12個歐美楊無性系生長初期基因型與環(huán)境的互作效應(yīng)*

劉 寧 丁昌俊 李 波 丁 密 蘇曉華 黃秦軍

(林木遺傳育種國家重點實驗室 國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 北京 100091)

楊樹(Populus)是我國主要造林樹種，人工林面積居世界第一，美洲黑楊(Populusdeltoides)及其雜種后代歐美楊(Populus×euramericana)是我國各地區(qū)商業(yè)化的生產(chǎn)實踐中的主要無性系(蘇曉華等， 2010)。目前楊樹育種主要形式是雜交育種，我國環(huán)境具有豐富的多樣性，推出新的楊樹品種需要區(qū)域化的試驗以保證科學(xué)性(馬常耕， 2004)。不同的遺傳材料在不同地點的性狀表型觀測值常有較大的差異，單通過分析統(tǒng)計觀測值做出的評價真實性不高，其表現(xiàn)主要由基因型和地點(環(huán)境)來決定(顧萬春， 2004)?；蛐团c環(huán)境互作的效應(yīng)對林業(yè)的生產(chǎn)造成了顯著的影響，無性系在大面積推廣之前，需要經(jīng)過區(qū)域化試驗，來鑒定其產(chǎn)量水平和適應(yīng)性，為其推廣和合理利用提供依據(jù)。對許多樹種的區(qū)域化試驗研究表明，基因型與環(huán)境間存在顯著的互作效應(yīng)，對基因型與環(huán)境進(jìn)行互作效應(yīng)分析及穩(wěn)定性評價是區(qū)域化研究的有效方法(顧萬春，1990； 李火根等，1997； 周志春等，1998； 王軍輝等， 2000)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用基于隨機(jī)效應(yīng)的統(tǒng)計模型越來越多，相較于固定效應(yīng)模型，混合線性模型可以改善不平衡數(shù)據(jù)、試驗地區(qū)組條件不一致所帶來的問題； 在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較廣但在林木上報道較少的GGE雙標(biāo)圖可以將試驗分析的結(jié)果可視化以便篩選總結(jié)(嚴(yán)威凱， 2010)。本研究將6個試驗點的歐美楊生長數(shù)據(jù)通過在ASReml-R中建立混合線性模型的方式，分析基因型與環(huán)境的互作效應(yīng)； 并通過提取模型中的預(yù)測值來繪制GGE雙標(biāo)圖，以評價遺傳和環(huán)境對雜交歐美楊無性系的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

共設(shè)計6個試驗地點，分別位于山東諸城、寧陽、鄆城，湖北石首，河北灤南和遼寧黑山，其中諸城和鄆城是大陸性暖溫帶半濕潤氣候，寧陽和灤南是大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，石首是亞熱帶季風(fēng)氣候，黑山是大陸性溫帶季風(fēng)氣候。地點間環(huán)境因子有明顯差異(表1)。

試驗材料為12個基因型的歐美楊雜交無性系，遺傳背景見表2。統(tǒng)一于2015年培育， 2016年造林， 2017年測定樹高和胸徑。均為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，4～12株小區(qū)，灤南為4區(qū)組，其余地點為3區(qū)組。

表1 試驗地點環(huán)境概況

表2 歐美楊無性系遺傳背景①

1.2 數(shù)據(jù)來源及統(tǒng)計分析方法

氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx)下載，各地氣象數(shù)據(jù)為過去20年各環(huán)境指標(biāo)的年均值，日照時長為2017年和2018年的均值，統(tǒng)計整理環(huán)境概況見表1。各地點的生長數(shù)據(jù)均為每木檢尺。使用塔尺測定樹高，測樹圍尺測定胸徑，并剔除由于斷頭、萌發(fā)等原因帶來的異常值。

