美丽异木棉皮刺特征变异分析*

朱报著 徐 放 朱政财 黄颂谊潘 文 张卫华 王海华 李文业

(1.广东省森林培育与保护利用重点实验室/广东省林业科学研究院，广东 广州 510520；2. 广州市增城区林业和园林科学研究所， 广东 增城 511300；3.广州市绿化有限公司，广东 广州 510440)

植物棘刺一般可分为树干皮刺、枝刺、叶刺和果刺等[1]；园林树木中皮刺数量多、体积大或锋利的树种，不宜在公园和幼儿园等行人容易接触到的地方栽植，以免刺伤行人[2-3]；少刺或无刺园林树木更受人们喜爱，选育出观赏性状稳定的少刺或无刺树木品种，对于满足社会需求具有现实意义。

美丽异木棉Chorisia speciosa又称美丽吉贝、美人树、酒瓶木棉，木棉科异木棉属落叶乔木，原产南美洲，热带和亚热带地区广泛栽培的观赏树种[4-5]。广东于20 世纪60 年代开始引种，因其秋季盛花，盛花期长达3 个月，花瓣淡紫红色或红色，满树繁花，绚丽耀目，异常美丽，广东、广西、福建、海南和香港等地广泛引种栽培[6-12]。美丽异木棉树干直立或下部膨大，常有皮刺，影响应用范围；因而无刺或少刺新品种选育是美丽异木棉新品种选育的重点之一。阙彩霞[13]通过收集幼苗进行培育研究，认为幼苗茎干相对光滑无刺的植株，其成年后树干也相对光滑无刺；且茎干的皮刺大小会随着胸径的增加而不断长大；黄正恩等[14]研究认为约有30%美丽异木棉苗木光滑无刺；但鲜见利用美丽异木棉优良无性系开展控制授粉，研究子代树干皮刺遗传特性的报道。为选育出树干皮刺少、生长优的美丽异木棉优良新品种，我们于2013 年收集了广东省6 个市（区）的优良接穗资源，通过嫁接繁殖苗木建立种质资源圃，2019 年秋季开展无性系树干皮刺特征研究，并选择不同皮刺特征的无性系开展控制授粉、培育苗木试验，现对美丽异木棉无性系树干皮刺特征和子代遗传特性进行总结。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来源于2013 年在东莞市（GC）、中山市(XS)、江门市(WY)、花都区(SC)、增城区(LC)和天河区(TH)采集的美丽异木棉优良单株接穗，用美丽异木棉同一家系苗木做砧木嫁接,嫁接口平均高度约12 cm，种植在广东省林业科学研究院种质资源圃，位居113°22′6”E，23°11′58”N，海拔约35 m，共33 个无性系，每个无性系调查5株树干皮刺。

1.2 试验设计

1.2.1 杂交控制授粉设计 2019 年11 月选择树干超多皮刺的WY02，多皮刺的WY05，中间型的TH01 和LC20，少皮刺的XS01 无性系为母本，以少皮刺的XS22 无性系为父本进行杂交控制授粉试验，2020 年4—5 月收集种子培育苗木，子代编码分别为WY02-XS22、WY05-XS22、TH01-XS22、LC20-XS22、XS01-XS22，研究皮刺遗传变异规律。

1.2.2 种植管理 5 月芽苗长出2～3 片真叶，苗高约7 cm，种植在高13 cm，上口宽16 cm，下口宽13 cm 的黑色营养杯，6 月下旬每个子代选取生长基本一致的苗木，采用30 株小区3 次重复进行苗高、冠幅和皮刺生长情况调查，苗木培育过程水肥管理一致。

1.3 试验调查

1.3.1 皮刺调查 测量无性系嫁接口直径和100 cm 高树干直径，统计皮刺数量，随机选取50 个皮刺（不足50 个的全部调查）进行长度和直径的测量。6—11 月每月下旬调查子代皮刺生长情况，11 月下旬调查地径和苗高30 cm 的直径，30 cm内的皮刺数量、长度和直径。

1.3.2 生长量调查 6—11 月每月下旬调查苗高和冠幅。

1.4 亲本树干皮刺类型划分

参考美丽异木棉以平均值与标准差进行观赏类型划分标准方法[15]，以树干皮刺数量、长度和直径分别计算平均值和标准差，进行亲本树干皮刺类型划分。

按树干皮刺数量分为5 个类型：无刺型（平均值-1.0 标准差及以下）、少刺型（平均值-0.5标准差及以下）、中间型（平均值±0.5 标准差）、多刺型（平均值+0.5 标准差及以上）、超多刺型（平均值+1.0 标准差及以上）。

按树干皮刺长度分超短刺型（平均值-1.0 标准差及以下）、短刺型（平均值-0.5 标准差及以下）、中间型（平均值±0.5 标准差）、长刺型（平均值+0.5 标准差及以上）、超长刺型（平均值+1.0标准差及以上）。

