花楸树天然群体表型多样性分析

花楸树天然群体表型多样性分析

又名花楸树、红果胡克、蔷薇科、苹果科。其树形优美,对有害气体如SO2、SO3、CO2等有较强抗性,非常适于城市绿化。此外,花楸树还可吸引鸟类,改善生物多样性;花楸树的药用价值、食用价值还有待开发。花楸树为我国花楸属分布比较广泛的树种,可在西北、华北、东北栽培利用,市场前景广阔,开发潜力巨大。以往国内对花楸树的研究主要集中在播种育苗技术、扦插繁殖、组织培养、引种驯化以及其野生资源的地理分布、生境等方面,关于其表型多样性方面的研究尚未见报道。表型作为各种形态特征的组合,是生物遗传变异的表征,因此表型变异是遗传多样性研究的重要内容。本研究在全面调查花楸树遗传资源分布区域的基础上,研究并揭示花楸树遗传资源在群体内和群体间的表型变异规律,旨在了解不同地理区域花楸树的表型变异程度,开展花楸树遗传资源的遗传多样性研究,为构建以花楸树遗传资源为核心的种质奠定基础。1材料和方法1.1生长群体调查,选择合适的生长地理位置、气候条件取样地点分别为山东崂山(SDL)和泰山(SDT),山西庞泉沟(SXP),河北驼梁山(HBT)、白石山(HBB)、雾灵山(HBW)和塞罕坝(HBS),辽宁老秃顶子(LNL)等8个群体,于2006、2007年9-11月采集花楸树果实,取样群体的地理位置、立地气候条件见表1。1.2属性测试1.2.1采种地土壤形态测定样本采集(样本量):在各群体内,按海拔高度由低到高,随机抽取30株生长正常、无病虫害、树冠整齐的成年植株作为群体样本(崂山群体25株、老秃顶子群体23株),且株与株间隔≥50m。从树冠东、南、西、北4个方位分单株采集成熟的果实,分别测定百果重、果实长、果实宽、果柄长等4个形态指标。百果质量:在采种地现场每个群体分单株选取100粒果实,用1/100电子天平测量,测量精度为0.01g,每个单株重复8次。果实长、果实宽:用游标卡尺在采种地现场测量,测量精度为0.01mm,每个单株重复30次。果柄长:用直尺在采种地现场测量,测量精度为0.01cm,每个单株重复30次。1.2.2场使用率测量千粒质量:每个群体分单株取100粒种子,用万分之一天平称重,测量精度为0.0001g,重复8次。场圃发芽率:参照吴超的方法,将花楸树的种子用GA3处理后,在0～5℃条件下进行低温层积处理后播种,统计其场圃发芽率。每个处理200粒种子,重复4次。1.3性状方差分析1.3.1各性状均值、标准差、相对极差及变异系数计算不同群体各单株的果实、种子性状等各指标的均值(x¯x¯)、标准差(s)、相对极差(Ri′)和变异系数(CV)。1.3.2性状变异的方差分析以各性状指标的每次观测值为统计单元,采用巢式设计方差分析。果实和种子性状观测值的线性模型为:模型:Yijk=μ+Pi+Tj(i)+eijk。其中Yijk=第i群体第j个单株第k个观测值;μ=总均值;Pi=第i个群体的效应值;Tj(i)=第i个群体内的第j个单株的效应值;eijk=试验误差。将场圃发芽率经arcsinp√arcsinp转换后,与其他各性状观测值的数据进行方差分析。1.3.3表型分化系数参照葛颂的方法计算表型分化系数,公式为:Vst=δ2t/st/s2/(δ2t/st/s2+δ2ss2)。1.3.4变异因子间的相关分析以各群体平均值为统计值研究性状与群体所在地的经度、纬度、海拔、年均温、年降雨量等地理生态因子间的相关分析。所有测定结果分析采用Excel2003和SAS8.02提供的程序进行。2结果与分析2.1群体内变异特征各群体果实及种子性状的表型指标的均值、变幅和变异系数列于表2。从表中可以看出,各性状的变异幅度、最大值、最小值在各群体内表现为随机分布,其中果实长、果实宽的变异相对于果柄长、百果质量以及种子特性等性状的变异较小,说明花楸树各群体内个体的果实及种子性状均存在广泛变异,表明花楸树选择的潜力很大,天然遗传资源变异十分丰富,为其进一步改良提供了物质基础。2.2花楸树表型性状的群体差异将原始数据进行标准化处理后,对8个群体、229个单株的果实、种子等9个性状采用巢式设计方差分析,逐一研究花楸树在群体间、群体内单株间两个层次上的差异显著性(表3)。花楸树表型9个性状在群体间、群体内单株间的差异均达到极显著水平,表明花楸树表型性状在群体间、群体内单株间存在广泛变异,这种差异的产生一方面与各群体所处的生态环境不同有关,另一方面与其遗传因素有关,群体内形成的差异性可能更接近于遗传因素,而群体间的差异则可能与两者都有关。这种多层次的变异一方面成为优良种质选择的源泉,同时给多样性保护提供了物质基础,也表明了生物多样性保护任务的艰巨性。2.3巢式设计方差分量比组成的变异分析表型分化系数(Vst)是与遗传分化系数(Gst)相对应,表示群体间变异占遗传总变异的百分比,反应群体间表型分化值的大小,值越大,表明群体间的遗传分化越大,群体间的遗传变异也越大。按巢式设计方差分量比组成计算出各方差分量占总变异的比例以及表型分化系数(表4)。