濕地松自由授粉家系松脂產(chǎn)量性狀和生長(zhǎng)性狀的遺傳變異分析

趙奮成，郭文冰，林昌明，鐘歲英，吳惠姍，李義良，范偉軍，廖仿炎，鄧樂(lè)平

(1 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院 廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520；2 臺(tái)山市紅嶺種子園，廣東 江門(mén) 529223)

濕地松Pinus elliottii是原產(chǎn)于美國(guó)的重要商品林樹(shù)種，目前已成為我國(guó)南方重要的材用、紙漿用及脂用樹(shù)種[1]。為了改良濕地松的材用性狀，前人主要針對(duì)濕地松生長(zhǎng)、干形、材性等性狀開(kāi)展遺傳變異規(guī)律研究[2-9]。美國(guó)協(xié)作組也注重對(duì)濕地松銹病抗性的遺傳改良[10-11]。美國(guó)森林遺傳研究協(xié)作組(The cooperative forest genetics research program，CFGRP)已進(jìn)入濕地松的第4輪遺傳改良階段，選擇群體包含第1代到第4代的遺傳材料，改良目標(biāo)為材積生長(zhǎng)與銹病抗性，改良的濕地松品系材積增益為40%～55%[12]。我國(guó)的濕地松改良也陸續(xù)進(jìn)入了高世代，新1輪改良目標(biāo)除了生長(zhǎng)和干形性狀，也包括材性、產(chǎn)脂和抗逆等性狀。然而，國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地松產(chǎn)脂性狀遺傳分析的報(bào)道較少，同時(shí)，產(chǎn)脂性狀與其他性狀的相關(guān)性也不明確，這影響了濕地松多性狀遺傳改良策略的制定。

松樹(shù)的產(chǎn)脂性狀不僅是定向選育工業(yè)原料林品系的目標(biāo)性狀，也是與抗性相關(guān)的重要性狀。利用打孔安裝松脂采集裝置的方法，測(cè)量微取樣松脂質(zhì)量是快速評(píng)價(jià)產(chǎn)脂量的方法，已廣泛應(yīng)用于濕地松與火炬松Pinus taeda病蟲(chóng)害抗性的評(píng)估[13]。南方松大小蠹Dendroctonus frontalis是美國(guó)南部破壞性最大的松林害蟲(chóng)，研究表明，火炬松微取樣松脂質(zhì)量越大，對(duì)大小蠹的抗性越大[13]，因此推斷樹(shù)體的松脂流量影響了大小蠹對(duì)寄主的選擇。Roberds等[14]進(jìn)而利用一塊火炬松全同胞家系試驗(yàn)林，評(píng)估了10～11年生火炬松微取樣松脂質(zhì)量的遺傳參數(shù)，結(jié)果表明，松脂質(zhì)量受中等遺傳控制，遺傳力與生長(zhǎng)性狀相似，松脂質(zhì)量與生長(zhǎng)性狀的遺傳相關(guān)呈中等正相關(guān)。近年來(lái)，Westbrook等[15]分析了火炬松松脂質(zhì)量與樹(shù)高、胸徑的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)它們的加性遺傳相關(guān)性在3個(gè)地點(diǎn)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)或不相關(guān)，說(shuō)明松脂質(zhì)量與生長(zhǎng)性狀的相關(guān)性在不同地點(diǎn)存在差異。為了解析廣東濕地松松脂質(zhì)量的遺傳變異規(guī)律及其與生長(zhǎng)、木材密度的遺傳相關(guān)性，本文以濕地松32個(gè)半同胞家系為材料，評(píng)估微取樣松脂質(zhì)量、樹(shù)高、胸徑等性狀的遺傳參數(shù)以及性狀間的遺傳相關(guān)性，為廣東濕地松新1輪遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料概況

