紅松半同胞家系變異分析及選擇研究

張秦徽 王洪武 姜國云 沈 光 王連奎 李焱龍 王 雷 王立祥 李月季 李 蕊 趙曦陽*

(1.林木遺傳育種國家重點(diǎn)實驗室東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040； 2.吉林省三岔子林業(yè)局林木良種基地管理中心，白山 134702； 3.白城市國有林場總場，白城 137000)

紅松(Pinuskoraiensis)系五針?biāo)桑瑸樗煽?Pinaceae)松屬(Pinus)常綠喬木，國家二級重點(diǎn)保護(hù)野生植物[1]，中國優(yōu)質(zhì)用材樹種，主要分布于長白山及其北部的張廣才嶺、老爺嶺、完達(dá)山和小興安嶺[2]。紅松樹形高大，干形通直，材質(zhì)優(yōu)良，易加工，廣泛應(yīng)用于家具制造、建筑等[3]，是東北地區(qū)重要的用材樹種；松籽味美，富含人體所需的多種營養(yǎng)物質(zhì)及維生素，具有較高的食用和藥用價值[4]，因此也是我國重要的經(jīng)濟(jì)樹種[5]。自“六五”開始，紅松就被列為國家科技攻關(guān)計劃課題支持樹種，科研工作者們在優(yōu)良種源選擇[6]、林分選擇[7]、無性繁殖[8]、種子園營建[9]、光合生理[10]、分子標(biāo)記[11]等方面進(jìn)行了廣泛研究，并取得一定進(jìn)展。

林木種子園是為生產(chǎn)優(yōu)良種子、按人為設(shè)計要求所營建的特種人工林，最早可追溯到1880年[12]。我國紅松種子園營建工作始于20世紀(jì)80年代，按種源區(qū)劃選擇種源或優(yōu)樹，以穗條嫁接的方式在紅松分布區(qū)內(nèi)營建了20多個紅松無性系種子園，為后期紅松的遺傳改良提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[13]。由于紅松生長相對較慢，這些種子園目前大都處在初級種子園階段，存在遺傳增益低、種子產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題，不能滿足東北林區(qū)生產(chǎn)用種的實際需要[14]，因而需進(jìn)行子代測定以及優(yōu)良家系和單株選擇來建立改良代種子園和二代種子園，以實現(xiàn)對紅松的遺傳改良。

研究生長性狀的遺傳變異是篩選優(yōu)良群體及個體的重要內(nèi)容。林木樹種的生長性狀研究較多，國內(nèi)外均有報道。如Doran等人[15]用17個楊樹無性系進(jìn)行對比試驗，對4年、6年和8年生的樹高、胸徑和材積進(jìn)行了分析，估算遺傳參數(shù)，進(jìn)而篩選出應(yīng)用前景較好的楊樹無性系；張正剛等人[16]對7年生日本落葉松自由授粉家系的樹高、胸徑和冠幅等生長性狀進(jìn)行了測定，研究不同家系遺傳變異，篩選出二代優(yōu)樹群體，作為日本落葉松高世代種子園的建園材料。本研究以吉林省三岔子林業(yè)局國家紅松良種基地的53個28年生紅松半同胞家系為材料，對其生長性狀和形質(zhì)性狀的遺傳變異進(jìn)行分析評價，并選出優(yōu)良家系和單株，以期為改良代種子園的營改建提供理論依據(jù)及造林生產(chǎn)應(yīng)用提供優(yōu)良種質(zhì)材料，也為紅松育種群體的建立及推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點(diǎn)與材料

子代測定林位于吉林省三岔子林業(yè)局國家紅松良種基地(E126°56′，N41°95′)，該地海拔520 m，年均溫2.5℃，年降水量725.5 mm，年日照時數(shù)2 300 h，無霜期110 d。試驗材料共53個家系，其中52個家系來源于吉林省露水河林業(yè)局天然林母樹林中的紅松優(yōu)樹種子，1990年春季育苗，培育4年，苗齡型為S2-2，1995年春季選擇試驗地營建子代測定林。利用當(dāng)?shù)胤N子作為對照，具體編號見表1。試驗地采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，6株小區(qū)，5個區(qū)組，株行距為2 m×3 m，周邊設(shè)置保護(hù)行。