ASReml-R4.0是在R環(huán)境下用于混合線性模型分析統(tǒng)計軟件包，通過求解給定的混合線性模型，利用限制性極大似然法(restricted maximum likelihood，REML)，可以得到固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)的方差分量(顯著性水平)等參數(shù)； 其優(yōu)點是可以通過估計將缺失值補(bǔ)齊，以解決林木試驗中缺失值導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不平衡問題(邊黎明等， 2012)。本研究使用的混合線性模型為：

yij=μ+Bi+Si+Gj+SGij+eij。

式中：yij為第i個地點第j基因型的觀測值，μ為全部觀測值的均值，Bi為區(qū)組的效應(yīng)，Si為地點的效應(yīng)，Gj為基因型的效應(yīng)，SGij為基因型與地點的互作效應(yīng)，eij為隨機(jī)誤差； 其中區(qū)組效應(yīng)為隨機(jī)效應(yīng)，地點、基因型及基因型與地點的互作效應(yīng)為固定效應(yīng)。

性狀預(yù)測值是通過使用ASReml-R4.0中predict()函數(shù)，提取混合線性模型中的預(yù)測值，以解決缺失數(shù)據(jù)帶來的誤差(林元震， 2016)。GGEBiplotGUI軟件包是用于多環(huán)境試驗的可視數(shù)據(jù)分析的工具，便于植物育種者和遺傳學(xué)家研究基因型的產(chǎn)量以及基因型與環(huán)境之間的相互作用(Frutosetal.， 2014)。使用R語言中的GGEBiplotGUI程序包繪制GGE雙標(biāo)圖，參數(shù)設(shè)置時Scaled選擇0(非標(biāo)準(zhǔn)化)，選擇中心化G+GE(嚴(yán)威凱， 2010)，SVP特征值選項根據(jù)圖的類型選擇1或者2(Yan， 2002)。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹高和胸徑的表型變異

不同地點的樹高觀測值總變異石首最大，超過25%； 黑山次之，為20.93%，其余4個地點的變異系數(shù)均小于15%。2、3、4、7和9號基因型的樹高觀測值總變異系數(shù)小于30%； 其余基因型樹高的變異系數(shù)在30%～37%之間。地點胸徑的觀測值總變異系數(shù)只有寧陽和鄆城小于15%，其余地點的胸徑變異系數(shù)在16.91%～26.81%之間。除3號基因型的胸徑變異總系數(shù)為36.92%外，其余11個基因型內(nèi)的胸徑變異系數(shù)均在40%～44%之間(表3)。

2.2 觀測值統(tǒng)計及基因型與環(huán)境互作分析

樹高和胸徑是評價林木質(zhì)量的主要指標(biāo)(李志新等， 2013)。統(tǒng)計樹高、胸徑的觀測值，發(fā)現(xiàn)造林初期歐美楊的樹高、胸徑的表現(xiàn)與基因型和試驗地點密切相關(guān)(圖1)。

6個試驗地點的環(huán)境存在差異，其中氣候以東北地區(qū)的黑山最冷，華中地區(qū)的石首最熱，灤南、諸城、鄆城和寧陽氣候較為相似(表1)。各地點樹高的總均值排序為： 寧陽(9.3 m)>灤南(6.5 m)>石首(6.3 m)>諸城(6 m)>鄆城(4.6 m)>黑山(4.3 m)； 各地點胸徑的總均值排序為： 寧陽(10.5 cm)>灤南(6.9 cm)>諸城(5.5 cm)>石首(5.1 cm)>黑山(4.3 cm)>鄆城(4 cm)。12個基因型樹高的總均值排序為： 5(6.79 m)>7(6.57 m)>4(6.43 m)>9(6.42 m)>3(6.37 m)>12(6.27 m)>1(6.07 m)>2(5.98 m)>6(5.78 m)>10(5.75 m)>11(5.71 m)>8(5.62 m)； 12個基因型胸徑的總均值排序為： 5(6.97 cm)>7(6.95 cm)>4(6.51 cm)>3(6.30 cm)>6(6.22 cm)>9(6.21 cm)>1(5.89 cm)>2(5.77 cm)>8(5.65 cm)>12(5.42 cm)>10(5.41 cm)>11(5.14 cm)。造林初期歐美楊的樹高、胸徑表現(xiàn)在寧陽地區(qū)最好，遠(yuǎn)優(yōu)于其他地點； 鄆城和黑山的表現(xiàn)最差。5號、7號和4號基因型的平均表現(xiàn)最好，8號、10號和11號的平均表現(xiàn)最差。

