沙棘果實和種子表型性狀及變異分析

趙鑫丹, 張東為, 戈素芬, 李 前, 阮成江

(1.遼寧省旱地農林研究所, 遼寧 朝陽 122000;2.大連民族大學生物技術與資源利用教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116600)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)為胡頹子科(Elaeagnaceae)沙棘屬(Hippophae)落葉灌木、小喬木或喬木[1],是水土保持和生態建設的重要經濟樹種[2]。沙棘屬植物分為 6個種12個亞種,分布于全球52個國家,中國分布有6個種8個亞種[3]。中國不僅是世界上沙棘屬植物類群分布最多的國家,也是沙棘資源面積最大的國家,占世界的90%以上[4]。沙棘在植被恢復、水土保持、防風固沙等方面均能發揮重要作用[5]。沙棘全身都是寶,沙棘葉、果實、種子等各部位富含多酚、黃酮、多糖等多種對人體有益的生物活性物質[6-8]。

隨著對沙棘的生態價值和營養價值認識的深入,沙棘在食品、日化和醫藥等行業被廣泛應用,選擇沙棘果實性狀穩定的優良沙棘種源至關重要。研究發現,果實性狀和種子性狀密切相關[9]。種子是物種繁殖的器官和載體[10],決定著物種的擴散能力[11],而種子的大小和質量是其最為常見且重要的性狀指標[12]。種子的大小和質量影響著昆蟲寄生與捕食的機制,同時也影響種子萌發、幼苗存活、植物定植等,甚至影響著植物的壽命[13-14]。研究表明,為了適應生態環境及進化的需要,植物種子在其質量和大小等形態特征方面出現了不同程度的變異[15]。郭來珍等[16]通過分析天山花楸不同種源種子的變異程度,指出8個不同種源花楸種子在種子長度、種子寬度及千粒重等方面都存在顯著差異,通過種子性狀可篩選出優良種源。因此,研究沙棘種子形態特征變異對優良品種選育具有重要意義。戈素芬等[17]前期研究了遼西地區栽植的俄羅斯引進第三代沙棘果實表型性狀及其變異程度,本研究在此基礎上進行深入研究,對遼西地區栽植的俄羅斯引進第三代沙棘、雜交沙棘、中國沙棘等20個品種的果實及種子表型性狀及其變異程度進行分析,以期為遼西地區沙棘的品種選育和綜合開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于朝陽市南郊的遼寧省旱地農林研究所試驗示范基地,地理坐標為120°21′52″E、41°29′06″N,海拔184 m,地勢平坦。屬暖溫帶半濕潤半干旱氣候,年平均氣溫8.3 ℃,極端最低氣溫-34.4 ℃,極端最高氣溫43.3 ℃,無霜期145～165 d,年日照時數2 752～2 950 h,年均降水量450 mm,年均水面蒸發量2 000 mm。土壤類型為褐土,土壤質地為沙壤土,土層厚度0.6 m左右,土壤有機質含量為0.8%,pH值為7.8,地下水埋深約5 m。

1.2 試驗材料

本試驗共選擇長勢良好的20個沙棘品種作為測試品種,分別為:俄羅斯引進第三代沙棘品種14個:“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“伊尼亞”“埃特納”“金皇后”“杰塞爾”“蘇達魯斯卡”“熱姆丘任娜”“皇冠”“黃妃1號”“夕照”“黃妃2號”“賽枸杞”“橙棒”[4];雜交沙棘品種3個:“蒙中黃”“俄中黃”“俄中鮮”:大果沙棘品種1個:“深秋紅” ;中國沙棘優良品種2個:“中紅果”“CY-201901”。

1.3 樣品采集與測定

果實樣品于2022年7—9月果實成熟時期采集。對各優株隨機選取300粒健康果實,平均分成3組,使用精度為0.01 g的電子天平測量果實百果質量;從每個單株中隨機抽取30粒果實,平均分成3組,使用精度為0.01 mm的電子游標卡尺測量果實的縱徑、橫徑、果柄長。

果實自然風干,人工去皮,得到沙棘種子。以100粒種子為1組,用精度為0.000 1 g的電子天平進行稱量,測量3組,計算出種子千粒重;以10粒種子為一組,用精度為0.01 mm的電子游標卡尺測量種子的長度、寬度、厚度,測量3組。

