水榆花楸不同種源表型性狀變異分析

王 軒，李 浩，汲寧寧，錢關澤

(聊城大學生命科學學院，山東 聊城 252059)

植物群體在長期適應環境的過程中進化出不同的植物形態，植物個體本身的遺傳差異是環境因素和遺傳背景共同作用的結果[1].表型性狀變異是生物多樣性的重要基石.植物葉片具有易于保存，測量相對簡單，觀察便利等諸多優點，常用作檢測植物多樣性.不同種源植株既可顯示出植物面對不同地理環境所產生的遺傳變異現象，也可在研究各種源苗木變異規律的同時篩選出適合生態環境的最佳育種來源，為園林綠化提供更高造林成活率的幼苗[2].

水榆花楸(Sorbusalnifolia(Sieb.et Zucc.) K.Koch.)，又名千筋樹，落葉喬木，隸屬薔薇科花楸屬[3]，廣泛分布于北溫帶地區，主產于中國，從中國東北部黑龍江到南部廣西均有分布.分布海拔為800～1 400 m，是一種典型的北溫帶分布種，因其卓越的觀賞價值、藥用價值和經濟價值，已成為具有廣泛發展前景的多功能樹種之一.水榆花楸是一種良好的綠化樹種，對環境具有較強的抗逆性和適應性[4]，具有極高的經濟價值，近年來，作為綠化樹種開始推廣種植.迄今為止，有關水榆花楸的研究已涉及種源收集[5]、種子地理變異、植物組織培養[6]、扦插育苗[7]及抗逆性[8]等多個方面，但缺少水榆花楸葉片地理變異差異的研究.為研究不同種源水榆花楸的變異規律，以9個葉片性狀(葉片長、葉片寬、葉柄長、寬基距、脈左寬、葉尖角、葉基角、葉脈對數、葉形指數)為測量指標，采用隨機區組設計，通過巢式方差分析[9]、表型變異系數等研究水榆花楸不同種源間及種源內的表型變化多樣性，同時對不同種源水榆花楸進行聚類分析，以期為種源遺傳多樣性研究和不同地區水榆花楸分類提供基礎試驗數據.

1 試驗方法

1.1 材 料

表1 水榆花楸17個種源地理坐標及位置信息

試驗材料為來自全國17個省市的野生水榆花楸植株，并選取國家數字標本館(http：∥www.cvh.ac.cn)的標本圖片作為補充.每個種源所在省市選擇某地區作為代表，每個地區挑選5份以上水榆花楸標本，每份標本選擇5～10張完整葉片進行數據統計，最后以各數據平均值作為原始數據.水榆花楸的17個種源地理坐標及位置信息見表1.

1.2 測量方法

實物標本數據的獲取采用直尺、游標卡尺、量角器直接測量，標本照片采用Digimizer 4.0測繪軟件測量.

1.3 數據處理

2 結果與分析

2.1 水榆花楸種源間及種源內表型分化

水榆花楸表型性狀方差分析結果見表2，葉片表型性狀種群間和種群內方差分量和表型分化系數見表3.

表2 水榆花楸表型性狀方差分析結果Tab.2 Variance analysis results of phenotypic traits in Sorbus alnifolia

注：*.P<0.05；**.P<0.01.下同.

表3 水榆花楸不同種源方差分量及表型分化系數Tab.3 Variance components and phenotypic differentiation coefficient of different provenances in Sorbus alnifolia

由表2可見：水榆花楸的葉長、葉寬、葉柄長、葉形指數在種源間和種源內都存在極顯著差異，葉長、葉寬、葉柄長在水榆花楸各種源間差異極為顯著，而葉形指數在種源內差異顯著.

由表3可見：在各葉片性狀的總方差分量中，種源間方差分量平均為3.155%，種源內方差分量平均為10.42%，機誤高達86.43%；從種間變異幅度看，葉柄長的變異幅度最小，僅為0.68%，而葉寬的變異幅度最大，為7.14%；葉寬的變異幅度最大，其次為葉片長、葉形指數和葉柄長；種源間的葉片性狀表型分化系數變化幅度為8.89%～37.13%.其中，葉形指數分化系數最小，葉片長分化系數最大.水榆花楸葉片表型分化系數平均值為21.37%，說明水榆花楸的葉片形態變異主要存在于種源間.

2.2 不同種源水榆花楸表型性狀變異特征

水榆花楸不同種源表型性狀變異系數見表4，各表型性狀的相對極差見表5.由表4可知：葉片各形狀變異系數間存在差異.其中，葉柄長的變異幅度最大(23.25%)，其次為葉基角(21.80%)、葉尖角(21.64%)、寬基距(21.31%)、葉片寬(21.94%)、脈左寬(20.28%)、葉片長(16.43%)、葉形指數(12.09%)；不同種源同一性狀變異系數差異程度不等，葉長2.83%～28.46%、葉寬8.12%～55.37%、葉柄長7.67%～64.38%、寬基距12.49%～29.18%、脈左寬10.49%～33.22%、葉形指數6.10%～24.21%、葉尖角13.95%～43.14%、葉基角10.76%～30.68%；不同種源水榆花楸表型性狀變異較大，無法單一使用個別差異作為區分物種多樣性的依據.江西廬山的水榆花楸變異系數最小，僅為14.66%；北京香山的變異系數最大，為33.69%.