在ASReml-R軟件包中分別建立關(guān)于樹高和胸徑的混合線性模型，由于存在數(shù)據(jù)缺失、區(qū)組數(shù)不一致的情況，采用混合線性模型，利用極大似然法進(jìn)行分析。將區(qū)組(重復(fù))設(shè)為隨機(jī)效應(yīng)，固定效應(yīng)是地點(環(huán)境)和基因型，分析并獲得基因型、環(huán)境、基因型×環(huán)境的方差分量值及顯著性(表4)； 并提取預(yù)測值用于后續(xù)GGE雙標(biāo)圖的繪制。結(jié)果表明，歐美楊的樹高和胸徑這2個生長性狀在生長初期受到了環(huán)境因素、遺傳因素以及基因型與環(huán)境交互作用的極顯著影響(P<0.001)。對混合線性模型中的隨機(jī)效應(yīng)進(jìn)行檢驗，無論樹高還是胸徑，區(qū)組效應(yīng)都是極顯著的； 這在林木試驗上是難以避免的(表5)。

圖1 樹高、胸徑均值熱圖

表3 樹高、胸徑的變異系數(shù)

表4 固定效應(yīng)分析

表5 隨機(jī)效應(yīng)分析

2.3 歐美楊生長初期的評價

2.3.1 對歐美楊生長初期胸徑的評價 經(jīng)比較，生長性狀預(yù)測值與觀測值存在較為緊密的相關(guān)關(guān)系(圖2)。利用胸徑的性狀預(yù)測值作的GGE雙標(biāo)圖，第1主成分解釋了64.79%的變異，第2主成分解釋了22.18%的變異。雙標(biāo)圖的擬合度達(dá)到86.97%(圖3、圖4、圖5)，表明圖中所揭示的趨勢和關(guān)系與實際情況較為一致。

環(huán)境間的評價見圖3，圖中過圓心的實線為平均環(huán)境軸(average environment axis)，軸上的小圓圈代表平均環(huán)境。虛線向量用于度量各試驗地點的能力； 長度是其區(qū)分能力的度量，長度越長區(qū)分力越大； 與平均環(huán)境軸的夾角是其代表性的度量，角度越小越有代表性； 各環(huán)境間的向量的夾角為銳角，說明兩環(huán)境存在正相關(guān)關(guān)系，其無性系排名相似； 直角為不相關(guān)； 鈍角則是負(fù)相關(guān)(Yanetal.， 2010)。

圖2 性狀值與性狀預(yù)測值比較

圖3 區(qū)分力與代表性

對于胸徑性狀來說(圖3)，寧陽、諸城、鄆城和灤南4個地點的環(huán)境類似，正相關(guān)的程度較高； 這4個地點位于華北東部和華東北部，其氣候也類似(表2)。位于東北地區(qū)的黑山和位于華中地區(qū)的石首2個地點幾乎不相關(guān)，其與另外4個地點的相關(guān)性也較低。根據(jù)早期胸徑表現(xiàn)，6個地點中最適宜作為試驗點的地點為寧陽，其代表性和區(qū)分力最強(qiáng)； 石首區(qū)分力也很強(qiáng)，但其代表性較弱； 鄆城、灤南和諸城的環(huán)境下胸徑表現(xiàn)相似，代表性很好但區(qū)分力稍弱； 黑山地區(qū)的區(qū)分力和代表性在6個地點中最差。