1.4 數據分析

采用Excel2017軟件進行數據整理,SPSS25.0軟件進行相關性分析、差異顯著性分析和聚類分析;Origin9.1軟件作圖。

CV/%=(SD/M)×100%,

式中:CV為變異系數,SD為標準差,M為變量均值。

根據變異程度可分為3級:CV≤10% 為弱變異;10%

2 結果與分析

2.1 不同品種沙棘果實表型性狀

由表1可知,20個品種沙棘果實百果重為27.08～73.18 g;百果重>50.00 g的品種有10個,占供試品種的50.0%,30.00～50.00 g的品種有8個,占供試品種的40.0%,小于30.00 g的品種僅有2個,占供試品種的10.0%;“金皇后”和“杰塞爾”的百果重顯著高于其他品種,分別為73.18 g和70.46 g,“CY-201901”的百果重最低,僅為“金皇后”的37.0%。果實縱徑為6.51～14.07 mm,縱徑超過10 mm的品種有14個,占供試品種的70.0%;縱徑最長和最短的品種分別為“熱姆丘任娜”和“中紅果”,”熱姆丘任娜“縱徑長達到“中紅果”的2.16倍。果實橫徑的變化幅度要明顯小于縱徑,為6.81～9.16 mm,橫徑最長的品種同樣為“熱姆丘任娜”,最短的為“深秋紅”,“熱姆丘任娜”橫徑達到“深秋紅”的1.35倍。果實形狀由果形指數決定,即果實縱徑與橫徑之比。從表1可以看出,不同品種果形指數為0.89～2.01,說明不同品種果實形狀差異較大;其中“伊尼亞”果形指數最大,“中紅果”最小。根據張建國等[1]的劃分標準,果形指數<0.90為扁圓形,0.91～1.10為圓形,1.11～1.40為卵圓形,>1.41為圓柱形。由此可知,“中紅果”沙棘果實為扁圓形,“蒙中黃”“俄中鮮”和“CY-201901”沙棘果實為圓形,“黃妃1號”“橙棒”和“俄中黃”沙棘果實為卵圓形,其余13個品種沙棘果實為圓柱形。果柄長是反映沙棘果實可采收性的一個重要指標。除未測量品種外,沙棘果柄長為2.00～4.77 mm,“杰塞爾”果柄最長,更便于采收。

表1 不同品種沙棘果實表型性狀差異性分析

2.2 不同品種沙棘種子表型性狀

由表2可知,不同品種沙棘種子千粒重為10.84～22.77 g;種子千粒重>20.00 g的品種有8個,占供試品種的40.0%;其中,“黃妃2號”的千粒重最高,“CY-201901”的最低,前者千粒重達到后者的2.10倍。20個不同品種沙棘的種子長度、寬度、厚度3個指標分別為4.01～7.04 mm、1.99～2.87 mm、1.40～2.07 mm。其中,“杰塞爾”種子最長,為7.04 mm,其次是“熱姆丘任娜”,為6.82 mm,“中紅果”最短,為“杰塞爾”的57.0%;“熱姆丘任娜”種子最寬,為2.87 mm,其次是“黃妃1號”,為2.85 mm,最窄的為“深秋紅”,這與果實橫徑的結果是一致的,說明種子的寬度影響果實的寬度;“俄中鮮”種子最厚,為2.07 mm,其次是“賽枸杞”,為2.06 mm,“伊尼亞”最薄,為“俄中鮮”的67.6%。不同沙棘種子長寬比和厚寬比分別為1.43～2.99 mm、0.56～0.85 mm,厚寬比的變化幅度要明顯小于長寬比。長寬比和厚寬比最大的均為“深秋紅”,最小的分別為“中紅果”和“伊尼亞”。根據張建國[1]的劃分標準,長寬比1.1～1.5為卵形,大于1.5為長卵形。由此可知,20個品種中只有“中紅果”種子為卵形,其余19個品種種子均為長卵形。各品種種子照片見圖1。

圖1 不同品種沙棘種子

2.3 不同品種沙棘果實和種子表型性狀變異分析

通過變異系數可以看出性狀的離散程度,變異系數越大,則離散程度越大,性狀指標的穩定性就越差[19]。沙棘果實和種子各表型性狀的變異系數如圖2所示。從圖2可以看出,11個性狀指標變異系數為8.84%～26.56%,由大到小依次為:百果重、果柄、種子千粒重、果實縱徑、果形指數、長寬比、種子長度、厚寬比、種子厚度、果實橫徑、種子寬度,百果重變異系數最大,為種子寬度變異系數的3倍。11個性狀指標中,僅有果實橫徑和種子寬度變異系數小于10%,分別為9.90%和8.84%,屬于弱變異,其余9個指標均為中等程度變異。說明沙棘果實在橫徑表型上及沙棘種子在寬度表型上的變異不明顯,具有較高的穩定性。綜合比較,果實百果重和種子千粒重的變異系數均大于其形狀指標的變異系數,說明沙棘果實和種子在質量表型性狀上具有較高的遺傳多樣性,而在形狀表型性狀上具有較高的穩定性,特別是在寬度表型上,穩定性最高。

