不同种源香合欢种子和叶表型性状变异分析

高 风，文仕知，韦铄星，欧汉彪，王智慧，刘雄盛，韦秋思，韩俊学

（1.中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004；2.广西壮族自治区林业科学研究院a.国家林业与草原局中南速生材繁育实验室；b.广西优良用材林资源培育重点实验室，广西 南宁 530002；3.广西壮族自治区国有雅长林场，广西 百色 533209）

香合欢Albizia odoratissima属豆科Leguminosae sp.合欢属AlbiziaDurazz.高大落叶乔木，别名黑格、铁掖蒿和牛角森等[1]，在越南、印度、缅甸和马来西亚等东南亚国家均有分布[2]。在中国，香合欢主要天然分布于海南、广西、广东、云南、四川和贵州等省（区）的典型热带季风气候、亚热带季风性湿润气候、低（干）热河谷气候区[3]。香合欢生长快，树干直，冠幅小，天然更新能力强，根系发达，固氮根瘤丰富，出材率高[4]，同时，香合欢树根皮可入药，具有祛风、活血、安神明目、治痛风、跌损、失眠、夜盲等功效[5]。香合欢具有耐干热高温、耐瘠薄和耐台风等特点，是热带至南亚热带的优良特色乡土阔叶树种，可作为我国南方地区高价值用材林发展的优选树种[3]。目前，国内对香合欢的研究主要集中在地理分布特征[3]、种子表型性状变异[6]、发芽率[7]、生长规律[8]等方面。

植物在整个生长周期中不能自由移动[9]，当生长环境随着地理分布变化时，植物会形成诸多自身结构及生理特性调节的适应对策[10-11]，植物种群或个体间的表型性状可能发生不同程度的形态变异，进而反作用于植物的生长进程。植物种实形态具有较高的稳定性，是树木分类学和遗传学研究的一种重要指标[12]，而叶片是植物主要的同化器官，其形态与植物的营养、生长、生理生态因子等密切相关。香合欢天然分布于热带和南亚热带多个典型气候类型区，垂直海拔和经纬度跨越大，环境条件差异明显[3]。而经过长期自然选择作用，不同气候区香合欢种实表型和叶片形态性状是否存在明显变异，不同种源试验林分生长指标是否存在差异显著，未见相关研究报道。本研究以香合欢不同地理种源的68个优株种实及其家系试验林为材料开展地理种源变异及优良种源初步筛选研究，旨在系统反映不同种源香合欢表型的地理变异规律及其环境驱动机制，解释香合欢生长对异质环境条件的响应方式，为选择速生和稳定的优良种源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2018年11月—2019年2月，在海南三亚、海南尖峰岭、广西乐业、云南版纳选择4个典型气候类型区种源采集香合欢天然群落优株种实和叶片，带回实验室进行种实表型测定，其中海南三亚和海南尖峰岭各16株，广西乐业和云南版纳各18株，共计68个优良单株。采种点地理气候因子见表1。

表1 种源的地理位置和气候因子Table 1 Geographical location and climatic factors of the provenances

2019年3月在广西林科院试验苗圃育苗，2020年3月在广西国有高峰林场界牌分场和广西国有七坡林场七坡分场2个造林点营建香合欢种源家系试验林。采用完全随机区组设计，每个造林点设4个重复小区，每个优株家系苗10株/小区，垂直等高线双列排列，株行距2 m×3 m，试验区四周设有两行同树的保护行，防止边缘效应，2020年11月完成不同种源叶片形态特征和试验林生长指标测定。2处种源试验林均设置在广西南宁市市郊，属湿润的亚热带季风气候，海拔高度100～120 m，年平均气温21.6℃，极端最高气温40.4℃，极端最低气温-2.4℃，年均降水量为1 304.2 mm，为香合欢宜栽区。

1.2 试验方法

2019年3月份测定香合欢种实表型，测定方法参考文献[6]。2020年11月，使用电子游标卡尺和测高杆对2个造林点香合欢种源家系试验林开展全面调查，记录地径和树高等生长指标。根据计算出的各个种源香合欢的平均树高和地径，在广西国有高峰林场的种源家系试验林内选取尽量接近该种源平均生长指标的10个家系。每个家系选取3株长势较好的香合欢作为标准木，记录标准木冠幅、通直度、主干分叉性、枝下高和分枝性状，选取中上部，南向，长势良好、无病虫害的成熟叶片进行标记，装入密闭自封袋带回实验室测量叶片形态特征指标。使用软件Win FOLIA Pro 2008a LEAF软件测定叶面积、叶周长、叶长、叶宽、长宽比和形状因子（叶片面积与周长的校正比），叶柄的长度和叶片厚度用游标卡尺测量，叶基角、叶脉角用量角器测量。