表4 水榆花楸不同種源表型性狀變異系數Tab.4 Variation coefficient of phenotypic traits of different provenances in Sorbus alnifolia /%

表4(續) /%

由表5可知：水榆花楸各種源平均相對極差有明顯差異.其中，北京香山的平均極差最大達到64.10%，多數性狀的相對極差密集分布在30%～45%區間內.相對極差體現的是物種性狀變異的極端幅度，因此，17個不同種源水榆花楸的極端差異程度明顯不同，因此證實：水榆花楸種群內部存在豐富的表型變異.

表5 水榆花楸不同種源表型性狀相對極差Tab.5 Relative range of phenotypic traits of different provenances in Sorbus alnifolia /%

2.3 水榆花楸表型性狀相關性分析

供試水榆花楸相關性分析結果見表6.由表6可知：在水榆花楸葉片形態中，大多數表型性狀呈極顯著相關關系，相關系數在0.062～0.879變化較大.其中，葉片長和寬基距呈極顯著相關關系，相關系數最大為0.879，其次為葉片長和脈左寬極顯著相關(0.713)，而葉尖角與寬基距呈極顯著負相關(-0.373)，與葉片長呈極顯著負相關(-0.257)，葉尖角越尖銳，寬基距越小，葉片形態更為細長，葉脈對數更多.

2.4 不同種源水榆花楸聚類分析

利用歐式距離法對不同種源水榆花楸進行聚類分析，結果見圖1.由圖1可知：水榆花楸可明顯分為兩個類群.其中，第1類群中在距離為8時可分為3個小類.第1類包含15個種源：江西廬山、黑龍江帽兒山、河南商城縣、浙江天目山、山東昆崳山、江蘇花果山、北京香山、河北內丘縣、河南云夢山、遼寧本溪、福建武夷山、安徽黃山、四川巧家縣、甘肅秦安縣、湖北神農架、湖南張家界、陜西太白山；第2類包含四川巧家縣和湖南張家界兩個種源.

表6 水榆花楸表型性狀相關系數Tab.6 Correlation coefficient of phenotypic traits in Sorbus alnifolia

2.5 不同種源水榆花楸主成分分析

17個不同種源水榆花楸主成分分析結果見表7.表7表明：水榆花楸表型性狀變異第1主成分和第2主成分分別占比36.62%和26.85%.第1主成分主要反映葉片性狀，葉片長、葉片寬、脈左寬和寬基距都在80%以上.其中，葉長的貢獻率達到87.7%.葉尖角和葉形指數特征量為負值，其余特征量為正值.

表7 水榆花楸主成分分析結果Tab.7 Principal component analysis of Sorbus alnifolia

3 結果與討論

根據巢式方差分析結果可知：水榆花楸種源間葉長、葉寬、葉柄長、葉形指數差異極為顯著，種源內葉寬和葉柄長的差異達到極顯著水平；水榆花楸種源內葉長和葉形指數差異達到顯著水平.僅從某一性狀變異系數分析可知，葉柄長變異幅度最小，葉片寬變異幅度最大.可見，水榆花楸葉柄長度較其他性狀相對穩定，葉片長寬變異巨大，說明葉片性狀變化劇烈.相對極差代表表型性狀的極端變異程度，水榆花楸各性狀的相對極差為24.65%～55.44%，變化幅度較為明顯.其中，葉片寬的極端差異幅度最小，葉基角相對極差平均值較大，為55.44%，變異程度劇烈.不同種源水榆花楸葉基角極端變異程度顯著.

水榆花楸葉片性狀表型分化系數約為19.72%，表明水榆花楸種源間遺傳變異幅度小于種源內，推測水榆花楸不同種源差異主要存在于種源內.在水榆花楸種源的葉片性狀中，多呈極顯著正相關或極顯著負相關.由此可見，不同種源各葉片性狀間具有極顯著差異，體現了生長過程中各性狀生長發育的協調性.

聚類分析結果表明：不同地理位置水榆花楸可劃分為兩大類群，第1類群包含15個種源，第2類群包含2個種源.由水榆花楸樣本地理分布位置發現，水榆花楸各來源地理分布無明顯相關性.由于表型分析受限于當地氣候環境條件，存在豐富的變異性.因此，采用表型性狀特征作為區分種源間遺傳變異特點存在一定的局限性，需要進行染色體水平或分子水平的補充研究.分子標記是常用作研究植物遺傳多樣性的重要指標之一[11]，采用分子標記技術對水榆花楸各種源進行聚類劃分的結果可能更為準確.水榆花楸分布較為廣泛，集中分布在北緯20°～50°，是一個典型的北溫帶分布屬，多產在海拔600 m以上[12].不同地區的水榆花楸無法進行基因交流，同種個體在不同區域內展現出不同性狀[13].目前，對于9個水榆花楸葉片性狀變異是由環境變化引起還是由種間隔離引起的機制尚不清晰.水榆花楸中同時存在二倍體、三倍體、四倍體3種核型[14]，形態變異復雜，而當今分類系統中所采用的分類依據(比如葉脈對數、葉脈形狀、小葉數量)能否作為種系的分類依據應重新進行評估，并篩選出更優的分類性狀.