不同種源楓香樹幼苗生長性狀的地理變異

何慶海， 方 茹， 李文鑫， 謝宇凱， 張燕琴， 石從廣， 楊少宗，①

(1. 浙江省林業(yè)科學(xué)研究院， 浙江 杭州 310023； 2. 中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

種源實(shí)驗(yàn)是植物遺傳育種的重要手段，用于研究種群遺傳變異與環(huán)境因子的關(guān)系，闡明種群的變異模式[1]。 種源試驗(yàn)已被廣泛應(yīng)用于林木育種研究，在花楸樹〔Sorbuspohuashanensis(Hance) Hedl.〕[2]、浙江楠(PhoebechekiangensisC. B. Shang)[3]和暴馬丁 香〔Syringareticulatavar.amurenis( Rupr.)Pringle〕[4]等種類的研究中已取得一定成果。 由于林木遺傳育種周期較長，苗期試驗(yàn)成為林木優(yōu)良種源初選的重要方法， 并已在麻櫟(QuercusacutissimaCarruth.)[5]、歐洲花楸(SorbusaucupariaLinn.)[6]和紅椿(ToonaciliataRoem.)[7]等植物的研究中予以應(yīng)用。

楓香樹(LiquidambarformosanaHance)隸屬于金縷梅科(Hamamelidaceae) 楓香樹屬(LiquidambarLinn.)，是第三紀(jì)孑遺植物，在第四紀(jì)冰川于東亞避難所中得以保存[8]。 楓香樹在中國主要分布于秦嶺—淮河以南地區(qū)，跨北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶和北亞熱帶4 個氣候帶[9]。 在楓香樹的廣大分布區(qū)范圍內(nèi)，環(huán)境的異質(zhì)性對不同種源楓香樹產(chǎn)生的影響存在差異。 表型性狀變異受遺傳和環(huán)境因子二者的共同作用[10-11]。 Sun 等[12]認(rèn)為，地理隔離并不是造成楓香樹遺傳差異的主要原因，楓香樹的遺傳多樣性更多存在于種群內(nèi)不同個體間。 已有研究通過種源試驗(yàn)觀測1 年生、4.5 年生、10 年生和14 年生楓香樹株高、胸徑和積材等生長性狀，并通過比較種源間的差異選擇出優(yōu)良種源和家系[13-16]，從時空角度展示了不同生長年份楓香樹種源間的差異。 而明確楓香樹種源間生長性狀差異的形成原因是選擇優(yōu)良種質(zhì)資源的關(guān)鍵條件。

目前，地理-氣候因子對楓香樹種源的影響尚未明確，楓香樹的苗期生長模型也亟需完善。 地理-氣候因子作為可以測量的因子，在選擇優(yōu)良種質(zhì)上具有重要的參考價值。 楓香樹苗期生長模型的建立，不僅有利于了解其不同生長階段的生長情況以及比較種源間的差異，還可為速生種質(zhì)的選擇提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

本研究以30 個種源的楓香樹種子為材料，通過播種繁殖獲得實(shí)生苗，并分階段測量1 年生幼苗的株高、地徑和葉片形狀因子，比較不同種源楓香樹不同階段的差異性，建立苗期生長模型；并結(jié)合種源地的地理-氣候因子，分析影響不同種源楓香樹生長的關(guān)鍵因子，探索其生長性狀在地理空間上的變化規(guī)律，以期為選擇適生的速生種質(zhì)提供苗期數(shù)據(jù)，并為探索楓香樹的地理變異奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

于2014 年9 月至12 月，在15 個省(自治區(qū))，以縣域范圍較為集中的楓香樹天然群體為種源，共收集30 個種源，每個種源楓香樹單株均在10 株以上，株距在100 m 以上。 選擇生長健壯且結(jié)實(shí)狀況良好的單株，每個單株采集果實(shí)5 kg 以上，取出的種子于-20 ℃保存。

于2015 年4 月，在長樂林場(北緯30.37°、東經(jīng)119.84°，海拔37 m)穴盤育苗，采用隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，重復(fù)3 次，每次100 粒種子，每個種源共300 粒種子。 常規(guī)水肥管理，出苗初期遮陽。 供試楓香樹種源地的地理-氣候因子見表1。

