尾巨桉雜種F1 與抗風(fēng)性關(guān)聯(lián)的性狀分析及其選優(yōu)

沈 樂，徐建民，李光友，胡 楊，伍世杰，梁國堅，白惠文

(中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)科學(xué)研究所，熱帶林業(yè)研究國家林業(yè)和草原局重點實驗室，廣東 廣州 510520)

我國位于太平洋西部，常受到臺風(fēng)危害，華南地區(qū)是桉樹人工林主要栽培區(qū)，83% 的桉樹種植在兩廣、海南和福建東南沿海，該區(qū)域臺風(fēng)登陸頻繁[1]，抗風(fēng)桉樹品種的選育十分必要。早期抗風(fēng)樹種的選擇主要用于以保護農(nóng)田、果園和橡膠林，以提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量為目的設(shè)置防風(fēng)林帶[2]， 包括木麻黃（Casuarina）、松樹(Pinus)、相思類(Acacia) 和桉樹(Eucalyptus)[3-5]；在后期的研究中主要以提高林木木材產(chǎn)量為目的進行林木抗風(fēng)選育，主要研究內(nèi)容為探索影響林木抗風(fēng)能力的因素。近年來，國內(nèi)已逐步開展了桉樹抗風(fēng)遺傳相關(guān)分析和分子育種研究[6]。國外涉及林木抗風(fēng)研究的很大一部分是通過構(gòu)建林木風(fēng)倒、風(fēng)折的模型來研究林木抗風(fēng)機理[7-8]。

影響林木抗風(fēng)性的因素主要包括地形、立地條件、風(fēng)力等氣象因素和物種特性等，從林木育種角度，更多關(guān)注樹種特性和生物學(xué)特性對林木抗風(fēng)能力的影響，已有學(xué)者對林木生長性狀、形質(zhì)性狀、材質(zhì)性狀以及根系等對林木抗風(fēng)性能的影響展開了研究，其中，相關(guān)研究表明，根系數(shù)量是決定林木抗風(fēng)性的主要因子之一[9]；淺根系使林木在臺風(fēng)中容易出現(xiàn)倒伏的情況[10]；朱成慶[11]通過研究27 個桉樹無性系表明，林木的高徑比也是影響抗風(fēng)性的主要因素之一；國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，樹體較大的樹木(包括胸徑和樹高) 所受到的風(fēng)害較嚴(yán)重[12-13]；許秀玉等[14-15]研究表明，在樹體形態(tài)、根系與材性等影響因子中，木材材性所占權(quán)重最多，木材纖維寬度和彈性模量是影響總風(fēng)害率的2 個最主要指標(biāo)，其中，纖維寬度是影響樹木抗風(fēng)性的最大因素。另有研究表明，颶風(fēng)造成的樹木死亡率和木材密度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系[16-17]；Francis[18]同樣發(fā)現(xiàn)，木材密度越高、彈性模量越大越不容易出現(xiàn)斷干和倒伏現(xiàn)象，其中，冠幅、干形和葉片密度等形質(zhì)性狀也是影響抗風(fēng)性能的主要因素之一。

2017 年8 月，13 號強熱帶風(fēng)暴 “天鴿” 在廣東珠海、臺山紅嶺之間登陸，中心附近風(fēng)力14 級。僅隔4 d，14 號臺風(fēng) “帕卡” 又在廣東臺山東南部沿海登陸，中心附近風(fēng)力12 級，正面襲擊了距離海岸線較近的本研究雜種子代測定林。國內(nèi)針對桉樹抗風(fēng)性的研究中，大多以不同種源和無性系材料進行抗風(fēng)性調(diào)查研究，未對具有完整交配設(shè)計的雜交種進行抗風(fēng)評價，且鮮見木材化學(xué)組分與抗風(fēng)性相關(guān)研究的報道。因此，本文依據(jù) “天鴿” 和 “帕卡” 雙臺風(fēng)襲擊后的風(fēng)害調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合尾巨桉雜種生長、形質(zhì)性狀和木材材質(zhì)性狀進行相關(guān)分析，闡明尾巨桉雜種的抗風(fēng)性與生長、形質(zhì)性狀，木材材性及化學(xué)組分之間的表型和遺傳相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)育種目標(biāo)，采用獨立淘汰法和主成分分析進行優(yōu)選，旨為選出速生、材質(zhì)優(yōu)良且抗風(fēng)的良種，并為今后桉樹抗風(fēng)良種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與田間試驗鋪設(shè)

