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雄性榧树天然居群表型多样性及优株初选

花匠小妙招
2024-12-09 22:39

雄性榧树天然居群表型多样性及优株初选

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190676浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室，浙江杭州 311300

基金项目: 浙江省科学技术重点研发计划项目(2016C02052-12)

作者简介:

詹利云，从事经济林木发育与栽培生理研究。E-mail: 2446681452@qq.com

通信作者:戴文圣，教授，博士，从事经济林发育与栽培生理、生态研究。E-mail: dai_wensheng@163.com 收稿日期:2019-11-18修回日期:2020-05-22网络出版日期:2020-12-01刊出日期:2020-12-01

中图分类号:S722.3

摘要: 目的探究雄性榧树Torreya grandis天然居群的表型多样性，初步筛选雄性优良单株，为科学配置优良授粉树和提高香榧T. grandis ‘Merrillii’种实产量和品质提供参考。方法以5个雄性榧树天然居群的121个单株为材料，对叶片单叶质量、叶形指数及雄球花单花质量、花形指数、花粉得率、花粉生活力等10个表型性状进行了分析，探讨其表型变异程度和变异规律，并初步筛选了雄性榧树优良单株。结果 ①在居群间除了叶长和花粉得率有显著差异(P＜0.05)外，其他性状均无显著差异(P＞0.05)；在居群内10个表型性状都存在显著性差异，即居群内的变异大于居群间的变异，表明雄性榧树表型变异主要来源于居群内，人工选择要以单株选择为主。②10个表型性状中雄球花指标的变异系数大于叶片，且花粉生活力和花粉得率平均变异系数分别为42.36%和34.13%，变异较为丰富，因此授粉优树的选择可基于雄球花性状指标。③根据雄株雄球花性状指标综合筛选出了早、中、晚型36个优良单株，可在今后的选育和造林实践中应用。结论雄性榧树表型性状在居群内具有更加丰富的遗传多样性，在后期遗传改良中应重视群体内优良单株的选择，而球花大小、花粉生活力和花粉得率是榧树雄株进行优株初选的重要表型指标。图1表7参26

English Abstract

詹利云, 刘琏, 曾燕如, 喻卫武, 戴文圣. 雄性榧树天然居群表型多样性及优株初选[J]. 浙江农林大学学报, 2020, 37(6): 1120-1127. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190676

ZHAN Liyun, LIU Lian, ZENG Yanru, YU Weiwu, DAI Wensheng. Phenotypic diversity of male cones and the selection of superior plants among male populations in Torreya grandis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(6): 1120-1127. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190676

Citation:ZHAN Liyun, LIU Lian, ZENG Yanru, YU Weiwu, DAI Wensheng. Phenotypic diversity of male cones and the selection of superior plants among male populations in Torreya grandis[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2020, 37(6): 1120-1127. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20190676

全文HTML

榧树Torreya grandis是红豆杉科Taxaceae榧属Torreya中国特有的植物，呈片状分布于浙江、福建、江西、湖南、安徽等省的丘陵地带[1]。榧树雌雄异株，稀同株，种内变异十分丰富[2]。香榧T. grandis ‘Merrillii’是雌性榧树的一个优良栽培类型，其结实所需花粉来自雄性榧树天然居群。然而雄株因不结实而往往遭受随意砍伐，数量大幅度减少[3]。近年来随着香榧产业的发展，人们认识到充分优质的授粉对雌株种实产量及品质影响极大，日益重视在香榧丰产造林中配置授粉雄株的作用。因此，对榧树雄株开展调查与选优是提高香榧产量及质量的重要因素之一。表型性状多样性是植物多样性最直观的反映，是衡量生物多样性的重要指标，也是了解遗传变异的重要线索[4]。在板栗Castanea mollissima[5]、樱桃Cerasus pseudocerasus[6]、椰枣Phoenix dactylifera[7]、李Prunus divaricata[8]、玉米Zea mays[9]等物种中都开展了表型性状多样性研究。榧树雌雄异株，天然杂交，且生长地理环境存在差异，使得天然群体内榧树变异十分丰富[10]。近年来对榧树的研究主要集中在病害[11]、生物学特性[12]、栽培管理技术[13]、分子标记[14]等方面。由于香榧具有极高的经济价值，研究多集中在雌性香榧上，而雄性榧树的研究鲜见报道。董雷鸣等[15]探讨榧树雄株若干性状的变异发现：叶片与雄球花各指标均有较大的变异系数，且不同来源的花粉对香榧幼果坐果率有显著影响，表明榧树雄株具有很大的选育潜力。本研究以来自5个雄性榧树天然居群的121个单株为研究材料，对叶片、雄球花等10个表型性状指标进行多样性分析，并在此基础上初选雄性榧树优株，为今后雄性榧树资源保护、授粉树配置及新品种选育提供科学依据。

