湖北紅椿天然種群小葉表型性狀變異研究

汪 洋， 陳文學， 明安覺， 雍 軍， 宋叢文，①， 付秋生，①

(1. 湖北生態(tài)工程職業(yè)技術學院， 湖北 武漢 430200； 2. 竹山縣林業(yè)局， 湖北 竹山 442200；3. 竹山縣國土資源局， 湖北 竹山 442200)

植物表型性狀反映了基因型對環(huán)境變化的適應性[1]。 植物在漫長的進化過程中，應對環(huán)境差異產生的表型變異體現(xiàn)了植物的生存智慧，其表型變異往往在適應和進化上有重要意義[1]，是遺傳多樣性研究的重要內容[2]。 植物表型研究主要關注植物在其分布區(qū)內各種環(huán)境下的表型變異[3]，被廣泛用于揭示天然種群的遺傳變異及其與地理格局的關系[4-8]。

紅椿(ToonaciliataRoem.) 隸屬于楝科(Meliaceae)香椿屬(ToonaRoem.)，為落葉或半落葉喬木，其木材優(yōu)良，是珍貴用材樹種[9]。 由于過度開發(fā)且天然更新較慢，紅椿天然分布區(qū)日益減少[10]，其天然種群內植株數量也隨之減少，目前紅椿已被列為國家二級重點保護野生植物[11]。 鑒于紅椿的瀕?，F(xiàn)狀，研究人員已對其生理[12-15]、生長特性[16-17]、造林[18]、種群生態(tài)學[19-20]、優(yōu)樹選擇[21-23]、表型遺傳研究的取樣技術[24]以及紅椿提取物抗癌能力[25]等方面進行了深入研究。 然而，對紅椿的科學保護應結合其現(xiàn)存種群規(guī)模與遺傳多樣性水平進行[26]。 李培等[27]利用SRAP 標記對來自中國的29 個種源和來自澳大利亞的1 個種源的紅椿進行系統(tǒng)地遺傳多樣性分析，結果表明紅椿不同種源間的分化程度較高。葉片是植物進化過程中對環(huán)境變化比較敏感且可塑性較大的器官[28]，植物葉片的形態(tài)與其營養(yǎng)和其他生理、生態(tài)因子以及繁殖密切相關[29]，因此，不同程度的環(huán)境異質性，影響植物葉片表型的可塑性或植物對環(huán)境的適應性。 紅椿為強陽性植物，葉片是光合作用的主要器官，研究紅椿葉片的性狀和功能，有助于分析其種群內和種群間的表型變異多樣性水平，對了解其生長發(fā)育和逆境響應具有重要意義。

在湖北地區(qū)，紅椿主要分布于西南部、西北部和東南部的山區(qū)以及中北部的荊山山脈，中南部的江漢平原尚未發(fā)現(xiàn)有分布。 由于紅椿分布區(qū)生境差異較大，地理分斷特征明顯，研究紅椿天然種群的表型變異及其地理變異格局具有重要意義。 本文對湖北16個紅椿天然種群的10 個小葉表型性狀進行分析，探討了種群間和種群內小葉表型性狀的變異狀況及其與地理環(huán)境間的關系，以期為湖北紅椿種質資源保護、種源選擇和開發(fā)利用提供基礎數據。

1 材料和方法

1.1 材料

在全面系統(tǒng)普查湖北紅椿種質資源的基礎上，綜合考慮種群位置和大小等實際情況，盡量覆蓋湖北紅椿天然分布區(qū)，最終確定16 個紅椿天然種群為采樣點，其基本概況見表1，表中氣象數據來源于中國氣象數據網(https：∥data. cma. cn/data/cdindex. html)、地方氣象站和部分種群所在自然保護區(qū)官網。