1.2 試驗方法

于2017年10月對28年生的紅松半同胞子代測定林的樹高、地徑、胸徑、三米徑、枝下高和第六輪枝高等生長性狀及通直度、分枝角和輪枝數(shù)等形質(zhì)性狀進(jìn)行全林調(diào)查。利用Vertex Ⅳ測高儀測量樹高、枝下高和第六輪枝高；利用測樹鋼圍尺測量地徑、胸徑和三米徑；利用量角器測量分枝角；利用分級法[17]確定通直度。

利用實驗形數(shù)法[18]計算材積(V)：

V=(H+3)g1,3f

(1)

式中：紅松平均實驗形數(shù)f為0.33，H為樹高，d為胸徑，g1.3為胸高處橫斷面積。

方差分析線性模型為：

Xi=μ+Bi+F+Fiji+Meiji

(2)

式中：μ為總體平均值，Bi為區(qū)組效應(yīng)，F(xiàn)為家系效應(yīng)，F(xiàn)iji為區(qū)組和家系的交互作用，Meiji為機(jī)誤。

遺傳力采用公式[19～20]：

家系遺傳力(H2)：

(3)

(4)

變異系數(shù)采用公式[21]：

表型變異系數(shù)(PCV)：

(5)

遺傳變異系數(shù)(GCV)：

(6)

采用布雷金多性狀綜合評價法[22]對家系及家系內(nèi)單株進(jìn)行綜合評定，采用公式：

(7)

式中：ai=Xij/Xjmax，Xij為某一性狀的平均值，Xjmax為某一性狀的最優(yōu)值。

家系現(xiàn)實增益估算公式[23]：

(8)

單株遺傳增益估算公式[24]：

(9)

一般配合力采用公式[25]：

g=x-μ

(10)

式中，g為親本的一般配合力，x為親本的某個交配組合在某個性狀的子代平均值，μ為這個性狀所有組合的子代總平均值。

所有數(shù)據(jù)利用SPSS19.0軟件進(jìn)行分析[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 各性狀方差分析

53個家系各性狀方差分析結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，通直度在家系間、分枝角在區(qū)組間及家系和區(qū)組的交互作用間、枝下高在家系間以及輪枝數(shù)在區(qū)組間的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)；第六輪枝高在家系間以及輪枝數(shù)在家系和區(qū)組的交互作用間的差異顯著(0.01

表2 不同家系各性狀方差分析表

表3 不同家系各性狀變異系數(shù)

2.2 各性狀遺傳變異分析

53個家系樹高、地徑和胸徑等5個生長性狀及通直度、分枝角和輪枝數(shù)等形質(zhì)性狀變異參數(shù)見表3。所有家系樹高平均值為7.60 m，變幅為4.80～11.00 m；地徑的平均值為21.81 cm，變幅為12.70～32.80 cm；胸徑的平均值為16.38 cm，變幅為7.50～24.80 cm；三米徑的平均值為13.60 cm，變幅為5.00～21.60 cm；材積的平均值為0.077 0 m3，變幅為0.0127～0.1903 m3；通直度的平均值為3.94，變幅為1～5；分枝角平均值為78.08°，變幅為48°～90°；枝下高平均值為2.11 m，變幅為1.00～4.00 m；第六輪枝高平均值為4.54 m，變幅為3.00～9.00 m；輪枝數(shù)的平均值為5.56個，變幅為2.40～11.20個。

各性狀表型變異系數(shù)變化范圍為6.97%～37.39%，除分枝角外，其余各性狀表型變異系數(shù)均超過10%；其中材積的表型變異系數(shù)最大，為37.39%。遺傳變異系數(shù)變化范圍為1.77%～26.75%。除通直度、枝下高和第六輪枝高外，其余各性狀的家系遺傳力較高，部分性狀遺傳力超過0.7。從單株遺傳力來看，地徑、胸徑、三米徑和材積的單株遺傳力較大，均超過0.7。

