基于生長與結(jié)實評價紅松種子園親本

周雪燕 高海燕 李召珉 趙銀琨 葛麗麗 侯慶文 丁文雅 趙曦陽*

(1.東北林業(yè)大學林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040； 2.吉林省臨江林業(yè)局，臨江 134600)

林木種子園是為獲得優(yōu)質(zhì)種子，經(jīng)過人為設(shè)計的特種人工林，在實現(xiàn)林木良種化過程中發(fā)揮著重要的作用[1]，具有提早開花結(jié)實，實現(xiàn)樹體矮化，便于采收，方便管理等優(yōu)點。林木種子園的營建歷史可以追溯到1880年，荷蘭人為了提高金雞納樹(Cinchonaledgeriana)的奎寧含量，在爪哇營建了金雞納無性系種子園[2]。20世紀30年代，許多歐美國家進行了多種針葉樹種種子園的營建[3]。20世紀60年代種子園風靡世界，各國以種子園為主要環(huán)節(jié)的針葉樹遺傳改良工作取得較大進展。我國于1964年開始建立杉木無性系種子園，20世紀70年代林木種子園有了較大發(fā)展，特別是從20世紀80年代初開始，種子園營建技術(shù)列為國家重點科技攻關(guān)項目，受到林業(yè)生產(chǎn)部門的重視，取得了一定的研究成果。但是與歐美國家相比，我國種子園的發(fā)展相對落后，目前我國大部分樹種種子園還停留在初級種子園階段，造成我國良種化水平與林業(yè)發(fā)達國家相差甚遠。

紅松(Pinuskoraiensis)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)的常綠高大喬木[4]，屬北半球中高緯度地區(qū)分布面積較大且聞名世界的三大五針松之一，其主要分布在亞洲東北部日本海西岸從朝鮮半島經(jīng)中國東北到俄羅斯遠東南部的三角地帶[5]，在我國主要分布于長白山及其北部的張廣才嶺、老爺嶺、完達山和小興安嶺[6]。紅松不僅樹冠高大，樹干通直，材性優(yōu)良，易于加工[7]，而且果實美味，富含不飽和脂肪酸和酚類等活性物質(zhì)，具有較高的營養(yǎng)價值和醫(yī)療保健價值[8～12]，是我國東北地區(qū)重要的果材兼用樹種。我國于20世紀80年代開始營建紅松種子園[13～14]，由于紅松生長緩慢，最初建立的種子園目前仍處于初級種子園階段，只有部分種子園營建了子代測定林，并開展了生長性狀的測定研究[15]，但研究結(jié)果未能有效指導種子園的升級換代，且紅松存在無性系間花期不遇、周期性結(jié)實、產(chǎn)籽量低等問題，極大影響紅松遺傳改良進程[16]。

本研究以吉林省臨江林業(yè)局鬧枝林場紅松子代測定林的69個半同胞家系為材料，測定其26和28年生的生長性狀和結(jié)實性狀，通過遺傳變異參數(shù)的計算，初步篩選生長與結(jié)實性狀優(yōu)良的親本無性系與家系，選出的家系可以進行區(qū)域化試驗，為生產(chǎn)應用提供物質(zhì)基礎(chǔ)，初選的優(yōu)良親本無性系可為改良種子園和1.5代種子園的營、改建提供材料，本研究可為其他樹種遺傳改良提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點

試驗林營建于吉林省臨江種苗示范中心國家紅松、水曲柳良種基地(47°37′N，126°54′E)，該地屬溫帶季風氣候，海拔510 m，年均氣溫5℃，年均降水744 mm，無霜期128 d，土壤類型為暗棕土壤。

1.2 試驗材料

本研究中試驗材料包括67個紅松半同胞家系與2個對照家系(見表1)，于1987年采種，次年播種育苗，1992年利用4年生實生苗營建子代測定林。試驗設(shè)計采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，6株小區(qū)，5次重復，株行距2 m×2 m，外加兩層保護行。