1.2 小葉表型性狀的選取及測定

紅椿復葉特征較為穩(wěn)定，其表型差異及變種間鑒別主要依據小葉的葉長、葉寬、葉柄長與葉尖角等指標的差異[9]。 于2015 年11 月，在16 個紅椿種群中分別選擇10 株無病蟲害且生長正常的成年植株，株間距大于等于35 m，按東、西、南、北4 個方向均勻采集各植株樹冠中部的枝條。 每株采集20 枝復葉，在葉軸右側中部取1 枚小葉，每個種群200 枚小葉。 用電子游標卡尺(精度0.01 mm)測量小葉柄長、小葉長(含小葉柄)、小葉寬、寬基距(小葉最寬處距小葉基的距離)和脈左寬(小葉最寬處左緣到中脈的距離)，用量角器(精度0.1°)測量小葉尖角(小葉尖與葉片邊緣的夾角)[2，6，30]，并計算小葉長小葉寬比、小葉柄長小葉長比、脈左寬小葉寬比和寬基距小葉長比[30]。

表1 湖北16 個紅椿天然種群的基本概況Table 1 Basic situation of 16 natural populations of Toona ciliata Roem. in Hubei Province

1.3 數據統(tǒng)計分析

對16 個紅椿種群小葉表型性狀在種群間和種群內的差異顯著性進行巢式方差分析[31]，線性模型為Yijk=μ+Si+T(i)j+ε(ij)k。 式中，Yijk為第i個種群第j個單株第k個觀測值，μ 為總體均值，Si為第i個種群的效應值，T(i)j為第i個種群第j個單株的效應值，ε(ij)k為隨機誤差。 表型分化系數(Vst)可以近似解釋種群間表型分化程度，計算公式為式中，為種群間方差分量為種群內方差分量[32]。 計算各小葉表型性狀的均值、標準差和變異系數。 采用Duncan's 新復極差法進行多重比較。 對小葉表型性狀間以及其與采樣點環(huán)境因子進行相關性分析。 用非加權平均法(UPGMA)進行系統(tǒng)聚類分析，運用Mantel 檢驗[33]研究地理距離的自然對數與遺傳距離間的相關性。 巢式方差和表型分化系數采用SAS 9.4 軟件計算，多重比較和相關性分析采用SPSS 22.0 軟件，聚類分析采用NTSYS-pc2.1 軟件。

2 結果和分析

2.1 不同紅椿種群小葉表型性狀的比較

湖北紅椿種群間及種群內小葉表型性狀的方差分析結果見表2。 由表2 可以看出：紅椿10 個小葉表型性狀在種群間存在顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)差異，表明紅椿小葉表型性狀在種群間變異程度較高。 小葉長、小葉柄長、小葉寬、寬基距、小葉長小葉寬比和小葉柄長小葉長比在種群內存在極顯著差異，其余4 個小葉表型性狀在種群內差異不顯著。總體來看，湖北紅椿小葉表型性狀在種群間的變異大于種群內。

湖北16 個紅椿天然種群小葉表型性狀的比較結果見表3。 由表3 可以看出：紅椿10 個小葉表型性狀在種群間存在顯著差異。 小葉長的變化范圍為15.070～22.221 cm，均值為18.794 cm，其中，黃石黃荊山(P14)種群的小葉最長，宣恩金盆村(P5)種群的小葉最短。 小葉柄長的變化范圍為5.35 ～8.53 mm，均值為7.09 mm，其中，宣恩大臥龍(P7)種群的小葉柄最長，通山九宮山(P13)種群的小葉柄最短。小葉寬的變化范圍為5.827～7.828 cm，均值為7.044 cm，其中，宣恩肖家灣(P6)種群的小葉最寬，P7 種群的小葉最窄。 寬基距的變化范圍為4.345 ～6.477 cm，均值為5.736 cm，其中，P14 種群的寬基距最大，P5 種群的寬基距最小。 脈左寬的變化范圍為3.106～4.158 cm，均值為3.769 cm，其中，P6 種群的脈左寬最大，P7 種群的脈左寬最小。 小葉尖角的變化范圍為19.70°～38.35°，均值為30.69°，其中，利川堡上(P1)種群的小葉尖角最大，P14 種群的小葉尖角最小。 小葉長小葉寬比的變化范圍為2.455 ～3.374，均值為2.690，其中，P14 種群的小葉長小葉寬比最大，P13 種群的小葉長小葉寬比最小。 小葉柄長小葉長比的變化范圍為0.028 ～0.054，均值為0.038，其中，P7 種群的小葉柄長小葉長比最大，竹山洪坪(P15)種群的小葉柄長小葉長比最小。 脈左寬小葉寬比的變化范圍為0.496 ～0.559，均值為0.536，其中，宣恩紅旗坪(P8)種群的脈左寬小葉寬比最大，P13 種群的脈左寬小葉寬比最小。 寬基距小葉長比的變化范圍為0.272 ～0.344，均值為0.306，其中，P13 種群的寬基距小葉長比最大，P15 種群的寬基距小葉長比最小。

