天山櫻桃種質資源表型多樣性研究

李春僑,周 龍,陸 彪,董凱向,劉春燕

(1.新疆農業大學 林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2.特克斯縣林業局，新疆特克斯 835500)

天山櫻桃(CerasustianschanicaPojark)又稱野櫻桃，屬于薔薇科(Rosaceae)櫻桃屬(Cerasus)矮生櫻亞屬植物，是中國瀕臨滅絕的樹種之一，也是野生珍奇果品資源，在國內僅分布于新疆伊犁和塔城地區[1]。天山櫻桃集中分布在海拔1 100～1 500 m的陽坡地，冬季最低溫達-35 ℃，平均年降水量300～600 mm，土壤類型多為栗鈣土，與栽培櫻桃相比有較強的抗寒、抗旱和耐瘠薄能力，且矮化效果明顯，因此了解天山櫻桃遺傳多樣性對栽培櫻桃的育種和優良砧木的篩選具有重要意義。目前，對于天山櫻桃的研究主要集中在繁殖生物學特性[2]、花粉萌發特性[3]和花芽形態分化[3]等方面，尚未涉及到天山櫻桃表型多樣性方面的研究。劉胤等[4]對80份中國櫻桃種質資源的26個表型性狀進行多樣性分析，認為參試材料的數量性狀在群體間和群體內均表現出極顯著差異。曾斌等[5]研究新疆野巴旦杏天然居群的表型多樣性時發現葉片形態在群系間和群系內存在廣泛差異，且形態變異主要來源于群系內。周龍等[6]利用表型性狀變異研究新疆野生櫻桃李遺傳多樣性，認為枝條長度、枝條粗度、葉片長度和葉柄長度是造成新疆野生櫻桃李表型差異的主要因素。表型多樣性是遺傳多樣性與生境多樣性的綜合體現，主要研究各居群在不同生境條件下的表型變異。有關表型多樣性方面的研究文獻較多，并且隨著遺傳多樣性研究的加強而逐步成為熱點。開展天山櫻桃野生群體表型多樣性研究有利于該物種種質資源的收集、保存、評價與利用研究。為此，本研究通過對天山櫻桃4個野生居群(特克斯、喀拉峻、大西溝、裕民縣)的16個表型性狀進行觀測，分析不同居群間形態性狀的多樣性和變異特點，以期為天山櫻桃種質資源保護與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 天山櫻桃分布區域概況

裕民縣野生居群位于巴爾魯克山以北的山地草原，海拔1 115 m，為溫帶大陸性氣候，年平均降水量280 mm，受巖畫風景區與野扁桃風景區的影響，人為干擾頻繁；特克斯縣野生居群位于蒙古鄉北山較為封閉狹長的山谷中，海拔1 375 m，高山氣候，年平均降水量383 mm，由于實行禁牧措施，人為干擾較少；喀拉峻野生居群位于天山北麓，海拔1 454 m，是典型的山地草甸類型草原，年平均降水量600 mm，放牧嚴重；大西溝野生居群位于天山西部，海拔1 165 m，為山地逆溫帶氣候，年平均降水量671 mm，受中華福壽山景區影響，人為干擾頻繁。4個天山櫻桃野生居群的地理位置如表1所示。

表1 4個天山櫻桃野生居群的地理位置Table 1 Geographical position of 4 natural populations of Cerasus tianschanica Pojark

1.2 材 料

從2012年起，連續5 a對天山櫻桃分布區(特克斯、喀拉峻、大西溝、裕民縣)進行野外實地調查，按照不同海拔高度，不同坡向，選取不同的植株作為定點觀測樣株。為盡可能降低樹齡對表型特征的影響，選擇基徑相近的單株，共篩選45棵具有代表性的樣株，為避免株間親緣關系較近，每樣株相隔不少于500 m。采用全球衛星定位系統(Global Positioning System，GPS)定位，并掛牌標記以便跟蹤調查。

1.3 方 法

1.3.1 表型性狀觀測 枝條停止生長后，使用電子游標卡尺(測量精度為0.01 mm)測量1 a生枝長度和粗度；取新梢中部30枚成齡葉片，測定葉片長度和寬度；盛花期，隨機選取30朵花，測量花冠直徑、花瓣長、花瓣寬、花筒長度、雄蕊數目和雌蕊長度；果實成熟期，采集成熟度一致的果實30個，測量果實縱徑和橫徑，并用1/1 000電子天平稱量果實，剝離果皮及果肉，使用手持折光儀檢測果肉可溶性固形物質量分數，并稱量種核質量，剝離種殼，稱量種仁質量。

