蒙古栎种子园花期同步性分析

蔡艺玮，程广有

(北华大学林学院，吉林 吉林 132013)

种子园无性系间开花物候与花期同步性是种子园早期建设的基础，也是保证种子产量以及遗传品质多样性的前提条件[1].国内外学者在对杉木[2]、落叶松[3]、马尾松[4]、核桃[5]等种子园花期研究中发现，无性系间花期及同步性差异在林木中是普遍存在的[6-7].除植物自身的遗传特性外，花期还与环境因子，如光照、气温、降水等有着密切联系[8-9].研究[10]表明，无性系开花始期、盛期受遗传因素控制，重复力一般较高；而末期受环境影响较大，重复力相对较低.

蒙古栎(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb)又称柞树，壳斗科(Fagaceae)栎属(QuercusL.)落叶乔木，雌、雄同株异花，国家二级保护树种，是我国栎属中最北和最耐寒的树种[11].近年来，在蒙古栎生长规律[12]、经济价值[13]、生态功能[14]、繁育方式[15]等方面已开展了大量研究，但对其种子园开花物候及花期同步性规律的研究仍鲜有涉及.本研究以吉林省临江林业局金山蒙古栎无性系种子园为研究对象，观测蒙古栎雌、雄花生长发育的时空动态，揭示蒙古栎花期物候特征及同步性规律，为蒙古栎种子园丰产经营提供参考.

1 材料与方法

1.1 种子园概况

观测样地位于吉林省临江林业局金山阔叶种子园.园区位于126°54′E，41°48′N，属温带大陆性季风气候，海拔793 m，年均气温约1.4 ℃，无霜期约109 d，年均降水量840 mm，年均风速1.9 m/s，昼夜温差较大，可达18 ℃.种子园内主要为暗棕色肥沃森林土，伴有少量黄泥，腐殖层厚度>15 cm，土壤pH为5.5～6.0.蒙古栎优树主要来源于长白山和小兴安岭，栽植于园内两个不同的生产区内，总面积约2.5 hm2，2003年5月定植.

1.2 数据收集与分析

采用固定样株法调查花期.在蒙古栎种子园内2个不同种源中各选取10个无性系，每个无性系选取生长健康、无病虫害的母树3株，共60株.每棵分株标记树冠阳面的3个标准枝，每个标准枝标记2个带有雄花序和雌花的小枝，2021年4月30日至5月25日，调查母树花芽状态、雄花序颜色、雄花序长度及雌花颜色等性状.天气晴朗或阴天时每天观测1次，雨天则每1～2 d观测1次，记录每日最高气温、最低气温、风力、降雨等数据.

单个雌、雄花花期判断方法：以雄花序形成饱满、较为分散的黄绿色花药，轻触花序有少量花药开裂散粉为开花始期；以花序基部逐渐到顶部直至整个花序完全开放，散出大量金黄色花粉为开花盛期；以整个雄花序干瘪、枯萎，逐渐变为灰褐色并凋落为开花末期.雌花以柱头呈现淡绿色，微微开张，花瓣状分裂角度为45°左右为开花始期；以柱头呈嫩绿色，逐渐平展直至向外翻卷，表面较为湿润，附着较鲜明、湿润的突起物，开裂角度达120°时为开花盛期，此时最适宜接受雄花序花粉；以柱头转变为暗红褐色，表面光滑、干燥，子房稍稍膨大为开花末期[16].无性系群体花期划分标准：1)以30%雌、雄花达到开花始期的时间为群体开花初期；2)以60%雌、雄花达到开花盛期的时间为群体开花盛期；3)以90%雌、雄花达到开花末期的时间为群体开花末期[17].

蒙古栎进入花期后将每株母树按东、西、南、北4个方向在树冠上、下两层各标记2个带有雄花序和雌花的小枝[18]，每日调查处于散粉状态的雄花序数量及达到可授粉状态的雌花数量.花期同步指数采用Askew提出的开花同步指数[19]，即不同基因型间可授粉与散粉期的重叠程度POij：

式中：POij为第i个无性系与第j个无性系间的花期同步指数；Mki为第i个无性系雄花序在第k天的开花频率；Pkj为第j个无性系在第k天雌花的开花频率；n为i和j无性系最早开花至最晚结束的时间.两个无性系亲本的花期完全重叠时，POij=1；完全不重叠时，POij=0；部分重叠时0

第i个无性系作父本的平均同步指数POi和第j个无性系作母本的平均同步指数POj：

式中：t为嫁接无性系数量[17].