試驗林位于廣東省江門市新會區(qū)羅坑鎮(zhèn)（112°52' E，22°22' N），試驗地概況、試驗設(shè)計和參試材料與參考文獻[19] 中的一致。尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis) 雜交組合以尾葉桉(E. urophyllaS.T. Blake.) 為母本、 巨桉(E.grandisHill.) 為父本，采用6×6 析因交配設(shè)計獲得36 個組合雜種（表1）。

表1 尾葉桉和巨桉6×6 交配設(shè)計的交配列陣圖Table 1 Reciprocal crosses design among six Eucalyptus urophylla and six E. grandis parents

1.2 生長、形質(zhì)性狀和材質(zhì)性狀的測定

臺風(fēng)危害前，測定了10.3 年生時的生長性狀（樹高（H）、胸徑（DBH））和材質(zhì)性狀材料的取樣，調(diào)查保存率和形質(zhì)性狀（冠幅和干形）。冠幅以樹干為中心，實測南、北2 個方向的冠幅直徑，取均值。干形分4 級評定，1 級為主干通直、無分叉或無大枝，得4 分；2 級為輕微彎曲，少分叉或有大枝，得3 分；3 級為1 個彎曲，2 個分叉或有大枝，得2 分；4 級為樹干2 個彎曲，有多分叉或2 個以上大枝，得1 分。單株材積(V,m3) 計算公式如下：

1.2.1 材質(zhì)性狀材料取樣 在5 株小區(qū)中選取2 株平均木，沿南北方向在胸徑處用內(nèi)徑5 mm 的生長錐鉆取木芯。用于測定木材基本密度和纖維特性等材性指標(biāo)；在樣木朝南1.3 m 處取木質(zhì)部3 cm 厚木塊，磨成木材粉末過篩，取過40 目不過60 目粉末作為樣品。

1.2.2 材質(zhì)性狀及化學(xué)組分的測定 木材基本密度采用排水法測定[20]，木芯經(jīng)過離析后，采用纖維質(zhì)量分析儀(FQA-code IDAO2) 測定纖維長和纖維寬，并計算纖維長寬比。在6 個重復(fù)中選擇4 個重復(fù)的樣品測定木材的化學(xué)組分，樣品經(jīng)丙酮抽提后取絕干樣品0.1 g，并在樣品中加入1.5 mL72% 硫酸，充分?jǐn)嚢韬蠹尤?6 mL 的去離子水，放置高壓滅菌鍋120 min，使用G3 坩堝進行抽濾，并將坩堝放置105℃烘箱烘6 h，烘干前后稱質(zhì)量，坩堝前后質(zhì)量差為不溶木素的含量；另取10 mL 抽濾得到的溶液，使用紫外分光光度計測量酸溶木素含量，剩余抽濾所得溶液用5 mol·L－1的氫氧化鈉調(diào)至中性，使用戴安離子色譜ICS3000 型測量糖類含量[21-22]，其中，纖維素含量等于聚葡萄糖含量，半纖維素含量等于聚阿拉伯糖、聚半乳糖、聚木糖、聚甘露糖4 種聚糖的總和，木質(zhì)素含量等于不溶木素與酸溶木素之和。

1.3 抗風(fēng)等級測定

風(fēng)害調(diào)查與臺風(fēng)前生長、形質(zhì)性狀和材質(zhì)性狀取樣時間僅相隔15 d，以5 級風(fēng)害等級評估林木受損情況， 估算相應(yīng)的抗風(fēng)值（ Wind resistance value；WRV）。Ⅰ級，樹干沒有明顯傾斜（沒有受風(fēng)害），得5 分；Ⅱ級，樹干傾斜小于45 度，得4 分；Ⅲ級，樹干傾斜大于45 度，不可恢復(fù)生長，得3 分；Ⅳ級，樹干折斷高度為樹高1/2 以上，得2 分；Ⅴ級，樹干折斷高度為樹高1/2 以下，得1 分。

抗風(fēng)和干形數(shù)據(jù)在進行方差分析、遺傳參數(shù)估算前進行反正弦轉(zhuǎn)換。風(fēng)害后的保存率（%）和各級風(fēng)害率計算公式如下：

