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無患子實生群體種實表型性狀變異研究

2014-03-25 08:09刁松鋒邵文豪姜景民董汝湘孫洪剛
關鍵詞:患子縱徑橫徑

刁松鋒,邵文豪,姜景民,董汝湘,孫洪剛

(中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所,浙江 杭州 311400)

表型指基因型在個體水平上的表達,是基因型和環境因素互作的結果。表型性狀是檢測遺傳變異最直接和最簡便的方法。形態學性狀是表型的一部分,表型性狀還包括生物化學成分特征、生化代謝特征、生理活性特征及環境適應能力等。通常利用的表型性狀有2類:一類是符合孟德爾遺傳規律的單基因性狀(質量性狀、稀有突變等),另一類是由多基因決定的數量性狀。在天然和實生種群中,單基因性狀較少,故用其作為遺傳標記來研究遺傳多樣性,目前多見于對一些有重要經濟價值的農作物、林木、園藝作物及其野生近緣種的研究[1-2]之中。對于植物表型性狀的研究主要是從2個方面展開的:一個是從遺傳上進行研究,其對象多為重要的經濟性狀,側重于尋找具優良性狀的遺傳材料,為遺傳改良奠定基礎;另一個是從生態上開展研究,其對象主要是在生態上十分重要的性狀,注重探究物種的適應性[3]。植物的表型性狀包括種實、花、葉及樹體性狀等,但對于經濟林產果類植物而言,主要表型性狀體現為種實性狀。種實性狀是植物有性生殖系統的重要組成部分,是生存和繁衍適應性的集中表現[4]。

無患子(SapindusmukorossiGaertn.)又名肥皂樹、洗手果等,為無患子科(Sapindaceae)無患子屬落葉大喬木,大型圓錐花序頂生,花小量多,花期5-6月;果實多近圓球形,熟時橙黃色,干時褐色,果期9-11月[5]。無患子立地適應能力強,廣泛分布在亞洲和美洲的熱帶、亞熱帶低山丘陵及石灰巖地區[6]。無患子果皮皂苷含量豐富,高達10.76%[7],具有良好的起泡性和去污能力,是天然的優良洗滌劑[8]。無患子種仁含油率高,可達42.7%[9],是開發生物燃料,應對能源危機的理想原料[10]。由于無患子具有開發生物柴油的巨大潛力,國家相關部委已將其列為重要的生物質能源樹種。近年來,隨著生物質產業的發展,無患子作為新興工業原料樹種越來越受到關注,從事無患子大規模種植的企業也相繼增加。因此,為規范無患子原料林的培育利用活動,國家林業局印發了《無患子原料林可持續培育指南》([2012]129號)[11]。

目前,有關無患子的研究和開發利用尚處于起步階段,研究內容多集中在園林綠化[12]、繁育[13]、化學成分及其提取工藝[9,14]和醫藥[15]等方面,而對無患子種實表型性狀的變異規律尚未見報道。為此,本試驗以無患子實生群體種實表型性狀為研究對象,探討無患子表型性狀特別是主要經濟性狀的變異規律,以期為后續無患子優樹選擇、高產果用林的營建提供理論基礎,并為以無患子果實為原料的新興產業發展奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗材料來自浙江省天臺縣滿園春農林開發有限公司無患子原料林基地,該基地為利用采自本地無患子老樹種子育苗營建的8年生無患子實生林,采種樹約75株,胸徑19.1~35.3 m,樹高12.4~21.6 m,樹齡不詳,但根據對村民的查訪樹齡大約為30年?;孛娣e約100 hm2,處于北緯28°57′02″、東經120°41′24″,海拔55~95 m,黏性紅黃壤,土層厚度20~70 cm,pH=5.3~6.0;年平均氣溫16.8 ℃,降雨量1 320 mm,1和7月份平均溫度分別5.1和28.5 ℃,年無霜期平均232 d。由于海拔差異不大、地勢較為平坦、林分立地條件相差不大,林下植被植物多以絡石(Trachelospermumjasminoides)、小果薔薇(Rosacymosa)、山莓(Rubuscorchorifolius)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、枸骨(Ilexcornuta)等為主。2012年,該林分郁閉度約為75%,株行距4 m×4 m。