2 结果与分析

2.1 花期物候特征

5月初，日均温为5～12 ℃时，蒙古栎枝条开始返青，混合芽开裂，紧抱的棕色硬质芽鳞逐渐松散脱落，并露出柔嫩绿色尖端.5月10日，随着气温逐渐升高，日均温达到10 ℃时，雌、雄花开始萌动.起初，叶片基部可见多个柔软下垂的雄性柔荑花序，花序长度约16.08～23.4 mm，平均伸长生长速度为7.55 mm/d，单日最大生长量为20.6 mm，中间直径约2.91～3.6 mm，平均生长速度为0.25 mm/d，最大单日生长量为0.6 mm，此时花粉囊干瘪，花序顶端微微发红,并伴有少量白色花丝；雌花刚可见淡绿色花柱，顶端深红色柱头笔直聚拢，并伴有白色绒毛.5月18日，日均温达到16 ℃时，雄花序花轴完全伸长，进入散粉期，平均花序长度和平均单个小枝集生花序分别为71.3 mm和38个，此时饱满的黄绿色花粉囊逐渐开裂并散出淡黄色花粉，花粉具有一定黏度；雌花几乎同时进入可授粉期，花柱达到最大长度，顶端柱头嫩绿色呈花瓣状分裂并向外翻卷，附着有湿润凸起物.

单株水平上，金山种子园内蒙古栎雄花序散粉时间约持续3～4 d，雌花可授粉时间约持续4～5 d.无性系群体水平上，雄花散粉时间约持续7 d左右，5月18日进入始花期，5月22日左右进入开花盛期，雄花开放散粉后仅剩花丝和药隔残存，花序迅速枯萎凋落；雌花群体可授粉时间约持续7～8 d，5月19日进入始花期，于23日左右进入开花盛期，雌花授粉后柱头萎蔫转红，不再黏着花粉，子房逐渐膨大.在蒙古栎种子园中，雌、雄花开放类型均表现为大量式爆发，最大开花频率持续时间均较短，雄花开放时间一般稍早于雌花.

统计蒙古栎种子园内两个不同种源无性系雌、雄花期，结果见表1.由表1可见：在蒙古栎Ⅰ区，各无性系雄花序开花初期持续时间约为1～4 d，平均经历1.7 d后进入开花盛期，盛期持续时间约为1～5 d，平均经历2.9 d后进入开花末期，末期持续时间约为2～4 d；雌花初期持续时间约为1～3 d，平均经历1.7 d后进入开花盛期，盛期持续时间约为2～4 d，平均持续2.8 d后进入开花末期，末期持续时间约为3～5 d.在蒙古栎Ⅱ区，各无性系雄花序开花初期持续时间约为1～4 d，平均经历1.9 d后进入开花盛期，盛期持续时间约为1～4 d，平均经历2.6 d后进入开花末期，末期持续时间约为2～3 d；雌花初期持续时间约为1～2 d，平均经历1.6 d后进入开花盛期，盛期持续时间约为1～4 d，平均持续2.5 d后进入开花末期，末期持续时间约为3～6 d.

表1 蒙古栎开花物候

2.2 无性系花期分类

对各无性系进入花期的时间进行方差分析，结果见表2.由表2可知：在蒙古栎种子园内，雄花序进入开花始期、盛期的时间在各无性系间差异达到显著水平，雌花进入开花始期、盛期、末期的时间在无性系间差异均达到极显著水平.花期在各无性系间存在显著差异，表明各无性系决定花期的遗传物质有较大差异，通过选择花期接近的无性系进行初植，可减少种子园授粉障碍，提升母树产量.

