朗县洞嘎镇巨柏群体果实与种子表型变异研究

Variation Analysis of Phenotypic Traits of Seeds and Cones in Cupressus gigantea

摘要

巨柏是我国特有保护树种，主要分布在西藏东南部河谷区域，具有重要的生态价值。本研究对朗县洞嘎镇25株巨柏果实与种子的7个表型数据进行了变异系数、多样性及相关性分析，探讨了其遗传变异状况，以期为巨柏资源及其遗传多样性保护提供科学依据。结果表明：巨柏果实与种子表型性状离散程度较轻，7个表型性状变异系数变动于4.596% ~ 14.376%，均值为8.827%；巨柏表型多样性水平较低，Shannon-wiener 多样性指数变动范围为1.820 ~ 1.892，平均为1.866；部分表型性状之间存在显著或极显著的相关关系，特别是果实宽与种子表面积、种长、种宽之间，以及种长与种子表面积、种宽之间均有极显著的相关关系。总体来说，巨柏果实性状的变异程度小于种子性状，说明种子表型性状遗传变异更加丰富。

Abstract

Cupressus gigantean, being a rare and protected species endemic to the eastern Qinghai-Xizang Plateau, is mainly distributed in the river valleys of southeast Xizang, with remarkable and important ecological values. In the present study, the variation coefficients, Shannon-wiener indexes, and correlation of seven phenotypic traits of cones and seeds for twenty-five trees were analyzed, and the genetic variation status was discussed, in order to provide scientific basis for conservation of C. gigantean resources and genetic diversity. The results showed that the variation coefficient of seven phenotypic traits varied from 4.596% to 14.376%, with an average of 8.827%. The Shannon-wiener index ranged from 1.820 to 1.892, averaging 1.866. There were significant or extremely significant correlations among some phenotypic traits, especially between the width of a cone and the area of a seed, between a seed's length and width, and between a seed's length, area and width. In general, the variation degree of cone traits was less than that of seed traits, indicating that the genetic variation of seed phenotypic traits was more abundant.

关键词

巨柏 / 变异系数 / Shannon-wiener指数 / 表型性状 / 果实 / 种子

Key words

Cupressus gigantea / Variation coefficient / Shannon-wiener index / Phenotypic traits / Cones / Seeds

巨柏（Cupressus gigantea）属于柏科（Cupressaceae）柏木属（Cupressus），是我国特有树种，也是国家I级重点保护野生植物（国家林业和草原局农业农村部公告2021年第15号）。巨柏主要分布在西藏自治区朗县至米林县河谷两岸，区域为典型的青藏高原高寒干旱气候，干湿季分明，生态环境十分脆弱。巨柏集中分布在海拔2 900 ~ 3 400 m之间，居群彼此间隔、呈带状或块状分布，在沿江漫滩和阶地阳坡中下部及干旱阴坡地段常形成稀疏的纯林^[1]。巨柏是区域高寒干旱河谷脆弱生境的建群物种，对当地生态系统具有不可或缺的作用，对研究柏科植物系统发育和西藏古气候、古地质变化也具有重要意义^[2,3]。

巨柏天然群体分布范围较窄，且自然更新较差，相关研究显示巨柏野生群体遗传多样性水平较低，遗传变异主要来源于群体内，群体之间遗传分化较小^[4,5]。同时由于人类活动、经济发展等，巨柏生境可能遭受更大的破坏，加剧了巨柏天然群体受威胁程度^[6]。巨柏被世界自然保护联盟（IUCN）列入濒危物种红色名录（2010年，易危）。尽管最新研究显示巨柏有害突变的遗传清除机制可能帮助其减少了遗传负荷、提高了小规模群体的生存能力，但是有害突变的有效清除需要一定个体数量的群体支撑才能有效发挥作用^[7]，因此其种质资源研究和保护刻不容缓。