表2 湖北紅椿種群間及種群內小葉表型性狀的方差分析結果1)Table 2 Result of variance analysis on leaflet phenotypic traits of Toona ciliata Roem. among populations and within population in Hubei Province1)

表3 湖北紅椿16 個天然種群小葉表型性狀的比較(±SD)Table 3 Comparison on leaflet phenotypic traits of 16 natural populations of Toona ciliata Roem. in Hubei Province (±SD)

表3 湖北紅椿16 個天然種群小葉表型性狀的比較(±SD)Table 3 Comparison on leaflet phenotypic traits of 16 natural populations of Toona ciliata Roem. in Hubei Province (±SD)

種群1)Population1)小葉表型性狀2) Leaflet phenotypic traits2)LL/cm LLP/mm WL/cm LMWLB/cm WLBEM/cm P1 16.891±1.011d 7.99±1.25a 6.680±0.583ef 5.052±0.443gh 3.668±0.306de P2 19.186±1.065c 8.16±3.04a 6.959±0.749def 5.508±0.834fgh 3.837±0.613bcd P3 17.449±1.786d 5.98±1.11cde 6.736±0.988ef 5.626±0.829defg 3.429±0.435efg P4 19.242±2.044bc 8.28±1.06a 7.497±1.000abc 5.575±0.990efgh 3.970±0.558abc P5 15.070±0.110f 7.50±1.40ab 5.837±0.580g 4.345±0.656i 3.239±0.361gh P6 19.564±1.332bc 8.05±0.94a 7.828±0.443a 6.263±0.770abc 4.158±0.218a P7 15.862±1.726ef 8.53±1.42a 5.827±0.730g 4.984±0.978h 3.106±0.387h P8 20.311±2.348b 8.50±1.75a 7.335±0.829bc 6.271±1.061abc 4.109±0.554ab P9 19.492±1.693bc 6.27±1.19cde 7.152±0.894cde 5.788±0.758bcdef 3.869±0.435abcd P10 19.903±1.051bc 6.53±1.43cd 7.653±0.662ab 6.221±0.707abcd 4.092±0.270ab P11 19.540±0.768bc 5.61±1.50de 7.317±0.464bc 6.054±0.834abcdef 3.949±0.590abc P12 19.304±1.284bc 7.78±1.30ab 7.721±0.780ab 6.139±1.097abcde 4.056±0.335ab P13 16.639±1.107de 5.35±0.89e 6.790±0.485ef 5.682±0.978cdef 3.362±0.296fgh P14 22.221±1.751a 6.49±1.36cd 6.597±0.466f 6.477±1.149a 3.615±0.258def P15 20.158±1.673bc 5.51±1.38de 7.123±0.450cde 5.464±0.537fgh 3.772±0.242cd P16 19.885±1.264bc 6.98±1.32bc 7.658±0.407ab 6.329±0.683ab 4.079±0.179ab均值Mean 18.794±2.339 7.09±1.81 7.044±0.895 5.736±1.008 3.769±0.508

續(xù)表3 Table 3 (Continued)

2.2 不同紅椿種群小葉表型性狀的變異分析

湖北16 個紅椿天然種群小葉表型性狀的變異系數見表4。 由表4 可以看出：紅椿10 個小葉表型性狀變異系數的均值在3.31%～21.99%之間，由大到小依次為小葉柄長小葉長比(21.99%)、小葉柄長(19.84%)、小葉尖角(15.35%)、寬基距(13.44%)、寬基距小葉長比(11.28%)、脈左寬(9.64%)、小葉長小葉寬比(9.51%)、小葉寬(9.40%)、小葉長(7.56%)、脈左寬小葉寬比(3.31%)，其中，小葉柄長和小葉尖角變異系數的均值較大，小葉長變異系數的均值較小。