圖2 沙棘果實及種子表型性狀變異系數

2.4 不同品種沙棘果實和種子表型性狀相關性分析

通過相關性分析可以進一步探明沙棘果實和種子不同表型性狀之間的相互影響關系,結果如表3所示。從表3可以看出,沙棘果實百果重和果實縱徑、果實橫徑、果形指數、果柄、種子千粒重、種子長度、種子寬度之間呈極顯著或顯著正相關關系,說明除種子厚度、種子長寬比和種子厚寬比外,果實與種子其他表型性狀均影響果實百果重,其中與果實縱徑相關系數最大,為0.745。果實縱徑和果形指數、種子千粒重、種子長度和長寬比之間呈極顯著正相關關系,相關系數分別為0.858,0.787,0.910和0.720,與種子長度的相關系數在正相關關系中最大,說明種子越長,果實也越長;果實橫徑和種子寬度之間呈顯著正相關關系,相關系數為0.560,即種子越寬,果實也越寬。果柄長與果實百果重、果實縱徑、果形指數呈顯著正相關關系,說明沙棘果實越大越長,果柄也越長,果柄還與種子長度、長寬比之間呈極顯著正相關關系,說明沙棘果柄不僅受果實大小和形狀的影響,種子長度同樣影響果柄長度。種子千粒重與種子長度呈極顯著正相關關系,相關系數為0.797,與種子寬度、厚度、厚寬比均無顯著關系,說明在種子形態特征方面,種子長度是影響種子千粒重的關鍵因素。種子長度與長寬比呈極顯著正相關關系,相關系數為0.843;種子寬度與厚寬比呈顯著負相關關系,相關系數為-0.558;種子厚度與厚寬比呈極顯著正相關關系,相關系數為0.712。

表3 不同品種沙棘果實和種子表型性狀相關性分析

2.5 不同品種沙棘果實和種子聚類分析

對20個品種沙棘果實和種子的11個性狀指標聚類分析結果如圖3所示。由圖3可知,當歐式距離為10時,20個沙棘品種可以分為三大類。A1類包括“俄中鮮”“中紅果”“橙棒”“CY-201901”;A2類包括“皇冠”“黃妃1號”“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“夕照”“蒙中黃”“埃特納”“賽枸杞”“俄中黃”“伊尼亞”“深秋紅”;A3類包括“金皇后”“杰塞爾”“蘇達魯斯卡”“黃妃2號”“熱姆丘任娜”。聚類后,各大類沙棘果實和種子的性狀指標如表4所示。由表4可知,A3類的果實百果重、果實縱徑、果實橫徑、種子千粒重、種子長度、種子寬度較大,而A1類的果實百果重、果實縱徑、果實橫徑、種子千粒重、種子長度、種子寬度較其他類明顯偏低,A2類的果實和種子相關性狀指標介于A1類和A3類之間。由此可知,A1類為小型果沙棘、A2類為中型果沙棘、A3類為大型果沙棘。當歐式距離為5時,又可將A3大類細分成A3-1類和A3-2類。由表4可知,A3-1類沙棘果實百果重、果實縱徑、果實橫徑較大,A3-2類沙棘種子千粒重、種子長度、種子寬度、種子厚度較大,即A3大型果沙棘又可分為A3-1大果型沙棘和A3-2大籽型沙棘。

圖3 沙棘果實及種子表型性狀聚類分析

表4 不同類別沙棘果實和種子的表型性狀

3 討 論

3.1 沙棘果實和種子表型性狀變異特征

沙棘是我國重要的生態經濟樹種,不同品種沙棘果實和種子表型性狀差異較大。性狀的變異程度是評價該物種資源豐富程度和選育潛力的重要指標[20]。本研究對遼西地區栽植的俄羅斯引進第三代沙棘、雜交沙棘、中國沙棘等20個品種的果實及種子表型性狀及變異性進行分析。結果發現,11個性狀指標變異系數為8.84%～26.56%,說明沙棘果實和種子性狀存在較為豐富的遺傳多樣性,選育潛力較大。其變異系數順序為:百果重>果柄>種子千粒重>果實縱徑>果形指數>長寬比>種子長度>厚寬比>種子厚度>果實橫徑>種子寬度。沙棘果實的百果重變異系數最大,說明其變異程度最高。此外,本研究發現,沙棘果實橫徑和種子寬度變異系數<10%,為弱變異,其余性狀指標均為中等程度變異?？梢?無論沙棘果實還是種子在寬度方面都較其他性狀穩定,而在質量方面變化較大。戈素芬等[17]對遼西地區栽植的8個俄羅斯第三代大果沙棘的果實性狀變異程度進行分析,結果表明,變異系數依次為:百果重>果實縱徑>果實橫徑;謝嗣榮等[21]對內蒙古不同種群沙棘種子性狀變異情況進行分析,結果發現種子指標的變異系數最大的同樣為質量。說明沙棘果實和種子性狀特別是寬度表型上維持相對穩定,而在質量表型上表現出較強的變異能力。沙棘果實及種子質量尤為重要,可將其作為沙棘種質資源篩選的重要指標。

