紫果云杉天然种群种实性状表型多样性研究

罗建勋，赵福培，刘邵谋，辜云杰，孙志鹏，贾 晨

(1西华师范大学 生命科学学院，四川 南充 637002；2四川省林业科学研究院,四川 成都610081；3四川勿角自然保护区管理处， 四川 九寨沟 623400；4九寨沟县林业和草原局，四川 九寨沟 623400)

紫果云杉(Piceapurourea)是中国西部特有树种，天然分布于四川西部、青海和甘肃南部的高山林区，水平分布大致位于东经100°30′-104°30′和北纬30°-32°，垂直分布于海波2 500～3 800 m，在大渡河中、上游可能分布更高[1]。紫果云杉林是中国西部亚高山暗针叶林的主要类型，也是西部高原地区组成森林草原过渡地带的连缘森林，其分布区是长江、黄河主要支流的源头或上游，生态地位十分重要[2]。由于紫果云杉木材为云杉属(Picea)树种中最优良的木材，历史上曾大量采伐，加之紫果云杉天然更新不良，导致其天然林破坏严重。

表型多样性的形成，是物种在长期压力选择中发生的不可逆变化经稳定遗传后产生了新的表型，是物种应对环境多样性变化的综合体现[3-4]。植物表型形态主要受遗传控制，但不同分布区在不同生境中也会产生分化，气候及纬度梯度往往在大尺度上影响变化格局[5-7]。由于长期的地理隔离和生境片段化导致基因流隔离，因而紫果云杉个体间产生了一定变异，对其种实形态进行研究将有助于了解环境和遗传因素对群体的影响。目前，对于紫果云杉的研究主要集中在种群结构特征[8]、种子萌发[9]以及育苗技术[10-11]等方面，对其保护生物学的研究甚少。贾子瑞等[12]对紫果云杉花粉形态进行了研究，而作为遗传研究基础的表型多样性的研究还未见报道，这极大地限制了人们对紫果云杉种群保护策略的制定。因此研究紫果云杉天然群体种实表型分化程度和地理变异规律，探究紫果云杉种群间和种群内的种实表型多样性，对其种群的保护和经营尤为重要。鉴于此，本研究以紫果云杉10个天然群体为对象，系统测定了种实的9个数量性状，旨在揭示紫果云杉的种实表型变异程度及规律，为中国西部这一特有树种的种质资源保存和遗传改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 紫果云杉天然种群的选择及其立地气候条件

2019年9—10月在紫果云杉全分布区内，选取青海泽库、甘肃天水以及四川省若尔盖、九寨沟、阿坝、红原、壤塘、理县、小金和松潘县境内共10个天然种群，涵盖了紫果云杉天然分布区的“四界”和中心区域。入选种群林分保存基本完好，林相整齐，紫果云杉为建群种。在各种群中分别选择30株紫果云杉，在每个单株的树冠中上部采集60个球果。采样单株生长健壮，无明显病虫害和其他缺陷，且单株间隔在100 m以上，以保证降低单株间的亲缘性。观测并记录种群所处的经度、纬度和海拔因子，从气象部门查阅相关气象因子，各紫果云杉天然种群的立地气候条件见表1。

表1 10个紫果云杉天然种群的立地气候条件Table 1 Site climatic conditions of ten natural populations of Picea purpurea

1.2 种实性状测算方法

待球果自然阴干后，参照Li等[13]和Wang等[14]的方法，对紫果云杉球果的各项性状指标进行测定。每个单株从采集的60个球果中随机选择30个完整的球果测定球果长、球果宽(中央直径)，再从每个球果的中部随机抽取一个完整种鳞(种翅)测定种鳞长、种鳞宽、种翅长、种翅宽(最宽端)，测量精度为0.01 cm。并计算球果长宽比、种鳞长宽比和种翅长宽比。

1.3 种实性状在种群间和种群内变异的巢氏方差分析

分别计算种群内各单株以及不同种群各种实性状的平均值，采用SAS 9.0软件对各种实性状在种群内和种群间的变异特征进行巢氏方差分析[15-16]，其线性模型为：

Yijk=μ+τi+δj(i)+εk(ij)。

式中：Yijk表示第i个群体第j个家系的第k个观测值，μ表示总平均值，τi表示群体间效应值，δj(i)表示群体内家系效应值，εk(ij)表示随机误差。

对不同种群各种实性状进行差异显著性多重比较。

1.4 种群间各种实性状变异系数的计算

采用变异系数分析种实表型性状的离散程度。变异系数(CV)的计算公式为：

1.5 种群间各种实性状表型分化系数的计算

表型分化系数(VST)表示种群间变异占遗传总变异的百分比，其计算公式为：

VST(%)=[(δ2t/S)/(δ2t/S+δ2S)]×100%。

式中：δ2t/S为群体间方差分量，δ2S为群体内方差分量。

1.6 种实性状间相关系数的计算

基于不同种群各种实性状数据，采用SAS分析软件进行表型性状间的相关关系分析。

1.7 基于表型性状的种群聚类分析

采用SPSS软件的类平均法，以平均欧氏距离为依据，对10个种群的各种实性状进行变量聚类。

2 结果与分析

2.1 紫果云杉种实性状在种群间和种群内的变异特征

对紫果云杉种实9个表型性状在10个种群间和群体内的差异进行方差分析，结果(表2)显示，紫果云杉的9个种实表型性状在种群间、种群内均存在极显著差异(P<0.01) ，表明其性状在种群间、种群内的稳定性均较差，存在着较大的变异。

