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小果白刺(Nitraria sibirica Pall.)为蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺属(Nitraria)灌木[1];其天然资源主要分布于我国西北等沙漠地区、华北、东北沿海沙区,蒙古、中亚、西伯利亚;具有极强的耐干旱、耐风沙、耐盐碱能力,可以在pH 9.0~11.0的重盐碱地上正常生长[2];是盐碱地区公路绿化和城市园林绿化的优良地被植物,同时还具有较高的开发利用价值,果入药健脾胃、助消化,枝、叶、果可做饲料。由于本种分布范围很广,生态条件悬殊,所以植物形态变幅大。天然居群的表型变异研究能够使我们初步了解类群遗传变异大小,是人工驯化和遗传育种研究的基础,也是揭示类群适应性的有效途径之一[3]。果实和种子是植物繁殖系统的重要组成部分,它们在选择压力下会发生适应性演化[4]。由于果实形态往往是较稳定的遗传特征,因此,在植物分类中具有重要的价值[5]。此外,叶形态是一个重要的形态特征,与植物的营养和其他生理、生态因子以及植物的繁殖密切相关[6]。
小果白刺是山东自然分布的重要耐盐植物,主要分布于东营、滨州、潍坊等滨海盐碱地。近年来,由于城市建设和盐碱地开发等原因,小果白刺的分布范围急剧减小,生境趋于破碎化,现被列为山东(暖温带)稀有植物,如不加强保护,许多地方的小果白刺天然资源将会消亡。因此,搞清山东小果白刺天然群体的变异程度及分布特征,对于保护和利用这一珍稀树种意义重大。目前,对于小果白刺的研究主要涉及育苗[7-9]、造林方法[10-11]、生理生化特性[12]及果实成分[13-14]的测定,有关其表型多样性的研究鲜有报道。
本文对山东境内5个小果白刺天然群体种实和叶片的表型性状进行比较分析,以期揭示山东小果白刺表型变异程度与变异规律,为小果白刺资源保护与合理利用提供依据。
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在山东省林木种质资源调查基础上,分别于2014年7月和2015年7月小果白刺果熟期完成其天然群体种实和叶片的采集工作。试验材料主要来源于无棣、沾化、孤岛、河口和寿光5个群体。采样时,确保结果母树间距在50 m以上,尽量避免株间亲缘关系。在每株母树南向树冠的中上部选择8~10个生长良好的结果枝采集全部果实,要求每份果实不少于80粒。选取当年生枝中间部位的健康叶片,每株摘取至少100个叶片。根据采样群体大小确定采样的份数,从5个群体中共采集种实86份,叶片84份。各采样地生态因子详见表 1。
群体
Populations经度
Longitude/E°纬度
Latitude/N°海拔
Altitude/m年均温
Average temperature/℃年均降水量
Precipitation/mm日照时数
Sunshine hours/h地形
Topography种实份数
Amounts of fruits叶片份数
Amounts of leaves沾化Zhanhua 118.150 37.822 2.2 12 610.3 2699.2 平原 14 11 无棣Wudi 118.022 37.953 0.9 12.9 597.0 2711.1 平原 14 8 孤岛Gudao 118.729 37.803 1.5 12.1 580.0 2700.0 平原 10 6 河口Hekou 118.730 37.801 17 13.1 598.1 2812.6 平原 29 30 寿光Shouguang 118.872 37.247 5 12 608.0 2510.5 平原 19 29 Table 1. The situations of different natural populations of Nitraria sibirica Pall.
