基于腊叶标本分析的木姜叶柯表型性状变异及地理分化研究_赵鹏霞.pdf

2023，45（2）DOI：10.13836/j.jjau.2023029江西农业大学学报 Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensishttp:/基于腊叶标本分析的木姜叶柯表型性状变异及地理分化研究赵鹏霞1，2，杨旭1，3*，杨志玲1，3，田朝霞1，3，羊奕珣1，3（1.中国林业科学研究院 亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2.河北农业大学 园艺学院，河北 保定 071000；3.浙江省林木育种技术研究重点实验室，浙江 杭州 311400）摘要：【目的】从木姜叶柯Lithocarpus litseifolius（Hance）Chun叶片表型性状上分析其变异特征及地理分化特性，为资源利用提供实践指导。【方法】以全分布区内62个居群469份腊叶标本的叶长（LL）、叶宽（LW）、叶片长宽比（LL/LW）、叶尖长（TL）、叶尖夹角（TA）、叶柄长（PL）、一级侧脉对数（PLV）、叶基夹角（BA）和叶面积（LA）等9个表型性状为对象，采用方差分析、主成分分析（PCA）及聚类分析，研究各居群叶片表型性状变异、地理分化模式及其与主要地理气候因子的相关性。【结果】叶片表型性状变异较大，变异系数9.79%（TA）42.57%（TL），平均22.59%。不同居群间叶片表型性状达到极显著变异（P0.01），LL、LW、LL/LW、TL、TA、BA及LA变异主要来自居群间，PL和PLV变异来自居群间及居群内。叶片表型性状间达到显著或极显著相关，且LL、LW及LA与经度达到极显著负相关，BA与纬度达到极显著负相关，LL与LA与年降水呈显著负相关，BA与极端最低温度呈现极显著正相关。叶片表型性状变异呈现经纬双向变异模式，年降水量和极端最低温度为主要驱动因子。主成分分析获知9个性状可用3个主成分表示（累计贡献率为81.45%），主成分的居群聚类将62个居群聚为4个大类。从大的景观尺度来看，居群未严格按照地理距离而聚类，在较小的区域尺度，地理距离较近的居群则聚为一大类。【结论】木姜叶柯叶片表型性状存在着丰富的变异，且呈现出经纬双向变异的模式。62个居群的叶片可分为长披针形、宽披针形、长椭圆形和宽椭圆形等4大类。关键词：木姜叶柯；腊叶标本；性状分化；主成分分析；聚类分析中图分类号：Q944.3 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：文章编号：1000-2286（2023）02-0285-13Phenotypic Variation and Geographical Differentiation of Lithocarpus Litseifolius Based on Herbarium-Specimen AnalysisZHAO Pengxia1,2，YANG Xu1,3*，YANG Zhiling1,3，TIAN Zhaoxia1,3，YANG Yixun1,3（1.Research Institute of Subtropical Forestry，Chinese Academy of Forestry，Hangzhou 311400，China；2.College of Horticulture，Hebei Agricultural University，Baoding 071000，China；3.Key Laboratory of Tree Breeding of Zhejiang Province，Hangzhou，311400，China)收稿日期：20220825 修回日期：20221202基金项目：国家自然科学基金面上项目（32071785）和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（CAFYBB 2019SY016）Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（32071785）and Special Funds for Basic Scientific Research Expenses of Central Public Welfare Research Institutes（CAFYBB2019SY016）作者简介：赵鹏霞，硕士生，orcid.org/0000-0002-0511-8580，；*通信作者：杨旭，助理研究员，博士，主要从事经济林优质资源选育研究，orcid.org/0000-0003-4164-8586，。赵鹏霞，杨旭，杨志玲，等.基于腊叶标本分析的木姜叶柯表型性状变异及地理分化研究 J.江西农业大学学报，2023，45（2）：285-297.ZHAO P X,YANG X,YANG Z L,et al.Phenotypic variation and geographical differentiation of lithocarpus litseifolius based on herbarium-specimen analysisJ.Acta agriculturae universitatis Jiangxiensis,2023,45(2):285-297.