植物表型性状反映了基因型对环境变化的适应，在长期的压力选择中发生不可逆变化，经稳定遗传后产生新表型，因此表型变异往往在适应和进化上有重要意义^[1]。种实性状表型变异不仅决定着物种的扩散能力和种群的分布格局，也是人类开发利用的重要经济性状^[2]，在林木良种选育^[3]中具有重要意义。目前，对于植物表型变异的研究主要集中在两方面^[4]，对于重要的经济性状，侧重于遗传分析，寻找具优良性状的遗传材料，为遗传改良奠定基础；在生态上较重要的性状主要从地理环境上开展相关研究，注重探究物种的适应性。

无患子(Sapindus mukorossi Gaertn.)为无患子科(Sapindaceae)落叶大乔木，在我国南方地区广泛分布^[5]。无患子又称“肥皂树”，其果皮皂苷含量达10.76%^[6]，具有良好的起泡性和去污能力，是天然的环境友好型洗涤剂^[7]，此外，无患子种仁含油率达42.7%^[8]，不饱和脂肪酸含量达86.63%，为重要的生物质能源树种^[9]。近年来，随着生物质产业的发展，无患子作为新兴工业原料树种越来越受到关注，从事无患子大规模性种植的企业也相继增加。因此，为规范无患子原料林的培育利用活动，国家林业局印发了《无患子原料林可持续培育指南》([2012]129号)^[10]。

目前对无患子的研究多集中在化学成分及其提取工艺^{[8, 11]}、医药应用^{[12, 13]}、组织培养^{[14, 15]}和主要经济性状变异^[16]等方面，关于无患子天然群体种实表型多样性的系统研究未见报道，良种选育及原料林培育技术尚处于起步阶段，这在一定程度上制约了无患子新兴生物质产业的发展。本文通过对无患子天然分布区内13个群体种实表型性状的研究，旨在揭示无患子群体间和群体内种实变异式样，为无患子种质资源收集、遗传改良和保育提供理论参考。

在样地调查的基础上，于2009年秋季果实成熟期完成无患子13个主要天然群体果实采集工作。野外取样时，要求同一群体采样单株间距25 m以上，尽量避免株间亲缘关系。于每个单株阳面树冠的中上部位选择3—5个生长发育良好的结果枝，收获果枝上的全部果实，满足果实数量不少于60个。根据取样群体的大小，每个群体分别采集13—28棵单株，共271棵。取样群体的地理位置和生态因子见表 1。

选择遗传相对稳定、易于获得和测量的表型性状，包括果实质量(FW)、果实纵径(FV)、果实横径(FH)、种子质量(SW)、种子纵径(SV)和种子横径(SH)；分别计算果实、种子的纵径与横径的比值，记为果实形态指数(FV/FH)和种子形态指数 (SV/SH)；计算果实、种子的纵径与横径的乘积值，分别记为果实大小指数(FV×FH)、种子大小指数(SV×SH)。以上共计选取10个种实性状，其中纵径指果实或种子基部至顶部距离的测量值。

采集的果实经自然风干后，根据GB/T3543.7—1995百粒四分法每单株随机抽取30粒果实，用电子游标卡尺(精度0.01 mm)测量每个果实的纵径和横径，并用1/1000电子天平分别称取质量，重复6次。果实性状称测后，剥离果皮，按照同样方法分别测定种子纵径、横径及其质量。

采用巢式方差分析研究无患子种实性状变异^[17]，线性模型为Y_ijk=μ+P_i+T_i(j)+e_(ij)k，其中Y_ijk为第i群体第j个个体第k个观测值，μ为总均值，P_i为第i个群体的效应值(固定)，T_j(i)为第i个群体内的第j个个体的效应值(随机)，e_ijk为试验误差。

计算种实性状的均值、标准差、变异系数(CV)和表型分化系数(V_st)，其中变异系数(CV)＝标准差/均值，表型分化系数V_st=σ²t/s/(σ²t/s+σ²s)，σ²t/s、σ²s分别为群体间、群体内方差值。利用变异系数(CV)表征性状变异的离散程度，V_st值可以近似解释种群间分化大小^[18]。

利用相关分析法计算种实性状与地理生态因子间的pearson相关系数，并对性状进行主成分分析，采用方差最大化正交旋转方法，按照累计贡献率大于85%且特征根大于 1 为提取主成分的标准^[19]。

