短枝木麻黄种群苗期表型多样性评价

胡 盼，仲崇禄＊，张 勇，姜清彬，陈 羽，陈 珍，KHONGSAK Pinyopusarerk

（1 中国林业科学研究院热带林业研究所，广州510520；2 澳大利亚联邦科学与工业研究组织植物所，阿克顿2601，澳大利亚）

短枝木麻黄（Casuarina equisetifolia）为木麻黄 科（Casuarinaceae）木 麻 黄 属（Casuarina），乔木［1－2］。天然分布主要位于澳大利亚的亚热带至热带的东北部沿海地区，此外，马来西亚、美拉尼西亚、米克罗尼西亚、菲律宾、波利尼西亚和泰国等也有天然分布［3－5］。木麻黄科植物生长迅速，萌芽力强，且其根系深广，具有耐干旱、抗风沙和耐盐碱的特性，是热带海岸地区防风固沙的先锋树种［6－7］。该树种先后被中国、印度、越南等多国引种后，在防止台风危害、海浪侵蚀及改良退化的丘陵地区土壤等过程中发挥着重要作用［8－9］，其中短枝木麻黄是中国引种最早且目前栽培面积最大的木麻黄树种［10－11］。

表型多样性主要研究群体在其分布区内各种环境下的表型变异，是遗传多样性及环境多样性的综合体现［12］。短枝木麻黄在其原生区之外得到了广泛和长期的引种栽培，其引种区的遗传结构发生了巨大的变化［13］。短枝木麻黄国际种源实验表明，不同种源间以及种源内不同家系间在生长量、生育期等 方 面 存 在 极 为 显 著 的 遗 传 差 异［14－15］。叶 功 富等［16］研究发现，41个木麻黄种源间在各个生长和形态性状上存在显著或极显著差异。

然而，目前已有的研究虽然对其种内的遗传多样性进行了分析，但均是将原生区与引种次生区混合分析，未能分析其多样性的来源，不能反映真实的遗传多样性水平。因此，本研究全面收集了短枝木麻黄种质资源，并划分出原生种源区和引种次生分布区，以此进行短枝木麻黄苗期表型遗传多样性分析，目的在于揭示短枝木麻黄种群的遗传多样性水平和分化规律，为中国优良短枝木麻黄种源选育和栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1．1 试验地概况

本试验设在惠安赤湖国有防护林场，位于福建省泉州市惠安县崇武半岛，地理位置118°55′E、24°35′N。属于南亚热带海洋性季风气候，年平均气温20．7 ℃，最高气温36．6 ℃，最低气温3．6 ℃，年蒸发量2 056．7mm，干湿季明显，干旱频度大，夏季多台风，年平均5．1 次，秋冬盛行东北风，平均风速7．1m·s－1，年8级以上大风100d。试验地设在林场场部苗圃，沙壤土，土层深厚，肥力中等，排灌一般，光照充足。

1．2 试验材料及设计

实验材料由澳大利亚林木种子中心提供，共20个种源，各种源基本情况见表1。2013 年3 月25日，在赤湖国有防护林场进行播种育苗。播种时使用育苗盘，首先在盘中铺1层报纸，然后铺3cm 厚的细砂1层，将种子均匀撒播在细砂上面，最后覆盖1层1cm 厚的木屑，并浇水。苗木出土后进行常规土壤和水分管理。6月26日移栽到塑料营养钵，每钵1株，营养钵规格为8cm×15cm，基质为赤红壤，肥力低，pH 4．5，速效N、P 和K 分别为72．4、1．8和37．4 mg·kg－1，全Cu、Zn 和Mn 分别为14．03、17．48和18．98μg·kg－1。试验采用随机完全区组设计，3次重复，每重复每种源30株。

1．3 千粒重和苗期性状调查

2013年3 月初，进行千粒重测定，每个种源测定8次重复，每重复100粒种子，共测定19个种源（中国广东种源种子较少，未测定千粒重）。2013年12月对7个幼苗性状进行调查，包括苗高、地径、一级侧枝长度、一级侧枝粗度、二级侧枝长度、每小枝节数、齿叶数。每重复每个种源调查10株。

