簸箕柳F1雜交群體材性性狀表型變異的研究

國增超，郭 煒，侯 靜，尹佟明，陳贏男

(南京林業(yè)大學 江蘇省楊樹品質(zhì)改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室, 江蘇 南京 210037)

簸箕柳F1雜交群體材性性狀表型變異的研究

國增超，郭 煒，侯 靜，尹佟明，陳贏男

(南京林業(yè)大學 江蘇省楊樹品質(zhì)改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室, 江蘇 南京 210037)

以簸箕柳F1雜交群體為材料，對132個子代的木材基本密度，木材纖維素、半纖維素及木素含量進行了測定，并對所得數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明：木材的纖維素平均含量為53.19%，變異范圍為47.91%～57.00%；木質(zhì)素平均含量為14.20%，變異范圍為12.28%～16.43%，半纖維素的平均含量為19.80%,變異范圍為16.52%～23.76%，木材基本密度為0.392 6 g/cm3，變異范圍為0.241 6 g/cm3～0.504 4 g/cm3。結(jié)果顯示上述性狀在雜交子代中有較大的變異幅度。對上述性狀的表型值進行Anderson-Darling正態(tài)分布檢驗，并利用BOX-COX公式對不符合正態(tài)分布的表型性狀進行了正態(tài)轉(zhuǎn)換。結(jié)果顯示，所有性狀表型值均符合或可以轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布，可以作為典型的數(shù)量性狀做進一步的數(shù)量性狀遺傳位點定位分析。另外，研究結(jié)果還顯示簸箕柳木材中，半纖維素含量與纖維素及木質(zhì)素含量之間呈極顯著負相關(guān)；木材基本密度與纖維素含量呈極顯著正相關(guān),而與半纖維素含量呈顯著負相關(guān)。

簸箕柳；F1雜交群體; 基本密度；纖維素；半纖維素；木質(zhì)素

木材是一種重要的可再生和持續(xù)利用的資源，不僅提供了重要的工業(yè)用材，也是生物能源物質(zhì)及其它許多化學產(chǎn)品的重要原料。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素是木材的主要化學成分。纖維素和半纖維素為多糖類物質(zhì)，占木材干重的65%～75%，對生物能源轉(zhuǎn)化和制漿造紙過程及產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響。木質(zhì)素是由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的具三維結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物。它在自然界中不單獨存在，而是與纖維素、半纖維素結(jié)合在一起。木質(zhì)素的含量影響著木材的結(jié)構(gòu)和功能，增加木質(zhì)素含量會提高木材的硬度和耐用性，然而，在生物能源轉(zhuǎn)化及制漿造紙過程中，木質(zhì)素卻是需要被去除的成份，木質(zhì)素含量高會增加能耗，并在處理過程中帶來污染[1-2]。因此木材主要化學成分含量對木材的用途有著重要影響。對決定木材化學成分含量的遺傳基礎(chǔ)展開研究，是木材品質(zhì)改良的一個重要內(nèi)容。

林木數(shù)量性狀基因定位是林木遺傳育種研究過程中的一個重要方面，利用與目標性狀緊密連鎖的遺傳標記，對目標性狀進行選擇，可實現(xiàn)早期選擇提高育種效率，對加快林木重要性狀遺傳改良具有重要意義[3-4]。木材密度及其化學組分含量直接關(guān)系到木材品質(zhì)的好壞以及經(jīng)濟效益的高低，是衡量木材質(zhì)量及確定木材用途的重要指標[5-6]。目前有多種間接方法可以對木材化學組分含量進行快速測定，但都需要利用直接測定法對部分樣品進行定量，在繪制出標準曲線的基礎(chǔ)上才能進行其它樣品化學組分的含量預測，往往測定結(jié)果誤差較大。1963年，Van Soest等人發(fā)明的范式纖維測定法能分別測出纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素的真實含量。在測定過程中，樣品的纖維素幾乎沒有損失,并且與常規(guī)方法相比,避免了堿處理過程中導致測定值變異性大、重現(xiàn)性差的缺點[7-8]。雖然這一方法比較費時、耗力，但測定的是相關(guān)化學組分的真實含量。與間接測定法相比，范式法是測定木材化學組分含量的更為可靠方法。

以往開展的木材分子遺傳學基礎(chǔ)研究主要以草本植物為主[9-10]，以木本植物為材料開展的研究相對較少。然而木材是木本植物所特有的，針對木材開展的遺傳基礎(chǔ)研究需要以木本植物做為研究對象[1]。由于大部分木本植物的生長周期長,個體高大，雜交困難，難以開展大規(guī)模的田間實驗[11]，因而限制了以木本植物材料開展木材性狀遺傳解析研究的進展。簸箕柳為原產(chǎn)我國的小灌木，一般雜交當年即可開花，世代周期短，容易雜交，同時個體較小，容易對大的雜交群體開展大規(guī)模田間實驗[12]，從而提高木材性狀遺傳解析的準確性。簸箕柳是發(fā)現(xiàn)控制木材性狀主效遺傳位點的理想材料。本文以簸箕柳F1雜交子代為實驗材料，應(yīng)用范式測定法對木材化學成分中的纖維素、半纖維素及木素含量進行了測定，同時利用排水法對雜交子代的木材基本密度進行了測定。本研究旨在揭示上述性狀的表型變異情況，并為進一步開展相關(guān)性狀的遺傳解析提供表型數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及樣品制備

