构树不同种源种子性状地理变异及其趋势分析

(华南农业大学林学与风景园林学院/广东省森林植物种质创新与利用重点实验室/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广东 广州 510642)

构树(BroussonetiaPapyrifera(L.)Vent.)为桑科(Moraceae)构树属(Broussonetia)植物，落叶乔木，具有速生、适应性强、分布广、易繁殖、热量高、轮伐期短的特点。其根系浅，侧根分布很广，生长快，萌芽力和分蘖力强，耐修剪，抗污染性强[1,2]。集中分布于我国19～39°N，100～121°E。除我国外，在日本、马来西亚、印度、泰国、缅甸、越南、韩国、太平洋诸岛、中东和欧洲也均有分布[3]，由于分布广，种源之间在性状上可能存在较大的遗传变异[4-6]。

同一树种不同种源的地理变异与采种点经纬度和海拔的关系可通过多元回归拟合曲面方程揭示各性状的变异趋势[7]。目前国内对种子种源地理变异研究有很多，陈晓阳等[8-10]对侧柏不同试验点对种源的越冬枯死率、一年生苗高、苗高/主根长、总根长等性状进行了趋势面分析，得出了不同性状在种源间的地理变异规律；廖博勇等[11]对分布区70个苦楝种源作果核和种子8个表型性状的地理变异进行了趋势分析；邓波等[12]对12个种源33个家系青钱柳的生长和黄酮积累进行了趋势分析以及聚类分析。这些研究表明，趋势面分析和聚类分析是解释地理变异规律的有效工具。

目前，人们对构树的研究多关注于其繁育、资源开发、生理化学和遗传多样性等方面，而对其天然形态地理变异和果核及种子性状地理变异的相关研究较少。虽然以前对构树种源果核形态和种子性状地理变异曾有过类似研究，但是有种源范围不够广泛，采种地点较少，母树不够代表性的局限性。本研究加大了构树种源的采集范围，对21个省份42个构树种源的种子表型性状进行观测，再使用多种统计分析软件进行数据分析，通过分析其地理变异探索构树种源地理变异规律。旨在揭示构树种子在中国的地理变异规律及其气候生态学基础，为我国构树的种源地理类群划分，造林用种，区划种子的调拨范围提供严谨科学的实验依据。另外，由于人口剧增带来的生态环境压力，导致物种的遗传多样性在慢慢地丧失，研究构树种源地理变异有助于保护构树的基因多样性，完善构树基因库，因此研究具有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料的采集

根据构树在中国的分布区域和分布点的均匀性，确定构树种子采种点[13]。因构树的人工林较少再加上调查分析，可以保证采种点的构树属于当地起源。采种母树应达到正常的开花结实年龄，生长正常且无明显病虫害。为了避免亲缘关系和个体偶然性的影响，要求每个采种点的采种母树不少于30株，母树之间距离大于100 m。2017—2018年从21个省(区、市)的42个地点采集构树种子，每个采种点采种母树供试种源的种子是30 株母树种子混合组成，平均取各采种点母树种子均匀混合组成种源材料。各地区种源编号、具体采种点地理位置见表1，地理因子中经度、纬度和海拔的数据均为采种点GPS记录数据。

表1 构树种子性状观测的种源信息

1.2 试验材料与观测方法

采集的种子洗净晾干，然后将种子装入真空密封袋中，放置于4 ℃的低温种子存储柜中保存。将每个种源种子按30株母树种子均匀混合，每个种源随机抽取30粒种子，由于构树种子体型小，质量轻，在体式显微镜下观测种子长(种子最长)、宽(种子长垂直的最长)、厚(与种子长、宽均垂直)，精确到0.001 mm。种子千粒重采用电子天平进行测量，每个种源随机抽取1 000粒种子进行测量，重复3次，精确到0.000 1 g。

1.3 试验数据的统计分析方法

采用Excel软件计算出各项数据的平均值，采用SAS 9.0软件对种源间性状的差异进行方差分析、聚类分析[14]，并对各种源性状与采种点地理因子进行多项式回归分析[13]。在多项式回归计算中，将各性状回归拟合系数控制在0.5以上，系数最高且各多项式分项系数都达到显著水平以上的回归方程作为最优回归方程。将试验点各种源海拔平均值代入各性状最优回归方程中，采用Surfer 13.0软件做各性状与经度、纬度趋势面图；再用试验点各种源经纬度平均值代入最优回归方程，采用Excel软件做各性状与海拔趋势曲线图。经度、纬度和海拔为采种点GPS记录数据。

2 结果与分析

2.1 不同种源各性状变异幅度与方差分析

由表2可知，不同种源在种子的长、宽、厚和千粒重上均有明显差异。其中，种源间种子长的变异幅度为0.918 0～1.257 0 mm；种子宽为0.804 0～1.134 0 mm；种子厚为0.621 0～0.836 0 mm；千粒重的质量为1.875 0～3.589 2 g。各性状中变幅占均值比值最大的是千粒重，为0.692 6，其次是种子宽、种子长，种子厚的相对极差最小，为0.301 8。

经方差分析(表3)，各种源间构树种子长、宽、厚、千粒重存在显著性差异。F值大小顺序为千粒重(253.91)>种子长(45.26)>种子厚(15.82)>种子宽(1.97)。4个性状中千粒重的重复力最高(99.6%)，种子宽最低(49.2%)。说明种子长、种子厚、千粒重这3个性状差异由遗传控制较强。

