基于针叶性状的云南松不同茎干类型遗传变异分析

邓丽丽，周 丽，蔡年辉,2 *，徐 杨，李德龙，许玉兰

(1.西南林业大学，云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室，云南 昆明 650224；2. 西南林业大学，西南山地森林保育与利用省部共建教育部重点实验室, 云南 昆明 650224)

基于针叶性状的云南松不同茎干类型遗传变异分析

邓丽丽1，周 丽1，蔡年辉1,2 *，徐 杨1，李德龙1，许玉兰1

(1.西南林业大学，云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室，云南 昆明 650224；2. 西南林业大学，西南山地森林保育与利用省部共建教育部重点实验室, 云南 昆明 650224)

试验以云南松天然林中茎干通直型和扭曲型的植株为研究对象，比较不同茎干类型及其总体针叶表型多样性的变化情况。结果表明：在林分总体与通直、扭曲类型的比较分析中，林分总体的多样性指数和变异系数均为最大。在林冠层内的比较中，多样性指数最高的是林冠层总体，以林冠层扭曲类型较低，以林冠层通直类型的变异系数最高。在更新层内的比较中，更新层总体的多样性指数和变异系数均最高，其次是更新层扭曲类型，以更新层通直类型最低。通直类型的比较中，林冠层的多样性指数稍低于更新层，而变异系数大于更新层。在扭曲类型的比较中，更新层的多样性指数与变异系数均大于林冠层。综合来看，云南松各林层总体多样性指数较高，以总体保存方式为宜；择伐中以去劣(弯、扭)留优(通直)较佳。

云南松；干形；表型多样性；种质资源；择伐

生物多样性的保护与持续利用研究已受到国际社会的普遍关注，成为生物多样性研究的核心[1]。植物表型性状是种质资源的重要特征，是生物遗传变异的表征[2]，遗传多样性作为种质资源保护与评价的重要指标，使用形态特征或表型性状来反映遗传多样性最为传统、简单易行，且较为有效[1,3]，种子和球果性状的表型变异是研究植物群体多样性的一个重要组成部分，叶作为植物十分重要的构件结构，不但进行光合作用，而且直接与外界环境接触，更容易发生性状的变异以适应不同的环境条件[4]。在植物的多样性研究中，叶往往是多样性研究的一个重要指标。对于一个树种而言，遗传多样性的高低决定了其对环境的适应能力，多年生的林木种内分布的丰富的变异类型，是维持森林生态系统长期稳定的基础[5-6]。采伐是森林利用的主要手段，是调节森林结构、促进森林生长和健康发展的重要措施，但是不适宜的采伐将会导致遗传多样性的降低[7]。Jacquemyn等[8]研究结果显示，采伐或其它经营活动会引起种群密度下降或生境片段化，从而引起种群等位基因的丢失和遗传多样性的下降。云南松(PinusyunnanensisFranch.)作为西南地区重要的用材树种及荒山造林的先锋树种，其林分面积占云南省林分总面积的19.63 %、森林总蓄积量的14.28 %[9]。但是，目前因人类生产活动、自然灾害等因素，云南松优良种质资源不断减少，表现出一定的衰退现象，其中植株茎干呈现弯曲、扭曲的现象比较明显[10]，急需对该种质资源开展合理的保护与利用，而遗传变异的研究是制定合理保护策略的基础，但对于不同茎干类型间遗传多样性的研究很少涉及[11]。鉴于此，在前期针对不同地理分布区域和不同海拔梯度天然群体针叶表型多样性研究的基础上[12-13]，文章以云南松中心分布区3个不同地区的云南松天然林为试验点，林分内植株不同茎干类型为对象，比较林分总体、林冠层、更新层中不同茎干类型植株针叶表型多样性，进而探讨云南松表型多样性的变化，为云南松资源的保护和利用以及适宜的采伐方式提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料来源

所用针叶材料采集于云南省昆明市宜良县(YL)、玉溪市新平县(XP)和楚雄州禄丰县(LF)3个地区。每个地区确定一个采样林分，林分内按4个类型采集，即林冠层通直类型(LS)、更新层通直类型(GS)、林冠层扭曲类型(LT)和更新层扭曲类型(GT)，每个类型由50～60株生长正常、无明显病虫害的个体植株组成，采集树冠中上部位的2年生针叶，所采单株间距离为5倍树高以上。

1.2 性状测定

参考前面的研究[13]，在所采集的枝条上随机选取10束健康完整的针叶，用直尺测量针叶长度(NL)、叶鞘长度(FSL)，精确到0.1 cm；用游标卡尺测量针叶的粗度(NW)、针叶束粗(FW)，精确到0.01 mm；计算针叶长/针叶粗(NL/NW)、针叶长/叶鞘长(NL/FSL)、针叶束粗/针叶粗(FW/NW)等7个针叶表型性状指标，其中NL/NW、NL/FSL、FW/NW为云南松针叶的形状指数。

