酸漿不同品種葉片遺傳差異分析

張巍,徐宜彬,李陽,李金禹

(黑龍江省林業科學院伊春分院,黑龍江 伊春 153000)

0 引言

遺傳多樣性的研究是種質資源創新利用的基礎,而植物表型性狀是植物本身遺傳因子和環境因子綜合作用的綜合體現。在長期的自然選擇,植物的表型性狀會不可逆地形成新表型性狀并遺傳給后代,即表型性狀變異必然蘊藏著遺傳變異。因此,通過表型性狀來檢測植物遺傳變異情況,對挖掘基因型資源并加以利用具有重要意義。葉片是植物進行光合作用、蒸騰作用和合成有機物質的主要器官,是植物在生殖生長過程中的主要物質吸收能量來源[1],其形態特征、解剖學特征等會直接影響植物的生理生化、生長發育及繁殖特性,最終影響植物的適應性及進化方向,對觀測植物在生殖生長中的合理性具有重要參考價值。

葉片隨環境因子的變化是其物質投資和分配格局的具體體現,其中,比葉面積(specific leaf area, SLA,葉面積與干重的比例)在葉片生長早期較大,可以有效反映葉片生長早期的光資源獲取能力。相反, 葉片干物質含量(leaf dry matter content, LDMC,鮮重與干重的比率)在生長前期則較小,反映了發育初期葉片的含水率及代謝活動規律。這2項指標也可以在一定程度上證明植物受環境飾變后的遺傳性狀。

酸漿(Alkekengiofficinarum)屬茄科(Solanaceae),酸漿屬(Physalis)是多年生草本植物。果肉柔嫩多汁,酸甜爽口,花萼、全草及根均可入藥,具清熱、利咽、化痰、行水之功效[2],是一種果藥兼用的經濟植物。目前對于酸漿的研究主要集中于栽培、藥用成分含量及醫學用途等方面,而對于酸漿的遺傳變異及品種遺傳性狀差異研究目前還處于空白。

為進一步探討酸漿不同品種葉片遺傳差異及不同品種在人工種植后的遺傳變異情況,在對本研究所使用的引進種源及本地區野生種源2個試驗材料進行綜合分析的同時,通過變異系數(CV) 、比葉面積(SLA) 、葉片干物質含量(LDMC) 3個指標的計算[3],完成酸漿在小興安嶺伊春林區統一種植后的葉片遺傳變異情況的數據分析,試圖觀測探討酸漿不同品種在栽植后的遺傳性狀變異規律,進而為酸漿遺傳育種構建提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本次試驗所用試驗樣地位于黑龍江省友好縣伊春森工友好林業局公司藍莓產業園區內,試驗樣區0.34 hm2。樣區日照時數2 430.4 h,年降水量633.2 mm。年平均溫為0 ℃,無霜期110 d,年積溫2 000～2 280 ℃,冬季平均溫-16.2 ℃,年平均降水量為640 mm,無霜期110 d,土壤為暗棕壤。設計樣區土壤pH為5.57,有機質含量為12.35%,全效氮(N)含量31.49,全效磷(P)含量198.46,全效鉀(K)含量203.54[4]。

1.2 試驗材料情況

課題組于2020年從吉林省果樹研究所引進酸漿新品種“大紅燈籠山菇娘”,同時在小興安嶺伊春林區收集野生酸漿種質資源“掛金燈酸漿”。于當年在小興安嶺伊春林區“伊春森工友好林業局公司藍莓產業園區”內統一建立試驗樣地1處,2個品種分區栽植,栽植密度、方法及田間管理方式相同。

1.3 研究方法

葉片采集于2022年7月,為保證數據準確,采集方式為依據品種不同,分別以全株上、中、下3個部位的葉片為采集對象,每株各部位采集2片葉片,每個品種共采集樣本30株[5]。采集后將葉片洗凈,依據各部位葉片進行分別測量。測量指標主要有葉片長、葉片寬和葉片鮮重,同時計算葉面積、長寬比和葉形系數等。

