化系數(shù)分別為63.78%、49.12%和29.04%，說明生長性狀的變異是木荷優(yōu)樹表型多樣性的主要因素。

2.3 木荷優(yōu)樹無性系表型相關(guān)性

優(yōu)樹無性系樹高、地徑和冠幅3個性狀相互之間均呈極顯著的正相關(guān)(表4)，相關(guān)系數(shù)在0.661～0.764。枝下高與樹高、地徑、冠幅間，以及樹干通直度與樹高、枝下高間皆呈極顯著的正相關(guān)，而樹干通直度卻與最大分枝角呈極顯著的負(fù)相關(guān)，說明樹干的通直度與其速生性有關(guān)，速生的優(yōu)樹無性系其樹干通直、枝下高大。最大分枝粗與樹高、地徑、冠幅呈極顯著的正相關(guān)，而最大分枝角與樹高、地徑相關(guān)性不顯著，意味著速生的優(yōu)樹無性系其分枝較粗，而高徑生長似與最大分枝角相互獨立，因此對速生無性系的選育要加強早期修枝，以培育優(yōu)質(zhì)干材。

木荷優(yōu)樹無性系生長性狀與葉片性狀的相關(guān)性分析結(jié)果顯示(表5)，樹高、地徑、冠幅與葉面積、葉周長、葉長、葉寬、葉平均寬均呈極顯著的正相關(guān)，說明速生的優(yōu)樹無性系其葉片寬且長、葉面積大。然而樹高、地徑卻與葉寬長比呈顯著的負(fù)相關(guān)，這暗示葉片狹長的無性系生長較慢，而葉片寬圓的無性系可能生長更快。

表4 木荷優(yōu)樹無性系生長與形質(zhì)性狀間的相關(guān)性

表5 木荷優(yōu)樹無性系生長性狀與葉片性狀間的相關(guān)性

2.4 木荷優(yōu)樹無性系表型與地理氣候因子間相關(guān)性

優(yōu)樹無性系樹高與其產(chǎn)地緯度呈顯著負(fù)相關(guān)(表6)，說明來自南部地區(qū)的木荷優(yōu)樹生長較快。樹干通直度與經(jīng)度和最冷季降水量呈顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)，說明來自西部且最冷季降水量少的地區(qū)，木荷優(yōu)樹樹干通直度較高。最大分枝角與經(jīng)度、年均氣溫、最暖季平均氣溫、最冷季平均氣溫和最冷季降水量呈顯著或極顯著正相關(guān)，說明在東部氣溫較高且冷季降水量大的地區(qū)，木荷優(yōu)樹的分枝角度較大。葉周長與經(jīng)度和年均氣溫、最暖季平均氣溫、最冷季氣溫呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，說明在東部且氣溫較高的地區(qū)，木荷優(yōu)樹的葉周長較??；葉長與經(jīng)度、年均氣溫、最暖季平均氣溫和最冷季降水量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，而葉寬長比相反，說明在東部年均氣溫較高且冷季降水量大的地區(qū)，優(yōu)樹無性系的葉片較短且寬圓。

表6 木荷優(yōu)樹無性系表型與地理氣候因子間的相關(guān)性

2.5 木荷優(yōu)樹無性系表型的主成分分析

對木荷優(yōu)樹無性系13個性狀進(jìn)行主成分分析(表7)，前面4個主成分的特征值均大于1，有效包含了13個性狀82.11%的信息，表明這4個主成分代表了13個性狀的變異信息。由表4可知，主成分1(PC1)主要涵蓋了葉面積(0.909)、葉長(0.807)、葉寬(0.791)和葉周長(0.753)等性狀，其中葉面積起主導(dǎo)作用；主成分2(PC2)主要涵蓋了冠幅(0.650)、地徑(0.545)、最大分枝粗(0.486)和樹高(0.480)等性狀，其中冠幅起主導(dǎo)作用；主成分3(PC3)主要涵蓋了葉寬長比(0.727)，葉平均寬(0.609)和葉寬(0.551)等性狀，其中葉寬長比起主導(dǎo)作用；主成分4(PC4)主要涵蓋了枝下高(0.630)和樹干通直度(0.523)等性狀，其中枝下高起主導(dǎo)作用。表明冠幅、枝下高和葉片性狀中的葉面積、葉寬長比是優(yōu)樹無性系的主要變異因子。

