何 权, 蒋瑞娟, 朱 军, 石书兵, 李晓瑾,①
(1. 新疆农业大学农学院, 新疆 乌鲁木齐 830052; 2. 新疆维吾尔自治区中药民族药研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002)
梭梭〔Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge〕隶属于藜科(Chenopodiaceae)梭梭属(HaloxylonBunge),为灌木或小乔木,主要分布在内蒙古、宁夏、新疆、甘肃和青海地区。梭梭具有很强的抗逆性,是中国西北地区防治土壤沙漠化的优良树种之一,对防风固沙及生态系统保护具有重要作用[1-2];梭梭还是“沙漠人参”——肉苁蓉(CistanchedeserticolaMa)(具有补肾阳、益精血和润肠通便等功效[3-4])的主要寄主之一。然而,由于人们的过度利用,梭梭的野生资源几近枯竭,目前主要通过人工栽培方式进行繁殖和保护。迄今为止,关于梭梭的研究较多,并且主要集中在地理分布[5-6]、对环境胁迫响应[7]、水分生理特性[8-9]、种群特征[10-13]及种子萌发[14-16]等方面。
种子既是种子植物重要的繁殖器官,也是种子植物形态学分类的主要依据[17]。自然界中植物个体间的种子大小不仅受到遗传控制,而且还受到生长环境的影响。植物的形态特征是其自身遗传物质组成与生长环境共同作用的结果,是植物适应其生长环境的表现形式[18-19]。由于地理阻隔和不同自然环境的长期作用,不同种群间的植物种子可能存在较大的表型差异,种源实验能够揭示植物表型性状的地理变异规律[20]。
相关分子标记研究结果表明:梭梭种群间的遗传多样性变异较大[21-22]。为了进一步明确不同种源梭梭种子表型性状的变异规律,作者对新疆梭梭自然分布区内22个种源植株的6个种子表型性状(包括种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽和种子千粒质量)进行了方差分析、变异分析、相关性分析和聚类分析,以期为梭梭种质资源的保护和可持续利用提供参考。
于2017年10至11月,在新疆梭梭22个自然分布区内分别随机划分1个面积1 km×1 km的样方,各样方间距离在50 km以上,每个样方为1个种源,各种源地的基本情况见表1。其中,吐鲁番市艾丁湖乡种源和民丰县安迪尔乡种源的样株为栽培植株,其余20个种源的样株均为野生植株。采集每个样方内各样株的成熟种子,每株至少采集种子200 g;单株采集每株样株的种子,经自然干燥后置于通风阴凉处保存、备用。
每个种源随机选取90粒种子,平均分成3份,每份30粒种子,视为1个重复。使用数显游标卡尺(精度0.01 mm)分别测量每粒种子的纵径和横径以及种翅的长度和宽度;并参考相关文献[23]计算种形系数,计算公式为种形系数=种子纵径/种子横径。
每个种源随机选取800粒种子,平均分成8份,每份100粒种子,视为1个重复。采用GB 2772—1999中的方法使用万分之一电子天平称量每份种子的总质量,结果取平均值,并根据平均值推算种子的千粒质量。
表1 新疆梭梭各种源地的基本情况
Table 1 Basic situation of each provenance location ofHaloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge in Xinjiang
编号No.种源Provenance纬度Latitude经度Longitude海拔/mAltitude样株数Number of sampling plantP1巴里坤哈萨克自治县三塘湖乡 Santanghu Township of Barkol Kazak Autonomous CountyN44°03'34″E93°14'32″1 440.020P2布尔津县杜来提乡 Dulaiti Township of Burqin CountyN47°39'47″E86°54'39″ 470.715P3昌吉市蔡家湖镇 Caijiahu Town of Changji CityN44°29'53″E87°28'21″ 417.215P4福海县阔克阿什乡 Kuoke Ash Township of Fuhai CountyN47°05'24″E87°20'54″ 480.015P5阜康市滋泥泉子镇 Ziniquanzi Town of Fukang CityN44°09'38″E88°42'44″ 610.715P6富蕴县恰库尔图镇 Chakultu Town of Fuyun CountyN46°33'48″E89°34'42″ 922.015P7哈巴河县阔斯特乡 Koster Township of Habahe CountyN47°50'44″E86°13'47″ 451.215P8和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇 Heshituojiao Town of Hoboksar Mongolian