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吉林省天然红松居群表型变异分析及多样性研究

刘晓婷 魏嘉彤 吴培莉 吴琳 徐清山 房衍林 杨斌 赵曦阳

刘晓婷, 魏嘉彤, 吴培莉, 吴琳, 徐清山, 房衍林, 杨斌, 赵曦阳. 吉林省天然红松居群表型变异分析及多样性研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(4): 25-34. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200250
引用本文: 刘晓婷, 魏嘉彤, 吴培莉, 吴琳, 徐清山, 房衍林, 杨斌, 赵曦阳. 吉林省天然红松居群表型变异分析及多样性研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(4): 25-34. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200250
Liu Xiaoting, Wei Jiatong, Wu Peili, Wu Lin, Xu Qingshan, Fang Yanlin, Yang Bin, Zhao Xiyang. Phenotypic variation and diversity of natural Pinus koraiensis populations in Jilin Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(4): 25-34. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200250
Citation: Liu Xiaoting, Wei Jiatong, Wu Peili, Wu Lin, Xu Qingshan, Fang Yanlin, Yang Bin, Zhao Xiyang. Phenotypic variation and diversity of natural Pinus koraiensis populations in Jilin Province of northern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(4): 25-34. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200250

吉林省天然红松居群表型变异分析及多样性研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200250
基金项目: 国家林业和草原局林业科技发展项目(KJZXSA2019046)
详细信息
    作者简介:

    刘晓婷。主要研究方向:红松遗传改良。Email:15754638841@163.com 地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路51号东北林业大学科技楼林木遗传育种国家重点实验室

    责任作者:

    赵曦阳,博士,副教授。主要研究方向:白桦、红松遗传改良。Email:zhaoxyphd@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S722.5

Phenotypic variation and diversity of natural Pinus koraiensis populations in Jilin Province of northern China

  • 摘要:   目的  为揭示天然红松居群的表型分化程度及变异模式,以吉林省的6个天然红松居群为研究对象,  方法  采用方差分析、主成分分析、聚类分析及多性状综合评价等方法对红松居群的13个表型性状(针叶性状和种实性状)进行系统分析和综合评价。  结果  (1)除针叶束粗/针叶厚在居群间差异未达显著水平外,其余性状在居群内和居群间均达极显著差异水平( P < 0.01)。(2)在居群间红松的平均表型分化系数为59.33%,其变异大于群体内(40.67%)。(3)6个居群的平均表型变异系数为11.30%,针叶性状和种实性状的表型变异系数依次为针叶性状(14.56%) > 球果性状(10.48%) > 种子性状(5.87%)。(4)主成分分析结果表明,红松居群表型多样性基本来源为针叶性状 > 种子性状 > 球果性状。(5)利用欧氏距离对红松居群进行聚类分析,将红松6个居群划分为3大类群,分别为P1与P6、P3与P5、P2与P4。(6)利用多性状综合评价法,分别以种实性状(种长、种宽、百粒质量和球果质量)和针叶性状(针叶长、针叶宽、针叶厚、针叶束粗)对天然红松居群进行评价,分别筛选出1个居群。  结论  红松居群具有中等的表型多样性,居群间和居群内均存在丰富的表型变异,研究结果为今后红松种质资源的保护和利用提供基础,为红松优良居群的构建提供材料。

     

  • 图  1  天然红松居群各表型性状的聚类热图

    A. 种长;B. 种宽;C. 百粒质量;D. 球果长;E. 球果宽;F. 球果质量;G. 每层鳞片数量;H. 针叶长;I. 针叶宽;J. 针叶厚;K. 针叶束粗;L. 针叶长/针叶厚;M. 针叶束粗/针叶厚。A, seed length; B, seed diameter; C, hundred seed mass; D, cone length; E, cone diameter; F, cone mass; G, number of scale per layer; H, needle length; I, needle diameter; J, needle thick; K, fascicle width; L, ratio of needle length to needle thick; M, ratio of fascicle width to needle thick.

