山桐子天然居群果实表型多样性分析及综合评价

徐嘉娟， 陈婷敬， 谢 涛， 李 芳， 耿阳阳， 朱亚艳， 许 杰

(1.贵州省林业科学研究院， 贵阳 550005； 2.贵州省核桃研究所， 贵阳 550005；3.水城县自然资源局， 贵州 六盘水 553040)

表型多样性是生物多样性研究的重要内容[1]，表型性状是检测遗传变异最直接和最简便的方法[2-3]。植物的表型性状是由基因型和环境因素共同决定的形状、结构、大小、颜色等外在的性状，包括叶、花、果实、种子、树体性状等，其中种实性状是植物繁殖系统的主要组成部分，是生存和繁衍适应性的集中表现，与其他性状相比，种实性状具有较高的稳定性[1-2]，其测定和评价结果对揭示不同种群的遗传规律、变异大小具有指导意义。目前，国内外学者对茶条槭(AcerginnalaMaxim.)[1]、枫香树(LiquidambarformosanaHance.)[4]、无患子(SapindusmukorossiGaertn.)[3,5]、元宝枫(AcertruncatumBunge.)[6]、小果油茶(CamelliameiocarpaHu.)[7]、红春(ToonaciliateRoem.)[8]及松属(Pinus)的思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)[9]、油松(PinustabuliformisCarr.)[10-11]、美国白皮松(Whitebarkpine)[12]等树种的种实性状变异进行了研究，为这些树种的种质资源评价、保护、利用及种质创新奠定了基础。

山桐子(IdesiapolycarpaMaxim.)为大风子科(Flacourtiaceae)山桐子属(Idesia)落叶乔木，是一种兼具观赏、用材和能源等多功能的速生经济型树种[13]。山桐子不仅具有良好的生态景观特质，其果实还可以制备生物柴油、炼制优良食用油、提取药用成分，而且适应性强、含油率高，生长快，果实产量高，开发利用价值高，具有广阔的发展前景[14-18]。种质资源是良种选育的基础，表型多样性的分析有助于物种遗传分化和进化潜力的了解，有利于优异种质的筛选和保护利用[19]。本研究对山桐子果实表型多样性和变异特征进行分析，以期了解山桐子果实性状的分化程度和变异规律，为贵州山桐子种质资源的挖掘、保护、资源的改良及种质创新提供数据基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料采集

于2019年10月中旬至11月中旬在贵州山桐子天然分布区内，取贵阳、贵定、水城共3个居群的果实(表1)。每个居群随机选择无明显缺陷及严重病虫害、生长正常、株间距离200 m以上(保证采样均匀，防止母系遗传)、10～20年生处于盛果期(性状相对稳定)的单株作为样株[17]，取每个单株树冠中上部4个方向成熟果实，带回实验室分析测定。对选定的居群采用全球卫星定位系统(GPS)观测居群的经度、纬度、海拔等地理生态因子。由于参试山桐子为天然居群，其居群规模大小不一，能够同时满足单株距离200 m和处于盛果期的居群有限，因此，规模较小的居群的样株数量相应较少。

表1 山桐子居群地理位置

1.2 表型性状测定

选择较为稳定、便于获取的表型性状。每个单株随机选取30串果穗，随机选取90颗果实。用直尺测量果穗长、果穗宽，精确到0.01 cm，计算果穗长宽比，记录单穗果粒数。用游标卡尺测量果纵径、果横径、果柄长，精确到0.01 mm，计算果形指数(果纵径/果横径)、果大小指数(果纵径×果横径)。用电子天平测量果穗质量、单穗果粒质量、单果质量、果皮质量，精确到0.01 g，并记录单果饱满种子数由于山桐子种子较小，每个单株随机选取100粒新鲜种子称重，换算成鲜籽千粒重。

1.3 含油率测定

果实自然阴干后，分离种子与果皮，在85 ℃的干燥箱内干燥8 h，干燥后分别称重、研磨，取1.5～4 g，采用索氏提取法提取油脂，计算果实含油率。

含油率(%)=[(样品质量-抽提后残渣质量)/样品质量]×100%。

1.4 统计分析

利用Excel 2007软件进行数据统计整理，采用SPSS 22软件对各性状进行巢式方差分析、聚类分析、主成分分析、多重比较分析，计算各性状的平均值、标准差、Shannon-weaver多样性指数(H′)、变异系数(CV)和表型分化系数(VST)。