表2 紫果云杉天然种群间和种群内种实表型性状的方差分析Table 2 Variance analysis of phenotypic traits within and between populations of Picea purpurea

10个紫果云杉种群各种实表型性状的均值及标准差见表3。

表3 紫果云杉天然种群种实表型性状的平均值及标准差Table 3 Mean value and standard deviation of phenotypic traits of 10 populations in Picea purpurea

由表3可知，各种群球果长(CL)均值为4.38～6.98 cm，以红原(HY)种群的球果长最大，松潘(SP)种群最小；球果宽(CW)均值为2.50～3.05 cm；球果长宽比(CLW)反映球果形状变异，其均值为1.65～2.30，最大值为红原(HY)种群，最小值为九寨沟(JZG)种群。种鳞长(SSL)均值为1.25～1.70 cm，最大值为红原(HY)种群，最小值为九寨沟(JZG)和壤塘(RT)种群；而种鳞宽(SSW)均值为0.91～1.15 cm，最大值为小金(XJ)种群，最小值为壤塘(RT)种群；种鳞长宽比(SSLW)反映种鳞形状变异，均值为1.30～1.55 cm，最大值为红原(HY)种群，最小值为青海泽库(ZK)种群。种翅长(SWL)均值为0.63～0.83 cm，最大值为小金(XJ)种群，最小值为壤塘(RT)种群；种翅宽(SWW)均值为0.29～0.41 cm，最大值为青海泽库(ZK)种群，最小值为阿坝(AB)种群；种翅长宽比(SWLW)反映种翅形状变异，均值为1.96～2.54，最大值为阿坝(AB)种群，最小值为若尔盖(REG)种群。综上所述，紫果云杉大多数球果长度变异模式基本呈现出中心种群最大、南部种群次之、北部种群最小的趋势。

2.2 紫果云杉种实表型性状的形态变异特征

植物表型性状的离散程度可用变异系数值来反映，变异系数值越大表明表型性状的离散程度越大[17]。紫果云杉10个种群的9个种实表型性状变异系数见表4。由表4可以看出，各种群球果、种鳞和种翅性状的平均变异系数存在差异，其中种翅的平均变异系数最大，为21.02%；种鳞的变异系数次之，为19.7%；球果的变异系数最小，为15.11%；表明在种群内球果、种鳞和种翅的性状稳定性依次减弱。9个种实表型性状在不同种群间的平均变异系数为14.32%～23.85%，总平均变异系数为18.61%，其中种鳞长宽的比变异系数最大(23.85%)，其次是种翅长宽比(23.29%)，表明种鳞和种翅性状指数(长宽比)的变异系数较其单个性状的(长或宽)变异大。本次调查和采种的10个种群各种实表型平均变异系数从大到小依次为：壤塘(29.45%)>阿坝(22.48%)>九寨沟(17.93%)>松潘(17.76%)>红原(17.39%)>小金(17.03%)>泽库(16.48%)>若尔盖(15.66%)>理县(15.10%)>天水(13.95%)，这表明不同种群的环境异质性会导致种群表型的变异。

由表4还可看出，西部的壤塘和阿坝种群紫果云杉种鳞和种翅表型性状的变异系数高于其他种群，表明这2个种群(特别是壤塘种群)的种鳞和种翅表型变异很丰富，表型多样性也很高；但红原和若尔盖种群紫果云杉球果表型性状的变异系数高于其他种群。另外，壤塘和阿坝种群的9个表型性状中，有8个性状的变异系数高于同一性状不同种群间的平均变异系数，占总性状的88.89%。天水、理县、若尔盖和泽库种群各种实表型性状的平均变异系数较小，说明这4个种群特别是甘肃天水种群的种实表型多样性较低。上述结果表明，本次紫果云杉采样区以西部地区种实表型多样性较高，可能是紫果云杉种实表型多样性的中心。

表4 紫果云杉天然种群种实表型性状的变异系数Table 4 Coefficients of variation of seed phenotypic characters in natural populations of Picea purpurea %

2.3 紫果云杉天然种群间种实性状的表型分化

由表5可知，紫果云杉天然种群球果、种鳞和种翅的表型分化系数变异幅度较大，为15.319 8%～61.882 0%；从方差分量百分比可知，种群内表型变异大于种群间表型变异；球果、种鳞、种翅的表型分化系数均值分别为46.17%,27.06%和40.42%，可以看出种鳞性状最稳定。球果、种鳞和种翅等9个表型性状的平均表型分化系数为37.883 0%，说明紫果云杉天然种群种实表型变异在种群间的贡献占比为37.88%，在种群内贡献占比为62.12%，表明紫果云杉天然种群表型性状在种群内的多样性大于种群间的多样性。