表7 木荷優(yōu)樹無性系表型的主成分分析結(jié)果

2.6 木荷優(yōu)樹無性系聚類分析

基于13個生長、形質(zhì)和葉片形態(tài)等表型性狀對17個木荷優(yōu)樹無性系產(chǎn)地進(jìn)行Q型聚類分析，在歐氏距離7.5處，將參試的木荷無性系歸為4種類型(圖1)，各類型的主要特征見表8。類型Ⅰ包括福建連城、沙縣，江西九龍山、分宜等4個產(chǎn)地，來自中部種源區(qū)，占全部產(chǎn)地的23.53%，主要特征是樹高、地徑、枝下高、樹干通直度和葉長最小，而葉寬、葉平均寬和葉寬長比最大，說明此類型優(yōu)樹無性系生長相對較慢，樹干通直度較低，葉片較短且寬圓。類型Ⅱ包括福建建甌、古田、福州，江西上猶和湖南祁陽等5個產(chǎn)地，主要來自水熱資源優(yōu)越的中心種源區(qū)，占全部產(chǎn)地的29.41%，主要特征是樹高、地徑、冠幅和最大分枝粗最大，說明此類型產(chǎn)地的無性系速生性較強。類型Ⅲ包括福建永安、邵武、西芹、延平和江西崇義、信豐等6個產(chǎn)地，主要來自中心或中部種源區(qū)，占全部產(chǎn)地的35.29%，主要特征是枝下高和最大分枝角最大，最大分枝粗和葉面積、葉周長最小，樹高僅次于速生性最強的類型Ⅱ，說明此類型產(chǎn)地的無性系較速生，葉片較小。類型Ⅳ包括湖南的城步和桑植等2個產(chǎn)地，來自緯度較高、溫度較低的北部種源區(qū)，占比11.76%，主要特征是樹干通直度和葉面積、葉周長、葉長最大，冠幅、最大分枝角和葉寬、葉平均寬、葉寬長比最小，說明此類型的無性系樹干通直度較高，冠幅小，葉片較大且狹長。

表8 不同類型木荷優(yōu)樹無性系表型性狀平均值

3 結(jié)論與討論

因自然選擇、基因流和遺傳漂變引起的表型變異，在種內(nèi)十分常見[7]。木荷是中國亞熱帶常綠闊葉林的主要建群種，廣泛分布于南方各省(區(qū)、市)[8]，生長和分枝性狀存在顯著的種源效應(yīng)[9]。本研究表明參試的170個木荷優(yōu)樹無性系的生長、形質(zhì)和葉片性狀在產(chǎn)地間和產(chǎn)地內(nèi)均存在極顯著的遺傳變異，冠幅、枝下高和葉面積變異較大，表明這3個性狀可能主導(dǎo)木荷優(yōu)樹的變異，樹高、最大分枝角和葉平均寬變異較小，表明這3個性狀穩(wěn)定性較高，在一定程度上表明這3個性狀受環(huán)境的影響較小。從另一面也表明木荷優(yōu)樹無性系在表型性狀上具有較大的改良潛力，為選育不同需求的品種提供了重要的種質(zhì)資源，這也意味著可以根據(jù)不同無性系的當(dāng)代生長表現(xiàn)來初選育種親本和種子園的建園材料。

表型分化系數(shù)是表述表型多樣性主變因占扣除環(huán)境因素誤差后的總方差的比值，其數(shù)值可近似地揭示群體間分化的大小，也暗示著該物種適應(yīng)環(huán)境的廣泛程度。張翠琴等[10]研究五角楓(Acermono)的表型分化系數(shù)為48.82%，種群內(nèi)變異大于種群間；童躍偉等[3]研究發(fā)現(xiàn)種子園內(nèi)不同種群紅松的表型分化系數(shù)為12.39%，主要變異來源于種群內(nèi)；李文英等[11]研究發(fā)現(xiàn)蒙古櫟(Quercusmongolica)的表型分化系數(shù)為53.97%，群體間變異大于群體內(nèi)變異，李偉等[12]研究發(fā)現(xiàn)皂莢(Gleditsiasinensis)的表型分化系數(shù)為20.42%，群體內(nèi)變異大于群體間變異。由此可見，不同物種的群體間表型分化程度是不同的，群體間和群體內(nèi)不同的分化程度與生態(tài)環(huán)境、地理隔離、物種個體的發(fā)育過程和人為活動有關(guān)[10]。本研究發(fā)現(xiàn)木荷優(yōu)樹的表型分化系數(shù)為43.24%，處于中等分化水平，側(cè)面反應(yīng)了木荷能較廣泛地適應(yīng)環(huán)境的能力。產(chǎn)地內(nèi)變異大于產(chǎn)地間變異，這與張萍等[6]利用RAPD分子標(biāo)記和楊漢波等[13]利用SSR標(biāo)記研究木荷遺傳多樣的結(jié)果具有一致性，可能原因是優(yōu)樹采集地的種群較大，呈集群分布，產(chǎn)地間存在基因交流，導(dǎo)致產(chǎn)地間未發(fā)生較大的遺傳分化，也有可能與產(chǎn)地間存在相似的形成機制和演化歷史有關(guān)，但還需進(jìn)一步驗證。