Autonomous CountyN46°34'00″E85°35'06″1 108.315P9和硕县乌什塔拉乡 Wushitala Township of Hoxud CountyN42°13'08″E87°39'30″1 334.615P10呼图壁县芳草湖镇 Fangcaohu Town of Hutubi CountyN44°47'31″E86°36'01″ 362.215P11克拉玛依市车排子镇 Chepaizi Town of Karamay CityN45°04'58″E84°42'08″ 275.315P12木垒哈萨克自治县雀仁乡 Queren Township of Mori Kazak Autonomous CountyN44°10'57″E90°08'02″759.315P13玛纳斯县六户地镇 Liuhudi Town of Manas CountyN44°56'58″E85°57'59″ 326.315P14奇台县芨芨湖乡 Jijihu Township of Qitai CountyN44°20'41″E90°07'39″ 706.215P15鄯善县七克台镇 Qiketai Town of Shanshan CountyN43°01'20″E90°38'46″ 487.315P16沙湾县四道河子镇 Sidaohezi Town of Shawan CountyN44°54'51″E85°34'28″ 323.415P17托克逊县博斯坦乡 Bostan Township of Toksun CountyN42°39'30″E88°34'23″ 280.415P18托里县庙尔沟镇 Miaoergou Town of Toli CountyN45°21'10″E84°37'07″ -94.115P19吐鲁番市艾丁湖乡 Aidinghu Township of Turpan CityN42°51'13″E89°11'23″ 505.915P20民丰县安迪尔乡 Andil Township of Minfeng CountyN38°59'10″E83°46'24″ 487.320P21吉木萨尔县五彩湾镇 Wucaiwan Town of Jimsar CountyN44°41'39″E88°53'16″ 480.015P22乌苏市古尔图镇 Gultu Town of Usu CityN44°37'23″E83°51'45″ 343.915
参照文献[24]计算梭梭种子表型性状的遗传力(H2),计算公式为H2=1-1/F,式中,F为方差分析中的F值。
使用EXCEL 2013软件整理各种子表型性状的原始数据并计算各种子表型性状的变异系数;使用SPSS 25.0统计分析软件对各种子表型性状进行方差分析、差异显著性分析(LSD法)、相关性分析和聚类分析。
对新疆22个种源梭梭种子的各表型性状进行方差分析,结果见表2。
由表2可见:梭梭的种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽和种子千粒质量均在种源间存在极显著(P<0.01)差异,说明梭梭种子表型性状在种源间变异丰富。
表2 新疆不同种源梭梭种子表型性状的方差分析1)
Table 2 Variance analysis on seed phenotypic traits ofHaloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge from different provenances in Xinjiang1)
表型性状Phenotypic trait种源间 Among provenances种源内 Within provenance总计 TotalSSdfMSFSSdfMS SSdf遗传力Heritability种子纵径 Vertical diameter of seed1.938210.09212.261**0.331440.0082.269650.918 4种子横径 Horizontal diameter of seed1.188210.05770.116**0.035440.0011.223650.985 7种形系数 Coefficient of seed form1.991210.09513.105**0.318440.0072.309650.923 7种翅长 Length of seed wing165.989217.90454.023**6.438440.146172.427650.981 5种翅宽 Width of seed wing24.640211.17340.977**1.260440.02925.900650.975 6种子千粒质量 1 000-grain mass of seed31.011211.47737.809**1.719440.03932.730650.973 6
1)SS: 平方和 Sum of square;df: 自由度 Degree of freedom;MS: 均方 Mean square;F:F值Fvalue. ** :P<0.01.
