南方型黑杨种质资源表型及生长性状遗传多样性分析

杨 艳，汤玉喜，唐 洁，李昌珠，李永进，吴 毅，谢 勇

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

黑杨Populus deltoides属于杨柳科杨属落叶乔木，其生长快，材质优良，具有较高的遗传育种价值和经济价值，栽培范围十分广泛[1-2]。在长期的自然进化和人工栽培过程中，形成了丰富多样的种质资源。黑杨的种质资源是其生物学特性研究的重要材料及遗传改良的基础，种质资源的遗传多样性决定着品种改良的深度和广度。从上世纪 50年代开始，我国先后引进了约 50 个黑杨品系，之后便开始黑杨的杂交育种，先后培育出大量的黑杨新品系[3]。然而，随着黑杨种质资源数量的增加，高效利用这些种质资源的难度也相对加大，因此开展黑杨种质资源遗传多样性评价，进一步拓宽黑杨资源的高效开发利用途径显得尤为重要。

表型性状是检测遗传多样性最直观且易行的途径。目前，国内外已对10 多种杨树的物候期、材性、抗性等多个表型性状开展了详实的研究。李新国[4]和蒋选利[5]等分别对毛白杨P.tomentosa和白杨派杨树的物候期以及表型差异开展了相关研究。2000年，Diane 等[6]通过对新墨西哥格兰德河分水岭5 个弗里氏杨P.fremontii种群的研究，发现不同种源间的种群大小、胸高断面积密度以及平均胸径等都存在显著差异。李金花等[7]对美洲黑杨和青杨P.cathayana杂交所得的无性系开展了叶片和生长遗传变异的研究，结果表明F1代无性系间存在丰富的遗传变异，选择潜力较大。苏晓华等[8]发现不同产地的大青杨P.ussuriensis封顶期和落叶期相差较大，但表现出一定的地理规律性。Hall 等[9]开展了12 个地区的欧洲山杨P.tremula表型性状差异和分子标记的对比研究，发现表型性状的多样性远高于分子标记所反映的遗传多样性。栾鹖慧[10]开展了杨属5 派18 个树种1年生苗木在同一环境条件下生长性状及生理指标等评价，探明了杨属树种在生长、生理光合、水分和养分利用等方面存在一定的遗传差异。随后，丁昌俊等[11]对北方型美洲黑杨种质生长及光、水分、养分等环境资源利用性状进行了系统分析和评价，结果表明种源间、种源内无性系间在生长、光合、水分和养分利用方面存在显著差异。作为我国主要用材树种，杨树的木材材性也表现出丰富的遗传多样性[12-13]。童再康等[14]研究发现，木材物理性状在速生杨无性系间无显著差异，而力学性质差异显著或极显著。黄秦军等[15]利用美洲黑杨×青杨杂交三代谱系探讨了木材密度、纤维长、纤维宽、纤维长宽比和微纤丝角等性状的遗传变异规律，发现木材基本密度与纤维长受主基因的控制，纤维宽与微纤丝角表现出较为典型的微效多基因控制的数量性状遗传特点。栾鹖慧[10]也对杨属5 派18 个树种1年生苗木木材物理性状的遗传变异进行了研究，发现杨树木材在基本密度、微纤丝角、纤维长、纤维宽及纤维长宽比上表现出极显著差异。无论是从杨树种质资源的表观形态、生理生态特性还是木材材性等方面所开展的遗传多样性研究，都为杨树资源的有效利用奠定了理论基础。

杨树作为我国重要的速生用材树种[16-17]，栽培面积大，种质资源数目庞大，但因地域性的差异，表型多样性的研究受到限制，特别是对南方型黑杨资源表观形态、生长性状以及生理特点的遗传多样性等方面的研究鲜有报道。基于适地适树及多元化利用原则，本研究探讨了南方型黑杨生长量、树体形态、部分生理指标等性状差异，分析了表型性状的多样性，为南方型黑杨种质资源的保护、创新利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

研究材料选自岳阳君山杨树种质资源收集圃。分别于2015—2017年的2月初至12月初对种质资源收集圃中具有代表性的62 个南方型黑杨无性系材料的表型性状进行定株定点连续3年的测定及采样。

1.2 性状选取及测定方法

选取地径、苗高、叶面积、叶长、叶宽、叶柄长、叶绿素、侧枝数、叶厚、单株总叶片、叶片干质量共11 个树体性状及生理指标，同时观测记录了每个无性系的生长期和抗性（抗病虫）。