葉片重測量方法為將葉片洗凈后稱取葉片鮮重,然后置于80 ℃干燥箱中烘干2 h至恒重,稱量樣品干重[6]。運用式(1)—式(3)進行測算,其中葉片干物質含量(leaf dry matter content,LDMC,鮮重與干重的比率在公式中用LDMC表示)、比葉面積(specific leaf area,SLA,面積與干重的比例在公式中用SLA表示)、變異系數(在公式中用CV表示)的計算[7],公式如下

LDMC=葉干重/葉濕重。

(1)

SLA=葉面積/葉干重。

(2)

CV=(SD/MN)×100%。

(3)

式中:LDMC為葉片干物質量;SLA為比葉面積;CV為變異系數;SD為標準偏差;MN為平均值。

葉柄長用游標卡尺測量,葉面積用杭州大吉光電儀器有限公司的YMJ-A葉面積儀進行測量。數據分析用SPSS19.0完成,其他數據用WPS-Excel 2020進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同酸漿品種葉片分析

以本次試驗材料所測算數據為基礎,由表1可知,掛金燈酸漿品種葉片長度取值范圍為4～8 cm,經組內離散程度分析表明,其總體數值集中分布于6.07～6.99 cm。葉片寬度取值范圍為3～7 cm,總體數值集中分布于4.23～5.77 cm。葉片長/寬比總體平均值為1.36。引進酸漿品種葉片明顯大于小興安嶺原生掛金燈酸漿品種。其中葉片長度取值范圍為9～13 cm,經數據分析其總體數值集中分布于10.3～12.3 cm。葉片寬度取值范圍為6～10 cm,總體數值集中分布于7.27～8.53 cm,經計算葉片長/寬比值為1.41,可見2品種葉片雖然因品種不同而存在大小差異,但其形態差異并不顯著。

以葉片長度為參考值,對2個品種葉片柄長度分析可知,引進酸漿品種平均葉片長度與葉柄長度比值為3.38,掛金燈酸漿葉長與葉柄長比值為3.80。由此可見,在相同比例計算下,掛金燈酸漿品種葉柄比引進酸漿品種葉柄稍長,見表1。

葉面積的準確測定是植物新品種選育、生理發育機制等方面的關鍵問題,具有重大的現實意義[8-9]。對本研究所選擇的2個試驗材料進行離散化分析,結果表明,掛金燈酸漿葉面積組內主要集中分布于17.34～44.95 cm2,總體平均值為34.21 cm2。而引進酸漿品種葉面積組內總體分布于68.94～90.76 cm2,總體平均值為76.71 cm2。經計算,引進酸漿品種葉面積大于伊春林區野生掛金燈酸漿品種葉面積55.4%,見表2。葉片是植物生長發育的極為重要的功能器官,因為葉片能為植物各個部分生產有機物質。而能夠進行光合作用的葉片又往往決定于葉片與太陽光的接觸面積[10]。上述分析證明,2個品種葉片大小差異很大,而作為本研究引進品種,酸漿葉片更大,說明其在獲取陽光及自身生殖生長方面更具優勢。

2.2 酸漿葉片變異關聯性分析

植物表觀性狀的差異是植物自身遺傳因素和環境因子共同作用下,為適應不同的環境,群體和個體間均產生不同程度和形式的變異。植物葉片的形態特征是植物長期適應環境的結果,與植物的生長發育密切相關,具有重要研究意義[11]。干物質含量(LDMC)是判斷植物光合作用及分解作用的重要指標。通過對2個酸漿品種干物質量進行計算,引進酸漿品種葉片干物質含量主要分布于0.50～0.58,本地掛金燈酸漿品種葉片干物質含量則主要分布于0.38～0.45。

由表3可知,本次試驗材料中,引進酸漿品種葉片干物質量明顯高于小興安嶺本地野生酸漿品種,對2樣本各自進行組內T檢驗,結果表明,葉片指數在置信度為95%時2個品種計算系數均小于0.05,表明2個酸漿品種組內分析結果高度相關,不存在明顯差異,這代表著品種間產生差異的主要因素是2個品種葉片大小差異,而這種差異來自品種自身的遺傳特性。

