山西省中國沙棘天然種群優樹表型變異研究

郭學斌

(1.山西省林業和草原科學研究院，山西 太原 030012；2.國家林業草原沙棘工程技術研究中心，山西 太原 030012)

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）隸屬胡頹子科沙棘屬，落葉灌木或小喬木，雌雄異株，廣泛分布于 2°～115° E、27°～68°50′ N 的歐亞大陸地區[1]。沙棘生態適應性極強，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等優良特性，是營造防風固沙和水土保持林的先鋒樹種[2]。另外，沙棘也是藥食同源植物，其果實以及根、莖、葉等各器官中均含有豐富的生物活性物質和營養成分，被廣泛應用于醫藥、食品、化妝品等輕化工行業[3]。我國是世界上沙棘資源最豐富的國家，占世界沙棘資源的93%，其中，中國沙棘亞種（Hippophae rhamnoidesL.subsp.sinensisRousi）分布面積最廣、數量最多、生態經濟利用程度最高[4]，而山西省分布的沙棘資源又占到全國野生資源的60%，均為中國沙棘。沙棘種質資源的豐富性為沙棘育種奠定了良好的基礎。

表型性狀分析是研究植物遺傳多樣性最直觀、最有效的手段。研究植物表型性狀不僅能了解植物的基因型與環境互作的機理機制，還能從中挖掘出經濟和生態價值較高的特異基因性狀，對促進植物種質資源的創新、創制和高效利用具有重要的理論及實踐意義[5]。已有專家學者利用表型變異對大別山山核桃(Carya dabieshanensisM.C.Liu et Z.J.Li)[6]、砂生槐(Sophora moorcroftiana(Benth.) Baker)[7]、格木(Erythrophleum fordiiOliv.)[8]、尾葉櫻桃(Cerasus dielsiana(Schneid.) Yu et Li)[9]、楓香樹(Liquidambar formosanaHance)[10]、長柄扁桃(AmygdaluspedunculataPall.)[11]、岷江柏(Cupressus chengiana)[12]等天然種群進行了多樣性分析與評價，闡明了種群變異結構和來源，揭示了表型變異與地理生態因子之間的關系。

目前，我國沙棘良種選育工作主要集中在引種[13-16]、個體及群體遺傳改良[17-21]等方面。也有學者對沙棘表型多樣性進行研究，田廣玉等[22]對陜西省黃龍縣中國沙棘的性狀變異與表型結構進行了研究；余天藍等[23]對新疆6個天然居群野生沙棘果實性狀多樣性進行研究；黃銓等[24]對山西省關帝山中國沙棘種群表型結構進行研究，指出關帝山的中國沙棘是以主干型桔黃色、近圓果形植株為主體的多態型種群系統；吳瓊等[25]選取了山西省境內7個和河北省1個中國沙棘天然種群對其表型多樣性進行分析，發現山西省中國沙棘的表型性狀有豐富多態性；陳漢鑫等[26]對山西省4個地區的45株沙棘單株進行結實性狀和果實營養成分分析研究，篩選出在結實性狀和果實品質上表現較優的優良單株。師瑞瑞等[27]對山西省方山縣和青海省天峻縣2個不同海拔的中國沙棘進行表型多樣性研究，發現2個種群均具有豐富的表型多樣性。然而，對山西省中國沙棘天然種群優樹間的表型變異未見報道。本研究選取了山西省11個天然種群的中國沙棘優樹，將不同種群的優良資源進行分析比較，旨在更系統、全面地揭示山西省不同中國沙棘種群優樹間表型性狀與生態因子的關系及其變異規律，為沙棘優良種質資源的收集、保存及遺傳改良提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019年9月至 11月，完成中國沙棘選優、采樣工作，共計11個種群，110個優良單株。每個種群內取樣植株間距在50 m 以上。各取樣地點的基本情況見表1。

表1 山西中國沙棘天然種群優樹地理位置信息及取樣情況Table 1 The situation of geographical location information and sampling of elite tree in natural population of H.rhamnoides subsp.sinensis in Shanxi