保存率=（Ⅰ級所占的數(shù)量+Ⅱ級所占的數(shù)量）/總株數(shù)×100%

Ⅰ級風(fēng)害率=Ⅰ級所占的數(shù)量/總株數(shù)×100%

Ⅱ級風(fēng)害率=Ⅱ級所占的數(shù)量/總株數(shù)×100%

Ⅲ級風(fēng)害率=Ⅲ級所占的數(shù)量/總株數(shù)×100%

Ⅳ級風(fēng)害率=Ⅳ級所占的數(shù)量/總株數(shù)×100%

Ⅴ級風(fēng)害率=Ⅴ級所占的數(shù)量/總株數(shù)×100%

1.4 選擇方法

1.4.1 獨立淘汰法選優(yōu) 以紙漿材為培育目標(biāo)，選擇單株材積、基本密度、抗風(fēng)值均大于總體均值的雜種組合作為優(yōu)良雜種。

1.4.2 主成分分析法選優(yōu) 使用R 統(tǒng)計軟件對13 個雜種性狀進行主成分分析，并根據(jù)主成分綜合得分進行雜種排序，具體方法參考文獻[23]，其中，負(fù)向選擇指標(biāo)取其倒數(shù)使其正向化[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜種的抗風(fēng)表現(xiàn)

由圖1 可知：尾巨桉雜種的Ⅰ級、Ⅱ級風(fēng)害率和總體保存率均顯著高于尾葉桉純種對照，雜種的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級風(fēng)害率均顯著低于對照，表明雜種遭受風(fēng)害時產(chǎn)生的嚴(yán)重?fù)p害比對照少，同時也反應(yīng)了雜種的抗風(fēng)表現(xiàn)明顯優(yōu)于純種對照。將雜種分為5 個徑階，4 cm 為1 個徑階[25]，計算每個徑階的各級風(fēng)害率。圖2 表明：受臺風(fēng)影響，試驗林中雜種個體主要遭受Ⅰ級和Ⅴ級風(fēng)害，隨著徑階的遞增，Ⅴ級風(fēng)害占比逐漸增多，即個體胸徑越大，越易發(fā)生主干折斷；胸徑為26.0～29.9 cm 的林木全部被折斷，胸徑為6.0～9.9 cm 的林木比胸徑為10.0～17.9 cm 的林木更易發(fā)生主干折斷。

圖1 雜種與母本對照的各級風(fēng)害率和總體保存率對比Fig. 1 Comparison of wind damage rate and general preservation rate of hybrids and maternal as controls

圖2 不同徑階的各級風(fēng)害占比Fig. 2 Wind damage rate of different diameter classes

2.2 抗風(fēng)性、形質(zhì)、生長性狀和材質(zhì)指標(biāo)及其化學(xué)組分差異性分析

由表2 可知：抗風(fēng)值在雜種組合間差異極顯著(p＜0.01），說明針對抗風(fēng)性對雜種組合進行選擇是可行的；在區(qū)組間差異不顯著，說明田間環(huán)境較一致。生長性狀與形質(zhì)性狀雜種組合間均呈顯著或極顯著差異；材質(zhì)性狀中纖維寬在雜種組合間差異極顯著（p＜0.01）；木材基本密度、木質(zhì)素含量及半纖維素含量在區(qū)組間均差異極顯著（p＜0.01）。

2.3 生長與材性相關(guān)性分析

由表3 可知：單株材積與材質(zhì)性狀和化學(xué)組分間均呈不顯著遺傳相關(guān)，與木材基本密度、纖維寬、纖維長寬比以及木質(zhì)素含量呈顯著或極顯著表型正相關(guān)，與纖維長呈極顯著表型負(fù)相關(guān)，與纖維素、半纖維素含量呈不顯著遺傳、表型相關(guān)。

表2 雜種F1 各性狀方差分析 Table 2 Variance analysis of F1 hybrids from Eucalyptus urophylla×E. grandis for traits

表3 雜種F1 單株材積與材質(zhì)性狀及化學(xué)組分間的遺傳、表型相關(guān)性Table 3 Genetic and phenotypic correlation between individual volume，wood traits and chemical composition of the F1 hybrids from Eucalyptus urophylla×E. grandis

2.4 抗風(fēng)值與各性狀的相關(guān)性分析

由表4 可知：雜種抗風(fēng)值與生長性狀呈不顯著遺傳負(fù)相關(guān)，呈極顯著表型負(fù)相關(guān)，即林木樹高、胸徑、單株材積越大，受風(fēng)害影響越大；抗風(fēng)值與形質(zhì)性狀均呈不顯著相關(guān)，與纖維長、纖維寬呈顯著遺傳負(fù)相關(guān)，與木材基本密度、纖維長寬比、纖維素含量、木質(zhì)素含量和半纖維含量呈不顯著的遺傳相關(guān)；抗風(fēng)值與纖維長、纖維寬、纖維長寬比呈顯著或極顯著的表型負(fù)相關(guān)，即纖維長、纖維寬和纖維長寬比越大，林木遭受的風(fēng)害越嚴(yán)重，纖維寬是負(fù)向選擇指標(biāo)，纖維寬與抗風(fēng)值可同步改良；抗風(fēng)值與半纖維素含量呈顯著的表型正相關(guān)，與木材基本密度、纖維素含量和木質(zhì)素含量呈不顯著相關(guān)。