2 结果与分析

2.1 山桐子果实表型性状变异特征

对山桐子15个果实表型性状变异进行分析结果(表2)表明，山桐子15个果实表型性状均存在不同程度的变异，不同性状的变异情况也有所差异。15个表型性状的平均变异系数为18.39%，变异幅度为5.67%～38.57%。单果饱满种子数的变异系数最大(38.57%)，单穗果粒重、果穗重、单穗果粒数、果皮重、单果重的变异系数均大于20%，上述6个表型性状变异较丰富，稳定性较低。果形指数的变异系数最小(5.67%)，果实含油率、果纵径、果横径的变异系数均小于10%，这4个表型性状的变异幅度较小，具有较高稳定性。15个表型性状的Shannon-Weaver多样性指数(H′)在1.944～2.090之间，平均为2.019，多样性指数均较高，说明大部分性状具有较为丰富的表型多样性及遗传改良潜力。15个表型性状的极大值是极小值的1.36～8.23倍，其中果皮重的极大值与极小值的比值最大(8.23)，果形指数的极大值与极小值的比值最小(1.36)。山桐子15个果实表型性状的进化及适应性潜力为：果皮质量>单果饱满种子数>单果质量>鲜籽千粒重>果穗质量>单穗果粒质量>单穗果粒数>果穗长>果大小指数>果柄长>果穗宽>果纵径>果横径>果实含油率>果形指数。

表2 山桐子果实表型性状变异分析

2.2 山桐子果实表型性状变异来源及居群变异规律

山桐子15个果实表型性状在居群间和居群内的方差分析结果(表3)表明，果横径在居群间存在显著差异，在居群内存在极显著差异，果形指数在居群内存在显著差异，在居群间存在极显著差异，其余性状在居群间和居群内均存在极显著差异，说明山桐子果实表型性状在居群间和居群内都存在不同程度的变异。15个果实表型性状的多重比较分析(表4)表明，山桐子天然居群果实形态特征在居群间存在一定差异，P2居群的果纵径、果横径、单果质量、果皮质量、单果饱满种子数、果穗长、果穗宽、单穗果粒数、果穗质量、单穗果粒质量的平均值均最大，果实含油率居中，表现为果大、果穗大、籽粒多的特征；P1居群的果横径、单果质量、果皮质量、单果饱满种子数、果穗长、果穗宽、果穗质量、单穗果粒质量的平均值居中，果实含油率平均值最大，表现为出油率高的特征；P3居群的果实较小，出油率较低。

表3 山桐子居群间及居群内各表型性状的方差分析

表4 3个居群间表型性状的平均值、标准差及多重比较

2.3 山桐子果实表型性状变异来源及居群间表型分化

对山桐子15个果实表型性状进行巢式方差分析(表5)，用某性状在居群间方差分量占居群总方差分量的百分比表示表型分化系数(VST)，估算表型变异在居群间贡献率的大小。结果表明，15个山桐子果实表型性状在居群间的平均方差分量百分比为17.76%，居群内为38.24%，其表型分化系数在9.68%～65.08%之间，平均为31.79%，说明3个居群山桐子果实表型性状在居群内和居群间均存在一定程度的变异，但居群内变异是山桐子果实性状表型变异的主要来源。其中，表型分化系数最大的是果穗长(65.08%)，最小的是鲜籽千粒重(9.68%)。除果穗长外，单穗果粒数(56.60%)、果穗宽(56.59%)、果形指数(55.79)的表型分化系数较大，这4个性状在居群间的变异大于居群内变异，居群间变异占相对优势。而鲜籽千粒重(9.68%)、单果饱满种子数(10.16%)、果大小指数(10.43%)、果柄长(16.23%)的表型分化系数较小，其变异来源主要以居群内变异为主。

