基于种实性状的山胡椒优良单株选择1)

2016-05-30熊彪齐季董树斌张莉梅张志翔哈登龙琚煜熙

东北林业大学学报 2016年5期

关键词：主成分分析

熊彪　齐季　董树斌　张莉梅　张志翔　　　哈登龙　琚煜熙

(北京林业大学，北京，100083)　　　　　　　　　　　(河南鸡公山国家级自然保护区管理局)

基于种实性状的山胡椒优良单株选择1)

熊彪齐季董树斌张莉梅张志翔哈登龙琚煜熙

(北京林业大学，北京，100083)(河南鸡公山国家级自然保护区管理局)

摘要对9个种源102株野生山胡椒连续2年进行单株采集果实并测定相关性状。利用Shannon-Wiener多样性指数进行山胡椒居群各性状的多样性分析。运用主成分分析法、模糊隶属函数法与多维空间坐标向量综合评定值累加法3种评价方法对9个主要的种实性状进行分析，并以这3种评价法结果排序都位于前10名的标准，确定7棵野生山胡椒优良单株。通过综合评定筛选出来的优良单株在重要经济种实性状(果鲜质量、果干质量、果实含油率、种子质量)上现实增益为8.98%～65.88%，具有显著的优异性，可作为良种选育或快速扩繁的基础材料，并在生产中推广应用。

关键词山胡椒；多样性指数；主成分分析；隶属函数；多维空间坐标综合评定；优树选择

分类号S722.5

Superior Individual Selection ofLinderaglaucaBased on Fruit and Seed Traits//

Xiong Biao, Qi Ji, Dong Shubin, Zhang Limei, Zhang Zhixiang

(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Ha Denglong, Ju Yuxi(Administration of Jigongshan National Nature Reserve)//

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(5)：10-14.

With 9 geographical provenances, we preliminarily screened out total 102Linderaglaucatrees and measured collected fruit traits of each individual for two consecutive years. We analyzed the fruit and seed traits ofL.glaucain different geographical provenances by Shannon-Wiener diversity index, and analyzed 9 major fruit and seed traits by principal component analysis, subordinate-function-value method and multidimensional coordinate-synthetic-evaluation way. By the standard, we sorted the top 10 with the three evaluation methods, and selected 7 wildL.glaucatrees as superior individuals. Selected superior individuals realized gain from 8.98% to 65.88% at major economic fruit-seed traits includimg hundred-grain weight of fresh fruits, hundred-grain weight of dried fruit, fruit oil content and thousand-seed weight. The selected superior individuals have outstanding fruit-seed traits based on results of the three methods, and can be used as material of breeding or rapid propagation and applied in production.

KeywordsLindera galuca； Diversity index； Principal component analysis； Subordinate function； Multidimensional coordinate-synthetic-evaluation way； Superior individual selection

山胡椒(LinderaglaucaBlume)又名唐本草[1]、牛筋树[2]、雷公子[3]、假死柴[4]，属樟科(Lauraceae)山胡椒属(Lindera)落叶灌木或小乔木。除海南省外，山胡椒广泛分布于我国淮河流域及南方各省区，日本、朝鲜半岛与越南也有少量天然分布[5]，是亚热带地区独有树种，野生资源量十分丰富。山胡椒是一种多用途树种，其材质细密，可作家具；其枝叶、根均可入药，具温中散寒、祛风消肿等效用；叶、果皮可提芳香油[1-4]。山胡椒果实小，球形，发育期初为绿色，后为棕色，成熟后渐变为黑色；其果实富含精油与脂肪酸[6-10]，所含精油可作化妆品或香精的调配原料[4-5]，种子富含油脂[12-14]，可作润滑油[2]。

关于山胡椒的研究报道最早起于20世纪初的日本东京大学，记录了一些基本的药用价值。我国从20世纪50年代开展全国野生植物调查时就有山胡椒的相关报道，西北植物研究所于1972年首次从山胡椒核仁油中制得癸酸、月桂酸，随后山胡椒各个方面的研究开始陆续展开。近年来，国内外对于山胡椒的研究工作基本只有中、日、韩三国开展，主要涉及果实的精油组分与调控机制[15]，根、叶的化学成分与药理作用[6，8]，以及种子含油率与脂肪酸组分[9，13]等方面。但在形态生理和繁育技术方面，进行的研究工作较少，目前尚未有优株选育与综合评价方面的研究报道。