1.2 方法

每個重復(fù)隨機(jī)選擇15 株楓香樹幼苗并標(biāo)記，每個種源共45 株。 分別于2015 年的8 月和12 月以及2016 年3 月測量株高和地徑，其中，使用皮尺(精度0.1 cm)測量株高，使用游標(biāo)卡尺(精度0.001 mm)測量地徑(距地面5 cm 處)。 于2015 年9 月下旬，每個重復(fù)隨機(jī)選擇15 株楓香樹幼苗，每個種源共45株，取從上往下第3 或第4 枚葉，用YMJ-D 葉面積測量儀(浙江托普儀器有限公司)測量葉面積(a)和葉周長(p)，并據(jù)此計(jì)算葉片形狀因子(f)，計(jì)算公式為f=4πa/(p2)。

表1 供試楓香樹種源地的地理-氣候因子Table 1 Geographical-climatic factors of provenance locations of Liquidambar formosana Hance tested

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)最后1 次測量的數(shù)據(jù)計(jì)算各種源楓香樹幼苗株高、地徑和葉片形狀因子的變異系數(shù)。 對種源間株高、地徑和葉片形狀因子進(jìn)行方差分析，采用Duncan's新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。 對生長性狀與種源地的地理-氣候因子進(jìn)行相關(guān)性分析。 采用逐步回歸法分析地理-氣候因子對生長性狀的影響，并建立線性回歸方程[17]。 利用EXCEL 2010 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，利用Origin 8.5 軟件繪圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 幼苗生長性狀的比較

不同種源楓香樹幼苗不同階段株高和地徑的比較結(jié)果見圖1，不同種源楓香樹幼苗葉片形狀因子的比較結(jié)果見圖2。

圖1 不同種源楓香樹幼苗不同階段株高和地徑的比較Fig. 1 Comparison on plant height and ground diameter at different stages of Liquidambar formosana Hance seedlings from different provenances

2.1.1 對株高和地徑的影響 由圖1 可見：第1 階段(2015 年4 月至8 月)，30 個楓香樹種源幼苗株高的變化幅度較小，其中，貴州德江(P26)、陜西寧強(qiáng)(P28)和陜西鎮(zhèn)巴(P30)種源的株高較大。 第2 階段(2015 年8 月至12 月)，30 個楓香樹種源幼苗株高的變化幅度較大，其中，海南黎母山(P1)、海南霸王嶺(P2)和云南富寧(P7)種源的株高較大。 第3 階段(2015年12 月至2016 年3 月)，30 個楓香樹種源幼苗株高的變化幅度均較小。 2016 年3 月，30 個楓香樹種源中P2 種源的株高最高，為65.0 cm，河南商城(P27)種源的株高最低，為25.5 cm。

與株高相比較，不同階段楓香樹幼苗地徑在種源間的變化幅度均較小。 2016 年3 月，30 個種源中安徽霍山(P19)種源的地徑最大，為6.478 mm，湖北京山(P23)和福建華安(P10)種源的地徑較小，分別為4.635 和4.671 mm。

方差分析結(jié)果表明：楓香樹幼苗株高和地徑在種源間存在極顯著差異。

2.1.2 對葉片形狀因子的影響 由圖2 可見：P7 種源楓香樹幼苗葉片形狀因子最大，為0.44，江蘇蘇州(P14)種源的葉片形狀因子最小，為0.34。 方差分析結(jié)果表明：楓香樹幼苗葉片形狀因子在種源間存在顯著差異。

圖2 不同種源楓香樹幼苗葉片形狀因子的比較Fig. 2 Comparison on leaf shape factor of Liquidambar formosana Hance seedlings from different provenances

2.2 幼苗生長性狀變異系數(shù)的比較

不同種源楓香樹幼苗生長性狀變異系數(shù)的比較結(jié)果見表2。 由表2 可見：30 個楓香樹種源幼苗生長性狀變異系數(shù)的均值由高到低依次為株高(23.01%)、 地 徑( 19.35%)、 葉 片 形 狀 因 子(17.51%)。 30 個楓香樹種源幼苗株高的變異系數(shù)的變化幅度較大，其中，福建尤溪(P9)種源株高的變異系數(shù)最大(33.90%)，海南霸王嶺(P2)種源株高的變異系數(shù)最小(8.79%)，前者約為后者的4 倍；30 個楓香樹種源幼苗地徑的變異系數(shù)的變化幅度較小，其中，陜西鎮(zhèn)巴(P30) 種源地徑的變異系數(shù)最大(24.56%)，安徽霍山(P19)種源地徑的變異系數(shù)最小(15.37%)；30 個楓香樹種源幼苗葉片形狀因子的變異系數(shù)的變化幅度較大，其中，江西大余(P16)種源葉片形狀因子的變異系數(shù)最大(28.01%)，P2 種源葉片形狀因子的變異系數(shù)最小(8.90%)，前者約為后者的3 倍。 種源內(nèi)楓香樹幼苗生長性狀變異系數(shù)均值最大的是湖南桑植(P20)種源(25.43%)，最小的是P2 種源(11.86%)，表明不同種源楓香樹幼苗生長性狀種源內(nèi)的變異存在明顯差異。

