沙棘果实和种子表型性状及变异分析

赵鑫丹, 张东为, 戈素芬, 李 前, 阮成江

(1.辽宁省旱地农林研究所, 辽宁 朝阳 122000;2.大连民族大学生物技术与资源利用教育部重点实验室, 辽宁 大连 116600)

沙棘(HippophaerhamnoidesL.)为胡颓子科(Elaeagnaceae)沙棘属(Hippophae)落叶灌木、小乔木或乔木[1],是水土保持和生态建设的重要经济树种[2]。沙棘属植物分为 6个种12个亚种,分布于全球52个国家,中国分布有6个种8个亚种[3]。中国不仅是世界上沙棘属植物类群分布最多的国家,也是沙棘资源面积最大的国家,占世界的90%以上[4]。沙棘在植被恢复、水土保持、防风固沙等方面均能发挥重要作用[5]。沙棘全身都是宝,沙棘叶、果实、种子等各部位富含多酚、黄酮、多糖等多种对人体有益的生物活性物质[6-8]。

随着对沙棘的生态价值和营养价值认识的深入,沙棘在食品、日化和医药等行业被广泛应用,选择沙棘果实性状稳定的优良沙棘种源至关重要。研究发现,果实性状和种子性状密切相关[9]。种子是物种繁殖的器官和载体[10],决定着物种的扩散能力[11],而种子的大小和质量是其最为常见且重要的性状指标[12]。种子的大小和质量影响着昆虫寄生与捕食的机制,同时也影响种子萌发、幼苗存活、植物定植等,甚至影响着植物的寿命[13-14]。研究表明,为了适应生态环境及进化的需要,植物种子在其质量和大小等形态特征方面出现了不同程度的变异[15]。郭来珍等[16]通过分析天山花楸不同种源种子的变异程度,指出8个不同种源花楸种子在种子长度、种子宽度及千粒重等方面都存在显著差异,通过种子性状可筛选出优良种源。因此,研究沙棘种子形态特征变异对优良品种选育具有重要意义。戈素芬等[17]前期研究了辽西地区栽植的俄罗斯引进第三代沙棘果实表型性状及其变异程度,本研究在此基础上进行深入研究,对辽西地区栽植的俄罗斯引进第三代沙棘、杂交沙棘、中国沙棘等20个品种的果实及种子表型性状及其变异程度进行分析,以期为辽西地区沙棘的品种选育和综合开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于朝阳市南郊的辽宁省旱地农林研究所试验示范基地,地理坐标为120°21′52″E、41°29′06″N,海拔184 m,地势平坦。属暖温带半湿润半干旱气候,年平均气温8.3 ℃,极端最低气温-34.4 ℃,极端最高气温43.3 ℃,无霜期145～165 d,年日照时数2 752～2 950 h,年均降水量450 mm,年均水面蒸发量2 000 mm。土壤类型为褐土,土壤质地为沙壤土,土层厚度0.6 m左右,土壤有机质含量为0.8%,pH值为7.8,地下水埋深约5 m。

1.2 试验材料

本试验共选择长势良好的20个沙棘品种作为测试品种,分别为:俄罗斯引进第三代沙棘品种14个:“克拉维迪亚”“伊丽莎白”“伊尼亚”“埃特纳”“金皇后”“杰塞尔”“苏达鲁斯卡”“热姆丘任娜”“皇冠”“黄妃1号”“夕照”“黄妃2号”“赛枸杞”“橙棒”[4];杂交沙棘品种3个:“蒙中黄”“俄中黄”“俄中鲜”:大果沙棘品种1个:“深秋红” ;中国沙棘优良品种2个:“中红果”“CY-201901”。

1.3 样品采集与测定

果实样品于2022年7—9月果实成熟时期采集。对各优株随机选取300粒健康果实,平均分成3组,使用精度为0.01 g的电子天平测量果实百果质量;从每个单株中随机抽取30粒果实,平均分成3组,使用精度为0.01 mm的电子游标卡尺测量果实的纵径、横径、果柄长。

果实自然风干,人工去皮,得到沙棘种子。以100粒种子为1组,用精度为0.000 1 g的电子天平进行称量,测量3组,计算出种子千粒重;以10粒种子为一组,用精度为0.01 mm的电子游标卡尺测量种子的长度、宽度、厚度,测量3组。