    Figure  1.  Clustering heat map of phenotypic traits of natural P. koraiensis populations

    表  1  天然红松6个居群的地理位置

    Table  1.   Geographical location of 6 populations of natural Pinus koraiensis

    居群
    Population
    采集地
    Collection place
    经度
    Longitude
    纬度
    Latitude
    海拔
    Altitude/m
    无霜期
    Frost-free season/d
    P1 靖宇县龙湾林场 Longwan Forest Farm, Jingyu County 126°36′09″E 42°05′05″N 836 110
    P2 舒兰市平安村 Ping’an Village, Shulan City 127°25′12″E 44°00′36″N 207 125
    P3 长白朝鲜自治县十八道沟村
    Eighteen Daogou Village, Changbai Korean Autonomous County
    128°13′05″E 41°44′44″N 837 140
    P4 抚松县岗西村 Gangxi Village, Fusong County 127°28′48″E 42°25′42″N 726 110
    P5 汪清县丽城村 Licheng Village, Wangqing County 129°45′68″E 43°19′59″N 216 170
    P6 白山市江源区振兴村 Zhenxing Village, Jiangyuan District, Baishan City 127°13′12″E 42°00′36″N 624 135
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    表  2  天然红松居群各表型性状的平均值

    Table  2.   Average values of phenotypic traits in natural P. koraiensis populations

    性状 TraitP1P2P3P4P5P6平均 Average
    种长
    Seed length (SL)/mm
    15.70 ± 0.50 14.85 ± 0.21 15.52 ± 0.87 15.06 ± 0.22 15.35 ± 0.91 14.83 ± 0.56 15.22 ± 0.69
    种宽
    Seed diameter (SD)/mm
    9.76 ± 0.21 10.10 ± 0.13 10.90 ± 0.26 9.82 ± 0.16 10.50 ± 0.51 10.16 ± 0.48 10.21 ± 0.51
    百粒质量
    Hundred seed mass (HSM)/g
    61.67 ± 6.48 65.00 ± 5.72 65.33 ± 9.37 59.83 ± 7.01 60.67 ± 8.98 59.67 ± 6.69 62.03 ± 7.74
    球果长
    Cone length (CL)/cm
    12.75 ± 0.9 13.26 ± 1.12 12.62 ± 1.10 12.49 ± 0.89 12.73 ± 1.08 13.00 ± 0.63 12.81 ± 0.99
    球果宽
    Cone diameter (CD)/cm
    7.29 ± 0.77 7.57 ± 1.07 6.84 ± 0.49 6.36 ± 0.41 6.89 ± 0.57 7.48 ± 0.49 7.07 ± 0.79
    球果质量
    Cone mass (CM)/g
    165.87 ± 24.02 194.91 ± 52.10 216.89 ± 44.89 164.66 ± 25.05 229.59 ± 53.89 201.76 ± 31.48 195.61 ± 46.66
    每层鳞片数量
    Number of scale per layer (NSPL)
    5.62 ± 0.35 5.34 ± 0.48 5.27 ± 0.39 5.61 ± 0.26 4.76 ± 0.30 5.71 ± 0.19 5.39 ± 0.47
    针叶长
    Needle length (NL)/mm
    107.10 ± 11.18 92.46 ± 15.59 90.36 ± 11.15 88.22 ± 14.12 101.30 ± 12.30 105.90 ± 14.33 97.56 ± 15.06
    针叶宽
    Needle diameter (ND)/mm
    1.12 ± 0.23 1.25 ± 0.17 1.17 ± 0.13 1.20 ± 0.16 1.31 ± 0.21 1.13 ± 0.13 1.20 ± 0.18
    针叶厚
    Needle thick (NT)/mm
    0.81 ± 0.19 0.90 ± 0.13 0.84 ± 0.10 0.85 ± 0.09 0.95 ± 0.16 0.82 ± 0.09 0.86 ± 0.14
    针叶束粗
    Fascicle width (FW)/mm
    1.66 ± 0.32 1.82 ± 0.24 1.60 ± 0.19 1.73 ± 0.24 1.88 ± 0.26 1.63 ± 0.18 1.72 ± 0.26
    针叶长/针叶厚
    NL/NT
    140.19 ± 43.07 103.65 ± 13.51 108.33 ± 18.77 105.58 ± 21.14 105.91 ± 27.91 131.04 ± 24.60 115.78 ± 29.84
    针叶束粗/针叶厚
    FW/NT
    2.10 ± 0.38 2.05 ± 0.21 1.90 ± 0.11 2.05 ± 0.18 1.98 ± 0.20 1.99 ± 0.15 2.01 ± 0.23
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    表  3  天然红松居群各表型性状的方差分析