1.2 無患子種實性狀及其測量方法

2011-11,從全林分中隨機選擇102株生長健康的無患子單株,株間水平距離5倍株高以上,以保證取樣的均勻性。每個采樣植株樹體均涂刷紅漆并掛牌標記以便于跟蹤調查。2012-12,重復調查2011年選擇的102棵單株。選擇遺傳相對穩定、易于獲得和測定的表型性狀,包括單株產量(Yield per plant,YPP,kg)、果實質量(Fruit weight,FW,g)、果實縱徑(Fruit vertical diameter,FVD,mm)、果實橫徑(Fruit horizontal diameter,FHD,mm)、果實側徑(Fruit side diameter,FSD,mm)、果指數(FVD/FHD)、果皮厚(Pericarp width,PW,mm)、種子質量(Seed weight,SW,g)、種子縱徑(Seed vertical diameter,SVD,mm)、種子橫徑(Seed horizontal diameter,SHD,mm)、種子側徑(Seed side diameter,SSD,mm)、種指數(SVD/SHD)、種仁鮮質量(Kernel fresh weight,KFW,g)、果皮皂苷含量(Saponin contents in the peep,SCP,%,質量分數)、種仁油脂含量(Oil contents in the kernel,OCK,%,質量分數)等共計15個性狀,果皮含皂率和種仁含油率分別稱總皂苷和總油脂。其中單株產量、種皮含皂率和種仁含油率的測定方法為:

(1)單株產量。在南北兩面樹冠的上、中、下3個位置,各選3個能代表結果平均狀況的樣枝,統計每個樣枝的果實質量,計算3個樣枝的平均質量,單株產量=結果枝數×樣枝平均質量。果實成熟后,在樹冠南面的中上部采樣,分株采收、存放。果實自然風干后,采用GB/T 3543.7-1995的百粒四分法隨機抽取30粒果實,用電子游標卡尺測量果實和種子縱徑、橫徑、側徑和果皮厚,測量精度為0.01 mm,每粒種實的每性狀測6次取平均值;計算果指數和種指數,果/種指數=縱徑/橫徑;用1/1 000電子天平稱量30粒果實的質量,稱量精度為0.001 g;剝去果皮和種皮稱種子和種仁的質量。

(2)果皮含皂率(總皂苷)。無患子果皮皂苷質量測定采用高效液相色譜分析法(HPLC)[16]。將30個果皮混合均勻后用微型粉碎機粉碎成粉末狀,再放入70 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中保持干燥。稱取0.3 g果皮粉末,裝入20 mL的帶密封塞子的試管中,將甲醇用移液管定容至15 mL,立即蓋上試管塞,浸泡20 h后,用漏斗過濾,并對濾液進行HPLC檢測。HPLC檢測以0.4 mg/mL常春藤皂苷元甲醇溶液為對照[14]。

色譜條件:色譜柱SymmetryTMC18 (3.9 mm×150 mm);流動相CH3CN∶H2O (H2O:90%~20%,30 min);色譜柱溫度40 ℃;流速1 mL/min;檢測波長210 nm。用下式計算果皮含皂率:

果皮含皂率=(純皂苷質量/果皮干質量)×100%。

(3)種仁含油率(總油脂)。無患子種仁油脂含量采用索氏提取法[9]測定。將30個種仁混合均勻后用微型粉碎機粉碎,在80 ℃的電熱鼓風干燥箱中烘干至恒質量,稱取10 g種仁粉末,置于索氏提取器中,加正己烷200 mL,90 ℃回流提取9 h,至回流液無色(取回流液滴于濾紙上檢查,待溶劑揮發盡,濾紙上不留油跡為提取終點)。用旋轉蒸發儀回收正己烷,經干燥后即可得到黃色清亮的無患子籽油。按下式計算種仁含油率:

種仁含油率=(提取前種仁質量-提取后殘渣質量) /提取前種仁質量×100%。

1.3 數據統計與分析

通過有效的采樣、合理的統計分析,采用遺傳上較穩定的性狀,可以揭示群體的遺傳規律和變異大小[17]。常用的研究方法主要包括聚類分析、相關性分析和主成分分析等,現已成功應用于多種作物資源的分類和育種研究中[18-19],對于植物資源利用和品種選育發揮了較好的指導作用。

本研究基礎數據統計采用EXCEL軟件。采用SPSS18.0軟件對102份材料的15個性狀進行類平均法系統分類、性狀相關性分析和主成分分析,在進行聚類分析時需先對調查統計和測定數據進行標準化處理。

