吉林东部不同野生居群兴安杜鹃种实表型性状变异研究

2020-06-12于忠亮苑景淇李成宏周梅妹王梅芳杜凤国

植物资源与环境学报 2020年3期

于忠亮，苑景淇，李成宏，周梅妹，王梅芳，杜凤国

(北华大学林学院长白山特色森林资源保育与高效利用国家林业局重点实验室，吉林吉林 132013)

兴安杜鹃(RhododendrondauricumLinn.)隶属于杜鹃花科(Ericaceae)杜鹃花属(RhododendronLinn.)，为落叶或半常绿灌木，分布于黑龙江、吉林、辽宁、山东和内蒙古等地的石砾山脊和石砬子上[1]。兴安杜鹃为东北地区早春开花最早的野生观赏灌木，其花瓣粉红色，可用于城市绿化，且其根系抗瘠薄能力强，可作为治理石漠化的优良树种[2]147。目前，众多学者对兴安杜鹃的研究主要集中在生物学特性[3-4]、生理特性[5]、繁殖技术[6]、菌根形态特征[7-8]、药用价值[9-10]、光合特性[11]、园林应用[12]和木材解剖[13]等方面。

植物表型性状是指植物对自然环境适应性的外在表现形式，受植物本身遗传和生境共同影响[14-15]，既具有变异性又具有稳定性。果实和种子作为植物遗传变异的重要特征，可直观反映表型性状变异[16-17]。不同居群植物种实对环境的适应性主要受气候、坡度、坡向、经度、纬度和海拔等影响[18]。在地理环境因子的长期作用下，不同居群植物种实可能存在较大的表型差异，而居群实验能够快速准确地揭示其表型性状的变异规律[19-20]。

鉴于此，作者对吉林东部6个野生居群兴安杜鹃的种实表型性状进行方差分析、变异分析、相关性分析、主成分分析和综合评价，以期揭示兴安杜鹃居群间差异，进而筛选出优良居群，并为选育经济价值和绿化价值高的良种提供依据。

1 材料和方法

1.1 材料

基于吉林东部兴安杜鹃分布地调查结果，选择吉林市松花湖自然保护区、吉林市永吉县口前镇、吉林市蛟河市拉法镇、延边朝鲜族自治州安图县二道白河镇、白山市临江市闹枝镇和白山市长白朝鲜族自治县十四道沟镇6个兴安杜鹃野生居群进行采样，各居群的自然概况见表1。每个居群选取1个面积50 m×50 m的样方，在每个样方内随机选取间距10 m以上的植株15株，在每个植株的东、南、西、北4个方向和树冠的上、中、下3个位置各采集30粒无病虫害果实，混合后装入信封，自然干燥后测量果实各项指标。待果实完全干燥后取种子测量各项指标。

表1 吉林东部6个兴安杜鹃野生居群的自然概况

Table 1 Natural status of six wild populations ofRhododendrondauricumLinn.in eastern Jilin Province

居群1)Population1)经度Longitude纬度Latitude海拔/mAltitude坡度/(°)Slope年均气温/℃Annual mean temperature年均降水量/mmAnnual mean precipitation无霜期/dFrostless periodP1E126°43′05″N43°43′49″810245.3710.7125P2E126°15′58″N43°37′11″540215.1699.0125P3E127°24′08″N43°49′23″770253.6782.2121P4E128°18′07″N42°20′20″68091.7783.095P5E127°01′42″N41°55′33″420174.0747.9117P6E128°12′28″N41°28′07″650181.01 172.0113

