不同产地三花槭繁殖体表型变异及选择研究

孙安然，张 明，庞忠义，于海洋，于海洋，谢 影，张世凯，赵曦阳＊

（1.林木遗传育种国家重点实验室，东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.四平市林业科学研究院，吉林 四平 136000；3.国有新民市机械林场，辽宁 新民 110300；4.吉林省红石林业局，吉林 红石 132405）

三花槭（Acer triflorum Komarov）属槭树科（Aceraceae）槭属（Acer Linn.）植物，落叶乔木，是我国的珍稀濒危树种[1-4]；其主要分布于日本、朝鲜、俄罗斯、蒙古和中国，在中国主要分布于黑龙江、吉林和辽宁地区[5]。三花槭在秋季颜色艳红，引人瞩目，是优良的绿化、美化工程的点缀树种，也是营造彩叶景观特别是廊道彩叶林景观的优选树种[6-7]。因其较高的应用价值，研究者对三花槭的生理生化[8]、播种繁殖[9]、种子内含物[10]、叶色变化和呈色机制等[1,11]进行了研究，并取得了一定的进展。

种子发育是林木生长过程中重要的阶段，由于生长环境迥异、植物长期自然选择和遗传因素的综合影响，使其具有极其丰富的变异，在林木育种中具有重要意义[12-13]。长期以来，在槭属树种研究中，国外对于三花槭的表型变异研究较少，只对三花槭的叶绿体全基因组进行分析[14]，利用全基因组超矩阵对槭树周期性迁移、大规模灭绝和迅速的谱系分化及槭树的历史生物地理学等进行研究[15-16]。在国内主要研究三花槭的叶片生理特性、山地移植技术、播种繁殖技术和种实多样性等方面。贾庆斌等[8]对3种叶色型三花槭叶片生理特性比较，不同叶色型三花槭的叶片生理存在显著性差异；在其它树种中，姬志峰等[17]以五角枫为实验材料，探究不同海拔种群的表型多样性，表明五角枫不同种群表型性状存在丰富的遗传变异，为五角枫种质资源的保护、评价和利用提供重要的理论依据；王丹等[18]探究茶条槭不同海拔种群的表型多样性，结果表明5个不同海拔种群表型具有丰富的变异，茶条槭种群内、种群间变异的利用对其遗传改良具有重要的意义；赵阳等[19]探究文冠果种子及苗期生长性状地理种源变异，发现种子性状变异主要受海拔的影响，不同种源间文冠果表型性状均存在极显著差异，且这些差异能够稳定遗传，为文冠果种质基因资源的遗传改良和引种推广提供了遗传背景和实验依据。一系列研究发现，植物繁殖体表型性状的研究将有助于提供丰富的基础数据，也为其资源保护及合理利用提供宝贵资料。

由于槭树是我国的濒危树种，了解其表型变异及生态地理变异规律，为树种的良种选育、资源保护利用和制定保护对策等提供参考依据。梁坤楠等[20]以种源/家系柚木生长、形质性状和适应性为指标，筛选出最适宜生长的优良种源/家系，结果表明，广州龙洞种源、云南芒市种源和2个云南畹町家系是最适宜生长的优良种源/家系，为我国柚木人工林的发展提供优良的种植材料。三花槭作为优良的园林绿化树种之一，虽然用途广泛，但有关其繁殖体表型性状差异及选择研究的报道较少。因此，对其群体种质资源收集、评价和良种选育显得愈发重要[21]。本研究以东北地区不同产地三花槭繁殖体为材料，对其表型与种子活力进行测定，分析表型性状与环境因子的相关性，探讨三花槭繁殖体的表型变异程度与变异规律，最终筛选出优良家系和优良产地，可为三花槭保存、引种和种质资源开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来自东北三省的4个地点，采样地地理环境、气候因子及各地点采样数量见表1。对种子表型和种子生活力（SV）进行测定，具体测定性状包括翅果长（KFL）、翅果宽（KFW）、翅果长宽比（KFLW）、着生痕长（BM）、果实长（FL）、果实宽（FW）、果实长宽比（FLW）、果实厚度（FT）、翅长（W）、带翅千粒质量（WTKW）、去翅千粒质量（TKW）、空壳率（SR）。