山胡椒果实富含油脂，属燃料油植物资源分布的第Ⅱ等级[16]，且挂果量多，含油率高。但种子空瘪率普遍较高，这很可能是由于其广泛存在的孤雌生殖现象所致[17]。高空瘪率不利于该树种的育苗，同时给种仁油脂提取工作带来不小的阻碍。因此，通过一套适用于油料树种果实的优良性综合评价法，对我国野生山胡椒资源进行良好种源选择与优选单株具有科学意义和参考价值，为以后研究山胡椒繁育技术与良种推广等工作提供新的基础和资料。

1材料与方法

于2013年3—5、8—11月份及2014年3—4、9—11月份调查选取9个地理种源、生态环境相近或相同的野生山胡椒植株，并连续两年收集经初选长势优良、病虫害较少的102棵山胡椒单株成熟果实，即安徽金寨县天堂寨(白马)国家自然保护区9株(编号A)、河南信阳市鸡公山国家自然保护区17株(编号J)、河南罗山县董寨国家自然保护区9株(编号L)、河南商城县金刚台国家地质公园15株(编号S)、河南南阳市桐柏山18株(编号N)、湖北英山县桃花冲国家森林公园7株(编号Y)、湖北英山县大别山国家自然保护区7株(编号D)、湖南望城县黑麋峰森林公园10株(编号H)和浙江临安县天目山国家自然保护区10株(编号T)。

根据油料树种果实优良性评估常选取的指标[18-21]，对收集的102棵初选野生山胡椒单株果实进行了果纵径、果横径、果鲜质量、果干质量、果实含油率、种纵径、种横径、种厚及种子质量9个指标的测定。

试验设计：采集果实大于等于500 g·株-1。利用精度为0.02 mm的游标卡尺进行果纵径、果横径以及去果皮之后的种纵径、种横径、种厚等5个指标的测量，同一样株上的果实随机选取20个测量，取平均值，重复5次。果鲜质量与果干质量2个指标是利用精度万分之一天平测定百果鲜质量与百果干质量，重复5次，分别求出单果鲜、干质量平均值；种子质量通过测定种子千粒质量，重复3次，求出单粒种子质量平均值。其中果干质量的测定先通过干燥箱60 ℃干燥72 h处理。果实含油率按照HCY-10核磁共振分析仪的使用方法及GB/T 15690-2008《植物油料含油量测定连续波低分辨率核磁共振测定法(快速法)》的要求进行测定。

试验仪器：MASTERPROOF158电子数显卡尺(德国)、OHAUS CP114电子天平(江苏苏州)、电热鼓风干燥箱(上海一恒)、HCY-10核磁共振分析仪(浙江托普)。

主成分分析法：各指标测定的数据用Office excel2007、WPS2013统计整理，并用SPSS18.0软件进行各指标的标准化处理、指标间的相关性分析以及主成分分析并综合评分排序[22-23]。果实优良性的综合得分，可由提取出的主成分贡献值(特征根)，计算出其主成分得分，再由主成分得分与客观权重(即方差贡献率)之积得出综合得分，计算公式如下：

其中：λ1为第一主成分的特征根；F1为第一主成分得分，以此类推。

模糊隶属函数法：利用模糊隶属函数法分析各指标的测定值并综合评分排序[24]。

与果实优良性呈正相关的指标参数计算公式：U(Nij)=(Nij-Nimin)/(Nimax-Nimin)。

与果实优良性呈负相关的指标参数计算公式:U(Nij)=1-((Nij-Nimin)/(Nimax-Nimin))。

果实优良性综合隶属函数值均值为：Δi=1/n∑U(Nij)。式中：Nij表示第j个单株第i个指标的平均测定值，U(Nij)为其隶属函数值(隶属度)，且U(Nij)∈[0，1]；n为测定指标类型的总数；Nimin和Nimax分别为所有评价单株的第i个指标下参数的最小值与最大值。

多样性指数：采用Shannon-Wiener多样性指数来评定不同种源地山胡椒相关性状的变异程度。计算时先进行数值性状的分级，划级方法为：首先计算参试材料总体平均数(X)和标准差(σ)，然后划分10级，从第1级[XiX+2σ]，每0.5σ为一级。每一级的相对频率用于计算多样性指数[28]，H′=-∑PilnPi。式中：Pi为某一性状第i级别内的材料份数占总份数的百分比。