按树干皮刺直径分超小刺型（平均值-1.0 标准差及以下）、小刺型（平均值-0.5 标准差及以下）、中间型（平均值±0.5 标准差）、大刺型（平均值+0.5 标准差及以上）、超大刺型（平均值+1.0标准差及以上），详见表1。

表1 美丽异木棉亲本树干皮刺统计结果Table 1 Statistical results of prickle of Chorisia speciosa parents

1.5 统计分析方法

无性系表面积=（100 cm 直径+嫁接口直径）×3.14/2*100 cm；

子代苗木表面积=（30 cm 内直径+地径）×3.14/2*30 cm；

皮刺面积=Σ(单个皮刺半径)2*3.14；

皮刺占比面积(%)=皮刺面积/表面积*100%；

变异系数=（标准偏差/平均值）×100%；

无性系重复力（R） = （MSb-MSw）/MSb =1-1/F;

数据处理整理和方差分析均在Excel 2016 软件中完成，多重比较利用R 语言[16]中agricolae 函数包[17]结合自编代码完成，无性系重复力、单株遗传力和家系遗传力计算方法参考沈熙环[18]书中所述方法。

2 结果与分析

2.1 无性系树干皮刺特征

对33 个无性系的皮刺数量、长度和直径的方差分析显示，不同无性系之间均存在极显著的差异（P<0.001），其中皮刺长度和直径的F值分别为19.15 和21.93，证明相关表型的差异主要集中在无性系间。皮刺数量、长度和直径的无性系重复力分别为0.72、0.95 和0.96。测定的33 个美丽异木棉无性系中，有4 个无性系树干少于2 个皮刺，在另外29 个无性系树干皮刺较多的植株中，皮刺数量3～410 个，平均皮刺98.6 个，可分为少刺型 12 个、中间型9 个、多刺型3 个和超多刺型5 个；皮刺长度在0.28～1.9 cm，平均长度0.95 cm，可分为超短刺型 5 个、短刺型7 个、中间型7个、长刺型5 个和超长刺型5 个；皮刺直径在0.15～1.45 cm 之间，平均直径0.60 cm，可分为超小刺型2 个、小刺型9 个、中间型9 个、大刺型4 个和超大刺型5 个；变异系数分别以超多刺型、超长刺型和超大刺型最大（表2，图1 a-d）。皮刺表面积占植株表面积的0.02%～9.46%，平均为2.25%，在不考虑树干形状、花色、花期等因素条件下，无刺型和少刺短小型是理想的选育植株。

图1 美丽异木棉无性系亲本和子代皮刺特征Fig.1 The prickle characteristics of parents and offspring of Chorisia speciosa

表2 美丽异木棉优良无性系树干皮刺特征统计Table 2 The statistics analysis of prickle characteristics for the excellent clones of Chorisia speciosa

2.2 子代苗木皮刺结果

美丽异木棉子代苗木5 月上袋种植2 个月后开始出现皮刺，皮刺在植株树干中呈零散分布，经过6 个月生长各子代苗木均有部分植株没有皮刺；其中以WY02-XX22 子代无刺植株最多，共有30株，占调查植株的33.33%；其次是TH01-XX22 子代无刺植株20 株，占调查植株的22.22%；WY05-XX22 子代无刺植株最少，只有6 株，占调查植株的6.67%；LC20-XS22 和XS01-XS22 子代中无刺植株比率分别为18.89%和15.56%（图1 e-f,图2），从调查结果分析看，杂交子代皮刺存在较广泛的变异，具有良好的选择潜力。

图2 美丽异木棉子代苗木皮刺生长比较Fig .2 Prickle growth of progenies of each family of Chorisia speciosa

从美丽异木棉子代有刺植株分析，LC20-XS22 皮刺平均数量、平均长、平均直径和平均皮刺占表面积比例均显著高于TH01-XS22 子代（P<0.05）。单株皮刺变幅为1～68 个，其中子代XS01-XS22 某单株皮刺最多，达到68 个。子代平均皮刺为9.9～24.12 个，LC20-XS22 平均皮刺24.12 个最多，其次是WY02-XS22，平均16.3个，最少有是TH01-XS22，只有9.9 个，除LC20-XS22 子代外，相对较少皮刺的母本，其子代也较少皮刺（表3）。

表3 美丽异木棉子代苗木皮刺数量和大小调查结果Table 3 Prickle number and size of progenies in each family of Chorisia speciosa

表4 美丽异木棉优良无性系皮刺性状遗传力Table 4 Heritability of prickle traits for the excellent clones of Chorisia speciosa

平均皮刺长为0.43～0.62 cm， LC20-XS22 平均皮刺最长，为0.62 cm，平均皮刺最短的是TH01-XS22 和WY02-XS22，只有0.43 cm。平均皮刺直径为0.26～0.35 cm，以LC20-XS22 最大，平均为0.35 cm，最小的是TH01-XS22，只有0.26 cm。皮刺占植株表面积是皮刺数量和皮刺直径的综合指标，单株占比面积在0.01%～24.65%，平均皮刺占植株表面积为0.82%～3.99%，以LC20-XS22 最大，平均为3.99%，其次是WY05-XS22，平均为2.18%，占植株表面积最小的是TH01-XS22 子代，只有0.82%。通过对皮刺表型的遗传力计算可知，皮刺数量、皮刺长度、皮刺直径和皮刺占表面积比的家系遗传力均在0.838 以上，呈强度遗传，各单株遗传力均为弱遗传（0.16 以下）。