由表2还可见:在供试的6个种子表型性状中,种子横径的遗传力最大(0.985 7),种翅长的遗传力次之(0.981 5),种翅宽和种子千粒质量的遗传力居中(分别为0.975 6和0.973 6),种形系数的遗传力较小(0.923 7),种子纵径的遗传力最小(0.918 4)。
对新疆22个种源梭梭种子的各表型性状进行变异分析,结果见表3。
由表3可见:巴里坤哈萨克自治县三塘湖乡(P1)种源的种子纵径最小(1.74 mm),哈巴河县阔斯特乡(P7)种源的种子纵径最大(2.43 mm);仅木垒哈萨克自治县雀仁乡(P12)种源种子纵径的变异系数较大(16.87%),其余21个种源种子纵径的变异系数低于5%。福海县阔克阿什乡(P4)种源的种子横径最小(0.89 mm),克拉玛依市车排子镇(P11)种源的种子横径最大(1.42 mm);供试22个种源种子横径的变异系数均低于5%。和硕县乌什塔拉乡(P9)种源的种形系数最小(1.58),P4种源的种形系数最大(2.31);仅P12种源种形系数的变异系数较大(17.41%),其余21个种源种形系数的变异系数低于5%。P1种源的种翅最短(4.89 mm),阜康市滋泥泉子镇(P5)种源的种翅最长(11.62 mm);7个种源种翅长的变异系数介于5%~8%之间,15个种源种翅长的变异系数低于5%。P1种源的种翅最窄(2.08 mm),P11种源的种翅最宽(4.53 mm);8个种源种翅宽的变异系数介于5%~7%之间,14个种源种翅宽的变异系数低于5%。昌吉市蔡家湖镇(P3)种源的种子千粒质量最小(1.42 g),P7种源的种子千粒质量最大(4.07 g);6个种源种子千粒质量的变异系数高于10%,9个种源种子千粒质量的变异系数介于5%~10%之间,7个种源种子千粒质量的变异系数低于5%。
由表3还可见:梭梭的种子纵径、种子横径、种翅长和种翅宽的均值分别为2.10、1.17、8.75和3.73 mm,种形系数的均值为1.81,种子千粒质量的均值为2.37 g。
种源2)Provenance2)种子纵径 Vertical diameter of seed种子横径 Horizontal diameter of seed种形系数 Coefficient of seed formMV/mmCV/%MV/mmCV/%MVCV/%P11.74±0.02j 1.000.99±0.02k2.021.76±0.05fghij 2.94P22.25±0.03bc 1.121.15±0.02fgh1.511.96±0.05bcde 2.47P31.84±0.02ij 1.131.08±0.04ij3.701.71±0.07ijk 4.55P42.06±0.04defg 2.020.89±0.02l1.952.31±0.04a 1.57P52.04±0.02efgh 1.021.21±0.06de4.561.69±0.06ijk 3.47P62.13±0.03cdefg 1.241.32±0.03c2.311.61±0.02jk 1.10P72.43±0.06a 2.481.38±0.04ab3.161.76±0.07fghij 4.02P82.05±0.01defgh 0.281.09±0.01ij0.921.87±0.02cdefgh 0.96P92.15±0.03bcdef 1.081.36±0.04bc3.211.58±0.03k 2.18P102.07±0.02defg 1.121.14±0.05fgh4.481.81±0.10efghi 5.40P112.30±0.03abc 1.331.42±0.01a1.071.61±0.01jk 0.83P122.31±0.39ab16.871.16±0.00efg0.491.99±0.34bcd17.41P132.16±0.02bcdef 0.961.24±0.01c1.401.75±0.03ghijk 2.19P141.98±0.02ghi 1.051.21±0.03de2.661.64±0.04jk 2.75P152.25±0.01bc 0.681.17±0.02ef1.771.92±0.03cdef 1.49P162.07±0.01defg 0.561.23±0.04d2.931.69±0.04ijk 2.52P172.20±0.04bcde 1.821.06±0.00j0.002.07±0.05b 1.82P182.21±0.02bcd 1.051.11±0.02hij1.881.99±0.03bc 1.37P192.29±0.02abc 0.761.33±0.00c0.001.72±0.02hijk 0.76P201.99±0.03fghi 1.531.09±0.03ij2.431.83±0.04defghi 1.92P211.85±0.01ij 0.630.97±0.02k1.571.90±0.03cdefg 1.00P221.89±0.00hij 0.311.12±0.02ghi1.551.68±0.03ijk 1.73均值 Mean2.101.171.81种源2)Provenance2)种翅长 Length of seed wing种翅宽 Width of seed wing种子千粒质量 1 000-grain mass of seedMV/mmCV/%MV/mmCV/%MV/gCV/%P14.89±0.23l4.762.08±0.04m2.101.52±0.06h 