    Table  3.   Variance analysis of phenotypic traits of natural P. koraiensis populations

    性状
    Trait
    均方Mean square (MS)随机误差
    Random
    error
    F
    居群间
    Among
    populations
    居群内
    Within
    population
    居群间
    Among
    populations
    居群内
    Within
    population
    种长 SL 116.338 8 11.261 6 0.535 0 10.33** 21.05**
    种宽SD 114.939 4 5.231 2 0.554 8 21.97** 9.43**
    百粒质量 HSM 494.666 7 150.632 2 4.166 7 3.28** 36.15**
    球果长 CL 8.339 1 2.648 0 0.368 3 3.15** 7.19**
    球果宽 CD 17.325 7 1.382 4 0.249 8 12.53** 5.53**
    球果质量 CM 62 592.360 0 4 516.614 0 663.124 1 13.86** 6.81**
    每层鳞片数量 NSPL 11.238 8 0.386 4 0.127 9 29.08** 3.02**
    针叶长 NL 6 109.012 0 523.820 2 58.217 2 11.66** 9.00**
    针叶宽 ND 0.448 4 0.092 2 0.013 7 4.86** 6.74**
    针叶厚 NT 0.255 7 0.051 4 0.007 4 4.97** 6.94**
    针叶束粗 FW 0.998 0 0.176 9 0.020 0 5.64** 8.83**
    针叶长/针叶厚 NL/NT 21 116.530 0 1 966.087 0 189.983 1 10.74** 10.35**
    针叶束粗/针叶厚 FW/NT 0.408 1 0.152 1 0.050 2 2.68 3.03**
    注:**表示差异极显著(P < 0.01)。下同。Notes: ** means difference is significant at the 0.01 level. Same as below.
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    表  4  天然红松居群各表型性状的方差分量分析

    Table  4.   Variance component analysis of phenotypic traits of natural P. koraiensis populations

    性状
    Trait
    方差分量
    Variance component
    方差分量百分比
    Percentage of variance component/%
    表型分化系数
    Differentiation
    coefficient of phenotypic
    trait (Vst)/%
    居群间
    Among populations
    居群内
    Within population
    随机误差
    Random error
    居群间
    Among populations
    居群内
    Within population
    种长 SL 3.502 6 1.787 8 0.535 0 60.13 30.69 66.21
    种宽 SD 3.656 9 0.779 4 0.554 8 73.27 15.62 82.43
    百粒质量 HSM 11.467 8 24.410 9 4.166 7 28.64 60.96 31.96
    球果长 CL 0.189 7 0.380 0 0.368 3 20.23 40.51 33.30
    球果宽 CD 0.531 4 0.188 8 0.249 8 54.79 19.46 73.79
    球果质量 CM 1 935.858 0 642.248 3 663.124 1 59.73 19.82 75.09
    每层鳞片数量 NSPL 0.361 7 0.430 1 0.127 9 67.90 8.09 89.36
    针叶长 NL 186.173 1 77.600 5 58.217 2 57.82 24.10 70.58
    针叶宽 ND 0.011 9 0.013 1 0.013 7 30.71 33.85 47.58
    针叶厚 NT 0.006 8 0.007 3 0.007 4 31.61 34.04 48.15
    针叶束粗 FW 0.027 4 0.026 2 0.020 0 37.23 35.57 51.14
    针叶长/针叶厚 NL/NT 638.348 1 296.017 3 189.983 1 56.77 26.33 68.32
    针叶束粗/针叶厚 FW/NT 0.008 5 0.017 0 0.050 2 11.27 22.43 33.44
    平均 Average 45.39 28.57 59.33
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    表  5  天然红松居群各表型性状的表型变异系数