地径和苗高：通过目测每个无性系选取5 株生长良好具有代表性的样株，于12月初分别利用游标卡尺和伸缩标尺测定地径和苗高，3 次重复。

叶片相关性状：于9月初，每个无性系选取样株中部成熟且正常的叶片5 片，分别利用SPAD502 叶绿素含量测定仪和LA-S 系列便携式活体叶面积仪测定叶绿素含量及叶片面积，用直尺测量叶长、叶宽、叶柄长，用游标卡尺测量叶片厚度（叶厚），叶片干质量利用烘干法测量，每个性状测定3 次重复。

单株总叶片：每个无性系选取3 个样株，3 次重复，于9月底数取样株的总叶片数。

侧枝数：于11月底，每个无性系选取3 个样株统计侧枝数，3 次重复。

生长期和抗性：于2月初至12月初观测记录各无性系的展叶期以及落叶期以及病虫害情况，用于统计各无性系的生长期及抗性。

1.3 数据统计与分析

①数量性状等级划分：根据各性状的平均值（MN）和标准差（δ）进行分级，中间每级相差0.5δ[18]。

②多样性指数：通过Shannon’s 信息指数来计算性状多样性指数H′，即：

H′=-ΣPijlnPij，其中：i为第i个性状的代码（i=1，…，m，为性状所划分的等级数），j为性状数（j=1，2，3，…，n），Pij为第j个性状第i个代码值出现的频率[19]。

③主成分分析以及聚类分析：利用SPSS 19.0软件进行分析[20-21]。

2 结果与分析

2.1 基于形态和生长性状的种质聚类分析

根据表型及生长性状的差异，对62份黑杨种质资源进行聚类分析（图1），结果表明，在欧氏距离为2.97 时，供试的62份黑杨种质或划分为7 个类群，每个类群所包含材料的13 个性状平均值及变异幅度归纳于表1。第Ⅰ类群包含11份材料，占供试材料总数的17.74%。该类群材料表现为抗性较强，生长期一般，叶面积变化在174.07～187.93 cm2；第Ⅱ类群包含6份材料，主要表现为抗性强，生长期较短，苗高在4.07～4.77 m；第Ⅲ类群包含3份材料，均为同一个家系，具体表现为抗性强，生长期一般，侧枝较多；第Ⅳ类群包含7份材料，该类群材料主要性状表现为抗性强，生长期长，叶面积较小，最大的仅为141.88 cm2；第Ⅴ类群包含13份材料，占供试材料总数的20.96%，该类群主要性状表现为抗性强，生长期长，地径较粗，叶面积大，变异幅度在221.76～253.09 cm2，叶绿素含量高，平均高达42.4，居7 个类群之首，侧枝少，大部分材料侧枝仅为2～3 个，单株叶片多；第Ⅵ类群包含11份材料，占供试材料总数的17.74%，该类群材料抗性一般，生长期短；第Ⅶ类群包含11份材料，该类群材料主要表现为生长期最短，侧枝多，叶绿素含量低，平均仅为36.4。综合以上可以看出，供试的62份黑杨种质资源在表型及生长性状上的聚类整体分散，部分具有相似性状指标的材料聚在一起，说明这些种质具有较高的分化强度，相互之间可能具有独立的遗传背景，涵盖比较丰富的遗传变异，可为后期品种选育提供更为丰富的遗传材料。

2.2 表型及生长性状多样性分析

根据南方型黑杨种质资源表型及生长性状的量化及赋值后的指标进行分级，统计各性状的频率分布与多样性指数H′（表2）。多样性指数是丰富度和均匀度的综合评价指标[22]。根据表2可知，13 个性状的多样性指数H′在种质资源间存在较大的差异，其值变化范围介于0.587～1.550 之间，平均值为1.098。其中侧枝数的多样性指数最高为1.550，不同无性系侧枝数差异较大，平均侧枝数变化范围由0.67 到15（表1），各频率分布较均匀，遗传多样性较丰富；其次分别为单株总叶片（1.523）、叶长（1.305）、叶面积（1.197）、叶宽（1.185）、苗高（1.105）、生长期（1.095）、叶绿素（1.074）、叶柄长（1.026），这些性状的多样性指数均高于1.0；地径、叶厚、叶片干质量的多样性指数均在0.842～0.904；抗性的多样性指数最低，仅为0.587，根据其频率分布情况可以看出，供试的南方型黑杨资源的抗性均较强，具有较高的遗传稳定性，为选育南方型黑杨高抗新品种奠定基础。