3.81P210.05±0.73cde7.304.06±0.05bcdef1.342.72±0.34c12.53P38.82±0.29ghi3.333.98±0.27cde6.701.42±0.20h14.26P49.95±0.38de3.804.36±0.25ab5.771.91±0.02efg 1.01P511.62±0.25a2.144.52±0.27a5.942.25±0.15d 6.67P69.12±0.10fgh1.064.18±0.12bcde2.883.56±0.08b 2.36P79.24±0.58fg6.283.96±0.26def6.704.07±0.09a 2.17P87.43±0.26j3.483.57±0.06hi1.611.96±0.10defg 5.30P98.55±0.52ghi6.133.79±0.12fgh3.112.15±0.30de13.95P109.60±0.14ef1.503.98±0.20cde5.042.22±0.25de11.35P1111.16±0.10ab0.854.53±0.15a3.243.00±0.14c 4.57P128.77±0.21ghi2.373.64±0.18ghi4.951.72±0.10fgh 6.06P138.22±0.53i6.413.47±0.08ij2.292.06±0.11def 5.14P147.15±0.07j1.043.17±0.07k2.341.96±0.24defg12.27P157.36±0.15j2.103.26±0.19jk5.882.93±0.12c 4.12P168.55±0.60ghi7.013.89±0.16efg4.172.34±0.22d 9.61P178.32±0.51i6.163.98±0.02cde0.592.78±0.05c 1.67P188.46±0.29hi3.383.16±0.11k3.632.20±0.37de16.87P1910.33±0.36cd3.454.28±0.24abc5.713.60±0.32b 8.83P2010.69±0.42bc3.834.27±0.12abcd2.772.21±0.22de 9.78P215.77±0.16k2.722.46±0.11l4.421.63±0.15gh 9.35P228.39±0.49i5.893.51±0.22hij6.251.98±0.15defg 7.60均值 Mean8.753.732.37
1)MV: 测量值 Measured value;CV: 变异系数Coefficient of variation. 同列中不同小写字母表示同一表型性状在不同种源间差异显著(P<0.05) Different lowercases in the same column indicate the significant (P<0.05) difference in the same phenotypic trait among different provenances.
2)P1: 巴里坤哈萨克自治县三塘湖乡 Santanghu Township of Barkol Kazak Autonomous County; P2: 布尔津县杜来提乡 Dulaiti Township of Burqin County; P3: 昌吉市蔡家湖镇 Caijiahu Town of Changji City; P4: 福海县阔克阿什乡 Kuoke Ash Township of Fuhai County; P5: 阜康市滋泥泉子镇 Ziniquanzi Town of Fukang City; P6: 富蕴县恰库尔图镇 Chakultu Town of Fuyun County; P7: 哈巴河县阔斯特乡 Koster Township of Habahe County; P8: 和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇 Heshituojiao Town of Hoboksar Mongolian Autonomous County; P9: 和硕县乌什塔拉乡 Wushitala Township of Hoxud County; P10: 呼图壁县芳草湖镇 Fangcaohu Town of Hutubi County; P11: 克拉玛依市车排子镇 Chepaizi Town of Karamay City; P12: 木垒哈萨克自治县雀仁乡 Queren Township of Mori Kazak Autonomous County; P13: 玛纳斯县六户地镇 Liuhudi Town of Manas County; P14: 奇台县芨芨湖乡 Jijihu Township of Qitai County; P15: 鄯善县七克台镇 Qiketai Town of Shanshan County; P16: 沙湾县四道河子镇 Sidaohezi Town of Shawan County; P17: 托克逊县博斯坦乡 Bostan Township of Toksun County; P18: 托里县庙尔沟镇 Miaoergou Town of Toli County; P19: 吐鲁番市艾丁湖乡 Aidinghu Township of Turpan City; P20: 民丰县安迪尔乡 Andil Township of Minfeng County; P21: 吉木萨尔县五彩湾镇 Wucaiwan Town of Jimsar County; P22: 乌苏市古尔图镇 Gultu Town of Usu City.