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选取能够表征小果白刺性状且容易获得的指标进行测量。对于种实指标,用游标卡尺测量果实横径(FTD)、果实纵径(FLD)、种子横径(STD)、种子纵径(SLD),每份随机测量30粒,测量值保留3位小数,计算果径纵比横(FLD/FTD)和种径纵比横(SLD/STD)。用电子天平测量种子重量,重复3次,以百粒法计算种子千粒重(SM),结果保留2位小数。对于叶片指标,用直尺测量叶片长(LL)、叶片宽(LW),每份随机测量30片叶,测量值保留2位小数,计算叶片长/宽(LL/LW)。
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对于各性状值采用单因素随机区组方法进行方差分析。以方差分量表示群体间和群体内表型分化程度,以各方差分量与总分量的比值作为表型分化系数:
式中:Vst表示表型分化系数;σt/s2表示群体间方差分量;σs2表示群体内方差分量[15]。分别计算各性状间以及性状与地理生态因子间的皮尔逊相关系数进行相关分析,并利用各群体数据平均值进行聚类分析和主成分分析。以上分析过程全部应用SPSS 18.0和EXCEL 5.0等有关软件完成。
1.1. 材料来源及采样方法
1.2. 表型性状的测定
1.3. 统计分析方法
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由表 2可知,小果白刺10个表型性状在群体间和群体内差异均达到显著或极显著水平,说明小果白刺的表型性状在群体间和群体内均存在广泛的变异。
性状
Traits来源
Sources平方和
Sum of squares自由度
Degrees of freedom均方
Mean squareF值
F value果横径
FTD群体间Among
populations0.159 4 0.040 16.053** 群体内Within
population10.777 85 0.127 48.240** 果纵径
FLD群体间Among
populations0.073 4 0.018 7.322** 群体内Within
population8.173 85 0.096 33.217** 果径纵比横
FLD/FTD群体间Among
populations0.174 4 0.044 5.446** 群体内Within
population25.106 85 0.295 28.488** 种子横径
STD群体间Among
populations0.04 4 0.010 14.103** 群体内Within
population2.928 85 0.034 62.780** 种子纵径
SLD群体间Among
populations0.06 4 0.015 6.315** 群体内Within
population7.564 85 0.089 35.279** 种径纵比横
SLD/STD群体间Among
populations2.315 4 0.579 5.219** 群体内Within
population337.114 85 3.966 27.479** 千粒重
SM群体间Among
populations1 393.924 4 348.481 26.378** 群体内Within
population7 391.643 85 86.961 113.286** 叶片长
LL群体间Among
populations1.106 4 0.276 7.464** 群体内Within
population121.654 83 1.466 44.187** 叶片宽
LW群体间Among
populations0.045 4 0.011 2.707* 群体内Within
population11.067 83 0.133 21.954** 叶片长比宽
LL/LW群体间Among
populations2.262 4 0.565 3.695** 群体内Within
population430.261 83 5.184 11.108** 注:*表示差异显著(p<0.05),**表示差异极显著(p<0.01)。
Note: FTD, fruit transverse diameter; FLD, fruit longitudinal diameter; FLD/FTD, ratio of fruit longitudinal diameter to transverse diameter; STD, seed transverse diameter; SLD, seed longitudinal diameter; SLD/STD, ratio of seed longitudinal diameter to longitudinal diameter; SM, 1000-seed weight; LL, leaf length; LW, leaf width; LL/LW, ratio of leaf length to width; *p<0.05; **p<0.01.Table 2. Variance analysis of phenotypic traits of fruits and seeds among and within Nitraria sibirica Pall. populations