表5 山桐子果实表型性状的方差分量及居群间与居群内表型分化系数

2.4 山桐子果实表型性状主成分分析及综合评价

对山桐子果实表型性状的主成分分析结果(表6)表明，前6个主成分的累积贡献率达85.38%，表明前6个主成分代表了山桐子果实表型性状的大部分信息。第Ⅰ主成分的特征值为4.873，贡献率为32.484%，特征向量绝对值较大的为果大小指数、单果质量、果皮质量、果纵径、果横径，主要表征山桐子果实大小。第Ⅱ主成分的特征值为3.708，贡献率为24.721%，特征向量绝对值较大的是单穗果粒数、果穗质量、单穗果粒质量，主要反映山桐子每个果穗的果实粒数和质量。第Ⅲ主成分的特征值为1.195，贡献率为7.966%，特征向量绝对值较大的是果形指数，主要反映果实形状性状。第Ⅳ主成分的贡献率为7.389%，特征值为1.108，起主要作用的是果柄长，果形指数也是载荷较大的因子。第Ⅴ主成分的贡献率为6.594%，特征值为0.989，起决定作用的表型性状为果实含油率。第Ⅵ主成分的贡献率为6.225%，特征值为0.934，主要由鲜籽千粒重决定。

表6 山桐子果实表型性状主成分分析

根据各主成分特征向量，计算各主成分分值：

F1=0.152X1+0.140X2+0.151X3+0.147X4+0.128X5-0.017X6+0.011X7+0.153X8-0.011X9+0.002X10+0.130X11+0.094X12+0.122X13+0.135X14+0.137X15；

F2=-0.133X1-0.158X2-0.122X3-0.091X4-0.112X5-0.023X6+0.050X7-0.154X8+0.034X9-0.014X10+0.163X11+0.170X12+0.193X13+0.187X14+0.188X15；

F3=-0.144X1+0.251X2-0.034X3-0.097X4-0.10X5+0.328X6-0.670X7+0.054X8+0.293X9+0.256X10-0.044X11+0.010X12+0.072X13+0.078X14+0.086X15；

F4=0.181X1-0.110X2-0.038X3+0.045X4+0.013X5+0.520X6+0.488X7+0.037X8+0.541X9+0.216X10-0.048X11+0.014X12-0.013X13-0.034X14+0.001X15；

F5=0.023X1-0.036X2-0.006X3-0.061X4+0.034X5-0.411X6+0.097X7-0.002X8-0.064X9+0.906X10+0.018X11-0.010X12+0.003X13-0.006X14-0.032X15；

F6=0.236X1+0.153X2-0.283X3-0.329X4-0.148X5+0.483X6+0.120X7+0.196X8-0.680X9+0.143X10-0.027X11+0.071X12+0.043X13+0.060X14+0.039X15。

根据各主成分分值，以及各主成分的贡献率权重得出每个单株的综合得分公式：F=0.380F1+0.290F2+0.093F3+0.087F4+0.077F5+0.073F6，说明山桐子单株综合得分不能以某一性状为主要参考，需要综合考虑各果实表型性状。对32个山桐子单株果实表型性状进行综合评价，结果(表7)表明，综合得分排名前十的分别为13号(6.530)、14号(6.236)、16号(3.710)、6号(3.266)、21号(2.807)、23号(2.625)、15号(2.227)、22号(1.659)、7号(1.567)、31号(1.418)单株，其F值较高，综合性状较好。其中P2居群的13号单株表现最优，其次为同一居群的14号单株。聚类分析发现(图1)，这两个单株与其他单株具有较远的遗传距离，单独聚为一大类。

表7 32个山桐子果实表型性状的综合评价

图1 32株山桐子果实性状的聚类分析

2.5 山桐子果实表型性状聚类分析

对3个天然居群32个山桐子单株基于果横径、单果质量等15个果实表型性状进行聚类分析(图1)。结果表明，P2居群的13、14号单株与其他供试单株的遗传距离最大。以欧式距离12为阈值，可将32个单株分为四大类，包括1个较大的类群和3个较小的类群。第Ⅰ类包括21号、23号、19号、29号等27个单株，又分别聚为4个小类。第Ⅱ类包括P1居群的5号和6号单株，这类单株果形指数明显小于其他单株。第Ⅲ类为P2居群的12号单株，其果穗较长，鲜籽千粒重较小。第Ⅳ类包括13号和14号单株，此类单株单果质量、果皮质量、果实含油率、果穗长、果穗宽、单穗果粒数、果穗质量、果穗果粒质量等性状明显高于其他单株，可为山桐子的良种选育提供材料。而32个单株并未按照地理距离而聚类，其果实表型性状无空间上的特异性。