2结果与分析

2.1山胡椒种实性状统计描述

通过表1可知，果纵径、果横径、种纵径、种横径与种厚这5个指标的变异系数都相对较小，分别为4.13%、5.19%、3.12%、4.12%和4.27%，说明野生山胡椒的种实形态性状变异较小，相对稳定。而果鲜质量、果干质量与种子质量这3个指标变异系数较大，分别为12.22%、12.35%和23.77%，说明在品质性状上有较高筛选价值。果实含油率这个指标作为重要的经济性状其变异系数并不大，仅为9.28%，但居群间和居群内的变异幅度都较大，分别为18.49%～44.61%和23.48%～46.02%(鸡公山居群)，可见，在种源间和种源内两个层级上，不同单株间优选高油脂山胡椒都具有一定价值。综合来看，102株野生山胡椒初选优树的主要经济性状和品质性状上具有较高的选择空间。

表1　不同地理种源山胡椒果实性状统计及方差分析

注：** 表示在0.01水平差异极显著。

2.2山胡椒种实性状相关性与多样性比较

如表2所示，山胡椒种实性状9个指标之间大多相关性极显著(p<0.01)。重要经济性状果实含油率与果纵径、果横径、果鲜质量、果干质量及种子质量5个性状分别呈极显著正相关(p<0.01)，其中与果鲜质量关系最为密切(r=0.826)，说明在以上几种性状中果干质量对果实含油率的贡献最大；而与种纵径、种横径及种厚3个性状呈负相关，其中与种横径差异显著(r=-0.192)，说明种子体积所占果实总体积的比例越大，趋向于果实含油率越低，野外调查试验中亦发现，种子所占体积比越大的越容易出现种仁空瘪现象。

表2　山胡椒果实各指标间相关性

注：*表示在0.05水平差异显著；** 表示在0.01水平差异极显著。

Shannon-Wiener多样性指数是用来描述物种个体出现的紊乱和不确定性的，多样性数值随不确定性增高而增高[28]。对9个山胡椒居群(地理种源)各性状的Shannon-Wiener多样性指数的计算，分别为果纵径2.004、果横径2.069、果鲜质量2.039、果干质量2.034、果实含油率1.836、种纵径2.089、种横径2.069、种厚2.054和种子质量2.015。分析发现其各性状的多样性指数均较大，说明其性状变异类型较为丰富且均匀度较高，但不同性状间的多样性指数仍具有一定的差异。其中，果实含油率的多样性指数仅为1.836，而其余8个性状指标的多样性指数均高于2.000。说明山胡椒果实含油率这个主要经济性状受环境因素影响的程度弱于其他性状，相对稳定保守。另外，计算得到的山胡椒各性状总多样性指数H′为2.023。其中，居群内多样性指数1.760，遗传多样性占总遗传多样性的比例达86.984%；居群间多样性指数为0.263，其所占比例仅为13.016%。

2.33种方法评价结果及比较

利用主成分分析法、隶属函数分析法与多维空间坐标综合评定值累加法3种方法分别对102株山胡椒果实进行评价，将综合排名的大致前20的编号植株列出(表3)。

由表3可知，编号为J03-30-04、L04-09-10、J09-28-02、J09-28-06、J09-27-03、J09-28-04和J09-27-04共7棵山胡椒单株通过3种评价方法进行评价后的结果排名都显示很高(都排在前十名)，说明基于种实性状优良单株的评价中其具有显著的优异性，可作为山胡椒优异种质进行编目或在良种选育推广中应用。由表4可知，通过3种评价结果筛选出来的优选单株，在9个评价指标中都较均值有增益，其中果鲜质量、果干质量、果实含油率与种子质量等重要单一性状的现实增益从8.98%到65.88%。综合看，排名前20的山胡椒单株中，地理种源为河南信阳市鸡公山的占了大部分。

主成分分析法和隶属函数法这两种评价法所得的结果，大部分结果排序非常相近，个别排序存在前后差异，但基本一致，说明这两种评价法对数据信息的分析处理相似，所得结果较贴合。而多维空间法所得的评价结果与前两种评价法的结果存在一点偏差，这是由于不同评价法在对各指标打分时的权重不同而造成的，但结果排序上很接近，说明优良性整体评定上趋势相同。综合来看，3种评价结果的总体排名趋势一致，亦说明这3种评价法对于果实优良性的综合评价都具有一定的准确性和有效性。