供試材料雜交親本2009年采自于江蘇新沂。2010年采用切枝雜交構(gòu)建了F1代群體，共獲得742株雜交子代，種植于江蘇泗洪陳圩林場。本研究隨機選取了其中的132個個體進行了木材基本密度及木材纖維素、半纖維素及木素含量測定。材料取樣從植株基部截取5 cm左右的小木段進行基本密度的測定。將其余部分于103±2℃條件下干燥至恒重后切成小木條，混合后置于微型植物粉碎機中粉碎，過18目篩,放于自封袋中保存，備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 木材基本密度的測定

采用排水法對木材的基本密度進行測定[13]。將試樣在蒸餾水中浸泡至飽和，測定出飽和水體積后，再將試樣烘至恒重作為樣品絕對干重。按公式：ρy=m0/Vmax計算，其中ρy為木材基本密度(g/cm3)；m0為木材絕干時的質(zhì)量(g)；Vmax為試樣飽和水分時的體積（cm3）。

1.2.2 木材化學成分的測定

將前述粉碎過篩后的木粉充分混勻后, 準確稱取1 g（精確至0.000 1 g）樣品，采用Van Soest測定法利用FIWE6型纖維測定儀對樣品的纖維素、半纖維素及木素含量進行測定[14-16]。樣品置于已稱重的玻璃坩堝中，將100 mL中性洗滌劑、0.5 g亞硫酸鈉和3～5滴正辛醇加入坩堝。在中性洗滌劑作用下加熱至沸騰后回流60分鐘，用沸水清洗3次并用丙酮清洗2次后過濾，將剩余的殘渣于105℃烘箱中干燥至恒重，放干燥器中冷卻30 min，稱重，得到中性洗滌纖維的重量。然后將上述殘渣在酸性洗滌劑的作用下加入3～5滴正辛醇按與上述同樣的方法進行處理后，對所剩殘渣進行稱重,得到酸性洗滌纖維的重量。在室溫下將30 mL的72%硫酸加入到上述殘渣中，進行冷抽提3小時。用開水過濾并清洗4次，在105℃下干燥至恒重，放干燥器中冷卻30 min，稱重，得到酸性洗滌木質(zhì)素的重量，然后放入馬氟爐在550℃條件下灰化2.5小時，待溫度降至200℃以下時取出坩堝，置干燥器中冷卻至室溫后稱重得到酸不溶灰分的重量。用以下公式計算不同化學組分的含量：

式中：NDF為中性洗滌纖維的含量，ADF為酸性洗滌纖維的含量，ADL為酸性洗滌木質(zhì)素的含量，AIA為酸不溶灰分的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材基本密度及不同化學組分含量變異分析

在林木遺傳育種的過程中，材性性狀是重要的改良目標，對材性變異的研究是進行材性改良的重要基礎(chǔ)和先決條件。本研究對測定的木材密度及化學成分含量進行了統(tǒng)計分析，各性狀的平均值、變異系數(shù)等列于表1。從表中可以看出，雜交群體個體間各性狀的變異情況，如纖維素含量的變異幅度為47.91%～57.00%,極差為9.09%；半纖維素含量的變異幅度16.52%～23.76%,極差為7.24%；木質(zhì)素含量的變異幅度12.28%～16.43%,其極差為4.15%。物理性狀木材密度的變異幅度為0.2416 g/cm3～0.5044 g/cm3，其極差為0.2628 g/cm3。所測性狀的平均數(shù)和中位數(shù)都非常接近，說明表型數(shù)據(jù)可能呈正態(tài)分布。

2.2 性狀正態(tài)分布檢驗及相關(guān)分析

數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布,對于選用合適的數(shù)學模型進行數(shù)量性狀基因位點遺傳解析有顯著影響[17-18]。本研究對性狀表型值的分布特征進行Anderson-Darling正態(tài)分布檢驗[19-20]。從正態(tài)概率圖來看（圖1），基本密度與半纖維素的AD值都小于判定閾值0.751，服從正態(tài)分布；纖維素與木質(zhì)素含量的AD值都大于判定閾值0.751, 不符合正態(tài)分布，我們進一步對這兩個性狀進行了Box-Cox正態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)正態(tài)轉(zhuǎn)換后，纖維素及木質(zhì)素含量的AD值都小于判定閾值0.751，所以這兩個性狀的表型值都可以轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布。