1. 材料与方法1.1. 材料

浙江省与安徽省是榧树主要的天然分布区。榧树目前主要生产与利用的是其种子，野生雄株天然居群除采种外受到的人为干扰较少。本研究在基本呈野生状态的雄性榧树天然居群开展，分布点分别为浙江省淳安县半夏村(淳安)、杭州市临安区洪岭村(临安)、杭州市富阳区洞桥村(富阳)、浙江嵊州市榆树村(嵊州)及安徽省黄山市呈坎村(黄山)开展。在分布点的雄性榧树林中各选取10~30株生长旺盛，彼此间距不小于50 m，无病虫害，树龄50~200 a的实生雄性榧树作为研究对象，用于试验观测与采样，同时利用全球卫星定位系统(GPS)定位采样点(表1)。各单株采集新鲜叶片即时装入加硅胶的自封袋中，带回实验室置于−80 ℃冰箱保存。各单株采集20个带雄球花的1年生幼枝，枝条底部用湿纸巾包裹后置于采样袋，带回实验室进行水培。

表 1 5个雄性榧树天然居群的地理位置及采样数

Table 1. Geographic locations of five natural populations in T. grandis

居群采样数量/株样品编号纬度(N)经度(E)海拔/m 淳安17CA01~CA1729°55′20″119°12′06″320~430临安24LA01~LA2429°59′30″119°12′32″305~360富阳24FY01~FY2430°05′47″119°38′42″360~410嵊州24SZ01~SZ2429°42′28″120°33′22″280~420黄山32HS01~HS3229°57′52″118°14′18″350~5001.2. 方法1.2.1. 叶片性状测定

各单株选取20个叶片，用游标卡尺测量(精确至0.01 mm)叶宽和叶长，并计算叶形指数(叶宽/叶长)；用托盘天平(PB1502-L，瑞士)称取叶质量。

1.2.2. 雄球花表型性状测定

各单株随机选取30个雄球花，用游标卡尺测量雄球花横径、纵径，并计算花形指数(球花横径/纵径)，同时用托盘天平称取雄球花质量。

1.2.3. 雄球花水培及散粉时间观察

各单株选取3个雄球花数量较多且长势良好的枝条插入水中，置于浙江农林大学校园，培养条件设置为温度20 ℃，湿度75%，光强400 μmol·m−2·s−1，二氧化碳摩尔分数520 μmol·mol−1，2 d更换1次水，每天定期观察并记录花枝散粉情况。当雄球花的小孢子叶松散，颜色变黄，花粉囊纵裂，部分花苞散出黄色花粉时记为始花期，直至完全散粉。大约3 d时间。

1.2.4. 花粉得率测定

每个单株各选30个即将散粉(即各小孢子叶松散，花苞颜色变黄，花粉囊开始纵裂)的雄球花，置干燥玻璃培养皿中，放置在室内干燥桌面上，使雄球花自然散粉。待雄球花完全开放，抖落所有花粉，收集花粉称量，计算花粉得率。花粉得率=[花粉质量/(花粉质量+撒粉后球花质量)]×100%。