試驗(yàn)材料取自廣東省臺(tái)山市紅嶺種子園試驗(yàn)區(qū) (22°11′N(xiāo)，112°49′E)的濕地松種質(zhì)資源林[16]，共32個(gè)自由授粉家系，于1997年6月種植，株行距3 m×3 m。試驗(yàn)為隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，1～4株單行小區(qū)，15個(gè)區(qū)組，每個(gè)家系40株。

1.2 性狀測(cè)定

2015年10月，利用微量采集裝置收集試驗(yàn)林內(nèi)每株樹(shù)木的松脂[13-15]，具體方法：利用電鉆在胸高處鉆取采樣孔，直徑1.5 cm，裝入預(yù)先稱(chēng)質(zhì)量(m0)的收集管，用螺絲與樹(shù)體固定，24 h后取下收集管；稱(chēng)取松脂與收集管的質(zhì)量(m1)，計(jì)算松脂質(zhì)量(m)：m=m1?m0。2015年12月，對(duì)該種質(zhì)資源林做每木針刺儀阻力值與木材密度測(cè)定，相關(guān)方法參照文獻(xiàn)[16]；而后，每木測(cè)量樹(shù)高、胸徑，計(jì)算單株材積。

1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與統(tǒng)計(jì)分析

利用統(tǒng)計(jì)軟件SAS 9.3對(duì)數(shù)據(jù)做初步的統(tǒng)計(jì)分析。正態(tài)分布檢驗(yàn)采用UNIVARIATE語(yǔ)句，根據(jù)偏度和正態(tài)檢驗(yàn)判斷變量是否偏態(tài)分布，以及偏態(tài)分布是否嚴(yán)重，正態(tài)檢驗(yàn)采用Goodness-of-fit的KS 檢驗(yàn) (Kolmogorov-Smirnov test)，當(dāng)偏度>1 且KS檢驗(yàn)的P<0.05時(shí)，認(rèn)為偏態(tài)分布較為嚴(yán)重。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后符合偏度接近0且KS檢驗(yàn)的P>0.05，認(rèn)為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。本文對(duì)松脂質(zhì)量m做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的松脂質(zhì)量為mt。

采用Box-Cox變換[17]：

式中，λ為轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過(guò)檢測(cè)0.3～0.6(0.05遞增)的轉(zhuǎn)換效果，確定本文松脂質(zhì)量m轉(zhuǎn)換為mt后，λ為 0.3。

利用統(tǒng)計(jì)軟件Asreml估算各個(gè)試驗(yàn)因子的方差分量，根據(jù)方差分量計(jì)算研究性狀的遺傳力、相關(guān)系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)誤[18]。數(shù)據(jù)分析的混合線性模型為：

式中，yijk為單株觀測(cè)值，μ為群體平均值，bi為區(qū)組效應(yīng)，fj為家系效應(yīng)， (bf)ij為區(qū)組與家系的互作效應(yīng)，eijk為誤差效應(yīng)。其中，區(qū)組為固定效應(yīng)，其他因素為隨機(jī)效應(yīng)。

估算遺傳參數(shù)采用以下公式[19-20]：

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地松生長(zhǎng)性狀與松脂質(zhì)量的描述性統(tǒng)計(jì)

比較18年生濕地松生長(zhǎng)、木材密度與松脂質(zhì)量性狀的變異程度，結(jié)果表明，木材密度的變異系數(shù)最小(9.60%)[16]，其次為樹(shù)高與胸徑，以及相對(duì)較大的單株材積(47.10%)，而變異系數(shù)最大的是松脂質(zhì)量(75.04%)，說(shuō)明松脂質(zhì)量在測(cè)定林內(nèi)個(gè)體間存在較大變異(表1)。

松脂質(zhì)量(m)的分布呈正偏態(tài)分布，偏度和峰度分別為1.88和1.93，KS檢驗(yàn)P<0.01。這與美國(guó)本土濕地松[21]和幼齡期火炬松的研究結(jié)果一致[14-15]，說(shuō)明本研究中濕地松群體松脂性狀的分布規(guī)律與原產(chǎn)地一致。轉(zhuǎn)換后的mt偏度為0.20，KS檢驗(yàn)P>0.05，符合正態(tài)分布，在下列遺傳分析中采用轉(zhuǎn)換后的數(shù)值估算松脂質(zhì)量的遺傳參數(shù)。