2.3 子代苗木生长

美丽异木棉子代苗木种植后，生长初期各家系子代株高10.21～13.33 cm，冠幅7.74～12.05 cm，家系间生长量均无显著差异；0.5 a 生子代间苗高、冠幅和地径存在显著差异（图3）。0.5 a 生子代苗高WY02-XS22 生长最好，平均苗高34.43 cm，TH01-XS22 生长最差，平均苗高30.2 cm；地径WY05-XS22 生长最好，平均地径1.54 cm，LC20-XS22 生长最差，平均地径1.19 cm。在同一批子代苗木中，有刺植株与无刺植株中苗高、冠幅和地径存在显著差异，无刺植株的生长均弱于有刺植株，有刺植株苗高生长量较同一家系中无刺植株高出24.13%～155.13%，地径高出10.66%～83.33%，其中又以LC20-XS22 子代的差值最大，XS01-XS22 子代的差值最小。

图3 不同杂交组合子代间生长量差异比较Fig. 3 Comparison analysis of growth amount between progenies in different families

3 讨论与结论

植物刺是在长期适应环境中形成的，有防止动物侵害保护作用，减少水分蒸腾抵抗干旱作用，攀援树木寻找生长空间作用，帮助传播果实扩散种群作用，促进植物生长作用[1]。美丽异木棉树干皮刺数量、长度、直径、占植株表面积差异较大，皮刺表型也呈不规则分布状态，在控制授粉条件下培育的0.5 a 生子代苗木无刺植株在6.67%～33.33%，与黄正恩等[14]研究认为约有30%植株则光滑无刺结果类似，研究结果可为通过控制授粉培育无刺植株提供了科学依据。根据本研究的结果可知，美丽异木棉皮刺表型的家系遗传力均在0.838 以上，呈强度遗传，可推断美丽异木棉皮刺表型主要由遗传因素决定，受外界条件影响较小，可以利用无刺或少刺无性系进行杂交获得皮刺较少的个体。

植物皮刺长度和直径会随树木生长而不断增大，本研究的美丽异木棉无性系嫁接口直径9 cm的植株最大皮刺直径达1.45 cm，而0.5 a 生子代苗木皮刺直径达1.3 cm；与阙彩霞[13]研究认为大腹木棉茎干的皮刺大小会随着胸径的增加而不断增多和增大，当胸径达到34 cm 时皮刺可长至2 cm 的结论类同。美丽异木棉生长多少年植株皮刺长度和宽度达到最大值需要进一步试验观测。

植物皮刺对植物生长发育有一定的促进作用，但皮刺也影响作业生产，降低生产效率，选育无刺或少刺，生长量大或观赏价值高的作物和园林植物是育种者的主要目标。试验发现，美丽异木棉有刺植株苗高、地径和冠幅生长量优于无刺植株，且多皮刺植株生长量大于少皮刺植株的现象；与陈善波等[19]采用多次嫁接培育竹叶花椒Zanthoxylum armatum栽培品种藤椒，该品种皮刺数量减少，皮刺间距增大，产量提高，可能是砧木优良生长特性促进植株生长，提高产量有关。在毛果茄Solanum viarum和红树莓Rubus ideaus皮刺的研究中，均发现多皮刺植株在抗性、次生代谢物质合成和生长量等方面均强于无皮刺植株，转录组测序分析结果显示，有刺单株在R2R3 MYB转录因子、WRKY转录因子、REM基因家族的表达量均显著高于无刺单株，上述基因均在纤维素合成和生物抗逆中起到了重要的调控作用[20-21]。美丽异木棉树干皮刺在树木生长过程中起到何种作用还需要进一步研究。

本试验采用少刺的无性系为父本，分别以不同皮刺数量的无性系为母本进行杂交育种试验，子代苗木中皮刺数量与母本并未达到一致，皮刺特征为多基因控制的数量性状[22]，亦可受到DNA甲基化、micro-RNA、基因印记（Genomic imprinting）和转录因子等多重调控[23-24]，因此子代中呈现了相对复杂的表型，下一步工作中可结合分子生物学手段进行深入研究，或加大苗木培育观察并开展多组正反交控制授粉以进一步研究皮刺特征的遗传机理。

对不同皮刺类型的美丽异木棉无性系控制授粉子代苗木研究表明：杂交子代皮刺及生长量存在较广泛的变异，子代苗木中无刺植株可达到33.33%，但有刺植株的苗高、冠幅和地径生长量较同一杂交组合的无刺植株大，选择皮刺较少且兼具较高生长量的单株，是未来育种工作的重点。