表1 三花槭 4个产地的地理环境因子Table 1 Geographical environmental factors of four producing areas of A.triflorum

每个家系随机选择30颗繁殖体进行表型测定，翅果长、翅果宽、着生痕长、果实长、果实宽、果实厚度和翅长（图1）[22]用游标卡尺直接测量，测量精度为0.01 mm；翅果长宽比和果实长宽比直接计算。每株选取400颗带翅繁殖体，利用天平测定，每100颗繁殖体的质量作为百粒质量，对获得数据乘以10作为带翅千粒质量。测量后手动去翅，同样方法测量去翅百粒质量并计算去翅千粒质量；每个单株随机选取400颗繁殖体，用钳子夹碎，计算空壳率；选取200颗繁殖体，分成4份，去壳，温水浸泡24 h，放置30 ℃恒温箱中保存。配置1%的TTC溶液，进行染色，放置恒温箱中避光4～6 h后，放在显微镜下观察胚的染色情况（图2）。

图1 三花槭果实各指标测定示意图Fig.1 Diagrammatic drawing of different traits of A.triflorum fruits

图2 三花槭胚染色与未染色对比图Fig.2 Contrast picture stained and unstand of A.triflorum embryo

1.2 数据分析方法

所有数据利用SPSS 19.0软件和EXCEL 2010进行计算，空壳率和生活力在方差分析过程中进行反正弦数据转换。

种源间/种源内家系间方差分析线性模型为[23]：

Xij=μ+Fj+eij

式中：μ为总体平均值，Fj为种源效应，eij为机误。

表型变异系数（PCV）计算公式[24]：

表型相关系数（r）计算公式[25]：

式中：σα（xy）为2个性状的表型协方差，σ2a（x）、σ2a（y）分别为2性状的表型方差。

多性状综合评价计算公式[26]：

式中：ai=Xij/Xjmax，Xij为性状的平均值，Xjmax为性状的最优值。

现实遗传增益估算公式[27]：

2 结果与分析

2.1 不同产地繁殖体表型性状

表2表明：P2产地的果实长、果实宽、翅果宽、着生痕长、翅长最大，分别为11.50、10.25、15.70、7.69、33.66 mm；P1产地的果实长、果实宽、翅果长和翅果宽平均值最小，分别为9.85、9.23、38.11、12.82 mm；P3产地的空壳率最小，种子生活力最大，分别为23.56%和87.00%；P4产地的空壳率最大，种子生活力最小，分别为83.00%和16.00%。表明P2产地果实生长状况较好，P3产地种子生活力最好。

表2 三花槭繁殖体表型性状平均值及标准差Table 2 Mean average and standard deviation of phenotypic traits of A.triflorum propagules

2.2 表型变异参数分析

表3表明：在家系内，不同产地三花槭各性状表型的平均变异系数变幅为6.74%～36.25%，总平均变异系数为12.17%；各表型性状中，空壳率变异系数最大（36.25%），其次是去翅千粒质量，变异系数为15.86%，果实长的变异系数最小（6.74%），种子生活力在P4产地中变异系数最大（20.34%）。各表型性状在不同产地变异程度不同，平均变异系数的变幅为10.44%～13.28%，其中，P1产地的变异较大。

表3 三花槭繁殖体各表型变异系数Table 3 Coefficients of phenotypic variation of A.triflorum propagules %

2.3 不同产地间方差分析

对4个不同产地三花槭的13个繁殖体表型进行方差分析，结果（表4）表明：除翅果长宽比在不同产地间性状差异不显著（P=0.787）外，其它性状均差异极显著（P<0.01），该结果说明不同产地间表型性状存在较大差异。

表4 三花槭繁殖体表型性状产地间方差分析Table 4 Variance analysis of phenotypic traits of A.triflorum propagules between origins

