紫楠天然种群表型变异特征

摘要：[目的]揭示紫楠天然种群的表型变异程度及规律。[方法]以其分布区内20个种群为研究对象，运用巢式方差分析等方法，对紫楠11个表型性状及其与地理生态因子的相关性进行系统研究。[结果]紫楠11个表型性状在种群间和种群内均存在极显著差异，其变异系数为8.54%～43.75%，均值为20.83%，且6个叶片性状的平均变异系数（26.27%）高于5个种子性状（14.31%），即种子比叶片具有更大的遗传稳定性；紫楠种群间的变异（50.44%）高于种群内的变异（23.42%），平均表型分化系数为66.46%，种群间变异是紫楠表型变异的主要来源。在调查分布范围内，叶片随海拔升高而变小，呈由西向东逐渐变宽的趋势，而种子大小则表现为由东北向西南逐渐变大的趋势。依据叶片和种子性状可将20个种群聚为三大类群，基本可代表紫楠在不同分布区域的表型特征。[结论]紫楠11个表型性状在种群间和种群内均存在极显著差异，以种群间变异为主。叶片的平均变异系数高于种子，呈由西向东逐渐变宽趋势，种子则呈由东北向西南逐渐变大的趋势。聚类分析将20个紫楠天然种群依地理位置分为三大类。

关键词：紫楠；叶片性状；种子特性；表型分化；聚类分析

中图分类号：S718.5 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2024）05-0169-09

遗传多样性是构成生物多样性的基本要素，在探究物种起源、预测种源适应性以及评估基因资源分布等方面具有至关重要的意义。研究遗传多样性的主要手段是通过使用不同类型的遗传标记。植物表型是基因型与环境共同作用的结果，研究种群在其分布区内不同环境下的表型变异，是生物系统学和生物多样性中的重要研究领域。通过较为稳定的遗传性状研究表型变异是简便且直接的方法，可以揭示植物种群的变异程度与遗传结构。目前，美国白皮松（Pinus a/bicau/is Engelm．）、卡西亚松（Pinus kesiya Royle ex．Gordon）和岷江柏（Cupressus chengiana S．Y．Hu）等针叶树种，以及西南桦（Betula alnoides Buch.Ham. ex D．Don）、无患子（Sapindus mukorossiL．）112）和五角枫（Acer mono Maxim.）等阔叶树种的表型性状变异研究发现表型变异程度在其种群间及种群内均较高，为各树种遗传资源的保护与利用提供了重要参考。

紫楠（Phoebe sheareri （Hemsl.） Gamble）为樟科（Lauraceae）楠属（Phoebe）我国特有的珍贵常绿阔叶树种，其木材坚硬、纹理美观，是商品材“金丝楠木”的原植物种之一。紫楠喜生于气候温暖、湿润的环境，常见于1000 m以下的山地溪边阔叶林，自然分布于浙江、江苏、安徽、湖南、江西等省（区）。然而，因气候变迁，过度采伐，及其自然更新能力弱等原因，紫楠天然资源日益减少。现存较大面积的天然群落较少，种质资源分布与结构均不明确。

近年来楠属植物的表型性状变异研究集中在桢楠（Phoebe zhennanS.Lee et F.N.Wei）、浙江楠（Phoebe chekiangensis C．B．Shang）及闽楠（Phoebe bournei （Hemsl.） Yen C.Yang）。然而，对紫楠的研究主要在幼苗生长、木材结构、精油成件和叶绿体基因组等方面，作为植物生物学研究基础的表型多样性和地理变异规律还未见报道，不利于开展紫楠人工林营造的良种选育工作。为此，本研究在全面调查紫楠野生资源的基础上，测定了20个天然种群的叶片和种子共11个表型性状，运用方差分析、相关性分析等方法，揭示紫楠表型在种群间和种群内的变异程度，分析表型变异与地理生态因子之间的关系，为紫楠天然种群的区划、种质资源的保护与利用、遗传改良工作的开展提供科学理论依据，也为进一步研究紫楠这一珍贵树种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 样地选择和材料采集

选择在生境条件和种群大小等方面具有一定代表性的紫楠天然种群进行采样（表1）。每个种群选取至少20株生长良好、树龄相近、长势一致且无病虫害的成年植株采集叶片和种子，采样株间距大于30 m。采用GPS记录各样地的经纬度及海拔，测定坡度与群落林分郁闭度，并查阅各种群所在地的年日照时长、年均温和年降水量等气象因子。