2.3 表型及生长性状的主成分分析

主成分分析法是通过计算相关矩阵的特征根（主成分因子）、累积百分率和各特征根相应的特征向量，利用特征根以及特征根积累的百分率，将多性状因子浓缩至少数主导因子的一种多元统计分析方法[23]。对黑杨表型及生长性状进行主成分分析（表3），得到黑杨性状中特征值大于1 的4 个主成分，主成分累计贡献率达80.953%，保留了原始性状中的大部分遗传信息。第1 主成分贡献率为39.413%，其中叶面积、叶长、叶宽及叶片干质量载荷度最高均达到了0.75 以上，且均产生的是正向影响；第2 主成分贡献率为19.082%，起决定作用的表型性状为单株中叶片数，其载荷度最大为0.797；第3 主成分贡献率为12.047%，其中起较大作用的性状有抗性以及生长期，其载荷度分别为0.723 和0.727；第4 主成分贡献率为10.411%，各性状中载荷度最大的为侧枝数（0.790）。第1 主成分主要反映了叶的表型性状，第 2 主成分主要反映叶的数量性状，第 3 主成分主要反映黑杨种质资源的抗性以及生长性状，第4 主成分主要反映侧枝数这一树体特征。该分析结果进一步说明，在黑杨无性系遗传分化中，叶片形状、数量、侧枝数以及生长期是表型性状的主要差异来源。

图1 62份黑杨种质基于13 个表型及生长性状的聚类图像Fig.1 Clustering graph of 62 Populus deltoides germplasm resources basing on 13 phenotypes and growth traits

表1 不同类群材料各性状的平均值及变幅Table1 Mean value and variation amplitude of each character of different groups materials

表2 表型及生长性状的频率分布与Shannon-Weiner多样性指数†Table2 Frequency distribution of phenotypes and growth traits and Shannon-Weiner diversity index

表3 表型及生长性状主成分分析Table3 Principal component analysis of phenotype and growth traits

3 结论与讨论

种质资源是植物进行遗传改良和品种选育的物质基础，而遗传多样性研究则是植物种质资源评价的重要手段，又是植物遗传育种的重要环节[24]。植物育种工作者能够通过表型多样性评价快速地掌握供试材料有价值的遗传信息，顺利开展定向育种工作[25-27]。本研究根据表型多样性分析，供试的黑杨种质资源表型及生长性状多样性指数存在较大差异，变化范围介于0.587～1.550，平均值为1.098。侧枝数（1.550）、单株总叶片（1.523）、叶长（1.305）、叶面积（1.197）、叶绿素（1.074）多样性指数均大于1，除抗性外其他性状也表现出较高的遗传多样性，遗传基础广阔，进而表明了供试种质材料遗传资源丰富，在南方型黑杨资源种质中具有较好的代表性，在今后品种改良以及定向育种中具有较好的开发利用价值。性状的稳定性是遗传育种中一个重要的构成要素，供试材料表现出稳定的抗性，表明供试的南方型黑杨资源具有稳定的抗病虫能力，这为今后选育高抗新品种提供了遗传基础。

通过主成分分析得到供试黑杨性状中特征值大于1 的4 个主成分，累计贡献率达80.953%，保留了原始性状中的大部分遗传信息。第1 主成分贡献率为39.413%，其中叶片相关性状指标的载荷度均达到了0.75 以上；第2 主成分贡献率为19.082%，起决定作用的是单株中叶片数，其载荷度为0.797；第3 主成分贡献率为12.047%，抗性以及生长期起较大作用，其载荷度分别为0.723 和0.727；第4 主成分贡献率为10.411%，各性侧枝数起主导作用，载荷度为0.790。由此可以看出，叶的相关性状对分组的贡献率较大，这与郝蕾等[28]对北沙柳Salix psammophila种质资源居群表型多样性研究结果相似。聚类分析中，62份黑杨资源被分成7 类，各类群材料整体比较分散，根据不同性状的相似性归类。各类群中差异最大的主要是叶片性状，其次是林木生长期、叶绿素以及侧枝数，同时也是各类群分类的主要标志，这意味着供试黑杨种质资源遗传分化中，叶片形状、数量、侧枝数以及生长期是表型性状的主要差异来源，涵盖比较丰富的遗传变异。

综上所述，通过叶片形态、生长性状以及树体性状开展南方型黑杨种质资源遗传多样性评价，对充分发掘南方型黑杨资源，开展我国南方地区高产低耗高效杨树工业用材新品种选育奠定了基础。但鉴于时间和条件限制，未能全面开展南方型黑杨资源的遗传资源评价，还需进一步拓宽研究面，如结合生理生态特性、微观结构、利用分子标记技术等手段充分挖掘其潜在育种价值。