1.3.2 數據處理 變異系數是衡量材料中各觀測指標變異程度的統計量，當觀測指標單位不一致時，可使用變異系數消除單位對多個材料變異程度的影響。Simpson多樣性指數與Shannon-weaver多樣性指數是用來估算遺傳多樣性水平高低的指標。歐氏距離是居群間遺傳關系遠近的指標。類平均法是一種常見的聚類分析方法，目的是尋找數據中潛在的自然分組結構，此方法較適用于物種樹的建立。采用DPS 7.05數據處理軟件計算各野生居群表型性狀的變異系數、Simpson多樣性指數、Shannon-weaver多樣性指數和歐氏距離(Euclidean distance)，采用類平均法(UPGMA)對居群進行聚類分析。利用IBM SPSS Statistics 19.0軟件對天山櫻桃16個表型性狀進行主成分分析，確定形成表型差異的主要表型性狀。

2 結果與分析

2.1 天山櫻桃野生居群表型多樣性

變異系數、Shannon-weaver指數和Simpson指數是衡量種質資源遺傳多樣性的重要指標，值越高，遺傳多樣性越豐富。如表2所示，16個表型性狀的變異系數為3.08%～50.32%，Shannon-weaver指數為2.22～4.00，Simpson指數為0.78～1.47，4個野生居群的平均變異系數、Shannon-weaver指數和Simpson指數由大到小排列一致，均為裕民縣>大西溝>特克斯>喀拉峻，表明裕民縣野生居群的表型多樣性最為豐富，喀拉峻野生居群表型多樣性水平最低。

2.2 天山櫻桃表型性狀的變異及分化

變異系數表示群體的離散程度，表型變異系數越大，表型性狀的變異程度越大。由表3可以看出，天山櫻桃16個表型的變異系數為8.67%～48.78%，其中種核質量(40.61%)、單果質量(48.78%)和果實縱徑(40.25%)的變異系數較大，可溶性固形物質量分數(8.67%)、雄蕊數目(11.24%)和花瓣寬(12.81%)的變異系數較小，穩定性好。16個表型性狀的分化系數變幅為3.74%～51.93%，種核質量(51.93%)的表型分化系數最大，說明天山櫻桃種核質量受環境影響較大，各表型性狀平均分化系數為25.77%，即居群內表型分化系數為74.23%，表明天山櫻桃野生居群內多樣性程度高于野生居群間。

表2 天山櫻桃野生居群變異系數、Shannon-weaver指數和Simpson指數Table 2 Variable coefficient,Shannon-weaver index and Simpson index of different populations of Cerasus tianschanica Pojark

表3 天山櫻桃表型性狀變異系數及分化系數Table 3 Variable coefficient and differentiation coefficient from morphological data of Cerasus tianschanica Pojark

2.3 天山櫻桃野生居群的聚類分析

4個天山櫻桃野生居群間的歐式距離為3.75～7.16，歐氏距離平均值為5.56，表明4個天山櫻桃野生居群的親緣相對較近。由歐式距離矩陣可知特克斯野生居群與喀拉峻野生居群的歐式距離最小(3.75)，遺傳分化程度小；裕民縣野生居群與大西溝野生居群的歐式距離最大(7.16)，遺傳分化程度大，親緣關系相對較遠(表4)。

根據4個野生居群間的歐氏距離，采用UPGMA聚類法對居群進行聚類分析(圖1)。4個天山櫻桃野生居群的距離系數為0～6.34，在距離系數為5.27時，4個野生居群被分為3大類；裕民縣野生居群單獨為第1類，特克斯野生居群與喀拉峻野生居群聚為第2類，大西溝野生居群為第3類。

表4 不同天山櫻桃野生居群間表型性狀的歐式距離Table 4 Euclidean distances from morphological data of different populations of Cerasus tianschanica Pojark