1.2.5. 花粉生活力测定

在全程避光的条件下，用荧光染料反应法(fluorescein diaectate reaction，二乙酸荧光素染色)测定花粉生活力[16]。随机观测3个不同视野，统计有活力花粉(呈绿色)数量和花粉总数(绿色和黑色)。花粉生活力=(有活力花粉数量/花粉总数)×100%。

1.3. 数据处理

运用Excel和SPSS 17.0对各指标进行数据统计和方差分析、t检验及相关性分析等。

2. 结果与分析2.1. 雄性榧树叶片与雄球花表型性状的差异显著性分析

方差分析表明：叶片性状的叶长在居群间有显著差异(P＜0.05)，雄球花性状的花粉得率在居群间呈极显著性差异(P＜0.01)，其他指标均无显著差异(表2)。t检验分析结果显示：在居群内单株间10个表型性状均差异极显著(P＜0.01)，表明雄性榧树表型性状的变异可能主要来源于居群内。

表 2 雄性榧树5个居群叶片与雄球花相关指标的方差分析

Table 2. ANOVA in leaf- and male flower-associated parameters among five natural populations in T. grandis

指标平方和自由度均方FP指标平方和自由度均方FP 叶质量 0.000 4 0.000 0.434 0.784球花横径 0.354 4 0.089 0.310 0.871 叶宽 0.298 4 0.075 0.792 0.533球花纵径 2.138 4 0.543 0.421 0.793 叶长 51.915 4 12.979 2.498 0.046*花形指数 0.010 4 0.003 0.240 0.915 叶形指数 0.002 4 0.001 0.820 0.515花粉得率 0.170 4 0.043 4.980 0.001** 球花质量 0.001 4 0.000 0.686 0.603花粉生活力 0.095 4 0.024 0.355 0.840 　　说明：*表示差异显著(P＜0.05)，**表示差异极显著(P＜0.01)

多重比较分析发现：叶长在5个居群间差异显著(P＜0.05)，5个居群中淳安居群的叶片平均最长(18.99 mm)，显著长于其他居群；嵊州与黄山居群的叶片最短，且2个居群间无显著差异；临安与富阳居群的叶片长度居中，2个居群间无显著差异(图1A)。花粉得率在5个居群间差异极显著(P＜0.01)，嵊州和富阳居群的花粉得率较高，显著高于其他居群，且2个居群间无显著差异；而淳安与临安居群花粉得率最低且无显著差异(图1B)。

图 1 雄性榧树5个居群叶长(A)和花粉得率(B)的变化

Figure 1. Varieties among five natural populations in the leaf length(A) and pollen yield(B) in T. grandis

变异系数与性状的离散程度呈正相关，变异系数越大表明个体间的差异越大，多样性越丰富，选择的潜力就越大[17]。本研究表明：同一性状在不同居群中变异系数不同；同一居群中不同性状的变异系数也存在差异。5个雄性榧树居群间叶片的变异程度由大到小依次为叶质量、叶长、叶形指数、叶宽；雄球花的变异程度由大到小依次为花粉生活力、花粉得率、球花质量、球花纵径、球花横径、花形指数。花粉生活力的变异最为丰富，5个居群的花粉生活力为51.70%~58.51%，变异系数为39.04%~45.40%，平均值为42.36%；其次是花粉得率(31.03%~37.77%)，平均达34.13%；叶宽和球花横径变异系数较小，分别为10.82%和12.13%(表3)。

表 3 5个雄性榧树居群叶片与雄球花指标的极值与变异

Table 3. Extreme values and variation in the parameters of leaves and male flowers of five natural populations in T. grandis

