宁夏贺兰山杜松天然群体的表型多样性

刘 雨，李登武，秦廷松，刘 伟

（1.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100）

杜松Juniperus rigida是一种耐寒耐旱适应性强的优良树种，对土壤要求不严，在土层瘠薄的山坡甚至岩石缝隙间都能生长，具有改良土壤、改善气候、水土保持等作用。在中国主要分布于黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北北部、山西、陕西、甘肃及宁夏等省区[1-2]，是贺兰山水源涵养林的主要组成群系，也是陕西省重点保护植物，目前处于濒危状态[3]。长期以来，由于人为干扰、生境变化以及自身生长缓慢的生物学特性[4]，其天然群体的分布地区和分布面积日益缩小，现存的天然林已不多。遗传多样性是生物多样性的基本组成部分，表型多样性又是遗传多样性研究的重要内容之一，表型性状的变异往往具有适应和进化上的意义[5]，也有助于了解生物适应和进化的方式、机制及其影响因素[6]。利用表型性状研究群体的遗传多样性具有简便、快速和节省费用等优点[7]，可直接在野外观测并进行分析，尤其是当需要在短期内对变异性有所了解或在其他方法无法开展时，形态学手段不失为一种有价值的选择[8]。目前，对杜松的研究多集中于资源开发利用、群落生态学、种群动态和群落特征等方面，对其群体的遗传多样性研究较少，而对杜松天然林群体间和群体内的表型多样性研究报道极少。本研究通过对贺兰山自然保护区内6个杜松天然群体表型性状的研究，旨在揭示保护区内杜松的表型变异程度与变异规律，为其遗传多样性研究提供丰富的基础数据，也为杜松的种质资源保护及合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 群体选择与材料采集

研究地区自然概况见文献[9]。在实地调查的基础上，按不同的经纬度和海拔梯度，分别于2009年秋和2010年夏完成了所有性状的采集工作。在宁夏贺兰山自然保护区内，共调查了6个杜松天然群体（表1），群体入选条件是：必须保存基本完好，郁闭度在50%以上，林内卫生状况良好，林相整齐，以杜松为主要组成树种（杜松占90%以上）；群体内单株中选条件见文献[8]。由于杜松天然群体内的个体数有限，每个群体随机选取20株作为采种母株，株间距离大于5倍树高，尽量避免采种株间的亲缘关系[10]。在每个植株中部朝南方向随机采取30～40枚2年生针叶和成熟球果。

表1 杜松天然群体生境Table1 Habitats of natural populations of Juniperus rigida

1.2 性状测定方法

树高、胸径等生长性状，冠幅、树干通直度、枝下高、一级侧枝总数、一级侧枝密度（主干平均1 m长度内的一级侧枝数）、最大侧枝长、最大侧枝粗等形质性状按常规方法调查，树干通直度按通直、较通直、一般、弯曲、严重弯曲等5级，分别记分为5，4，3，2和1，分数越高越通直[11-12]。针叶、球果及种子的测定参照文献[7，13-14]的方法，用游标卡尺分别测定球果长度、宽度（即中央直径），针叶长度、宽度（即最宽端），种子长度、宽度（即最宽端）。各个群体测定20个单株，随机测定针叶30枚·株-1，球果30个·株-1和种子30粒·株-1（测量精度为0.01 cm）。

1.3 统计分析

对生长性状和形质性状采用单因素方差分析，针叶、球果和种子的各性状依照巢式设计方差分析方法进行[10]。 线性模型为： Yijk= μ + τi+ δj（i） + εk（ij）。 其中， Yijk为第 i个群体第 j个单株第 k 个观测值，μ为总平均值，τi为群体间效应值，δj（i）为群体内个体效应值，εk（ij）为随机误差。为了与基因分化系数（Gst）相对应， 葛颂等[15]用表型分化系数（Vst）来反映群体间表型分化的值， 即群体间方差分量（δ2t/s）除以它与群体内方差分量（δ2s）之和。采用常规统计方法，计算各个形态性状的平均值和标准差，用变异系数表示性状离散程度。利用SPSS 13.0软件进行相关分析，用SAS 9.1软件包提供的相关程序进行聚类分析和计算表型分化系数等数据，其他统计运算按照常规方法，并利用Excel 2003提供的有关程序进行。

2 结果与分析

2.1 杜松群体间和群体内的形态变异特征

对杜松6个天然群体的针叶、球果和种子的9个表型性状进行巢式设计方差分析，树高、胸径、通直度等11个生长与形质性状进行单因素方差分析 （表2）。结果表明：球果、种子、胸径、通直度、高径比、冠径比和针叶长／针叶宽等11个表型性状在群体间均存在极显著差异（P＜0.01），针叶宽、一级侧枝总数、枝下高、最大侧枝粗等4个表型性状在群体间都存在显著差异（P＜0.05），其余性状在群体间差异均不显著。除了球果长／球果宽和种子长外，其余7个性状在群体内都存在极显著差异（P＜0.01）。