表1 簸箕柳F1群體木材化學成分及基本密度變異分析Table 1 Variance analysis of wood chemical components and basic density for progeny of a F1 pedigree of Salix suchowensis

圖1 F1群體材性性狀的正態(tài)概率Fig.1 Normal probability of wood characteristics for progeny of a F1 pedigree

根據(jù)性狀之間的相關(guān)關(guān)系，可明確對目標性狀有影響的其它性狀[21]，我們對上述性狀展開了相關(guān)分析，各性狀之間的相關(guān)系數(shù)如表2所示。從表中可以看出，木材半纖維素含量與纖維素及木質(zhì)素含量之間為極顯著的負相關(guān)關(guān)系；木材基本密度與纖維素含量為極顯著正相關(guān),與半纖維素含量為顯著負相關(guān)，而與木質(zhì)素含量的相關(guān)不顯著。因此，簸箕柳木材基本密度主要受纖維素與半纖維素含量的影響。在實踐中，我們可以通過檢測木材密度來選擇纖維素含量較高的簸箕柳新品系。

3 討 論

圖2 Box-Cox轉(zhuǎn)換后性狀正態(tài)概率Fig.2 Normal probability of wood characteristics after the Box-Cox transformation

表2 各材性性狀間的相關(guān)分析?Table 2 Correlation analysis between characteristics of wood

材性是林木育種的重要改良目標之一。林木生長周期長，早、晚材變化大，很難進行材性性狀的遺傳解析研究[22-23]。而簸箕柳世代周期短，是開展材性性狀遺傳解析的理想材料。木材基本密度和木材主要化學組分含量是影響材性和木材用途的主要指標[24]。本文利用排水法和范氏測定法對簸箕柳全同胞F1雜交群體的132株個體的上述指標分別進行了測定，我們的研究結(jié)果可以很好的反映上述表型性狀在雜交子代中的變異情況。表型性狀的分布檢驗顯示，上述性狀都符合或可以轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布，可以作為典型的數(shù)量性狀開展QTL定位分析[25-26]。目前關(guān)于木材形成遺傳機制的研究，都是采用草本植物的研究結(jié)果，然后在木本植物中對相關(guān)基因開展同源克隆，并研究它們對木本植物木材形成的影響[27-29]。由于木材是木本植物所特有的，上述研究策略存在固有的缺點，無法取得原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。如果我們以木本植物為研究對象，在發(fā)現(xiàn)并克隆影響木材材性主效基因的基礎(chǔ)上開展進一步的研究，有望在木材形成遺傳機制研究方面取得突破性進展。本研究首次利用直接測定法對木本植物雜交群體的大量子代進行了主要化學組分含量測定，為在簸箕柳中定位控制上述性狀的遺傳位點提供了表型數(shù)據(jù)信息，也為將來開展相關(guān)基因克隆提供了重要的前期基礎(chǔ)。

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Phenotypic variation of wood properties in a F1pedigree of Salix suchowensis

GUO Zeng-chao, GUO Wei, HOU Jing, YIN Tong-ming, CHEN Ying-nan
(Jiangsu Key Lab. Poplar Germplasm Enhancement and Variety Improvement, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China)

By taking a F1pedigree of Salix suchowensis as the tested materials, the basic density and chemical compositions (content of cellulose, hemicellulose and lignin) of 132 progeny in a F1pedigree of Salix suchowensis were measured, and the measured data were statistically analyzed. The results show that the average content of cellulose, hemicellulose and lignin were 53.19%, 19.80% and 14.20%respectively and their variation ranges were 47.91%～57.00%, 12.28%～16.43%, and 16.52%～23.76% respectively; the basic wood density was 0.392 6 g/cm3, ranging from 0.241 6 g/cm3to 0.504 4 g/cm3, the wood properties stated clearly that the aforementioned traits varied with a larger variation range among the progeny of the F1pedigree of Salix suchowensis; the phenotypic values above wood properties were tested by Anderson-Darling distribution function, and the phenotypic data of the above traits that didn’t meet the normal distribution were transformed with BOX-COX function formulae; all phenotypic data could be transformed into normal distribution,therefore, these traits are appropriated for quantitative trait loci analysis. In addition, the correlation analysis among the above traits show that the the hemicellulose content was negatively correlated with cellulose and lignin contents, whereas the basic wood density was positively correlated with the cellulose content, and was negatively correlated with the hemicellulose content.

Salix suchowensis; F1pedigree; basic density; cellulose; hemicellulose; lignin

S781.4

A

1673-923X(2014)02-0062-04

2013-05-09

林業(yè)公益性行業(yè)重大科研專項（201304102)及973項目（2012CB114505）

國增超（1987-），男，山東壽光人，碩士，主要從事木材材性的研究； E-mail: rmcqh242526@163.com

尹佟明，教授，博士，研究方向：林木遺傳育種

[本文編校：吳 彬]