6个兴安杜鹃野生居群属于温带大陆性季风气候，植被丰富，土壤类型均为暗棕壤。吉林市松花湖自然保护区居群伴生植物有胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb.)、五角枫〔Acerpictumsubsp.mono(Maxim.)H.Ohashi〕、黄花落叶松(LarixolgensisHenry)和卫矛〔Euonymusalatus(Thunb.)Sieb.〕等；吉林市永吉县口前镇居群伴生植物有蒙古栎、春榆〔Ulmusdavidianavar.japonica(Rehd.)Nakai〕、五角枫、胡枝子、软枣猕猴桃〔Actinidiaarguta(Sieb.et Zucc.)Planch.ex Miq.〕和紫椴(TiliaamurensisRupr.)等；吉林市蛟河市拉法镇居群伴生植物有蒙古栎、五角枫、硕桦(BetulacostataTrautv.)、春榆、大果榆(UlmusmacrocarpaHance)和花曲柳〔Fraxinuschinensissubsp.rhynchophylla(Hance)E.Murray〕等；延边朝鲜族自治州安图县二道白河镇居群伴生植物有硕桦、黄花落叶松、蒙古栎、五角枫、山杨(PopulusdavidianaDode)和稠李(PadusaviumMill.)等；白山市临江市闹枝镇居群伴生植物有黄花落叶松、蒙古栎、卫矛、花楸树〔Sorbuspohuashanensis(Hance)Hedl.〕、暴马丁香〔Syringareticulatasubsp.amurensis(Rupr.)P.S.Green et M.C.Chang〕和硕桦等；白山市长白朝鲜族自治县十四道沟镇居群伴生植物有蒙古栎、五角枫、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、胡枝子和黄花落叶松等。

1.2 种实表型性状测定方法

将各居群果实分别混合，均分为3组。采用VHX-2000超景深三维显微镜(日本KEYENCE公司)测量果实和种子的长(果实或种子顶部到基部的长度)和直径(果实或种子最粗处的直径)，每组30粒；分别根据公式“果形系数=果实长/果实直径”和“种形系数=种子长/种子直径”计算果形系数和种形系数；采用万分之一电子天平称量各组30粒果实的质量，然后计算单果质量；称取种子千粒质量，3次重复；参照文献[21]测定种子含水量，3次重复。

1.3 数据处理与分析

2 结果和分析

2.1 吉林东部不同野生居群兴安杜鹃种实表型性状分析

2.1.1 果实表型性状的比较结果(表2)显示：吉林市松花湖自然保护区(P1)居群兴安杜鹃的果实最短(12.16 mm)，白山市临江市闹枝镇(P5)居群的果实最长(13.97 mm)；吉林市蛟河市拉法镇(P3)居群的果实直径最小(3.29 mm)，延边朝鲜族自治州安图县二道白河镇(P4)居群的果实直径最大(3.81 mm)；P1居群的果形系数最小(3.42)，P5居群的果形系数最大(4.03)；P3居群的单果质量最小(1.03 g)，吉林市永吉县口前镇(P2)居群的单果质量最大(1.06 g)。方差分析结果显示：不同居群间果实长、果实直径、果形系数和单果质量存在显著或极显著差异。

P5居群的果实长变异系数最大(12.10%)，P3居群的果实直径和果形系数的变异系数均最大(分别为15.20%和14.92%)，各居群内单果质量的变异系数均小于1%。果形系数居群间变异系数(13.25%)远大于单果质量居群间变异系数(1.15%)。

2.1.2 种子表型性状的比较结果(表2)显示：P4居群的种子最短(1.06 mm)，P3居群的种子最长(1.26 mm)；白山市长白朝鲜族自治县十四道沟镇(P6)居群的种子直径最小(0.44 mm)，P2居群的种子直径最大(0.50 mm)；P4居群的种形系数最小(2.26)，P6居群的种形系数最大(2.81)；P6居群的种子含水量最小(40.60%)，P2居群的种子含水量最大(47.95%)；P6居群的种子千粒质量最小(0.06 g)，P2居群的种子千粒质量最大(0.11 g)。方差分析结果显示：不同居群间种子长、种形系数和种子含水量存在极显著差异。

P1居群的种子长变异系数最大(14.55%)，P6居群的种子直径变异系数最大(20.45%)，P5居群的种形系数变异系数最大(23.72%)，P5和P6居群的种子千粒质量变异系数最大(均为33.33%)，各居群内种子含水量变异系数均在1%左右。种形系数居群间变异系数(21.12%)远大于种子含水量居群间变异系数(5.62%)。