1.3 数据处理

将3个地区共12个类型每个个体的7个性状作为特征量，通过所测量的数据计算不同类型的多样性指数。用Excel、SPSS等软件处理，可以得到多样性指数的平均值、平方和、均方、标准差、F值、显著水平、变异系数等，其中用变异系数c.v.来衡量表型性状的离散程度，即变异系数越大，离散程度越高，其计算公式为：c.v.=S/X，式中，S为标准差，X为平均值[5]。

2 结果与分析

2.1 云南松林分总体、通直类型以及扭曲类型间的针叶性状多样性的比较

如图1所示，林分总体、林分通直类型和林分扭曲类型3种的多样性指数分别为1.4192、1.4176和1.4184，平均为1.4184，林分总体内的多样性大于通直和扭曲类型，而扭曲类型的多样性指数稍高于通直类型。总体来说，云南松林分总体以及通直、扭曲类型间的各针叶性状多样化差异不大。以不同性状衡量的多样性指数差异也不明显，其中针叶长(NL)、叶鞘长(FSL)、针叶粗(NW)、针叶束粗(FW)、针叶长/针叶粗(NL/NW)和针叶长/叶鞘长(NL/FSL)这6个性状间的多样性指数比较接近，针叶束粗/针叶粗(FW/NW)稍低于其他6个性状。

针叶各表型性状多样性指数的变异系数在林分总体、林分通直和林分扭曲3种类型间有所波动，其差异可从表1看出，林分总体内7个性状的平均变异系数为1.99 %，3种类型的变异系数均不大，其中林分总体的稍大于林分通直类型(1.86 %)和林分扭曲类型(1.26 %)，以扭曲类型的针叶性状最为整齐，在林分总体、林分通直和林分扭曲3种类型中，变异系数最大性状均为针叶束粗/针叶粗(FW/NW)，分别为10.52 %、15.06 %和4.69 %，最小的集中在针叶长(NL)这个性状，分别为0.14 %、0.04 %和0.84 %，另外5个性状的变异系数波动范围分别为0.28 %～3.10 %，0.96 %～2.72 %和1.82 %～2.76 %。

A1：林分总体(包括LS、LT、GS、GT4类)；A2：通直类型(包括LS、GS2类)；A3：扭曲类型(包括LT、GT2类)；Mean：平均值；NL：针叶长度；NW：针叶粗度；FW：针叶束粗；FSL：叶鞘长度；NL/NW：针叶长/针叶粗；NL/FSL：针叶长/叶鞘长；FW/NW：针叶束粗/针叶粗A1: the general in stand (including LS, LT, GS and GT); A2: straight type (including LS and GS); A3: twisted/crooked type (including LT and GT); Mean: average; NL: Needle Length; NW: Needle Width; FW: Fascicle Width; FSL: Fascicle Sheath Length; NL/NW: Ratio of Needle Length to Needle Width; NL/FSL: Ratio of Needle Length to Fascicle Sheath Length; FW/NW: Ratio of Fascicle Width to Needle Width图1 多样性指数在云南松林分总体与通直、扭曲类型间的分布Fig.1 The diversity index distribution among the general, straight type and twisted/crooked type in stand of P. yunnanensis Franch.

表1 云南松林分总体、通直类型以及扭曲类型间的变异系数

2.2 林冠层总体、通直类型以及扭曲类型间针叶性状多样性比较

从图2可知，林冠层总体的平均多样性指数为1.4229，大于林冠层通直类型(1.4094)和林冠层扭曲类型(1.4086)。在7个性状的多样性指数中，针叶粗(NW)在林冠层总体以及林冠层通直和扭曲类型间存在显著的差异(P=0.022<0.05)。针叶束粗/针叶粗(FW/NW)性状的多样性指数小于其余6个性状，平均为1.3239，而另外6个性状的平均多样性指数波动于1.3994～1.4461。

林冠层总体、林冠层通直以及林冠层扭曲3种类型中各针叶性状表型多样性指数的变异大小见表2，林冠层通直类型的平均变异系数稍高，为3.30 %，林冠层扭曲类型为1.51 %，林冠层总体的变异系数为0.54 %。在7个针叶性状中，针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的变异系数较其他6个性状的变异系数大，波动于5.09 %～19.07 %，其中在林冠层通直类型表现最为明显，变异系数为19.07 %，说明林冠层通直类型的针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的值较为发散，而以针叶长(NL)的较低，3个类型间的平均值为0.77 %。