表2 蒙古栎种子园无性系间各花期方差分析

进一步对各无性系花期进行多重比较，结果见表3.由表3可知：在蒙古栎Ⅰ区，Ⅰ-8号与Ⅰ-11号无性系雌、雄花进入开花始期的时间差异不显著，与其他无性系的差异则达到显著水平；Ⅰ-8号无性系雄花序进入盛花期的时间与其他无性系差异达到显著水平；Ⅰ-8号无性系雌花进入盛花期的时间与Ⅰ-5号、Ⅰ-7号、Ⅰ-26号、Ⅰ-45号无性系差异达到显著水平，与其他无性系差异不显著.在蒙古栎Ⅱ区，Ⅱ-4号、Ⅱ-8号和Ⅱ-15号无性系雄花进入开花始期的时间差异不显著，与Ⅱ-11号无性系雄花进入开花盛期的时间差异不显著，与其他无性系差异则达到显著水平；Ⅱ-4号无性系与Ⅱ-8号、Ⅱ-9号、Ⅱ-11号、Ⅱ-15号、Ⅱ-29号无性系雌花进入开花始期的时间差异不显著，与Ⅱ-8号、Ⅱ-15号、Ⅱ-29号无性系雌花进入开花盛期的时间差异不显著，与其他无性系的差异达到显著水平.

表3 蒙古栎无性系间开花始期和开花盛期多重比较

为更有效地对无性系花期进行分类，分别以各无性系及其分株进入盛花期的时间进行聚类分析，结果见图1.由图1可知：在蒙古栎Ⅰ区，以雄花序开花盛期为依据时，Ⅰ-8号无性系被聚类成早花类群，Ⅰ-6号、Ⅰ-11号无性系被聚类为晚花类群，其余无性系均被聚类成中间类群；以雌花开花盛期为依据时，Ⅰ-8号、Ⅰ-9号、Ⅰ-14号、Ⅰ-23号无性系被聚类成早花类群，Ⅰ-7号无性系被聚类成晚花类群，其余无性系被聚类成中间类群.在蒙古栎Ⅱ区，以雄花序开花盛期为依据时，Ⅱ-3号、Ⅱ-18号、Ⅱ-19、Ⅱ-23号无性系被聚类成早花类群，Ⅱ-4号、Ⅱ-8号、Ⅱ-29无性系被聚类成晚花类群，其余无性系被聚类成中间类群；以雌花开花盛期为依据时，Ⅱ-3号、Ⅱ-18号、Ⅱ-19号和Ⅱ-23号无性系被聚类成早花类群，Ⅱ-4号、Ⅱ-8号无性系被聚类成晚花类群，其余无性系被聚类成中间类群.

图1 蒙古栎无性系盛花期聚类分析

根据聚类分析结果可知：早花型雄花序在5月18日至5月19日即可进入开花盛期，雌花在5月19左右可进入开花盛期；中花型雄花序在5月20日至5月21日可进入盛花期，雌花在5月20日至5月22日进入盛花期；而晚花型雌、雄花则在5月22日以后才可进入盛花期.

2.3 花期同步指数

不同无性系的平均花期同步指数存在差异(图2).在蒙古栎Ⅰ区，当各无性系作为父本时，平均同步指数变动幅度为0.644～0.811，变异系数为6.95%；作为母本时，平均同步指数变动幅度为0.609～0.842，变异系数为9.77%.在蒙古栎Ⅱ区，当各嫁接无性系作为父本时，平均同步指数的变动幅度为0.634～0.764，变异系数为6.53%；作为母本时，变动幅度为0.475～0.804，变异系数为13.96%.种子园内，96.5%以上的无性系平均花期同步指数大于50%，说明该群体花期相遇程度较高，但部分无性系自交花期同步指数稍优于其作为父本、母本，且存在自交同步指数为0.9～1.0的高度同步现象.

图2 蒙古栎种子园20个无性系作父/母本和自交同步指数分布

为了解平均花期同步指数在种源以及无性系之间的差异，对蒙古栎种子园内两个不同区组间的无性系平均花期同步指数进行方差分析，结果可知：平均花期同步指数在种源之间的差异不显著，在无性系之间的差异则达到极显著水平.进一步对各无性系作为父本、母本时的平均花期同步指数与自交同步指数进行相关性分析，结果见表4.由表4可知：各无性系作为父本时，平均花期同步指数与作母本以及自交同步指数没有明显的相关性，而无性系作母本时的平均花期同步指数与自交同步指数呈显著正相关.