对新疆梭梭的种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽及种子千粒质量进行相关性分析,结果见表4。
由表4可见:种子纵径与种子横径和种子千粒质量呈极显著(P<0.01)正相关,相关系数分别为0.622和0.733;与种翅长和种翅宽呈显著(P<0.05)正相关,相关系数分别为0.473和0.474。种子横径与种形系数呈极显著负相关,相关系数为-0.692;但与种子千粒质量呈极显著正相关,相关系数为0.673。种翅长与种翅宽呈极显著正相关,相关系数为0.937。种翅宽与种子千粒质量呈显著正相关,相关系数为0.462。
基于新疆22个种源梭梭的种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽及种子千粒质量,对供试种源进行聚类分析,结果见图1。
由图1可见:在欧氏距离10处,供试的22个种源被分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4组,其中,Ⅰ组包含10个种源,分别为玛纳斯县六户地镇(P13)种源、沙湾县四道河子镇(P16)种源、和硕县乌什塔拉乡(P9)种源、昌吉市蔡家湖镇(P3)种源、乌苏市古尔图镇(P22)种源、和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇(P8)种源、奇台县芨芨湖乡(P14)种源、呼图壁县芳草湖镇(P10)种源、民丰县安迪尔乡(P20)种源和阜康市滋泥泉子镇(P5)种源;Ⅱ组包含6个种源,分别为布尔津县杜来提乡(P2)种源、托克逊县博斯坦乡(P17)种源、木垒哈萨克自治县雀仁乡(P12)种源、托里县庙尔沟镇(P18)种源、鄯善县七克台镇(P15)种源和福海县阔克阿什乡(P4)种源;Ⅲ组包含2个种源,分别为巴里坤哈萨克自治县三塘湖乡(P1)种源和吉木萨尔县五彩湾镇(P21)种源;Ⅳ组包含4个种源,分别为富蕴县恰库尔图镇(P6)种源、吐鲁番市艾丁湖乡(P19)种源、克拉玛依市车排子镇(P11)种源和哈巴河县阔斯特乡(P7)种源。
表4 新疆梭梭种子表型性状间的相关性分析1)
Table 4 Correlation analysis on seed phenotypic traits ofHaloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge in Xinjiang1)
表型性状Phenotypic trait相关系数 Coefficient of correlation种子纵径Vertical diameter of seed种子横径Horizontal diameter of seed种形系数Coefficient of seed form种翅长Length of seed wing种翅宽Width of seed wing种子千粒质量1 000-grain mass of seed种子纵径 Vertical diameter of seed1.000种子横径 Horizontal diameter of seed0.622**1.000种形系数 Coefficient of seed form0.124 -0.692** 1.000种翅长 Length of seed wing 0.473*0.406-0.0451.000种翅宽 Width of seed wing 0.474*0.413-0.0400.937**1.000种子千粒质量 1 000-grain mass of seed0.733**0.673**-0.1740.414 0.462*1.000
1)** :P<0.01; *:P<0.05.