表1 家系來源表

1.3 試驗方法

2013年11月左右測定69個家系的樹高、胸徑和單株球果數(shù)，2015年11月左右測定樹高、胸徑、單株球果數(shù)、鮮塔重、千粒重及單塔出籽量。樹高、胸徑和單株球果數(shù)進行全林調(diào)查；各家系隨機采集30個鮮塔測定其鮮塔重和單塔出籽量；各家系隨機選取4 000粒種子分為4份，測定千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對所測得數(shù)據(jù)進行分析[17]。

樹高、胸徑和單株球果數(shù)方差分析線性模型采用公式[18]：

Xijk=μ+Fi+Bj+FBij+eijk

(1)

式中：μ為總體平均值，F(xiàn)i為家系效應，Bj為區(qū)組效應，F(xiàn)Bij為家系和區(qū)組的交互作用，eijk為隨機誤差。

鮮塔重、千粒重和單塔出籽量方差分析線性模型采用公式[19]：

Xij=μ+Fi+eij

(2)

式中：μ為總體平均值，F(xiàn)i為家系效應，eij為隨機誤差。

家系遺傳力(h2)采用公式[20]：

(3)

表型變異系數(shù)(PCV)采用公式[21]：

(4)

表型相關(guān)系數(shù)(r)采用公式[22]：

(5)

一般配合力(GCA)采用公式[23～24]：

GCA=Xi-X..

(6)

式中：Xi為某一性狀某個家系平均值，X..為該性狀總體平均值。

利用多性狀綜合評價法對家系進行綜合評定，采用公式[25]：

(7)

式中：其中ai=Xij/Xjmax,Qi為各家系的綜合評價值，Xij為某一性狀的平均值，Xjmax為該性狀的最大值，n是該性狀的個數(shù)。

遺傳增益估算采用公式[18]：

(8)

2 結(jié)果分析

2.1 紅松半同胞家系生長與結(jié)實性狀的方差分析

69個紅松半同胞家系各指標方差分析見表2，結(jié)果表明除單株球果數(shù)在家系與區(qū)組交互作用時差異不顯著外，其他各測定指標在不同樹齡時各變異來源間均達極顯著差異(P<0.01)。

2.2 家系間各指標遺傳變異參數(shù)

69個紅松半同胞家系各指標遺傳變異參數(shù)見表3，所有家系除千粒重外，其他指標最大值均在最小值1.50倍以上，其中樹高、鮮塔重和單塔出籽量在1.50～2.00倍，胸徑和單株球果數(shù)在3.00倍以上，而單株球果數(shù)的變化幅度較大，最大達到32.67，最小為0.33。各指標表型變異系數(shù)變化范圍為6.30%～63.00%，其中26和28 a單株球果數(shù)的表型變異系數(shù)均超過50%，樹高、胸徑和鮮塔重的表型變異系數(shù)在10%～40%，千粒重和單塔出籽量的表型變異系數(shù)均小于10%。各指標的遺傳力均較高，大部分在0.90以上，除了單塔出籽量的遺傳力為0.87。

2.3 紅松半同胞家系各指標的一般配合力

69個紅松半同胞家系各指標一般配合力見表4。從26 a分析結(jié)果來看，單株球果數(shù)的一般配合力范圍為-12.29～11.71；從28 a分析結(jié)果看，樹高、胸徑、單株球果數(shù)、鮮塔重、千粒重和單塔出籽量的一般配合力范圍分別為-1.77～1.69、9.10～8.65、-15.97～16.03、85.29～85.95、-89.25～80.75和-11.61～14.26。對于樹高來說，P029、A101、P119、P081、P076、P113和P045家系的一般配合力較高(1.45～1.69)，對于胸徑來說，A096、P047、A113、P041、P113、P039和A030家系的一般配合力較高(7.01～8.65)，其中P113家系的樹高和胸徑的一般配合力均較高；對于單株球果數(shù)來說，P004、P096、P039、P053、A124、A100、A109等家系的一般配合力較高(15.03～16.03)，對于單塔出籽量來說，A124、A108、A048、P095、P078、P044和P045家系的一般配合力較高(9.16～14.26)，綜合來說A124家系的單株球果數(shù)和單塔出籽量的一般配合力均較高。