圖1 基于16個表型性狀的UPGMA聚類圖Fig.1 UPGMA cluster of 16 phenotypic dates

2.4 天山櫻桃表型性狀主成分分析

主成分分析是將原來眾多具有一定相關性的變量，在不損失原有數據信息的基礎上，重新組合成彼此相互獨立的變量[7]。通過對天山櫻桃16個表型性狀的主成分分析(表5、表6)，前4個主成分的特征根大于1，累計貢獻率達76.02%。其中第1主成分的貢獻率為35.07%，起決定性作用的表型性狀有果實縱徑(0.40)、果實橫徑(0.39)、單果質量(0.39)、種核質量(0.39)和種仁質量(0.38)。第2主成分貢獻率為20.15%，起決定性作用的表型性狀有葉片長度(0.38)、葉片寬度(0.43)、1 a生枝長度(0.31)和雌蕊長度(0.45)。第3主成分貢獻率為12.43%，起決定性作用的表型性狀有花冠直徑(0.53)、花瓣長(0.54)、花筒長度(0.45)和雄蕊數目(0.39)。第4主成分的貢獻率為8.37%，葉片長度(0.34)、1 a 生枝粗度(0.51)、花瓣寬(-0.32)和可溶性固形物質量分數(-0.49)起決定性作用。使用4個主成分的得分進行居群聚類(圖2)，與使用16個表型性狀所得聚類結果基本一致，表明篩選出的表型性狀可以代表天山櫻桃16個表型性狀的數據信息。

表5 主成分特征值、貢獻率及累計貢獻率分析Table 5 Analysis on matrix eigen value,contribution rateand accumulative contribution rate of principal component

表6 表型性狀主成分的負載量分析Table 6 Analysis of load capacity of principal component of phenotypic traits

圖2 基于主成分得分的系統聚類Fig.2 System cluster based on score of principal component

3 討 論

3.1 天山櫻桃表型性狀變異特征

植物表型性狀既具有變異性，又有其穩定性，同時受植物自身遺傳物質和生態環境兩方面的影響[8]。本研究中16個表型性狀的變異幅度為8.67%～48.78%，其中1 a生枝長、果實縱徑、單果質量和種核質量的變異系數較大。各器官表型性狀變異系數表現為果實>種子>枝葉>花，這可能與天山櫻桃作為野生果樹受坡向、土壤特征和水分等微氣候的影響有關，果實性狀表現出較為豐富的變異。梁玉琴等[9]分析河南省柿的表型多樣性，劉娟等[10]研究新疆杏表型多樣性時也發現同樣的結果，均認為表型性狀的各個指標中果實性狀變異最為豐富，易受生境影響。

3.2 天山櫻桃表型分化

群體表型分化系數是群體間表型方差占群體間和群體內表型總方差的比例[11]。本研究的16個表型性狀表型分化系數均值為25.77%，居群內變異顯著高于居群間變異，天山櫻桃的變異主要來源于居群內。在中國板栗[12]、海南島青梅[13]和浙江柿[14]的表型多樣性研究中也發現變異主要來源于居群內，與本研究結果一致。天山櫻桃屬于異花授粉植物，由于長期的授粉雜交，在同一居群內后代表現出豐富的多樣性，其次，野生居群所處地形、地貌與氣候類型多樣，也會促使天山櫻桃形成豐富的表型變異。

3.3 天山櫻桃表型性狀主成分分析

本研究對天山櫻桃的16個表型性狀進行主成分分析，結果顯示：前4個主成分因子的累計貢獻率達到76.02%，認為果實縱徑、果實橫徑、雌蕊長度、花瓣長和1 a生枝長度等是評價天山櫻桃表型多樣性的重要指標。刁松鋒等[15]對無患子表型性狀進行主成分分析，認為種子質量、種子縱徑、種子橫徑、果實縱徑和果實橫徑可以代表原始因素的大部分信息。張強英等[16]將榆葉梅野生群體的16表型性狀進行主成分分析，認為花朵大小、花朵顏色、花瓣萼片反卷程度和花密度可以作為今后榆葉梅多樣性評估的指標。與前人研究有一定的相似之處，但也存在差異，這可能與材料選擇和測定指標不同有關。綜合分析認為，本研究所篩選的果實縱徑、果實橫徑、雌蕊長度、花瓣長和1 a生枝長度可以代表原始數據大部分信息進行天山櫻桃表型多樣性的評價。

4 結 論

綜上所述，4個天山櫻桃野生居群中，裕民縣野生居群的表型多樣性最為豐富，大西溝野生居群次之，喀拉峻野生居群的表型多樣性水平最低。觀測的枝、葉、花和果表型性狀中以果實性狀變異最為豐富，花性狀變異最小，遺傳穩定性相對較好。天山櫻桃表型分化系數均值為25.77%，表明天山櫻桃的變異主要來源于居群內。聚類分析表明特克斯野生居群與喀拉峻野生居群親緣關系最近，裕民縣野生居群與大西溝野生居群親緣關系最遠。16個表型性狀中果實縱徑、果實橫徑、雌蕊長、1 a生枝長度和花冠直徑是天山櫻桃進行表型觀測時的重要指標。

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