表2 云南松林冠层总体与林冠层通直、扭曲类型间的变异系数

2.3 更新层总体、通直类型以及扭曲类型间的针叶性状多样性的比较

从图3可知，更新层总体、更新层通直类型以及更新层扭曲类型的平均多样性指数分别为1.4190、1.4151和1.4185，不同类型间针叶性状多样性指数变化不大。7个针叶性状的平均多样性指数的变动为1.3674～1.4436。针叶束粗(FW)在更新层总体以及更新层通直、扭曲类型的比较中存在显著的差异(P=0.048<0.05)，其余6个性状在更新层总体、通直类型以及扭曲类型间无显著的差异性。

从表3可知，针叶性状的变异在更新层总体以及更新层通直、扭曲类型间的分布有一定的差异，更新层总体(3.27 %)>更新层扭曲类型(2.02 %)>更新层通直类型(1.56 %)。更新层总体针叶长/针叶粗(NL/NW)和针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的变异系数大于更新层通直、扭曲类型的变异系数。更新层扭曲类型针叶长(NL)和针叶粗(NW)的变异系数大于更新层总体和更新层通直类型的变异系数。针叶束粗(FW)、叶鞘长(FSL)和针叶长/叶鞘长(NL/FSL)更新层通直类型的变异系数大于更新层总体和更新层扭曲类型的变异系数。在7个性状中，针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的平均变异系数最大，为10.55 %；针叶长(NL)的平均变异系数最小，为1.03 %。

B1：林冠层总体(包括LS和LT2类)；B2：林冠层通直类型(包括LS1类)；B3：林冠层扭曲类型(包括LT1类)B1: The general in canopy (including LS and LT); B2: The straight type in canopy (including LS); B3: Twisted/crooked type in canopy (including LT)图2 多样性指数在林冠层总体及林冠层通直、扭曲类型间的分布Fig.2 The diversity index distribution among the general, straight type and twisted/crooked type in canopy of P. yunnanensis Franch.

C1：更新层总体(包括GS和GT2类)；C2：更新层通直类型(包括GS1类)；C3：更新层扭曲类型(包括GT1类)C1: Regeneration layer in general (including GS and GT); C2: Straight type in regeneration layer (including GS); C3: Twisted or crooked type in regeneration layer (including GT)图3 多样性指数在更新层总体及更新层通直、扭曲类型间的分布Fig.3 The diversity index distribution among the general, straight type and twisted/crooked type in regeneration layer of P. yunnanensis Franch.

2.4 林冠层通直类型与更新层通直类型间针叶性状多样性的比较

从图4可知，林冠层通直类型与更新层通直类型针叶各性状的多样性指数分布无显著差异，林冠层通直类型的平均多样性指数为1.4094，稍低于更新层通直类型(1.4151)，7个性状的多样性指数波动为1.2890～1.4552。

表3 云南松更新层总体与更新层通直、扭曲类型间的变异系数

图4 通直类型云南松不同林层间的表型多样性指数分布Fig.4 The diversity index distribution in different layers of the straight type P. yunnanensis Franch.

图5 通直类型云南松不同林层间的变异系数分布Fig.5 The distribution of the coefficient of variation in different layers of the straight type P. yunnanensis Franch.

从图5可知，林冠层的平均变异系数为3.30 %，更新层的为1.56 %，更新层的云南松针叶性状较林冠层的更整齐。在7个性状中，不同的性状在不同林层间分布存在差异，林冠层的针叶长(NL)和针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的变异系数高于更新层，其中针叶束粗/针叶粗(FW/NW)的最大，为19.07 %，其余5个性状均为更新层的变异系数高于林冠层的。

2.5 林冠层扭曲类型和更新层扭曲类型间针叶性状多样性的比较

林冠层扭曲类型和更新层扭曲类型的多样性指数差异不明显(图6)，二者的平均多样性指数相近，分别为1.4086和1.4185，各性状的多样性指数波动于1.3050～1.4612。

扭曲类型针叶性状在不同林层间的变异分布见图7，更新层的平均变异系数(2.02 %)稍高于林冠层(1.51 %)，以林冠层的针叶更为整齐。7个性状在不同的林层间存在差异，林冠层的7个性状的变异系数波动于0.49 %～14.20 %，平均为3.53 %，更新层的7个性状的变异系数波动于0.70 %～13.21 %，平均为3.51 %，其中针叶束粗/针叶粗(FW/NW)在林冠层和更新层的变异系数均为最大，分别为14.20 %和13.21 %。

图6 扭曲类型云南松不同林层间的表型多样性指数分布Fig.6 The diversity index distribution in different layers of the twisted/crooked type P. yunnanensis Franch.