兴安杜鹃居群间种实表型性状变异系数的平均值(12.47%)大于居群内种实表型性状变异系数均值的平均值(11.44%)，说明吉林东部兴安杜鹃种实表型性状变异主要来源于居群间。由居群重复力可以看出：单果质量的居群重复力(0.957)最高，且其居群间变异系数仅1.15%，说明该性状稳定，可用于筛选兴安杜鹃优质居群。

居群Popula-tion果实长/mmFruit length果实直径/mmFruit diameter果形系数Coefficient of fruit form单果质量/gSingle fruit mass种子长/mmSeed lengthP112.16±0.87dB(7.07%)3.55±0.19bcAB(5.35%)3.42±0.16cB(4.68%)1.04±0.01cBC(0.96%)1.10±0.16cBC(14.55%)P213.76±1.12aA(8.14%)3.75±0.48abcA(12.80%)3.71±0.45bcdAB(12.13%)1.06±0.01aA(0.94%)1.24±0.13aAB(10.48%)P312.34±1.00cdB(8.10%)3.29±0.50dB(15.20%)3.82±0.57abcdAB(14.92%)1.03±0.01dD(0.94%)1.26±0.13aA(10.32%)P413.00±0.96bcAB(7.38%)3.81±0.36aA(9.45%)3.44±0.39bcB(11.34%)1.05±0.01bAB(0.95%)1.06±0.13cC(12.26%)P513.97±1.69aA(12.10%)3.49±0.38bcdAB(10.89%)4.03±0.52aA(12.90%)1.04±0.01cBC(0.96%)1.13±0.14bcABC(12.39%)P613.24±1.39abAB(10.50%)3.46±0.36bcdAB(10.40%)3.86±0.48abcdAB(12.44%)1.04±0.01cBC(0.96%)1.20±0.13abABC(10.83%)CV2/%10.3711.9013.251.1512.93F7.389∗∗4.799∗5.738∗∗23.208∗7.136∗∗T0.8650.7920.8260.9570.860居群Popula-tion种子直径/mmSeed diameter种形系数Coefficient of seed form种子含水量/%Water content in seed种子千粒质量/g1 000-grain mass of seedCV1/%P10.49±0.09aA(18.37%)2.29±0.44bA(19.21%)42.20±0.57dD(1.35%)0.08±0.01abA(12.50%)9.34P20.50±0.09aA(18.00%)2.52±0.54abA(21.43%)47.95±0.50aA(1.04%)0.11±0.01aA(9.09%)10.45P30.49±0.07aA(14.29%)2.63±0.53aA(20.15%)43.30±0.57cdCD(1.32%)0.09±0.02abA(22.22%)11.94P40.48±0.06abA(12.50%)2.26±0.42bA(18.58%)44.05±0.21cC(0.48%)0.09±0.01abA(11.11%)9.34P50.46±0.09abA(19.57%)2.53±0.60abA(23.72%)45.45±0.35bB(0.77%)0.09±0.03abA(33.33%)14.07P60.44±0.09bA(20.45%)2.81±0.60aA(21.35%)40.60±0.42eE(1.03%)0.06±0.02bA(33.33%)13.48CV2/%16.6721.125.6219.19F1.6713.335∗∗5.237∗∗1.881T0.4020.7010.8090.468

1)P1：吉林市松花湖自然保护区Songhua Lake Nature Reserve of Jilin City；P2：吉林市永吉县口前镇Kouqian Town of Yongji County of Jilin City；P3：吉林市蛟河市拉法镇Lafa Town of Jiaohe City of Jilin City；P4：延边朝鲜族自治州安图县二道白河镇Erdaobaihe Town of Antu County of Yanbian Korean Autonomous Prefecture；P5：白山市临江市闹枝镇Naozhi Town of Linjiang City of Baishan City；P6：白山市长白朝鲜族自治县十四道沟镇Shisidaogou Town of Changbai Korean Autonomous County of Baishan City.同列中不同的大写和小写字母分别表示在0.01和0.05水平上差异显著Different uppercases and lowercases in the same column indicate the significant differences at the level of 0.01 and 0.05，respectively.括号内百分数为变异系数The percentages in brackets are coefficients of variation.CV1：居群内变异系数的均值Average of coefficient of variation within population；CV2：居群间变异系数Coefficient of variation among populations；F：F值Fvalue；T：居群重复力Population repeatability.*：P<0.05；**：P<0.01.