2.3 各性狀相關(guān)性分析

各性狀間相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可知，從生長性狀來看，樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積各性狀之間均達(dá)極顯著正相關(guān)水平，其中地徑、胸徑、三米徑和材積各性狀間相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均超過0.9。從形質(zhì)性狀來看，通直度與分枝角達(dá)正相關(guān)(0.010)，與輪枝數(shù)達(dá)極顯著正相關(guān)(0.219)；分枝角和輪枝數(shù)呈正相關(guān)(0.036)。對比生長性狀和形質(zhì)性狀，通直度與樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積均呈正相關(guān)關(guān)系，其中與樹高和三米徑達(dá)極顯著正相關(guān)水平，與材積達(dá)顯著正相關(guān)水平(0.054)；分枝角與地徑、胸徑、三米徑和材積表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，與樹高表現(xiàn)為正相關(guān)(0.006)；輪枝數(shù)與樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)水平。

2.4 各性狀一般配合力分析

各性狀一般配合力見表5。由表5可知，樹高一般配合力變化范圍為-0.598 6～0.971 4，地徑一般配合力變化范圍為-4.462 5～5.267 5，胸徑一般配合力變化范圍為-3.466 4～4.414 0，三米徑一般配合力變化范圍為-3.283 6～4.066 4，材積一般配合力變化范圍為-0.030 6～0.054 7，通直度一般配合力變化范圍為-0.602 8～0.497 2，分枝角一般配合力變化范圍為-6.201 9～6.498 1，枝下高一般配合力變化范圍為-0.167 2～0.269 6，第六輪枝高一般配合力變化范圍為-0.398 9～0.907 8，輪枝數(shù)平均值一般配合力變化范圍為-1.095 7～1.017 6。其中家系115各性狀一般配合力均較高，其親本可選作優(yōu)良親本材料。

2.5 各性狀主成分分析

各性狀主成分分析結(jié)果見表6。由表6可知，主成分Ⅰ特征值為4.36，貢獻(xiàn)率為43.56%，樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等性狀特征值較高，分別為0.74、0.93、0.96、0.95和0.98；主成分Ⅱ特征值為1.74，貢獻(xiàn)率為17.39%，枝下高和第六輪枝高等性狀特征值較高，分別為0.78和0.84；主成分Ⅲ特征值為0.14，貢獻(xiàn)率為11.36%，通直度和輪枝數(shù)平均值等性狀特征值較高，分別為0.71和0.69。三個主成分的累計貢獻(xiàn)率為72.31%，包含了供試家系生長及形質(zhì)性狀的大部分信息。

表4 不同家系各性狀相關(guān)性分析

注：**極顯著相關(guān)水平(P<0.01)；*顯著相關(guān)水平(P<0.05)

Note:**means correlation is significant at the 0.01 level;*means correlation is significant at the 0.05 level

表6 各性狀主成分分析

表7 不同家系Qi值

2.6 優(yōu)良家系選擇

依據(jù)主成分分析結(jié)果，以樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等生長性狀為選擇指標(biāo)對53個半同胞家系進(jìn)行綜合評價，各家系Qi值見表7。按家系材積現(xiàn)實遺傳增益在35%以上，兼顧樹高、地徑、胸徑和三米徑對家系進(jìn)行評價選擇，家系115、117、138、133和112入選，入選率為10%，入選家系樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等性狀平均值分別為7.90 m、25.02 cm、19.21 cm、16.23 cm和0.107 4 kg·m-3，現(xiàn)實增益分別為3.94%、14.71%、17.26%、19.34%和39.48%。

2.7 單株選擇

依據(jù)主成分分析結(jié)果，以樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等生長性狀為選擇指標(biāo)對優(yōu)良家系內(nèi)的單株進(jìn)行評價選擇，各單株Qi值見表8。以單株材積遺傳增益超過100%為標(biāo)準(zhǔn)，兼顧樹高、地徑、胸徑和三米徑對優(yōu)良家系內(nèi)單株進(jìn)行評價選擇，共獲得6株優(yōu)良單株，入選率為6%，入選優(yōu)良單株樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積平均值比總平均值分別高1.60 m、8.54 cm、7.04 cm、6.69 cm和0.097 kg·m-3，單株遺傳增益分別為5.99%、29.92%、35.53%、37.06%和102.04%。