对各性状平均值比较及群体间多重比较结果见表 3,果实横径最大的是孤岛群体,值为0.590,最小的是寿光群体,值为0.469;果实纵径最大的是孤岛群体,值为0.645,最小的是寿光群体,值为0.567。以上说明寿光群体的果实体积最小。各群体果实纵径与横径的比值差异较小,为1.1~1.2,表明小果白刺各群体的果实形状均近似圆形。对于各群体种子性状的差异,以河口群体的种子最大,种子横径值为0.295,种子纵径值为0.531,其种子质量也最大,值为22.05;种子最小的是无棣群体,种子横径值为0.243,种子纵径值为0.463,而种子质量最小的是沾化群体,值为13.13。各群体种子纵径与横径的比值为1.8~2.3,即种子纵径近似于横径的2倍,以寿光群体最符合这一规律。叶片大小以河口群体的最大,叶长值为1.4,叶宽值为0.4,无棣群体和孤岛群体的叶片最小,叶长值为1.1,叶宽值为0.3。对于叶长比宽这一性状差异较大,其值最大的是寿光群体,为3.7,值最小的是沾化群体,为3.1,表明寿光群体的叶片形状较为狭长。
性状Traits 沾化群体Zhanhua 无棣群体Wudi 孤岛群体Gudao 河口群体Hekou 寿光群体Shouguang 果实横径FTD/cm 0.561±0.06ab 0.531±0.09b 0.590±0.08a 0.573±0.07a 0.469±0.05c 果实纵径FLD/cm 0.644±0.08a 0.596±0.06b 0.645±0.07a 0.627±0.08ab 0.567±0.07b 果径纵比横FLD/FTD 1.2±0.14a 1.1±0.14b 1.1±0.11ab 1.1±0.12b 1.2±0.15a 种子横径STD/cm 0.254±0.03b 0.243±0.03b 0.243±0.06b 0.295±0.03b 0.255±0.03a 种子纵径SLD/cm 0.475±0.06b 0.463±0.68b 0.524±0.06a 0.531±0.07a 0.513±0.08a 种径纵比横SLD/STD 1.9±0.29bc 1.9±0.29bc 2.3±0.83a 1.8±0.20c 2.0±0.29b 千粒重SM/g 13.13±2.15b 13.55±2.98b 19.84±3.57a 22.05±4.37a 13.77±3.73b 叶片长LL/cm 1.1±0.24b 1.1±0.19b 1.1±0.20b 1.4±0.26a 1.3±0.30a 叶片宽LW/cm 0.4±0.14a 0.3±0.08b 0.3±0.09b 0.4±0.09a 0.4±0.10a 叶片长比宽LL/LW 3.1±0.65b 3.5±0.72a 3.4±0.68ab 3.6±0.69a 3.7±0.85a Table 3. Variation of fruit and seed phenotypic traits of Nitraria sibirica Pall. populations(mean value ± SD)
综上,小果白刺群体间果实、种子和叶片的表型指标值差异较大,均达到显著或极显著水平,但相同群体的果实大小和种子大小没有呈现一一对应关系。
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变异系数可以反映表型性状在群体间和群体内的变异,从而揭示其变异格局[3]。小果白刺群体的种实及叶片性状的变异系数存在差异,各性状群体间的变异系数为4.35%~25.09%,平均值为9.34%。从表 4可以看出,种子千粒重的群体间变异系数最大,为25.09%,叶长和叶宽的群体间变异系数分别为11.09%和6.88%,种子横径和种子纵径的群体间变异系数分别为9.65%和5.83%,果实横径和果实纵径的群体间变异系数分别为8.58%和4.95%,说明小果白刺种子质量的变异程度最为丰富,且叶片大小的变异﹥种子大小的变异﹥果实大小的变异。小果白刺果径纵比横、种径纵比横和叶长比宽的变异系数分别为4.35%、10.22%和6.70%,说明种子形态变异﹥叶片形态变异﹥果实形态变异。10个性状中果径纵比横的变异系数最小,说明果实形态比其他性状更为稳定。进一步对群体间各性状变异系数进行比较,不同群体的同一性状变异程度存在差异,这是由环境异质性导致的,变异系数平均值从大到小排列顺序为:孤岛(18.52%)>沾化(17.66%)>寿光(17.57%)>无棣(16.74%)>河口(14.81%)。孤岛群体各性状变异系数平均值最大,说明其群体表型多样性最丰富;而河口群体的变异系数平均值最小,说明其群体表型多样性最低。
性状
Traits群体内Within population 群体间