表2 69個紅松半同胞家系各指標方差分析表

表5 69個紅松半同胞家系各指標相關(guān)系數(shù)

注：*表示相關(guān)性達顯著水平(P<0.05)；**表示相關(guān)性達極顯著水平(P<0.01)

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

表6 多性狀綜合評價表

2.4 紅松半同胞家系各指標相關(guān)性分析

69個紅松半同胞家系各指標相關(guān)性系數(shù)見表5，從生長性狀來看，26和28 a胸徑與樹高均達極顯著正相關(guān)水平(0.823，0.720)；28與26 a樹高和胸徑均達極顯著正相關(guān)水平(0.995，0.998)。從結(jié)實性狀來看，28與26 a單株球果數(shù)之間呈正相關(guān)，但相關(guān)性未達顯著水平(0.045)，說明紅松的周期性結(jié)實問題；28 a鮮塔重與26和28 a單株球果數(shù)之間分別呈負相關(guān)和正相關(guān)，均未達顯著水平(-0.131，0.035)；28 a的單株球果數(shù)和鮮塔重與26和28 a樹高和胸徑均呈負相關(guān)，與樹高之間相關(guān)性達極顯著水平(-0.204，-0.202，-0.214，-0.189)，與胸徑之間相關(guān)性未達顯著水平(-0.022，-0.051，-0.014，-0.038)，說明樹高越高胸徑越大，單株球果數(shù)越少，鮮塔重越輕，但主要取決于樹體的高低；千粒重與單株球果數(shù)之間呈極顯著負相關(guān)(-0.230)，與其他性狀之間的相關(guān)性很弱；28 a單塔出籽量與26和28 a樹高之間分別呈顯著正相關(guān)(0.157，0.151)，與26和28 a的單株球果數(shù)之間分別呈極顯著負相關(guān)(-0.259)和未達顯著水平的正相關(guān)關(guān)系(0.112)，進一步說明了紅松的周期性結(jié)實問題，與鮮塔重之間呈顯著正相關(guān)(0.138)，與胸徑和千粒重之間存在很弱的正相關(guān)關(guān)系。

2.5 紅松半同胞家系多性狀綜合評價

相關(guān)性分析表明生長性狀和結(jié)實性狀之間的相關(guān)性很弱，因此分別利用生長性狀(樹高和胸徑)和結(jié)實性狀(單株球果數(shù)、鮮塔重和單塔出籽量)為評價指標，以28 a紅松數(shù)據(jù)為依據(jù)，對其半同胞家系進行綜合評價(見表6所示)。以10%的入選率進行篩選，生長性狀方面入選的家系有A096、P113、P047、A101、P041、P127和P107，入選家系樹高和胸徑的平均值分別為8.64 m和22.30 cm，遺傳增益分別為15.66%和35.40%；結(jié)實性狀方面入選的家系有A124、P096、A100、A123、P088、P105和P039，入選家系單株球果數(shù)、鮮塔重和單塔出籽量的平均值分別為30個、386.88和81.93 g，遺傳增益分別為87.30%、1.77%和3.39%。

3 討論

遺傳、變異和選擇是生物進化和新品種選育的三大因素，研究林木的遺傳和變異是林木遺傳改良的重要基礎(chǔ)[26]。本研究通過對69個紅松半同胞家系的26和28 a的生長性狀和結(jié)實性狀進行測定分析，方差分析結(jié)果表明除單株球果數(shù)在家系與區(qū)組交互作用時差異不顯著外，其他各測定指標在不同樹齡時各變異來源間均達極顯著差異(P<0.01)，說明不同樹齡、不同家系間變異豐富，69個半同胞家系的生長性狀和結(jié)實性狀具有非常大的選擇潛力，對優(yōu)良家系的評價選擇具有重要意義。

