杉木无性系叶形态变异研究及相关关系分析.pdf

【目的】掌握杉木(Cunninghamia lanceolata)无性系叶片性状的变异特征和性状间关系,为优良无性系的选育提供理论依据。【方法】以 33 个杉木无性系的叶片性状为研究对象,通过变异系数估算、相关性分析、主成分分析和聚类分析等数理统计法进行分析。【结果】变异分析结果表明,叶片的变异系数变化范围为 2.88%17.92%,叶性状的变异系数均较小,仅总叶体积的变异系数大于 15%,说明无性系叶性状总体稳定。相关分析结果表明,性状间都表现为正相关,大部分性状的相关显著或极显著,表型相关系数为 0.330 0.982。主成分分析结果显示,9 个性状前 2 个主成分的累积贡献率为 78.75%,第一主成分的主要单个叶性状的负载值较大,第二主成分的单株叶性状的负载值最大,可作为区分不同无性系的主要叶片性状。根据聚类分析结果,33 个无性系可聚为 2 个类群,3 个亚类,且各类群在 9 个性状上的均值存在差异。【结论】杉木无性系叶片性状变异稳定,性状间存在关联性,其中单叶面积、单叶体积、叶片数量、总叶面积等 4 个性状可为杉木优良无性系的筛选指标。关键词:杉木;无性系;叶片性状;变异系数中图分类号:S791文献标志码:A文章编号:2095-7300(2023)02-0011-07Study on Leaf Morphological Variation and Correlation Analysis ofCunninghamia lanceolata ClonesYU Lushan,ZHAO Linfeng(College of Landscape Architecture,Hunan Polytechnic of Environment and Biology,Hengyang 421005,China)Abstract:【Objective】To master the variation characteristics of leaf traits of Cunninghamialanceolata clones and the relationship between traits,so as to provide a theoretical basis for the breedingof superior clones.【Method】The leaf traits of 33 clones were analyzed by mathematical statistics such ascoefficient of variation estimation,correlation analysis,principal component analysis and cluster analysis.【Result】The variation analysis results showed that the variation coefficient of leaf was 2.88%17.92%,and the variation coefficients of leaf traits were small,only the variation coefficient of total leafvolume was more than 15%,indicating that the leaf traits of the clones were generally stable.The resultsof correlation analysis showed that all the traits were positively correlated,and the correlation of mosttraits was significant or extremely significant,with phenotypic correlation coefficients ranging from0.330 0.982.The results of principal component analysis showed that the cumulative contribution rateof the first two principal components of the nine traits was 78.75%.The