3 结论与讨论

表型性状是物种自身遗传因子和所处环境因素的综合体现[20-22]，不同物种经过长期的自然选择产生一定的遗传变异，并较为直观的体现为表型性状的变异，表型变异必然蕴涵着遗传变异[23-25]，对各物种自然资源在其分布区域内表型变异的研究，可揭示其遗传多样性，为物种的保护、利用及选择育种提供科学依据[22,26-28]。尽可能多地对遗传资源进行分析研究及筛选鉴定，对种质资源的改良利用、种质创新及亲本选配等具有重要意义[21,24-25]。山桐子表型性状丰富程度和变异情况是山桐子遗传资源丰富程度和多样化的具体体现。本研究对贵州3个山桐子天然居群32个单株的15个果实表型性状分析发现，各性状的Shannon-Weaver多样性指数和变异系数均存在一定差异，表明山桐子果实形态特征变异丰富，大部分性状具有较为丰富的表型多样性及遗传改良潜力。Shannon-weaver多样性指数可直观地反映各性状出现的频率和分布情况，可指示表型性状的丰富程度[29]。15个果实表型性状的Shannon-weaver多样性指数在1.944～2.090之间，其中有10个性状的多样性指数大于2，其余5个性状的多样性指数大于1.9，说明山桐子果实性状的多样性程度较高。其平均变异系数为18.39%，变异幅度为5.67%～38.57%，变化幅度较大，说明山桐子果实表型性状离散程度较高，存在丰富的变异，单果饱满种子数、单穗果粒数、单果质量、果穗质量等性状的变异系数较大，而果形指数变异系数较小，可能是由于山桐子果实性状较为稳定，受环境影响较少，而种实产量性状的稳定性较低，变异丰富，为良种选育提供了丰富的资源和极大的空间，这也与无患子种实性状的研究结果一致[25]。

山桐子15个果实表型性状在居群间和居群内均存在显著或极显著差异，说明这些性状在居群间和居群内均存在丰富的变异，居群内变异大于居群间，即山桐子果实变异主要来源于居群内，这与大多数林木种群表型性状的变异来源相同[22]。3个山桐子天然居群间的平均表型分化系数为31.79%，表型分化系数最大的为果穗长(65.08%)，最小的为鲜籽千粒重(9.68%)，说明果穗长度较其他性状发生分化的可能性要高。此外，同一性状在不同居群间存在一定差异，同一居群不同性状的变异情况也不尽相同，表明山桐子同一果实性状对不同的环境条件的适应性不同，不同性状对相同环境条件的响应也存在差异。同时，基于山桐子果实表型性状，采用隶属函数和主成分分析结合的方法，对32个山桐子单株进行综合评价，分析结果表明，前6个主成分的累积贡献率达85.380%，代表了山桐子果实表型性状的大部分信息，而其中前2个主成分累计贡献率达到57.206%。第Ⅰ主成分以果实大小为主，第Ⅱ主成分以单穗果粒数和单穗果粒质量为主，主要体现产量性状。果大小指数、单果质量、果皮质量、果纵径、果横径、单穗果粒数、果穗质量、单穗果粒质量等8个性状是造成山桐子果实表型差异的主要因素，在选择育种时，应优先考虑果实产量因子。通过表型性状综合得分F值对32个山桐子单株进行排序，以此评价其综合优劣程度。结果显示，来自P2居群的13号单株综合得分最高，其次为同一居群的14号单株；来自P3居群的27号单株综合得分最低，都是构建遗传多样性丰富的种质资源的宝贵材料。但本研究仅对主要果实表型性状进行分析，因此对于山桐子资源的综合评价仍有待于进一步的研究分析。

贵州山桐子野生资源丰富，但对其遗传多样性分析、资源评价筛选、收集利用等的研究工作还不够深入，本研究通过对山桐子天然居群的主要果实表型性状调查，进行遗传多样性、主成分、聚类分析，对指导山桐子资源保护利用、遗传改良、新品种选育等具有重要意义。