由表4 還可以看出： 16 個紅椿種群內小葉表型性狀變異系數的均值從大到小依次為咸豐橫石梁(P2) 種 群(17.59%)、 宣 恩 大 臥 龍(P7) 種 群(14.52%)、宣恩紅旗坪(P8)種群(14.34%)、恩施馬鹿河(P3)種群(14.14%)、建始青龍河(P9)種群(13.33%)、來鳳三寨坪(P4)種群(13.01%)、宣恩金盆村(P5) 種群(12.15%)、竹山洪坪(P15) 種群(11.85%)、崇陽廟圃(P12)種群(11.37%)、鶴峰彭家灣(P10)種群(11.22%)、巴東野三關(P11)種群(11.10%)、通山九宮山(P13)種群(10.95%)、利川堡上(P1)種群(10.41%)、黃石黃荊山(P14)種群(9.45%)、宣恩肖家灣(P6)種群(9.37%)、谷城瑪瑙觀(P16)種群(9.32%)。 紅椿種群內小葉表型性狀變異系數的均值大多未達到15%，變異水平較低。

2.3 紅椿小葉表型性狀的表型分化分析

湖北16 個紅椿天然種群小葉表型性狀的方差分量和表型分化系數見表5。 由表5 可以看出：紅椿種群間10 個小葉表型性狀方差分量百分比的均值為32.36%，種群內10 個小葉表型性狀方差分量百分比的均值為6.27%，種群間10 個小葉表型性狀的方差

分量明顯大于種群內。 種群間10 個小葉表型性狀的表型分化系數在63.51% ～98.29%之間，均值為80.73%，其中，種群間小葉尖角的表型分化系數最大，為98.29%，種群間脈左寬小葉寬比的表型分化系數最小，為63.51%，說明紅椿小葉表型變異主要來源于種群間。

表4 湖北16 個紅椿天然種群小葉表型性狀的變異系數Table 4 Coefficient of variation of leaflet phenotypic traits of 16 natural populations of Toona ciliata Roem. in Hubei Province

表5 湖北16 個紅椿天然種群小葉表型性狀的方差分量和表型分化系數1)Table 5 Variance component and phenotypic differentiation coefficient of leaflet phenotypic traits of 16 natural populations of Toona ciliata Roem. in Hubei Province1)

2.4 紅椿小葉表型性狀間及其與環(huán)境因子的相關性分析

湖北紅椿小葉表型性狀間及其與環(huán)境因子的相關系數分別見表6 和表7。

由表6 可以看出：紅椿小葉長與小葉寬、寬基距和脈左寬呈極顯著(P＜0.01)正相關，與小葉柄長小葉長比呈極顯著負相關；小葉柄長與小葉柄長小葉長比呈極顯著正相關，與脈左寬小葉寬比呈顯著(P＜0.05)正相關；小葉寬與寬基距和脈左寬呈極顯著正相關；寬基距與脈左寬呈極顯著正相關，與小葉尖角和小葉柄長小葉長比呈顯著負相關；小葉柄長小葉長比與脈左寬小葉寬比呈顯著正相關。 小葉尖角、小葉長小葉寬比和寬基距小葉長比與其他小葉表型性狀相關性較低，表現(xiàn)為相對獨立的性狀。

表6 湖北紅椿小葉表型性狀間的相關系數1)Table 6 Correlation coefficient among leaflet phenotypic traits of Toona ciliata Roem. in Hubei Province1)

表7 湖北紅椿小葉表型性狀與環(huán)境因子的相關系數1)Table 7 Correlation coefficient of leaflet phenotypic traits of Toona ciliata Roem. with environmental factors in Hubei Province1)