表2 杜松群体间和群体内表型性状方差分析结果Table2 Variance analysis of phenotypic traits among populations and within population of Juniperus rigida

对上述群体间差异显著的性状进行多重比较以计算各性状平均值（表3）。由表3可知：群体中15个表型性状间存在显著差异（P＜0.05）。针叶长最大的群体是Ⅲ，最小的是Ⅱ；针叶宽最大的群体是是Ⅵ，其他群体间差异不显著；针叶长／针叶宽最大的群体是Ⅰ，最小的是Ⅵ。球果长最大的群体是Ⅵ，较小为Ⅲ和Ⅴ；球果宽最大的群体是Ⅳ，最小的是Ⅴ；球果长／球果宽较大的群体为Ⅴ和Ⅵ，最小的为Ⅱ。种子长最大的群体是Ⅵ，较小的是Ⅲ，Ⅴ；种子宽较大的群体是Ⅱ，Ⅳ，最小的为Ⅲ；种子长／种子宽最大的群体为Ⅵ，最小的是Ⅱ。胸径最大的群体为Ⅱ，最小的是Ⅳ。通直度较大的群体是Ⅳ和Ⅵ，其他几个群体间无差异显著。高径比最大的群体为Ⅳ，最较小的群体是Ⅱ。冠径比较大的群体是Ⅰ和Ⅳ，最小的为Ⅱ。一级侧枝总数较小的群体是Ⅰ，Ⅱ。枝下高最大的群体是Ⅱ，最小为Ⅴ。最大侧枝粗最大的群体为Ⅱ，最小的是Ⅳ。

表3 杜松天然群体表型性状的平均值及标准差Table3 The mean value and standard deviation of phenotypic traits of natural populations of Juniperus rigida

2.2 杜松各形态性状变异来源及群体间的表型分化

用群体间方差分量占遗传总变异（群体间群体内方差分量之和）的百分比表示群体间的表型分化系数（Vst），分析结果见表4。从表4中可看出：针叶、球果、种子等9个表型性状的表型分化系数的变异幅度为2.23%～99.14%，其中最大的是球果长／球果宽，最小为针叶长。表型分化系数达到90%以上的有5个表型性状，分别是种子长、种子长／种子宽、球果长、球果宽和球果长／球果宽，说明这5个性状在群体间的变异大于群体内的变异，群体间的变异占优势。针叶的3个表型性状的Vst相对较小，说明它们与其他性状相比，在群体间比较稳定，以群体内变异为主。9个性状的平均表型分化系数为66.63%，说明群体间的变异大于群体内的变异，杜松天然群体表型分化的变异以群体间变异为主。

杜松的表型分化系数与蒙古栎 Quercus mongolica[8]（Vst=53.97%）接近， 高于白皮松 Pinus bungeana[10]（Vst=22.8%）， 川西云杉 Picea balfouriana[13]（Vst=36.53%）， 马尾松 Pinus massoniana[15]（Vst=6.44%）， 红松 Pinus koraiensis[16]（Vst=22.7%）， 长白落叶松 Larix olgensis[17]（Vst=26.2%）， 青海云杉Picea crassifolia[18]（Vst=27.18%）等。与上述树种相比，杜松群体间表型变异已达到较高水平。

表4 方差分量与群体间表型分化系数Table4 Variance portion and phenotypic differentiation coefficient （Vst） among populations

2.3 杜松表型的形态变异特征

从表5中可看出：20个表型性状平均变异系数为39.050%，变异幅度12.419%～108.339%。其中最大的是枝下高（108.339%），最小的是球果长（12.419%）。这表明枝下高较其他性状变异大，球果长的稳定性较高。从表5还可以看出，同一性状在不同群体内的变异幅度也有差异，说明不同地区的环境异质性导致群体表型变异的差异。杜松6个天然群体所有表型性状的平均变异系数从大到小排序为：Ⅱ（41.917%）＞Ⅲ（31.907%）＞Ⅰ（30.823%）＞Ⅳ（30.503%）＞Ⅵ（28.395%）＞Ⅴ（26.888%）。 这 6个群体的变异系数都比较大，说明它们的表型多样性较丰富。

表5 杜松天然群体表型性状的变异系数Table5 Variation coefficients of phenotypic traits of natural populations of Juniperus rigida

2.4 杜松表型性状间的相关关系

对杜松的20个表型性状平均值进行了双变量相关分析和检验（表6）。从表6中看出：表型性状间相关系数较大的是种子长和球果长（0.964**），种子长和树高（0.942**），说明上述性状之间有着极强的相关性（P＜0.01）。20个表型性状中与4个其他性状有显著相关性的性状是最大侧枝粗，与2个其他性状存在显著相关性的性状有种子长、种子宽、球果长、通直度、侧枝密度、胸径、最大侧枝长和一级侧枝总数，与1个其他性状有显著相关性的性状有树高、球果长／球果宽、枝下高、针叶长、针叶长／针叶宽、冠径比和高径比（P＜0.05）。综上所述，为了在今后的研究中提高杜松表型性状测定效率，球果长、种子长和树高应视为关键的表型性状。