1.4 数据分析

采用Excel2017软件进行数据整理,SPSS25.0软件进行相关性分析、差异显著性分析和聚类分析;Origin9.1软件作图。

CV/%=(SD/M)×100%,

式中:CV为变异系数,SD为标准差,M为变量均值。

根据变异程度可分为3级:CV≤10% 为弱变异;10%

2 结果与分析

2.1 不同品种沙棘果实表型性状

由表1可知,20个品种沙棘果实百果重为27.08～73.18 g;百果重>50.00 g的品种有10个,占供试品种的50.0%,30.00～50.00 g的品种有8个,占供试品种的40.0%,小于30.00 g的品种仅有2个,占供试品种的10.0%;“金皇后”和“杰塞尔”的百果重显著高于其他品种,分别为73.18 g和70.46 g,“CY-201901”的百果重最低,仅为“金皇后”的37.0%。果实纵径为6.51～14.07 mm,纵径超过10 mm的品种有14个,占供试品种的70.0%;纵径最长和最短的品种分别为“热姆丘任娜”和“中红果”,”热姆丘任娜“纵径长达到“中红果”的2.16倍。果实横径的变化幅度要明显小于纵径,为6.81～9.16 mm,横径最长的品种同样为“热姆丘任娜”,最短的为“深秋红”,“热姆丘任娜”横径达到“深秋红”的1.35倍。果实形状由果形指数决定,即果实纵径与横径之比。从表1可以看出,不同品种果形指数为0.89～2.01,说明不同品种果实形状差异较大;其中“伊尼亚”果形指数最大,“中红果”最小。根据张建国等[1]的划分标准,果形指数<0.90为扁圆形,0.91～1.10为圆形,1.11～1.40为卵圆形,>1.41为圆柱形。由此可知,“中红果”沙棘果实为扁圆形,“蒙中黄”“俄中鲜”和“CY-201901”沙棘果实为圆形,“黄妃1号”“橙棒”和“俄中黄”沙棘果实为卵圆形,其余13个品种沙棘果实为圆柱形。果柄长是反映沙棘果实可采收性的一个重要指标。除未测量品种外,沙棘果柄长为2.00～4.77 mm,“杰塞尔”果柄最长,更便于采收。

表1 不同品种沙棘果实表型性状差异性分析

2.2 不同品种沙棘种子表型性状

由表2可知,不同品种沙棘种子千粒重为10.84～22.77 g;种子千粒重>20.00 g的品种有8个,占供试品种的40.0%;其中,“黄妃2号”的千粒重最高,“CY-201901”的最低,前者千粒重达到后者的2.10倍。20个不同品种沙棘的种子长度、宽度、厚度3个指标分别为4.01～7.04 mm、1.99～2.87 mm、1.40～2.07 mm。其中,“杰塞尔”种子最长,为7.04 mm,其次是“热姆丘任娜”,为6.82 mm,“中红果”最短,为“杰塞尔”的57.0%;“热姆丘任娜”种子最宽,为2.87 mm,其次是“黄妃1号”,为2.85 mm,最窄的为“深秋红”,这与果实横径的结果是一致的,说明种子的宽度影响果实的宽度;“俄中鲜”种子最厚,为2.07 mm,其次是“赛枸杞”,为2.06 mm,“伊尼亚”最薄,为“俄中鲜”的67.6%。不同沙棘种子长宽比和厚宽比分别为1.43～2.99 mm、0.56～0.85 mm,厚宽比的变化幅度要明显小于长宽比。长宽比和厚宽比最大的均为“深秋红”,最小的分别为“中红果”和“伊尼亚”。根据张建国[1]的划分标准,长宽比1.1～1.5为卵形,大于1.5为长卵形。由此可知,20个品种中只有“中红果”种子为卵形,其余19个品种种子均为长卵形。各品种种子照片见图1。

图1 不同品种沙棘种子

2.3 不同品种沙棘果实和种子表型性状变异分析

通过变异系数可以看出性状的离散程度,变异系数越大,则离散程度越大,性状指标的稳定性就越差[19]。沙棘果实和种子各表型性状的变异系数如图2所示。从图2可以看出,11个性状指标变异系数为8.84%～26.56%,由大到小依次为:百果重、果柄、种子千粒重、果实纵径、果形指数、长宽比、种子长度、厚宽比、种子厚度、果实横径、种子宽度,百果重变异系数最大,为种子宽度变异系数的3倍。11个性状指标中,仅有果实横径和种子宽度变异系数小于10%,分别为9.90%和8.84%,属于弱变异,其余9个指标均为中等程度变异。说明沙棘果实在横径表型上及沙棘种子在宽度表型上的变异不明显,具有较高的稳定性。综合比较,果实百果重和种子千粒重的变异系数均大于其形状指标的变异系数,说明沙棘果实和种子在质量表型性状上具有较高的遗传多样性,而在形状表型性状上具有较高的稳定性,特别是在宽度表型上,稳定性最高。