1．4 数据统计分析

采用Excel 2007 和SPSS 16．0 进 行 数 据 整 理和统计分析。（1）方差分析和多重比较：以单株测定值参与各性状巢式方差分析，线性模型为：Yijk＝μ＋τi＋δ（i）j＋ε（ij）k，式中，μ 为总体平均值，τi为区域间效应值，δ（i）j为区域内效应值，ε（ij）k为机误，Yijk为第i个区域中第j 种源第k 个观测值。多重比较采用Duncan法。（2）表型变异系数计算：表型变异系数表示表型性状的离散程度，以家系平均值参与变异系数（CV）计算。，式 中，S 为 标 准 差，x 为群体平均值。（3）表型分化系数计算：表型分化系数表示群体间变异占遗传总变异的百分比，计算公式为，式中，σt2／s为群 体间方差分量，σs2为群体内方差分量，Vst为表型分化系数。

表1 原生和次生短枝木麻黄种源信息Table 1 Provenances information of C．equisetifoliaresource

2 结果与分析

2．1 不同区域和种源种子千粒重及其幼苗数量性状变异特征

2．1．1 千粒重 巢式方差分析结果（图1）表明，本试验中短枝木麻黄种子千粒重在4个区域间差异极显著，而且区域内种源间也具有极显著差异（P＜0．01）。其中，4个区域千粒重平均值表现为：非洲引种次生区＞亚洲原生种源区＞亚洲引种次生区＞大洋洲原生种源区；种源千粒重变化范围为0．59～1．75g，最大和最小值分别为越南哈南宁和中国福建种源，都来源于亚洲引种次生区；而大洋洲和亚洲原生种源区内种源千粒重的最大和最小值分别为北领地种源（1．39g）和汤加种源（0．81g）以及泰国拉廊种源（1．14g）和马来西亚沙捞越种源（1．54g）；非洲引种次生区的肯尼亚基利菲种源的千粒重在该区域内最小，贝宁和毛里求斯种源的千粒重值一致，为该区域最大值（1．56g）。进一步相关分析发现，短枝木麻黄种子千粒重与其种源地经度呈显著的负相关关系（r＝－0．552＊）。这就表明短枝木麻黄种子千粒重具有明显的地理变异模式，具有随经度增大而降低的趋势。

2．1．2 苗高和地径 对收集于4个不同区域的20个短枝木麻黄种源1年生幼苗的苗高和地径进行巢式方差分析，结果（图1）表明苗高和地径在不同区域间和区域内均存在极显著差异（P＜0．01）。其中，亚洲原生种源区的幼苗生长最好，种源苗高和地径均值分别达到65．1cm 和3．88mm；亚洲引种次生种源区的幼苗生长次之，种源苗高和地径均值分别为54．8cm 和3．81mm；大洋洲原生种源区的幼苗生长最差，种源苗高和地径均值分别为41．2cm和3．13 mm。大洋洲原生种源区、亚洲原生种源区、亚洲引种次生区和非洲引种次生区区域内种源间苗高的变异范围分别为28．25～48．54、55．84～76．61、44．53～61．69cm 和36．42～60．20cm，而相应地径的变异范围分别为2．58～3．67、3．50～4．64、3．42～4．40 和2．75～4．02 mm。参试种源中，亚洲原生种源泰国董里干东港来源幼苗生长最好，苗高和地径分别达到76．6cm 和4．64 mm；亚洲原生种源马来西亚沙捞越、泰国拉廊、泰国董里和亚洲引种次生种源印度奥里萨邦、印度泰米尔纳德邦、越南哈南宁来源幼苗次之；大洋洲原生种源汤加Onetaka岛来源幼苗生长最差，苗高和地径分别为28．3cm 和2．58mm，仅分别为泰国董里干东港来源幼苗的37%和56%。

2．1．3 表型性状 为了解不同区域和种源幼苗数量性状的变异情况，对幼苗一级侧枝粗度、一级侧枝长度、二级侧枝长度、每小枝节数和齿叶数进行巢式方差分析，结果（表2）表明，5个性状在不同区域间及区域内种源间均存在极显著差异（P＜0．01），说明它们在不同区域以及区域内种源间存在较大的变异。其中，大洋洲原生种源区、亚洲原生种源区、亚洲引种次生区和非洲引种次生区4个种源区的一级侧枝粗度、一级侧枝长度、二级侧枝长度、每小枝节数和齿叶数平均值变化范围分别为0．84～1．14 mm、10．2～18．1cm、4．4～6．9cm、26～32个和6～8片。在参试种源中，亚洲原生种源区的泰国干东港种源（TH4）的一级侧枝粗度、一级侧枝长度、每小枝节数和齿叶数均最大，分别达到1．35mm、21．1cm 和8片，分别较最小种源高71%、167%和33%。