圖4是分組篩選品種的功能圖，可以對基因型和地點的相互關(guān)系分組，并給出各組內(nèi)最高產(chǎn)的基因型和優(yōu)秀的基因型(嚴(yán)威凱， 2010)。根據(jù)各基因型胸徑的表現(xiàn)，6個地點分為2組生態(tài)區(qū)： 黑山、諸城、灤南和鄆城為一組，優(yōu)秀基因型有3號、4號和7號，該環(huán)境中表現(xiàn)最好的是7號； 寧陽和石首為一組，優(yōu)秀基因型有5號和9號，表現(xiàn)最好的是5號。圖4中各環(huán)境內(nèi)表現(xiàn)最好的無性系并不一致，這是交叉性互作現(xiàn)象(crossover GE)，其對于劃分不同基因型的生態(tài)區(qū)以及適地適品種的篩選具有重要意義(嚴(yán)威凱， 2010)。

圖5是顯示高產(chǎn)性與穩(wěn)產(chǎn)性的功能圖，小圓圈代表平均產(chǎn)量，其所在直線也是平均環(huán)境軸。隨著箭頭的指向，產(chǎn)量逐漸升高； 垂直于平均環(huán)境軸的虛線是各基因型與各地點相互作用的傾向性，基因型距離平均環(huán)境軸越遠(yuǎn)越不穩(wěn)定(Gauchetal.，1997)。

圖4 分組篩選雙標(biāo)圖

圖5 高產(chǎn)性與穩(wěn)定性

基因型的胸徑生長排名由高到低依次為5、7、4、3、9、6、1、2、8、10、12、11。最高產(chǎn)的基因型是5號，但其穩(wěn)定性較差，原因是它在石首地區(qū)的表現(xiàn)很好，但在另一側(cè)的5個地點表現(xiàn)一般，由于其平均產(chǎn)量最高，可以考慮在石首地區(qū)主栽，其余地點繼續(xù)觀察。與5號產(chǎn)量很接近的7號，其穩(wěn)定性最好，平均胸徑表現(xiàn)接近最好，是可以考慮推廣栽植的基因型。高于胸徑平均表現(xiàn)的還有4號，穩(wěn)定性也不錯，北部地區(qū)的表現(xiàn)更好。值得一提的是10、11、12號3個基因型的胸徑表現(xiàn)最差，這可能與它們的遺傳背景(表2)有關(guān)。

2.3.2 對歐美楊生長初期樹高的評價 利用樹高的預(yù)測值(圖2)作的GGE雙標(biāo)圖(圖3、圖4、圖5)，第1主成分解釋了61.37%的變異，第2主成分解釋了24.34%的變異。雙標(biāo)圖的擬合度高于85%，表明圖中所揭示的趨勢和關(guān)系與實際情況較為一致。

在樹高的表現(xiàn)上，寧陽與華中地區(qū)的石首類似，而北方的4個地點(灤南、鄆城、黑山和諸城)相關(guān)性較高，這與關(guān)于胸徑的環(huán)境評價相似但不相同。根據(jù)早期樹高的表現(xiàn)6個地點中最適宜作為試驗點的是灤南，其代表性最強(qiáng)，區(qū)分力較優(yōu)； 鄆城區(qū)分力一般，但其代表性較強(qiáng)； 黑山、諸城、寧陽和石首4個地點的區(qū)分力較強(qiáng)，但代表性弱一些(圖3)。

根據(jù)各基因型樹高的表現(xiàn)，圖4將6個地點分為2組生態(tài)區(qū)： 寧陽、石首、灤南和鄆城為一組，優(yōu)秀基因型有5號和7號，該環(huán)境中表現(xiàn)最好的是5號； 黑山和諸城為一組，優(yōu)秀基因型有3號、4號和9號，表現(xiàn)最好的是3號。

對于樹高性狀來說，基因型的排名與胸徑相似，由高到低依次為5、7、4、3、9、12、1、2、11、6、8、10。最高產(chǎn)的基因型是5號，但其穩(wěn)定性較差，原因是它在寧陽和石首地區(qū)的表現(xiàn)很好，但在北方的4個地點表現(xiàn)較優(yōu)，可以考慮推廣并在石首和寧陽地區(qū)主栽。7號的表現(xiàn)較優(yōu)，其產(chǎn)量僅次于5號，但穩(wěn)定性最強(qiáng)，可以推廣。在黑山、諸城、鄆城、灤南4個地點還可以推廣3號、4號和9號。

