薄壳山核桃17个家系种子性状和子代苗期性状变异及初步选择

潘平平1,， 窦全琴1， 谢寅峰， 汤文华

(1.江苏省林业科学研究院， 江苏 南京 210014； 2.南方现代林业协同创新中心，南京林业大学生物与环境学院， 江苏 南京 210037)

薄壳山核桃(Caryaillinoensis)又名美国山核桃、长山核桃、碧根果，属胡桃科山核桃属植物[1]，是世界著名的干果树种。因其坚果壳薄、个大、产量高、出仁率高、取仁容易，果仁味香，营养丰富，含油脂、蛋白质、碳水化合物和对人体有益的各种氨基酸[2]，深受人们喜爱。它原产美国和墨西哥北部[3]，我国在19世纪末开始引种栽培在江苏、浙江、云南、陕西、安徽、江西和湖南等地[4]，但在多数地区至今未实现产业化生产，其中优良品种选育、优质苗木供应和高效栽培技术的滞后阻碍了其产业规模化发展[5]。目前我国对薄壳山核桃的研究主要侧重于引种栽培、适生性、繁殖技术、营养成分、根系生长发育等方面[6-8]，李永荣等[9]对薄壳山核桃实生单株开展了果实性状变异测定及选择改良研究；在优良植株方面李永荣等[10]初步筛选出了一些大果型、高出仁率和综合性状好的优株，但关于薄壳山核桃不同家系种子性状及子代幼苗生长情况方面的研究尚少。因此，本研究以薄壳山核桃不同家系种子及其子代幼苗为试验材料，通过对薄壳山核桃种子性状如种长、种宽、长/宽、种壳厚、出仁率和发芽率等指标的对比、幼苗生长情况的分析，以期能够了解薄壳山核桃不同家系种子性状以及与幼苗生长之间的关系，同时综合筛选出表现较优的植株，为薄壳山核桃良种选育和优良单株的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于江苏省林业科学研究院苗圃基地进行。供试材料为从云南省林业科学研究院漾濞核桃研究所引进的17个薄壳山核桃优树自由授粉家系种子，具体信息见表1。种子于2017年2月25日进行沙藏催芽处理，4月20日开始发芽，于5月6日移栽上盆，容器为20 cm×32 cm(上口径×高度)的美植袋，基质为体积比4∶3∶2∶1的园土、菌渣、泥炭和有机肥。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，每小区20株苗，3次重复，每个家系60株，所有幼苗进行日常的除草、喷灌及病虫害防治等措施培育管理。

1.3 种子基本形态和幼苗生长的测定

种子形态测定：将每个家系种子随机分成3个区组，每个区组随机选取20粒，用精确度为0.01 mm的电子游标卡尺测量种子的长轴直径即为种长，短轴直径即为种宽，长/宽=种长/种宽；将种子用电子天平称量重量即为种重，然后将其敲破，测量种壳厚度；从敲碎的种子中将仁取出，称量仁重，计算出仁率(%)=(仁重/种重)×100%；从每个区组中随机选取100粒种子称量其重量即为百粒重；从沙藏的种子中每个家系随机选取50粒种子，重复3次，统计发芽的种子数，计算发芽率(%)=(发芽种子数/供试种子总数)×100%。

苗高、地径及生物量测定：于2017年10月30日从每小区随机取20株苗，测定苗高和地径，结果取平均值。之后每小区随机取5株苗，把根系从育苗袋中完整取出，用自来水将植株表面基质冲洗干净，分为根、茎、叶3部分，于80 ℃下烘干至恒重，称量测定各部分干重生物量；计算根冠比=根干重(g)/[叶干重(g)+茎干重(g)]。