2.2 各种源性状与地理因子多项式趋势面分析

2.2.1种子各性状与经纬度的多项式趋势面分析

将种子的长、宽、厚以及千粒重与采种点经纬度和海拔作1～4多项式回归分析，结果(表4)表明：4个性状中，种子长、厚、千粒重3个性状拟合系数都在0.5以上，可用于分析性状变异的地理趋势。种子宽拟合系数最高只达到了0.280 2，故不可用于分析性状变异的地理趋势。由表4可以看出，种源种子长、厚、千粒重与地理因子多项式回归的拟合系数均达到极显著水平。

分别对种子长、种子厚、千粒重与采种点的经纬度做趋势面图。由图1可看出，种子性状呈西南-东北梯度变异趋势，采种点经度对种子长度的影响大于纬度。

在同一经度上，种子长、厚和千粒质量随纬度的升高而升高；同一纬度上，种子长、厚和千粒质量随经度的增加而增加。

表3 构树不同种源间种子表型性状方差分析

注：“*”表示0.05水平上差异显著，“**”表示0.01水平上差异显著。

注：多项式变量中x为纬度，y为经度，e为海拔。

2.2.2种子各性状与经纬度的多项式趋势面分析

分别将经度和纬度均值代入各性状的最优多项式中，作各性状海拔曲线图。从图2～图4可以看出，种子长、厚、千粒重均与海拔呈正相关，随着海拔的升高，种子长、厚、千粒重均有所增大。其中，千粒重地理变异受海拔的影响最大。

图2 种子长与采种点海拔趋势曲线

图3 种子厚与采种点海拔趋势曲线

2.3 种子各性状的种源类群划分

将种子长、宽、厚及千粒重数据进行标准化处理后，做各性状R2值、半偏R2值、伪T2值、伪F值的散点图(图5)。采用可变距离法对4个性状做种源聚类分析，聚类结果见图6。根据聚类分析参数R2值、半偏R2值以及伪F值可将不同种源聚为4类；而按伪T2值可将各种源聚为3类。综合4个聚类分析参数，当遗传距离为0.8时，将42个种源聚为4类。计算出4个聚类群各性状均值，并统计种子径长比(种子径为种子宽与厚的均值)(表5)。

图5 R2、半偏R2、伪T2、伪F值散点图

图4 千粒重与采种点海拔趋势曲线

表5 聚类各性状均值分析

由图6可以看出：类群Ⅰ由山东青岛种源单独组成，其特点是种子体积质量均为最大，种子外观呈细长型；类群Ⅱ为2、14、26、12、16、3、8、7、13号种源，主要由北京、河北、山西、陕西、河南种源组成，其种子特点是体积大、质量大，种子外观相对其他聚类群而言较为圆润；类群Ⅲ为4、5、11、30、15、34、27、10、17、18、6、25、40、41、42、33、29、32、38、39、24、31、9号种源，主要由浙江、福建、湖北、安徽、河南、云南、江西、湖南、贵州、四川、甘肃种源组成，其种子特点是体积、质量相对其他聚类群较为适中，种子外观相对圆润；类群Ⅳ为19、20、37、36、21、23、22、28、35号种源，主要由海南、广东、广西种源组成，其种子特点是体积小、质量小，种子外观最为圆润饱满。

注：图中数字1～42为种源编号。图6 种源间构树种子性状平均距离法聚类分析

3 结论与讨论

植物种子尤其是林木种子在其表型形态上具有较高的稳定性，种子的形态是植物分类学的重要依据，常用于植物品种鉴定与分类，同时对树种遗传变异多样性研究具有重要参考价值。构树从亚热带到温带的低纬度地区都有分布，由于不同地理种源长期在不同气候区域生长繁育，产生了地理隔离，不同种源间在某些性状上存在遗传分化的变异现象。本研究对全国42个种源的构树种子进行地理变异分析。结果表明:构树种子形态特征及质量在种源间差异显著。种子长、厚、千粒重的地理变异受经度、纬度变异的双重控制，呈连续的渐变群地理变异模式，种子宽与地理差异相关甚微。种子长、厚、千粒重均呈西南-东北梯度变异趋势，其中种子长、厚受经度的影响大于受纬度的影响[15,16]，而千粒重呈均匀的西南-东北梯度变异趋势。构树种子的地理变异除了受经纬度影响之外，也受到海拔的影响，种子的长、厚、千粒重随海拔的上升而增加，均呈正相关，其中千粒重受海拔的影响最大。

采用平均距离法分析可将种源聚为4类。其中山东青岛种源独立成一类，为聚类群Ⅰ。其种子特点是体积最大，外观相对其他聚类呈细长型，质量最大，与其他种源相比相差甚远。山东青岛地处我国东北沿海区域，气候条件独特，受当地所特有的生态气候微环境的影响，产生了独特的地理变异，但结论有待证实。类群Ⅱ由东北部的种源构成，其种子特点是体积相对类群Ⅲ、Ⅳ较大，外观相对圆润，质量比类群Ⅲ、Ⅳ的大。类群Ⅲ由中部、中南部的种源构成，其种子特点是体积相对聚类群Ⅳ较大，外观相对圆润，质量相对聚类群Ⅳ较大。聚类群Ⅳ由南部、西南部的种源构成，其种子特点是体积相对其他聚类群最小，外观最为圆润饱满，质量相对其他聚类群最小。所有种源表型性状地理变异趋势明显，类群种子性状出现明显的从南往北方向种子变大变重的趋势，但进行聚类分析时出现了部分种源地理相隔很近却不属于同一类的情况。

构树种子表型性状各种源间形态差异较大，有着明显的地理变异。随地理因子和气候因子的变化，种源间形成了逐步的变异趋势以适应环境变化，并在长期的进化中逐渐形成各自特有的适应特征。根据各种源种子形态差异可以对构树进行简单的种源区划，而进一步增加分子遗传证据，以及中长期多点种源试验是验证构树区划可靠性的重要方法。