2.2 吉林东部兴安杜鹃种实表型性状的相关性分析和主成分分析

2.2.1 种实表型性状间的相关性分析结果(表3)显示：果实长与果实直径、果形系数、单果质量和种子含水量呈极显著正相关，相关系数分别为0.373、0.443、0.307和0.596；果实直径与果形系数呈极显著负相关，相关系数为-0.656，与单果质量和种子含水量呈极显著正相关，与种子千粒质量呈显著正相关，相关系数分别为0.265、0.487和0.182；单果质量与种子含水量和种子千粒质量呈极显著正相关，相关系数分别为0.680和0.412；种子长与种形系数呈极显著正相关，相关系数为0.593；种子直径与种形系数呈极显著负相关，相关系数为-0.778，与种子千粒质量呈显著正相关，相关系数为0.200；种形系数与种子含水量呈显著负相关，相关系数为-0.236；种子含水量与种子千粒质量呈极显著正相关，相关系数为0.942；其他表型性状间的相关性不显著。

表3 吉林东部兴安杜鹃种实表型性状间的相关系数1)

Table 3 Correlation coefficient among phenotypic traits of seed and fruit ofRhododendrondauricumLinn.in eastern Jilin Province1)

表型性状Phenotypic trait表型性状间的相关系数 Correlation coefficient among phenotypic traitsFLFDCFFSFMSLSDCSFWCSGMSFL1.000FD0.373∗∗1.000CFF0.443∗∗-0.656∗∗1.000SFM0.307∗∗0.265∗∗-0.0031.000SL-0.0040.145-0.1110.1201.000SD0.0390.085-0.056-0.079-0.0101.000CSF-0.047-0.0250.0810.1440.593∗∗-0.778∗∗1.000WCS0.596∗∗0.487∗∗0.1240.680∗∗0.1400.053-0.236∗1.000GMS0.1490.182∗-0.0310.412∗∗0.0720.200∗-0.1600.942∗∗1.000

1)FL：果实长Fruit length；FD：果实直径Fruit diameter；CFF：果形系数Coefficient of fruit form；SFM：单果质量Single fruit mass；SL：种子长Seed length；SD：种子直径Seed diameter；CSF：种形系数Coefficient of seed form；WCS：种子含水量Water content in seed；GMS：种子千粒质量1 000-grain mass of seed.*：P<0.05；**：P<0.01.

2.2.2 种实表型性状与地理-气候因子的相关性分析结果(表4)显示：果实长与海拔呈极显著负相关，相关系数为-0.973；种子直径与纬度呈极显著正相关，相关系数为0.942；种子千粒质量与年均降水量呈显著负相关，相关系数为-0.824；所有种实表型性状与经度、年均气温、坡度和无霜期的相关性均不显著，但多数种实表型性状与经度、纬度和海拔呈负相关，与年均气温和无霜期呈正相关。

表4 吉林东部兴安杜鹃种实表型性状与地理-气候因子的相关系数1)

Table 4 Correlation coefficient of phenotypic traits of seed and fruit ofRhododendrondauricumLinn.with geographic-climatic factors in eastern Jilin Province1)

表型性状Phenotypic trait与地理-气候因子的相关系数 Correlation coefficient with geographic-climatic factors经度Longitude纬度Latitude海拔Altitude坡度Slope年均气温Annual mean temperature年均降水量Annual mean precipitation无霜期Frostless period果实长Fruit length-0.141-0.532-0.973∗∗-0.413-0.0750.063-0.091果实直径Fruit diameter-0.050-0.051-0.223-0.6300.012-0.298-0.435果形系数Coefficient of fruit form-0.042-0.409-0.6510.158-0.1150.3120.254单果质量Single fruit mass-0.198-0.233-0.652-0.5080.019-0.119-0.202种子长Seed length-0.2630.312-0.0220.6360.1260.1890.569种子直径Seed diameter-0.6480.942∗∗0.2970.4400.713-0.7720.419种形系数Coefficient of seed form0.170-0.356-0.2400.293-0.3520.7080.262种子含水量Water content in seed-0.6250.309-0.611-0.0710.529-0.6830.182种子千粒质量1 000-grain mass of seed-0.6270.562-0.3280.0420.604-0.824∗0.195

1)*：P<0.05；**：P<0.01.