表8 不同單株Qi值

3 討論

遺傳和變異是林木育種研究的主要內(nèi)容[27]，對變異來源、特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識是進(jìn)行樹種改良的重要基礎(chǔ)[28]。本研究對28年生的紅松優(yōu)樹子代半同胞家系的方差分析結(jié)果顯示，家系間大部分性狀均達(dá)極顯著差異水平，表明母樹林后代具有較大的分化[29]，與王順安等[30]對日本落葉松的子代分析結(jié)果一致，有必要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)良家系的評價選擇。

變異系數(shù)是衡量群體變異程度大小的指標(biāo)，它能反映樹體各性狀的遺傳變異能力，包括表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)[21]。變異程度高，有利于進(jìn)行優(yōu)良家系選擇[31]。本研究中材積表型變異系數(shù)最大，達(dá)到37.39%；胸徑表型變異系數(shù)為16.30%；樹高的表型變異系數(shù)較小，為10.80%，這與李自敬對23年生長白落葉松研究結(jié)果較為相似[32]，表明以材積作為選擇指標(biāo)進(jìn)行家系選擇更具有選擇潛力。三個性狀的遺傳變異系數(shù)占表型變異系數(shù)的比例較大，均超過70%，比馬尾松(Pinusmassoniana)研究結(jié)果高[33]，說明家系間變異受遺傳因素的影響較大，為優(yōu)良家系的選擇提供了基礎(chǔ)。

遺傳力表示親本某一性狀遺傳給子代能力的大小，是估算遺傳增益的重要參數(shù)[34]。本研究中樹高、胸徑和材積家系遺傳力均高于宋云平等人對27年生紅松的研究結(jié)果[35]，部分性狀的家系遺傳力超過0.7，屬高遺傳力，表明所選材料各性狀能較為穩(wěn)定遺傳，有利于進(jìn)行優(yōu)良家系的評價選擇[36]。本研究中各性狀的單株遺傳力變化范圍為0.031～0.827，其中樹高單株遺傳力為0.285，與張振等對25年和27年生的紅松研究結(jié)果相似[37]；胸徑和材積的單株遺傳力達(dá)到0.8以上，比侯義梅對15年生的日本落葉松研究結(jié)果偏高[38]。單株遺傳力較高，可在家系內(nèi)進(jìn)行優(yōu)良單株的篩選，為二代種子園的營建提供建園材料。本研究中各性狀家系遺傳力均高于單株遺傳力，比Magnussen對白云杉(Piceaglauca)的研究結(jié)果偏高[39]，表明各性狀在單株水平上的遺傳能力弱于家系，家系在各性狀的遺傳差異具有更穩(wěn)定的遺傳能力。

林木改良過程中，通常希望綜合性狀得到改良，所以性狀之間相關(guān)性至關(guān)重要[40]，相關(guān)性分析可以反映各性狀之間存在的聯(lián)系，為多性狀聯(lián)合控制育種提供參考[41]。本研究中的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，從生長性狀來看，樹高、胸徑和材積等性狀之間均達(dá)極顯著正相關(guān)水平，這與Liang等對32年紅松無性系研究結(jié)果相似[42]，其中胸徑與材積相關(guān)性較大，相關(guān)系數(shù)超過0.9，表明樹高和胸徑不是獨(dú)立遺傳的兩個性狀。從形質(zhì)性狀來看，通直度與分枝角呈正相關(guān)，表明樹干的生長勢強(qiáng)于樹枝，樹枝側(cè)向生長。結(jié)合生長性狀和形質(zhì)性狀，通直度與樹高、三米徑達(dá)極顯著正相關(guān)水平，與材積達(dá)顯著正相關(guān)水平，為長勢和干型優(yōu)良的優(yōu)樹選擇提供依據(jù)。