1.2 研究方法

以叶片和种子共11个性状作为紫楠表型变异研究的指标。共采集了20个种群的477个单株，每个单株随机选取30片发育成熟、完整无损叶片，利用手持活体叶面积测量仪测量叶片长与宽、叶面积，计算叶片长宽比（形态指标），并测定叶片的侧脉数和叶柄长。同时采集各单株饱满新鲜成熟果实，去皮处理并阴干。随机取30粒阴干后的种子用游标卡尺测量种子长、宽（测量精度为0.01 mm）并计算种子长宽比；每株植株随机选取100粒种子，称质量后换算成千粒质量，重复3次；利用排水法测定100粒测完百粒质量后的种子的体积，重复3次。

1.3 数据分析

采用巢式方差分析紫楠1 1个表型性状在种群间和种群内的差异显著性，线性模型为：Yijn=μ+αi+βj（i）+εijn，其中，yijn表示第i个种群的第j个个体的第n个观测值，μ为总体平均值，αi表示第i个种群的效应值，βj（i）为第i个种群内第j个个体的效应值，εijn为第ijn个观测值的误差。结果进行邓肯多重比较，分别计算各性状的平均值（X）、标准偏差（SD）、变异系数（CV=SD/X）。表型分化系数Vst=δ2t/s／（δ2t/s+δ2s），其中δ2t/s为种群间方差值，δ2s为种群内方差值。同时，进行主成分分析、Pearson相关性分析、逐步回归分析及UPGMA聚类分析。应用Excel 2007与SPSS19.0进行数据整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 种群间和种群内的表型变异

紫楠叶片和种子表型性状变异的方差分析结果表明：11个性状在种群间和种群内均存在丰富的变异且差异极显著（p＜0.01）。叶片最长的为ZJS种群（17.45 cm），显著长于除ZJB外的其它18个种群，且长宽比（3.38）也显著高于其它种群；ZJB种群的叶片宽（8.66 cm）和叶面积（95.37 cm2）均显著大于其它种群；而XS种群叶片宽（4.18 cm）和叶面积（29.46 cm2）最小，其中，叶面积仅为ZJB种群的30.9%。叶柄长最大的为SC（2.01 cm），最小的为ZJS （0.99cm）。叶片侧脉数最多的为CH种群（21.11条），且显著多于其它19个种群。种子最长的为ZY种群（10.77 mm），显著高于其他种群；种子最宽的为LS种群，显著大于与除ZY和ZJS外的其它17个种群。种子长宽比最大和最小的分别为CH（1.56）和ZJS（1.26）；LS的单粒种子体积（0.315 1 cm3）与千粒质量（328.35 g）均最大，而最小的均为CH种群（表2）。

2.2 表型性状变异特征

紫楠11个表型性状在种群内个体间的平均变异系数为20.83%，变异幅度为8.54%～43.75%（表3）。叶片长和宽、叶面积、叶长宽比、叶柄长及单粒种子体积的变异系数均大于总平均变异系数（20.83%），其中叶面积的变异系数高达43.75%。而叶片侧脉数、种子长和宽及长宽比的变异系数均远小于20.83%；种子千粒质量变异系数（19.06%）接近20.83%。6个叶片性状的平均变异系数（26.27%）远高于5个种子性状（14.31%）。不同种群的平均变异系数中，最高为XH种群（13.71%），最低为ZJS种群（8.49%）。

2.3 表型性状在种群间的分化

采用巢式方差分析对紫楠种群间和种群内的表型性状变异分析表明11个表型性状在种群间平均方差分量百分比为50.44%，种群内为23.42%，随机误差为26.14%（表4）。不同性状的分化程度相差很大，其表型分化系数变异幅度为39.73%～89.40%，6个叶片性状的表型分化系数均值（64.83%），略低于5个种子性状（68.41%），11个表型性状在种群间的平均表型分化系数为66.46%，种群内的贡献仅为33.54%，说明紫楠叶片和种子性状的表型变异以种群间变异为主。

2.4 表型性状主成分分析

对11个指标进行主成分分析，以特征值大于1为标准提取主成分，前4个主成分的累积贡献率为81.12%。其中，第1主成分的贡献率为37.16%，特征值为4.087，主要反映种子长、千粒质量、种子宽等种子特性；第2主成分的贡献率为19.12%，特征值为2.103，主要反映叶片长、叶面积、叶片长宽比等叶片特性；第3主成分的贡献率为13.18%，特征值为1.450，仍然主要反映叶柄长、叶片长宽比、叶片宽等叶片特性；第4主成分的贡献率为11.66%，特征值为1.282，主要反映种子长宽比、种子长、种子宽等种子特性。

