榧樹半同胞子代幼苗生長性狀的遺傳參數(shù)估算

葉淑媛，董雷鳴，董 昂，喻衛(wèi)武，戴文圣，曾燕如

（1. 浙江農(nóng)林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 中國林業(yè)科學研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；3. 中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)研究所，北京 100091）

榧樹Torreya grandis多雌雄異株，因天然雜交而群體內(nèi)遺傳多樣性豐富[1]。此外，榧樹分布范圍廣，地理環(huán)境復雜，極大地增加了榧樹種內(nèi)的性狀變異[1?3]。豐富的自然變異為榧樹優(yōu)良種質(zhì)的選育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。迄今為止，唯一進行人工大面積栽培的香榧T. grandis‘Merrillii’是榧樹優(yōu)良變異類型經(jīng)無性繁殖培育而成的優(yōu)良栽培類型[4?5]。除香榧外，近年來在榧樹中發(fā)現(xiàn)了許多優(yōu)良自然變異類型，包括以種子生產(chǎn)為目的種質(zhì)[6]及種子營養(yǎng)成分含量高[7]或生長性狀優(yōu)良的種質(zhì)[8]，一些優(yōu)株的綜合性狀品質(zhì)甚至超過香榧[6?7]。嫁接是經(jīng)濟樹種無性繁殖的方式之一，可以保持嫁接品種的優(yōu)良性狀。生產(chǎn)上榧樹優(yōu)良種質(zhì)的擴繁以嫁接繁殖為主，而嫁接用的砧木均以榧樹種子實生繁殖而成。目前生產(chǎn)上提倡香榧大苗造林，培養(yǎng)的嫁接苗至少為2+2(砧木培養(yǎng)2 a后嫁接，嫁接苗至少再培養(yǎng)2 a才能造林)。研究表明：砧木顯著影響接穗生長勢[9]、嫁接植株的抗旱性[10]、果實化學成分的積累[11]。香榧嫁接時發(fā)現(xiàn)，直徑越粗的砧苗往往根系更強壯，有利于嫁接苗的快速生長，并促進開花結(jié)實，這對童期長且生命周期達上千年的香榧及其他優(yōu)良種質(zhì)而言尤其重要。此外，砧苗的分枝數(shù)越少，表皮越光滑，嫁接時越方便，越有利于接口的愈合。榧樹優(yōu)良砧木育種資源的選育目前尚未見相關(guān)報道。對林木而言，子代測定中包括各方差分量及由其計算的遺傳力、遺傳相關(guān)系數(shù)和遺傳增益，以及加性效應值等遺傳參數(shù)的估計來自線性混合模型(linear mixed model, LMM)，且林木中的目標改良性狀多為數(shù)量性狀，即連續(xù)性狀，服從高斯分布，采用普通的線性混合模型即可估算遺傳參數(shù)。對于諸如存活、干形、顏色、分枝數(shù)等非連續(xù)性狀，早期研究多數(shù)采用原始數(shù)據(jù)或通過轉(zhuǎn)換使數(shù)據(jù)呈正態(tài)和方差齊次后，再采用普通的線性混合模型建模。然而，廣義線性混合模型(generalized linear mixed model, GLMM)可以直接對這類表型數(shù)據(jù)進行分析，無需進行額外處理。盡管常規(guī)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的線性混合模型和廣義線性混合模型的結(jié)果差異不大，但利用廣義線性混合模型更合理，且無需擔心常規(guī)方法數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換失敗等問題[12]，此類方法已在動物及林木育種中得到發(fā)展，并逐漸普及[13?15]。本研究對天然榧樹群體半同胞子代1年生和2年生幼苗生長性狀(苗高、地徑)和分枝數(shù)，分別采用常規(guī)線性混合模型和廣義線性混合模型擬合并估算相關(guān)的遺傳參數(shù)，以期為天然優(yōu)良嫁接砧木用榧樹種質(zhì)的選育及利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

榧樹在自然分布區(qū)內(nèi)資源分布不均，以浙江省最多，安徽黃山市也有較多分布[6]。黃山市徽州區(qū)呈坎鎮(zhèn)小容村(29°57′N，118°14′E)分布有大量百年以上的野生榧樹。2010年10月待榧樹種子開始開裂并脫落時，在小容村隨機選擇50株彼此至少相距50 m以上，生長健壯、正常結(jié)實的雌株，每株分別采集不少于50顆種子。種子帶回浙江農(nóng)林大學國家林業(yè)與草原局林木良種基地(30°26′N，119°73′E)后，采用雙層薄膜結(jié)合濕沙儲藏催芽法進行種子處理。種子萌發(fā)出土后除去稻草及薄膜，按時進行澆水、除草及病害防治等日常管理。2012年3月將培養(yǎng)1 a的幼苗單株移栽至培養(yǎng)缽內(nèi)。培養(yǎng)缽規(guī)格為18 cm×16 cm(直徑×高度)；培養(yǎng)基質(zhì)由黃土、泥炭、蛭石和珍珠巖按6∶1∶1∶1(V∶V)混合而成。培養(yǎng)缽按編號擺放于開闊的水平地面上。