比葉面積(SLA)為葉面積與葉片干重比的計算結果。其代表著在同一個處理下,受光越弱比葉面積越大。由表3可知,掛金燈酸漿的比葉面積明顯大于酸漿的計算系數,說明在相同栽植條件下,因掛金燈酸漿葉片較小于引進酸漿品種,所以其比葉面積計算值較大。

分別對2個酸漿品種葉片開展遺傳變異系數(CV)分析,以葉面積為計算單位,結果表明2個品種的表型性狀變異幅度為10.05～31.12,平均變異系數為 20.02%。其中引進酸漿品種遺傳變異系數為11.85%,掛金燈酸漿遺傳變異系數為28.19%。分別以葉片長度和寬度系數為計算單位。通過遺傳系數計算結果表明,引進酸漿品種葉片長度遺傳變異系數為9.33%;葉片寬度遺傳變異系數為12.73%;掛金燈酸漿葉片長度遺傳變異系數為11.86%,寬度遺傳變異系數為19.39%。同時,通過對2品種葉長、葉寬、葉面積3項指標進行配對樣本T檢驗,結果表明各指標相關系數差異明顯。葉片隨環境因子變化而產生的物質投資和分配格局是植物適應環境的重要途徑之一[12],其在相同生境下的生長發育和性狀特征代表著植物與周圍環境進行能量和物質交換的基本行為和功能強弱。而在這一過程中,葉片對環境變化的敏感程度可以對植物葉片的遺傳變異產生一定影響,即輕微的環境擾動就可能誘導葉片性狀發生改變[13]。上述分析證明,引進酸漿品種雖為異地引種,但在小興安嶺伊春林區統一栽植后,無論組內或組間,其遺傳變異系數均較小,證明其變異幅度并未因環境因子的改變而加劇,這也代表著其性狀的穩定性。而作為小興安嶺林區野生品種,掛金燈酸漿在統一栽植后遺傳變異系數較大,說明其受環境影響較為強烈,穩定性不高。

3 結論和討論

植物個體的差異是由本身遺傳因素和環境因子決定的。葉片是植物對環境變化最為敏感的器官之一,受溫度、光照和水分等環境條件的影響,植物葉片的長度、寬度、葉柄長度、葉片厚度和葉面積等形態特征會產生變化[14]。本次對不同酸漿品種葉片進行相關數據測算,結果表明,引進酸漿品種葉片包括葉面積在內的各項指標明顯大于本地野生品種。對2個品種酸漿葉片干物質含量(LDMC)指標的檢測結果也說明,由于引進酸漿品種葉片更大,能量獲取更具優勢,干物質含量指數也更高。在對比葉面積(SLA)系數計算中也證明,掛金燈酸漿比葉面積系數更大,說明其受光能力越弱,在相同生長環境中處于弱勢地位。葉片大小直接影響著植物對光的截取和對碳的獲取能力,引進酸漿品種葉片更大說明其可以在生殖生長過程中獲得更多的優勢和物質累積,這也代表著可以為植株及果實爭取到更多的養分。

葉片受控于植物遺傳特性,其表型是植物遺傳變異和環境差異的共同反映。通過對變異系數(CV)計算表明,引進酸漿品種遺傳變異系數為11.85,數值較小,而掛金燈酸漿遺傳變異系數為28.19,數值較大。在遺傳變異系數計算中,目前一般將變異系數 ≥30的規定為高度變異,15≤Cv<30 的為中度變異,<15 的為低度變異。本次引進酸漿品種來自吉林省果樹研究所,上述計算表明,雖為跨省引進,但遺傳變異系數仍處于低維度變異區間,說明試驗材料基因型穩定,組內分化不明顯,并未因外部因子改變而出現環境飾變。掛金燈酸漿雖為本地野生品種,但對于遺傳系數計算證明其處于中度變異區間,說明其容易受環境影響而產生遺傳變異,組內分化嚴重。植物表型的遺傳變異程度是植物適應不同環境因子的外在表現,掛金燈酸漿這一生物學特性也可以視為遺傳選育的先決條件,抑或是選育高產品種、新品種的遺傳途徑參考之一。