表1 17个薄壳山核桃家系信息

编号家系名称特性1Choctaw雌先型,果熟期10月26日。坚果大,品质好,壳薄。2Moreland雌先型,果熟期10月15日。坚果质量极好,抗皮痂病。3Caddo雄先型,果熟期10月3日。坚果足球型,极易去壳,高产,极抗皮痂病。4Kiowa雌先型,果熟期10月26日。坚果大,质量好,抗皮痂病。5Oconee雄先型,单果重9.5g,出仁率56%,壳薄。6Tejas雌先型,果熟期10月底11月初。果实椭圆形,部分长圆形,果实中等大小、壳薄。7Maramec雌先型、单重种6.94g,出仁率59%8Kanza雄先型,单果重4.7g,出仁率53%。9G.Grande雌先型,果熟期10月10日。极抗皮痂病10Summer雌先型,果熟期10月24日。坚果大小中等,抗皮痂病。11Melrose雌先型,果熟期10月15日。坚果质量极好,极抗皮痂病。12Surprise雄先型,单重种4.75g,出仁率51%13Colby雌先型,果熟期9月28日。14Mahan雌先型,果大、长,壳薄,大小年现象明显。15Pawnee雄先型,早熟,坚果大,花粉成熟早,需人工授粉,较抗皮痂病,比其他品种抗蚜虫病。16金华雌雄同步型,单重种6.45g,出仁率50%17绍兴雌先型,单重种4.43g,出仁率46%

1.4 数据分析

数据采用Excel 2013软件整理，DPS 16.05软件对试验所测的数据进行相关性和主成分分析，采用单因素随机区组试验统计分析法和新复极差法比较不同数据组间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同家系种子性状及发芽率的差异

薄壳山核桃17个家系种子性状6项指标和发芽率测定结果见表2。从表2可以看出，不同家系种子形态存在差异，种子长度为3.03～5.83 cm，其中家系14号种子最长，高出平均值92.41%，家系17号最小，低于平均值25%；种宽在1.76～2.53 cm之间，大多数家系的种宽值高于平均值；长/宽可以表示种子的外形，长/宽的值越大，说明种子越狭长，该指标通常与种壳厚度结合，用来表示种子的破壳难易程度，长/宽的值越大，种壳厚度越小，说明种子越容易破碎，其中家系6号和11号的长/宽的值较大，种壳厚度值较小，在生产加工过程中破壳容易，易于食用。

表2 种子性状和发芽率差异

编号种长/cm种宽/cm长/宽种壳厚/mm百粒重/kg出仁率/%发芽率/%14.11cd2.09ef1.96e0.94defg0.54e60.43ab47.97cde23.61g1.93gh1.86f0.83gh0.42gh54.42defg38.55ef33.89ef1.76k2.21bc0.92efg0.38ij53.03efg44.65de44.25c2.17d1.94e1.07bcde0.64c62.80a51.33bcde54.45b2.09ef2.15cd0.82gh0.55e56.44bcdef48.67cde64.03de1.83ij2.25ab0.84fgh0.36j51.30g48.67cde74.49b2.03f2.21bc0.97defg0.66c58.77abcd64.92ab83.42h1.97g1.78fg1.14bc0.45g52.53efg27.25fg93.81f2.26c1.72g1.16b0.55e51.77g55.42bcd104.03de2.09ef1.94e1cdef0.60d58.97abc62.10abc113.96def1.88hi2.12d0.76h0.40hi56.97bcde71.58a123.56gh2.45b1.46h0.98cdefg0.51f55.07cdefg61.73abc134.22c1.82jk2.32a1.31a0.43gh42.40h52.68bcde145.83a2.53a2.31a1.04bcde0.96a52.07fg23.86g154.26c2.46b1.73g1.10bcd0.86b55.50cdefg55.39bcd163.83f2.13de1.8fg1.03bcde0.64c58.07bcd29.21fg173.03i2.05f1.47h1.0cdef0.44g52.33fg55.65bcd平均值4.042.091.950.990.5554.8749.39CV(%)2.181.632.057.203.113.8811.85

注：同列数据后不同字母表示差异达5%显著水平。下同。

百粒重和出仁率是衡量薄壳山核桃种子的重要指标[11]，各家系种子百粒重和出仁率差异较大，百粒重为0.36～0.96 kg，平均百粒重为0.55 kg，其中家系14号和15号的百粒重高达0.96 kg和0.86 kg，而家系6号只有0.36 kg；从出仁率方面来看，薄壳山核桃各家系的种子较饱满，除家系13号外，各家系的出仁率均在50%以上，其中有2个家系的出仁率在60%以上。生产中种子发芽率是衡量种子质量好坏的重要指标，试验中有9个家系的种子发芽率在50%以上，并且它们的出仁率也较高，其中家系11号的种壳厚度仅为0.76 mm，发芽率高达71.58%。不同家系种子变异系数中，种长、种宽、长/宽、百粒重和出仁率的变异系数较小，均在5%以下，种壳厚和发芽率的变异系数较大，说明薄壳山核桃种壳厚和发芽率存在较丰富的变异。