表4 花期同步指数相关性分析

对蒙古栎种子园内各无性系平均花期同步指数进行多重比较，结果见表5.由表5可知：在蒙古栎Ⅰ区，当各无性系作为父本时，Ⅰ-11号无性系平均花期同步指数最大，除与Ⅰ-5号、Ⅰ-8号、Ⅰ-14号、Ⅰ-23号无性系差异达显著水平外，与其他无性系差异不显著；当各无性系作为母本时，Ⅰ-9号无性系花期同步指数最大，与Ⅰ-14号、Ⅰ-23号无性系差异不显著，与其他无性系平均同步指数差异则均达到显著水平.在蒙古栎Ⅱ区，当各无性系作父本时，Ⅱ-9号无性系平均花期同步指数最小，且与其他无性系差异均达到显著水平；当各无性系作母本时，Ⅱ-6号无性系平均同步指数最小，且与其他无性系均达到极显著差异水平.各无性系平均花期同步指数存在差异，说明两者基因型差异较大，依据花期同步指数进行无性系筛选和种子园优化具有较大潜力，也印证了无性系组合间花期同步性差异在种子园中普遍存在，这是种子园开展花粉管理，进行优树再选择等需要考虑的重要因素.

表5 蒙古栎无性系平均花期同步指数多重比较

各无性系组合间花期同步指数存在显著差异.在蒙古栎Ⅰ区，各无性系组合间花期同步指数最大值为0.927，最小值为0.491，变异系数为13.3%；在蒙古栎Ⅱ区，各无性系组合间花期同步指数最大值为0.954，最小值为0.392，变异系数为17.29%.结合无性系花期同步指数和持续时间，可对种子园内两个不同的区组中部分高同步性组合进行选择，以提高散粉期和可授期的重叠程度.部分高同步指数无性系组合见表6.

表6 高同步指数无性系组合

与杂种优势相反，自交或近交常导致衰退.蒙古栎种子园内，各无性系自交同步指数存在差异.蒙古栎Ⅰ区，各无性系自交花期同步指数最大值为0.932，最小值为0.525，变异系数为14.18%；蒙古栎Ⅱ区，各无性系组合间自交花期同步指数最大值为0.866，最小值为0.567，变异系数为13.55%.在选择种子园建园亲本时，应避免选择自交同步指数高于异交的无性系.部分高自交同步指数无性系见表7.

表7 高自交同步指数无性系

结合不同无性系花期类型可知：在蒙古栎Ⅰ区，雄花早花型、中花型、晚花型分别有1个、8个和1个，雌花分别有4个、5个和1个；在蒙古栎Ⅱ区，雄花早花型、中花型、晚花型分别有3个、5个和2个，雌花分别有4个、4个和2个.各花期类型平均花期同步指数见表8.由表8可知：雌花早花型×雄花中花型平均花期同步指数较其他组合高，雌花晚花型花期同步指数则普遍较低.

表8 不同花期类型平均花期同步指数

3 结论与讨论

3.1 气候对雌、雄花期物候的影响

观测地蒙古栎自萌芽至开花结束阶段，光照较强的晴天为5 d，光照较差的阴雨天为10 d，光照较弱的多云天为10 d，平均风力5级左右.日最低气温平均为5 ℃，最低为-1 ℃，最高温为12 ℃；日最高温度平均为16 ℃，最低为9 ℃，最高为27 ℃，最大和最小日温差分别为18 ℃和7 ℃.气温与降雨状况密切相关，阴雨天气温较晴天显著降低.

植物开花物候不仅与自身遗传特性有关[20]，还与外界环境条件(如海拔、天气、温度和湿度等)有密切联系[21].观测地花期常伴随大风天气，频繁的空气流动有利于花粉扩散和雌花授粉，有助于花粉混合，缩短雌、雄花期，减少自交概率[21].研究表明，温度和光照是蒙古栎物候期的主要影响因子[22]，温度升高与光周期增加协同作用有助于促进蒙古栎春季物候提前，短光周期则明显抑制花芽的生长发育[23].长时间降雨易使花粉霉变，不利于花粉扩散[24].据观测，在整个蒙古栎雌、雄花生长发育阶段，光照条件较好的晴天仅占整个阶段的20%，雨天则占40%，日均空气湿度可达70%，特别是花期的强降水天气导致种子园内花粉受潮，极大影响花粉传播及授粉.因此，提前收集和保存花粉[25]、人工辅助授粉可避免降雨以及长时间弱光照对授粉的不利影响，有效提高授粉成功率[26].

