河西走廊不同紅砂天然群體種子表型性狀相關性研究

蘇世平，李毅，種培芳，高茜

（甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州730070）

植物的性狀是由基因型和環境共同作用的結果，可以通過測定表型或進行遺傳標記等多種手段進行多樣性研究，其中用表型性狀來測定是最現實和直接的方法［1］，因為表型變異必然蘊藏著遺傳變異，對植物表型性狀進行研究不僅能初步了解種群遺傳變異的大小，同時也有助于了解生物適應和進化的方式。

同一植物，由于長期處在不同的生境下，受到各種條件的限制，在形態和生理上出現不同程度的變化，這種變化與植物所處環境的生態因子、群體間的距離以及群體內的生殖方式有關，一般認為，生境越復雜、群體間距離越遠、異花授粉程度越高則表型變異越大，可能存在的遺傳變異也越大。利用形態性狀來研究物種遺傳變異是簡便而易行的手段，可以直接利用野外采集的樣本來進行分析［2］。

紅砂（Reaumuriasoongorica）屬檉柳科（Tamaricaceae）紅砂屬（Reaumuria）的落葉超旱生半灌木，主要分布在年降水量在60～300mm、海拔500～3 200m的荒漠、半荒漠的山麓洪積平原、山地丘陵、剝蝕殘丘、山前砂礫質和礫質洪積扇、戈壁等地，是干旱荒漠區分布最廣的植物種之一，具有固沙、固土的優良特性，以其為建群種的植被群落是干旱荒漠中的主要植被類型之一，是保護干旱荒漠化土地的重要生物屏障［3－5］。但是，由于干旱和人為破壞，導致以紅砂為建群種的植被群落自然更新速度緩慢，使得群落的穩定性下降，迫切需要恢復與重建。通過對天然群體紅砂種子性狀的研究，揭示其種內變異規律，為今后開展種質資源收集與保存、遺傳評價及種質創新利用以及人工輔助更新及群體遺傳多樣性研究提供理論依據［6］。

在紅砂的研究方面，前人主要集中于繁殖特性［4，5］、群落更新［3］、群落穩定性［4－7］以及不同種群生理特性［8，9］等方面，而對于不同群體紅砂遺傳多樣性方面的研究比較少見［10－12］。因此進行紅砂群落種子表型多樣性的研究，可揭示紅砂表型變異程度和變異規律，可為今后該樹種種質資源的保護與開發利用提供依據［4，12－14］。

1 材料與方法

1.1 群體的確立與試驗材料的采集

按經度、緯度和海拔梯度設置樣地，于2007年10月完成所有群體種子的采集工作。在河西走廊紅砂天然分布區內，自西向東共選取10個群體（圖1）：酒泉1（JQ1）、酒泉2（JQ2）、酒泉3（JQ3）、武威1（WW1）、武威2（WW2）、武威3（WW3）、武威4（WW4）、張掖1（ZY1）、張掖2（ZY2）、張掖3（ZY3）。每群體選取15株生長正常、具有代表性的單株進行采種，株間距離5m以上；在每個單株上采收所有種子帶回實驗室進行試驗。

樣地中實測經緯度、海拔；年均溫、1月均溫、7月均溫和年降水量等氣象因子從當地氣象部門查詢（2007年氣象數據）（表1）。

圖1 紅砂采種分布圖Fig.1 The plots of R.soongoricaseed collecting

表1 紅砂采樣群體地理位置、生態因子及樣地簡介Table 1 Locations and releated ecological factors of the sampled populations

1.2 種子表型性狀的測定方法

千粒重：在10個群體中進行每株測定。每群體測定15株，每株抽取3 000粒種子分成3等份測量千粒重。取平均值作為單株千粒重。

種子長（Ls）、種子寬（Ws）：每群體15個單株，每單株隨機取20粒種子，用濃硫酸腐蝕掉種毛，將去掉種毛后的種子置于坐標紙上進行數碼拍照，種子長寬用CAD軟件進行測量，按實際比例進行換算。

