珍稀濒危植物峨眉含笑种实表型性状的空间变异特征

陈俐洁 党万园 陈巍巍 邱 涛 陈小红*

（1. 四川农业大学林学院，成都 611130；
2. 中国科学院昆明植物研究所，昆明 650201）

植物表型性状变异是遗传变异的外在表现形式，在环境和遗传双重因素作用下，不同植物之间或同一植物之间有着不同程度的表型变异［1］。果实和种子是植物重要的繁殖器官，其表型性状不仅体现了植物的繁育对策，还决定了植物扩散、定居的天然更新能力［2-4］。目前，关于珍稀濒危植物种实表型性状变异的研究逐渐丰富，主要集中在通过表型性状探究种源内及种源间的遗传多样性，为濒危植物的资源保护及开发利用提供数据支持［5-8］。关于植物种实空间变异的研究，目前仍集中在分析不同层次树冠上的种实特征，以及不同种源间的差异，较少有利用变异函数等地统计学方法来分析植物种实的空间异质性。空间异质性是存在于生态学系统中的一个普遍现象，反映了生态系统属性在不同方向和尺度上的复杂性和变异性［9］。种实表型性状在不同的尺度和方向上有时存在一定的差异，不同性状的空间自相关性、空间分布格局有所不同，具有较为明显的空间变异特征［10］。因此，研究植物尤其是珍稀濒危植物种实表型性状的空间异质性，不仅可以了解植物在一定空间范围内的分布和自相关性，还可以掌握在不同方向上的差异性，从而为植物资源保护与利用提供一定的理论依据。

峨眉含笑（Michelia wilsonii）为木兰科（Magnoliaceae）含笑属（Michelia）常绿乔木，其分布地域狭窄，为国家二级保护濒危树种［11］。目前，关于峨眉含笑的应用和研究多集中于人工繁殖、精油提取、种群动态和胁迫生理［12-15］等方面，有关其果实和种子的表型特征及种实的空间变异规律还鲜见报道。因此，本研究以雅安周公山分布的野生峨眉含笑为对象，分析12 项种实表型性状的空间变异特征，旨在了解珍稀濒危植物峨眉含笑种实表型的变异程度及空间异质性，以期丰富峨眉含笑表型性状的基础数据，从种实方面揭示峨眉含笑的分布格局、变化范围及自相关性程度，探究是否存在各向异性，并根据研究结果指导种实的采集，为其保护与繁育工作提供理论依据。

1.1 研究区概况

研究区位于雅安市雨城区周公山（29°57′55″—29°58′18″N，103°2′40″—103°3′7″E），海拔900～1 158 m。该地为亚热带湿润性季风气候，年平均气温16.2 ℃，年平均降水量1 774.3 mm，年平均蒸发量1 011.2 mm，年平均相对湿度79%，土壤类型为山地黄壤。研究区的植被类型以亚热带常绿阔叶林为主，林分郁闭度0.7～0.9。乔木层除峨眉含笑外，有杉木（Cunninghamia lanceolata）、亮叶桦（Betula luminifera）、栗（Castanea mollissima）、山鸡椒（Litsea cubeba）、刺楸（Kalopanax septemlobus）和尖叶桂樱（Laurocerasus undulata）等树种，林下主要为姬蕨（Hypolepis punctata）、水竹（Phyllostachys heteroclada）、菝葜属（Smilax）和悬钩子属（Rubus）等植物。

1.2 试验材料

在峨眉含笑种群内设置一块200 m×200 m 的样地，采用GPS 记录峨眉含笑植株的经纬度坐标并挂牌定位，具体信息见表1。于2017 年9 月下旬，对已挂果的91株峨眉含笑植株，从每株树冠的东、南、西、北4 个方向随机采摘10 颗成熟但蓇葖未裂开的果实，共计910 颗果实，将果实编号挂牌后进行后续性状的测定。果实采样点分布如图1所示。

图1 峨眉含笑结果植株分布Fig.1 The distribution map of M.wilsonii fruits

表1 样地信息Table 1 Sample plot information of M.wilsonii

1.3 测量方法

用电子天平（精度为0.01 g）测量果实鲜质量后，将果实置于通风阴凉处风干。待蓇葖自然裂开后，使用游标卡尺（精度为0.01 mm）测量果实长和宽、蓇葖纵径和横径，电子天平（精度为0.01 g）测量果实干质量，并计算果形指数，公式：果形指数=果实长/果实宽。