表4 雜種F1 抗風(fēng)值與生長、形質(zhì)、材質(zhì)性狀的遺傳、表型相關(guān)性Table 4 Genetic and phenotypic correlation between wind resistance value (WRV) and growth, stem-form and wood traits from the F1 hybrids of Eucalyptus urophylla×E. grandis

2.5 抗風(fēng)優(yōu)良雜種選擇

2.5.1 獨立淘汰法選優(yōu) 以紙漿材為培育目標(biāo)，采用獨立淘汰法結(jié)合單株材積、木材基本密度和抗風(fēng)值進行聯(lián)合選擇，結(jié)果（表5）表明：入選的3 個雜種單株材積、木材基本密度和抗風(fēng)值的變化范圍分別為0.121～0.128 m3、0.524～0.567 g·cm－3、3.500～4.059。36 個雜種單株材積、木材基本密度和抗風(fēng)值的變化范圍分別為0.050～0.154 m3、0.453～0.633 g·cm－3、1.71～4.45，其中，2 個雜種來自母本U15,表明該親本具有良好的育種潛力。

2.5.2 主成分分析法綜合選擇 經(jīng)過主成分分析，前5 個主成分的貢獻率分別為31.59%、17.62%、12.03%、 8.85%、 8.05%， 累計代表全部性狀的78.14%，且合計特征值均大于1。根據(jù)計算樣本相關(guān)矩陣的特征向量給出主成分的函數(shù)式分別為：

表5 選優(yōu)結(jié)果Table 5 Result of superior F1 hybrids

Y1=0.420H+0.471DBH+0.456V－0.211Stem+0.421CR+0.180FL－0.251FW－0.214BD－0.140C

Y2=－0.248Stem－0.550FL+0.108FW－0.128BD－0.557（FL/FW）+0.257L+0.456WRV

Y3=0.139H+0.164V+0.130Stem－0.160CR－0.233FL+0.276FW+0.305BD－0.616L+0.230C+0.486HC

Y4=0.295H+0.106V+0.244Stem+0.243CR－0.120FL－0.267FW－0.320(FL/FW)+0.597C－0.400HC－0.272WRV

Y5=0.117V－0.577Stem+0.438FW+0.414BD+0.180(FL/FW)－0.457HC－0.179WRV

由上述函數(shù)式可知：在第1 主成分Y1中，胸徑（DBH）的系數(shù)最大，其次是單株材積（V）、冠幅（CR）和樹高（H）的系數(shù)，表明第1 主成分主要反映生長情況的綜合指標(biāo)； 第2 主成分Y2中，抗風(fēng)值（WRV）的系數(shù)最大，表明第2 主成分主要反映抗風(fēng)綜合指標(biāo)；第3 主成分Y3中，半纖維素含量（HC）的系數(shù)最大，其次為基本密度（BD）,表明第3 主成分主要反映木材材質(zhì)的綜合指標(biāo)；第4 主成分Y4中，纖維素（C）的系數(shù)最大，表明第4 主成分主要反映木材化學(xué)性質(zhì)的綜合指標(biāo)；第5 主成分Y5中，纖維寬（FW）的系數(shù)最大，其次是基本密度（BD），表明第5 主成分主要反映木材物理性質(zhì)的綜合指標(biāo)。由表6 可知：綜合得分排名前7 的雜種組合為U2G19、U21G19、U21G5、U55G5、U15G5、U8G10、U2G10；生長和冠幅表現(xiàn)（第1 主成分值）排名前7 名的雜種組合為U2G19、U15G5、U21G19、U55G5、U21G5、DU1G5、U2G10；抗風(fēng)值表型（第2 主成分值）排名前7 名的雜種組合為U21G5、U8G5、U55G19、U15G19、U55G9、U8G19、U15G10；木材材質(zhì)表現(xiàn)（第3、4、5 主成分綜合得分）排名前7 名的雜種組合為U55G24、U8G9、U55G9、U55G8、U15G19、U15G24、U8G10。

表6 F1 雜種排名前7 的各主成分值Table 6 Each principal component value (PCV) in the top 7 of F1 hybrids

