福建省不同种源樟树表型性状多样性研究

余旭敏， 张北红，2， 肖祖飞，2， 赖 骏， 黄国敏，2， 金志农，2

(1.南昌工程学院， 江西 南昌 330099; 2.江西省樟树繁育与开发利用工程研究中心， 江西 南昌 330099)

樟树(Cinnamomumcamphora)隶属于樟科(Lauraceae)樟属(Cinnamomum)，是亚热带地区常绿阔叶树种，在中国主要分布于长江流域及其以南地区，其中以台湾、江西、福建等地区的资源最为丰富。樟树集优质木材、香精香料、园林绿化、生态防护等多种用途为一身，具有很高的开发利用价值[1]。植物叶片、果实、种子的性状受遗传因素和环境因素的共同作用[2]，经过自然选择逐渐形成稳定的外在表现形式。表型性状是适应、选择、生存、进化的重要指标[3]，是植物种内个体遗传多样性和环境差异性的体现，其中叶片、果实和种子的表型性状差异性是遗传变异的重要体现。研究表明，不同种源樟树的叶长、叶宽、叶面积等形态特征存在差异性，而且这种差异性在一定程度上是受遗传控制的[4]；不同种源、家系樟树的苗期叶片形态特征、光合特性和精油性状均存在差异[5]。同一省域范围内，樟树的叶长、叶宽、叶面积等叶形性状在市和县之间存在极显著差异，且在不同地理区域内有规律可循[6]。相对叶片而言，果实和种子的表型性状更为稳定，其性状除受遗传因素影响之外，也与经纬度、年均气温、降水量等环境条件有一定关系[7]。植物表型性状在评价种质资源适应性、遗传改良及育种价值等方面起着重要作用[8]，可作为植物良种早期选择的重要参考指标[9]。

1 试验区概况

福建省地处中国东南部，位于115°50′—120°40′E，23°33′—28°20′N，属于典型的亚热带海洋性季风气候区。其降雨充沛，温暖湿润；年平均气温17～21 ℃，年平均降雨量1 400～2 000 mm；土壤以红壤、黄壤为主。

2 材料与方法

2.1 试验材料

福建省8个樟树种源地分别为武夷山市、南平市建阳区、邵武市、光泽县、闽清县、闽侯县、永泰县、长泰县。分别于各种源地的天然林中随机选择树龄在100年以上的樟树5株作为样株，要求样株之间均间隔10 km以上。采用多点混合采样法[10]，在各样株树冠的东、南、西、北4个方向，分别于上、中、下3个部位采集树叶及果实，将健康完整的叶片、饱满成熟的果实收集至自封袋中备用。

2.2 试验方法

2.2.1 叶片表型性状测量 将擦拭干净的叶片放入便携式叶面积仪(北京力高泰科技有限公司生产，型号LI-3000)，测量叶长(LL)、叶宽(LW)、叶面积(LA)、叶周长(LP)；用电子游标卡尺(桂林广陆数字测控股份有限公司生产，型号0～200 mm)测量叶厚(LT)。依据公式(1)(2)分别计算叶形指数(LI)、叶缘因子(LMF)[11]。

LI=LL/LW

(1)

LMF=4×LA/LP

(2)

2.2.2 果实和种子表型性状测量 随机抽取果实，用千分之一电子天平测量果实百粒质量(HGWF)，用液差法测量果实体积(FV)，每次测100粒，重复3次，取平均值。用电子游标卡尺测量果实长(FL)、果实宽(FW)、果实高(FH)等，重复10次，取平均值。依据公式(3)(4)分别计算果实比重(FP)、果形指数(FI)等。

FP=HGWF/FV

(3)

FI=FL/FW

(4)

将果实去皮，用测量果实性状的方法测量种子对应性状，包括种子百粒质量(HGWS)、种子体积(SV)和种子直径(SD)等。

2.3 数据处理方法

利用Excel 2017软件进行数据处理；利用SPSS 22.0软件进行方差分析、相关性分析、聚类分析等。

3 结果与分析

3.1 福建省不同种源樟树叶片表型性状的差异性

福建省不同种源樟树叶片表型性状变异系数和多样性指数结果见表1。由表1可知：福建省不同种源樟树叶片7个表型性状的变异系数范围在10.74%～24.23%之间，由大到小依次为叶面积的(24.23%)、叶周长的(16.50%)、叶长的(15.71%)、叶宽的(14.60%)、叶缘因子的(13.36%)、叶厚的(12.89%)、叶形指数的(10.74%)。叶面积、叶周长、叶长的变异系数均大于15.00%，表明不同种源樟树的叶面积、叶周长、叶长的离散程度较高。叶片表型性状的Shannon-wiener多样性指数均大于1.00，范围在2.05～2.07之间，表明福建省樟树叶片表型多样性丰富。

表1 福建省樟树叶片表型性状的变异系数及多样性指数Tab.1 Coefficient of variation and Shannon-wiener index of leaf phenotypic traits of Cinnamomum camphora in Fujian Province