人工统计果实上的蓇葖总数及败育蓇葖数量（蓇葖中无种子视为败育）、种子总数及败育种子数量（种子干瘪、中空视为败育），以此计算出蓇葖败育率和种子败育率；
并按果实长的3∶4∶3 比例，将果实划分为上、中、下3个部分（靠近果柄处视为上部），分别统计这3个位置的败育情况。

每株树采用四分法随机选取30 粒种子，使用游标卡尺（精度为0.01 mm）测量种子纵径和横径，重复3 次取平均值。每株树随机选取100 粒种子用电子天平（精度为0.01 g）称量质量，重复3 次取平均值，并计算千粒质量。

1.4 数据处理

利用Excel 2019 计算峨眉含笑种实表型性状的变异系数，变异系数常用来衡量数据的变异程度，通常用标准差与算术平均数之比来计算。

利用SPSS 27 对峨眉含笑种实表型性状进行Shapiro-Wilk 检验，判断性状指标是否为正态分布，若sig值小于0.05，需进行正态转换。利用地统计学软件GS+7中的半方差函数（又称变异函数）对种实表型性状进行空间异质性分析。空间异质性与样点间的距离和位置有关，而半方差函数既可以将两者结合起来，建立出各种空间预测模型，又可以对空间格局的尺度和变异方向进行分析［16］，能够很好地反应空间异质性的大小。计算公式：

式中：r（h）为半方差函数值；
h为样点空间间隔距离；
N（h）为间距为h的点对总数；
Z（xi）和Z（xi+h）为系统某属性Z在空间位置xi和xi+h处的值。

半方差函数的主要参数包括块金值C0、基台值（C0+C）、空间结构比C0/（C0+C）、变程A等［17］。间隔距离h=0 时的半方差函数值称为块金值C0，随着间隔距离h的增大，函数值达到一个相对稳定的常数，该常数称为基台值（C0+C），此时的间隔距离A称为变程。变程A反映了空间变异的尺度，在变程范围内，变量具有空间自相关，反之则不存在。空间结构比C0/（C0+C）表示随机部分占空间异质性的比值，若比值＜0.25，空间自相关性强烈；
若比值在0.25～0.75，空间自相关性中等；
若比值＞0.75，空间自相关性很弱［17-19］。

当变异函数是由某一特定方向θ构造时，称为各向异性变异函数，表示为r（h，θ）［17］。一般用各向异性比K（h）来描述各向异性结构的特点。计算公式：

式中：r（h，θ1）和r（h，θ2）为方向θ1和θ2上的半方差函数。如果各向异性比K（h）接近于1，则空间异质性为各向同性，否则为各向异性。

2.1 峨眉含笑种实表型性状特征

如表2所示，峨眉含笑各项种实表型性状存在不同程度的变异，变异系数为9.82%～75.65%，平均变异系数为27.59%。其中，种子败育率的变异系数高达75.65%，变异幅度为1.12%～43.95%；
蓇葖败育率次之，变异系数为38.07%，变异幅度为3.97%～65.88%；
而种子纵径的变异程度最弱，为9.82%，变异幅度为4.12～7.12 mm。从性状的类型来看，5 项聚合果性状的平均变异系数为25.32%，3 项蓇葖果性状的平均变异系数为24.72%，4 项种子性状的平均变异系数为32.57%，这意味着峨眉含笑种子性状较果实性状的变异程度更为丰富。此外，种子败育率等数量性状的变异程度普遍比种子千粒质量、果实干质量等质量性状要大，形态性状如果实长、果实宽、蓇葖纵径和种子纵径等的变异程度最低。

表2 峨眉含笑种实表型性状的统计特征Table 2 Statistical characteristics of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

峨眉含笑果实不同位置上的败育率如表3 所示，可以看出在果实的不同位置上，蓇葖败育率的差异显著（P＜0.05），种子败育率的差异不显著（P＞0.05）。败育率在果实下部的变异系数最小，性状离散程度较低。位于果实下部的败育率最高，蓇葖败育率为38.22%，种子败育率为18.32%；
而位于果实中部的败育率最低，蓇葖败育率为23.45%，种子败育率为15.05%。可见，峨眉含笑果实首尾两端的败育率较中间部位高，而果实下部的败育率最高且性状比中上部要稳定。