2 結果與分析

2.1 無患子實生群體種實表型性狀的變異分析

常用變異系數(CV)比較量綱不同性狀間的變異程度,變異系數越大則性狀值離散程度越大[20]。從表1可以看出,無患子種實各性狀指標在不同單株間變異程度不同,其變異系數由大到小依次為:單株產量(65.67%)>種仁鮮質量(27.54%)>總皂苷(23.96%)>果皮厚(23.14%)>果實質量(22.11%)>種子質量(16.20%)>果實橫徑(8.96%)>總油脂(8.18%)>果實側徑(7.89%)>種子橫徑(7.68%)>種子側徑(6.75%)>果實縱徑(5.95%)>種子縱徑(5.53%)>果指數(5.25%)>種指數(4.91%)。其中單株產量的變異系數最大,而果指數和種指數的變異系數較小,這說明無患子種實不同性狀的離散程度不同,穩定性也不同。15個表型性狀中,無患子單株產量在不同單株間變異最大,而果指數和種指數在不同單株間的變化相對穩定,但種指數的變異系數小于果指數,這說明種子形態較果實形態穩定。

2.2 無患子實生群體種實表型性狀的相關分析

表2表明,無患子種實表型性狀間的相關性比較復雜,大多存在顯著和極顯著相關性。其中單株產量與果實質量(P<0.01,r=0.832)、果實縱徑(P<0.01,r=0.895)、果實橫徑(P<0.01,r=0.911)、果指數(P<0.01,r=0.820)、果皮厚(P<0.01,r=0.718)、種子質量(P<0.01,r=0.633)、種子縱徑(P<0.01,r=0.794)和種子橫徑(P<0.01,r=0.600)均呈極顯著正相關關系(P<0.01),與種指數呈顯著正相關關系(P<0.05,r=0.218)。這說明單株產量受果實性狀的影響較種子性狀大;而在果實性狀中,果實橫徑對單株產量影響最大。

表1 無患子實生群體種實表型性狀的變異

表2 無患子實生群體種實表型性狀間的相關性

由表2可知,果實質量與果實縱徑(P<0.01,r=0.838)、果實橫徑(P<0.01,r=0.814)、果指數(P<0.01,r=0.608)、果皮厚(P<0.01,r=0.709)、種子質量(P<0.01,r=0.757)、種子縱徑(P<0.01,r=0.736)、種子橫徑(P<0.01,r=0.563)及種指數(P<0.01,r=0.332)均呈極顯著正相關關系;種子質量與果實縱徑(P<0.01,r=0.555)、果實橫徑(P<0.01,r=0.670)、果指數(P<0.01,r=0.394)、果皮厚(P<0.01,r=0.802)、種子縱徑(P<0.01,r=0.768)、種子橫徑(P<0.01,r=0.758)及種指數(P<0.01,r=0.362)也均呈極顯著正相關關系。這表明果實質量受果實形態性狀影響較大,而種子質量受種子形態性狀影響較大,其中縱徑較橫徑對果實質量和種子質量的影響大。

在與果實質量或種子質量呈顯著正相關的性狀中,果指數和種指數對其影響均較小,但果指數較種指數對果實質量和種子質量的影響大。除種指數與總油脂呈極顯著正相關關系(P<0.01,r=0.413)外,總皂苷和總油脂2種經濟性狀與果實質量性狀及形態性狀無顯著的相關性,而總油脂與總皂苷間則呈極顯著的負相關關系(P<0.01,r=-0.303),在本研究中,無患子群體的立地條件和栽培管理條件基本一致,則總皂苷和總油脂主要受遺傳因素所影響。綜上可知,無患子單株產量主要由果實性狀決定,而總皂苷和總油脂則由遺傳因素決定,這對篩選培育目標不同的無患子優良單株具有一定指導意義。

2.3 無患子單株組型的劃分

由于無患子種實15個表型性狀指標存在不同的量綱和數量級單位,為了使不同量綱、不同數量級的數據能放在一起進行比較,先將102棵無患子單株的15個數量性狀數據進行標準化處理后,采用類平均法進行聚類分析,將不同性狀特征的單株進行分組聚類。圖1反映了無患子個體間的親疏關系、表型變異層次和各組單株的特征,可見無患子性狀分類在遺傳距離為10.25時形成6個組,計算各組性狀值的平均數用于各組特征分析,結果見表3。

圖1表明,第1組共有29個單株。本組表型性狀的基本特征是果實質量較大,組內果實的平均質量為5.90 g,其中88和99號的單株果實質量分別為7.42和7.98 g;該組果實體形較大,果實縱徑和橫徑在各組中最大,分別達到20.94和25.05 mm,但本組果指數在6個組中最小,為0.84,說明本組果實形態更趨向于橢圓形;果皮厚和種仁鮮質量在各組中均最大,分別為2.52 mm和1.35 g;但單株產量和總皂苷居中后位置,總油脂僅次于第6組而居第2位。