对福建省樟树叶片表型性状进行方差分析，结果(表2)显示，叶长、叶宽、叶面积、叶周长、叶形指数、叶缘因子在种源间、种源内的差异均达显著(P<0.05)，表明叶片表型性状的变异来源于种源内和种源间，福建省樟树叶片的表型性状遗传多样性丰富。

3.2 福建省不同种源樟树果实和种子表型性状的差异性

福建省不同种源樟树果实和种子的变异系数及多样性指数见表3。由表3可知：福建省不同种源樟树果实和种子10个表型性状的变异系数范围在5.45%～28.43%之间，由大到小依次为种子体积的(28.43%)、种子百粒质量的(27.88%)、果实百粒质量的(22.06%)、果实体积的(21.45%)、种子直径的(10.07%)、果实宽的(9.61%)、果实高的(7.91%)、果实长的(7.09%)、果形指数的(6.64%)、果实比重的(5.45%)。种子体积、种子百粒质量、果实百粒质量、果实体积的变异系数均大于15.00%，表明不同种源樟树的果实和种子的体积、百粒质量的离散程度较高。果实和种子表型性状的Shannon-wiener多样性指数范围在2.04～2.07之间，多样性指数均大于1.00，表明福建省樟树果实和种子表型多样性丰富。

表2 福建省不同种源樟树叶片表型性状方差分析Tab.2 Variance analysis of leaf phenotypic traits of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

表3 福建省樟树果实和种子表型性状的变异系数及多样性指数Tab.3 Coefficient of variation and Shannon-wiener index of fruit and seed phenotypic traits of Cinnamomum camphora in Fujian Province

对福建省樟树果实和种子的表型性状进行方差分析，结果(表4)显示：果实百粒质量、果实体积、果实长、果实比重、果实宽、果实高、种子体积、种子百粒质量、种子直径在种源间、种源内的差异均达显著(P<0.05)；果形指数在种源间差异显著，在种源内差异不显著。这表明果实和种子表型性状的变异来源于种源内和种源间。福建省樟树的果实和种子的表型性状遗传多样性丰富。

表4 福建省不同种源樟树果实和种子表型性状方差分析Tab.4 Variance analysis of fruit and seed phenotypic traits of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

3.3 福建省樟树表型性状的相关性

由表3可知：叶片表型性状中有4个性状(叶面积、叶周长、叶长、叶宽)两两间均存在极显著正相关(P<0.01)关系，叶缘因子与叶面积、叶宽均呈极显著正相关(P<0.01)；叶形指数与其他16个性状的相关性均不显著。果实表型性状中有5个性状(果实百粒质量、果实体积、果实长、果实宽、果实高)两两间存在显著正相关(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01)关系；果形指数与果实体积、果实宽、果实高均呈显著负相关(P<0.05)；种子的3个表型性状(种子百粒质量、种子体积、种子直径)两两间均存在极显著正相关(P<0.01)关系。叶片(营养器官)与果实(繁殖器官)的表型性状中有多个性状间存在负相关关系，如叶面积、叶周长、叶长、叶宽、叶形指数与果实比重、果形指数均呈负相关。

表5 福建省樟树叶片、果实和种子表型性状间的相关系数

3.4 福建省樟树种源聚类

基于叶片、果实、种子等的17个表型性状，对福建省8个樟树种源进行聚类分析，结果(图1)表明:当欧式距离为3时，福建省樟树种源聚为2类，第1类包括的种源有光泽(GZ)、邵武(SW)、闽侯(MH)、武夷山(WYS)种源，第2类包括的种源有长泰(CT)、永泰(YT)、建阳(JY)、闽清(MQ)种源；当欧式距离为1时，第2类又分为2个亚类，其中长泰、永泰、建阳种源为一个亚类，闽清种源单独归为一个亚类。从表型性状来看，第1类种源的叶片表现为大而厚，而第2类种源的叶片总体上呈现出小而薄的特点。

图1 福建省樟树种源聚类Fig.1 Cluster analysis of phenotypic characters of Cinnamomum camphora from different provenances in Fujian Province