图7 扭曲类型云南松不同林层间的变异系数分布Fig.7 The distribution of the coefficient of variation in different layers of the twisted/crooked type P. yunnanensis Franch.

3 讨 论

松属(PinusLinn.)植物是雌雄同株、典型的风媒传粉异交植物，具有庞大的核基因组和十分复杂的基因家族，变异极其丰富，林分中的变异越丰富进化潜力就愈大[12,14]。在本研究中，林分总体的多样性指数(1.4192)及其变异系数(1.99 %)均大于林分内通直类型(1.4176，1.86 %)和林分内扭曲类型(1.4184，1.26 %)，林冠层总体和更新层总体的多样性指数均大于层内的通直类型和扭曲类型，说明林分/林层总体的变异最为丰富，变异潜力最大，所以云南松的多样性应选择总体保存，即保存林分/林层的初始结构。这与胡艳波等[15]的研究结果相似，认为未经人为干扰的原始林空间结构是最好的，经历了千百万年的自然选择、自然演替，林木之间的空间关系复杂多样，高度协调发展，林层复杂，拥有较高的混交度，其生态效益远远高于其他类型的林分，也有研究指出，以木材利用为主要目的的采伐会引起遗传多样性的降低[7]。

在林冠层和更新层，2种茎干类型针叶性状表型多样性指数有所不同，在林冠层，通直类型(1.4094)稍高于扭曲类型(1.4086)，在更新层则通直类型(1.4151)稍低于扭曲类型(1.4185)，总体来看，它们之间的差异不明显，表明云南松不同茎干类型的多样性水平与茎干类型种类间无直接关系。因此，云南松目前常采用的按茎干表型留直伐弯或留弯伐直等择伐方式，对表型多样性的影响不大。由于自然和非自然(人为干扰)两类成因，云南松天然林林分质量急剧下降，弯、扭林分等退化林分日益增多[10,16]，有的扭转率高达91.6 %，这大大影响了林木的生长和木材的利用价值[17]，且该生长性状具有较高的遗传性[18]。而云南松以天然更新为主[14,19]，这种更新方式对母树性状的遗传更为明显。另有研究表明，云南松人工林中扭曲个体的比例高于天然林[20]，可能是云南松人工造林种子来源于扭曲母树[21]。因此，在云南松林分的择伐中，尽管通直类型与扭曲类型的多样性指数差异不大，建议以保留优良干型的植株较为适宜，利用具有优良干型的植株作为更新母树，可减少弯、扭个体的出现，改变云南松茎干衰退的现状，为云南松优良种质资源的保护奠定基础。

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(责任编辑 王家银)

GeneticVariationAnalysisamongDifferentStemTypesBasedonNeedlesTraitsinPinusyunnanensisFranch.

DENG Li-li1, ZHOU Li1, CAI Nian-hui1,2 *, XU Yang1, LI De-long1, XU Yu-lan1

(1. Key Laboratory for Forest Genetic and Tree Improvement & Propagation in Universities of Yunnan Province, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224, China; 2. Key Laboratory for Forest Resources Conservation and Use in Southwest Mountains of China, Ministry of Education, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224, China)

The phenotypic diversity indexes of needle traits were compared among the different stem types ofPinusyunnanensisFranch.. The straight stem types and twisted or crooked stem types were collected as the research objects. The results showed that the diversity index and the coefficient of variation of general in stand were the greatest among general in stand, straight type and twisted/crooked type. The diversity index was the greatest for general in canopy and was the lowest for the twisted/crooked type in canopy, and the coefficient of variation was the greatest for the straight type in canopy. The diversity index and the coefficient variation of regeneration layer in general were the greatest, followed by the twisted/crooked type, and the straight type was the lowest in regeneration layer. The coefficient of variation of canopy was greater than regeneration layer for straight type, but the diversity index was the contrary tendency. The diversity index and the coefficient of variation of regeneration layer were greater than canopy for the twisted/crooked type. Therefore, the undamaged ways should be given priority to the germplasm resources preservation ofP.yunnanensis. Keeping straight plants and harvesting twisted/crooked plants will be a better selective cutting way.

PinusyunnanensisFranch.; Stem types; Phenotypic diversity; Germplasm resources preservation; Elective cutting

1001-4829(2017)3-0530-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.008

S791.257

A

2016-04-05

国家自然科学基金项目(31360189,31260191)；云南省林学一流学科建设经费；西南林业大学林学学位授权学科经费资助青年后备人才研究项目(5009750101-1)；西南林业大学云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室开放基金(YNGB201504)

邓丽丽(1992-)，女，广西桂林人，硕士研究生，研究方向为林木遗传育种，E-mail: denglilimini@163.com,*为通讯作者，E-mail: cainianhui@sohu.com。