油松24种源单萜烯组分遗传变异1)

王建义

(山西省林业科学研究院，太原，030012)



油松24种源单萜烯组分遗传变异1)

王建义

(山西省林业科学研究院，太原，030012)

从24个油松种源单株采集2年生枝条上的针叶，进行单萜烯组分分析，研究种源综合萜烯组分变异性与地理空间变异的关系。结果表明：茨烯相对质量分数在种源间的变异幅度较大，其相对质量分数的差异在油松全分布区范围内存在着显著的地理变异趋势。油松种源差异显著，可分为北部类群、中部类群、西南类群和山东类群等4个类群，类群间单萜烯组分分化显著。观察到α-蒎烯、茨烯和β-蒎烯等成分的质量分数与其种源产地经纬度有机明显的地理变异规律。

油松；单萜烯组分；遗传变异

油松林木在漫长的系统生长发育中存在着群体间的性状差异，这种表型上的性状变异来自于环境的差异和遗传上的变异综合作用的结果。油松的全分布区地理种源试验主要开展于20世纪80年代[1-4]，把全分布区的油松种源集中在一块进行种源对比试验，研究相对一致的自然环境下不同种源的变异及其遗传稳定性，并在此基础上进行种源选择是切实可行的方法。在我国，林木种源试验始于20世纪50年代[5]。

单萜类是由两个彼此联结的异戊烷(异戊二烯)单元组成碳架的C10化合物，是针叶树组织产生的含油树脂挥发部分的主要成分。单萜组分在种内各植株间有很大差异，以总单萜为基数的相对组成有很强的遗传性。因此，单萜组分的研究对了解种内遗传变异规律进行间接选择改良提供了一条新的途径[6-10]。70年代以来，国外学者利用单萜组分对主要针叶树种天然群体的地理变异进行了研究。国内对杉木萜烯组木的性状遗传也开展过研究，对马尾松不同家系间的松脂组分进行研究[11]。

油松是我国北方地区特有的分布广泛的树种，对比不同地理来源油松林分子代生长的相对优异程度，研究不同种源在单萜组分的地理变异规律，评价选择相对优异的地理种群与林分，为丰富油松地理变异的认识，指导油松群体种质的科学利用和持续改良等提供理论依据和实践参考[12-13]。

1 材料与方法

1.1 采样和处理

用于单萜烯组分测定的样本，来源于吕梁林局上庄油松种子园全分布区油松24种源试验林。这些种源的地理位置见表1，样品收集在2002年进行，从各种源单株树上采集2年生枝条上的针叶，剪碎后加入等量丙酮，密封24 h后随即进行单萜烯组分测定。每种源采单株15株，采样及测试在10 d内完成。

1.2 测试条件

仪器为GC9A日本岛津产气象色谱仪；载气(氢气)42 cm/s；色谱柱BP20/25 m×0.53 mm；柱温80 ℃恒温；汽化室150 ℃；数据处理机CR4A。用测算色谱图峰面积的方法，计算以萜烯总量为基数的各组分质量分数，以百分率表示。

1.3 数据分析

表1 全分布区油松24种源地理位置

2 结果与分析

2.1 萜烯组分的种源变异

经气谱分析发现油松树脂挥发性物质有6种单萜类组分，结合质谱分析鉴定出4种单萜物质，分别为α-蒎烯、茨烯、β-蒎烯和蒙烯，另有两种质量分数较少的组分尚待进一步鉴定。从表2可见，油松种群单萜类总量中α-蒎烯的质量分数最高(占61.09%)，其次为β-蒎烯(19.841%)，茨烯、蒙烯组分质量分数较低(分别为6.87%和6.73%)。在整个油松种群中，蒙烯的变动系数最大，达77.3%，α-蒎烯变动系数最小，仅为16.9%。α-蒎烯相对质量分数最高值为陕西宁陕种源(70.115%)，最小值为宁武种源(52.788%)，该组分在种源内变异最大值出现在陕西宁陕(27.9%)。茨烯最大值为内蒙古宁城种源(8.95%)，宁陕种源最小(2.84%)，该组分在宁陕种源内变异最大(72.5%)。β-蒎烯相对质量分数最大的种源为河南台(30.21%)，最小值为河北迁西种源(14.978%)，陕西宁陕种源内变异系数最大(80.3%)。蒙烯最大值为山西文水种源(7.89%)，最小值为陕宁陕种源(3.04%)。种源内该组分变异最大值为内蒙古乌拉山种源(200%)。