4 结论与讨论

4.1 福建省不同种源樟树表型性状的差异性

表型多样性是揭示生物多样性的重要指标，是对遗传多样性的一种间接估计[12]。植物表型性状主要包括枝、叶、花、果等的表型性状[13]。变异系数可揭示表型性状的变异程度，性状的变异系数越大，说明该性状的离散程度越大，选择空间也越大，对种质变异和创新的贡献率也越高[14]。本研究表明，福建省樟树的表型性状在种源间存在变异。叶面积、叶长、叶周长、果实百粒质量、果实体积、种子百粒质量、种子体积的变异系数均大于15%，表明福建省不同种源樟树这些表型性状的离散程度较大。Shannon-wiener 多样性指数表示群落的异质性，是评价物种保育价值的重要指标，其值越大代表群落的物种多样性越丰富[15]。本研究中表型性状的Shannon-wiener 多样性指数在2.04～2.07之间，说明福建省樟树表型性状的遗传多样性丰富。福建省不同种源樟树的果形指数在种源内差异不显著，除果形指数外的叶片、果实、种子等的其他16个表型性状在种源间和种源内均存在显著差异，说明樟树叶片、果实、种子的表型性状在种源内和种源间均存在一定程度的变异。类似的研究结果在文昌锥[16]、板栗[17]、楠木[14]等植物中均存在。种源内的变异反映的是种质资源个体基因型间的表型变异。种质资源中丰富的高产、优质、抗逆以及高光合效率的基因型是品种改良和新品种选育的基础[17]，因此，樟树种源内和种源间的性状变异是福建省樟树育种效率提高的基础。

4.2 福建省樟树表型性状的相关性

福建省樟树叶片表型性状中有4个性状(叶面积、叶周长、叶长、叶宽)两两间均存在极显著(P<0.01)正相关关系，叶缘因子与叶面积、叶宽均呈极显著正相关(P<0.01)；果实表型性状中有5个性状(果实百粒质量、果实体积、果实长、果实宽、果实高)两两间存在显著正相关(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01)关系；叶形指数与其他16个性状间均不存在显著相关关系；果形指数与果实体积、果实宽、果实高均呈显著负相关；种子的3个表型性状(种子百粒质量、种子体积、种子直径)两两间均存在极显著正相关关系。叶片(营养器官)与果实(繁殖器官)的表型性状中多个性状间均存在负相关关系，如叶面积、叶周长、叶长、叶宽、叶形指数与果实比重、果形指数均呈负相关。

叶片是植物光合作用的主要营养器官之一，叶片表型性状是植物为获得最大光热能量所形成的重要结构特征参数。果实、种子是植物的主要繁殖器官，其表型多样性是种源变异的重要体现。本研究表明，福建省樟树的叶片、果实、种子等各自表型性状间的相关性较强，但该3种类型表型性状间的相关性相对较弱。如叶面积与叶片表型性状中的叶长、叶周长、叶宽、叶缘因子间均存在极显著相关性，但叶面积除与果实表型性状中的果长呈显著相关外，与果实的其他表型性状及种子的表型性状间均不存在显著相关性。此外，叶片(营养器官)的性状与果实(繁殖器官)的性状间存在负相关关系，如叶形指数与果实百粒质量、果实体积、果实长、果实宽、果实高、果实比重均呈负相关。这与邓绍勇等[18]对药用栀子的研究结果一致。这可能是植物在长期进化过程中形成的有限资源合理分配的进化策略。在香料叶用樟树生产中，人们期待生物量更多地集中在叶片而不是果实，因此，在选育时，可选择叶大而厚，果实小的优良单株。叶片与果实的负相关关系可为叶用植物品种选育提供参考。

4.3 福建省樟树种源聚类

基于叶片、果实、种子等的17个表型性状对福建省的樟树种源进行聚类分析的结果显示，在欧式距离为3时，福建省8个樟树种源聚为2类，其中光泽、邵武、闽侯、武夷山种源聚为一类，长泰、永泰、建阳、闽清种源聚为一类。一类种源的叶片表现为大而厚，另一类种源的叶片总体上呈现出小而薄的特点。叶面积是叶片表型特征的重要指标，是反映植物获取光照资源和光合能力的重要指标[19]，叶面积越大，植物在短时间内的物质积累速率越快[6]，而叶面积小的植物则可以更好地适应土壤贫瘠和干旱的环境[19]。通常认为，聚类为同类的种源遗传距离较近，聚类为不同类的种源遗传距离较远。从樟树种源的地理分布位置来看，聚类分析结果与各种源的地理分布没有呈现出特定的关系。王轩等[20]对水榆花楸的研究也得出了类似的结论。汤诗杰等[21]利用分子标记方法对南京椴天然居群进行聚类分析，结果表明居群遗传因子与其地理分布并没有呈现出特定关系。赵姣[6]对江西省不同种源香樟叶片表型差异性分析结果表明，香樟叶片表型性状与其种源地的经纬度显著相关。本研究结果显示，种源聚类与种源地的地理位置没有特定关系，可能是由于受大规模的引种栽培影响。福建省对樟树的开发利用较早，长期大规模的繁育栽培，种源间遗传多样性受到一定程度的人为因素影响[18]。此外，还可能受福建省地形复杂的影响。例如闽清县境内闽江以南为戴云山脉东北麓，北部为鹫峰山脉南麓，全县四周群山连绵，盆谷相间，地貌类型复杂多样，平原狭小，层状地貌明显。推测闽清种源樟树的表型性状受到了种源地小气候环境条件的影响。因此，采用表型性状特征作为区分种源间遗传变异特点存在一定的局限性，由于表型、化学型、生态型是植物多样性的体现[2]，因此，可从叶片表型、叶片精油、叶片解剖结构等多方面进行综合分析。