式中，y1為沿種子長方向坐標紙單位長度CAD測量值，y2為種子長CAD測量值，y3為沿種子長方向坐標紙單位長度。

式中，x1為沿種子寬方向坐標紙單位長度CAD測量值，x2為種子寬CAD測量值，x3為沿種子寬方向坐標紙單位長度。

1.3 統計分析方法

對各性狀采用巢式設計方差分析［15－19］，線性模型為：

式中，Yijk為第i個群體第j個家系第k個觀測值，μ為總平均值，τi為群體間效應值，δj（i）為群體內家系效應值，εk（ij）為隨機誤差。

表型分化系數（Vst）［18］反映群體間表型分化的值，即群體間變異占遺傳總變異的百分比。

式中，σ2t/s為群體間的方差分量，σ2s為群體內的方差分量。

用變異系數CV表示表型性狀的離散性特征，變異系數越大，性狀值離散程度越大。

式中，S為標準差，珡X為平均值［19］。

為了消除量綱使性狀間具有可比性，采用相對極差R′i表示各群體內的極端變異程度。

式中，Ri為群體內的極差，Ro為性狀總極差。

采用雙變量相關分析法對紅砂各性狀與采集點地理生態因子之間進行相關分析。利用歐氏平均距離法進行分層聚類分析。

上述的數據統計均利用Excel 2003，SPSS 11.5軟件完成。

2 結果與分析

2.1 紅砂群體間和群體內的形態變異特征

紅砂種子4個表型性狀在群體間都存在極顯著差異，在群體內差異不顯著（表2）。各性狀平均值和多重比較（表3）表明，群體中4個性狀間存在顯著的差異。千粒重最大的群體是WW4，為2.42g，最小的是JQ3，為1.07g，種子長最大的群體是 WW4，為3.496mm，最小的群體是ZY1，為2.532mm，種子寬最大的群體是JQ3，為1.364mm，最小的群體是ZY1，為0.850mm，種子長寬比最大的群體是 WW4，為3.977，最小的群體是JQ3，為3.006。

2.2 紅砂種子形態變異特征

各群體表型性狀變異系數（表4）表明，4個種子性狀平均變異系數為0.019 3，變異幅度0.001 8～0.068 5。各表型變異系數由大到小依次為：千粒重（0.068 5）＞種子寬（0.004 0）＞種子長寬比（0.003 1）＞種子長（0.001 8），這表明千粒重在群體間變化最大，種子寬最小。

同一性狀在不同群體內的變異幅度也有差異，說明不同地區的環境異質性導致表型產生差異。10個群體所有性狀的平均變異系數從大到小的排序為：ZY1（0.048 4）＞ZY2（0.037 1）＞WW2（0.025 5）＞WW4（0.018 1）＞JQ3（0.017 7）＞WW1（0.010 8）＞JQ1（0.010 4）＞ZY3（0.010 3）＞WW3（0.008 3）＞JQ2（0.006 6）。變異系數最大的群體（ZY1）要比最小的群體（JQ2）大近7倍多。說明ZY1的表型多樣性較高，而JQ2的表型多樣性程度較低。

表2 紅砂群體間群體內表型性狀的方差分析結果Table 2 Variance analysis of phenotypic traits among population/within population

表3 10個天然群體表型性狀的平均值和標準差Table 3 The mean value and standard deviation of phenotypic traits of 10populations

2.3 各群體表型性狀的相對極差

4個表型性狀的平均相對極差（表5）為40.369 0，相對極差最大的性狀是種子長（R′i＝65.541 5），相對極差最小的是種子寬（R′i＝17.228 9），說明種子長在群體內的極端變異程度最大，而種子寬在群體內變異程度比較穩定。4個表型性狀的相對極差排序為：種子長＞種子長寬比＞千粒重＞種子寬。10個群體之間相對極差的變化比較大，按相對極差從大到小的順序為：JQ3＞ZY1＞ZY2＞JQ1＞ZY3＞WW2＞WW4＞WW1＞JQ2＞WW3。

2.4 紅砂天然群體間的表型分化及各形態特征變異來源

表型性狀的表型分化系數（Vst）變異幅度為68.312 458%～99.247 950%（表6），其中最大的是種子長，Vst＝99.247 950%，最小的是千粒重，Vst＝68.312 458%，說明4個性狀在群體間的變異大于群體內的變異，群體間的變異占絕對優勢。

表4 紅砂天然群體表型性狀的變異系數Table 4 Variation coefficient of phenotypic traits of R.soongorica populations

2.5 紅砂表型性狀和采集地的地理生態因子的相關關系

對4個性狀與其分布地地理生態因子偏相關分析與檢驗結果表明（表7），千粒重、種子長、種子長寬比與經度呈極顯著正相關關系，種子寬與經度呈極顯著負相關。千粒重與緯度呈顯著負相關，種子長、種子寬、種子長寬比與緯度呈極顯著的正相關關系。千粒重、種子長、種子寬與海拔呈極顯著負相關，種子長寬比與海拔呈顯著正相關。種子長與1月均溫、7月均溫呈顯著正相關，與年均溫、年降水量呈極顯著正相關。

這說明千粒重、種子長和種子長寬比3個表型性狀隨著經度的升高而升高，種子寬隨經度的減小而增加；種子長、種子寬和種子長寬比隨緯度升高而升高。即由西到東，千粒重、種子長、種子長寬比都有所增大，由北到南，紅砂種子長、種子寬、種子長寬比都有所降低，千粒重有所升高；從高海拔到低海拔，除種子長寬比外，其他性狀均有升高的趨勢。

