不同种源文冠果种子的表型变异

刘 莉，王 磊，吴 丹，赵永军，庄振杰，王 震，鲁仪增，刘立江，陆 璐，解孝满，

（1.山东师范大学，山东 济南 250014；2.山东省林草种质资源中心，山东 济南 250102；3.山东林昱宏文冠果有限公司，山东 淄博 255400）

文冠果Xanthoceras sorbifolium又名文官果、崖木瓜等，为无患子科Sapindaceae文冠果属Xanthoceras灌木或小乔木。文冠果种仁含油率高达66.39%，其中不饱和脂肪酸含量94%，亚油酸含量36.9%[1]，因此文冠果有“北方油茶”的美誉，是我国特有的木本油料珍稀树种[2]。其对土壤的适应性强，耐严寒、干旱、盐碱，因此又是优良的生态树种[3]。现代医学研究结果表明文冠果的枝、叶、果实等均可入药，具有消炎、抗癌、提高免疫力等功效[4]。文冠果在我国分布区域广泛，以华北、华东及西北地区为主要分布区，西藏等地亦有少量分布[5]。表型性状多样性是遗传多样性的表现形式之一，能够直观解释遗传变异，是最古老也是操作最简单的遗传多样性分析方法[6]。近年来，诸多学者[7-15]对文冠果的表型变异进行了研究，但是有关其种源选择及其代表性的研究仍存在一定局限性，尚未建立文冠果高产资源引种选育的表型指标体系。本研究中对文冠果主要分布区进行了调查，并对文冠果种子表型多样性及其与地理环境因子的关联进行了分析，以期为文冠果种质资源的保护和优树选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2020年7—8月，在文冠果主要分布区（107°39′01″～129°34′48″E，35°43′48″～44°34′48″N）共采集10个种源130份文冠果单株种子。为控制其他因素，减少对试验结果的干扰，所选母树年龄为40～65 a，相距200 m以上，随机取样。各种源的地理信息及采样地环境因子等见表1。

表1 文冠果种源采集地点概况Table 1 Overview of provenance collection site of X.sorbifolium

1.2 测定方法

将文冠果种子净种后，放置于“双十五”（温度15 ℃、相对湿度15%）干燥间至恒质量，备用。从每份样品中随机选择20粒种子，使用WinSEEDLE种子和针叶图像分析系统（加拿大）测量种子长度、宽度、体积、表面积，重复3次。

从每份样品中随机选取100粒种子称取种子百粒质量，重复3次。从每份样品中随机选取100粒种子，逐个剥除种皮，称取质量，得到百粒出仁量，重复3次。使用MQ-one布鲁克小型核磁谱仪（德国）测定种仁含油率，重复3次。

分别计算种形指数（种子长度与种子宽度的比值）、单粒种子的出仁率（单粒种仁质量与单粒种子质量的比值）和百粒含油量（即100粒种子含油的质量）。

1.3 数据分析

使用Excel 2019和SPPSS 20.0软件进行数据统计分析。采用巢式方差分析方法进行表型变异分析[16]，采用Pearson系数进行相关关系分析，采用欧氏距离对10个种源的文冠果进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 文冠果种子表型性状的变异分析

2.1.1 文冠果种子表型性状的种源间变异

不同种源文冠果种子表型性状的方差分析结果见表2。由表2可以看出，在供试文冠果的10个表型性状指标中，除出仁率外，其他性状指标在种源间和种源内均存在极显著差异，表明文冠果种子性状广泛存在着差异。

表2 不同种源文冠果种子表型性状的方差分析结果Table 2 Variance analysis result of phenotypic traits of X.sorbifolium seeds from different provenances