2.4 家系间方差分析

表5表明：P1产地的果实长、果实宽、果实厚度、翅长、带翅千粒质量、去翅千粒质量和空壳率在家系间均差异极显著（P<0.01）；P2产地的果实宽、翅果长、翅长、空壳率在家系间均差异显著（P<0.05）；P3产地的翅果长、果实厚度、翅长和空壳率在家系间均差异极显著（P<0.01）；P4产地的果实长、翅长、带翅千粒质量、去翅千粒质量和空壳率在家系间均差异极显著（P<0.01）。结果说明果实长、果实宽、千粒质量和空壳率等指标在家系间差异是极显著的。

表5 三花槭繁殖体表型性状家系间方差分析Table 5 Variance analyis among families of phenotypic traits A.triflorum propagules

2.5 相关性分析

2.5.1 表型性状间相关系数 表6表明：果实长与翅果宽呈极显著正相关（r=0.477），与果实宽、翅果长、着生痕长、翅长和空壳率均呈显著正相关（0.368≤r≤0.421）；果实宽与翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长和千粒质量均呈极显著正相关（0.512≤r≤0.795）；翅果长与翅果宽、果实厚度、着生痕长和翅长均呈极显著正相关（0.545≤r≤0.902）；翅果宽与果实厚度、着生痕长、翅长、带翅千粒质量和去翅千粒质量均呈极显著正相关（0.523≤r≤0.841）；带翅千粒质量与去翅千粒质量呈极显著正相关（r=0.993）；种子生活力与空壳率和翅果长呈极显著负相关（r=−0.897，r=−0.507）。说明三花槭繁殖体大部分性状间存在较大的相关性。

表6 三花槭繁殖体表型性状间的相关系数Table 6 Correlation coefficient between phenotypic characters of Acer triflorum propagules

2.5.2 表型性状与环境因素间相关性分析 表7表明：果实长、果实宽、千粒质量与海拔呈显著负相关（−0.456≤r≤−0.380）；翅果长、翅果宽、果实厚度、翅长与海拔呈极显著负相关（−0.556≤r≤−0.529）；空壳率与纬度呈极显著正相关（r=0.764），与年均气温呈极显著负相关（r=−0.549）；种子生活力与年均气温呈极显著正相关（r=0.516），与纬度呈极显著负相关（r=−0.736）。说明果实的长宽随着海拔的升高而减小，相应的千粒质量也减轻；空壳率随着年均气温的升高而减少，相反种子生活力随着年均气温的升高而增强。

表7 三花槭繁殖体表型性状与地理环境因子间的相关系数Table 7 Correlation between phenotypic traits of Acer triflorum propagules and geographical environmental factors

2.6 主成分分析

表8表明：主成分I特征值为5.087，贡献率为39.133%，累计贡献率为38.133%，果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长和翅长等性状特征值较高，分别为0.727、0.840、0.699、0.748、0.752、0.747、0.753；主成分Ⅱ特征值为2.544，贡献率为19.571%，累计贡献率为58.704%，带翅千粒质量、去翅千粒质量和种子生活力等性状特征值较高，分别为0.633、0.615、0.838；主成分Ⅲ特征值为1.367，贡献率为10.513%，累计贡献率为69.217%，其中，果实长宽比特征值较高，为0.777；主成分Ⅳ特征值为1.332，贡献率为10.243%，累计贡献率为79.460%，其中，翅果长宽比特征值较高为0.795。包含了供试产地和性状的大部分信息。

表8 三花槭繁殖体各表型性状主成分分析Table 8 Principal component analysis of phenotypic traits of Acer triflorum propagules

2.7 优良产地选择

依据主成分分析和相关性结果表明，以果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长和生活力为选择指标对4个产地进行综合评价，P1、P2、P3、P4产地的Qi值分别为2.657、2.793、2.744、 2.631。由于P2产地具有较高的综合评价值（2.793），入选为优良产地，该产地果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长均值分别为11.50、10.25、43.24、15.70、7.04、7.69、33.66 mm，带翅千粒质量、去翅千粒质量均值分别为220.62、199.96 g，种子生活力均值为73.00（表2），各性状的现实增益分别为10.97%、6.63%、3.34%、9.48%、5.03%、2.83%、7.92%、9.52%、13.00%、22.08% 。