2.2.3 主成分分析结果(表5)显示：前3个主成分的累计贡献率达92.884%。第1主成分的贡献率达45.162%，其中，果实直径、单果质量、种子千粒质量和种形系数的特征向量较高，是第1主成分的主导因子；第2主成分的贡献率为29.665%，其中，果实长的特征向量最高，是第2主成分的主导因子；第3主成分的贡献率为18.057%，其中，种子直径的特征向量最高，是第3主成分的主导因子。说明果实直径、单果质量、种子千粒质量、种形系数、种子直径和果实长可代表兴安杜鹃种实表型性状的绝大部分信息。

2.3 吉林东部兴安杜鹃种实表型性状的综合评价

吉林东部兴安杜鹃果实长(X1)、果实直径(X2)、果形系数(X3)、单果质量(X4)、种子长(X5)、种子直径(X6)、种形系数(X7)、种子含水量(X8)和种子千粒质量(X9)的权重系数分别为0.111、0.119、0.006、0.189、0.123、0.239、-0.061、0.300和0.310，其中，果实表型性状权重系数的均值为0.106，种子表型性状权重系数的均值为0.182，说明种子表型性状是评价和筛选兴安杜鹃优质居群的又一指标。根据各表型性状的权重系数建立各居群种实表型性状的综合得分函数方程：Yi=0.111Xi1+0.119Xi2+0.006Xi3+0.189Xi4+0.123Xi5+0.239Xi6-0.061Xi7+0.300Xi8+0.310Xi9，式中，Yi为第i个居群的综合得分，Xi1至Xi9分别为第i个居群的9个表型性状标准化数值，综合评价结果(表6)显示：不同居群兴安杜鹃种实表型性状的综合得分由高到低依次为吉林市永吉县口前镇(P2)居群(1.798)、延边朝鲜族自治州安图县二道白河镇(P4)居群(0.297)、白山市临江市闹枝镇(P5)居群(0.226)、吉林市蛟河市拉法镇(P3)居群(-0.284)、吉林市松花湖自然保护区(P1)居群(-0.441)、白山市长白朝鲜族自治县十四道沟镇(P6)居群(-1.412)，说明吉林市永吉县口前镇居群兴安杜鹃的种实表型性状最优。

表5 吉林东部兴安杜鹃种实表型性状的主成分分析结果1)

Table 5 Result of principal component analysis on phenotypic traits of seed and fruit ofRhododendrondauricumLinn.in eastern Jilin Province1)

主成分Principal component特征向量 EigenvectorFLFDCFFSFMSLSDCSFWCSGMSECR/%CCR/%10.2020.861-0.5570.810-0.3330.696-0.7490.7370.7844.06545.16245.16220.799-0.0600.7750.2960.640-0.0970.5830.6300.4282.67029.66574.8273-0.553-0.442-0.069-0.3270.5730.7100.0060.1460.4001.62518.05792.884

表6 吉林东部不同野生居群兴安杜鹃种实表型性状综合评价结果

Table 6 Result of comprehensive evaluation on phenotypic traits of seed and fruit ofRhododendrondauricumLinn.from different wild populations in eastern Jilin Province

居群1)Population1)特征向量得分2) Score of eigenvector2)FLFDCFFSFMSLSDCSFWCSGMS综合得分Comprehensive score排序RankingP1-0.139-0.005-0.007-0.061-0.1070.1410.064-0.201-0.126-0.4415P20.1030.1180.0000.3050.1150.248-0.0040.4700.4431.7981P3-0.112-0.165-0.003-0.2440.1450.141-0.036-0.0730.063-0.2844P4-0.0120.155-0.0070.137-0.1610.0350.0720.0150.0630.2972P50.135-0.0420.0080.122-0.054-0.177-0.0070.1780.0630.2263P60.025-0.0610.004-0.0610.054-0.389-0.089-0.389-0.506-1.4126

2)FL：果实长Fruit length；FD：果实直径Fruit diameter；CFF：果形系数Coefficient of fruit form；SFM：单果质量Single fruit mass；SL：种子长Seed length；SD：种子直径Seed diameter；CSF：种形系数Coefficient of seed form；WCS：种子含水量Water content in seed；GMS：种子千粒质量1 000-grain mass of seed.