3 討論

林木群體中存在著大量變異，這是改良林木的寶貴財富，在不同的環(huán)境下分析并討論歐美楊的遺傳變異情況是改良?xì)W美楊的必要條件(劉成功， 2018)。通過統(tǒng)計分析歐美楊不同基因型在各地點的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，整體上看，樹高的變異大于胸徑，這與前人的研究結(jié)果(鄧?yán)^峰等， 2010； 司冬晶等， 2016； Pliuraetal.， 2007)一致。本試驗中黑山地區(qū)的變異最大，這可能是因為黑山縣處于我國的東北地區(qū)，其偏冷的氣候(表1)不適合速生型歐美楊的生長。除此之外，石首地區(qū)的變異系數(shù)也略高，僅次于黑山地區(qū)，綜合環(huán)境因子，這可能與土壤、光照時長、溫度有關(guān)，具體主要是哪種環(huán)境因子引起的這些變異，本研究計劃繼續(xù)觀測并收集數(shù)據(jù)，在試驗后期做環(huán)境因子對于歐美楊生長的影響。

通過建立混合效應(yīng)的線性模型，并使用預(yù)測性狀值代替觀測均值來作GGE雙標(biāo)圖，解決了試驗數(shù)據(jù)不平衡導(dǎo)致的誤差問題。固定效應(yīng)分析結(jié)果表明，基因型、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作效應(yīng)對3年生的歐美楊生長初期樹高、胸徑的影響均極顯著，國內(nèi)外對于楊屬(Populus)、松屬(Pinus)、杉木屬(Cunninghamia)、榿木屬(Alnus)等樹種的多點試驗均驗證了林木基因型(品種)與環(huán)境互作效應(yīng)的顯著存在(王軍輝等， 2000； 李火根等，1997； 程玲等， 2018； Bianetal.， 2014； Wuetal.， 2005)。基因型同環(huán)境的顯著互作效應(yīng)與生長性狀觀測值的表現(xiàn)相吻合(圖1)： 同一基因型在不同地區(qū)的表現(xiàn)有明顯差異，不同基因型在同一地區(qū)表現(xiàn)也不同。以上結(jié)果說明歐美楊的生長性狀在生長初期主要受環(huán)境和遺傳的控制，而基因型與環(huán)境的極顯著互作效應(yīng)使得各地點的優(yōu)秀基因型表現(xiàn)更為明顯。但是本研究沒有克服試驗地內(nèi)的誤差同質(zhì)性，由于人工林木試驗往往試驗面積較大，區(qū)組的顯著效應(yīng)難以避免。使用空間分析法結(jié)合因子分析法的BLUP-GGE聯(lián)合分析可以克服這一問題(程玲等， 2018)。

樹高和胸徑雙標(biāo)圖的擬合度均在80%以上，解釋了絕大部分的變異。利用樹高和胸徑的預(yù)測值作GGE雙標(biāo)圖，發(fā)現(xiàn)歐美楊在生長初期樹高和胸徑的表現(xiàn)相似但不相同。對于不同生長性狀，環(huán)境間的關(guān)系并不一致，由于歐美楊還處于生長初期，且目前互作效應(yīng)極顯著，應(yīng)繼續(xù)等待并觀測，以期使用較穩(wěn)定生長量數(shù)據(jù)來評價環(huán)境。根據(jù)樹高、胸徑的揭示豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)雙標(biāo)圖，入選的優(yōu)良的基因型有5號、7號和4號，其中5號的產(chǎn)量最高，但穩(wěn)定性不足，它在石首地區(qū)的表現(xiàn)最好，而在其他地區(qū)表現(xiàn)較好； 7號的穩(wěn)產(chǎn)性最高，豐產(chǎn)性第二； 4號胸徑表現(xiàn)高于平均產(chǎn)量，穩(wěn)產(chǎn)性較優(yōu)。