巨柏被植物学家发现并被命名为新种，仅有不足50年的历史，自巨柏被发现以来，研究者们对巨柏的生物生态学特性、种子萌发特性、生长发育特性、濒危机制、植物区系等开展了研究，为巨柏资源保护奠定了基础^[8-19]。其中对巨柏种子表型、萌发特性、发芽条件、种子活力等进行了较多研究，但是巨柏果实表型性状以及果实与种子性状表型变异研究较少。果实与种子是植物更新演替的关键，本研究针对不同巨柏植株果实与种子表型性状遗传变异状况开展研究，以期推进巨柏这一濒危保护树种群体遗传多样性的保护。

1 材料与方法

1.1 植物材料

巨柏果实取自巨柏朗县洞嘎镇群体，采集植株立地条件限定为砾石与沙质河滩地、沙层厚度约50 ~ 80 cm，采集植株两两之间至少相距5倍树高距离。于2022年9 - 10月份采集成熟果实（不分树冠方向），每个植株果实混合后随机选择20个果实测量果实长度、宽度。果实于实验室自然风干释出种子后，每个植株随机选择30 粒种子进行种子表型数据测量。于果实采集的同时使用胸径尺测量获得植株胸径（DBH，Diameterat at Breast Height）数据，25株植株胸径范围20 ~ 60 cm，树龄基于后文方法估算约为111 ~ 277 a不等。

1.2 表型性状测量方法

果实长度（Length of a cone，CL，纵轴）、宽度（Width of a cone，CW，横向最宽处）利用电子游标卡尺测量获得，单位为mm，精确到0.001。

种子数据利用OLYMPUS SZX7体视显微镜进行扫描、获得种子图片，种子长度（Length of seed，SL，纵轴为长）、宽度（Width of a seed，SW，横向最宽处）、表面积（Area of a seed，SA）利用Image-Pro Plus 6.0（Media Cybernetics, Inc.）分析获得，长度、宽度单位为mm，表面积单位为mm²，精确到0.001。

果形指数（Shape index of a cone，CSI）、种形指数（Shape index of a seed，SSI）分别定义为果实长度与果实宽度、种子长度与种子宽度的比值^[20]，计算后精确到0.001。

1.3 数据分析方法

用Excel2007对测量的基础数据进行整理和统计，计算变异系数（CV）和Shannon-wiener指数（H）。CV表示性状变异的离散程度，公式CV＝S/¯X，式中S为标准差，¯X为平均值。Shannon-Wiener多样性指数参考李洪果方法并略有修改^[21]，公式为H=－∑P_iln(P_i ），式中P_i = n/N，P_i 表示某表型性状第i个代码出现的频率，n为某表型性状出现的次数，N为样本数，在计算Shannon-Wiener指数前先将测量数据分成8级，转换为质量性状，≤¯X－1.5 S为第1级，>¯X＋1.5 S第8级，每级相差0.5 S。

方差分析使用SPSS26.0软件进行。Pearson相关系数采用R4.4.0自带程序包（cor()、cor.test()）进行分析计算^[22]。

巨柏年龄（Age of tree，TA）根据李智华方法利用胸径数据进行估算^[16]。

2 结果与分析

2.1 巨柏果实与种子表型性状变异

25株巨柏果实与种子表型数据与变异状况见表1、表2、表3，其中种长、种宽数据与李永霞研究数据类似^[9]。变异系数CV是衡量各观测值变异程度的一个统计量，变异系数越大，说明观测值所表示的表型性状的离散程度越大。由表1可知，7个表型性状变异系数变动于4.596% ~ 14.376%，均值为8.827%。在果实的3个表型性状中，变异系数最小的果形系数为4.596%，变异幅度为0.990 ~ 1.150，也是7个性状中变异系数最小的，变异系数最大的为果实长（6.812%），变异幅度为15.100 ~ 20.030 mm。4个种子表型性状中变异系数最大的种子表面积值为14.376%，变异幅度7.610 ~ 12.331 mm²，也是7个性状中变异系数最大的，种子性状中变异系数最小的为种长（6.551%），变异幅度为3.740 ~ 4.863 mm。相对来说，果实性状的变异系数小于种子性状的变异系数，说明种子表型性状变异更加丰富。在7个表型性状中，其变异系数由大到小为：种子表面积〉种形系数〉种宽〉果实长〉种长〉果实宽〉果形系数。总体而言，巨柏表型性状变异相对集中，表型性状的离散程度较轻，均小于15%，仅有种子表面积变异系数接近15%。