2.2 不同家系子代幼苗生长的差异

对不同家系子代幼苗的生长指标进行方差分析，结果(表3)表明，不同家系子代幼苗的苗高、地径、根干重、茎干重、叶干重和根冠比差异显著(p<0.05)。其中，苗高的变幅为31.23～59.9 cm，较大的是家系3号、4号、6号和7号，较小的是家系5号、11号、14号和16号。地径的变幅为0.61～0.82 cm，表现较优的是家系3号、4号、7号、9号、12号和17号，较差的是家系5号、10号和14号。生物量中家系1号、3号、8号、10号、11号、14号、15号和17号的根干重较大并且家系1、3和8号的茎干重和叶干重也较大。根冠比是反映植物生长状态的指标之一，反映了植物地下部分与地上部分的相关性，家系1号、5号、8号和11号根冠比较大说明这些家系子代幼苗的地下部分生长量过大，地上部分生长量相对较小，家系4号、6号和12号的根冠比较接近1，说明这些家系子代幼苗的地下和地上部分生长较均衡。不同家系子代幼苗变异系数从大到小依次是茎干重>叶干重>根干重>根冠比>苗高>地径，其中地径的变异系数最小(仅为4.91%)，茎干重的变异系数最大(为17.26%)，说明，不同家系子代幼苗在生长过程中，粗生长变化不大，茎生物量变异较大。

2.3 种子性状与苗期生长相关性分析

种子的发芽率和苗期生长与种子的性状存在一定的关系，但已有的报道认为，植物不同，种子形态也不同。不同家系种子性状与发芽率及子代苗期生长相关性见表4。从表4可以看出，种长、长/宽与发芽率存在负相关性，说明种子越圆越有利于萌发，但相关性不显著。百粒重与种长和种宽存在极显著正相关性，说明种子越长越宽，种子越大。地径与种长存在显著负相关性，说明种子越长对幼苗地径的生长越不利。壳厚与叶干重的相关系数较大，说明种壳越厚越有利于叶生物量增加。

表3 苗期生长差异

编号苗高/cm地径/cm根干重/g茎干重/g叶干重/g根冠比148.90bcde0.77abcd57.05a9.95ab7.77fg3.24a251.10bcd0.71de26.11b5.53fgh8.40def1.89cde359.90a0.79abc29.35b9.08abc11.02bcdef1.48efg459.10a0.82a24.37bc11.15a14.95a0.93h531.23h0.64fg22.82bc3.16h4.12h3.14a656.03ab0.73bcde20.82bc7.11cdef11.64abcde1.11fgh756.73ab0.82a24.33bc8.12bcde10.81bcdef1.28fgh846.47cdef0.75abcde58.58a10.17ab13.63ab2.47b953.70abc0.82a26.65b8.61bcd12.01abcd1.29fgh1046.83cdef0.68efg27.58b5.72efg11.97abcd1.56efg1137.13gh0.72cde27.91b3.99gh7.83fg2.34bc1254.17abc0.82a23.44bc9.11abc13.00abc1.09gh1344.90def0.73bcde20.76bc6.58def10.69bcdef1.20fgh1439.77fg0.61g28.91b5.66efg7.42fgh2.22bcd1542.40efg0.77abcd28.68b5.00fgh8.20efg2.17bcd1635.13gh0.71def15.35c4.73fgh4.76gh1.63ef1750.63bcd0.80ab28.41b6.26defg9.62cdef1.82de平均值47.890.7428.897.069.871.82CV(%)9.014.9115.8817.2617.0114.17

表4 种子性状与子代苗期生长的相关性

指标种长种宽长/宽壳厚百粒重出仁率发芽率种宽0.39长/宽0.68**-0.41种壳厚0.010.27-0.18百粒重0.71**0.81**0.030.28出仁率0.040.24-0.19-0.370.27发芽率-0.26-0.04-0.19-0.04-0.230.19苗高-0.28-0.19-0.110.13-0.300.030.24地径-0.53*-0.04-0.470.34-0.260.130.46根干重-0.14-0.04-0.140.01-0.080.13-0.19茎干重-0.20-0.02-0.170.34-0.160.13-0.01叶干重-0.28-0.08-0.180.43-0.24-0.070.22根冠比0.150.070.05-0.390.130.20-0.21