Among populations沾化
Zhanhua无棣
Wudi孤岛
Gudao河口
Hekou寿光
Shouguang果实横径
FTD/cm11.47% 16.21% 13.13% 12.89% 9.77% 8.58% 果实纵径
FLD/cm12.45% 10.78% 10.66% 12.01% 11.49% 4.95% 果径纵比横
FLD/FTD12.44% 12.44% 9.99% 10.60% 12.44% 4.35% 种子横径
STD/cm13.49% 13.72% 22.86% 8.72% 12.04% 9.65% 种子纵径
SLD/cm12.67% 14.74% 11.59% 12.85% 15.09% 5.83% 种径纵比横
SLD/STD15.38% 15.25% 35.82% 11.13% 14.57% 10.22% 千粒重
SM/g16.39% 21.96% 18.00% 19.81% 27.07% 25.09% 叶片长
LL/cm22.13% 16.87% 17.87% 18.60% 22.68% 11.09% 叶片宽
LW/cm39.16% 25.01% 25.68% 22.09% 27.25% 6.88% 叶片长比宽
LL/LW20.99% 20.37% 19.62% 19.42% 23.26% 6.70% 平均值
Mean value17.66% 16.74% 18.52% 14.81% 17.57% 9.34% Table 4. Variation coefficients of phenotypic traits of fruit and leaf among and within Nitraria sibirica Pall. populations
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表型分化系数反应了群体间表型分化的大小,其值越大,表明群体间的遗传分化越大,群体间的遗传变异也越大[16]。根据方差分析结果计算小果白刺各性状群体间和群体内方差分量及表型分化系数,见表 5。群体间方差分量占总变异的21.46%,群体内方差分量占总变异的28.85%,随机误差方差分量占总变异的49.69%。10个性状的表型分化系数平均值为40.71%,表明小果白刺群体表型变异在群体间的贡献占40.71%,在群体内的贡献占59.29%,说明群体内变异大于群体间变异,群体内的表型多样性大于群体间的。由表 5可知,各性状表型分化系数变化幅度为20.20%~60.70%,种子千粒重的表型分化系数最大,种径纵比横的最小,表明种子质量在群体间分化较大,而种子形态分化较小,说明山东小果白刺在进化过程中,种子质量变异较大,种子形态变异较小,这与前文性状变异系数的分析结果较为一致。
性状Traits 方差分量Variance component 方差分量百分比Proportion of variance component/% 表型分化系数
Phenotype differentiation coefficient/%群体间
Among populations群体内
Within population机误
Random errors群体间
Among populations群体内
Within population机误
Random errors果实横径FTD/cm 0.001 9 0.004 2 0.006 7 14.88 32.89 52.24 31.32 果实纵径FLD/cm 0.002 1 0.003 3 0.006 0 18.41 28.92 52.67 38.79 果径纵比横FLD/FTD 0.013 7 0.009 6 0.020 3 31.39 22.00 46.61 58.86 种子横径STD/cm 0.000 9 0.001 2 0.001 7 23.94 31.92 44.14 43.91 种子纵径SLD/cm 0.004 3 0.003 2 0.005 6 32.87 24.46 42.67 57.72 种径纵比横SLD/STD 0.032 1 0.126 7 0.165 9 9.89 39.02 51.09 20.20 千粒重SM/g 47.509 2 30.757 2 31.031 2 43.47 28.14 28.39 60.70 叶片长LL/cm 0.026 2 0.048 0 0.079 6 17.04 31.21 51.75 35.32 叶片宽LW/cm 0.002 9 0.005 6 0.010 2 15.48 29.89 54.64 33.65 叶片长比宽LL/LW 0.053 3 0.146 9 0.532 2 7.28 20.06 72.67 26.63 平均值Mean value - - - 21.46 28.85 49.69 40.71 Table 5. Variance component and phenotype differentiation coefficient of Nitraria sibirica Pall.