图2 沙棘果实及种子表型性状变异系数

2.4 不同品种沙棘果实和种子表型性状相关性分析

通过相关性分析可以进一步探明沙棘果实和种子不同表型性状之间的相互影响关系,结果如表3所示。从表3可以看出,沙棘果实百果重和果实纵径、果实横径、果形指数、果柄、种子千粒重、种子长度、种子宽度之间呈极显著或显著正相关关系,说明除种子厚度、种子长宽比和种子厚宽比外,果实与种子其他表型性状均影响果实百果重,其中与果实纵径相关系数最大,为0.745。果实纵径和果形指数、种子千粒重、种子长度和长宽比之间呈极显著正相关关系,相关系数分别为0.858,0.787,0.910和0.720,与种子长度的相关系数在正相关关系中最大,说明种子越长,果实也越长;果实横径和种子宽度之间呈显著正相关关系,相关系数为0.560,即种子越宽,果实也越宽。果柄长与果实百果重、果实纵径、果形指数呈显著正相关关系,说明沙棘果实越大越长,果柄也越长,果柄还与种子长度、长宽比之间呈极显著正相关关系,说明沙棘果柄不仅受果实大小和形状的影响,种子长度同样影响果柄长度。种子千粒重与种子长度呈极显著正相关关系,相关系数为0.797,与种子宽度、厚度、厚宽比均无显著关系,说明在种子形态特征方面,种子长度是影响种子千粒重的关键因素。种子长度与长宽比呈极显著正相关关系,相关系数为0.843;种子宽度与厚宽比呈显著负相关关系,相关系数为-0.558;种子厚度与厚宽比呈极显著正相关关系,相关系数为0.712。

表3 不同品种沙棘果实和种子表型性状相关性分析

2.5 不同品种沙棘果实和种子聚类分析

对20个品种沙棘果实和种子的11个性状指标聚类分析结果如图3所示。由图3可知,当欧式距离为10时,20个沙棘品种可以分为三大类。A1类包括“俄中鲜”“中红果”“橙棒”“CY-201901”;A2类包括“皇冠”“黄妃1号”“克拉维迪亚”“伊丽莎白”“夕照”“蒙中黄”“埃特纳”“赛枸杞”“俄中黄”“伊尼亚”“深秋红”;A3类包括“金皇后”“杰塞尔”“苏达鲁斯卡”“黄妃2号”“热姆丘任娜”。聚类后,各大类沙棘果实和种子的性状指标如表4所示。由表4可知,A3类的果实百果重、果实纵径、果实横径、种子千粒重、种子长度、种子宽度较大,而A1类的果实百果重、果实纵径、果实横径、种子千粒重、种子长度、种子宽度较其他类明显偏低,A2类的果实和种子相关性状指标介于A1类和A3类之间。由此可知,A1类为小型果沙棘、A2类为中型果沙棘、A3类为大型果沙棘。当欧式距离为5时,又可将A3大类细分成A3-1类和A3-2类。由表4可知,A3-1类沙棘果实百果重、果实纵径、果实横径较大,A3-2类沙棘种子千粒重、种子长度、种子宽度、种子厚度较大,即A3大型果沙棘又可分为A3-1大果型沙棘和A3-2大籽型沙棘。

图3 沙棘果实及种子表型性状聚类分析

表4 不同类别沙棘果实和种子的表型性状

3 讨 论

3.1 沙棘果实和种子表型性状变异特征

沙棘是我国重要的生态经济树种,不同品种沙棘果实和种子表型性状差异较大。性状的变异程度是评价该物种资源丰富程度和选育潜力的重要指标[20]。本研究对辽西地区栽植的俄罗斯引进第三代沙棘、杂交沙棘、中国沙棘等20个品种的果实及种子表型性状及变异性进行分析。结果发现,11个性状指标变异系数为8.84%～26.56%,说明沙棘果实和种子性状存在较为丰富的遗传多样性,选育潜力较大。其变异系数顺序为:百果重>果柄>种子千粒重>果实纵径>果形指数>长宽比>种子长度>厚宽比>种子厚度>果实横径>种子宽度。沙棘果实的百果重变异系数最大,说明其变异程度最高。此外,本研究发现,沙棘果实横径和种子宽度变异系数<10%,为弱变异,其余性状指标均为中等程度变异。可见,无论沙棘果实还是种子在宽度方面都较其他性状稳定,而在质量方面变化较大。戈素芬等[17]对辽西地区栽植的8个俄罗斯第三代大果沙棘的果实性状变异程度进行分析,结果表明,变异系数依次为:百果重>果实纵径>果实横径;谢嗣荣等[21]对内蒙古不同种群沙棘种子性状变异情况进行分析,结果发现种子指标的变异系数最大的同样为质量。说明沙棘果实和种子性状特别是宽度表型上维持相对稳定,而在质量表型上表现出较强的变异能力。沙棘果实及种子质量尤为重要,可将其作为沙棘种质资源筛选的重要指标。