2.5 表型性状与地理生态因子的相关性

紫楠种群表型性状与采样地生态因子间相关分析结果表明（表5），叶片长、宽及叶面积与海拔均呈显著负相关；叶片宽、叶柄长及侧脉数与经度、日照时间均呈显著或极显著正相关，且侧脉数与纬度也呈显著正相关。种子长、宽、体积与经、纬度均呈显著或极显著负相关，且种子千粒质量与经度也呈极显著负相关，说明紫楠种子在其分布区内呈由东北向西南颗粒逐渐变大的变异规律。而叶片、种子性状与其它地理生态因子间的相关性均未达到显著水平。

对紫楠表型性状与地理生态因子进行逐步回归分析，结果表明，紫楠的11个表型性状中，叶片长主要受海拔、日照时长和郁闭度的影响，这3个因子分别解释了15.6%、22.4%和13.4%的变异；经度（61.2%）、海拔（21.6%）则分别是解释叶片宽、叶面积变异的唯一因子；叶片长宽比主要受海拔、日照时长的影响，这2个因子分别解释了23.7%、35.1%的变异；侧脉数变异主要受经度（24.8%）、海拔（18.3%）的影响。纬度（34.0%）是解释种子长变异的唯一原因；种子宽则主要受经度、年均温的影响，这2个因子分别解释了22.6%、15.7%的变异；并且经度、年均温也是影响种子体积、千粒质量变异的主要原因。地理生态因子对其余2个性状变异的影响不显著而未能生成模型。

2.6 基于11个表型性状的种群聚类分

对20个紫楠种群进行UPGMA聚类分析，以平均欧式距离10 cm为阈值，分为三大类（图1）。第一大类包含QY、LC、SC、SY和NH，都为分布区内中南部以及东部的5个种群，海拔、日照和年降水等指标均较高，其叶片长和叶面积分别小于20个种群的平均值12.18 cm和49.17 cm2；第二大类包含LJ、THY、TMS、CH、CA、LHT、ZJB、XH和ZJS，都为分布区内东北部的9个种群，经、纬度和年均温指标均较高，其叶片长和宽的均值分别为13.99 cm和7.19 cm，都大于20个种群的平均值，而种子长和宽的均值分别为8.44 mm和6.01 mm，都小于20个种群的平均值；第三大类包含FJS、ZJ、XN、ZY、LS和XS，都为分布区内西部及西南部的6个种群，海拔高，日照和经、纬度等指标较低，其叶片宽都小于20个种群的平均值，而种子长除XS种群外都大于20个种群的平均值，种子宽都大于20个种群的平均值。

3 讨论

3.1 紫楠天然种群的表型多样性

通过对紫楠20个天然种群的叶片和种子性状的研究发现，11个表型性状在种群间和种群内均存在极显著差异，与浙江楠、闽楠、西南桦、五角枫等阔叶树种的研究结果基本一致，这是物种基因型和环境互作的结果。紫楠11个表型性状的平均变异系数为20.83%，变异幅度为8.54%～43.75%，高于浙江楠叶片和种子的10个性状变异（16.99%），闽楠叶片和种子的10个性状变异（12.12%），润楠属（Machilus）红楠（Machilus thunbergii Sieb. et Zucc.）叶片、果实和种子的8个性状变异（15.40%）以及木姜子属（Litsea）山苍子（Litsea cubeba（Lour）Pers.）叶片、果实和种子的10个性状变异（1 4.03%），这可能与紫楠天然种群的分布范围大有关，本研究中20个采样地的地理环境差异大，导致了紫楠在长期自然选择中积累了丰富的遗传变异，表现出叶片和种子表型的丰富变异，这与一些广布性树种，如无患子、皂荚（Gleditsiasinensis Lam.）和青钱柳（Cyclocarya paliurus（Batal.） ll jinsk.）等研究结果一致。紫楠叶片6个性状的平均变异系数（26.27%）高于种子5个性状（14.31%），这可能由于种子是紫楠遗传物质的载体，变异相对较小，稳定性较高，所受环境影响较小，这与浙江楠的研究结果一致；而紫楠叶片受环境影响较大，变异程度较高，与植物的环境适应能力密切相关，且叶片性状在楠属种间也具明显差异，因此叶片常被作为划分楠木类树种的重要依据。