数据处理利用EXCEL2010和SPSS18.0软件完成。

从表 2可知，除果实大小指数性状外，其它9个种实性状在不同群体间的差异均呈极显著水平(P<0.01)，而在群体内仅有果实质量、果实纵径和种子形态指数的差异性达到极显著水平，种子质量性状为显著差异水平(P<0.05)，其余性状在群体内均差异不显著。可见，无患子多数种实表型性状在群体间存在广泛差异，而不同性状在群体内的差异性不一致。种实性状变异的差异性既有来源于群体间、群体内遗传基础的差异，也与各种群所处生长环境的异质性有关，群体间、群体内广泛的变异为无患子种实优良类型的选育奠定了基础，也为其栽培区划提供了参考依据。

最北部的河南西峡县无患子群体果实质量均值最大，为7.12 g，与其它群体间差异显著，均值最小的则来自中部群体湖北武汉，仅为2.68 g，武汉群体果实纵径、横径均值在各群体中亦为最小，差异显著；而各群体中果实纵径、横径均值最大的群体分别为北部的浙江临安21.21 mm和西南部的广西龙州20.41 mm。果实形态指数均值最大的为贵州榕江群体，最小的为广西龙州群体，而果实大小指数均值最大的为浙江临安群体，最小的为湖北武汉群体。无患子种子各性状中，种子质量均值最大的群体是河南西峡1.90 g，最小的为湖北武汉0.93 g；福建建瓯群体的种子纵径、横径和大小指数均值在各群体中均为最大，而湖北武汉群体的三者性状均值均为最小。无患子各群体的种子形态指数均值均大于1，而指数值越趋向于1，说明种子形状越趋近于球形^[20]。河南西峡群体的种子形态指数均值最大为1.335，近椭圆形，与其它群体差异显著，而湖北武汉群体种子形态指数均值为1.002，最接近圆球形。

上述可见，无患子种实表型性状不同程度的表现出边缘群体易于分化的特点，从各群体的地理分布来看，多数性状的地理变化规律不连续，然而不同性状在群体间多表现为显著性差异。无患子作为重要的工业原料树种，其果实质量和种子质量在一定程度上反映了提取皂苷和油脂的潜力，河南西峡群体的果实、种子质量均值在各群体中均为最大，可考虑作为无患子种实用优良种质资源收集的重点区域。

变异系数是统计学上表示变异程度的重要指标，可以反映性状值的离散特征，数值越大说明性状的离散度越大。由表 4可见，无患子种实各性状在种群内个体间的变异大小因性状而异，种群内各性状的平均变异系数为1.16%—16.47%，10个表型性状的平均变异系数大小依次为种子大小指数(CV=16.47%)、种子质量(CV=9.81%)、果实质量(CV=9.44%)、种子横径(CV=8.24%)、种子纵径(CV=8.18%)、果实大小指数(CV=8.02%)、果实纵径(CV=4.81%)、果实横径(CV=3.75%)、果实形态指数(CV=3.54%)和种子形态指数(CV=1.16%)。无患子种实各性状平均变异系数为7.34%，其中果实的5个性状的变异系数为平均为5.92%，小于种子的5个性状的变异系数平均值8.77%，表明无患子果实表型性状的稳定性相对较高。通过对各群体种实表型性状变异系数的均值比较可知，安徽黄山和江西宜丰群体的各性状变异系数均值较大，分别为25.75%和14.78%，河南西峡群体的最小为2.30%。分别对无患子果实、种子5个性状变异系数计算均值，结果表明，江西宜丰群体的果实性状变异系数最大(CV=15.99%)，河南西峡群体最小(CV=1.64%)，反映出西峡群体果实性状稳定性较高，宜丰群体较低；安徽黄山群体种子性状变异系数最大(CV=35.78%)，浙江仙居群体最小(CV=1.12%)，反映仙居群体种子性状稳定较高，而黄山群体较低。可见，无患子果实和种子性状变异不具有同步性，而同一性状在不同群体内的变异幅度的差异性，在一定程度上表明无患子生长环境异质性可能是导致群体种实表型变异的主要原因之一。

表型分化系数与遗传分化系数相对应，表示群体间变异占遗传总变异的百分比，它反应了群体间表型分化的大小，其值越大，表明群体间的遗传分化越大，群体间的遗传变异也越大。根据巢式方差分析结果，分别计算无患子种实10个表型性状种群间、种群内的方差分量以及表型分化系数(表 4)。可见，无患子种实表型性状在种群间、种群内的平均方差分量百分比分别为39.93%和27.26%，各性状在群体间的表型分化系数变异幅度为0.98%—86.48%，其中表型分化系数最大和最小的性状分别为种子形态指数和果实形态指数，表明种子形态在种群间分化较大，而果实形态分化较小，相对稳定，这与前述性状变异系数的研究结果一致。无患子种实各性状在群体间的平均表型分化系数为62.21%，表明种实性状群体间变异大于群体内变异，种群间的种实表型多样性程度大于种群内，这反映出群体遗传与环境交互效应的复杂关系及其适应环境的程度差异，是不同环境长期选择的结果，更是群体分化的源泉^[21]。