居群叶质量叶宽最大值/g最小值/g平均值±标准差/g变异系数/%最大值/mm最小值/mm平均值±标准差/mm变异系数/% 淳安 0.024 0.015 0.018±0.003 14.06 3.794 2.267 2.941±0.336 11.42 临安 0.025 0.012 0.018±0.003 19.44 3.775 2.400 2.901±0.345 11.90 富阳 0.023 0.013 0.017±0.003 15.36 3.422 2.344 2.850±0.281 9.86 嵊州 0.029 0.013 0.018±0.004 20.34 3.254 2.186 2.791±0.334 11.97 黄山 0.026 0.012 0.017±0.003 16.68 3.340 2.385 2.829±0.253 8.96 居群叶长叶形指数最大值/mm 最小值/mm 平均值±标准差/mm 变异系数/% 最大值最小值平均值±标准差变异系数/% 淳安 22.319 16.124 18.99±1.82 9.58 0.174 0.137 0.155±0.012 7.91 临安 25.475 13.650 18.41±2.84 15.45 0.228 0.107 0.161±0.029 18.27 富阳 25.139 15.360 18.05±2.51 13.93 0.205 0.130 0.159±0.015 9.68 嵊州 22.082 13.399 17.17±2.17 12.64 0.243 0.135 0.164±0.023 13.97 黄山 20.800 14.000 17.28±1.88 10.90 0.192 0.139 0.165±0.015 9.06 居群球花质量球花横径最大值/g 最小值/g 平均值±标准差/g 变异系数/% 最大值/mm 最小值/mm 平均值±标准差/mm 变异系数/% 淳安 0.071 0.038 0.056±0.010 18.71 4.883 3.267 4.288±0.440 10.26 临安 0.078 0.032 0.058±0.014 24.51 5.344 2.947 4.369±0.594 13.61 富阳 0.089 0.034 0.054±0.014 25.96 6.283 3.714 4.452±0.551 12.37 嵊州 0.093 0.033 0.052±0.016 31.49 5.975 3.589 4.321±0.542 12.54 黄山 0.089 0.033 0.053±0.014 27.06 6.147 3.640 4.330±0.514 11.86 居群球花纵径花形指数最大值/mm 最小值/mm 平均值±标准差/mm 变异系数/% 最大值最小值平均值±标准差变异系数/% 淳安 6.937 4.425 5.671±0.718 12.66 0.893 0.656 0.760±0.060 7.84 临安 7.890 4.166 5.988±1.100 18.37 0.872 0.555 0.740±0.090 12.11 富阳 8.555 4.768 6.121±1.016 16.59 0.928 0.602 0.736±0.088 11.91 嵊州 10.884 4.458 5.900±1.423 24.12 0.938 0.434 0.753±0.110 14.57 黄山 9.889 4.516 5.907±1.146 19.40 0.854 0.588 0.745±0.083 11.04 居群花粉得率花粉生活力最大值/% 最小值/% 平均值±标准差/% 变异系数/% 最大值/% 最小值/% 平均值±标准差/% 变异系数/% 淳安 26.38 5.82 17.00±5.28 31.03 92.71 21.61 58.51±25.05 42.80 临安 32.19 8.32 17.38±6.11 35.16 97.26 19.34 51.70±21.52 41.62 富阳 45.12 11.54 23.31±8.12 34.84 92.55 16.73 52.19±22.40 42.93 嵊州 41.39 10.23 25.08±7.99 31.85 92.08 11.09 56.70±25.74 45.40 黄山 36.56 8.72 20.67±7.81 37.77 94.30 23.90 56.56±22.08 39.04

居群差异体现了居群对当地环境的不同适应状况，数值大小反映了不同居群对不同环境的适应性[18]。基于叶片的表型指标分析发现：5个天然居群的变异系数临安(16.27%)最大，其次是嵊州(14.73%)，淳安(10.74%)最小；而雄球花是嵊州(26.82%)和黄山(26.42%)的变异系数较高，淳安(19.49%)最小。本研究中榧树雄株的生殖器官花的变异系数大于营养器官叶。