2.3 相關(guān)性分析

楓香樹幼苗生長性狀與其種源地地理-氣候因子間的相關(guān)系數(shù)見表3。 由表3 可見：楓香樹幼苗株高與緯度和經(jīng)度呈極顯著(p＜0.01)負(fù)相關(guān)，與海拔、年均溫、1 月均溫和無霜期呈極顯著正相關(guān)，與年降水量無顯著相關(guān)性；地徑與緯度呈極顯著正相關(guān)，與年均溫、1 月均溫和無霜期呈極顯著負(fù)相關(guān)，與經(jīng)度、海拔和年降水量無顯著相關(guān)性；葉片形狀因子與緯度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與年均溫、1 月均溫和無霜期呈極顯著正相關(guān)，與經(jīng)度、海拔和年降水量無顯著相關(guān)性。

表2 不同種源楓香樹幼苗生長性狀變異系數(shù)的比較Table 2 Comparison on coefficients of variation of growth traits of Liquidambar formosana Hance seedlings from different provenances

表3 楓香樹幼苗生長性狀與其種源地地理-氣候因子間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficient between growth traits of Liquidambar formosana Hance seedlings and geographical-climatic factors of their provenance locations

2.4 逐步回歸分析

地理-氣候因子對楓香樹幼苗株高、地徑和葉片形狀因子的影響存在共線關(guān)系，剔除逐步回歸過程中存在共線關(guān)系的地理-氣候因子，結(jié)果(表4)顯示：株高與無霜期和海拔存在極顯著的線性關(guān)系，地徑和葉片形狀因子與1 月均溫也存在極顯著的線性關(guān)系，這3 個地理-氣候因子能解釋楓香樹幼苗生長性狀30.8%～81.9%的變化。

表4 楓香樹幼苗生長性狀與地理-氣候因子的逐步回歸分析結(jié)果Table 4 Result of stepwise regression analysis on growth traits of Liquidambar formosana Hance seedlings and geographical-climatic factors

3 討論和結(jié)論

3.1 楓香樹苗期性狀變異分析

株高和地徑是研究林木苗期生長的重要指標(biāo)，在香椿〔Toonasinensis(A. Juss.) Roem.〕[18]、刨花楠(MachiluspauhoiKanehira)[19]和青錢柳〔Cyclocarya paliurus(Batal.) Iljinsk.〕[20]等苗期研究中均作為生長差異的重要參考，其中，香椿苗高和地徑的變異系數(shù)分別為38.58%和14.19%，刨花楠苗高和地徑的變異系數(shù)分別為8.60%和5.75%，而本研究中，楓香樹幼苗株高和地徑的變異系數(shù)分別為23.01%和19.35%，說明株高的變異普遍較地徑豐富，且楓香樹幼苗株高的變異水平居中，地徑的變異水平相對較高。 葉片形狀因子是綜合描述葉面積與葉片周長的指標(biāo)，也是葉片生長的重要指標(biāo)。 楓香樹幼苗葉片形狀因子的變異系數(shù)為17.51%，較株高和地徑的變異系 數(shù) 小， 但 較 紅 櫸(ZelkovaschneiderianaHand.-Mazz.)[21]葉片形狀因子種源間平均變異系數(shù)(9.34%)大。 楓香樹幼苗的株高、地徑和葉片形狀因子在種源間存在明顯差異，這種差異可以作為區(qū)別不同種源的依據(jù)。 本研究未對楓香樹種源內(nèi)家系間子代苗期生長性狀的差異進(jìn)行挖掘，關(guān)于其生長性狀的變異主要來源于種源間還是家系間還需進(jìn)一步研究。由于本實(shí)驗(yàn)是在同一地塊的相近區(qū)域展開，且后期人工管理措施一致，因此，可初步認(rèn)定這些生長差異主要受遺傳影響。