由表7 可以看出：紅椿小葉長與年日照時數呈顯著正相關；小葉柄長與無霜期呈極顯著正相關，與年日照時數呈顯著負相關；寬基距與經度呈顯著正相關；小葉尖角與經度和年日照時數分別呈極顯著和顯著負相關，與海拔呈顯著正相關；小葉柄長小葉長比與無霜期呈極顯著正相關，與年日照時數呈極顯著負相關；脈左寬小葉寬比與年均溫和無霜期呈極顯著正相關；寬基距小葉長比與經度呈顯著正相關。 各小葉表型性狀與緯度、年均降水量和空氣相對濕度的相關性均不顯著。

2.5 不同紅椿種群的聚類分析

圖1 基于小葉表型性狀的湖北16 個紅椿天然種群的聚類圖Fig. 1 Dendrogram of 16 natural populations of Toona ciliata Roem.in Hubei Province based on leaflet phenotypic traits

基于供試的10 個小葉表型性狀，采用非加權平均法(UPGMA)對湖北16 個紅椿天然種群進行聚類分析，結果見圖1。 由圖1 可以看出：在遺傳距離3.892 處，通山九宮山(P13) 種群與黃石黃荊山(P14)種群聚為一類，其他14 個種群聚為另一類。 在遺傳距離2.018 處，后一類可劃分為2 個亞類，其中，鄂西南的來鳳三寨坪(P4)種群和鄂東南的崇陽廟圃(P12)種群聚為一個亞類，鄂西南的利川堡上(P1)種群、宣恩金盆村(P5)種群、宣恩大臥龍(P7)種群、咸豐橫石梁(P2)種群、宣恩肖家灣(P6)種群、恩施馬鹿河(P3)種群、宣恩紅旗坪(P8)種群、建始青龍河(P9)種群、鶴峰彭家灣(P10)種群和巴東野三關(P11)種群以及鄂西北的竹山洪坪(P15)種群和谷城瑪瑙觀(P16)種群聚為另一個亞類。 16 個種群間的地理距離的自然對數與遺傳距離的Mantel 檢驗結果表明：二者間的相關性不顯著(R= 0.205，P=0.120)。

3 討論和結論

3.1 紅椿種群表型變異來源

本研究中，紅椿種群間小葉表型性狀表型分化系 數的均值為80.73%，高于無患子(SapindussaponariaLinn.) (62.21%)[34]、 蒙 古 櫟(QuercusmongolicaFisch. exLedeb.) ( 53.97%)[35]、 長 柄 扁 桃(AmygdaluspedunculataPall.)(45.90%)[7]、白皮松(PinusbungeanaZucc. ex Endl.)(22.86%)[31]和青梅(VaticamangachapoiBlanco)(18.31%)[6]，與滇 龍膽 (GentianarigescensFranch.ex Hemsl.)(73.14%)[36]和山杏〔Armeniacasibirica(Linn.)Lam.〕(73.03%)[37]接近，但低于夏蠟梅(Calycanthus chinensisCheng et S. Y. Chang)(89.30%)[38]，說明紅椿種群間表型分化水平較高。 為了應對不同地區(qū)的環(huán)境差異，紅椿小葉形成了穩(wěn)定的表型遺傳特征。首先，湖北整體為西部高于東部、中部為平原和丘陵，地貌差異較大。 紅椿主要分布在湖北東、西兩端，中部江漢平原地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)天然分布，種群間的環(huán)境異質性差異程度遠大于種群內，因此，種群間遺傳變異的可能性高于種群內。 其次，地理隔離會造成種群間基因交流不頻繁，紅椿小葉表型性狀種群間表型分化系數達到80.73%，遠高于種群內表型分化系數，說明紅椿天然種群小葉表型性狀變異主要源自種群間，也反映出紅椿不同天然種群基因與環(huán)境互作的復雜性及其適應環(huán)境選擇壓力的廣泛程度，是不同環(huán)境選擇的結果，也是種群分化的源泉[39]。