3.2 紫楠表型性状的变异来源

紫楠天然种群间平均表型分化系数为66.46%，远高于种群内，说明紫楠表型变异以种群间变异为主，这与白花树（Styrax tonkinensis Pierre Craibex Hartw.）（59.08%）和无患子（62.21%）等分布较广的树种研究结果一致，而高于浙江楠（41.43%）和野生玫瑰（Rosa rugosa Thunb．）（29.52%）等现有分布区较窄的物种，同时，也高于川西云杉（Picea balfouriana Hillier exSlavin）（6.53%）和云南松（Pinus yunnanensisFranch.）（25.28%）等针叶树种。研究表明，种群间的变异程度不仅能反映地理和生殖隔离的差异，并且体现了植物对不同环境的适应能力，表型分化系数值越大，适应环境的能力越强，则分布越广。虽然紫楠为异花授粉植物，但该树种保存植株总量不多，且天然种群分布不连续，花粉传播难以实现，由此产生了种群间的遗传分化。此外，紫楠种子传播距离也十分有限，且种子萌发、幼苗生长对生态条件的要求较高，这也促进了种群间的遗传分化。

3.3 紫楠天然种群的表型地理变异规律

植物表型的地理变异规律比较复杂，且因种而异。逐步回归结果显示海拔、经度、日照时间是影响紫楠叶片性状变异的主要因子，其中叶片长、宽及叶面积与海拔均呈显著负相关，表明叶片随海拔升高而变小，这与清凉峰不同海拔阔叶树种叶片大小的结果相一致；叶片宽、叶柄长及侧脉数与经度、日照时间均呈显著或极显著正相关，说明紫楠叶片呈由西向东逐渐变宽、叶柄变长及侧脉数增多的趋势。经、纬度、温度则是影响紫楠种子性状变异的主要因子，其中，种子长、宽与经度、纬度均呈显著或极显著负相关，同时单粒种子体积、千粒质量与经度也呈极显著负相关，说明紫楠种子颗粒在其分布区内呈由东北向西南逐渐变大的地理变异规律；然而，各性状都未呈现与降水、坡度等因子的显著相关性，造成紫楠表型地理变异规律的真正原因还有待于进一步研究。聚类分析结果显示20个紫楠天然种群基本依据地理位置而聚为三大类。第一大类的5个种群位于分布区内的中南部以及东部，其叶片长和叶面积均小于20个种群的平均值；第二大类的9个种群位于分布区内东北部，其叶片长和宽的均值分别为13.99 cm和7.19 cm，都大于20个种群的平均值，而种子长和宽的均值分别为8.44 mm和6.01 mm，都小于20个种群的平均值；第三大类的6个种群位于分布区内的西部及西南部，其叶片宽都小于20个种群的平均值，而种子长除XS种群外都大于20个种群的平均值，种子宽都大于20个种群的平均值。聚类结果进一步验证了表型性状与地理因子之间的相关性。

3.4 紫楠天然种群的保护策略

紫楠在自然环境改变以及人为干扰下，现存天然种群面积日益减少且资源分散程度严重。因此，我们亟需制定合理的保护和育种策略来确保紫楠天然资源得到有效保护，现由本研究结果提出以下措施：（1）各地政府应切实加强对紫楠现存资源的就地保护，在分布较集中的地区建立重点保护区，尽可能最大限度保存野生珍贵资源；对破坏较严重的种群（如SY、XN等）进行适度人工干预，设立专门的机构，以优先保护和引种表型变异丰富、遗传多样性高的种群（如XH、LHT等），促进种群自然更新；（2）紫楠表型变异有66.46%来自于种群间，33.54%来自于种群内，充分考虑种群间和种群内的变异情况，在对全部种群进行保护的基础上，筛选出具有优异特征的种群，并进一步挑选种群内具有杰出表现的个体，应用嫁接、体胚等无性快繁技术，建立优良种质资源保存库，同时营建母树林或种子园，以满足紫楠人工林发展的用种需求，不断扩大基因资源；（3）开展种群生态学与分子遗传学等研究，了解紫楠种群遗传结构及其濒危成因，确定特定的保护区域，并制定相应的科学保护方案。

4 结论

紫楠11个表型性状在种群间和种群内均存在极显著差异，且叶片的平均变异系数高于种子。紫楠表型变异以种群间变异为主。叶片随海拔升高而变小，呈由西向东逐渐变宽、叶柄变长及侧脉数增多的趋势，种子则呈由东北向西南逐渐变大的趋势。聚类分析将20个紫楠天然种群依据地理位置分为三大类，进一步验证了表型性状与地理因子之间的相关性。

（责任编辑：张研）

基金项目：丽水市珍稀用材树种资源保育与利用（H20230153）；浙江省农业新品种选育重大专项（2021C2070-10）