1.2 表型性狀指標測定方法

表型性狀指標主要包括果實橫徑、果實縱徑、果形指數、果柄長、百果質量、種子千粒質量、結實密度、當年枝長、刺長、刺密度。

將同一種群采集的果實充分混勻，采用四分法，50個果實1 組，隨機抽取3 組，共150個果實；利用數顯游標卡尺（精度0.01 mm）分別測量各組果實縱徑、橫徑、果柄長。根據果實縱徑和橫徑計算果形指數（果形指數= 果實縱徑/果實橫徑）。從每個種群中隨機抽取500 粒果實，分成5 組，每組100 粒，利用電子天平（精度0.001 g）測定每組果實的質量，取其平均值即為百果質量。將同一種群采集的果實中剝取種子，充分混勻，采用四分法，100 粒1 組，隨機抽取3 組，共300 粒種子，用電子天平（精度0.001 g）測定每組種子的質量，取其平均值乘以10，即為種子千粒質量。從每個種群內單株的東、西、南、北四個方向分別隨機抽取10 cm 長的結果枝，測定結果和棘刺數量，選3株優良單株進行重復，計算其平均值即為結實密度和刺密度。從每個種群內單株的東、西、南、北四個方向分別隨機抽取、測定當年生枝長，選3株優良單株進行重復，計算其平均值即為當年枝長。從每個種群內單株上隨機選取10個棘刺，測量其長度，重復3 次，計算刺長。

1.3 數據分析

采用SPSS 22.0 對數據進行分析。通過單因素方差分析、Duncan 新復極差法進行多重比較。計算表型性狀的均值、標準差、變異系數（CV），其中，變異系數（CV）= 標準差/均值。

采用相關分析法計算各表型性狀間及其與生態因子的Pearson 相關系數。對各種群優樹的表型性狀指標進行主成分分析，鑒于刺長和刺密度越小越好，將刺長、刺密度通過變換倒數方式進行正向轉換。采用方差最大化正交旋轉方法進行主成分分析[28]。

中國沙棘天然種群優樹表型性狀利用Y值進行綜合評價，其計算公式如下：

式中：λ1、λ2、λn分別代表第1 主成分、第2 主成分、第n主成分的特征值；Y1、Y2、Yn分別代表第1 主成分、第2 主成分、第n主成分。

采用離差平方和法，根據歐氏距離對各種群優樹的主成分綜合得分值進行聚類分析，以掌握山西省境內中國沙棘天然種群優樹表型性狀的地理分化特點。

2 結果與分析

2.1 中國沙棘天然種群優樹的表型性狀差異性比較

中國沙棘天然種群優樹表型性狀的方差分析結果表明：種子千粒質量、果柄長在不同種群間的差異呈顯著水平（p<0.05），其余8個表型性狀指標均呈極顯著水平（p<0.01）。可見，中國沙棘優樹表型性狀在不同群體間存在差異。多重比較結果見表2。

由表2 可知：隰縣種群優樹的果實縱徑、果形指數、果柄長、結實密度、刺長均最大，百果質量、種子千粒質量較大；廣靈種群優樹的果實橫徑、百果質量最大，果實縱徑、種子千粒質量、結實密度均較大，果柄最短；興縣種群優樹的種子千粒質量最大，果實橫徑、果實縱徑、百粒質量也較大；文水種群優樹的當年枝長最長，刺密度最大，果形指數最小；右玉種群優樹的果實橫徑、果實縱徑最小，百果質量、種子千粒質量也較?。会硩狗N群優樹的百果質量、當年枝長、刺長、刺密度均最??；五寨種群優樹的結實密度最??；云州種群優樹的種子千粒質量最小。

表2 中國沙棘天然種群優樹表型性狀的多重比較Table 2 Multiple comparison of phenotypic traits of elite trees in natural populations of H.rhamnoides subsp.sinensis