3.2 紅椿小葉表型性狀的變異特征

本研究中，紅椿小葉表型性狀變異系數均值的變化范圍較大(3.31%～21.99%)，變異主要表現(xiàn)在小葉柄長(19.84%)、小葉尖角(15.35%) 和寬基距(13.44%)上。 湖北16 個紅椿種群中，僅咸豐橫石梁(P2) 種群內小葉表型性狀變異系數的均值(17.59%)大于15%，其他種群均低于15%，表明湖北紅椿種群內小葉表型性狀變異水平均較低。 推測造成該結果的原因包括2 個方面：其一，雖然研究選樣時盡量考慮了取樣距離的最大化，但香椿屬植物的小種群特征會造成種群內遺傳水平下降，使種群內表型性狀變異水平較低；其二，種群內較低變異水平較低可能與大部分種群內微生境異質性較低有關[40]。

3.3 紅椿小葉表型性狀間及其與環(huán)境因子的關系

紅椿小葉表型性狀間的相關性分析結果表明：小葉越長，寬基距越長，小葉柄越短，小葉尖角越小，小葉面由卵形向披針形變化；經度與紅椿小葉長呈正相關，與寬基距呈顯著正相關，但與小葉尖角呈極顯著負相關，進一步說明小葉型向披針形變化的顯著程度與地理經度變化密切相關。 隨經度增大，鄂西南、鄂西北種群與鄂東南種群所處地區(qū)海拔的差異較大(鄂東南3 個種群的平均海拔低于400 m，而鄂西南和鄂西北地區(qū)平均海拔為640 m)，鄂東南種群的年均溫明顯高于鄂西南和鄂西北種群，同時年日照時數也明顯變長。 在日照時數較短時，小葉可能通過增大葉尖角和增長小葉柄來獲取較大光合面積以提高光合效率。 紅椿小葉表型性狀與環(huán)境因子的相關性很可能與湖北地區(qū)的緯度跨度遠小于經度跨度以致行政區(qū)劃內取樣不足有關，因此，應增加采樣點，以獲得更準確可靠的研究結果。

3.4 紅椿表型變異趨勢及種質資源的利用

由于分布和環(huán)境條件等因子的綜合作用，植物會形成連續(xù)變異、不連續(xù)變異以及隨機變異等多種地理變異模式[41]。 紅椿小葉表型性狀變異既有連續(xù)性又有隨機性，如通山九宮山(P13)種群與黃石黃荊山(14)種群聚為一類，鄂西南種群〔利川堡上(P1)種群、咸豐橫石梁(P2)種群、恩施馬鹿河(P3)種群、宣恩金盆村(P5)種群、宣恩肖家灣(P6)種群、宣恩大臥龍(P7)種群、宣恩紅旗坪(P8)種群、建始青龍河(P9)種群、鶴峰彭家灣(P10)種群和巴東野三關(P11)種群〕與鄂西北種群〔竹山洪坪(P15)種群和谷城瑪瑙觀(P16)種群〕聚為一類，均為相鄰地理種群聚類，表現(xiàn)為局部區(qū)域化變異和連續(xù)變異。 而鄂西南的來鳳三寨坪(P4)種群與鄂東南的崇陽廟圃(P12)種群聚為一類，表現(xiàn)出種群間較高的變異水平，但Mantel 檢驗結果表明：紅椿種群間的變異與地理距離相關性不顯著，地理變異中存在隨機性或不連續(xù)性。 小葉尖角和寬基距等小葉表型性狀與經度顯著相關，說明雖然紅椿種群間沒有嚴格按照地理距離聚類，但湖北紅椿小葉表型性狀變異仍存在沿經度梯度變異的規(guī)律性。

逐步累積的隨機變異和連續(xù)變異是較大分布區(qū)域上紅椿顯著地理隔離模式的基礎，因此，在紅椿種質資源保護與遺傳資源改良研究時，對于變異較小的種群，收集種質材料時應盡可能增加種群的數量，減少種群內的取樣數；如果種群內的變異較為豐富，應盡量增加該種群內個體的取樣數，如在P2 種群的種質資源收集時，應盡量多考慮不同個體的選擇。 P14種群作為鄂東南紅椿種質保存的“孤島”，處于較為獨特的地理位置，是連接湖北東南部和周邊省份紅椿天然種群之間的“驛站”，對于減少居留種滅亡的風險和物種保護有重要意義，應該重點保護。