P1: 巴里坤哈萨克自治县三塘湖乡 Santanghu Township of Barkol Kazak Autonomous County; P2: 布尔津县杜来提乡 Dulaiti Township of Burqin County; P3: 昌吉市蔡家湖镇 Caijiahu Town of Changji City; P4: 福海县阔克阿什乡 Kuoke Ash Township of Fuhai County; P5: 阜康市滋泥泉子镇 Ziniquanzi Town of Fukang City; P6: 富蕴县恰库尔图镇 Chakultu Town of Fuyun County; P7: 哈巴河县阔斯特乡 Koster Township of Habahe County; P8: 和布克赛尔蒙古自治县和什托洛盖镇 Heshituojiao Town of Hoboksar Mongolian Autonomous County; P9: 和硕县乌什塔拉乡 Wushitala Township of Hoxud County; P10: 呼图壁县芳草湖镇 Fangcaohu Town of Hutubi County; P11: 克拉玛依市车排子镇 Chepaizi Town of Karamay City; P12: 木垒哈萨克自治县雀仁乡 Queren Township of Mori Kazak Autonomous County; P13: 玛纳斯县六户地镇 Liuhudi Town of Manas County; P14: 奇台县芨芨湖乡 Jijihu Township of Qitai County; P15: 鄯善县七克台镇 Qiketai Town of Shanshan County; P16: 沙湾县四道河子镇 Sidaohezi Town of Shawan County; P17: 托克逊县博斯坦乡 Bostan Township of Toksun County; P18: 托里县庙尔沟镇 Miaoergou Town of Toli County; P19: 吐鲁番市艾丁湖乡 Aidinghu Township of Turpan City; P20: 民丰县安迪尔乡 Andil Township of Minfeng County; P21: 吉木萨尔县五彩湾镇 Wucaiwan Town of Jimsar County; P22: 乌苏市古尔图镇 Gultu Town of Usu City.图1 基于种子表型性状的新疆不同种源梭梭的聚类分析Fig. 1 Cluster analysis on Haloxylon ammodendron (C. A. Mey.) Bunge from different provenances in Xinjiang based on seed phenotypic traits
植物的表型性状可直观地反映其遗传多样性,并且,与根、茎、叶的表型性状相比,种子的表型性状较为稳定[25-26],更适于植物遗传多样性研究。方差分析结果表明:新疆梭梭的种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽和种子千粒质量在种源间差异极显著(P<0.01),说明新疆梭梭种子表型性状在种源间变异丰富,遗传改良潜力巨大。并且,梭梭这6个种子表型性状的遗传力较高,均在0.9以上,尤其是种子横径、种翅长、种翅宽和种子千粒质量的遗传力,分别达到0.985 7、0.981 5、0.975 6和0.973 6,说明这些表型性状受到较强的遗传控制,为梭梭的遗传改良提供了可靠保障。本研究结果表明:新疆22个种源梭梭种子纵径、种子横径、种形系数、种翅长、种翅宽和种子千粒质量的变异系数大多低于10%,说明梭梭种子表型性状在种源内较稳定。
相关性分析结果表明:梭梭的种子千粒质量与种子纵径和种子横径均呈极显著正相关,与种翅宽呈显著(P<0.05)正相关,种翅长与种翅宽呈极显著正相关,说明梭梭的种子纵径、种子横径和种翅宽对其种子千粒质量影响很大,这些表型性状的数值越大,种子千粒质量越高。
聚类分析结果表明:在欧氏距离10处,供试的新疆22个种源梭梭被分成4组,部分地理分布相近的种源聚在一起,说明新疆梭梭种子表型性状的地理变异呈现一定的区域板块化特征,并伴有随机变异特征[27-28]。值得注意的是,位于南疆的民丰县安迪尔乡(P20)种源与位于东疆的阜康市滋泥泉子镇(P5)等9个种源聚为一组,这可能是因为P20种源为栽培种源,据此推测该种源来自东疆地区[18];而另一个栽培种源〔吐鲁番市艾丁湖乡(P19)种源〕与富蕴县恰库尔图镇(P6)种源、克拉玛依市车排子镇(P11)种源和哈巴河县阔斯特乡(P7)种源聚为一组,其中后3个种源均位于北疆,且均位于准噶尔盆地附近,而P19种源距准噶尔盆地较远,据此推测P19种源来自北疆地区。
综上所述,新疆梭梭种子表型性状在种源间变异丰富,且这些表型性状受到较强的遗传控制,但在种源内却较稳定。由于新疆面积广阔,不同地区的气候条件差异较大,使新疆的梭梭形成了不同的基因型,仅根据本研究结果无法准确判定新疆梭梭的变异模式。若想准确区分新疆梭梭种源并确定其种源变异模式,应采取田间造林试验和分子标记相结合的方式开展相关研究。