load value of the main singleleaf trait of the first component was larger,and the load value of the single leaf trait of the second compo-nent was the largest,which could be used as the main leaf trait to distinguish different clones.Accordingto the results of cluster analysis,33 clones can be grouped into 2 groups and 3 subtypes,and the meanvalues of each group in 9 traits are different.【Conclusion】The variation of leaf traits of C.lanceolataclones is stable,and there are correlations among the traits.Among them,the four traits of single leaf ar-ea,single leaf volume,leaf number and total leaf area can provide reference indicators for the selection ofsuperior clones.Keywords:Cunninghamia lanceolata;clone;leaf traits;coefficient of variation 植物的生长特性易受水分、温度、光照等环境条件的影响,从而产生外部形态和内部结构的变化1,而叶片是植物对环境变化最为敏感的器官之一,其形态特征最能体现环境因子的影响及植物对环境的响应2。同时,叶片也是植物最重要的同化器官,是影响植物生产力大小的决定性器官之一3-4。植物的光合作用、蒸腾作用、水分代谢等一系列生理活动都离不开叶片,叶片的大小及形态特征的差异直接影响植物的生长及生存能力5-6,比如叶面积的增大能有效增加叶片的补光面积,提高植物的生长速率;叶面积的减小可降低叶片蒸腾作用,避免细胞水势和膨压的降低,提高叶片的水分利用效率7;而叶厚度的增加不仅能提高叶片对光资源的利用效率,也能增加叶片对强光伤害的保护作用8-11。因此,探索叶片之间的表型特征是林木遗传育种和植物栽培等领域的重点内容之一12。对叶的性状变异及相关关系进行研究,可以为植物的适应策略提供理论依据。杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国分布最广泛的针叶树种13。针叶是其树体的主要构件,是完成能量合成与代谢的主要场所14。目前对杉木针叶已有许多研究,例如叶面光合效益15-17、叶面积估算模型18-19和叶面积指数估测20-21等,但杉木如何适应生境及其表现出的叶性状特征尚不清楚。有学者研究发现,可以通过叶片之间的相关性及叶性状变异研究,为植物本身的适应策略提供理论依据22-24。对此,本研究以 33 个杉木无性系为对象,从形态学水平对叶片性状进行观测,分析不同无性系叶片性状变异特征,探究叶片性状的遗传变异规律,以期为杉木遗传多样性研究、良种选育等提供理论参考。1 材料与方法1.1 试验地概况 试验地设在中国南方杉木林产区之一的湖南省永州市金洞林场(1105343E,262137N),属中亚热带东南季风湿润性气候,海拔 110 164 m,年平均气温 18,年降水量1 000 1 800 mm,年蒸发量 1 225 mm,年有效日照时数约为 1 617 h,相对湿度 75%82%。土壤属森林黄壤,土壤厚度 30 60 cm,pH4.5 5.5,通透性较好。土壤中石砾约占15%20%,有机质质量分数为 3.1 g/kg,速效氮质量分数为138.0 mg/kg,速效磷质量分数为1.0 mg/kg,速效钾质量分数为 71.0 mg/kg。1.2 试验材料试验材料选自湖南省会同县杉木种子园自由授粉种子在永州地区生产性苗圃中培育的混系 1 a生超级苗(按 1/50 000 的比例选出)、永州地区母树林成年优树的萌芽条。在湖南省永州市林业科学研究所进行无性化育苗。