变异系数代表表型性状离散程度，变异系数越大代表表型性状离散程度越大。不同种源文冠果种子表型性状的种源间变异分析结果见表3。由表3可以看出，文冠果种子10个表型性状指标在不同个体间存在着一定的变异范围，其中百粒质量的变异范围最大，最大值（163.08 g，内蒙古通辽种源）是最小值（30.02 g，河北承德种源）的5.4倍，平均值为90.35 g。其次，种子体积和表面积的变异范围也较大，分别是0.67～1.25 cm3、3.02～4.58 cm2，其中种子体积最大的是河北承德种源，表面积最大的是内蒙古通辽种源。含油率变异范围最小，最大值（0.62，山东淄博种源）是最小值（0.55，山西临汾种源）的1.1倍。种子长度、种子宽度、种形指数、种子出仁率均存在着一定的变异范围，但是与百粒质量相比其变化不大。

2.1.2 文冠果种子表型性状的种源内变异

不同种源文冠果种子表型性状的种源内变异系数见表4。由表4可以看出，不同种源文冠果种子表型性状种源内变异系数的差异较大，其中种源内变异系数最大的是百粒含油量（24.122%），体积、百粒出仁量和百粒质量变异系数较大，分别为23.374%、22.596%和20.888%。这4个性状指标变异最大的均为山西临汾种源。种源内表型变异系数最小的性状指标是种形指数（3.433%），长度和宽度的种源内变异也较小。

表4 文冠果种子表型性状的种源内变异系数Table 4 Intra provenance variation coefficient of phenotypic characters of X.sorbifolium %

2.1.3 文冠果种子表型性状的种源间分化

文冠果种子表型性状种源间和种源内的表型变异分布见表5。由表5可以看出，文冠果10个表型性状分化系数为62.95%～78.69%，平均值为72.275%。百粒出仁量和百粒含油量在种源内和种源间的变异均较大。表型性状在种源间的方差分量（53.575%）比种源内的方差分量（20.641%）大，表明文冠果种子表型在种源间的分化程度大于种源内，种源间变异是文冠果种子表型变异的主要来源。

表5 文冠果种子表型性状种源间和种源内的表型变异分布Tabie 5 Distribution of phenotypic variation among and within provenances of the seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.2 文冠果种子表型性状的相关性分析

文冠果种子表型性状的相关系数见表6。由表6可以看出，文冠果种子的10个表型性状间呈现出较强的相关性，且多数指标之间呈现出极显著的正相关或负相关关系。其中，含油率与百粒质量呈显著正相关，与出仁率呈极显著正相关，而与其他性状无显著相关关系。种形指数与长度呈极显著正相关，与宽度呈极显著负相关，与其他性状无显著相关关系。

表6 文冠果种子表型性状的相关系数†Table 6 Correlation analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.3 文冠果种子表型性状的主成分分析

对供试文冠果种子10个表型性状进行主成分分析，结果见表7。由表7可以看出，以特征值大于1提取主成分，得到3个主成分，累计贡献率达到84.716%，表明这3个主成分能够包含10个表型性状的大部分信息。第1主成分与种子的体积和表面积正相关，反映了种子大小；第2主成分与出仁率和种仁含油率正相关，反映了种子的品质情况；第3主成分与种形指数正相关，与种子宽度呈现负相关，反映了种子的发育状况。结果表明，种子越大，宽度越窄，种子的品质越高。可以根据种子大小和种形指数初步判断种子品质，筛选采种母树优树。

表7 文冠果种子表型性状的主成分分析结果Table 7 Principal component analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium

2.4 文冠果种子表型性状与环境因子的相关性分析

文冠果种子表型性状与环境因子的相关系数见表8。由表8可以看出，文冠果种子的10个表型性状与11个环境因子呈现出一定的相关性。其中，种形指数与年均气温、年均最高气温、年均最低气温、降水量均呈现显著负相关，说明温度越低，降雨量越少，其种形指数越大，种子相对狭长，温度过高或过低均会影响种子形状。种子体积和表面积均与相对湿度呈现显著负相关，与日照时长呈现显著正相关，说明文冠果在相对湿度较小、日照时长越长的区域生长，有利于其种子的体积和表面积发育。百粒质量与日照时长呈显著正相关，百粒质量和出仁率均与降水量呈显著负相关，说明在阳光充足和较干燥的地区文冠果种子的品质性状较好。种仁出油率和百粒出仁量均与相对湿度显著相关，说明在相对湿度越小的区域，文冠果种子的种仁含油率和百粒出仁量越高。结合主成分分析结果可知，文冠果种子的发育明显受环境因子的调控，在所研究的10个种源地中，越往北、西北方向，相关区域的空气湿度相对越低、温度越低，其种子的经济指标（种仁含油率和百粒出仁量）越好。