注：“**”表示0.01水平上的极显著相关性，“*”表示0.05水平上的显著相关性。

2.4 薄壳山核桃种子性状与苗期生长综合评价

对17个家系种子性状和子代幼苗的13个指标进行主成分分析(见表5)，结果表明，第1主成分的贡献率较高，为33.03%，其中苗高、地径和叶干重有较大的特征正向量值，种长和根冠比有较大的负向量值；第2主成分的贡献率为17.75%，其中种宽和百粒重有较大的正向量值；第3主成分的贡献率为14.77%，其中出仁率、根干重和根冠比有较大的正向量值，长/宽有较大的负向量值；第4主成分的贡献率为12.46%，其中发芽率有较大的负向量值，根干重有较大的正向量值；第5主成分的贡献率为9.98%，其中种壳厚有较大的负向量值，出仁率有较大的正向量值；前5个主成分的累积贡献率达到87.99%，说明前5个主成分基本概括了家系种子性状和子代幼苗生长的13个指标的主要信息。

上面5个主成分中，如果向量值为正且值较大，说明此成分对该主成分的正向影响越大；如果向量值为负且值较大，说明此成分对该主成分的负向影响越大。主成分分析可以有效比较不同家系间种子性状和子代幼苗生长状况的综合质量，对良种和优良子代植株的选择及开发利用有较大的应用价值。

用Z1、Z2、Z3、Z4、Z5分别代表这5个主成分，X1、X2、X3、 ……X11、X12、X13分别代表13个指标，可得到如下的线性方程：

表5 初始因子载荷矩阵

指标第1主成分第2主成分第3主成分第4主成分第5主成分种长-0.290.32-0.260.220.34种宽-0.100.570.17-0.20-0.08长/宽-0.19-0.13-0.410.360.39种壳厚0.170.38-0.210.10-0.46百粒重-0.220.570.01-0.020.09出仁率-0.020.130.42-0.180.57发芽率0.18-0.080.04-0.470.25苗高0.410.04-0.100.110.29地径0.420.080.12-0.130.04根干重0.06-0.010.490.52-0.09茎干重0.370.170.120.380.14叶干重0.410.13-0.110.170.06根冠比-0.30-0.120.470.21-0.06方差贡献率/%33.0317.7514.7712.469.98方差累积贡献率/%33.0350.7865.5578.0187.99

Z1=-0.29X1-0.1X2-0.19X3+0.17X4-0.22X5-0.02X6+0.18X7+0.41X8+0.42X9+0.06X10+0.37X11+0.41X12-0.3X13；

Z2=0.32X1+0.57X2-0.13X3+0.38X4+0.57X5+0.13X6-0.08X7+0.04X8+0.08X9-0.01X10+0.17X11+0.13X12-0.12X13；

Z3=-0.26X1+0.17X2-0.41X3-0.21X4+0.01X5+0.42X6+0.04X7-0.1X8+0.12X9+0.49X10+0.12X11-0.11X12+0.47X13；

Z4=0.22X1-0.2X2+0.36X3+0.1X4-0.02X5-0.18X6-0.47X7+0.11X8-0.13X9+0.52X10+0.38X11+0.17X12+0.21X13；

Z5=0.34X1-0.08X2+0.39X3-0.46X4+0.09X5+0.57X6+0.25X7+0.29X8+0.04X9-0.09X10+0.14X11+0.06X12-0.06X13。

同时，分别以第1、2、3、4、5主成分对应的方差贡献率a1、a2、a3、a4、a5作为权重系数，构建的综合评价模型为：C=a1Z1+a2Z2+a3Z3+a4Z4+a5Z5。

将17个家系种子性状和子代幼苗的13个性状指标的试验数据代入对应的表达式中，得到各家系的综合得分值(C值)，见表6。不同家系种子性状和子代幼苗生长的综合评价为：家系1>家系8>家系4>家系3>家系7>家系12>家系9>家系10>家系17>家系6>家系2>家系15>家系11>家系14>家系13>家系5>家系16。