田间试验林是 1987 年2 月营造的,根据地形,在同一坡向、同一坡位、同一坡度的山地设计 3 个试验区,每个区组按抽签的方式布置 11 个无性系设计,共 33 个无性系。采用10 株/区,3 次重复,顺山纵向单行排列。造林时无性系苗高 30 cm,试验林按杉木速生丰产林(湖南)标准(标准号:DB/4300B640121986)进行施工和管理。21湖南生态科学学报2023 年 6 月1.3 试验方法本试验在 2019 年 4 月进行叶的取样,此时为林分成熟期,叶片生长发育已达到稳定成熟状态。取样方法如下:每一伐倒木现场将叶取尽后称重,可得到全株叶重。称重后,现场随机选择 2 kg 以上嫩叶装袋密封送到实验室,在实验室取 5 000 片针叶用电子秤称重,每次称 1 000 片针叶的量(称 5 次),可得到千叶重;再根据全株叶重和千叶重计算全株总叶量(总叶量=全株叶重/千叶重1 000);随机选取 2 000 片针叶量测单叶长、宽、厚,通过单叶的长、宽、厚计算叶面积(总叶面积=单叶长单叶宽总叶量)和总叶体积(总叶体积=单叶长单叶宽单叶厚总叶量)。1.4 数据处理采用 Excel 2020 和 SPSS 25.0 软件进行数据处理和统计分析。变异系数 CV=S/X,S 为性状的标准差,X 为性状均值25;Pearson 相关性分析 rp=pxpy/px2py2,rp为表型相关系数,pxpy为性状 x 与性状 y 的表型协方差,px2为性状 x 的表型方差;py2为性状 y 的表型方差26。采用基因型相关矩阵,用 Jacobi 方法计算主成分特征根、特征向量和主成分值27;采用离差平方和进行聚类分析,以欧氏距离划线28。2 结果与分析2.1 杉木无性系叶片性状变异 由表 1 可以看出,无性系叶片性状都存在不同程度的变异,且不同性状变异系数平均值差别较大,从 2.88%到 17.92%,具体表现为总叶体积(17.92%)总 叶 面 积(15.45%)总 叶 量(14.89%)单 叶 体 积(8.34%)单 叶 面 积(5.48%)千叶重(4.94%)单叶厚(4.31%)单叶宽(3.66%)单叶长(2.88%)。说明无性系叶片总叶面积、总叶体积、叶片数量容易受环境条件的影响,而叶长、叶宽等性状则表现相对稳定。叶长变异小于叶宽变异,表明无性系叶片横向宽窄变异比纵向长短变异更丰富,说明叶片横向宽窄变异受周围生长因素的影响较大1。表 1 杉木无性系叶片性状变异Table 1 Variation of leaf traits of clone性状最小值 最大值均值标准差变异系数单叶长/mm35.4540.3638.795 5 1.116 82.88单叶宽/mm2.052.512.394 80.087 73.66单叶厚/mm0.200.260.242 10.010 44.31单叶面积/mm272.6799.0492.967 6 5.092 25.48单叶体积/mm30.144 6 0.248 3 0.224 30.018 78.34千叶重/g34.2240.6037.837 6 1.869 34.94总叶量/105g75.08152.81 106.646 1 15.88514.89总叶面积/m269.28135.24 99.542 4 15.374 8 15.45总叶体积/m30.014 8 0.032 6 0.024 00.004 317.922.2 叶片性状相关分析对杉木无性系叶片各性状进行相关分析可得(表 2),杉木单叶长、单叶宽间呈极显著正相关,单叶宽、单叶厚呈显著正相关,且单叶面积、单叶体积与单叶长、单叶宽、单叶厚呈极显著正相关;千叶重、总叶量、总叶面积、总叶体积间呈极显著正相关,且总叶面积与单叶宽、单叶厚、单叶面积呈显著正相关,与单叶体积呈极显著相关;叶片体积与单叶厚、单叶面积、单叶体积呈极显著相关,与单叶长、单叶宽呈显著相关。表 2 叶片性状相关性分析Table 2 Correlation analysis of leaf traits性状单叶长单叶宽单叶厚单叶面积单叶体积千叶重总叶量总叶面积总叶体积单叶长1单叶宽0.4911单叶厚0.3300.389131第 10 卷第 2 期庾庐山,等:杉木无性系叶形态变异研究及相关关系分析续表性状单叶长单叶宽单叶厚单叶面积单叶体积千叶重总叶量总叶面积总叶体积单叶面积0.8270.8950.4091单叶体积0.7870.8300.6430.9331千叶重0.2580.1340.3190.2120.4021总叶量0.0460.0870.2170.0790.2240.4871总叶面积0.3230.3860.3440.4130.5240.4940.9321总叶体积0.3800.4380.4780.4740.6250.5630.8970.9821注:代表 0.01 水平极显著相关,代表 0.05 水平显著相关。