2.2 中國沙棘天然種群優樹表型性狀的變異特征

中國沙棘天然種群優樹表型性狀的變異情況見表3。研究表明，中國沙棘種群優樹的表型性狀變異大小因性狀而異，10個表型性狀的平均變異系數為22.10%，其變化幅度為5.23%～37.42%，以刺密度的變異系數最大，果形指數的變異系數最小。營養生長性狀的變異大于生殖生長性狀的變異。

由表3 還得知：右玉種群優樹的果實橫徑、果實縱徑、百果質量、種子千粒質量變異系數均最大，反映出右玉群體優樹的果實性狀變異較明顯，遺傳穩定性較低，果實多樣性最豐富；廣靈種群優樹除種子千粒質量變異系數較小外，其余表型性狀的變異系數均較大，反映出該群體表型性狀變異分化較明顯，遺傳穩定性較低。隰縣種群優樹的10個表型性狀的變異系數均較小，反映出該種群優樹表型性狀遺傳穩定性較高，多樣性相對較單一。

表3 中國沙棘天然種群優樹表型性狀的變異系數Table 3 Variation coefficients of phenotypic traits of elite trees in natural populations of H.rhamnoides subsp.Sinensis %

2.3 中國沙棘優樹表型性狀間的相關性分析

中國沙棘優樹表型性狀間的相關分析結果（表4）表明：中國沙棘優樹的10個表型性狀指標間存在不同程度的相關性，其中，果實橫徑與果實縱徑、百果質量、種子千粒質量、當年枝長均呈極顯著（p<0.01）正相關，與果形指數、結實密度呈極顯著（p<0.01）負相關；果形指數與果實縱徑、果柄長、結實密度呈極顯著（p<0.01）正相關，與果實橫徑呈極顯著（p<0.01）負相關；種子千粒質量與果實橫徑、果實縱徑、百果質量呈極顯著（p<0.01）正相關；當年枝長與刺長、刺密度呈極顯著（p<0.01）正相關；刺密度與果實縱徑、百果質量、當年枝長、刺長呈極顯著（p<0.01）正相關。

表4 中國沙棘優樹表型性狀間的相關分析 Table 4 Correlation analysis of phenotype traits of elite trees in H.rhamnoides subsp.sinensis

2.4 中國沙棘優樹表型性狀與生態因子間的相關性

中國沙棘優樹表型性狀與生態因子間的相關分析結果（表5）表明：中國沙棘優樹的表型性狀與生態因子間存在不同程度的相關性，其中，果實橫徑、果實縱徑、百果質量、種子千粒質量、當年枝長與海拔因子呈極顯著（p<0.01）正相關；果實縱徑、果形指數、果柄長、當年枝長與緯度因子呈極顯著（p<0.01）負相關；果形指數與年降水量呈極顯著（p<0.01）正相關。

表5 中國沙棘優樹表型性狀與生態因子間的相關分析 Table 5 Correlation analysis between phenotype traits and ecological factors in elite trees of H.rhamnoides subsp.sinensis

2.5 中國沙棘優樹表型性狀的主成分分析

對中國沙棘天然種群優樹的表型性狀進行主成分分析，結果（表6），得到3個特征根大于1 的主成分，第1 主成分中百果質量、果實縱徑、當年枝長載荷度較高，主要表征的是果實大小性狀和當年生長量，貢獻率為46.15%；第2 主成分中果形指數、結實密度載荷度較高，主要表征的是果實的長寬比和結實性狀，貢獻率為26.13%；第3 主成分中刺密度、種子千粒質量、刺長載荷度較高，主要表征的是棘刺的性狀和種子大小性狀，貢獻率為15.38%。上述3個主成分的累積方差貢獻率為87.66%，已能反應中國沙棘優樹表型性狀10個測定指標的絕大多數信息，故選取前3個主成分為中國沙棘優樹表型性狀的重要主成分。

表6 中國沙棘天然種群優樹表型性狀的主成分分析Table 6 The PCV of phenotypic traits of elite trees in natural populations of H.rhamnoides subsp.sinensis