表6 杜松表型性状间的相关分析Table6 Correlation coefficients matrix among phenotypic traits of Juniperus rigida

2.5 杜松表型性状和生态因子相关关系

为了研究杜松表型性状与生态因子间的相关性，计算了它们之间的相关系数（表7）。从表7可以看出，针叶长与郁闭度呈显著正相关（0.855*）（P＜0.05）；针叶宽与海拔呈极显著正相关（0.919**）（P＜0.01）； 一级侧枝总数与郁闭度呈显著正相关（0.860*）；枝下高与坡度呈显著正相关（0.905*）；种子长／种子宽与坡向呈显著负相关（-0.859*）。

表7 杜松表型性状与生态因子的相关关系Table7 Correlation coefficients between the phenotypic traits and ecological factors of Juniperus rigida

2.6 杜松天然群体表型聚类分析

利用欧氏平均距离法，对杜松6个群体的20个表型数据进行聚类分析（图1）。以欧氏平均距离0.75为阈值，6个群体明显分为4组，其中群体Ⅲ与群体Ⅴ表型特征相似，群体Ⅰ与它们距离相近，这3个群体归为一类；群体Ⅱ，群体Ⅳ和群体Ⅵ均单独归为一类。

3 结论与讨论

通过对宁夏贺兰山6个杜松天然群体的20个表型性状的调查研究，发现保护区内杜松表型变异极其丰富，多数性状在群体间和群体内存在广泛变异且差异显著。这些差异是其自身遗传因素和环境因素共同影响的结果。方差分析表明：球果、种子、胸径等15个表型性状在群体间都存在显著差异（P＜0.05）；除了球果长／球果宽和种子长外，其余性状在群体内都存在极显著差异（P＜0.01）。说明这些性状稳定性较差，且受到一定环境压力的影响[19]，导致这些差异的因素一方面是其自身遗传因素，另一方面可能是受环境因素的影响。经相关性分析还发现，针叶长和一级侧枝总数随郁闭度的增大而变大；针叶宽则随海拔的升高而增大，针叶变宽可能与间接地造成维管组织的加粗而增强水分供应有关[7]；枝下高随着坡度的增大而增大；种子长／种子宽与坡向有着极密切关系，即朝阳面的种子长／种子宽比朝阴面的要小。杜松与油松Pinus tabulaeformis混交的群体，其郁闭度均较高，或株间距较小，或位于油松林下及林缘。一般来说，不同群体以及同一群体不同个体所处生境不同，其所受的光照、风力、水分等的影响则不同，有关其适应机制还有待继续研究。

群体间变异越大，说明该生物适应的环境越广，它与地理、生殖隔离也有关[19]，这显然对选育杜松优质种质资源具有重要意义。杜松20个表型性状的平均表型分化系数为66.63%，群体内的变异为33.37%，说明群体间变异显著高于群体内变异，群体间变异是杜松的主要变异来源。不同海拔显著的光照、水分等差异，致使不同海拔群体的生长、发育和繁殖等均有所差别，野外调查中发现，低海拔群体枝叶较嫩绿，而高海拔群体枝叶已部分老化呈暗绿色。群体间的多样性程度大于群体内的多样性，这主要是杜松为了适应贺兰山复杂多变的生态地理环境所致，也是杜松抗逆性强，适应性广的原因，因此，可以推断杜松的遗传改良前景是广阔的。在日后遗传改良工作中除了进行优良种源、优良群体选择和利用外，还应加大优良个体选择和利用的力度。

在20个调查的表型性状中，枝下高的变异系数最大，球果长的变异最小，平均变异系数为39.050%，这表明枝下高较其他性状变异大，球果长的稳定性较高。杜松6个天然群体所有表型性状的平均变异系数为12.419%～108.339%。其中种群Ⅱ的变异系数最大，该群体与灰榆Ulmus glaucescens混交，且分布较稀疏。在野外调查中我们还发现，该群体位于路旁，易受到野生动物的啃食和人为干扰，不同个体以及同一个体不同部位所处的光照、风力、水分等条件差别明显，因而表型性状在此群体内的变异幅度最大。杜松表型性状间相关分析还表明，球果长、种子长和树高是杜松较为关键和重要的表型性状，对表型性状的测定效率有极为重要的影响，而这些表型性状与海拔、坡度、坡向和郁闭度的相关性较弱，可能受气候因子、土壤质地、基岩类型等的影响更大些，有关其适应机制还有待于进一步研究。杜松群体表型特征既没有按地理距离，也没有按海拔梯度而聚类，这进一步说明了群体间表型性状的多样性以及变异的不连续性，同时也表明了生物多样性保护任务的艰巨性。罗建勋等[7]认为利用云杉Picea asperata群体表型性状进行群体的初步区划是可行的。因此，我们认为依据杜松天然群体主要表型性状聚类分析结果进行种源划分也是可行的。

图1 杜松6个天然群体表型性状的聚类结果Figure1 UPGMA cluster based on the phenotypic traits of 6 populations of Juniperus rigida

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