3 结论与讨论

通过家系间种子性状变异分析发现，薄壳山核桃家系间存在丰富的变异，为优良家系的选育和推广提供了理论基础。且种壳厚与发芽率的变异系数高于种长、种宽、长/宽、百粒重和出仁率，说明对种壳厚和发芽率的选择效果更好。种壳厚与叶干重有较大的相关系数，与发芽率和根干重的相关系数较小；发芽率与地径有较大的正相关性，说明发芽率高的种子产生的幼苗地径生长情况较好；地径与种长呈显著负相关；已有研究表明，圆形的种子比长形种子的出仁率更高[12]，然而，吴文龙等研究表明，薄壳山核桃出仁率与长宽比相关性不显著[13]，本试验结果也显示，出仁率分别与种宽和长宽比呈弱的正或负相关，没有达到显著水平，可见，出仁率与种子长还是圆关系不稳定，物种不同，种子性状之间的关系也不同，有待于进一步研究。

种子是植物物种延续的生命载体，种子大小是影响种子萌发的主要因素之一。研究表明，在同一物种内种子大小能够影响种子的萌发能力，直接影响幼苗的建成，最终影响整个群落的结构[14-15]。种子大小对幼苗生长发育也有很大的影响，种子相对较大的幼苗生长快，幼苗较高[16]，大种子产生的幼苗保持有较大的生长优势而发育成较大的植株[17]。Harper等认为，在早期，从大种子长出的幼苗通常比小种子长出的幼苗大[18]；柯文山等的研究结果显示，种子大小明显地影响幼苗的初始大小和幼苗的生长高度[19]。但是也有研究指出，较大的种子不一定产生较大的幼苗，如云杉(Piceaasperata)的种子比落叶松(Larixgmelini)的种子大，但是落叶松的幼苗大小则是云杉幼苗的1倍以上，这可能与一些物种的生长特性相关[20]。结果表明：家系14号和15号的种长、种宽和百粒重较大而幼苗苗高和地径却相对较小。

表6 不同家系种子性状和子代幼苗生长的综合得分值

编号Z1Z2Z3Z4Z5C排序136.459.8351.045.3560.8428.181232.489.6731.53-5.2756.8922.2511339.2710.5031.49-1.8660.0425.354442.0612.7233.14-8.1968.0426.963521.987.8933.49-13.9254.0617.4316637.499.7326.60-8.9759.5422.9910741.139.6432.39-17.1968.7424.985833.7511.4646.8820.8848.7927.622939.459.5030.86-10.6461.0124.1871036.369.0734.88-16.0664.3823.3781131.676.4336.09-22.2562.3420.59131242.069.3931.12-17.7465.9324.7061333.137.6924.10-10.7752.1819.86151423.7711.3232.023.3748.8819.98141530.868.9934.73-11.7158.2321.43121621.1610.3529.08-8.4751.9617.39171737.187.9832.90-13.1460.2623.099

植物在幼苗阶段，其生长的最佳状态是将更多的资源分配给叶、茎和根的功能组织，通过叶面积、茎高度和根生物量的增加来获取更多的资源以达到更大的生存适合度。Coomes等提出，较大种子产生的幼苗可能存在较大的根冠比[21]；Lloret等的研究也表明，不同物种根生物量的分配与种子大小显著相关，试验中家系14号和15号的种子较大，百粒重较重，根冠比也较大[22]，这与Loret的研究结果一致。然而，试验中家系1号、5号、8号和11号的百粒重较小属于小种子却也有很大的根冠比，这可能是因为不同家系子代幼苗对环境的适应性不同，通过适当改变其地上和地下生物量分配来维持植物的整体生长，提高其对环境的适应性，具体的原因还需进一步探讨研究。

为筛选出综合表现较优的家系子代幼苗，本研究采用主成分分析法进行种子性状和幼苗生长综合比较，综合考虑多个指标的表现，初步筛选出家系1号、8号、4号、3号、7号、12号和9号表现较优的子代。但是本研究只分析了1年的试验数据，在后续的研究中应连续多年取样测定来进行综合评价，虽不全具有代表性，但本研究结果也代表了不同家系子代幼苗在江苏地区的适应性，具有一定的地域特色性。