由表 5可知，无患子果实质量、种子形态指数性状与6个地理生态因子间均表现为极显著相关(P<0.01)，其中果实质量与经度因子呈极显著正相关，且相关系数值相对较大(R=-0.027)，表明东部群体果实质量较大，而与海拔(R=-0.218)、年平均气温(R=-0.202)因子间呈极显著负相关，表明随着海拔升高、温度下降，无患子果实质量变小。种子质量与经纬度间不存在显著相关关系，而与年平均日照时数(R=0.074)、年平均气温(R=0.050)间极显著正相关，与年平均降雨量(R=-0.152)极显著负相关，表明种子质量受群体地理空间影响较小，相对稳定，在日照充足、温度相对较高的生长环境中更适于种子质量的累积，这也反映出无患子作为阳性树种的生物学特性。无患子种子形态指数与各地理生态因子间的相关性较大，其密切程度依次为年均降雨量(R=-0.629)、纬度(R=0.434)、年平均日照时数(R=0.378)、年平均气温(R=-0.291)、经度(R=-0.256)和海拔(R=-0.077)，表明种子形态受群体生长环境因子影响较大，西北部群体种子趋于椭圆形，东部、南部则趋于圆球形。各地理生态因子中，纬度、年平均气温与多数种实性状间呈显著相关关系，两者对无患子种实表型性状的影响较大，而种实性状与地理生态因子间不同的相关性，应是种实各部位对环境条件适应的外在表现。

通过对无患子10个种实表型形状进行主成分分析(表 6)，得到无患子种实性状地理变异4个特征根大于1的主成分，第一主成分(PC-1)中种子大小指数、种子横径、种子纵径、种子质量载荷度较高，主要表征的是种子性状，贡献率为55.475%；第二主成分(PC-2)中果实大小指数、果实横径、果实纵径、果实形态指数载荷度较高，主要表征的是果实性状，贡献率为12.946%；第三主成分(PC-3)中果实形态指数、果实纵径载荷度较高，贡献率为10.984%；上述3个主成分描述了无患子10个种实表型性状中约80%的变异。

根据PC-1、PC-2构建散点图，由图 1可知，无患子不同群体的地理分布对无患子种实表型性状影响较大，对种子性状(PC-1)的影响大于果实性状(PC-2)。江西上犹、浙江临安、安徽黄山、河南西峡和浙江遂昌群体的种实表型性状受地理因子影响较小，湖北武汉、江西宜丰、贵州榕江群体则受地理因子影响较大，而浙江龙泉和福建武夷山两个群体的种实表型性状具有高度一致性。种实表型性状主要受到遗传因素控制，在不同地理分布区也会因适应不同的生境而产生多样性^[22]。无患子适应性强，自然分布范围广泛，栖息环境条件差异较大，在长期的进化过程中，造成地理隔离、生境片段化和基因流隔离，都会促使一定的表型变异的产生^[23]。

图 1 基于种实表型性状(PC-1，PC-2)的无患子天然群体关系 Fig.1 The relationship among different S. mukurossi populations based on PC-1 and PC-2

图选项

对无患子13个天然群体种实表型多样性研究表明，无患子种实表型性状在群体间、群体内变异都较为丰富，这些变异多是由于遗传和环境因素共同作用的结果，群体间、群体内多层次的变异为无患子优良种质资源保育和利用提供了物质基础。

表型性状变异是物种遗传变异的表现形式，是基因型和环境条件共同作用的结果^[24]。无患子种实表型性状在群体间和群体内存在显著或极显著的差异，群体间果实性状的平均变异系数(5.91%)小于种子性状 (8.77%)，表明果实性状较种子性状稳定。相关研究表明，植物群体间的变异程度能反映其对不同环境的适应程度，变异系数越大，适应的环境条件越广^[25]；无患子种子性状平均变异系数较高，使得其适生性强，种群易于繁衍，可能是无患子在我国南方各地分布较广的原因之一。无患子果实质量、果实大小指数、种子质量和种子大小指数变异系数幅度为8.02%—16.47%，平均为10.94%，而果实和种子的纵径、横径和形态指数变异系数均值仅为4.95%，表明无患子果实、种子的质量性状变异较大，而形状相对稳定，这与对毛梾(Cornus walteri)种实表型性状的研究结果一致^[26]。