3.2 楓香樹的生長節(jié)律與速生種質(zhì)選擇

相關(guān)研究結(jié)果表明：紅椿[7]、臺灣榿木〔Alnus formosana(Burkill) Makino〕[22]和任豆(ZeniainsignisChun)[23]的生長節(jié)律均符合Logistic 方程擬合模型(R2＞0.95)，紅椿和任豆苗高和地徑的生長均呈現(xiàn)“慢—快—慢”的“S”型生長曲線模式，可將苗高和地徑的生長分為生長前期、速生期及生長后期3 個階段；臺灣榿木年生長進(jìn)程劃分為漸增期、速生期和緩增期3 個階段，其中處于速生期植株的株高和地徑生長量均超過全年總量的70%。 南方紅豆杉〔Taxuswallichianavar.mairei(Lemée et Lévl.) Cheng et L.K. Fu〕[24]的苗高、地徑和苗高生長節(jié)律具有較豐富的遺傳差異，遺傳改良潛力較大，早期選擇有一定的可靠性。 本研究中，楓香樹幼苗的株高和地徑存在2 個快速增長階段，且部分種源株高在4 月至8 月的生長速度較12 月至次年3 月更快。 劉軍等[18]對香椿的研究結(jié)果表明：生長越快，抗凍性越差。 30 個種源中，云南富寧、海南霸王嶺和海南黎母山種源楓香樹幼苗的株高生長迅速，可作為速生種質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。 這3 個楓香樹種源分布地的平均溫度相對較高，其是否適應(yīng)于偏北地區(qū)，還需要進(jìn)行抗凍性方面的研究。 相比較而言，陜西寧強(qiáng)和陜西鎮(zhèn)巴種源楓香樹幼苗的株高和地徑生長居中，可作為耐寒速生種質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3.3 楓香樹苗期性狀地理變異分析

廣布植物種群地理變異的形成與自然選擇、基因流和基因飄動等因子有關(guān)。 植物的變異形式有連續(xù)變異、區(qū)域板塊變異以及隨機(jī)變異等模式[25]。 核桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)[26]果核性狀變異是不連續(xù)變異；而花楸樹[2]表型性狀為緯度和經(jīng)度雙向變異模式，其中緯度起主要作用；與楓香樹分布區(qū)相似的樟樹〔Cinnamomumcamphora( Linn.)Presl〕[27]的種子長寬比、杉木〔Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.〕[28]的株高和胸徑以及香椿[18]的苗高、地徑和抗凍性是以緯度變異為主；紅椿[7]的苗高和地徑以經(jīng)度變異為主。 相關(guān)性分析結(jié)果顯示：楓香樹幼苗的株高與種源地的緯度和經(jīng)度極顯著相關(guān)，而地徑和葉片形狀因子僅與經(jīng)度極顯著相關(guān)，這種影響表現(xiàn)在不同種源幼苗生長性狀差異上，并形成了在地理空間上株高呈“西南—東北”遞減、地徑呈“南—北”遞增和葉片形狀因子呈“北—南”遞減的變化趨勢。 逐步回歸分析結(jié)果顯示：楓香樹幼苗的株高主要受無霜期和海拔影響，地徑和葉片形狀因子主要受1 月均溫影響，集中表現(xiàn)為由種源地溫度差異引起的種源間生長性狀差異，且除株高與海拔存在線性關(guān)系，其他2 個生長性狀與海拔沒有直接的線性關(guān)系。 除了緯度對氣溫有影響外，海拔也會引起楓香樹分布區(qū)內(nèi)的溫度差異，因此，在楓香樹優(yōu)樹選擇過程中，既要考慮種源的緯度變異模式，也要考慮海拔引起的溫度變化所造成的種源差異。 本文沒有進(jìn)一步根據(jù)苗期生長性狀進(jìn)行聚類分析，只進(jìn)行了單個性狀的地理空間變化分析。 由楓香樹3 個生長性狀的地理變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，三者間并沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律。 部分相鄰楓香樹種源幼苗的株高、地徑和葉片形狀因子間存在顯著差異，表明在一定范圍內(nèi)楓香樹種源間苗期生長性狀的變異是隨機(jī)的。 在進(jìn)一步討論楓香樹種源區(qū)劃時，需要考慮育種目標(biāo)性狀的選擇。綜上所述，30 個楓香樹種源1 年生幼苗生長性狀存在豐富變異，這對速生耐寒楓香樹種質(zhì)的選擇具有理論指導(dǎo)意義。