Y1、Y2、Y3主成分的函數式是根據樣本成分相關矩陣的因子得分矩陣得出：

式中：X1代表果實橫徑；X2代表果實縱徑；X3代表果形指數；X4代表百果質量；X5代表種子千粒質量；X6代表果柄長；X7代表結實密度；X8代表當年枝長；X9代表刺長的倒數；X10代表刺密度的倒數。

通過公式（1），計算得出中國沙棘天然種群優樹表型性狀的綜合評價結果見圖1。結果表明：中國沙棘天然種群優樹表型性狀的綜合得分從高到低依次為隰縣、岢嵐、廣靈、原平、興縣、文水、云州、寧武、右玉、和順、五寨，說明隰縣種群優樹的表型性狀表現最佳，五寨種群優樹的綜合表型性狀最差。為掌握山西省境內中國沙棘優樹的表型性狀地理分化特點，進一步將主成分綜合得分進行聚類分析，結果見圖2。

圖1 中國沙棘天然種群優樹的綜合主成分得分Fig.1 Comprehensive principal component scores of elite trees in natural populations of H.rhamnoides subsp.sinensis

圖2 中國沙棘天然種群優樹表型性狀的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of phenotypic traits of elite trees in natural populations of H.rhamnoides subsp.sinensis

聚類分析結果表明，在距離系數為5 時，可將11個中國沙棘天然種群優樹分為4 類，第1 類為隰縣種群優樹，綜合性狀表現最好；第2 類分別為廣靈、原平、岢嵐種群優樹，綜合表現較好；第3 類分別為云州、文水、寧武、興縣種群優樹，綜合表現一般；第4 類分別為五寨、右玉、和順種群優樹，綜合表現較差。

3 討論

3.1 中國沙棘優樹表型性狀變異的多樣性

豐富的優良種質資源是林木育種研究重要的物質基礎，其中，表型性狀分析對揭示基因型差異以及鑒定種群生態學分析具有重要意義[23]。生物的變異和多樣性是開展育種工作的前提，變異系數可以反映性狀值的離散特征，變異系數越大，性狀值的離散程度越大，表型多樣性越高；相反，變異系數越小，說明該種群的性狀離散程度越低，物種多樣性越低[12]。有研究表明，植物群體間的變異程度能反映出植物本身對環境的適應程度，變異系數越大，說明植物適應環境的范圍越廣[29]。

本研究發現，山西省中國沙棘天然種群優樹間存在豐富的表型變異，平均變異系數為22.10%，其中，刺密度的變異系數最大（37.42%），果形指數的變異系數最?。?.23%），營養生長性狀的變異大于生殖生長性狀的變異。黃銓等[24]研究發現，山西省關帝山的中國沙棘每個性狀都有很大幅度的變異，其中，營養器官的變異多大于生殖器官的變異，而在生殖器官中，果柄長度和鮮果百粒質量的變異又大于其它性狀。吳瓊等[25]研究發現，山西省中國沙棘天然種群各表型性狀的平均變異系數介于3.1%～26.5%，其中，營養性狀變異幅度最大，種子性狀最小。本研究結果與其一致，可能是因為營養器官主要通過光合作用為植物提供養分，容易受到外界環境因素的影響，變異性較強；而果實屬于生殖器官，主要受自身遺傳因素控制，性狀相對穩定，這也保證了物種遺傳上的相似性和穩定性[6]。

另外，本研究還發現，中國沙棘優樹的同一性狀在不同種群的變異幅度存在差異性。余天藍等[23]在對新疆6個居群野生沙棘果實性狀多樣性研究也得出類似結論。這在一定程度上也表明，生長環境的異質性可能是導致中國沙棘種群優樹表型變異的主要原因。