江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷Abstract：Objective This study aims to determine the variations of leaf phenotypic traits and geographical differentiation patterns of Lithocarpus litseifolius（Hance）Chun，thus providing the practical guidance for its resource utilization.Method Taking 469 herbarium-specimen in 62 populations in the whole area as research objects，variance analysis，principal component analysis（PCA）and cluster analysis were used to study the variations of leaf phenotypic traits，geographical differentiation patterns and their correlation with major geographic-climate factors.The leaf phenotypic traits include leaf length（LL），leaf width（LW），leaf length-to-width ratio（LL/LW），leaf tip length（TL），leaf tip angle（TA），petiole length（PL），primary lateral veins（PLV），leaf base angle（BA）and leaf area（LA）.Result The variations of leaf phenotypic traits were significant；the variation coefficient ranged from 9.79%（TA）to 42.57%（TL），and averaged at 22.59%.Leaf phenotypic traits showed significant variations across different populations（PPLLWLALLLL/LWBAPLVTA。说明这两种表型可塑性分析方法的结果相似。在木姜叶柯表型性状中，TL 可塑性最大，TA 表型可塑性最小。木姜叶柯数字标本叶片表型性状的各个指标居群内和居群间的差异分析见表3。由表3可知，不同居群间叶片表型性状存在着极显著的变异（P0.01），叶片LL、LW、LL/LW、TL、TA、BA及LA的变异主要来源于居群间，PL和PLV数的变异不仅来源于居群间，也来源于居群内。2.2木姜叶柯叶片表型性状的相关分析对木姜叶柯9个叶表型性状作person相关分析（表4）。由表4可知，叶片表型性状间存在显著或极显著的相关关系，其中叶片长与叶片宽、叶尖长度、叶面积呈极显著的正相关，与叶基夹角呈显著负相关；叶片宽与叶片长宽比呈极显著负相关，与叶面积呈极显著正相关，与叶柄长呈显著负相关；叶片长宽比与叶尖长度和叶尖夹角呈显著正相关，与叶基夹角呈极显著正相关；叶尖长度与叶基夹角呈显著负相关，与叶面积呈极显著正相关；叶尖夹角与叶脉对数呈极显著的负相关；叶基夹角与叶脉对数呈显著正相关。进一步将叶片表型性状与标本采集地经纬度和气候因子进行相关性分析（表 4）。由表 4可知，表3木姜叶柯居群内和居群间叶片表型性状的方差分析Tab.3Variance analysis of phonotype traits among and within L.litseifolius populations性状Trait叶片长度Leaf length叶片宽度Leaf width叶片长宽比The ratio of length/width叶尖长度Tip length叶尖夹角Tip angle叶基夹角Base angle叶柄长度Petiole length一级侧脉数Primary lateral veins叶面积Leaf area均方Mean square（MS）居群间Among populations17.322.670.480.4846.18282.010.761.63143.29居群内Within population1.961.100.340.1312.6095.710.411.0431.59随机误差Random error5.341.0790.220.2213.2892.680.230.2329.68F值F value居群间Among populations3.24*2.470*2.20*2.23*2.03*3.04*2.26*3.44*2.55*居群内Within population0.371.021.570.581.021.031.79*2.19*0.96*表示差异1%水平显著性。