    Table  5.   Phenotypic variation coefficients of phenotypic traits in natural P. koraiensis populations %

    性状 TraitP1P2P3P4P5P6平均值 Average
    种长 SL 3.18 1.44 1.46 1.46 5.96 3.78 2.88
    种宽 SD 2.19 1.29 2.36 1.67 4.82 4.75 2.85
    百粒质量 HSM 10.50 8.81 14.34 11.71 14.80 11.21 11.89
    球果长 CL 7.31 8.42 8.72 7.15 8.52 4.85 7.50
    球果宽 CD 10.58 14.11 7.13 6.49 8.25 6.61 8.86
    球果质量 CM 14.48 26.73 20.70 15.21 23.47 15.60 19.37
    每层鳞片数量 NSPL 6.29 9.03 7.45 4.60 6.28 3.38 6.17
    针叶长 NL 10.44 16.86 12.34 16.01 12.14 13.53 13.55
    针叶宽 ND 20.79 13.23 10.96 13.13 15.71 11.20 14.17
    针叶厚 NT 23.28 14.10 11.32 10.69 16.69 11.41 14.58
    针叶束粗 FW 18.99 13.34 11.98 14.06 13.62 11.21 13.87
    针叶长/针叶厚 NL/NT 30.72 13.04 17.33 20.02 26.35 18.78 21.04
    针叶束粗/针叶厚 FW/NT 18.23 10.49 5.80 8.90 10.15 7.29 10.14
    平均 Average 13.61 11.61 10.15 10.09 12.83 9.51 11.30
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    表  6  天然红松居群各表型性状的相关性

    Table  6.   Correlations of phenotypic traits of natural P. koraiensis populations

    性状
    Trait
    种长
    SL
    种宽
    SD
    百粒质量
    HSM
    球果长
    CL
    球果宽
    CD
    球果质量
    CM
    每层鳞片
    数量
    NSPL
    针叶长
    NL
    针叶宽
    ND
    针叶厚
    NT
    针叶束粗
    FW
    针叶长/
    针叶厚
    NL/NT
    种宽 SD 0.424**
    百粒质量 HSM 0.537** 0.404**
    球果长 CL −0.011 0.039 0.039
    球果宽 CD −0.036 −0.048 0.040 0.541**
    球果质量 CM −0.077 0.393** 0.065 0.561** 0.484**
    每层鳞片数 NSPL −0.074 −0.337** −0.019 0.313** 0.485** 0.053
    针叶长 NL −0.070 −0.164* −0.271** 0.010 0.119 −0.059 −0.011
    针叶宽 ND −0.128 −0.012 −0.077 −0.041 −0.089 0.018 −0.193** 0.098
    针叶厚 NT −0.138 0.003 −0.070 −0.082 −0.067 0.005 −0.206** 0.128 0.861**
    针叶束粗 FW −0.145 −0.110 −0.057 −0.014 −0.020 −0.007 −0.158* 0.128 0.847** 0.809**
    针叶长/针叶厚
    NL/NT
    0.096 −0.126 −0.087 0.091 0.172* −0.020 0.176* 0.528** −0.600** −0.684** −0.513**
    针叶束粗/针叶厚
    FW/NT
    0.062 −0.177* 0.041 0.075 0.093 −0.043 0.102 −0.008 −0.194** −0.459** 0.095 0.477**
    注:*表示相关性达显著水平(P< 0. 05)。下同。
    Note: * means correlation is significant at P <0. 05 level. Same as below.
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    表  7  天然红松居群各表型性状与环境因素的相关性