2.8 优良家系选择

依据主成分分析和相关性分析结果对30个家系进行综合评价，各家系Qi值见表9。按果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长和生活力现实增益在2%以上，兼顾其他性状对家系进行评价选择，入选率为20%，家系19、12、6、22、27、28家系入选，入选家系果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长均值分别为10.56、9.66、44.29、14.48、6.76、7.43、33.81 mm，带翅千粒质量、去翅千粒质量均值分别为200.56、174.35 g，生活力均值为49%。入选家系的现实增益分别为11.43%～52.81%、7.03%～78.65%、4.08%～47.19%、3.36%～67.50%、2.68%～53.80%、1.13%～26.37%。

表9 不同家系Qi值Table 9 Qi value of different families

3 讨论

植物表型性状不仅受遗传因素影响，还与外部环境相关，因存在生态适应性，致使不同产地存在较大的表型变异，且这种变异可能遗传给下一代[28-29]。本研究中，根据方差分析结果表明，4个产地的三花槭各性状间差异极显著（除翅果长宽比外），这可能是三花槭对不同生长环境所采取的适应性策略，这现象与Gouwakinnou等[30]研究的伯尔硬胡桃 （Sclerocarya birrea Rich）、龙凤等[31]研究的雷公藤 （Triptery giumwilfor-dill Hook）、Munthali等[32]研究的猴面包树 （Adansonia digitata Linn） 和杨志玲等[33]研究的石蒜 （Lycoris radiate Herb） 等变异情况相似。变异系数是衡量群体变异程度大小的指标，变异系数越大其性状变异程度越高[34]，本研究三花槭繁殖体各表型变异系数变幅为6.74%～36.25%，平均变异系数为12.17%，说明产地间有丰富的表型变异，可为下一步选择优良产地奠定基础。

林木改良过程中，常要求综合性改良，因此，各性状的相关性也十分重要[35]。本研究的相关性结果表明，种子生活力与翅果长和空壳率呈极显著负相关，这与王宁等[36]对野生元宝枫相关性分析研究结果相似，表明种子生活力与空壳率不是独立遗传的2个性状，在对三花槭优良产地筛选时应考虑在内。由于三花槭来源于4个不同产地，可能会产生与其生长环境相适应的遗传变异，根据繁殖体表型性状与环境因子间的相关性分析发现，不同产地三花槭繁殖体表型性状受海拔影响较大，果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、翅长、千粒质量均受产地海拔影响，表现为海拔越高，果实长宽越小，千粒质量越轻。这与林玮等[34]发现任豆种子厚度随纬度的增大而变薄，种子长宽比随海拔的升高而变小的研究结论相似。千粒质量和种子生活力均与产地年均气温显著相关，表现为气温越高，千粒质量越重，种子生活力越好。这与何霞等[12]研究发现苦楝在气温较高、日照丰富地区的种源苗生长快和生物量大的结论相似。其次，种子上的果实大小和空壳率与纬度也具有相关性，这与高张莹等[37]对核桃楸的研究相似，果核形态变异主要受纬度、温度和湿度的影响。因此，在考虑三花槭选取优良产地和引种时，不能只考虑经纬度，还要将海拔和温度等因素考虑在内，为后续联合选择提供依据。

本研究对不同产地的三花槭繁殖体进行初选，利用主成分分析可以把多个测定指标转化为少数指标对待评价植物进行综合评价，选用果实长、果实宽、翅果长、翅果宽、果实厚度、着生痕长、翅长和生活力等性状生长特征值较高的为筛选指标，筛选出P2产地为最优产地，确定的最优家系号为19、12、6、22、27、28。

4 结论

槭树是我国濒危树种之一，因地理环境和人为活动等因素使其表型存在显著变异，了解产地的地理变异规律，可为后续优良三花槭的收集、保存、利用提供思路。本研究发现三花槭4个产地的果实表型性状之间存在丰富的遗传变异，其主要受海拔和年均气温2个环境因子的影响，果实大小和种子生活力对环境的反映最敏感。初选优良产地和家系，为下一步进行三花槭的遗传多样性研究、种质资源保护和良种选育提供材料与理论基础。