*表示差异5%水平显著性。*significant at 0.01 level.*significant at 0.05 level.291江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷LL、LW 及 LA 与采集地经度呈现极显著负相关，BA 与纬度呈极显著负相关，LL 与 LA 与年降水呈显著负相关，BA与极端最低温度呈极显著正相关，结果表明生境的地理气候因子对叶片表型性状产生一定影响。表4木姜叶柯叶片表型性状与地理因子的相关系数Tab.4Correlation coefficient of leaf phonotype traits and geographic factors of L.polystachya叶片长度Leaf length叶片宽度Leaf width叶片长宽比The ratio of length/width叶尖长度Tip length叶尖夹角Tip angle叶基夹角Base angle叶柄长度Petiole length一级侧脉数Primary lateral veins叶面积Leaf area经度Longitude纬度Latitude年均温Annual average temperature年降雨量Annual precipitation极端最高气温 Extreme maximum temperature极端最低气温Extreme minimum temperature平均湿度Medial humidity叶片长度Leaf length10.78*0.250.46*0.05-0.33*-0.130.010.93*-0.48*0.19-0.14-0.33*-0.130.05-0.01叶片宽度Leaf width1-0.39*0.24-0.110.10-0.27*0.180.93*-0.35*0.06-0.08-0.230.050.20-0.03叶片长宽比The ratio of length/width10.34*0.25*0.65*0.17-0.24-0.07-0.14-0.13-0.02-0.03-0.16-0.160.14叶尖长度Tip length10.12-0.35*0.030.010.35*-0.090.19-0.12-0.110.10-0.15-0.01叶尖夹角Tip angle1-0.18-0.19-0.30*-0.040.100.120.09-0.100.12-0.11-0.01叶基夹角Base angle10.070.24*-0.10-0.02-0.41*0.130.190.130.49*0.07叶柄长度Petiole length10.180.220.13-0.15-0.060.050.260.060.06一级侧脉数Primary lateral veins10.10-0.03-0.21-0.10-0.080.060.110.08叶面积Leaf area1-0.45*0.14-0.12-0.28*-0.040.14-0.01*表示差异1%水平显著性。*表示差异5%水平显著性。*significant at 0.01 level.*significant at 0.05 level.292第 2 期赵鹏霞等:基于腊叶标本分析的木姜叶柯表型性状变异及地理分化研究2.3木姜叶柯叶片表型性状的主成分分析对9个叶片表型性状进行主成分分析，得到3个特征值大于1的主成分（表5）。由表5可知，第一主成分与LL、LW、LA、TA显著相关，贡献率为38.845%，第二主成分与LL/LW、BA、PLV显著相关，贡献率为24.910%，第三主成分与PL、PLV显著正相关，贡献率为17.699%。以上3个主成分的累计贡献率为81.454%。利用提取的主成分数值对62个居群进行聚类分析（图1）。由图1可知，62个居群分为4大类，其中第类为长披针形叶片，包括浙江、云南、湖北居群，广西金秀、凌云、隆林、上林居群，四川德昌、天全居群和江西贵溪、井冈山居群，它们叶片的特征：叶片较长，叶尖长度较大，叶柄较短；第类为宽披针形叶片，包括贵州各个居群，广西贺州和龙胜居群，湖南桂东、新宁、宜章居群，四川峨眉、米易居群和重庆奉节居群，它们叶片的特征：叶片长且宽，叶片长宽比较小，叶尖长度较大，叶柄较长；第类为长椭圆形叶片，包括福建将乐、泰宁、武夷山居群，广西凤山、靖西、那坡居群，四川叙永居群和重庆南川居群，它们叶片的特征：叶片相对较短而窄，叶片长宽比较大，叶尖长较小，叶柄较短；第类为宽椭圆形叶片，包括广东和海南居群以及江西、湖南南部、福建西部和广西东部且靠近广东居群，它们叶片的特征：叶片较短而宽，叶片长宽比较小，叶尖长较小而叶柄较长。