2.3 叶片性状主成分分析对 9 个表型性状进行主成分分析,由表 3 可知,通过 KMO 和 Bartlett 球形检验,得出 KMO 值为0.612,大 于 0.60,说 明 数 据 适 合 做 因 子 分 析;Bartlett 球形检验的结果 P 值为 0.000,小于 0.01,说明数据适合做因子分析。表 3 性状的 KMO 和 Bartlett 球形检验Table 3 The testing rusult of the KMO and BartlettKMO 取样适切性量数0.612近似卡方633.578Bartlett 球形检验自由度36显著性0.000以特征值为 1 进行抽提,获得 2 个主成分,累计贡献率为 78.75%,说明 9 个性状的大部分信息可以用这 2 个主成分代表。第一主成分的贡献率最大,达到 55.12%,以单叶性状为主,按特征向量值大小依次为单叶面积、单叶体积、单叶宽、单叶长,代表了叶片的大小性状;第二主成分的贡献率为23.63%,以总叶性状为主,按特征向量值大小依次为总叶量、总叶面积、总叶体积,反映了叶片的生长量的总量(表 4)。2.4 叶片性状聚类分析由图 1 可知,在遗传距离为 40 处将 33 个杉木无性系分为和2 个类群,在遗传距离为 30 处,第大类群分为 2 个亚类,分别为-a 亚类和-b亚类。第大类群是由 7903、79146、7967 等 30 个无性系组成,占无性系的 90.91%,为聚类材料份数最多的类群。其中-a 亚类由 7903、79146 等 8 各无性系组成,-b 亚类由 7911、79182 等 22 个无性系组成。第类群是由 7946、7978、79170 3 个无性系组成,占材料的 9.09%。9 个数量性状中,单叶长、单叶宽、单叶面积表现为:第大类群第大类群,说明第大类群主要特点是叶面积较大、树冠较稀疏;单叶厚、单叶体积、千叶重、总叶量、总叶面积、总叶体积表现为第大类第大类群,说明第大类群主要特点是叶生长量较大、树冠浓密。表 4 主成分矩阵Table 4 The matrix for principal components表型性状第一主成分第二主成分单叶长0.8230.093单叶宽0.8610.114单叶厚0.5270.329单叶面积0.9730.119单叶体积0.9410.309千叶重0.1750.647总叶量-0.0650.976总叶面积0.2760.926总叶体积0.3660.920特征值4.9612.127贡献率/%55.1223.63累计贡献率/%55.1278.7541湖南生态科学学报2023 年 6 月图 1 33 个杉木无性系叶片性状的聚类分析Figure 1 Clustering analysis of leaf traits of 33 C.lanceolata clones表 5 杉木无性系不同类群叶片性状均值Table 5 Mean values of leaf traits of different groupsof C.lanceolata性状类群-a-b单叶长/mm38.8338.4338.1439.08单叶宽/mm2.392.372.302.43单叶厚/mm0.241 40.249 00.236 90.243 0单叶面积/mm293.155 391.090 088.266 394.933 2单叶体积/mm30.224 00.226 90.206 30.230 4千叶重/g37.6739.5336.9737.92总叶量/105g103.25140.5688.11108.76总叶面积/m296.712 3127.8478.89103.19总叶体积/m30.023 20.031 80.018 20.023 23 讨论与结论通过叶片表型性状间的遗传变异状况可间接反映植物对环境变化的适应性,植物的叶片表型性状变异越大,表明植物越能适应环境变化1,29-30。杉木无性系叶片性状如单叶长、单叶宽、单叶厚等9 个性状间存在不同的变异系数,表明性状在无性系间蕴藏着丰富的遗传变异。