由表3可知，25 株巨柏植株7 个表型性状总变异系数在6.676% ~ 11.394%之间，均值为8.827%，说明参试巨柏表型性状的变异水平较低，且各植株表型变异程度也有差异。25 个植株中，6号、25号、30号、33号这4 株累积的变异系数最大，超过了10%，其表型变异相对丰富，而2号、21号、26号、27号、40、42号植株变异系数较小，其表型变异相对较小。同样的方差分析显示，巨柏7 个性状在各植株间均有极显著的差异（表1）。

植物表型性状的极值往往反映其在不同环境下的适应性潜力。巨柏7 个表型性状中，极大值为极小值的倍数范围为1.162倍（果形指数）~ 1.620倍（种子表面积）。同变异系数分析结果相同，巨柏7 个表型性状适应性潜力从高到低分别为：种子表面积 > 种形系数 > 种宽 > 果实长 > 果实宽 > 种长 > 果形系数，分析结果表明，同果实性状相比，种子表型性状具有较高进化或适应性潜力，但是其中种长变动较小，说明其适应性进化潜力较小。

2.2 巨柏果实与种子表型性状多样性

Shannon-Wiener多样性指数（H）说明性状表型变异的丰富度。25个巨柏植株7个表型性状的多样性指数见表4。7个表型性状多样性指数（H）在1.820 ~ 1.892之间，均值为1.866。表型性状的遗传多样性指数从高到低排序为：种宽 > 种长 > 种子表面积 > 种形系数 > 果实长 > 果实宽 > 果形系数，其中种宽的遗传多样性指数最高，果形系数的遗传多样性指数最低7个，而且巨柏种子表型性状多样性指数明显高于果实表型性状多样性指数。同样的25 个巨柏植株表现出了不同的表型多样性，其Shannon-Wiener指数变动于1.761 ~ 1.937之间，表明巨柏在个体水平上存在较为丰富的表型遗传变异。

总之，表型性状的变异系数分析、极值分析和多样性分析都表明巨柏种子性状较其果实性状变异更为丰富，而且果形系数值均为最小、其表现最为稳定，说明巨柏果实形状表现较为稳定。

2.3 巨柏果实与种子表型性状相关性

7 个果实与种子表型性状及植株胸径与树龄相互之间进行了Pearson相关系数分析，结果由表5可知，部分性状之间存在极显著或显著的相关性。首先果实性状上，果实长与果实宽、种子表面积有极显著的相关关系，果实长与种长、种宽有显著的相关关系，果实宽与种子表面积、种长、种宽均有极显著的相关关系，说明巨柏果实长预示着果实也较宽，较大果实的植株往往说明其种子也较大，特别是对果实宽来说。在种子相关性状上，种子表面积与种长、种宽以及种长与种宽之间有极显著的相关性，说明长粒种子、宽粒种子往往也是大粒种子，大粒种子往往也显示种子长、宽较大。但是胸径与种形系数、种宽与种形系数分别有显著与极显著的负相关关系，说明巨柏植株胸径越大、种子越宽，其种形系数也就是种长/种宽值越小、越偏圆。树龄或者说是胸径与其他果实或种子表型性状并没有显著的相关性。而胸径与树龄有极显著的相关性，一是说明树龄长的植株往往胸径也较大，符合一般认知、即较为一致的立地条件下生长时间长的植株胸径大，二是也可能因为本研究中树龄是由胸径推导而来。