3.2 沙棘果实和种子表型性状及其聚类分析

本研究发现,沙棘果实百果重和果实纵径、果实横径、果形指数、果柄、种子千粒重、种子长度、种子宽度之间均呈极显著或显著正相关关系,说明种子性状与植物果实性状相互影响,果实大小和种子大小协同增加,这与姜翠翠等[22]对47份无患子种质果实性状与种子性状的研究结果基本一致。除种子厚度、种子长宽比和种子厚宽比外,果实与种子其他表型性状均影响果实百果重。本研究还发现,果柄长与果实百果重、果实纵径、果形指数、种子长度、长宽比呈显著或极显著正相关关系。郭学斌等[23]和师瑞瑞等[24]的研究也发现果柄长与果实和种子的相关关系:郭学斌等发现,果柄长与果实纵径、果形指数呈极显著正相关关系;师瑞瑞等发现,果柄长和果形指数、种子长和种子体积呈显著或极显著正相关关系。由此可知,沙棘果实越大越长、种子越大越长,果柄也越长。果柄长度与沙棘果采摘的难易直接关联,果柄越长,越便于采摘,长柄易采也应该是选育优良沙棘品种的一个重要指标[25]。

沙棘的种质资源非常丰富,不同品种沙棘表型性状差异较大。当选取的指标体系或者评价侧重点不一样,得到的结果也不相同。郭学斌等[23]选择果实横径、果实纵径、果形指数、果柄长、百果质量、种子千粒质量、结实密度、当年枝长、刺长、刺密度等10个性状指标对山西省中国沙棘进行研究,通过聚类分析得到综合性状表现最好、表现良好、表现一般、表现较差4类。谢嗣荣等[21]基于沙棘种子百粒质量、种长、种宽、种厚对内蒙古不同种群沙棘进行聚类,将10个种群分为4类,其中第1类包括1号种群和3号种群,是大粒种子筛选的首选种群;基于种子百粒质量、种长、种宽、种厚变异系数进行聚类,将10个种群又分为不同的4类,8号种群为第1类,是表型性状最不稳定的种群。本研究选择果实百果重、果柄长、果实纵径、果实横径、果形指数、种子千粒重、种子长度、种子宽度、种子厚度、种子长宽比、种子厚宽比等11个指标对辽西地区栽植的俄罗斯引进第三代沙棘、大果沙棘、杂交沙棘和中国沙棘进行分析,经聚类可将20个沙棘品种划分为三大类,即小型果沙棘、中型果沙棘和大型果沙棘,又将大型果沙棘细分为大果型沙棘和大籽型沙棘,为选择优良沙棘种源提供理论指导,从而促进我国沙棘资源的综合利用与开发。

3.3 研究局限与下一步方向

本研究仅从形态学的方法上对沙棘果实和种子的表型性状进行分析,研究发现,沙棘果实和种子在质量上的稳定性要弱于形状,且沙棘果实和种子的大小相互影响。但并未从分子层面对其进行深入分析。仅用表型性状指标的差异不能充分反映植物本身的遗传变异。今后,应将形态学研究与分子研究相结合,深入发掘沙棘果实与种子性状指标的内在联系,以及影响其变异程度的关键因素,进一步揭示沙棘的遗传变异规律,为沙棘品种选育和种质创新发展开拓更广阔的空间。

4 结 论

不同品种沙棘果实和种子表型性状存在显著差异,果实性状与种子性状相互影响。不同性状变异程度不同,质量性状的稳定性低于形状指标。沙棘果实的百果重变异系数最大,说明其变异程度最高。由此可见,今后以沙棘果实为目标进行良种选育时,可将果实百果重作为筛选杂交沙棘优良种源的重要指标。

通过聚类分析,将20个沙棘品种划分为三大类,“俄中鲜”“中红果”“橙棒”“CY-201901”聚为小型果沙棘类,“皇冠”“黄妃1号”“克拉维迪亚”“伊丽莎白”“夕照”“蒙中黄”“埃特纳”“赛枸杞”“俄中黄”“伊尼亚”“深秋红”聚为中型果沙棘类,“金皇后”“杰塞尔”“苏达鲁斯卡”“黄妃2号”“热姆丘任娜”聚为大型果沙棘类。