表8 文冠果种子表型性状与环境因子的相关系数†Table 8 Correlation analysis of seed phenotypic traits of X.sorbifolium and ecological factors

2.5 文冠果种源的聚类分析

10个种源文冠果种子表型性状的聚类如图1所示。由图1可以看出，以欧氏距离10为阈值，10个文冠果种源可以划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4大类。第Ⅰ类包括5个种源，分别为辽宁朝阳种源、内蒙古赤峰种源、内蒙古鄂尔多斯种源、陕西榆林种源、黑龙江牡丹江种源；第Ⅱ类包括2个种源，分别为内蒙古通辽种源和北京种源；第Ⅲ类包括1个种源，为山东淄博种源；第Ⅳ类包括2个种源，分别为河北承德种源和山西临汾种源。地理位置相近的种源基本聚在一起，而且自西北至东南方向其亲缘关系逐渐变远。

图1 不同种源文冠果种子表型性状聚类Fig.1 Clustering tree diagram of phenotypic traits of X.sorbifolium from different provenances

3 结论与讨论

来自10个种源的130份文冠果种子的10个表型性状在不同个体间均存在变异，其中百粒质量变异幅度最大，种仁含油率变异幅度最小。文冠果种子的10个表型性状具有显著的相关性，反映种子大小、种子品质和种子发育状况的3个主成分能够包含10个表型性状84.716%的信息量。多数性状在种源间和种源内的差异达到极显著水平，种源间的方差分量（53.575%）比种源内的方差分量大（20.641%），72.275%的变异来自种源间。文冠果种子的10个表型性状与11个环境因子呈现出一定的相关性，部分呈现显著或极显著相关，降雨量越小，文冠果种子的经济指标发育越好。根据欧氏距离将10个文冠果种源划分为4大类，地理位置相近的种源基本聚在一起，而且自西北至东南方向其亲缘关系逐渐变远。

3.1 文冠果种子表型性状的变异

表型多样性是遗传变异的主要内容之一，是遗传和环境共同作用的结果，在研究植物对环境的适应性和进化上具有重要意义[17]。本研究中对10个种源的文冠果资源表型变异进行了研究，发现不同种源文冠果表型性状的变异程度不同。在所研究的10个表型性状中，种仁含油率的变异范围最小，表明种仁含油率变异程度低，性状更加稳定，这与前人的研究结果一致[12]。作为衡量种子品质的主要指标，百粒质量是反映亲本特征的重要指标，在种群划分和生态型划分中具有一定的意义[18]。在文冠果种子10个表型性状中，百粒质量的变异系数最大，能达到25.37%，这与王艺林等[19]的研究结果基本一致。虽然百粒质量的变异范围较大，但是出仁率、种仁含油率、百粒出仁量和百粒含油量的变异范围较小，这说明文冠果不同种源间种子品质的差异较大，基因型和环境等因素的影响使得种仁饱满度、种壳厚度等存在差异，进而导致不同种源间文冠果种子的百粒质量均存在较大差异，这对文冠果优树选择有一定的指导作用。文冠果种子的其他表型性状也存在着一定程度的变异，与同科的无患子Sapindus saponaria表型变异的幅度相近[20]。在研究种源内变异时发现，山西临汾种源文冠果种子的百粒出仁量和百粒含油量变异较大，而其他种源的这2个性状在种源内变异系数范围较小，造成这2个性状在种源间变异小、在种源内变异大，这是种子本身品质因素所导致的。在进行野外调查时发现，地形、土壤以及人为等因素对同一种源不同个体果实的影响较大。地形和土壤等方面的差异使得文冠果的养料供给方面有着较大的差异，例如山西文冠果野生资源有位于贫瘠荒山的，也有位于肥沃田地的。土壤的紧实程度以及砂土和壤土的土质不同，造成其在储水性能方面的较大差异，使得树木的水分供给状况有着较大的差异，例如鄂尔多斯种源地有砂质壤土和壤质粘土。由于文冠果的分布位置有寺庙、林场以及荒山等，人为因素会对文冠果的树木生长和果实品质产生影响。以上因素对文冠果种子发育产生影响，使得种源间百粒出仁量和百粒含油量的差异较大。