图1 短枝木麻黄不同区域／种源种子千粒重及幼苗苗高和地径差异不同小写字母表示种源间在0．05水平上差异显著，种源代号同表1Fig．1 The difference of weight per 1 000seeds，height and ground diameter between regions and provenances of C．equisetifolia Different lowercases mean the significant difference between provenances at the 0．05level，provenance code are same as Table 1

2．2 不同区域间及区域内种源变异程度分析

2．2．1 方差分量及分化系数 短枝木麻黄各性状分差分量分析结果如表3所示。总体上，除地径和每小枝节数以外，其他性状均是区域间的方差分量占总变异的比重较大，区域内种源间的方差分量占总变异的比重较小。其中，区域间的方差分量比重以齿叶数最大（59．00%），其次为一级侧枝长度（45．45%），每小枝节数和地径较小（分别为12．10%和7．71%）；区域内种源间的方差分量比重以每小枝节数最大（37．43%），苗高次之（19．48%），其他性状比较相近。除地径和每小枝节数以外，其他性状的表型分化系数均高于60%，其中齿叶数的表型分化系数最高（82．15%）。这说明不同分布区域的表型变异主要来源于区域间，并且区域内种源间也具有较高的变异。

2．2．2 变异系数 变异系数表示性状值离散性特征，变异系数越大，性状值离散程度越大［17］。表4显示，短枝木麻黄7个表型性状在大洋洲原生种源区内种源间差异均达到显著水平（P＜0．05）；除地径以外，其他6个性状在亚洲引种次生区内种源间的差异均达到显著水平；在非洲引种次生区内，只有一级侧枝粗度在种源间的差异不显著，其他6个性状均有显著差异；在亚洲原生种源区内，只有一级侧枝粗度、每小枝节数和齿叶数在种源间的差异达到显著水平，其他4个性状差异均不显著。区域内种源间7个性状的平均变异系数范围为9．7%～15．1%，4个种源区平均变异系数表现为：大洋洲原生种源区＞非洲引种次生区＞亚洲引种次生区＞亚洲原生种源区。以上结果说明不同性状的变异程度在种源间的分布不均衡，表明不同性状对于同一环境影响的反应是不同的，同时同一性状在不同生境中的反应亦是不同的，即环境因素对性状的影响具有选择性。

2．3 短枝木麻黄表型性状通径分析

为了研究表型性状与生长的关系以及不同的性状如何作用于生长指标，将各表型性状对苗高和地径进行通径分析，获得各性状的贡献率。依据生物学意义构建的各表型性状对生长性状的通径关系（表5）显示，在5个性状中，一级侧枝长度对苗高的作用最大，直接通径系数为1．367；一级侧枝粗度、一级侧枝长度和二级侧枝长度对地径的作用均较大，直接通径系数分别为0．553、0．242 和0．464。各性状对苗高和地径的总作用以及相关系数（表5）显示，一级侧枝粗度、一级侧枝长度和二级侧枝长度对苗高和地径的总作用与相关系数相近，其中一级侧枝粗度和二级侧枝长度的直接作用很低，间接作用是相关的主要原因，所以对苗高没有显著作用，而一级侧枝长度对苗高的直接作用是相关的主要原因；一级侧枝粗度和二级侧枝长度对地径的直接作用较高，是与地径相关的主要原因。因此，运用一级侧枝粗度、一级侧枝长度和二级侧枝长度进行生长预测是可行的。

表2 不同区域和种源短枝木麻黄表型性状平均值及变异系数Table 2 Quantitative characters variation of C．equisetifoliafrom different regions and provenances

表3 短枝木麻黄4个区域数量性状方差分量及分化系数Table 3 Variance components and differentiation coefficients of quantitative characters in four regions and provenances of C．equisetifolia

表4 短枝木麻黄数量性状在区域内种源间的变异系数Table 4 Variation coefficients of quantitative characters among the provenances in regions of C．equisetifolia

表5 各表型性状对苗高和地径的作用Table 5 The influence value of each character with height and ground diameter