3 讨论和结论

野生兴安杜鹃分布范围广泛，生境条件各异，由于长期的地理和生殖隔离，造成不同野生居群兴安杜鹃产生变异。本研究中，吉林东部兴安杜鹃果实表型性状中果实长、果实直径、果形系数和单果质量以及种子表型性状中种子长、种形系数和种子含水量在居群间存在显著或极显著差异，说明这些种实表型性状产生了明显变异，遗传改良潜力巨大，为筛选优质兴安杜鹃居群提供了必要条件。此外，果实长、果形系数、单果质量、种子长和种子含水量的居群重复力均在0.8以上，其中，单果质量的居群重复力高达0.957，说明这些种实表型性状较稳定，可为兴安杜鹃的地理变异研究提供可靠保障。

兴安杜鹃9个种实表型性状居群间变异系数为1.15%～21.12%，平均值为12.47%，大于居群内变异系数均值的平均值(11.44%)，说明兴安杜鹃种实表型性状存在丰富的变异，且变异主要来源于居群间。姜楠[24]利用叶绿体基因片段扩增技术对23个自然群落兴安杜鹃进行遗传多样性研究，认为超过70%的变异来源于群落间，而满莉[25]利用SSR分子标记研究兴安杜鹃群体遗传变异，认为其遗传变异主要存在于群体内(占78.44%)。推测造成上述差异的原因可能是由于表型性状与分子标记的变异模式存在差异。等位基因的基因流通过自然界的风和花粉传播等影响植物群体内与群体间遗传信息的交流，从而产生不连续遗传变异[26-27]，而果实、种子和叶片等表型性状变异多为连续性变异[28]，因此，可能造成兴安杜鹃变异源不同。郭松等[23]认为，植物种源间变异是其在地理和生殖隔离上变异结果的体现，而种源内变异反映了植物对环境的适应性，种源内变异系数越大，说明植物适应范围越广。本研究所选居群均来自长白山及其附属山脉，生殖隔离和长白山复杂的生境可造成居群间不同程度的变异。此外，野外调查发现，各居群兴安杜鹃多生长于山脊上，呈条带状分布。这表明地理因子和生殖隔离可能是造成兴安杜鹃居群间变异系数大于居群内变异系数的主要原因。

相关性分析结果表明：兴安杜鹃的单果质量、果实长和果实直径间均存在极显著正相关，说明果实长和果实直径对单果质量影响较大，二者的数值越大，单果质量越大；种子千粒质量与单果质量和种子含水量呈极显著正相关，说明单果质量越大、种子含水量越高，种子千粒质量越大；除果实长与海拔、种子直径与纬度以及种子千粒质量与年均降水量呈显著或极显著相关外，种实表型性状与地理-气候因子总体上无显著相关性，表明吉林地区兴安杜鹃果实和种子受这些地理-气候因子影响较小，其中，种子千粒质量与年均降水量呈显著负相关，说明随着年均降水量的减少，种子千粒质量增加，说明兴安杜鹃能够适应干旱少雨的生境，与董世林[2]148描述的兴安杜鹃生境相吻合，因此，可考虑将兴安杜鹃应用于城市干旱、土壤瘠薄的生境的园林绿化。

本研究结果显示：兴安杜鹃的种实表型性状变异丰富，以居群间变异为主；果实直径、单果质量、种子千粒质量、种形系数、种子直径和果实长是评价兴安杜鹃居群的主要指标，以吉林市永吉县口前镇居群兴安杜鹃的种实表型性状最优。