變異系數(shù)反映單位均值上的離散程度，變異系數(shù)越大，則性狀離散程度越大[27]，可以用表型變異系數(shù)的大小直接反映不同家系群體各性狀的變異程度。本研究中，樹高和單塔出籽量的表型變異系數(shù)略高于姜國云等[28]對紅松家系的研究，說明樹高和單塔出籽量存在更豐富的變異。遺傳力是親本將某一性狀遺傳給子代的能力，是選擇育種中確定選種方法和估算遺傳增益的重要參數(shù)[29]，某一性狀的遺傳力越高，說明該性狀可以穩(wěn)定地遺傳給子代，受環(huán)境因素的影響越小。本研究中，各指標的遺傳力均較高，且除了28a的單塔出籽量的遺傳力較低，其余均在0.90以上，明顯高于宋云平等[30]的研究。高變異系數(shù)，高遺傳力，更有利于家系的評價選擇[31]。

在交配群體中，加性基因可以遺傳給子代，而一般配合力恰好反映親本加性基因的效應，一般配合力效應值的大小表明子代受親本的影響程度，這是親本選擇的依據(jù)之一[32～33]，因此種子園中優(yōu)良親本的選擇主要是依據(jù)一般配合力的大小來確定。根據(jù)一般配合力的計算結(jié)果，本研究中分別選出7個樹高、胸徑、單株球果數(shù)和單塔出籽量一般配合力較高的親本無性系。本研究中利用樹高的一般配合力所選家系的平均值為1.58，利用胸徑的一般配合力所選家系的平均值為7.89，都明顯高于劉鳳平等[31]對于樹高和胸徑一般配合力的研究結(jié)果，這主要由于樹齡不同，環(huán)境不同所導致。針對不同樹齡的樹高和胸徑選出的優(yōu)良親本基本相同，而利用不同樹齡的結(jié)實量篩選的優(yōu)良親本差異較大，說明不同樹齡結(jié)實不穩(wěn)定，表明對于結(jié)實性狀的評價選擇應基于多年的觀測結(jié)果[34～36]。

相關(guān)性反映了兩個性狀之間的相關(guān)程度，可以利用相關(guān)性確定與育種目標聯(lián)系比較緊密的直觀易測的性狀用來挑選優(yōu)良家系[37～38]。本研究中樹高或胸徑的不同測定年份之間具有極高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達0.99以上，與姜國云等[28]的研究結(jié)果相似，相同測定年份，樹高與胸徑的相關(guān)系數(shù)在0.720～0.823，高于王璧瑩等[39]的研究結(jié)果。單株球果數(shù)與樹高和胸徑之間的相關(guān)性不一定，26 a單株球果數(shù)與樹高和胸徑之間相關(guān)性均不高；28 a單株球果數(shù)與26和28 a樹高呈極顯著負相關(guān)，與胸徑之間相關(guān)性未達顯著水平，這與王有菊等[40]、尚福強[41]關(guān)于紅松生長與結(jié)實之間相關(guān)關(guān)系的研究不同，可能是由于本研究中試驗林密度過大，且紅松本身周期性結(jié)實所導致。焦宏等[42]的研究表明，紅松的結(jié)實量與胸徑相關(guān)性大于樹高，但本研究中的結(jié)果正好相反，可能是由于本研究中的子代測定林密度較大，已經(jīng)影響了紅松的樹高與胸徑的生長。單塔出籽量與鮮塔重之間呈顯著正相關(guān)，在一定程度上說明鮮塔越重，單塔出籽量越多。

育種方式取決于育種目標，紅松是東北長白山等林區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種，長期以來都是以獲取木材為目的，但是隨著社會的發(fā)展，不少研究表明紅松松籽富含很高的營養(yǎng)價值和保健價值[43～44]，近些年紅松更多地被當作經(jīng)濟樹種來對待，育種目標也更偏向于用材—堅果兼用型。本研究中，以26和28年生紅松的生長性狀和結(jié)實性狀對其半同胞家系進行綜合評價，分別篩選出7個生長優(yōu)良家系和7個結(jié)實優(yōu)良家系，其中僅有家系P113(樹高與胸徑一般配合力較高)與A124(單塔出籽量與單株球果數(shù)一般配合力較高)與一般配合力選出的優(yōu)良親本相同，表明單性狀評價與多性狀評價結(jié)果可能不同，具體評價方法需要根據(jù)育種目標來選擇。