巢式方差分析结果表明，10个文冠果种源的种子表型性状，除出仁率外，其他表型性状在种源间和种源内的差异均达到了极显著水平，说明文冠果的种质资源丰富，并具有较好的选择潜力。分布在种源间的变异程度能真正反映文冠果在不同环境下的适应情况，种源间变异越大，说明其适应的环境越广泛，种源间的多样性越高，种源间变异也与地理隔离和生殖隔离有关[21-22]。文冠果表型性状在种源内和种源间均存在明显的遗传变异，但以种源间变异为主。在文冠果适生区域有几座较大的山脉，如分布在山西和陕西之间的吕梁山、分布在甘肃与陕西之间的六盘山，以及分布在山西与山东之间的太行山。文冠果种子的传播主要是通过啮齿动物[23]，山脉会影响种子的传播，影响文冠果种源间的交流，可能是文冠果种子表型性状在种源内差异较小的原因。在20世纪六七十年代，国家为解决食用油短缺的问题，掀起了文冠果人为交叉引种应用的热潮，这是导致文冠果种源间差异较大的原因之一[24-25]。

3.2 文冠果种子表型性状的影响因素

相关性分析结果表明，文冠果种子的百粒质量与出仁率正相关，出仁率与含油率呈显著正相关，可考虑将百粒质量和出仁率作为选择种子含油量高的文冠果优株的指标。在研究环境因子对文冠果种子表型的影响时，发现百粒质量、出仁率、种仁含油率和百粒含油量均与相对湿度呈现显著负相关，文冠果耐旱不耐涝，水分过多易引起根系腐烂，不利于油脂和有机物的合成与积累，这一现象在惠文凯等[26]对麻风树Jatropha curcas的研究中也有发现。种子体积、表面积和百粒质量与日照时长呈显著正相关，这是因为文冠果为喜光植物，随着年日照时长的增加，光合作用有所加强[12]。在本研究中发现，种仁出油率与温度呈显著负相关，说明随着温度的升高，种仁出油率会降低；种仁出油率与年均最高温和年均最低温均呈显著负相关，说明存在适宜文冠果生长的温度，温度过高或过低均会影响文冠果的生长发育，这也符合文冠果主要分布在暖温带气候区的规律[5]。在探究土壤因素对种子表型性状的影响时，未发现显著相关关系，这可能是由于直接从土壤数据库提取的数据不能直接对应于当前树种的具体位置，对试验结果造成了一定的影响。地理因子虽然对文冠果种子的表型变异造成一定的影响，但是其影响程度不及生态因子。在对文冠果种源进行聚类分析时发现，其地理分布规律可能与我国季风风向有关。5—8月是文冠果果实发育时期，这段时间风向整体是从东南向西北的走向，越往西北，降雨量越小，空气湿度也变小，使得不同地区的文冠果果实的发育情况不同。较高的形态稳定性使种子性状成为分类的重要依据，并可作为反映植物地理分布格局的重要指标，地理环境差异越大，种源间的遗传与变异则可能越大[27]。

由于种质资源是从野外采集的，表型性状研究结果可能会受多种条件的影响，因此下一步考虑在试验地通过控制试验条件去研究不同种源种质资源的利用价值。水分、土壤及人为因素对文冠果表型变异的影响较大，仅通过表型特征来探究物种的变异有一定的局限性。为给有效保护文冠果种质资源提供参考，有必要选择合适的分子标记开展分子水平的研究，结合表型差异进行变异分析，并深入分析可利用的表型变异。