    Table  7.   Correlations between phenotypic traits and environmental factors in natural P. koraiensis populations

    环境因素
    Environment factor
    种长
    SL
    种宽
    SD
    百粒质量
    HSM
    球果长
    CL
    球果宽
    CD
    球果质量
    CM
    每层鳞片
    数量
    NSPL
    针叶长
    NL
    针叶宽
    ND
    针叶厚
    NT
    针叶束粗
    FW
    针叶长/
    针叶厚
    NL/NT
    针叶束粗/
    针叶厚
    FW/NT
    经度 Longitude 0.113 0.671 0.006 −0.225 −0.361 0.811 −0.932** −0.154 0.797 0.815* 0.568 −0.610 −0.592
    纬度 Latitude −0.422 −0.107 0.208 0.580 0.264 0.195 −0.499 −0.179 0.803 0.807 0.903* −0.545 0.280
    海拔 Altitude 0.474 −0.098 −0.076 −0.594 −0.312 −0.480 0.628 0.011 −0.844* −0.882* −0.889* 0.507 −0.041
    无霜期
    Frost-free season
    0.086 0.733 −0.040 −0.033 −0.051 0.934** −0.827* 0.176 0.581 0.652 0.373 −0.309 −0.672
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    表  8  天然红松居群各表型性状的主成分分析

    Table  8.   Principal component analysis of phenotypic traits of natural P. koraiensis populations

    项目
    Item
    主成分Ⅰ
    Component Ⅰ
    主成分Ⅱ
    Component Ⅱ
    主成分Ⅲ
    Component Ⅲ
    主成分Ⅳ
    Component Ⅳ
    主成分Ⅴ
    Component Ⅴ
    特征值 Eigenvalue 3.45 2.22 2.19 1.31 1.18
    贡献率 Contribution rate/% 26.50 17.10 6.88 10.11 9.10
    累计贡献率 Cumulative contribution rate/% 26.50 43.60 60.48 70.59 79.69
    种长 SL −0.19 0.61 −0.29 0.38 0.21
    种宽 SD 0.02 0.78 −0.21 0.20 −0.30
    百粒质量 HSM −0.10 0.69 −0.22 0.13 0.41
    球果长 CL −0.22 0.30 0.74 −0.03 −0.03
    球果宽 CD −0.28 0.18 0.79 0.00 0.05
    球果质量 CM −0.10 0.56 0.59 0.05 −0.29
    每层鳞片数量 NSPL −0.36 −0.14 0.52 −0.33 0.33
    针叶长 NL −0.04 −0.43 0.23 0.70 −0.38
    针叶宽 ND 0.89 0.00 0.23 0.20 0.13
    针叶厚 NT 0.94 0.03 0.20 0.09 −0.05
    针叶束粗 FW 0.81 −0.09 0.28 0.31 0.34
    针叶长/针叶厚 NL/NT −0.80 0.30 0.03 0.47 −0.11
    针叶束粗/针叶厚 FW/NT −0.41 −0.19 0.06 0.38 0.63
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    表  9  天然红松居群的多性状综合评价

    Table  9.   Comprehensive evaluation of multiple traits of natural P. koraiensis populations

    种实性状 Fruit trait针叶性状 Needle trait
    居群 PopulationQi居群 PopulationQi
    P31.983P51.986
    P51.973P21.932
    P21.928P11.895
    P61.916P61.893
    P11.895P41.885
    P41.872P31.863
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-08
  • 修回日期:  2020-11-14
  • 网络出版日期:  2021-04-08
  • 刊出日期:  2021-04-30

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