第2組共有33個單株。本組的表型性狀值在所有6組中大多較小,如組內果實質量為2.61~5.13 g,大部分低于4.30 g,僅45號單株單果質量超過5.00 g,且均值僅為4.04 g;單株產量11 kg,除顯著低于第6組外,與其他組無顯著差異。本組特征是果實小、產量和內含物含量較低,生產利用價值不大。

第3組共有35個單株。本組的表型性狀值在6個組中大多位居第4位;組中單株的總皂苷大多在5.20%以上,其中68號單株最大,達10.27%,本組的均值為5.87%,居6個組之首;果皮厚和單株產量均較大,位居6個組的第2位;種仁鮮質量均在1.40 g以下,均值僅為0.93 g,處于6個組之尾。由于本組的總皂苷最大,且單株產量較高,在以皂苷為利用目的時參考價值較大。

圖1 102株無患子單株表型性狀的聚類分析

第4、5組均各有2個單株。第4組僅包括單株9和27,其特征是單株產量低、種子體形和質量大;另外,本組單株產量相差較大,2單株產量分別為15和3 kg;種子的表型性狀在各分組中均較大,如質量、縱徑、橫徑、側徑等;總皂苷居中,為5.78%;而總油脂在各分組中最低,僅為26.80%。第5組包括單株4和81。本組數量性狀相對其余5組比較均勻,特征不太明顯,與第4組一樣生產利用價值不大。

表3 無患子單株聚類分組中6組種實表型性狀均值的比較

利用類平均法聚類后,57號單株獨自聚為一類,為第6組。本組特征是單果最圓最小、單株產量最大、總油脂最高(達39.80%),而總皂苷最低(僅為4.09%)。本組中,果實質量為3.21 g,約為第1組的54.4%;代表果實形態的縱徑、橫徑和側徑在各組中均為最低;果形指數為0.92,在各組中最接近1,其形態是最近圓形的一組;而種指數為1.07,在各組中最遠離1.00,說明本組無患子果實形態和種子形態無直接線性關系;本組單株產量為50 kg,約為其他各組的5倍。本組即第57號單株,在以油脂為利用目的的生產加工方面有較高的培育價值,可以作為無性繁殖材料利用。

2.4 無患子單株主要經濟性狀的主成分分析

根據102株無患子單株的種實表型性狀,應用主成分分析法分析不同性狀在無患子經濟性狀構成中的重要性,得到其特征值的貢獻率和累計貢獻率如表4所示,以累計方差貢獻率達到80.000%以上確定主成分個數并建立主成分方程。

表4 無患子種實表型性狀的主成分分析

由表4可以看出,在所有經濟性狀構成的主分量性狀中,前4個主成分(PC-1、PC-2、PC-3、PC-4)的累計貢獻率達到81.790%,且特征值大于1,說明4個主成分包含了所有性狀的大部分信息,可以代替原來15個性狀的信息。第1主成分(PC-1)單株產量、果實質量、果實縱徑、果實橫徑、果皮厚、種子質量、種子縱徑和種子橫徑等質量載荷較高,從經濟性狀出發,PC-1主要表征的是產量因子;同理,第2主成分(PC-2)主要表征的是化學成分因子,第3主成分(PC-3)和第4主成分(PC-4)主要表征了以種實指數和種實側徑為代表的種實形態因子。

PC-1和PC-2的貢獻率分別是50.646%和 14.178%,說明PC-1和PC-2可以分別代表無患子產量和化學成分累積量。以PC-1和PC-2分別繪制不同表型性狀主成分值散點圖和單株主成分值樣點圖(圖2、3)。圖2和圖3可以直觀揭示無患子種實經濟性狀間的關系和單株經濟性狀間的差異狀況,能更直觀、簡便地顯示各單株經濟性狀的綜合評價結果。在散點圖上,橫坐標與縱坐標值越大,表明無患子單株產量與總油脂和總皂苷的綜合性狀越好。

圖2 無患子種實表型性狀的第1和第2主成分值散點圖

無患子種實表型性狀的前2個主成分反映的是各單株經濟性狀的綜合信息,與基于15個性狀反映的結果基本一致,從而在性狀選擇的過程中達到了簡化變量的目的。而群體的經濟性狀變異程度越大,則從中選擇出優良單株的潛力就越大。在育種工作中,選配親本材料應依據主成分的排序,具體分析與全面評價每個親本材料綜合指標的優劣,根據不同培育目標合理選配組合,以便盡快選育出無患子定向培育的新品種。