2.2. 雄球花散粉时间的变异

榧树雄株的散粉时间不仅与遗传有关[15]，也与地域气候、环境差异有关。榧树的雌雄花期不集中，且雄株花期比雌株早[19]，散粉时间一般在4月中旬[20]。因此在新造林中要配置适当花期的雄性授粉树，满足雌花充分受粉的要求[15]。

经温室水培雄球花枝观测统计，雄球花散粉时间在4月7−17日，散粉周期约10 d。中花型所占比例最大(47株)，占总样本数的38.84%，散粉时间在4月11−15日；晚花型比例最小(30株，24.79%)，散粉时间在4月15−17日(表4)。5个居群中，淳安、临安、黄山这3个居群的中花型偏多，分别有11、13、13株，而富阳和嵊州的早花型略多，花期为4月7−11日(表4)。

表 4 5个天然居群榧树雄株散粉期比较

Table 4. Pollen availability of male flowers in T. grandis

居群花期花期类型株数/株群内比例/%居群花期花期类型株数/株群内比例/% 淳安 4月9−17日早 2 11.76嵊州 4月7−15日早 17 70.84 中 11 64.71 中 5 20.83 晚 4 23.53 晚 2 8.33临安 4月9−17日早 6 25.00黄山 4月7−17日早 7 21.87 中 13 54.17 中 13 40.63 晚 5 20.83 晚 12 37.50富阳 4月7−15日早 12 50.00 中 5 20.83 晚 7 29.172.3. 雄性榧树叶片表型性状间的相关性分析

叶质量、叶长与叶形指数均呈极显著负相关(P＜0.05)，而其他指标间均为显著正相关(P＜0.05)(表5)。这与董雷鸣等[15]的研究结果一致。

表 5 雄性榧树叶片各指标之间的相关系数

Table 5. Correlation coefficients among indexes of leaves in male T. grandis

指标叶质量叶宽叶长叶形指数叶质量 1 叶宽 0.381** 1 　　叶长 0.804** 0.476** 1　　叶形指数 −0.626** 0.376** −0.513** 1 　　说明：**表示差异极显著(P＜0.01)

球花质量与球花大小及花粉得率呈显著正相关(P＜0.05)，球花大小与花粉得率均显著正相关(P＜0.05)，花粉活力与花粉得率呈极显著正相关(P＜0.01)，而球花质量和球花纵径都与花形指数呈极显著负相关，其他指标间相关性不显著(表6)。

表 6 榧树雄球花及各指标间的相关系数

Table 6. Correlation coefficients among indexes of male flowers in T. grandis

指标球花
质量球花
横径球花
纵径花形
指数花粉
得率花粉
生活力球花质量 1 球花横径 0.735** 1 球花纵径 0.788** 0.693** 1 花形指数 −0.412** −0.020 −0.701** 1 花粉得率 0.209* 0.238* 0.296* −0.164 1 花粉生活力 0.103 0.010 0.035 −0.081 0.441** 1 　　说明：*表示差异显著(P＜0.05)，**表示差异极显著(P＜0.01)2.4. 雄性榧树优株的初选

花粉会对植株坐果率高低、果实大小以及产量等产生直接影响[21−22]。筛选适宜的雄性优株可以提供香榧基地授粉雄株不足、香榧树体坐果率低的现状，从而促进香榧产业健康发展。营养器官叶片受环境影响较大，因而榧树可基于生殖器官的性状初选核心种质[23]。本研究主要依据榧树雄株散粉时间、花粉生活力、花粉量的多少等综合进行雄株优株的筛选。早花类型中表现较好的优株有富阳居群的雄9、嵊州居群的雄5以及黄山居群的雄23，花粉生活力分别高达92.55%、92.08%、90.01%，花粉得率也在20%以上；中花类型表现最佳的优株有临安居群的雄22、嵊州居群的雄1，花粉活力均在90%以上，花粉得率也不低；而晚花类型中，淳安居群的雄3、临安居群的雄18以及黄山居群的雄1花粉生活力分别为92.71%、92.61%、91.65%，共初选36个单株作为优良授粉树，占所有供试材料的29.75%(表7)。