3.2 无性系花期分类与同步性

金山种子园内蒙古栎单株水平上雄花序散粉时间约为3～4 d，雌花可授时间约为4～5 d，群体水平上花期持续时间约为7～8 d.基于无性系花期变异规律，在蒙古栎Ⅰ区，以雄花序进入开花盛期的时间为依据时，Ⅰ-8号无性系为早花型无性系，Ⅰ-5号、Ⅰ-7号、Ⅰ-9号、Ⅰ-14号、Ⅰ-23号、Ⅰ-26号、Ⅰ-45号为中花型，Ⅰ-6号、Ⅰ-11号为晚花型无性系；以雌花进入开花盛期的时间为依据时，Ⅰ-8号、Ⅰ-9号、Ⅰ-14号、Ⅰ-23号无性系为早花型，Ⅰ-5号、Ⅰ-6号、Ⅰ-11号、Ⅰ-26号、Ⅰ-45号无性系为中花型，Ⅰ-7号无性系为晚花型；在蒙古栎Ⅱ区，以雄花序进入开花盛期的时间为依据时，Ⅱ-3号、Ⅱ-18号、Ⅱ-19、Ⅱ-23号无性系为早花型，Ⅱ-4号、Ⅱ-8号、Ⅱ-29号为中花型，Ⅱ-9号、Ⅱ-11号、Ⅱ-15号无性系为晚花型；以雌花进入开花盛期的时间为依据时，Ⅱ-3号、Ⅱ-18号、Ⅱ-19号、Ⅱ-23号无性系为早花型，Ⅱ-9号、Ⅱ-11号、Ⅱ-15号、Ⅱ-29号无性系为晚花型，Ⅱ-4号、Ⅱ-8号为中花型.

不同花期类型组合的平均同步指数表现为雌花早花型、中花型与雄花各个类型的平均同步指数明显高于雌花晚花型.其中，在蒙古栎Ⅰ区，雌花早花型与雄花各个类型的平均花期同步指数均大于雌花中花型与雄花的平均同步指数；在蒙古栎Ⅱ区，雌花早花型与雄花早花型的平均花期同步指数大于其他类型，而雌花早花型、中花型与雄花中花型、晚花型之间平均同步指数的差异不显著.因此，在选择交配和建园亲本时，要将无性系花期类型与同步指数进行综合考虑，选择雌花早花型无性系作为母本，更有利于种子园内无性系花期相遇，提高坐果率.

3.3 花期同步指数的差异与利用

无性系散粉期和可授期的重叠程度是种子园亲本选择和交配设计需要考虑的基本因素[19-27].两个区组内各无性系组合的花期同步指数均值分别为0.729和0.702，其中，在蒙古栎Ⅰ区，无性系组合间花期同步指数最大值为0.932，最小值为0.491；在蒙古栎Ⅱ区，无性系组合间花期同步指数最大值为0.954，最小值为0.392.96.5%的无性系组合间花期同步指数超过0.5，具有较高的同步性.但平均花期同步指数在无性系间差异达到显著水平，各无性系组合间同步指数也有较大差异，说明依据同步指数对无性系进行筛选和优化仍具有较大潜力，这也为种子园建园材料的选择和人工控制授粉提供了科学依据.此外，蒙古栎雌、雄同株异花，自交或具有一定亲缘关系的个体近交在一定程度上可能会导致种子生活力衰退[28].因此，在选择种子园建园亲本时，应高度重视这些自交同步指数高于异交的无性系，避免造成遗传衰退[18].

本研究中，蒙古栎种子园仅有1 a的开花物候观测信息，受气候等因素影响[29]，不能完全确定优树在整个生殖发育期内的雌、雄花开花物候特征[17].因此，花期物候以及同步指数稳定性还需进行多年观测，以进一步证实本研究的可靠性[30].