1.2 生長性狀測量

移栽結(jié)束后，在每個半同胞家系內(nèi)選擇20株生長良好的幼苗進行編號掛牌，然后用電子數(shù)顯卡尺和卷尺測定苗高(H1，999株)、地徑(D1，999株)。由于1年生幼苗多無分枝，所以到具有一定分枝能力的2年生苗時才觀察記錄分枝數(shù)。2013年1月，對掛牌幼苗進行第2次生長性狀測定，指標包括苗高 (H2，946株)、地徑 (D2，946株)、分枝數(shù) (B2，944株)。

1.3 統(tǒng)計分析

連續(xù)性狀采用以下常規(guī)線性混合模型：

式(1)中：y為表型觀測值向量；β為固定效應向量(均值)；u為隨機家系效應向量，服從u～N，N表示正態(tài)分布，I表示單位矩陣，表示家系效應方差；X和Z分別表示固定和隨機效應的關(guān)聯(lián)矩陣；e表示隨機殘差向量，服從，表示殘差方差。

非連續(xù)性狀采用以下廣義線性混合模型：

式(2)～(3)中：η為線性預測值；I(μ)為鏈接函數(shù)；其余項與公式(1)相同。

統(tǒng)計分析主要由R語言計算平臺的ASReml-R包3.0版完成。模型參數(shù)由限制性最大似然估計法(REML)估計，隨機效應的效應值由最佳無偏線性預測法(BLUP)預測。各方差組分的統(tǒng)計顯著性檢驗由似然比檢驗(LRT)完成。利用泰勒級數(shù)展開法計算遺傳參數(shù)標準誤。

因為家系數(shù)少(50個)，每家系取樣量也少(20個)，采用常規(guī)遺傳力計算方法得到的遺傳力估計值大于1，超出其取值范圍(0～1)，因此采用CULLIS等[16]提出的方法計算遺傳力，公式為：

式(4)中：Hc為遺傳力；V為成對基因型最佳無偏線性預測差值的方差，。遺傳力的標準誤采用自主抽樣法估計。

采用下式計算擬合雙性狀模型連續(xù)性狀x和y間的遺傳相關(guān)()和表型相關(guān)()：

設(shè)定入選率為10%，采用WHITE等[17]提出的公式計算各性狀的遺傳增益ΔG：

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生長性狀的表型變異

從表1可見：1年生榧樹幼苗苗高均值為(19.428±4.465) cm，地徑均值為(3.608±0.635) mm；2年生幼苗的平均苗高和地徑分別為(29.105±6.267) cm和(4.383±0.630) mm；分枝數(shù)為1～17條。苗高和地徑在年齡尺度上呈不同程度的變異，總體上苗高的變異系數(shù)大于地徑，且隨年齡的增加而降低；在2 a的觀測中，苗高的變異系數(shù)均大于20%，地徑的變異系數(shù)略小(表2)。

2.2 生長性狀的遺傳參數(shù)

表2表明：5個表型性狀家系間在統(tǒng)計學上存在極顯著差異(P＜0.01)，說明各性狀在家系間存在豐富的變異，具有在家系水平開展選擇的潛力。1年生苗高的遺傳變異系數(shù)最大，第2年分枝數(shù)的遺傳變異系數(shù)最??；遺傳變異系數(shù)苗高大于地徑。苗高和地徑表型變異系數(shù)與遺傳變異系數(shù)有相同的變化趨勢，且遺傳及表型變異系數(shù)隨年齡的增加而降低，但分枝數(shù)的遺傳變異系數(shù)很小，苗高和地徑變異系數(shù)則較大。5個表型性狀均有較大的遺傳力估計值(Hc＞0.7)，且標準誤不大(0.012～0.029)。在相同年齡水平上，苗高的遺傳力最高，變幅為0.857～0.943；地徑略低，變幅為0.808～0.866；分枝數(shù)的遺傳力最低，為0.734。在遺傳增益上幼苗苗高大于地徑及分枝數(shù)，1年生枝條的遺傳增益最高，達32.60%；苗高和地徑的遺傳增益第1年高于第2年。

表1 榧樹生長與分枝性狀的描述性統(tǒng)計Table 1 Descriptive statistics for growth and branching traits in T. grandis

表2 榧樹生長與分枝性狀的遺傳參數(shù)Table 2 Genetic parameters for growth and branching traits in T. grandis

2.3 表型性狀及遺傳相關(guān)性分析

由表3可見：同一批榧樹幼苗，無論生長年限多長，表型上苗高、地徑及分枝數(shù)兩兩間都具有極顯著的相關(guān)性(P＜0.01)，且以不同年份地徑間及苗高間的相關(guān)性較高，說明第1年的生長對第2年的生長有影響；此外，第1年的苗高與第2年的地徑，第2年的苗高與第2年的地徑及分枝數(shù)的相關(guān)性處于中等水平，說明苗高的影響比較大。遺傳相關(guān)表明：不同年份苗高間及地徑間相關(guān)性高，且相關(guān)極顯著(P＜0.01)；而分枝數(shù)與第1年的苗高及地徑相關(guān)不顯著，但與當年的苗高及地徑相關(guān)顯著(P＜0.05)(表3)，說明遺傳相關(guān)與表型相關(guān)格局基本一致，選擇第1年苗高及地徑數(shù)值大的幼苗，第2年苗高及地徑值也大。可見，當年的生長影響苗木的分枝。遺傳增益的分析結(jié)果也是第1年大于第2年(表2)。