表5 紅砂天然群體表型性狀的相對極差（R′i）Table 5 Relative extreme value differences of phenotypic traits in R.soongorica populations %

表6 表型性狀的方差分量及群體間表型分化系數Table 6 Variance portions and differentiation coefficients of phenotypic traits among/within populations

表7 紅砂表型性狀與地理生態因子間的相關關系Table 7 Correlation coefficients matrix between the phenotypic traits and geo－ecological factors in R.soongorica

2.6 紅砂天然群體表型聚類分析

利用歐氏平均距離法，對各群體4個表型性狀數據進行聚類分析（圖2）。根據聚類結果將10個群體劃分為4個類群。將JQ1、JQ2、ZY2聚為一類，WW1、WW2、WW3、WW4和 ZY3聚為一類，JQ3、ZY1單獨歸為2類。

圖2 紅砂天然群體表型性狀聚類Fig.2 UPGMA cluster based on the phenotypic traits of 10 populations

3 結論與討論

3.1 群體間表型變異產生的原因

紅砂不同群體間同一性狀都存在著廣泛差異，說明群體表型的差異是由不同地區的環境異質性所導致，這表明其性狀穩定性較差并受到一定環境壓力的影響［20，21］，導致群落內差異不顯著的結果有可能與其繁殖方式有關，也可能與群落所處立地環境有關，也可能與群體之間的地理距離有關。曾彥軍等［5］報道紅砂的繁殖方式主要受其生長環境和群落的年齡結構影響，生長于干旱、沙化生境的成熟紅砂群落以無性繁殖為主，無性繁殖占種群比例的72.4%，處于相對濕潤的幼齡紅砂種群以有性繁殖為主，這說明，在河西走廊這種干旱環境下，無性繁殖導致種群性狀高度一致，遺傳基礎趨于一致化；黃培祐等［22］對荒漠地區紅砂繁殖方式的研究表明，紅砂種子和幼苗建植需要較濕潤的環境，這也說明，干旱少雨導致紅砂種子難以萌發和幼苗難以成活，從而降低了通過有性繁殖所產生的表型分化，因此導致群體的遺傳基礎變窄，本研究與此結果相似，從降水量看，張掖1的年降水量為195mm，為10個群體中最高，該群落的變異系數均比其他群體高，這也表明，濕潤環境可提高種子和幼苗的建植；表型的這種變異模式也可能與生殖的地域隔離有關，由于各群體之間間隔距離比較大，導致群落之間沒有或者很少有基因交流，經過長期的繁衍，從而導致這種群落分布格局。

3.2 表型變異的梯度規律性

樹種分布范圍的大小是影響樹木地理變異的主要因子。一般而言，分布區較大，則變異大；分布范圍小則變異小。另外，樹種自然分布區內環境因素多樣性也是影響林木地理變異的因子。分布區的環境條件越復雜，則種內群體的遺傳變異越大。研究結果表明紅砂種子性狀變異呈現以水平地帶性和垂直地帶性變異為主的梯度規律性，該研究結果與前人在云杉（Piceaasperata）［23］、青海云杉（Piceacrassifolia）［19］、白皮松（Pinusbungeana）［15］等的研究結果相似，導致這種結果發生的原因可能與河西走廊不同區域年降水量、1月和7月均溫的不同均有關。所抽樣群體在降水上整體趨勢從酒泉、武威到張掖呈陡減趨勢，7月和1月均溫絕對值都呈升高趨勢，這也可能導致種子體內內含物、營養物質的積累由于環境因素不同而差異懸殊，所以才有這種變異趨勢。

盡管群體內表型的變異不顯著，但群體間變異的意義卻大于群體內的變異，因為存在于群體間的變異反映了地理、生殖隔離上的差異，群體間的多樣性變異是種內多樣性的重要組成部分。分布在群體間的變異真正反映了群體在不同環境中的適應狀況，其大小在某種程度上說明了該生物對不同環境適應的廣泛程度，值越大適應的環境越廣［20］。

3.3 種質資源保存的艱巨性

根據紅砂豐富的自然變異，可以初步推斷其改良前景是廣闊的。紅砂表型性狀68% 以上的變異來自群體間，32%的變異存在于群體內，群體間的分化明顯高于群體內，造成這種變異的原因可能與植物自身的繁殖對策和環境因素有關。群落間的這種變異為生物多樣性保護和優良種質資源的利用提供了物質基礎，但是群落內部這種極大的相似性使群落穩定性和抗御自然災害的能力降低，群落內部的生物多樣性指數下降，這種多層次的變異為種質資源保存和生物多樣性保護提供了物質基礎，同時也為遺傳改良工作提出了新的要求，即在遺傳改良工作中進行優良種源、優良群體選擇和利用的同時，應加大優良個體選擇和利用的力度［24，25］，同時也表明了生物多樣性保護任務的艱巨性，這就要求如何在保持和發展群體間這種廣泛變異的基礎上發掘和擴大群體內的變異，使得群體內和群體間均有豐富的遺傳多樣性。

［1］ 李文英，顧萬春.蒙古櫟天然群體表型多樣性研究［J］.林業科學，2005，41（1）：49－56.