3 结论与讨论

植物表型性状是个体基于基因对外界环境变化所做出的形态调整，表型变异是由遗传与环境因素共同作用的结果，往往具有适应和进化上的意义^[23,24]。本研究中，从物种层面上来说，巨柏朗县洞嘎镇群体表型多样性水平较低（H=1.866），与杜仲（Eucommia ulmoides）雄性资源表型多样性指数（H=1.9 181）接近^[25]，小于格木（Erythrophleum fordii）、灰楸（Catalpa fargesii）多样性指数（分别为2.0 278、2.0 437)^[21,26]，而大于新疆野杏（Armeniaca vulgaris）相应指数（H=0.9 935）^[27]。

巨柏表型性状的离散程度较轻（CV=8.827%），与小果白刺（Nitrariasibirica）表型变异系数（9.34%）相近^[28]，小于濒危植物格木13个果实与种子表型变异系数（12.4 109%）^[21]以及青海云杉（Picea crassifolia）8个果实与种子表型性状变异系数（10.58%）^[20]，说明巨柏物种水平上各个性状相对稳定，不易发生分化。巨柏7个表型性状中，种子表面积变异系数最大14.376，与格木相关研究类似、即果荚面积与种子面积是类似表型性状中变异系数最大的^[21,29]，极可能是因为（表）面积性状是累积了长、宽性状的变异。但是，巨柏总体果实性状变异小于种子表型变异程度，这与格木不同、其果实性状变异大于种子性状变异程度^[21,29]，而与青海云杉相同、其果实性状变异小于种子表型变异程度^[20]。这可能跟植物本身的特性有关，如格木属于豆科、果实为荚果，而巨柏与青海云杉属于柏杉类、其果实为球果，另一方面巨柏基本分布于西藏东南部高寒干旱河谷区，严酷的气候环境可能造成了其果实的趋同性，而相对来说巨柏种子又累积了更多的遗传变异，以应对气候环境条件的可能变化，一定程度上保持物种与群体的稳定性，当然这需要进一步试验数据等的支撑。同时，果宽、种长分别是果实与种子性状中变异较小或最小的性状，这在巨柏、格木、青海云杉、云南松（Pinus yunnanensis）中又是相同的^[21,29,30]，说明果宽、种长是相对稳定的性状，也说明可能在其生长发育过程中，果实横向、种子径向生长发育受到更多的限制。

基于巨柏植株果实与种子表型性状变异系数、表型极值与多样性指数，巨柏遗传多样性水平较低，与基于SSR标记与转录组数据的巨柏相关遗传多态性研究结果类似^[3,4]，也与巨柏目前的地理分布状况相符合。巨柏属于珍稀濒危保护植物，王景升等认为巨柏濒危不仅与其恶劣的立地条件有关，还与种子内在品质如活力与发芽率有关^[17]，相关研究显示在不同条件下巨柏发芽率仅为30% ~ 40%左右，而且不同群体之间巨柏发芽率也有差异^[9,10]，仅有在控温、控湿结合沙培方法下巨柏发芽率能达到60%^[12]。在自然条件下，巨柏发芽率肯定更低，很大程度上可能造成了巨柏目前的濒危状态。同时在立地条件方面，杨刚刚等研究认为土壤密度和土壤含水量是巨柏群落分布的主要环境限制因子^[7]，与巨柏天然分布区高寒干旱气候及河谷分布状况相吻合，这些土壤条件可能影响了自然条件下巨柏种子的萌发，从而影响了巨柏群落的天然更新。

本研究深入分析了巨柏朗县洞嘎镇群体果实与种子表型性状变异以及其表型性状之间的相关性，并探讨了其遗传变异状况。当然巨柏天然分布区不同群体果实与种子表型变异情况以及其与不同群体种子品质之间的相关性需要进一步研究，以及其与目前巨柏濒危性的关系也需要进一步研究。

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