3 討論與結論

表型性狀受環境及栽培因素影響較大,在相同的生態環境下,植物不同性狀的多樣性能夠較好地揭示其遺傳本質,在實生繁殖條件下,種實各性狀的遺傳穩定性不一致或許是不同自然條件長期作用造成的[21]。本試驗材料全部來自同一地點,可以消除生態環境差異引起的種實性狀變異。已有的報道表明,不同產地無患子果皮皂苷含量差異顯著,果皮皂苷含量與產地經度間存在顯著性正相關關系[7],種實性狀在不同地理分布區差異也很大[22]。

在本研究中,無患子15個種實表型性狀的平均變異系數為4.91%~65.67%,大于樹上干杏(“Shushanggan” apricot)的5.31%~26.22%[23]和毛梾(Conuswalter)的12.30%~16.61%[24],小于同科植物文冠果(XanthocerassorbifoliaBunge)人工種群種實的6.13%~78.36%[25]。本研究中,無患子變異系數最大和最小的性狀分別是單株產量(65.67%)、種仁鮮質量(27.54%)、總皂苷(23.96%)和果指數(5.25%)、種指數(4.91%),而文冠果人工種群則為單株產量(78.36%)、單株種子產量(76.97%)、種子質量(30.05%)和種指數(8.66%)、種子橫徑(8.58%)、總油脂(6.13%)。這表明質量性狀在2個樹種的人工種群中均存在較大的變異,但無患子質量性狀的變異幅度小于文冠果;在形態性狀中,無患子和文冠果種實縱徑的變異系數均大于種實側徑和橫徑,無患子果指數和種指數的變異系數(23.14%和27.54%)均大于文冠果的果指數和種指數 (13.25%和8.66%)[25]。種實指數是反映種實形態的一個重要指標,與縱、橫徑有密切關系,而縱、橫徑的變化具有一定的協同關系,這也保證了種實形態的基本穩定[26]。比較文冠果和無患子種實形態的變化,可見無患子種實形態存在較大的變異,其穩定性低于文冠果,無患子豐富的種實形態變異為優良品種的選育提供了可能。

本研究采用類平均法將102株無患子單株聚類為6個組群,每個組群形態或者內含物等都有自己的特征,這就從形態特征和經濟性狀角度初步明確了個體間的親緣關系,為不同培育目標優良單株的選擇奠定了基礎[20]。對無患子種實15個表型性狀進行主成分分析發現,前4個主成分累計方差貢獻率為81.79%,基本可以綜合反映15個性狀指標的信息,因此在培育不同經濟目標的優良單株時,可以通過計算主成分得分值進行快速準確的選擇。通過對無患子種實表型性狀相關性的分析發現,無患子種實性狀間均存在比較密切復雜的關系,主要經濟性狀中單株產量、果實質量、種子質量與多數性狀間呈顯著或極顯著相關關系,而總油脂和總皂苷與其他性狀相關關系不太明顯。因此,在相關性極強的性狀間進行選擇時,對其中一個性狀進行改良,可以同時影響其他性狀[18,23-24]。根據表2,改良果實質量和果實縱橫徑可以對單株產量產生較大影響。而對相關性不顯著的性狀進行選擇時,一個性狀的改良對其他性狀影響不大,所以在性狀選擇上應當有不同的改良方向和選擇標準[25-26]。如由于總皂苷與單株產量的相關性不明顯,若要提高無患子單株皂苷產量,則需同時提高總皂苷和單株產量,因此需要從遺傳改良和提高栽培管理措施等多方面入手。

表型性狀相關性是植物資源研究和利用的重要內容。通過對性狀間的相關性研究,確定不同性狀之間的關系,可以在選擇某一性狀的同時預測其對其他性狀可能產生的影響或選擇壓。表型性狀的變異在適應性和進化上均具有重要意義[27]。植物種群中保持大的變異蓄積對種群是有利的,可使種群在整體上適應可能遇到的大多數環境條件[28]。本研究對無患子實生林15個種實表型性狀的系統分析結果表明,該群體表型變異豐富,這些多層次的變異為不同利用目標的人工林培育提供了選擇基礎。依據表型分類形成的組群均有明顯的形態獨特性或獨特基因型,加之數量性狀一般呈連續性分布,每一類群內均有某一個或多個性狀的極端個體,這在育種過程中具有較大的實際應用價值[27]。根據不同育種目標,利用不同類型的優良基因資源進行基因重組和輪回選擇,對于種質改良、創新以及雜交種的組配均具有重要的指導意義。

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