表39个地理种源山胡椒果实优良性状的综合评价结果(前20)

编号主成分分析法综合得分排名多维空间坐标法Pi值排名隶属函数法Δ值排名J03-30-048.806820.131110.91081L04-09-109.068710.264040.90242J09-28-027.384530.256730.83203J09-28-066.806950.228520.82344J09-27-034.820280.276250.75036A10-15-037.347740.3647110.80935J09-28-044.832970.3282100.74307J09-27-044.6040100.297880.73279J09-26-024.3908110.293670.727010L04-09-115.150160.4146150.73918J09-28-014.3509120.303990.725111J09-26-043.6436190.284360.707112T09-18-024.1460140.3970140.698314J04-01-013.8620170.3684130.698413J09-28-033.7146180.3649120.690816J09-28-054.0131160.4725200.693615A10-15-064.3210130.4828220.686317J03-30-073.5385200.4249160.674019S10-07-043.4443210.4570180.665320S10-07-073.2811230.4725190.659921

表4　山胡椒优选单株在各指标均值上的增益　%

3结论与讨论

植株的表型性状是基因与环境共同作用的结果，其表型性状变异越大，遗传变异的可能性也就越大。植物表型性状的多样性，是对其优良性状选择与良种选育的重要基础[29]。对于木本油料树种来说，种实相关性状的优良性往往是优树选择的决定因素。

本研究对我国5个省区内9个地理种源共102株野生山胡椒单株进行了连续2 a的实地调查选定与果实采集，并对测取的种实性状数据分析研究，结果表明，不同山胡椒单株在果纵径、果横径、果鲜质量、果干质量、种纵径、种横径、种厚与种子质量8个性状的多样性指数上均较高，说明这些种实性状丰富度较高；而果实含油率的多样性指数相对较低，说明其受环境因子影响的程度较弱，性状相对稳定。对山胡椒种实9个指标性状的测定分析表明，果鲜质量、果干质量、果实含油率和种子质量4个质量性状变异系数较大，具有筛选优株的价值；而果纵径、果横径、种纵径、种横径和种厚5个形态性状相对稳定，这很可能与种实不同性状间的发育程度不同有关[30]。值得注意的是，山胡椒遗传多样性占总遗传多样性的比例中，居群内为86.984%，而居群间为13.016%，这说明山胡椒居群的遗传多样性表现很可能主要集中在居群内。

经济类树种选取的最终目的是经济效益最大化，而对于木本油料树种发展潜力的大小就在于其油脂的品质和产能高低这两个重要指标。利用综合评价法对油料树种种质资源进行评价，可以快速有效地筛选出其中优良单株。但以往的优树选择研究工作中所运用的评价方法，在评价参数权重选取上各有侧重，使得评价结果往往存在某些方面的偏差。因此，本研究中利用优树选择研究常运用3种的评价方法，分别对山胡椒单株进行综合评价并对比结果，使得评价结果更加全面与可靠。另外，影响树种重要经济指标的性状众多，且部分性状之间存在不同程度地相关性，因此，使用相互差异性显著的一些性状来构建评价指标体系能够尽可能多地反映出植株的生物信息，并且数值直观，容易分析得出结果。

文中按照通过3种评价方法综合排序都处在前10名的野生山胡椒单株，筛选出基于种实性状优异的7株，编号分别为J03-30-04、L04-09-10、J09-28-02、J09-28-06、J09-27-03、J09-28-04和J09-27-04。以J03-30-04号山胡椒单株为例，其在主成分分析法中得分值位居第2，在多维空间坐标向量法和模糊隶属函数法中的分值排序都居第1，而且在果鲜质量、果干质量、果实含油率与种子质量等重要单一性状中的表现也显著优异,比如调查选取的共102株野生山胡椒这4个性状的均值分别为171.028 mg·个-1、75.590 mg·个-1、37.985 5%和35.075 6 mg·粒-1，而J03-30-04号单株的这几种性状对应值分别为238.130 mg·个-1、125.393 mg·个-1、41.688 8%和54.440 0 mg·粒-1，现实增益分别为39.23%、65.88%、9.75%和55.21%，综合来看仍然具有显著的优异性。研究结果表明，经过3种评价方法综合评定选取的这7颗山胡椒优良单株具有显著优异性，且可以作为良种选育或快速扩繁的基础材料。

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