表3 峨眉含笑种实的败育率Table 3 Abortive rate of seed and fruit of M.wilsonii

2.2 峨眉含笑种实表型性状的空间异质性

将不符合正态分布的数据转换后，在GS+7.0中进行半方差函数模型的拟合。选择决定系数R2大、残差平方和小的函数模型为最优模型，所得结果如表4 所示，半方差函数曲线如图2 所示。峨眉含笑果实长、蓇葖横径、种子纵径和种子败育率的最优模型为线性模型，表现为随机分布；
果实宽、果形指数、果实鲜质量和果实干质量为指数模型，蓇葖纵径、种子横径和种子千粒质量为球状模型，蓇葖败育率为高斯模型，表现为聚集分布。峨眉含笑12 项种实表型性状的变程A为9.70～105.26 m，在此范围内，各项指标存在空间自相关，超过这个范围则不存在；
其中果实长、蓇葖横径、种子纵径和种子败育率的变程最大，空间连续性优于其余种实表型性状。果实长、果实宽和蓇葖败育率的块金值C0和基台值（C0+C）较大，空间异质性程度较高。空间结构比C0/（C0+C）显示，果实宽、果形指数、果实鲜质量、果实干质量、蓇葖败育率、种子横径和种子千粒质量的值均小于0.25，具有强烈的空间自相关性；
蓇葖纵径和横径的结构比值分别为0.499 和0.491，具有中等程度的空间自相关性；
果实长、种子纵径和种子败育率的结构比值均大于0.75，空间自相关性较弱。

图2 峨眉含笑种实表型性状的半方差函数A.果实长；
B.果实宽；
C.果形指数；
D.果实鲜质量；
E.果实干质量；
F.蓇葖纵径；
G.蓇葖横径；
H.蓇葖败育率；
I.种子纵径；
J.种子横径；
K.种子千粒质量；
L.种子败育率Fig.2 Semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；
B.Fruit width；
C.Fruit shape index；
D.Fruit fresh mass；
E.Fruit dry mass；
F.Follicel longitudinal diameter；
G.Follicel transverse diameter；
H.Follicle abortion rate；
I.Seed longitudinal diameter；
J.Seed transverse diameter；
K.1 000-seed mass；
L.Seed abortion rate

表4 峨眉含笑种实表型性状的半方差函数模型及参数Table 4 Model and parameters of semi-variograms of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii

2.3 峨眉含笑种实表型性状的各向异性

峨眉含笑种实在0°、45°、90°、135°4个方向上的各项异性比如图3所示，可以看出峨眉含笑种实性状呈现较为明显的各向同性，仅少数种实表型性状存在各向异性现象。果形指数于10 m的小尺度内在0°、90°方向上各向异性比较大，蓇葖败育率于10 m 的小尺度内在0°、45°、90°、135° 4 个方向上具有较大的各向异性比，蓇葖横径于120 m尺度内在45°、135°方向上各向异性明显。相对来说，峨眉含笑其余9项种实表型性状在不同尺度下的90°/0°和135°/45°的各向异性比均接近于1，表现为各向同性。

图3 峨眉含笑种实表型性状的各向异性比A.果实长；
B.果实宽；
C.果形指数；
D.果实鲜质量；
E.果实干质量；
F.蓇葖纵径；
G.蓇葖横径；
H.蓇葖败育率；
I.种子纵径；
J.种子横径；
K.种子千粒质量；
L.种子败育率Fig.3 Anisotropy ratios of phenotypic fruit and seed traits of M.wilsonii A.Fruit length；
B.Fruit width；
C.Fruit shape index；
D.Fruit fresh mass；
E.Fruit dry mass；
F.Follicel longitudinal diameter；
G.Follicel transverse diameter；
H.Follicle abortion rate；
I.Seed longitudinal diameter；
J.Seed transverse diameter；
K.1 000-seed mass；
L.Seed abortion rate

对雅安市周公山的野生峨眉含笑种实表型性状的研究显示，峨眉含笑12 项种实表型性状的平均变异系数为27.59%，与其他珍稀濒危植物相比，其平均变异系数大于格木（Erythrophleum fordii）（12.41%）［7］、梓叶槭（Acer amplumsubsp.catalpifolium）（15.03%）［8］和闽楠（Phoebe bournei）（6.14%）［20］，说明峨眉含笑种实表型性状的变异程度较为丰富，对环境的适应能力较强。峨眉含笑种实形态性状的变异程度较数量性状和质量性状低，果实和种子的形态较为稳定，这与刁松峰等［21］对无患子（Sapindus saponaria）的研究结果一致。峨眉含笑种子的平均变异系数大于果实，果实性状的稳定性较种子性状高，这与闽楠［20］和无患子［21］的研究结果一致，与厚朴（Houpoea officinalis）［22］和夏蜡梅（Calycanthus chinensis）［23］的研究结果相反。12 项种实表型性状中，种子败育率的变异系数最大，是峨眉含笑种实变型变异的主要来源。种子的败育情况是影响植物繁殖和存活的重要因素，其较大的变异程度体现了峨眉含笑种群繁殖策略的灵活性。此外，本研究还发现峨眉含笑果实尾