［2］ 張恒慶，安利佳，祖元剛.天然紅松種群形態特征地理變異的研究［J］.生態學報，1999，19（6）：932－938.

［3］ 劉家瓊，邱明新，蒲錦春，等.我國荒漠典型超旱生植物——紅砂［J］.植物學報，1982，24（5）：485－488.

［4］ 曾彥軍，王彥榮，張寶林，等.紅砂種群繁殖特性的研究［J］.草業學報，2002，（2）：66－71.

［5］ 曾彥軍，王彥榮，莊光輝，等.紅砂和霸王種子萌發對干旱與播深條件的響應［J］.生態學報，2004，24（8）：1629－1634.

［6］ 周資行，李毅，焦健.蘭州市南北兩山不同生境紅砂種群數量動態研究［J］.自然資源學報，2011，26（10）：1726－1737.

［7］ 周資行，李毅，焦健.蘭州市郊紅砂種群數量動態與分布格局研究［J］.生態與農村環境學報，2011，27（8）：24－31.

［8］ 高暝，李毅，種培芳，等.滲透脅迫下不同地理種源白刺的生理響應［J］.草業學報，2011，20（3）：99－107.

［9］ 左利萍，李毅，焦健.水分梯度下不同地理種群紅砂葉片生理特征比較研究［J］.中國沙漠，2009，29（3）：514－518.

［10］ 馮亮亮，唐紅，李毅，等.甘肅紅砂不同種群遺傳多樣性的ISSR分析［J］.草業學報，2011，20（1）：125－130.

［11］ 蘇世平，李毅，種培芳.河西走廊不同紅砂天然群體種子活性相關性［J］.生態學報，2012，32（1）：135－141.

［12］ 李秀玲，陳健，王剛.西北地區紅砂種群ISSR遺傳變異的空間自相關分析［J］.中國沙漠，2008，28（3）：468－472.

［13］ 朱恭，王萬鵬.紅砂種群自然更新與人工輔助恢復機理的初步研究［J］.甘肅農業大學學報，2004，39（4）：427－433.

［14］ Ye M S，Guan W B，Wu B，etal.Plant community complexity in the arid valley of Minjiang River，southwestern China［J］.Acta Ecologica Sinica，2006，26（10）：3159－3165.

［15］ 李斌，顧萬春，盧寶明.白皮松天然群體種實性狀表型多樣性研究［J］.生物多樣性，2002，10（2）：181－188.

［16］ 李梅，韓海榮，康峰峰，等.山西靈空山遼東櫟種群葉性狀表型變異研究［J］.北京林業大學學報，2005，27（5）：10－16.

［17］ 李文英，顧萬春.蒙古櫟天然群體表型多樣性研究［J］.林業科學，2005，41（1）：49－56.

［18］ 葛頌.同工酶與林木群體遺傳變異研究［J］.南京林業大學學報，1988，1：68－72.

［19］ 王婭麗，李毅，陳曉陽.祁連山青海云杉天然群體表型性狀遺傳多樣性分析［J］.林業科學，2008，44（2）：70－77.

［20］ 周連第，蘭彥平，曹慶昌，等.板栗葉片性狀表型多樣性研究［J］.林業科學，2005，21（9）：136－139.

［21］ 李梅.遼東櫟天然群體表型多樣性研究［D］.北京：北京林業大學，2005.

［22］ 黃培祐，聶湘萍，周建民，等.準噶爾盆地中部琵琶柴群落的生境研究［J］.新疆大學學報：自然科學版，1988，5（3）：66－71.

［23］ 羅建勛，顧萬春.云杉表型與同功酶遺傳多樣性研究進展［J］.林業科學研究，2004，17（2）：255－262.

［24］ 梁緒振，鄢家俊，白史且，等.斑茅種質資源形態性狀的變異研究［J］.草業科學，2011，28（7）：1307－1314.

［25］ 張妙青，王彥榮，張吉宇，等.垂穗披堿草種質資源繁殖相關特性遺傳多樣性研究［J］.草業學報，2011，20（3）：182－191.