3.2 中國沙棘種群優樹間表型性狀與生態因子的關系

不同植物對環境因子的適宜機制和敏感程度的差異導致其呈現不同的地理變異規律[8]。中國沙棘優樹表型性狀相關分析表明，種子千粒質量與果實橫徑、果實縱徑、百果質量呈極顯著（p<0.01）正相關，表明沙棘種子大小與果實大小存在關系，果實的縱、橫徑越大，種子也越大，該研究結果與吳瓊[30]對中國沙棘表型性狀相關性分析結論一致。中國沙棘優樹表型性狀與生態因子間的相關分析顯示，果形指數與緯度因子呈極顯著負相關，表明隨緯度降低，果實縱徑越大，果形指數增大；果實橫徑、果實縱徑、百果質量、種子千粒質量與海拔因子呈極顯著正相關，表明隨海拔升高，沙棘果實、種子增大，該研究結果也與吳瓊[30]對中國沙棘表型性狀相關性分析結論一致。通常情況下，植物表型性狀的地理變異比較復雜，而且因物種而異，如長柄扁桃種群表型變異主要受年平均氣溫、緯度和無霜期3個主要地理氣候因子影響[11]，無患子表型性狀的變異與地理緯度和年平均氣溫2個主要因子密切相關[28]，川西云杉種實性狀存在經度和緯度并存的變異模式[29]。本研究結果表明，中國沙棘天然種群優樹的表型性狀變異與地理緯度和海拔2個主要因子密切相關。

由于分布和環境條件等因子的綜合作用，植物會形成連續變異、不連續變異以及隨機變異等多種地理變異模式[31]。主成分分析和聚類分析結果發現，遺傳距離大致在5 時，分界線將山西省11個中國沙棘種群優樹分為4 類，各種群并未嚴格按照地理距離而聚類，說明山西省中國沙棘天然種群優樹表型性狀未形成連續變異，具有隨機變異的特點。吳瓊等[25]研究也發現，山西省境內中國沙棘沒有表現出明顯的地理梯度變異式樣，表型性狀分化有多態性的特點?？赡苁怯捎谥袊臣饕植荚谏钌綔羡种?，種群間大多受呂梁山、太行山等高大山脈的隔離，種子和花粉難以在種群間傳播，即使地理距離較近的種群間難以進行基因交流，增加了各種群獨立分化的機會。

3.3 沙棘優良種質資源的保育與利用

沙棘是集水土保持、醫藥保健、工業日化等為一體的多功能生態樹種，在我國生態建設和鄉村振興中發揮著巨大的作用。中國沙棘在山西省境內分布跨度大，生長環境條件復雜，通過長期的地理隔離、自然選擇，使得山西省中國沙棘種群優樹間存在豐富的變異，為中國沙棘遺傳改良奠定了重要物質基礎。為了充分保護和利用現有中國沙棘天然資源，有效地進行遺傳改良，培育優質、高產及功能性新品種，建議如下：（1）中國沙棘表型變異主要與緯度和海拔相關，盡可能豐富這些因子的采樣范圍，進行隨機采樣，同時增加采樣數和葉片、種子的評測指標，使研究更系統、全面，才能更有效地開展中國沙棘的保護和利用工作；（2）開展生態遺傳學研究，將形態學、分子標記和地理生態結合分析種群遺傳多樣性，掌握各種群的親緣關系；（3）加強對現有中國沙棘天然種群和優良單株的保護力度，通過收集種質資源，建立基因庫，有效避免采種對現有遺傳資源的破壞。

4 結論

山西省中國沙棘天然種群優樹間存在豐富的表型變異，平均變異系數為22.10%，營養生長性狀的變異大于生殖生長性狀的變異，其中，隰縣中國沙棘種群優樹的果實縱徑、結實密度最大，表型性狀的變異系數較小，綜合性狀表現最好，可參考作為中國沙棘優良種質資源收集的重點區域。中國沙棘天然種群優樹的表型性狀變異與地理緯度和海拔2個主要因子密切相關。山西省中國沙棘天然種群優樹表型性狀未形成連續變異，具有隨機變異的特點。以上研究為中國沙棘優良種質資源收集和品種創制奠定了重要物質基礎，也為其栽培區劃提供了技術參考。