3 结论与讨论

3．1 短枝木麻黄的变异来源

大量研究表明群体遗传多样性水平和遗传结构受其分类地位、繁育系统、进化年龄、分布范围、生活型等多种不同因素综合作用［18－19］。如36个种源木荷（Schima superba）的苗高和地径于种源间存在极显著差异［20］；46个25年生马尾松（Pinus massoniana）自由授粉家系的生长、树干圆满度和木材基本密度皆存在显著的家系差异［21］；30个3年生白杨杂种无性系的树高、胸径、树形、叶片等17个表型性状差异极显著［22］。短枝木麻黄分布极为广泛，本研究通过对全面收集的20个种源1年生实生苗表型性状进行统计分析，发现包括苗高、地径、一级侧枝粗度和一级侧枝长度等在内的7个表型性状在区域间及区域内种源间皆存在显著差异，其中当年生幼苗苗高和地径的种源变幅分别为28．3～76．6cm 和2．46～4．90mm，表明短枝木麻黄的多数表型性状变异是遗传和环境共同作用的结果。这一结果与另一广泛引种的树种印楝的研究结果一致，即印楝大多数表型性状在气候区间及种群间均存在显著差异［19］。短枝木麻黄较大的表型变异可能为其生长发育提供更多的选择潜力，具有更大的环境适应能力，这就为我们有效开展优良种源选择和引种提供了物质基础［23］。

按照收集地，可将20个种源划分为大洋洲原生种源区、亚洲原生种源区、亚洲引种次生区和非洲引种次生区共4个区域。通过方差分析，除地径和小枝节数以外，其他性状均是区域间的方差分量占总变异的比重较大，而区域内种源间的方差分量占总变异的比重较小。这表明短枝木麻黄当年生幼苗表型变异主要来自于不同分布区域间的变异，其次为区域内种源间的变异。存在于区域间的变异是种内遗传多样性的重要来源，反映的是地理或生殖隔离上的变异，分布于区域内的变异真实地反映出群体在不同环境下的适应状态，其大小在一定程度上说明该物种对不同环境适应的广泛程度，变异程度越高，适应的环境越广［24－26］。短枝木麻黄区域内种源间变异程度由大到小依次为大洋洲原生种源区、非洲引种次生区、亚洲引种次生区和亚洲原生种源区。而罗美娟等通过RAPD 技术对11年生的4个短枝木麻黄种群的遗传多样性和群体遗传结构进行分析表明，短枝木麻黄具有较高的遗传多样性，且遗传变异主要存在于群体内，种群的遗传多样性大小不一，由大到小依次为澳大利亚和太平洋地区的原生种群、引种于亚洲的次生种群、引种于非洲的次生种群、天然分布于东南亚的原生种群［27］。本研究中当年生幼苗表型分化结构与11 年生大树DNA 水平分化结构不同，这可能是由于种源不同、实验材料年龄不同等差异所致。但总体上，不同区域变异程度相似性结果较为一致，即大洋洲原生种源区与非洲引种次生区相近，亚洲原生种源区和亚洲引种次生区相近。

3．2 短枝木麻黄幼苗表型性状间的关系

通径分析可以简明地剖析出相关性状间的直接关系和间接关系，从而揭示性状间的本质联系［28］。汪炳良等研究表明，一个与豆荚产量关系密切的性状，其对单株豆荚产量的效应总是由于存在一个或多个负向的间接通径系数而被削弱，从而掩盖了该性状对单株豆荚产量的遗传效应［29］。朱景乐等通过通径分析，发现纤维特性指标与木材密度、生长量与木材密度间均没有通径链，表明木材密度与纤维特性、木材密度与生长量间是相互独立的，为日本落叶松生长和材性的联合改良提供了依据［30］。另外，通径分析不仅可以得知自变量、因变量间的相互关系，同时也能得到自变量对因变量的影响程度［31］。本研究的通径分析和相关分析表明，短枝木麻黄一级侧枝粗度、一级侧枝长度和二级侧枝长度对苗高和地径的总作用与相关系数相近，其中仅一级侧枝长度对苗高的控制作用较强，一级侧枝粗度和二级侧枝长度对地径的控制作用较强。因此，在开展以生长量为目标的短枝木麻黄改良研究时，可将一级侧枝长度、一级侧枝粗度和二级侧枝长度作为优良新品种筛选的参考因子。

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