总叶量、总叶面积、总叶体积的变异系数较大(10%),而单叶性状如单叶长、单叶宽、单叶厚、单叶体积、单叶面积的变异系数均较小(10%)。总叶性状的变异大于单叶性状的变异,表明总叶性状的变异在反映地理、环境适应性上具有更重要的意义,可以加以保护利用;单叶性状的变异较稳定,受到的影响相对较小,且单叶长变异小于单叶宽变异,反映出叶片在长宽51第 10 卷第 2 期庾庐山,等:杉木无性系叶形态变异研究及相关关系分析性状方面具有由细长形到宽幅形的变化趋势,与王旭军等3对红榉叶片的研究一致。叶片性状间相互关系的大小主要受性状间关联性、种源间差异和环境条件所造成的各性状表达程度三个方面的影响3。本研究结果表明,杉木无性系叶片性状间具有不同的相关性,单叶长、单叶宽、单叶厚与单叶面积、单叶体积呈极显著相关,且与总叶体积呈显著相关,单叶宽、单叶厚与总叶面积呈极显著或显著相关,与彭曦等19研究结果一致。利用主成分分析在不损失或少损失原有信息的基础上对各个性状进行抽提和合并,简化成数量较少且独立的因子31,结果表明:前 2 个主成分的累计贡献率为 78.75%,说明这 2 个主成分能够代表叶片性状的大部分信息,能反映不同无性系杉木在叶片形态上的差异。其中,第一主成分主要反映单叶性状,第二主成分主要反映总叶性状,可由此区分不同无性系的主要叶片性状。结合相关性分析,可明确影响杉木无性系叶片性状的关键指标是单叶面积、单叶体积、总叶量、总叶面积等主要因子,可以利用单叶面积、单叶体积、总叶量、总叶面积作为杉木无性系的间接区别指标。但叶片作为自然界中初级生产者的能量转换器,其性状还受地理位置、生境条件和气候特性等综合环境影响而表现出差异性23,因此对杉木无性系叶片性状的影响还需进一步开展研究。聚类就是根据样品品质特性的相似程度进行简化合并分组,相似性最大的优先聚合在一起,最终按照类别的综合性质多个样品聚合,使其具有最大的组内相似性和最小的组间相似性32,对不同杉木无性系叶片 9 个性状进行聚类分析可将 33 个种源聚为 2 个大类(其中一个大类有 2 个亚类)。由表 5 可知,第类群其明显特征是叶面积稍大;第类群叶片形状较厚,叶量较大。根据聚类分析结果可知同一类型的无性系其性状的表型基本一致。这可能是多年来各地区间的引种交流或人工选择育种造成的。本研究分析 33 个不同无性系杉木的叶片性状,发现杉木无性系的叶片性状存在极为丰富的变异,综合相关性分析和主成分分析,筛选出单叶面积、单叶体积、总叶量、总叶面积可作为叶片的重要指标。但本研究也存在不足之处,为更加准确地评价不同杉木无性系,需扩大取样范围,进行多地点的种源试验,并在生理生化和分子等水平上采用多学科手段进行综合分析和相关研究。参考文献:1 崔新爽,李晓雪,王菲,等.不同种源紫苏叶片性状的差异J.东北林业大学学报,2020,48(6):47-50.2 郭玉华,蔡志全,曹坤芳,等.四种热带雨林树种光合和形态解剖特征对不同生长光强的适应J.武汉植物学研究,2004,22(3):240-244.3 王旭军,程勇,吴际友,等.红榉不同种源叶片形态性状变异J.福建林学院学报,2013,33(3):284-288.4 陈丽君,刘明骞,廖柏勇,等.苦楝不同种源叶片性状变异研究J.西南林业大学学报,2016,36(5):16-20.5 李素艳,胡昊,孙向阳,等.生长季节中泡桐叶形态特征及其相关性研究J.林业科学研究,2006,19(5):660-664.6 王永康,吴国良,赵爱玲,等.枣种质资源的表型遗传多样性J.林业科学,2014,50(10):33-41.7 仇倩倩,冯一峰,吴翠云.枣种质资源叶表型性状遗传多样性分析J.新疆农业科学,2021,58(2):282-293.8 段媛媛,宋丽娟,牛素旗,等.不同林龄刺槐叶功能性状差异及其与土壤养分的关系J.应用生态学报,2017,28(1):28-36.9 罗璐,申国珍,谢宗强,等.神农架海拔梯度上 4 种典型森林的乔木叶片功能性状特征J.生态学报,2011,31(21):6420-6428.10 张晶,赵成章,李雪萍,等.嘉峪关草湖湿地芦苇净光合速率与叶面积和叶厚度的关系J.生态学报,2018,38(17):6084-6091.11 丁曼,温仲明,郑颖.黄土丘陵区植物功能性状的尺度变化与依赖J.生态学报,2014,34(9):2308-2315.12 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