配合力是林木育種工作的研究內(nèi)容之一，其大小與具體性狀有關(guān)，反映親本優(yōu)良性狀傳遞給子代的相對能力[43]。本研究對53個半同胞家系各性狀進(jìn)行一般配合力分析，除家系115各性狀一般配合力均較高，其親本可作為優(yōu)良親本材料外，不同性狀一般配合力高的家系差異較大，難以進(jìn)行聯(lián)合篩選，因而需結(jié)合主成分分析進(jìn)一步對家系進(jìn)行評價選擇。

育種目標(biāo)決定育種方向。紅松是東北地區(qū)特有的經(jīng)濟(jì)用材樹種，但因其生長緩慢，使得紅松種子園升級換代較慢。為選育高生長、高出材量的優(yōu)質(zhì)紅松資源，本研究通過主成分分析研究發(fā)現(xiàn)主成分Ⅰ中的樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等生長性狀特征值較高，貢獻(xiàn)率較大，且各性狀間相關(guān)性較高，因此可作為篩選優(yōu)質(zhì)紅松資源的評價指標(biāo)。在進(jìn)行家系選擇時，入選率越大，遺傳多樣性豐富度越高，但遺傳增益越小[44]。本研究以家系材積現(xiàn)實遺傳增益在35%以上為期望目標(biāo)，對家系進(jìn)行評價選擇，入選率為10%，入選家系樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等性狀現(xiàn)實增益分別為3.94%、14.71%、17.26%、19.34%和39.48%，與梁德洋等人的研究結(jié)果相似[45]，表明利用表型選擇對紅松進(jìn)行遺傳改良具有較好的效果，入選的家系在生長上存在明顯的優(yōu)勢，若用優(yōu)良家系進(jìn)行生產(chǎn)造林，可減少林分工藝成熟時間，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益[41]。另一方面，篩選出的優(yōu)良家系同時反映出對應(yīng)親本的優(yōu)良特性，可進(jìn)一步篩選出優(yōu)良親本，為1.5代種子園的營建提供理論支持。在優(yōu)良家系選擇的同時，還可進(jìn)行優(yōu)良單株的篩選。利用多性狀綜合評價法對優(yōu)良家系內(nèi)單株進(jìn)行評價選擇，按單株期望遺傳增益在100%以上為標(biāo)準(zhǔn)對家系內(nèi)單株進(jìn)行篩選，獲得6株優(yōu)良單株，入選率為4%，入選單株樹高、地徑、胸徑、三米徑和材積等性狀的平均值分別比總平均值高1.60 m、8.54 cm、7.04 cm、6.69 cm和0.097 kg·m-3，遺傳增益分別為5.99%、29.92%、35.53%、37.06%和102.04%，高于張振對紅松[36]和林能慶對馬尾松[46]的研究結(jié)果，具有較大的遺傳改良潛力，可作為紅松優(yōu)良種質(zhì)材料推廣使用。

4 結(jié)論

隨著林木改良工作日漸深入，在大力營建高世代種子園的同時，對初級種子園的改良和升級亦在進(jìn)行。本研究的材料存在豐富的變異，所選的5個優(yōu)良家系和6個優(yōu)良單株生長及干型優(yōu)勢明顯，各性狀相關(guān)性強(qiáng)，遺傳力高，家系間和家系內(nèi)的個體間有較大的選擇潛力，有利于紅松的良種選育，為推廣造林應(yīng)用提供物質(zhì)基礎(chǔ)；根據(jù)子代測定結(jié)果可對親本無性系進(jìn)行重新選擇，為初級種子園的去劣疏伐、1.5代種子園的改良營建提供理論參考；在優(yōu)良家系內(nèi)選出優(yōu)良單株，可為二代種子園的營建提供建園材料；通過篩選得到的一般配合力高的親本若進(jìn)行雜交實驗，還會提高子代雜種優(yōu)勢的機(jī)率，優(yōu)良的個體也可用于無性化推廣應(yīng)用。