群体间的多样性变异是种内多样性的重要组成部分^[27]，反映了群体在不同环境中的适应状况，变异大小在某种程度上说明了物种对不同环境适应能力的高低^[21]。无患子群体间和群体内种实表型性状差异较大且表现不一致，变化较为复杂而不稳定。本文无患子取样群体基本涵盖其天然分布区，从西部山地到东部沿海、从热带北缘到亚热带北缘，地理生态因子差异较大，而分布广泛的种一般都表现出较高的遗传多样性^[28]，因此地理隔离造成的基因交流障碍，很可能是促使无患子不同群体间种实表型性状变异较为丰富的主要原因^[27]。

无患子种群间的变异是种实表型性状遗传变异的主要部分，其中天然群体表型分化系数(V_st)的均值为62.21%，高于皂角(Gleditsia sinensis)(20.42%)^[23]、川西云杉(Picea likiangensis)(36.53%)^[25]、毛梾(23%)^[26]和浙江柿(Diospyros glaucifolia)(40.15%)^[29]；低于山苍子(Litsea cubeba)(66.66%)^[30]、夏腊梅(Sinocalycanthus chinensis)(89.30%)^[31]、滇龙胆(Gentiana rigescens Franch.)(73.14%)^[32]等，表明种群间的表型分化程度高，这与本文对无患子变异模式的研究有相似之处。不同程度的表现出边缘群体易于分化的特点，多数性状的地理变化规律不连续。相关分析表明，无患子东部群体果实质量较大，种子质量受群体地理空间影响较小，而种子形态则受群体各地理因子影响较大，西北部群体种子趋于椭圆形，东部、南部趋于圆球形。植物种实表型的地理变异一般比较复杂，因物种而异，如川西云杉种实性状存在经度和纬度并存的变异模式^[25]，青海云杉(Picea crassifolia)呈现出以经度变异为主的梯度规律性^[33]，山苍子则表现为以年平均降雨量和海拔高度为主的变化规律^[30]，而本文研究结果表明，无患子不同地理群体间种实表型性状的变异与地理纬度和年平均气温两个主要因子密切相关。

无患子的表型变异主要存在于种群间，原因可能与无患子的繁育系统有关。相关研究认为，交配系统和基因流是影响种群遗传结构的最主要因素之一^[34]。无患子为虫媒传粉植物，有性繁殖是其种群繁衍的最主要方式，相比较风媒花粉传播的距离，无患子花粉的传播受到限制，从而导致种群间的基因流水平相对较低，增加了无患子种群间分化的可能性。除繁育系统外，植物遗传多样性与物种的地理分布范围有着密切的关联性。一般说来，环境异质性是决定物种变异的极其有利的因素，在较大的规模上看，种群间变异的量值取决于其地理和生态分布区^[35]，小种群的相互隔离和遗传漂变是导致其遗传变异大幅下降、种群间遗传分化加大的主要原因^{[34, 36]}。无患子适生性强，广泛分布于我国南方各地，以至缅甸、尼泊尔等国亦有分布，宽泛的环境异质性也是造成无患子地理群体间种实表型性状分化的重要原因。

无患子冠形优美、秋叶金黄，是我国南方地区重要的彩叶树种，同时，其果皮皂苷含量丰富、种仁油脂含量高，又为环境友好型天然洗涤剂原料树种和重要生物质能源树种。无患子自然分布跨度大，生长环境条件复杂，通过长期的地理隔离、自然选择，使得无患子群体间和群体内存在丰富的变异，这为无患子选择育种奠定了重要物质基础。目标改良性状变异几率越大，变异幅度越大，选择效果越好，因此，在无患子遗传改良工作中既要重视不同地理群体间目标性状的变异格局，也应注重对群体内重要性状的变异分析，同时综合考虑子代遗传的稳定性，提高优良种质资源的选择力度。无患子种实丰富的表型变异为其资源良种化和产业化提供了广阔的前景，但目前针对该树种的种质资源评价、良种选育、栽培管理、生产加工等更进一步的研究尚缺乏系统性，在国家倡导发展新兴生物质产业的需求下，本文研究结果对无患子种质资源收集、遗传多样性保护以及遗传改良工作具有一定的指导意义。