表5 紫果云杉种实表型性状的方差分量及表型分化系数Table 5 Variance population and phenotypic differentiation coefficient of seed and fruit phenotypic traits of Picea purpurea

2.4 紫果云杉种实表型性状间的相关关系

表6显示，除球果宽与种鳞长宽比以及种翅长宽比与球果长宽比、种鳞长、种鳞宽、种鳞长宽比的相关性不显著外，紫果云杉其余种实性状间均呈极显著相关关系，其中仅球果宽与球果长宽比、种翅宽与种翅长宽比以及种鳞长宽比与种鳞宽、种翅长、种翅宽呈极显著负相关关系。

表6 紫果云杉种实表型性状间的相关系数Table 6 Correlation coefficient among phenotypic characters of seed and fruit of Picea purpurea

2.5 紫果云杉种群基于种实表型性状的聚类分析

图1显示，以平均距离0.75为阈值，10个紫果云杉种群明显可分为3组，其中壤塘、阿坝和小金种群为一组，天水、理县、若尔盖、松潘、九寨沟和泽库种群为一组，红原种群单独为一组，初步表明紫果云杉边缘种群和中心种群表型性状具有明显差异。

图1 紫果云杉10个天然种群基于种实表型性状的聚类结果Fig.1 Cluster analysis of 10 natural populations of Picea purpurea based on phenotypic traits

3 讨论与结论

3.1 紫果云杉变异类型丰富

通过对紫果云杉10个天然种群9个种实性状(球果长、球果宽、球果长宽比、种鳞长、种鳞宽、种鳞长宽比、种翅长、种翅宽、种翅长宽比)的调查发现，紫果云杉天然种群种实表型性状在种群间和种群内均存在极显著差异(P<0.01)，表明紫果云杉种实表型多样性较高，各个性状均存在丰富的遗传变异[18]，这与前人对浙江楠(Phoebechekiangensis)[19]、白花树(Styraxtonkinensis)[20]、青钱柳(Cyclocaryapaliurus)[21]的研究结果相同。另外，紫果云杉种实性状在种群间的多样性小于种群内多样性，表明紫果云杉种群变化的主要原因可能是对原生境的适应性差异。紫果云杉种群内具有较高的遗传变异可能是由于其属于风媒传粉植物，结实率较高，因此种群内随机交配程度相当高[22]，这与罗建勋等[23]对云杉(Piceaasperata)的研究结果一致。紫果云杉球果、种鳞和种翅性状的平均表型分化系数为37.883 0%，说明紫果云杉天然种群种实性状的离散程度较低，是今后表型研究中可利用的较为稳定的性状[24]。种鳞性状较球果性状和种翅性状稳定，这说明种鳞性状是较稳定的遗传特征，这与罗建勋[25]对粗枝云杉的研究结果相似。

3.2 紫果云杉种实表型性状在种群内的变异趋势

本研究发现，位于调查区西部区域的紫果云杉种实表型性状多样性较高，该区域可能是紫果云杉种实表型多样性的中心区域。阿坝种群的种翅长宽比和小金种群的种鳞宽、种翅长最大，壤塘种群的种鳞长和种翅长最小，红原种群的球果长、球果宽、球果长宽比、种鳞长和种鳞长宽比均最大。阿坝和小金处于所有种群的中心区域，是四川省紫果云杉资源生长的北部边界，地势起伏大，因海拔高而气温较低；壤塘位于调查区的西部，与甘孜州交界，地域和环境的差异是影响不同区域种群种实表型性状的重要原因。进一步的聚类分析结果显示，紫果云杉边缘种群和中心种群的表型性状有明显差异，变异大小在某种程度上说明了物种对不同环境适应能力的强弱[26]，一方面可能是因为基因遗传上的差异，有些种质由于长期引种驯化、变异或本身就与其他种质存在极大差别，或有些种质为遗传变异较大的野生种质[27]；另一方面，有些地理位置相同或相似的生境条件及栽培耕种史、品种间的频繁交换，都有可能导致这些区域的种质在遗传组成上趋同[28]。

3.3 紫果云杉天然种群种质资源的保存

紫果云杉林是四川省主要的森林类型，也是青藏高原东部地区特有森林植物群落，因其自然分布区垂直跨度大，且水系不同，环境条件复杂，通过长期的地理隔离、自然选择和人工选择，导致紫果云杉产生了极其丰富的种类变异，这对紫果云杉种群的发展非常有利。紫果云杉种实丰富的表型变异为其资源良种化提供了广阔的前景，本研究结果对紫果云杉的种质资源收集、遗传多样性保护以及遗传改良工作具有积极的指导意义。