1.3 数据处理

采用Excel 2019软件统计数据并制作表格，采用SPSS 22.0和R语言软件进行主成分分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种源香合欢表型性状和生长指标特征

2.1.1 种子与叶片表型性状差异

对不同种源各表型性状进行多重比较，由表2可知，各表型的取值范围为0.169～69.830，叶片厚度和叶脉厚的平均值是海南三亚最大，分别为0.176 mm、0.2 mm，种子千粒重、种子厚、叶脉角、叶面积、叶周长和小叶长的平均值以海南三亚种源最小，表明三亚种源的香合欢叶片较厚，叶片较小；种子长、种子宽、种子长宽比、叶长、第2回羽状复叶叶柄长、羽片对数、第2回羽状复叶小叶数、叶脉角、叶面积、叶周长、小叶长和小叶宽的平均值是广西乐业最高，分别为8.04 mm、5.69 mm、1.72、23.47 cm、6.21 cm、6、43、35.23°、79.28 mm2、42.11 mm、16.92 mm、5.68 mm，种子厚的平均值以广西乐业种源最小，表明乐业种源的香合欢种子较大、叶片较大且数量多，叶柄较长；种子千粒重、种子厚、种子长宽比、羽片对数和叶基角的平均值是云南版纳最大，分别为59.01 g、2.08 mm、1.72、6、25.27°，叶片厚度、叶脉厚和小叶宽的平均值以云南版纳最小，表明版纳种源的香合欢叶片较薄、种子较重。海南尖峰岭的种子长、种子宽、种子长宽比、叶长、第2回羽状复叶叶柄长、羽片对数、第2回羽状复叶小叶数、叶基角的平均值为四个种源最小，表明尖峰岭种源的香合欢种子较小、叶片较少。由此可以看出，种子千粒重、种子宽、叶长、第2回羽状复叶叶柄长、羽片对数、第2回羽状复叶小叶数、叶片厚度、叶脉厚、叶脉角和小叶长存在极显著差异，种子长和种子厚存在显著差异。

表2 不同种源香合欢表型性状多重比较结果†Table 2 Multiple comparisons of the phenotypic traits of Albizia odoratissima from different provenances

对不同种源香合欢叶片、种子表型性状变异进行分析（图1）。结果表明，各性状的表型变异系数均值在种源间的变化幅度为5.15%～23.02%，平均变异系数为13.08%。其中，叶面积的变异系数最大（23.02%），其次为叶脉角（18.70%），种子宽的变异系数最小（5.15%）。平均表型性状变异系数变幅为10.87%～16.20%，云南版纳的表型性状平均变异幅度高于其他种源，为16.20%，其次为广西乐业13.57%，最低的是海南尖峰岭10.87%。

图1 不同种源香合欢表型性状变异系数Fig.1 Variation coefficients of the phenotypic traits of Albizia odoratissima from different provenances

2.1.2 区域试验苗高和地径生长差异

由表3可知，4个种源苗高0.7～3.5 m，种源间变异系数26.82%，高于种源内变异系数，平均值为1.79 m，其中，海南三亚种源的平均苗高最高（1.99 m），其次是海南尖峰岭种源（1.91 m），广西乐业的平均苗高最低（1.61 m）；4个种源地径8.19～47.23 mm，种源间变异系数31.93%，高于种源内变异系数，平均值19.54 mm，其中，广西乐业种源的平均地径最粗，为24.24 mm，其次是云南版纳，为19.97 mm，而海南三亚和海南尖峰岭的平均地径分别为16.73 mm和17.19 mm，排在了最后。

表3 不同种源香合欢苗高、地径生长比较及其变异系数Table 3 Comparison and coefficients of variation of plant height and ground diameter of Albizia odoratissima from different provenances

2.2 不同种源香合欢主要变异性状筛选

2.2.1 表型性状主成分分析

主成分分析可以反映各指标对主成分载荷作用的能力与方向[13]。将获得的18个表型性状数据进行主成分分析（表4），数据显示5个主要成分的特征值大于1，累计贡献率达80.74%，可以较完整地代表整体信息。不同种源香合欢表型性状变异的5个主成分的贡献率分别为28.900%、22.568%、15.174%、8.225%和5.870%。从主成分1看，特征值为5.202，其中叶长、第2回羽状复叶叶柄长、叶片叶周长、小叶长、种子宽荷载绝对值较大，主要解释叶片长度；从主成分2看，特征值为4.062，其中叶脉厚荷载绝对值较大，为正向指标，主要解释叶片厚度；从主成分3看，特征值为2.731，其中种子厚荷载绝对值较大，为正向指标，主要解释种子；从主成分4看，特征值为1.480，其中种子千粒重荷载绝对值较大，为负向指标；从主成分5看，特征值为1.057，其中叶长/宽荷载绝对值较大，为负向指标。香合欢不同种源表型多样性主要来源于叶长、第2回羽状复叶叶柄长、叶周长、小叶长、种子宽、叶脉厚、种子厚、千粒重、叶长/宽等指标。