对各组分的方差分析表明，α-蒎烯、茨烯组分相对质量分数的差异在种源内达极显著水平，β-蒎烯达显著水平，各种源间蒙烯质量分数没有显著差异(见表3)。

表2 油松24种源单萜烯组分均值和变动系数

表3 油松种源单萜组分方差分析结果

注：** 表示在1%水平差异极显著；*表示在5%水平差异显著。

从4种单萜烯组分在种源间与种源内的方差分量来看，蒙烯的相对质量分数在种源间差异仅占2.54%，α-蒎烯和β-蒎烯相对质量分数虽然在种源间存在极显著和显著差异，但在种源间的变异程度也不是太大(分别占总变异的5.62%和4.78%)。茨烯相对质量分数在种源间的变异幅度较大(占总变异17.1%)。这3种组合可望在研究油松种源的变异中发挥较大作用。

2.2 萜烯组分与地理因素的相关性

种源间存在显著差异的3种组分(α-蒎烯、茨烯、β-蒎烯)与地理因子(经度、纬度和海拔)的相关系数见表4。

表4 单萜烯组分与地理因子的相关系数

注：** 表示在1%水平差异极显著；*表示在5%水平差异显著。

结果表明，相对质量分数最高的α-蒎烯与地理因子的均不存在显著的相关关系；茨烯与经、纬度相关极显著，与海拔呈负相关，但没有达显著水平；β-蒎烯与纬度呈显著负相关，与经度、海拔相关不显著。从相关分析可知，茨烯的相对质量分数的差异在油松全分布区范围内存在着显著的地理变异趋势。

2.3 油松种源化学类群划分

为了探索油松种群在单萜组分方面总的地理趋势，采用主成分分析来寻求3种单萜组分在纬度、经度、海拔等三维空间的变异格局。第一对典范变异ξ1和η1的典型相关系数为0.781 2，表明单萜组分变量与地理因子是相关的。表5列出了各典范变量的特征及累积信息量。可以看出，前二对典范变量的累积信息量已达94.6%，表明前二对变量中研究组分的地理变异已能代表所有变量的状态。

表5 典范变量的特征与累积信息量

特征方程为：

X—特征方程ξij=0.046 2x1-0.004 3x2+0.048 5x3。

Y—特征方程ηij=-0.016 9y1(经度)-0.018 4y2(纬度)+0.000 01y3(海拔)。

利用ξ1和η1变量为轴，画出24个种源的排序图(图1)。由图可见，各种源在由ξ1和η1构成的二维平面上呈明显的簇聚状分布状态，并且这种状态与各种源的地理位置存在着密切的关系。根据各种源第一对典范变量构成的排序图中的簇聚状态及只有地理相邻的种源才能归为一类的原则，将油松整个种群划分为4个化学类群。ξ1变量为负值，η1变量值也最小的类群为北部类群。它包括处于油松分布区东北位置的所有辽宁、河北、内蒙古东部的种源。ξ1为负值，η1为正值，但值较小(0.1以下)的为中部类群，为山西和内蒙古西部种源。ξ1为正值，η1值在0.1以上的为西南类群，包括了位于油松分布区西部和南部的种源。在排序图上山东种群的位置居以上3类群中部，单独划分为山东类群。

图1 油松24个种源CA排序图(第一对典范变量)

2.4 类群间单萜烯组分检验结果

表6列出了油松4个化学类群的单萜烯组分值和变动系数。表7为类群间单萜烯组分t—检验结果，从均值表和差异检验结果看，北部类群和中部类群除β-蒎烯组分差异显著外，其余组分均没有差异。北部类群与西南类群分化最大，除α-蒎烯外，其余组分均存在显著差异。中部类群与西南类群茨烯组分差异显著，其余组分不显著。从t检验分析看，北部类群与西南类群分化强烈，中部类群与山东类群处于过渡状态，中部类群较接近于北部类群，而山东类群接近于西南类群。这种在较大区域间才显示出分化的特性，可能是由化学特性的进行具有相对的独立性。所受的自然选择压力较小的缘故。

表6 4个类群单萜烯组分值与变动系数

表7 油松化学类群间t-检验分析表

注：*表示在5%水平差异显著；** 表示在1%水平差异极显著。

3 结论与讨论

油松种群单萜类总量中α-蒎烯的质量分数最高，其次为β-蒎烯，茨烯、蒙烯组分质量分数较低，且有明显的地区性差异，蒙烯的相对质量分数在种源间差异仅占2.54%，α-蒎烯和β-蒎烯相对质量分数虽然在种源间存在极显著和显著差异，但在种源间的变异程度不大。茨烯相对质量分数在种源间的变异幅度较大。不同萜烯组分有不同的地理变异模式[14-17]。这3种组合可望在研究油松种源的变异中发挥较大作用。

油松划分为4个化学类群中，北部类群与西南类群分化最大，除α-蒎烯外，其余组分均存在显著差异。中部类群与西南类群茨烯组分差异显著，其余组分不显著。从t检验分析看，北部类群与西南类群分化强烈，中部类群与山东类群处于过渡状态，中部类群较接近于北部类群，而山东类群接近于西南类群。这种在较大区域间才显示出分化的特性，推测是由化学特性相对的独立性。所受的自然选择压力较小的缘故。