群体间的方差分量占总变异36.81%,群体内的方差分量占总变异40.58%,机误占22.62%;另外,群体间的表型分化系数在9个性状中的变异范围为30.43%～56.21%,平均为45.76%,表明群体内在果实、种子性状的变异略大于群体间,群体内的多样性略高于群体间的多样性。同时还发现,在这8个群体中,果实性状的平均表型分化系数为43.708%,种子性状的平均表型分化系数为54.29%,说明果实性状变异可能主要存在于群体内,而种子性状变异以群体间的变异为主。2.4花楸树果实和种子性状的表型变异特征2.4.1果实、种子性状的平均变异系数花楸树8个群体9个果实、种子性状的变异系数变化较大,变化范围9.77%～55.32%,说明花楸树8个群体间的果实、种子性状存在较大变异(表5)。其中,果实、种子性状的平均变异系数分别为16.24%、25.14%,表明果实性状较种子性状变异的稳定性更高。在这8个群体中,花楸树群体内果实、种子性状表型变异最丰富的是驼梁山群体(22.84%),其次是塞罕坝群体(21.70%)、雾灵山群体(21.21%)、庞泉沟群体(21.18%)、泰山群体(20.97%)、白石山群体(18.20%)、崂山群体(18.16%)、老秃顶子(16.56%)群体。总体来讲,花楸树各群体间表型变异都比较广泛。2.4.2平均果实质量和发芽率性状间存在着度量单位的不一致,采用相对极差Ri′=Ri/Ro表示各群体内的性状极端变异程度,消除了量纲的差异,使性状值间具有可比性。群体内各性状相对极差的平均值变化趋势与变异系数均值走向有较大变动(表6),泰山群体内的平均相对极差最大(70.07%),其余依次是崂山群体(66.41%)、雾灵山群体(65.65%)、庞泉沟群体(65.52%)、老秃顶子群体(60.47%)、驼梁山群体(55.34%)、白石山群体(49.51%),最小的是塞罕坝群体(33.45%)。其中,果实长最大相对极差出现在崂山群体,为92.86%;果实宽最大相对极差出现在雾灵山群体,为80.37%;果柄长、层积时间最大相对极差出现在庞泉沟群体,分别为83.09%、66.67%;百果质量最大相对极差出现在老秃顶子群体,为96.50%;果实长/果实宽、场圃发芽率最大相对极差均出现在泰山群体,分别为87.73%、86.28%;千粒质量最大相对极差出现在崂山群体,为84.76%。这进一步证明花楸树群体内果实、种子形态变异均比较广泛。2.5种源、初生长和场使用的影响对花楸树的9个果实、种子性状指标与采样地的地理生态因子相关分析和差异显著性检验结果显示,在所有性状中,果实性状与种子千粒质量及场圃发芽率等与纬度、海拔呈显著负相关,与年均温、年均降水量呈显著正相关;层积时间、发芽速率与纬度、海拔呈显著正相关,与年均温、年均降水量呈显著负相关(表7)。说明在花楸树分布区内,由南向北,果实与种子大小以及场圃发芽率,随着海拔的升高有逐渐减小的趋势,随年均温、降水量的增大有逐渐增大的趋势;种源越北、海拔越高,打破种子休眠所需的时间(即层积时间)越长。果实宽、百果质量、果实长/果实宽等果实性状以及层积时间、发芽速率等种子特性指标与经度呈显著负相关,场圃发芽率与经度呈显著正相关。表明由西向东,果实有逐渐减小的趋势,但场圃发芽率有增大的趋势,种源越东,打破种子休眠所需的时间(即层积时间)越短。3遗传多样性和生态因子自然存在的形态变异是研究遗传变异的重要组成部分,尽管形态变异是遗传型与环境因子共同作用的结果,但形态变异必然蕴藏着遗传变异,形态变异越大,可能存在的遗传变异越大。花楸树8个群体果实、种子特性等共9个表型性状的变异系数较大,为9.77%～55.32%,平均变异系数为20.10%。而且各性状在群体间、群体内达到显著或极显著差异水平,表明花楸树天然群体间和群体内存在较大遗传差异,有利于品种选育和种质创新。这些变异受到生境因素影响的同时,也反映出种质的遗传多样性。花楸树果实、种子特性等性状在群体间和群体内均达到极显著差异,其中群体内的方差分量达到了40.58%,大于群体间的方差分量(36.81%),说明群体内的变异是花楸树遗传变异的主要来源,本研究结果与腊梅、中国沙棘、野生樱桃李、野生苹果等蔷薇科植物相类似。表型多样性是在形态水平上对遗传多样性进行的阐述,反映了群体遗传×环境的复杂性及其适应环境压力的广泛程度。本研究发现花楸树果实、种子特性等性状与地理生态因子的相关性很高,表明就本研究所涉及采样范围内,环境因子对花楸树的表型变异有一定程度的影响。树种分布范围的大小是影响树木地理变异的主要因子,一般而言,树种分布区较大,则变异较大,树种分布区较小,则变异较小。另外,树木自然分布区内环境因素多样性也是影响树木地理变异的因子,分布区的环境条件越复杂,则种内群体的遗传变异越大。本研究所选择的8个群体,地理跨度较大,海拔差异以及年降雨量等也都有较大的差异,而且从花楸树的地理分布来看,花楸树