表4 表型性状主成分分析†Table 4 Principal component analysis of phenotypic traits

2.2.2 表型性状相关性分析

2.2.2.1 叶片表型相关性分析

对13个叶片表型性状进行相关性分析，性状间呈显著相关的有50对，其中正相关43对，负相关7对（图2）。叶长与羽片对数、第2回羽状复叶叶柄长、第2回羽状复叶小叶数、叶脉角、叶长、叶长/宽和叶周长呈显著正相关，与叶脉厚呈显著负相关；第2回羽状复叶叶柄长与羽片对数、第2回羽状复叶小叶数、叶脉角、叶面积、叶周长、小叶长和小叶宽呈显著正相关；羽片对数与第2回羽状复叶小叶数、叶基角、叶脉角和叶长/宽呈显著正相关，与叶片厚度、叶脉厚呈显著负相关；第2回羽状复叶小叶数与叶基角、叶脉角、叶长/宽、叶周长和小叶长呈显著正相关，与叶脉厚呈显著负相关；叶片厚度与叶脉厚、叶面积、叶周长、小叶长和小叶宽呈显著正相关，与叶基角呈显著负相关；叶脉厚与叶面积、叶周长、小叶长和小叶宽呈显著正相关，与叶基角呈显著负相关；叶基角与叶脉角呈显著正相关；叶脉角与叶面积、叶周长、小叶长、小叶宽呈显著正相关；表示叶片大小的几个指标(叶面积、叶周长、小叶长和小叶宽)间均呈显著或极显著正相关，表现出较好的一致性；叶长/宽与小叶宽呈显著负相关。

图2 香合欢叶片表型性状相关性分析Fig.2 Correlation analysis of leaf phenotypic characters of Albizia odoratissima

2.2.2.2 种子表型相关性分析

对5个种子表型进行相关性分析（图3）可知，种子千粒重与种子长、种子宽和种子厚均呈极显著正相关，种子长与其他种子表型性状均呈极显著相关性，种子宽与种子厚呈极显著正相关。

图3 香合欢种子表型性状相关性分析Fig.3 Correlation analysis of seed phenotypic traits of Albizzia odoratissima

结合叶片、种子表型主成分分析和相关性分析，筛选出了荷载值比较大的9项指标分别为叶长、第2回羽状复叶叶柄长、叶周长、小叶长、种子宽、叶脉厚、种子厚、千粒重、叶长/宽。其中叶周长、叶长/宽与小叶长呈显著正相关且均与叶片长度相关、种子厚与种子宽呈极显著正相关，而小叶长和种子宽的荷载值较大，因此淘汰叶周长、叶长/宽和种子宽。叶长、第2回羽状复叶叶柄长、小叶长、叶脉厚、种子宽、种子千粒重在不同种源间均表现出极显著差异，且与其他大部分表型性状具有显著相关性，因此作为香合欢表型变异的主要性状保留下来。

2.3 主要表型性状与地理环境因子、生长指标相关性分析

将香合欢的叶片和种子表型与环境因子之间进行相关性分析（表5），结果表明：叶长和第2回羽状复叶叶柄长均与纬度、海拔和地径呈极显著正相关，与经度、年均气温、无霜期、年均日照和苗高呈极显著或显著负相关，表明叶片总长随着纬度、海拔的升高逐渐变长，随着经度、年均气温、无霜期、年均日照的增多和树木的生长逐渐变短；叶脉厚与经度、年均气温、无霜期呈极显著正相关，与苗高呈显著正相关，与海拔呈极显著负相关，表明叶片的厚度随着经度、年均气温、无霜期、树高的增加而增加，随着海拔的升高而减少；小叶长与纬度和地径呈显著正相关，与年均日照呈极显著负相关，与年均气温、无霜期以及苗高呈显著负相关，表明叶片长度随着纬度的升高而增加，随着年均日照、温度等的增多而减小；千粒重与纬度、海拔以及年降水量呈极显著正相关，与经度、年均气温、年均日照和苗高呈极显著或显著负相关，表明种子的重量随着海拔的升高而增加，随着经度、年均气温、无霜期的增多以及树木的生长而减少；种子宽与纬度、海拔呈极显著正相关，与经度、年均气温、无霜期、年均日照和苗高呈极显著负相关，表明种子的宽度随着纬度和海拔的升高而增加，随着经度年均气温、无霜期和年均日照的增加而减小。