油松化学类群的划分，丰富了对该树种的地理变异规律的认识。各类群单萜组分的特性，为利用单萜烯组分初步判别种源的地理来源提供了基础[18]。茨烯组分差异极显著，与地理因子关系密切，可作为遗传标志在遗传育种工作中应用。当然，尚需对油松单萜类的遗传特性做深入的研究，仍需鉴定油松其它单萜烯组分的化学结构。

[1] RAHI A A, BOWLING C, SIMPSON D. A red pine provenence test in northwestern Ontario: 48-year results[J]. The Forestry Chronicle,2010,86(3):348-353.

[2] WHITE T L, ADAMS W T, NEALE D B. Forest genetics[M]. London: CABI Publishing,2007.

[3] LEITES L P, REHFELDT G E, ROBINSON A, et al. Possibilities and limitations of using historic provenance tests to infer forest species growth responses to climate change[J]. Natural Resource Modeling,2012,25(3):409-433.

[4] REINHARDT K, CASTANHA C, GERMINO M, et al. Ecophysiological variation in two provenances of Pinus flexilis seedlings across an elevation gradient from forest to alpine[J]. Tree Physiology,2011,31(6):615-625.

[5] JUDZENTIENE A, STIKLIENE A, KUPCIN-SKIENE E. Changes in the essential oil composition in the needles of scots pine (PinussylvestrisL.) Under Anthropogenic Stress[J]. The Scientific World Journal,2007,7(S1):141.

[6] 徐化成,唐谦.油松地理变异的初步研究[J].北京林学院学报,1984(2):57-72.

[7] 王举位,裴淑玮,王宇,等.油松排放单萜烯生成O_3的变化特征及潜势研究[J].环境科学与技术,2010(S2):125-128.

[8] 关槐.单萜烯的超临界液相色谱法研究[J].江西化工,2003(4):115-117.

[9] 陈静,陈丽华,余新晓,等.夏季油松及侧柏单萜烯变化规律及二次有机气溶胶生成潜势的估算[J].水土保持学报,2016,30(1):331-336.

[10] 吕迪，王得祥，谢小洋,等.油松释放萜烯类挥发性成分研究[J].西北林学院学报,2016,31(1):231-237.

[11] 李彦杰，栾启福，沈丹玉,等.湿地松自由授粉家系松脂组分遗传变异研究[J].林业科学研究,2012,25(6):773-779.

[12] 张龙娃,刘柱东,姚剑.油松萜烯成分变化与红脂大小蠹的反应特性[J].应用昆虫学报,2009,46(2):249-255.

[13] 刘永红,杨培华,韩创举,等.油松不同种源种实性状的变异分析[J].浙江农林大学学报,2008,25(2):163-168.

[14] 张新波,李悦,袁虎威,等.山西油松天然林分21年子代生长性状遗传变异研究[J].北京林业大学学报,2014,36(3):104-109.

[15] 张锁,樊军锋,刘永红,等.陕西省油松不同种源和家系苗期性状的遗传变异分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2010,38(4):64-70.

[16] 李世杰,吕德勤.油松地理种源—林分—家系3水平的苗期遗传变异分析[J].林业实用技术,1995(1):25-26.

[17] 张新波,刘海荣,毕理智,等.21年生油松种源性状变异和选择的研究[J].山西林业科技,2013,42(1):20-23.

[18] 曾一荤,胡先菊.华山松单萜和倍半萜组分的地理变异[J].林业科学,1992,28(2):161-166.

Genetic Variation of Chinese Pine 24 Source by Monoterpene Component Analysis//

Wang Jianyi
(Shanxi Academy of Forestry Seciences, Taiyuan 030012, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(6)：22-25.

Pinustabulaeformis; Monoterpene components; Genetic variation

王建义，男，1983年6月生，山西省林业科学研究院，工程师。E-mail:kanry086@163.com。

2016年12月16日。

S722.3+3

1)山西省科技计划项目(20130311023-1)。

责任编辑：潘 华。

With two-year shoots of needles from 24 provenances of Chinese pine tree, by monoterpene component analysis, we studied the relationship between a source component variant specific integrated terpene and geographical space. Camphene relative content variation among provenances was larger, and there was significant geographical variation trend for the relative content in a significant range of the distribution area ofPinustabulaeformis. There are significant differences between provenances ofP.tabulaeformis, which can be divided into four groups including the northern group, the central group, the southwest group and the Shandong group, and the groups of monoterpene components are significantly differentiated. There is obvious geographic variation between the contents ofα-pinene, camphene andβ-pinene and other ingredients, and the latitude and longitude of the origin source.