部的蓇葖和种子败育率最高，果实中部的败育率最低，这可能与柱头所接受的花粉量有关。有研究表明，鹅掌楸（Liriodendron chinense）上部位柱头接收的花粉明显最少，花中部柱头接收的花粉较上、下部位柱头要多［24］，天女花（Oyama sieboldii）也存在花的上部柱头接受花粉量最少的现象［25］。木兰科花在转化为果实的过程中，上部位的柱头发育为聚合果尾部，下部位的柱头发育为靠近果柄处的顶部，峨眉含笑可能也存在花上部位柱头花粉量较少的情况，从而导致果实尾部的蓇葖和种子败育率较高。

半方差函数最优模型表明，峨眉含笑种实主要表现为聚集分布，这可能与峨眉含笑的果实类型及其传播方式有关。蓇葖果一般为自体传播，种子常掉落在母树周围［26］，造成峨眉含笑大小植株相聚的现象，随着植株发育至结果阶段，所结果实也呈现出聚集分布的现象。空间异质性包含随机和自相关两部分，受到多种因素的影响：当空间自相关性表现强烈时，气候、光照、土壤类型等结构类因素引起的空间异质性程度较大，较弱时则人为干扰等随机因素占主导［27］。在一定程度上，基台值可以描述空间异质性程度，但容易受自身因素和测量单位的影响［17］。峨眉含笑果实长、果实宽和蓇葖败育率的基台值较大，说明其总的空间异质性程度较高，空间变异性较大。空间结构比与基台值相比，不仅能反映出不同因素所造成的空间异质性程度，还能体现空间自相关性强度。峨眉含笑果实长和种子败育率的空间结构比为1，表现为纯块金效应，具有恒定的变异性。峨眉含笑12 项种实表型指标的变程为9.70～105.26 m，对空间尺度的依赖程度各不相同。总体而言，在40 m尺度下，峨眉含笑大多数种实表型性状的空间结构比接近0.25，空间自相关性程度较强，结构类因素引起的空间异质性程度较高。木兰科植物的繁育类型以异交为主［28-29］，由于样地内峨眉含笑呈聚集分布，异株传粉间距离较近，遗传信息交流方便，由此推测相聚植株的果实性状形成了较为强烈的自相关性。少数种实性状指标其空间自相关性较弱的原因，可能是采样时随机摘取了不同冠层内的果实。有研究表明，植物果实在上中下不同冠层内的表型性状有所差异［22，30］，而本研究在采样时仅设置了东南西北4个方位，未考虑冠层的影响，人为干扰因素的存在导致了自相关性程度的降低。空间异质性不仅与尺度有关，还与方向有关，一般由地形、水分等因子导致的空间异质性通常为各向异性［17］。本研究发现峨眉含笑12项种实表型性状中仅3项指标表现为各向异性，并且差异主要集中在小尺度内；
其余9项指标均表现为各向同性，在4 个方向上的差异不大，这可能是研究区域内地势较为一致，所选样地的微环境差异不大所致。

目前，针对峨眉含笑种质资源评价、良种选育回归引种等资源保护与利用方面的研究较为缺乏，本研究为进行峨眉含笑资源保护提供了基础数据和理论依据，对峨眉含笑种质资源收集、遗传改良等工作具有一定的指导意义。周公山峨眉含笑的种实表型性状变异丰富，种实败育率波动较大，种子性状的变异程度较果实要大，这为峨眉含笑种实的培育提供了多种选择，为峨眉含笑的选择育种奠定了重要的物质基础。由于峨眉含笑种实在研究区中等尺度下表现为各向同性，在不同方位上的变化差异不大，因此在对周公山峨眉含笑天然种群进行实地保护繁育时，可于种群200 m的范围内，在任意地理方向上收集种实、育苗繁殖，以促进峨眉含笑种群的更新。

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