3.2 沙棘果實和種子表型性狀及其聚類分析

本研究發現,沙棘果實百果重和果實縱徑、果實橫徑、果形指數、果柄、種子千粒重、種子長度、種子寬度之間均呈極顯著或顯著正相關關系,說明種子性狀與植物果實性狀相互影響,果實大小和種子大小協同增加,這與姜翠翠等[22]對47份無患子種質果實性狀與種子性狀的研究結果基本一致。除種子厚度、種子長寬比和種子厚寬比外,果實與種子其他表型性狀均影響果實百果重。本研究還發現,果柄長與果實百果重、果實縱徑、果形指數、種子長度、長寬比呈顯著或極顯著正相關關系。郭學斌等[23]和師瑞瑞等[24]的研究也發現果柄長與果實和種子的相關關系:郭學斌等發現,果柄長與果實縱徑、果形指數呈極顯著正相關關系;師瑞瑞等發現,果柄長和果形指數、種子長和種子體積呈顯著或極顯著正相關關系。由此可知,沙棘果實越大越長、種子越大越長,果柄也越長。果柄長度與沙棘果采摘的難易直接關聯,果柄越長,越便于采摘,長柄易采也應該是選育優良沙棘品種的一個重要指標[25]。

沙棘的種質資源非常豐富,不同品種沙棘表型性狀差異較大。當選取的指標體系或者評價側重點不一樣,得到的結果也不相同。郭學斌等[23]選擇果實橫徑、果實縱徑、果形指數、果柄長、百果質量、種子千粒質量、結實密度、當年枝長、刺長、刺密度等10個性狀指標對山西省中國沙棘進行研究,通過聚類分析得到綜合性狀表現最好、表現良好、表現一般、表現較差4類。謝嗣榮等[21]基于沙棘種子百粒質量、種長、種寬、種厚對內蒙古不同種群沙棘進行聚類,將10個種群分為4類,其中第1類包括1號種群和3號種群,是大粒種子篩選的首選種群;基于種子百粒質量、種長、種寬、種厚變異系數進行聚類,將10個種群又分為不同的4類,8號種群為第1類,是表型性狀最不穩定的種群。本研究選擇果實百果重、果柄長、果實縱徑、果實橫徑、果形指數、種子千粒重、種子長度、種子寬度、種子厚度、種子長寬比、種子厚寬比等11個指標對遼西地區栽植的俄羅斯引進第三代沙棘、大果沙棘、雜交沙棘和中國沙棘進行分析,經聚類可將20個沙棘品種劃分為三大類,即小型果沙棘、中型果沙棘和大型果沙棘,又將大型果沙棘細分為大果型沙棘和大籽型沙棘,為選擇優良沙棘種源提供理論指導,從而促進我國沙棘資源的綜合利用與開發。

3.3 研究局限與下一步方向

本研究僅從形態學的方法上對沙棘果實和種子的表型性狀進行分析,研究發現,沙棘果實和種子在質量上的穩定性要弱于形狀,且沙棘果實和種子的大小相互影響。但并未從分子層面對其進行深入分析。僅用表型性狀指標的差異不能充分反映植物本身的遺傳變異。今后,應將形態學研究與分子研究相結合,深入發掘沙棘果實與種子性狀指標的內在聯系,以及影響其變異程度的關鍵因素,進一步揭示沙棘的遺傳變異規律,為沙棘品種選育和種質創新發展開拓更廣闊的空間。

4 結 論

不同品種沙棘果實和種子表型性狀存在顯著差異,果實性狀與種子性狀相互影響。不同性狀變異程度不同,質量性狀的穩定性低于形狀指標。沙棘果實的百果重變異系數最大,說明其變異程度最高。由此可見,今后以沙棘果實為目標進行良種選育時,可將果實百果重作為篩選雜交沙棘優良種源的重要指標。

通過聚類分析,將20個沙棘品種劃分為三大類,“俄中鮮”“中紅果”“橙棒”“CY-201901”聚為小型果沙棘類,“皇冠”“黃妃1號”“克拉維迪亞”“伊麗莎白”“夕照”“蒙中黃”“埃特納”“賽枸杞”“俄中黃”“伊尼亞”“深秋紅”聚為中型果沙棘類,“金皇后”“杰塞爾”“蘇達魯斯卡”“黃妃2號”“熱姆丘任娜”聚為大型果沙棘類。