表 7 雄性榧树优株的初选

Table 7. Screening of male elite trees in T. grandis

居群开花类型编号花粉生活力/%花粉得率/%花形指数淳安早花型CA0965.3526.380.656中花型CA0776.9721.950.790CA1082.5921.700.736CA1587.3619.270.736CA1685.9115.740.754晚花型CA0186.0022.190.743CA0392.7119.980.826CA1782.0522.160.735临安早花型LA0366.8618.920.764中花型LA1387.3132.190.802LA2297.2620.050.653晚花型LA1787.0020.980.818LA1892.6123.910.850富阳早花型FY0370.5634.280.782FY0681.5832.290.822FY0992.5523.020.605FY1485.0430.230.660FY1969.4433.370.602晚花型FY0184.0733.240.671嵊州早花型SZ0289.0934.480.750SZ0592.0838.230.725SZ1366.3920.710.730SZ1686.0530.280.799SZ1782.9625.740.588SZ2488.6325.670.766中花型SZ0191.5323.790.859黄山早花型HS2168.8935.010.754HS2390.0130.980.764HS2862.2529.760.607中花型HS1381.5923.910.751HS1568.1921.010.745HS1889.4220.760.797HS1981.8323.920.850晚花型HS0291.6525.670.705HS0487.6121.980.595HS2987.1624.810.8013. 结论与讨论

本研究发现：在居群间，叶片与雄球花的10个表型指标，只有叶长和花粉得率差异显著，而居群内，单株间10个指标均差异极显著，表明居群内的变异比居群间更加丰富。该结果与刘浩凯等[24]研究雌性榧树居群遗传多样性的结果基本一致。因此，为配置香榧授粉树的榧树雄株选育可选择优良单株。

变异系数是衡量各观测性状变异程度的一个统计指标。本研究各指标的相对极差和变异系数的变化趋势完全不同，表明榧树雄株表型性状存在丰富的表型多样性。经过长期的自然选择，不同数量性状对环境形成了不同的适应能力。相关分析表明：雄性榧树的大部分表型性状相关性达显著或极显著水平，说明这些性状在环境适应中表现出相互调节的作用。

雄性榧株以提供花粉为主要利用目的，花粉得率和花粉生活力在居群间和个体间变异大，且比较稳定，不仅有利于选择，选择结果也相对可靠。本研究显示：雄球花各指标变异系数大，球花大小与花粉得率呈显著正相关，直接影响花粉得率。因此优株初选应从花粉生活力、花粉得率及球花大小等综合考虑。基于上述指标初步筛选出36个优良雄性单株，其中8个单株的花粉生活力在90%以上。在今后的育种工作中，这些雄性优株应是优先考虑的对象。本研究所有单株的花粉得率最高值为38.23%，与董雷鸣等[15]的研究结果类似。

居群内的变异主要受遗传因素的影响，而居群间的变异则与遗传和环境2个因素相关[25]。由于榧树雄株不结果，以往人为破坏严重，部分地区的雄株资源已濒临绝迹，雌雄比例严重失调。易官美等[26]对榧树资源分布进行调查发现：雌雄株比例在江西岩泉自然保护区为4∶1，在福建建瓯玉山镇居群为29∶1；在安徽居群为19∶1；在浙江诸暨赵家镇居群为99∶1。因此，加强雄性榧树资源保护刻不容缓，需加大种质资源调查与收集力度，建立雄性榧树优株资源库。

本研究仅对雄性榧树的表型多样性进行初步研究，后续的研究将扩大居群选择的范围及居群个数，并结合分子生物学从DNA水平深入揭示雄性榧树天然居群的遗传变异特点和规律。

参考文献 (26)