表3 生長性狀間遺傳及表型相關(guān)Table 3 Genetic and phenotypic correlations between growth traits

3 討論

香榧產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，大量榧樹用作香榧嫁接的砧木，但用于選育的豐富榧樹遺傳資源沒有得到很好的利用，有必要制訂保護策略，對榧樹開展遺傳基礎(chǔ)研究。然而，相對于對香榧生產(chǎn)的重視程度，人們對榧樹的興趣主要在于采種生產(chǎn)砧木苗及采集花粉，僅對包括雌性榧樹[1,18]、雄性榧樹及物種水平榧樹的遺傳多樣性開展了研究，未涉及遺傳參數(shù)的研究。以混合線性模型估算遺傳參數(shù)和預測相關(guān)性狀的育種值是一種較為先進的遺傳評定方法，已得到了廣泛運用[19?20]。

目前，以結(jié)果為生產(chǎn)目的的經(jīng)濟樹種往往要求樹冠開張，這樣不僅受光面大，且有利于枝條養(yǎng)分累積、生殖生長和果實的生長發(fā)育，可提高經(jīng)濟產(chǎn)量。由于香榧嫁接使用的是2年生砧木，故本研究重點關(guān)注幼苗前2年的生長和遺傳變異情況。本研究中榧樹苗第1年基本沒有分枝，第2年絕大多數(shù)幼苗產(chǎn)生分枝，且表型變異系數(shù)大于遺傳變異系數(shù)，其遺傳力也不低，達0.734±0.029，說明分枝性狀受營養(yǎng)條件的影響較大。苗高與地徑生長都需要營養(yǎng)。作為砧木，嫁接前要截梢，苗高與地徑相比地徑更為重要。因此，培育砧木苗可考慮到1年生苗地徑比較粗短的雌株上去采種。育種群體的遺傳變異(遺傳力或加性遺傳變異系數(shù))隨年齡變化的規(guī)律受多個因素影響，如群體組成、群體遺傳背景、樹種及測試地點的氣候及立地條件等。雖然多數(shù)研究表明：生長性狀的遺傳力隨年齡的增加先增加而后趨于穩(wěn)定，但并不總是這樣，如杉木Cunninghamia lanceolata[21]、美國黑松Pinus contorta[22]等。此外，榧樹生產(chǎn)大粒種子，可食部位主要是胚乳，因而營養(yǎng)含量要遠高于其他樹種的種子，對幼苗的生長有更為顯著的影響。隨著幼苗的生長，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗，作用逐漸減弱，可能使家系間差異縮小，加上家系內(nèi)誤差逐漸增大，造成遺傳力估計值下降的現(xiàn)象。因此第2年的遺傳力小于第1年應該是榧樹的正?，F(xiàn)象。

經(jīng)營管理中的培育措施往往會影響生長性狀表現(xiàn)，這在高度集約經(jīng)營的經(jīng)濟林生產(chǎn)中尤其如此。因此，從優(yōu)良基因型入手的優(yōu)良種質(zhì)選育，結(jié)合經(jīng)營管理中的良法，是促進經(jīng)濟林生產(chǎn)的關(guān)鍵。從分析結(jié)果來看，生長性狀表型上兩兩間呈極顯著正相關(guān)(表3)，說明它們的遺傳改良可以同步進行[21]。在榧樹半同胞幼苗中，苗高與地徑性狀受較高的遺傳力(＞0.8)控制，這與黧蒴栲Castanopsis fissa[23]、麻瘋樹Jatropha curcas[24]等的研究較為一致。此外，各性狀的表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)，且各性狀在家系間均存在極顯著的差異，表明天然榧樹種內(nèi)存在豐富的變異，具有極高的選育潛力。從年均生長量來看，2 a間地徑增量不大，而苗高生長增量較大(表1)，且苗高的遺傳力也較高(表2)，因此可以基于苗高生長尤其是1年生苗的苗高來選擇培育砧木的采種樹，因為1年生苗高的遺傳增益最大(32.60%)，基因型的變異系數(shù)也最大(16.25%)，在相同栽培條件下表型的變異系數(shù)最大(24.08%)，選擇相對容易。榧樹生產(chǎn)育苗過程確實發(fā)現(xiàn)生長量特別大的優(yōu)良個體[8]。在育種實踐中，由于遺傳相關(guān)不包括環(huán)境因素的影響，因此性狀間的遺傳相關(guān)更為重要。從遺傳力相關(guān)來看，1年生苗高與2年生苗高及地徑均極顯著相關(guān)。因此，無論從生長性狀表型相關(guān)還是遺傳相關(guān)來講，兩者的結(jié)果比較一致。