綜合樹高和胸徑雙標(biāo)圖顯示的結(jié)果和規(guī)律表明： 黑山地區(qū)和諸城地區(qū)的優(yōu)良基因型有3號和4號，其中3號表現(xiàn)最佳，9號只在樹高方面表現(xiàn)優(yōu)良而7號只在胸徑方面表現(xiàn)優(yōu)良； 寧陽地區(qū)和石首地區(qū)的最佳基因型為5號，9號只在胸徑方面表現(xiàn)優(yōu)良而7號只在樹高方面表現(xiàn)優(yōu)良； 灤南地區(qū)和鄆城地區(qū)的最佳基因型為7號，5號只在樹高方面表現(xiàn)優(yōu)良而3號和4號只在胸徑方面表現(xiàn)優(yōu)良。入選的基因型有3號、4號、5號、7號和9號，其遺傳背景(表2)與之具有密切關(guān)系。這5個基因型都是屬于母本為同一株丹紅楊的半同胞家系，除3號的父本來自于德國北部外，其余的父本均來自于荷蘭北部。4號、5號、6號和7號4個是全同胞家系，均為荷蘭北方型的歐洲黑楊N146的后代; 但由于基因型不同，4號更適宜在東北地區(qū)的黑山和華東地區(qū)的諸城栽植； 5號更適宜在華中地區(qū)的石首和華東地區(qū)的寧陽栽植； 7號更適合在華北地區(qū)的灤南和華東地區(qū)的鄆城栽植； 6號由于表現(xiàn)不佳而沒有入選。遺傳背景相似的后代，在不同環(huán)境下其生長適應(yīng)性出現(xiàn)的變異表明遺傳因素對歐美楊雜交育種有明顯影響。10號、11號和12號3個基因型的表現(xiàn)均不好，這很可能是由于中石8號作為母本而導(dǎo)致的雜交不親和。1號和2號的表現(xiàn)不佳可能是因為其父本種源地過于寒冷，在水熱條件較好的地方表現(xiàn)出不適應(yīng)。結(jié)果表明，父本的遺傳物質(zhì)和種源地對雜交無性系的表現(xiàn)有著明顯的影響，荷蘭北方型的歐洲黑楊N146是優(yōu)良的父本材料。

林元震(2019)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在杉木和松樹上基因型與環(huán)境互作的效應(yīng)有隨樹齡增長而減弱的效果，早期數(shù)據(jù)相對于成熟期的數(shù)據(jù)評價來說可能不可靠； 另有研究表明，輻射松(Pinusradiata)的木材密度受環(huán)境影響小，主要受遺傳影響，B型相關(guān)僅為0.7(Bianetal.， 2011)。由于被砍伐的年限較早，對于速生的歐美楊來說，基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的生長初期研究具有一定的理論意義和實用價值。本文通過對3年生的歐美楊生長數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以在生長初期進(jìn)行初步篩選。在未來各基因型表現(xiàn)排名可能會由于保存率或其他因素的變化而出現(xiàn)差異，還需要持續(xù)開展試驗，以期為歐美楊人工林生產(chǎn)時的適地適品種提供完整的技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

1) 東北地區(qū)和華中地區(qū)的歐美楊生長初期樹高、胸徑變異較大； 基因型、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作的效應(yīng)在生長初期對歐美楊的生長性狀存在極顯著的影響。

2) 綜合篩選出生長初期豐產(chǎn)性較高穩(wěn)產(chǎn)性最高的基因型7號，豐產(chǎn)的基因型5號，高于平均產(chǎn)量的豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)都較好的基因型4號。

3) 就生長初期歐美楊的適地適品種來說，在黑山地區(qū)和諸城地區(qū)適合栽植3號和4號基因型； 在寧陽地區(qū)和石首地區(qū)適合栽植5號基因型； 灤南地區(qū)和鄆城地區(qū)適合栽植7號基因型。