表5 主要表型因子与地理环境因子、生长指标的相关性分析Table 5 Correlation analysis of the main phenotypic factors and geographical environment factors

3 讨论与结论

3.1 讨 论

对香合欢4个不同种源种子和叶片表型多样性的研究表明，香合欢表型性状存在丰富的变异，种源间的变异与种源内的变异存在差异。不同地理气候因子对部分种子与果实性状变异有一定的影响。香合欢的大部分表型性状在种源间具有极显著差异，表明香合欢的表型性状变异丰富。种源间的变异不仅受遗传多样性影响，也受长期地理阻隔、基因交流受限及地理环境因子变化的共同影响，其表型分化是在长期选择中的适应性进化，比种源内变异更有意义[14]。

表型变异系数能够直接反映植物表型性状的变异程度[15]，间接反映表型多样性的丰富度，即变异系数越大其性状变异程度越高，其表型多样性越丰富。本研究选取的4个香合欢种源基本涉及香合欢分布的整个地理分布范围，能较清晰地反映香合欢各表型性状的变异程度。并且，香合欢的叶片表型性状变异系数（14.94%）要高于种子表型性状（8.60%），这可能是受到环境因素的影响。香合欢各表型性状变异系数的变幅为2.47%～30.50%，平均为13.08%，高于文冠果Xanthoceras sorbifolium的11.72%[16]、槐Sophora japonica的9.40%[17]、红砂Reaumuria songarica的1.94%[18]和无患子Sapindus mukurossi的7.34%[19]，表明香合欢的表型性状相对具有较为广泛的变异。

表型变异既受遗传控制，也受环境因素的影响。张翠琴等[20]研究发现，环境因素更容易影响植株的营养生长，例如其树体高矮、叶片长短等。相关性分析结果表明，随着纬度的升高，年均气温和年均日照逐渐降低，叶片长度表型性状表现出增加的趋势。随着经度、海拔的升高，叶片厚度表现出降低的趋势，这与欧汉彪等[21]对不同楠木的叶片变异、刘婷婷[22]对珙桐叶片地理变异的研究结果相似。可能是随着纬度海拔的升高，温度逐渐降低，狭长的叶片使植物在低温条件下降低叶片水分蒸发，增加叶片边界层阻力以减少热量散失；随着经度的降低，纬度、海拔的升高，年均气温和年均日照逐渐降低，种子千粒重和种子宽均表现出增重增宽趋势，这与杨玲等[23]对花楸的研究结果相似，这可能是种子对水分和温度条件的一种适应。

树高与叶长、小叶长和种子显著相关，叶片短、种子狭长轻薄的表型特征下树高优势明显，这与树木早期生长与种子大小和种子重显著相关观点一致[24-26]，但与谢英赞等[27]对不同种源区桢楠、张国君等[28]对华北落叶松研究结果不同，这可能与树种遗传特性有关，也可能是在某种特定环境条件下发生，海南岛位于中国南海西北部，风力较强，时有台风，当种子狭长轻薄时，有利于种子的风力传播，繁殖后代；胸径与叶片长度显著相关，羽叶较长时，胸径优势明显，这与张雪等[29]对翅荚木、黄文娟等[30]对胡杨的研究结果相似，可能是当叶片增长时，苗木叶面积增加，此时叶片可形成较发达的栅栏组织，进而提高植物的光合作用速率。

土壤养分及人为干扰对香合欢表型变异也可能存在较大影响，本研究仅根据地理环境因子来探究其变异有一定的局限性。为更好的满足不同育种要求，对不同种源的优良基因进行重组，种质改良、创新及杂交种的组配等还需进一步探索研究。

3.2 结 论

香合欢的表型性状在种源间和种源内均存在极显著差异，种源间的变异大于种源内变异，受地理环境因子的影响较大，其中表型受经纬度、海拔影响较大，生长受纬度影响较大。本研究表明，海拔对叶片表型的影响较大，随着海拔的升高，叶片增长变薄；经度、纬度、海拔、年均气温对种子表型影响较大，随着纬度、海拔的逐渐上升，年均气温逐渐降低，种子呈增大增重趋势；树高与叶长、小叶长和种子相关性较高，在叶片短、种子狭长轻薄的情况下，香合欢较高；胸径与叶片长度相关性较大，叶片长度增加，胸径呈粗壮趋势。但树高与叶长、小叶长、种子千粒重和种子宽呈极显著负相关，其机制仍需进一步研究。香合欢叶片与种子的表型性状的变异较为广泛，变异来源丰富。因此，在香合欢遗传改良过程中，要充分考虑种群间和种群内的变异分布，以及种植的不同环境，结合不同的育种需求进行具体分析研究，选择合适的种群单株。