表5木姜叶柯叶片表型性状的主成分分析Tab.5Results of principal components analysis of leaf phonotype traits of L.polystachya测定指标Measured items性状 Trait叶片长度Leaf length叶片宽度Leaf width叶片长宽比The ratio of length/width叶尖长度Tip length叶尖夹角Tip angle叶基夹角Base angle叶柄长度Petiole length一级侧脉数Primary lateral veins叶面积Leaf area特征值Elgen-value贡献率Contribution rate累计贡献率Accumulative contribution rate主成分荷载量Priciple compontent主成分1 Priciple 10.960.870.070.530.03-0.27-0.270.090.974.2638.8538.85主成分2 Priciple 20.13-0.440.880.390.48-0.780.05-0.67-0.182.9424.9163.76主成分3 Priciple 30.06-0.120.250.36-0.50-0.080.740.60-0.031.2417.7081.45 293江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷图1不同居群木姜叶柯叶片表型性状聚类分析Fig.1Cluster analysis result of populations based on L.polystachya leaf phenotypic trait 294第 2 期赵鹏霞等:基于腊叶标本分析的木姜叶柯表型性状变异及地理分化研究3 讨 论3.1木姜叶柯叶片遗传变异丰富植物表型性状多样性是其遗传适应性和环境异质性长期共同作用的结果，表型性状变异越丰富，越能提高其对不同环境的适应程度20-21。表型性状变异是遗传变异的重要组成部分，表型性状变异越大，存在的遗传变异可能越大22。木姜叶柯广泛分布在亚热带地区，该区域受海洋或内陆等环境和自然条件差异较大，同时作为一种雌雄同株和风媒传粉植物，其不同居群叶片表型性状上存在极大的变异，9个叶片表型性状变异系数9.79%42.57%，且叶片表型性状遗传分化显著，表明叶片对异质生境具有较强可塑性。表型性状变异的丰富性为育种专家寻找符合生产需求的品种提供了资源的可能性。木姜叶柯是以叶片为主要利用部位的树种，不同居群叶片表型性状变异较大证实其存在丰富的遗传多样性，从中挖掘优异基因作为育种材料，将为种质资源保护、利用、创新及遗传改良提供基础。3.2木姜叶柯叶片表型性状与地理-气候因子的关系通过在较大尺度上针对特定植物类群基于居群水平表型性状变异分析及研究表型性状及其与地理-气候因子间的关系，可以更准确地揭示植物表型性状的变异格局及生态响应策略23。木姜叶柯叶片表型性状变异呈现经纬双向变异模式，其中叶片 LL、LW、LA与经度呈极显著负相关，表现为典型的经向变异模式；叶片 LL 和 LA 与年降雨量呈显著负相关，表明降水是影响叶片性状的主要驱动因子；叶片 BA与纬度呈极显著负相关，与极端最低温度呈极显著正相关，证明低温是影响叶片基部性状的主导因子，即随着经度递减，降雨逐渐递减，叶片变短，叶面积递减，但随着纬度增加，极端低温越来越低，叶片基部越来越宽，以减少水分散失，提高叶片对温度和水分利用效率，从而适应复杂多变的生态环境。3.3木姜叶柯叶片表型性状聚类分析广阔的分布区、多样的生境和气候的异质性，为研究木姜叶柯叶片表型性状的地理变异模式提供可能。聚类分析表明木姜叶柯按叶片表型性状提取的主成分数值可分为4个大类，从大的景观尺度来看，各居群并未严格按照地理距离而聚类，说明居群的叶表型性状变异具有不连续性；从较小的区域尺度来看，地理距离较近居群又聚为一大类。木姜叶柯叶片表型性状的聚类结果，说明生长环境的相似性是居群按照地理距离聚类的重要原因，从大的景观尺度可发现居群所生长的环境大多相对独立，环境异质性也加剧了各居群间的独立分化。木姜叶柯依靠风媒远距离传播花粉，种子结实量大，以果实为食的啮齿类动物可使种子长距离扩散，居群间基因交流距离可能大于居群间的地理距离，这显然造成了居群间基因交流较密切，使得地理距离较近居群具有相似的生态适应策略和地理变异格局。4 结 论木姜叶柯叶片制作甜茶在我国有悠久的历史，叶片中根皮苷、三叶苷和根皮素含量高及在抗糖尿病作用使其近年受到越来越多的关注。作为在我国亚热带地区分布极广的资源树种，长期适应性进化过程中因自身遗传和外部自然地理环境等多因素综合作用，木姜叶柯叶片表型性状形成了丰富的遗传变异，在不同地理居群间出现了显著分化，且叶片表型性状变异呈现经纬双向变异模式，年降水量和极端最低温度为主要驱动因子。随着全球气候的变化，二氧化碳浓度增高、降水量及极端温度等关键驱动因子的变化可能引发木姜叶柯在适生区面积的日渐减少和分布中心的向北移动24。基于腊叶标本的不同居群间木姜叶柯叶片表型性状变异较大证实其种质资源有丰富的遗传基础，但对于其叶片表型性状地理变异模式的辨析还需要实地采集更多叶片样本、全面系统地深入研究，以期为资源保护和开发利用提供理论依据。参考文献 References：1郑颖，温仲明，宋光，等.环境及遗传背景对延河流域植物叶片和细根功能性状变异的影响 J.生态学报，2014，34 295江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷（10）：2682-2692.ZHENG Y，WEN Z M，SONG 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