速生性是木荷用材和生態(tài)修復(fù)的主要選育目標(biāo)，分析性狀的相關(guān)性可為良種選育的間接選擇提供理論指導(dǎo)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，優(yōu)樹無性系樹高與枝下高、樹干通直度、最大分枝粗，冠幅與最大分枝角、最大分枝粗皆呈極顯著的正相關(guān)，這表明枝下高、樹干通直度和最大分枝粗均與速生性存在緊密的關(guān)聯(lián)性，而最大分枝角除與冠幅、樹干通直度存在極顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)外，與其它性狀的相關(guān)性都較低，意味著最大分枝角與速生性似相互獨立，這與馬尾松(Pinusmassoniana)生長性狀和最大分枝角之間相關(guān)性的研究結(jié)果一致[14]。由于速生無性系的分枝較粗大，為培育速生的優(yōu)質(zhì)干材，應(yīng)加強早期修枝。無性系樹高、地徑與葉面積、葉周長、葉長、葉寬、葉平均寬皆呈極顯著的正相關(guān)，而與葉寬長比呈顯著負(fù)相關(guān)，意味著不但葉片大小，而且葉形也與速生性存在緊密的關(guān)聯(lián)性，葉片大和寬圓的無性系生長較快，木荷家系苗期研究[15]發(fā)現(xiàn)其苗高與葉片長也存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這一相關(guān)性結(jié)果也意味著在木荷良種選育過程中可通過葉片性狀來進(jìn)行間接選擇速生性基因型。

植物長期對生長環(huán)境的適應(yīng)和響應(yīng)，致使其表型性狀與環(huán)境因子間具有密切的關(guān)系，研究它們之間的相關(guān)性可以更準(zhǔn)確地揭示植物變異格局。本研究發(fā)現(xiàn)木荷優(yōu)樹無性系速生性主要受其產(chǎn)地緯度的影響，南部地區(qū)的木荷優(yōu)樹速生性較強；形質(zhì)性狀主要受其產(chǎn)地經(jīng)度和降水量的影響，西部降水量少的地區(qū)，木荷優(yōu)樹無性系樹干通直度較高，最大分枝角較小。這與3年生不同種源木荷生長性狀和分枝性狀在福建建甌試驗點的地理變異模式研究結(jié)果一致[9]。植物的葉片大小與溫度、水分和風(fēng)速之間存在顯著的相互關(guān)系，有研究表明，尾葉櫻桃(Cerasusdielsiana)的葉片性狀自西向東隨經(jīng)度的增加，葉片變小[16]。桂花(Osmanthusfragrans)的葉長和葉寬與溫度季節(jié)性變化存在顯著正相關(guān)，葉長寬比與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)[17]?；夷旧?Manglietiaconifera)葉周長和葉長寬比與經(jīng)度呈顯著正相關(guān)[18]。本研究發(fā)現(xiàn)葉片性狀受經(jīng)度、溫度和降水量的綜合影響，東部溫度和降水量較高的地區(qū)，木荷優(yōu)樹的葉片較小、短且寬圓，這可能與適應(yīng)亞熱帶東部地區(qū)高溫高濕和強風(fēng)降水的氣候特征有關(guān)。

主成分是通過幾個變量來揭示多個變量內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計方法。對170個木荷優(yōu)樹無性系主成分分析結(jié)果表明，前4個主成分累計貢獻(xiàn)率為82.11%，可以綜合反映13個性狀的信息。綜合主成分分析，從13個性狀中篩選出枝下高、冠幅是生長性狀中的主要區(qū)別性狀，葉面積、葉寬長比是葉片性狀的主要區(qū)別性狀。所得結(jié)論與桉樹(Eucalyptus)中葉長、葉長寬比是主要的區(qū)別特征[19]，灰木蓮中葉長、葉周長和葉面積是主要區(qū)別特征的結(jié)果[18]有一定的一致性，表明基于表型多樣性對木荷優(yōu)樹無性系進(jìn)行主成分分析的簡化分類是有效的。

聚類分析是系統(tǒng)描述和鑒定種質(zhì)資源的基本方法，牟洪香等[20]根據(jù)文冠果(Xanthocerassorbifolia)15個表型性狀的差異，將14個分布區(qū)分為4類；張翠琴等[10]基于五角楓的23個表型性狀將19個種群分為2支。本研究基于13個表型性狀，通過聚類分析將參試的17個木荷優(yōu)樹無性系產(chǎn)地歸為4個類型，在每個類型內(nèi)木荷優(yōu)樹無性系的表型性狀相近，而在不同類型中則有明顯的差異。根據(jù)王秀花等[21]基于7年生生長和木材基本密度進(jìn)行種源聚類，大致將木荷劃分為中心種源區(qū)、中部種源區(qū)和北部種源區(qū)。本研究類型Ⅰ產(chǎn)地?zé)o性系主要來自中部種源區(qū)，其生長相對緩慢，樹干通直度較低，葉片較短且寬圓；類型Ⅱ和類型Ⅲ中的無性系主要來自中心種源區(qū)和中部種源區(qū)，其速生性較強，葉片較?。活愋廷舻臒o性系主要來自北部種源區(qū)，樹干通直度較高，冠幅小，葉片較大且狹長。根據(jù)不同類型的特征，將不同的無性系進(jìn)行雜交，有望篩選出具有優(yōu)良特性的子代。