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以个体为单位进行表型性状的相关分析,结果见表 6。小果白刺10个果实、种子和叶片性状中多数呈显著或极显著的相关关系,这些性状是能够代表小果白刺种实及叶片特征的重要性状。这些性状中,除了表征相同器官部位的性状自相关外,表征不同器官部位的性状也存在一定的相关关系。果实横径、果实纵径分别与种子横径、种子纵径、种子千粒重呈极显著的正相关关系,表明小果白刺的果实越大,则种子越大,种子质量也越大;叶长、叶宽、叶长比宽分别与种子横径、种子纵径、种径纵比横、种子千粒重呈显著或极显著的相关关系,说明小果白刺营养生长与生殖生长具有较为密切的联系。
性状
Traits果实横径
FTD/cm果实纵径
FLD/cm果径纵比横
FLD/FTD种子横径
STD/cm种子纵径
SLD/cm种径纵比横
SLD/STD千粒重
SM/g叶片长
LL/cm叶片宽
LW/cm果实纵径FLD/cm 0.668** 果径纵比横FLD/FTD -0.572** 0.195** 种子横径STD/cm 0.238** 0.187** -0.109** 种子纵径SLD/cm 0.145** 0.311** 0.144** 0.348** 种径纵比横SLD/STD -0.036 0.107** 0.160** -0.591** 0.490** 千粒重SM/g 0.414** 0.438** -0.043 0.490** 0.497** 0.034 叶片长LL/cm 0.038 0.01 -0.032 0.165** 0.227** 0.052** 0.328* 叶片宽LW/cm -0.008 -0.015 -0.001 0.167** 0.141** -0.044* 0.209** 0.642** 叶片长比宽LL/LW 0.060** 0.051** -0.025 -0.067** 0.058** 0.137** 0.127* 0.187** -0.552** 注:*表示差异显著(p<0.05),**表示差异极显著(p<0.01)。
Note: *p<0.05; **p<0.01.Table 6. Analysis of correlation between fruit and seed phenotypic traits of Nitraria sibirica Pall. populations
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以群体为单位进行地理变异分析。由表 6可知,除了果径纵比横和种子纵径这两个性状分别与经度和纬度地理因子相关性显著外,其他大部分性状受地理因子影响较小,这与小果白刺的研究尺度和其在山东的分布范围较小有关。其中,种子纵径与经度因子呈显著的正相关,表明越往东分布的群体,其种子纵径越大。果径纵比横与纬度因子呈显著的负相关,表明在小果白刺生境内,越往北分布的群体其果实纵径与横径相差的越小,果实形状越接近圆形。同时,果径纵比横受水分生态因子影响较大,与年均降水量呈极显著的正相关关系,表明水分越大的地方,小果白刺群体果实纵径有比横径大得越多的趋势,果实形状越趋于长圆形。日照时数对果实横径具有较明显的影响,二者呈显著的正相关关系,表明日照相对充足的地方,其果实横径越大。然而,树种天然分布区内环境因素往往是复杂多样的,其生长生活不只是受到单一环境因子的影响,因此,山东小果白刺群体的地理变异表现为随机变异模式。
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采用组间联接法对小果白刺5个群体进行系统聚类分析,生成聚类树系图,见图 1。在阈值为23.90处,6个小果白刺群体被划分成2类,第Ⅰ类包括沾化、无棣、孤岛和寿光4个群体,第Ⅱ类由河口群体独自组成。在阈值为15.11处,第Ⅰ类可再划分成两个亚类,第ⅰ亚类包括沾化、无棣、孤岛3个群体,第ⅱ亚类仅包含寿光群体。通过聚类分析被划分在同一类的群体其地理上并不都是相连接的(例如孤岛和寿光群体),而且在地理上分布距离较近的群体没有被优先聚合成一类(例如孤岛和河口群体),由此说明山东小果白刺不同群体间叶片和种实性状的变异在空间上是不连续的。
性状
Traits经度
Longitude/E°纬度
Latitude/N°海拔
Altitude/m年均温Average
temperature/℃年均降水量
Precipitation/mm日照时数
Sunshine hours/h果实横径FTD/cm -0.261 0.652 0.151 0.296 -0.441 0.832* 果实纵径FLD/cm 0.436 -0.305 0.009 -0.325 0.583 0.088 果径纵比横FLD/FTD 0.640 -0.874* -0.118 -0.642 0.966** -0.655 种子横径STD/cm 0.710 -0.613 0.611 0.013 0.760 -0.059 种子纵径SLD/cm 0.912* -0.809 0.237 -0.365 0.774 -0.379 种径纵比横SLD/STD 0.447 -0.302 -0.514 -0.632 -0.015 -0.407 千粒重SM/g 0.804 -0.582 0.351 -0.128 0.640 -0.072 叶片长LL/cm 0.698 -0.684 0.674 0.042 0.190 -0.273 叶片宽LW/cm 0.018 -0.140 0.495 0.000 -0.176 -0.046 叶片长比宽LL/LW 0.621 -0.487 0.338 0.089 0.498 -0.371 注:*表示差异显著(p<0.05),**表示差异极显著(p<0.01)。
Note: *, p<0.05; **, p<0.01.Table 7. Analysis of correlation between phenotypic traits of Nitraria sibirica Pall. and geo-ecological factors