表1 18年生濕地松生長(zhǎng)量與松脂質(zhì)量基本概況Table 1 The basic information of growth and resin mass of 18-year-old Pinus elliottii

2.2 濕地松生長(zhǎng)性狀與松脂質(zhì)量的遺傳參數(shù)估計(jì)

由表2可知，在廣東省臺(tái)山市的立地條件下，18年生濕地松樹(shù)高的單株狹義遺傳力較大，hi2=0.415 1，胸徑、單株材積與松脂質(zhì)量(mt)的單株狹義遺傳力均相對(duì)較小，在 0.216 1～0.299 8 之間，4個(gè)性狀的家系平均遺傳力均高于單株遺傳力，在0.600 5～0.751 2 之間，其中樹(shù)高的家系平均遺傳力最高。松脂質(zhì)量(mt)的單株狹義遺傳力與家系平均遺傳力分別為0.216 1和0.600 5?？傮w而言，在粵西立地條件下對(duì)濕地松進(jìn)行脂材性狀的選擇時(shí)，家系選擇的可靠性大于單株選擇。

2.3 性狀間的相關(guān)性分析

由表3可知，樹(shù)高、胸徑、單株材積3個(gè)性狀間呈遺傳與表型正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.731～0.983之間，而且遺傳相關(guān)系數(shù)高于表型相關(guān)系數(shù)。樹(shù)高、胸徑、單株材積與木材密度呈遺傳與表型正相關(guān)，遺傳相關(guān)系數(shù)在0.449～0.613之間，但標(biāo)準(zhǔn)誤也較大。樹(shù)高、胸徑、單株材積與松脂質(zhì)量呈顯著的表型正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.084～0.182之間，但遺傳相關(guān)均不顯著?？傮w而言，在粵西立地條件下，根據(jù)濕地松18年生生長(zhǎng)量進(jìn)行選擇，可間接獲得木材密度的增益；并且，同時(shí)選擇生長(zhǎng)與產(chǎn)脂力優(yōu)良的濕地松家系和個(gè)體是可行的。

表2 濕地松生長(zhǎng)性狀與松脂質(zhì)量的遺傳參數(shù)估計(jì)1)Table 2 Estimates of genetic parameters for growth traits and resin mass in Pinus elliottii

表3 性狀間的加性遺傳相關(guān)與表型相關(guān)系數(shù)1)Table 3 Additive genetic and phenotypic correlation coefficients between traits

3 討論與結(jié)論

濕地松的第1輪遺傳改良以生長(zhǎng)量和干形為目標(biāo)性狀，到了高世代改良階段，社會(huì)需求是多元的，導(dǎo)致改良目標(biāo)也需要多樣化。因此，解析濕地松多個(gè)性狀的遺傳特性以及性狀間的相關(guān)性，對(duì)于制定新一輪改良策略具有重要意義。

松脂是工業(yè)化學(xué)品的重要天然來(lái)源之一，廣泛應(yīng)用于合成橡膠、油墨、香料等化工產(chǎn)業(yè)[22]。評(píng)價(jià)松脂產(chǎn)量性狀的方法包括：固定割面負(fù)荷率獲得的松脂產(chǎn)量[23]、每日每厘米刀口松脂產(chǎn)量計(jì)算獲得的產(chǎn)脂力[22]，以及利用微量采集裝置收集測(cè)定的松脂質(zhì)量[14]。利用微量采集裝置收集測(cè)定的松脂質(zhì)量不僅可以反映松樹(shù)樹(shù)體的產(chǎn)脂力，還可以間接反映樹(shù)體對(duì)病蟲(chóng)害脅迫的抗性[14]。本研究分析了濕地松微取樣松脂質(zhì)量的特性，發(fā)現(xiàn)松脂質(zhì)量具有較高的變異系數(shù)，單株材積的變異系數(shù)中等，而樹(shù)高與胸徑的變異系數(shù)相對(duì)較低，這與前人的報(bào)道[14]基本一致。濕地松松脂質(zhì)量呈正偏態(tài)分布，與濕地松[21]、火炬松[14-15]的研究結(jié)果一致，暗示產(chǎn)脂性狀可能受多因素交互作用調(diào)控[14,20]。松脂質(zhì)量和生長(zhǎng)性狀的單株遺傳力較低，家系遺傳力中等，與Lai等[24]報(bào)道的江西濕地松的hi2、hf2分別為 0.11～0.27、0.41～0.55基本一致，說(shuō)明南方地區(qū)進(jìn)行濕地松脂材性狀的選擇，家系選擇的可靠性大于單株選擇。