3 討論

生長性狀中的單株材積與基本密度、纖維寬、纖維長寬比及木質(zhì)素含量呈顯著或極顯著表型正相關(guān)，與纖維長呈極顯著表型負(fù)相關(guān)，與纖維素和半纖維素含量呈不顯著遺傳正相關(guān)。尾赤桉（Eucalyptus urophylla × E. camaldulensis）生長性狀與基本密度、纖維長呈顯著遺傳及表型正相關(guān)，與纖維寬呈顯著負(fù)相關(guān)[26]；尾細(xì)桉（E. urophylla × E.tereticornis）的生長性狀與基本密度、纖維素含量均呈顯著遺傳正相關(guān)，與半纖維素含量和木質(zhì)素含量均呈顯著遺傳負(fù)相關(guān)[27]；藍桉（E. globulusLabill.）的胸徑與纖維素含量和木質(zhì)素含量分別呈顯著的遺傳正相關(guān)和遺傳負(fù)相關(guān)[28]，以上研究結(jié)果與本研究結(jié)果不完全一致，不同樹種間生長性狀與材質(zhì)性狀的相關(guān)關(guān)系不一致。另有研究表明，亮果桉（E. nitensMaiden.）胸徑與基本密度在不同地點間的遺傳相關(guān)模式不同，在一個地點2 個性狀呈不顯著正相關(guān)，另一個地點2 個性狀呈顯著負(fù)相關(guān)，這表明生長與材質(zhì)性狀間的相關(guān)關(guān)系可能隨著樹種和環(huán)境的不同而改變[29]。

抗風(fēng)值與生長性狀呈極顯著表型負(fù)相關(guān)和不顯著遺傳負(fù)相關(guān)，表明林木長勢越好，抗風(fēng)能力越差。有學(xué)者通過對森林中不同樹種抗風(fēng)能力的研究證明,樹體越大越容易遭受風(fēng)害[30]。本研究中，胸徑為26.0～29.9、 6.0～9.9 cm 的林木比胸徑為10.0～17.9 cm 的林木更易發(fā)生主干折斷。朱成慶[11]對不同林齡的27 個桉樹無性系進行抗風(fēng)性研究，結(jié)果表明，1 年生幼齡林和5 年生中齡林的風(fēng)害率高于2～3 年生的幼齡林。因此，在評價林木抗風(fēng)能力與樹體大小的相關(guān)關(guān)系時，應(yīng)特別考慮林分生長階段的不同抗風(fēng)性。木材材性也是影響林木抗風(fēng)性的主要因素之一，許多研究表明，木材物理性質(zhì)和林木抗風(fēng)能力具有一定的相關(guān)關(guān)系[14-15,31]，抗風(fēng)樹種通常木材纖維呈粗短狀；也有研究表明，木材基本密度越大，主干損害程度越輕，其抗風(fēng)能力越強[17]。本研究中，抗風(fēng)值與木材基本密度及纖維素、木質(zhì)素含量相關(guān)不顯著，可能是因為本次臺風(fēng)風(fēng)力大，加之林木樹體大，其風(fēng)害類型主要集中在主干折斷。

基本密度為木材性質(zhì)最基本的指標(biāo),在育種實踐中可考慮優(yōu)先基本密度的選擇[32]，因此，本研究采用獨立淘汰法，結(jié)合單株材積、木材基本密度和抗風(fēng)值選出3 個優(yōu)良雜種U2G24、U15G8、U15G19，其中，2 個雜種來自同一母本U15；采用主成分分析，選出了主成分綜合得分排名前7 的雜種組合，分別為U2G19、U21G19、U21G5、U55G5、U15G5、U8G10、U2G10。獨立淘汰法選出的雜種U15G19在抗風(fēng)表現(xiàn)（第2 主成分值）中排名第4，在木材材質(zhì)表現(xiàn)（第3、4、5 主成分綜合得分）排名中第5。2 次選優(yōu)的結(jié)果不完全一致的原因可能為主成分分析中不同主成分的貢獻率不同，而采用獨立淘汰法所涉及的經(jīng)濟性狀較少，并默認(rèn)賦予相同權(quán)重，但采用獨立淘汰法注意各個性狀的極端表現(xiàn)，可作為特殊的種質(zhì)資源開發(fā)利用。

4 結(jié)論

尾巨桉雜種的整體抗風(fēng)優(yōu)于尾葉桉母本對照，且雜種的抗風(fēng)值與纖維長、纖維寬呈顯著遺傳負(fù)相關(guān)。采用獨立淘汰法，以紙漿材為選育目標(biāo)，結(jié)合材積、木材基本密度和抗風(fēng)值選出3 個優(yōu)良雜種，分別為U2G24、U15G8、U15G19。采用主成分分析綜合選擇，綜合表現(xiàn)較好的前7 個雜種分別為U2G19、U21G19、U21G5、U55G5、U15G5、U8G10、U2G10。