利用本文同一批材料通過(guò)針刺儀做去皮直徑與木材密度和木材阻力的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)去皮直徑與密度呈中度的表型正相關(guān)，而遺傳相關(guān)未達(dá)到顯著水平[16]。本研究帶皮胸徑與木材密度的遺傳和表型均呈顯著的中等正相關(guān)，說(shuō)明濕地松的生長(zhǎng)量與木材材性可做同步正向改良。松脂質(zhì)量與生長(zhǎng)量和木材密度呈弱的表型正相關(guān)，而遺傳相關(guān)不顯著，說(shuō)明選育高產(chǎn)脂濕地松，不會(huì)對(duì)生長(zhǎng)量有負(fù)面影響。脂材性狀遺傳相關(guān)未達(dá)到顯著水平，可能與該地點(diǎn)個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)，前人指出，南方松是不耐陰樹(shù)種，密度過(guò)大時(shí)，個(gè)體間的競(jìng)爭(zhēng)影響了樹(shù)體的抗性[15]。本研究材料選自18年生濕地松，測(cè)定時(shí)林分保存率為63%[16]，在不做疏伐的情況下，可能存在密度過(guò)大的現(xiàn)象，因此影響了產(chǎn)脂性狀的表現(xiàn)，這可能也是該地點(diǎn)單株狹義遺傳力相對(duì)較低的原因之一[15]。

本研究以濕地松32個(gè)自由授粉家系為材料，分析18年生濕地松生長(zhǎng)、木材密度與松脂產(chǎn)量的性狀表現(xiàn)，為開(kāi)展?jié)竦厮筛牧嫉亩嘈誀钸x擇建立了高效的方法，研究結(jié)果表明：1)濕地松松脂產(chǎn)量性狀變異系數(shù)高于生長(zhǎng)性狀與木材密度；松脂產(chǎn)量的分布呈正偏態(tài)分布，可能受到多因素交互作用調(diào)控。2)粵西立地條件下，18年生濕地松樹(shù)高單株狹義遺傳力為0.415 1，胸徑、單株材積、松脂質(zhì)量的單株狹義遺傳力在 0.216 1～0.299 8；家系平均遺傳力均高于單株狹義遺傳力，4個(gè)性狀的家系平均遺傳力在 0.600 5～0.751 2，性狀受中等遺傳控制。在選擇濕地松單性狀優(yōu)良的個(gè)體時(shí)，為獲得較可靠的選擇效果，宜采用家系選擇+家系內(nèi)單株選擇的合并選擇方法。3)生長(zhǎng)量與木材密度呈顯著的遺傳正相關(guān)與表型正相關(guān)，遺傳相關(guān)系數(shù)大于表型相關(guān)系數(shù)，但遺傳相關(guān)的誤差值也較大，說(shuō)明可能存在同時(shí)控制生長(zhǎng)和木材密度的多效性基因。生長(zhǎng)量與松脂質(zhì)量呈弱的表型正相關(guān)，但遺傳相關(guān)值接近0?？傊?，在廣東濕地松遺傳材料中，可同步改良生長(zhǎng)、木材密度和產(chǎn)脂性狀。