鄂西地區(qū)歐洲云杉幼齡無(wú)性系生長(zhǎng)差異及早期評(píng)價(jià)與選擇

高本旺，歐陽(yáng)芳群，高 晗，李 薇，雷 華，田開(kāi)春，祁 松，王軍輝

(1.宜昌市林業(yè)科學(xué)研究所，湖北 宜昌 443111；2.北京市植物園管理處，北京市花卉園藝工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100093；3.湖北宜昌夷陵區(qū)樟村坪國(guó)有林場(chǎng)，湖北 宜昌 443145；4.林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，我國(guó)就已開(kāi)展主要用材林及經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種無(wú)性系選育及改良工作，以開(kāi)拓集約人工林發(fā)展無(wú)性系林業(yè)的道路。各樹(shù)種如楊樹(shù)（PopulusL.）、杉 木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、落葉松（Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.）、白榆（Ulmus pumilaL.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）、油茶（Camellia oleiferaAbel.）、板栗（Castanea mollissimaBlume）和核桃（JuglansregiaL.）等都已篩選出一批遺傳增益達(dá)30%以上的無(wú)性系種質(zhì)資源，成為這些樹(shù)良種化的支柱品種[1]。歐洲云杉（Picea abies(L.)Karsten.）為松科（Pinaceae）云杉屬（Picea），是我國(guó)北方成功引種的外來(lái)用材樹(shù)種，它比各鄉(xiāng)土云杉具有極高生產(chǎn)力，胸徑可達(dá)150 cm[2-3]。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所云杉課題組自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始從全世界歐洲云杉主要分布區(qū)的法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和捷克等地引進(jìn)不同種源、家系等種質(zhì)，在全國(guó)多地點(diǎn)開(kāi)展引種對(duì)比試驗(yàn)，從繁殖育苗[4-6]、引種適應(yīng)性[7-10]、遺傳多樣性[11-12]等方面逐步對(duì)引進(jìn)的云杉進(jìn)行了研究分析及優(yōu)選，初步已確定其適應(yīng)地區(qū)和增益優(yōu)勢(shì)。

林木育種最終目的是選育優(yōu)良種質(zhì)資源。Kliz 等研究指出，不同歐洲云杉種群在特定的環(huán)境中具有不同的適應(yīng)能力[12]。最佳線性無(wú)偏預(yù)測(cè)（BLUP）利用混合模型對(duì)育種值等遺傳參數(shù)進(jìn)行無(wú)偏估計(jì)，其得出育種值與實(shí)際值相關(guān)系數(shù)大，且能夠有效消除除遺傳因素的其它影響得出育種值與實(shí)際值相關(guān)系數(shù)大，且能夠有效消除其它除遺傳因素的影響[13-14]。R 語(yǔ)言中l(wèi)me4、nme、MCMCglmm、ASReml 等程序包都可進(jìn)行混合線性模型的數(shù)據(jù)分析，其中，lme4 包中的lmer 函數(shù)是BLUP 分析常用的方法之一。筆者以9 年生378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系試驗(yàn)林為試材，研究其表型性的遺傳變異，探討其進(jìn)行材質(zhì)改良的潛力，并通過(guò)樹(shù)高基因型值/遺傳值優(yōu)選30 個(gè)無(wú)性系，可為歐洲云杉無(wú)性繁殖推廣應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)種質(zhì)材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)地處湖北省宜昌市夷陵區(qū)北部樟村坪林場(chǎng)（31°09′50″ N、110°03′43″ E），海拔1502 m，坡度22°，坡向東，坡位中上，年平均降水量1 100 mm 以上，年平均氣溫7.4～17.6℃，濕度82%。

1.2 材料來(lái)源

參試的378 個(gè)歐洲云杉捷克種源無(wú)性系來(lái)源于中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所云杉遺傳改良課題組與甘肅天水小隴山林業(yè)科學(xué)研究所協(xié)作苗圃開(kāi)展生產(chǎn)性育苗。通過(guò)播種繁殖后，于2008 年選超級(jí)苗扦插，單株無(wú)性系化并進(jìn)行多次選擇比較，2011 年3 月，選擇出378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系苗（3 年生）在宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)樟村坪林場(chǎng)三岔埡分場(chǎng)宰金坪造林，田間試驗(yàn)采用隨機(jī)完全區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，5 次重復(fù)，4 株方塊小區(qū)，株行距為2 m×2 m，挖穴規(guī)格40 cm×40 cm×40 cm，不施基肥，營(yíng)造無(wú)性系測(cè)試林3 hm2。

1.3 研究?jī)?nèi)容及測(cè)定指標(biāo)

（1）378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系各性狀遺傳變異評(píng)價(jià)。2019 年底至2020 年初全面調(diào)查378 個(gè)無(wú)性系樹(shù)高、胸徑、冠幅、新梢長(zhǎng)及分枝數(shù)等指標(biāo)（實(shí)測(cè)6 597 株，缺963 株）。

（2）優(yōu)良無(wú)性系選擇。利用無(wú)性系試驗(yàn)林樹(shù)高遺傳值對(duì)試驗(yàn)林開(kāi)展優(yōu)良無(wú)性系選擇。

1.4 調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法

（1）2019 年在歐洲云杉生長(zhǎng)休眠期進(jìn)行9 年生長(zhǎng)量指標(biāo)調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括樹(shù)高（H/ m）、胸徑（D/cm）、新梢長(zhǎng)（I/cm）、冠幅（C/cm）、分枝數(shù)（B/個(gè)）。

（2）對(duì)歐洲云杉無(wú)性系間生長(zhǎng)性狀進(jìn)行有關(guān)遺傳參數(shù)估算，采用線性模型如下：

式中：Xijk為單株觀測(cè)值，μ為試驗(yàn)均值，Cj為無(wú)性系效應(yīng)（隨機(jī)），Bi為 區(qū)組處理（固定），BCi j為區(qū)組與無(wú)性系互作效應(yīng) (隨機(jī))，eijk為剩余項(xiàng)。

（3）無(wú)性系遺傳變異系數(shù)（CVc）和表型變異系數(shù)（CVp）:

（4）無(wú)性系重復(fù)力（R）計(jì)算公式：

（5）相關(guān)系數(shù)：

（6）各性狀遺傳值估算采用混合線性模型如下：

式中：y觀察向量，β為固定效應(yīng)向量，u為隨機(jī)效應(yīng)向量，e為誤差向量；X、Z分別為設(shè)計(jì)矩陣。

（7）遺傳增益（G）：

式中：S表示選擇差；R表示無(wú)性系重復(fù)力。

1.5 統(tǒng)計(jì)軟件

方差分析采用R 軟件GLM 模塊計(jì)算，遺傳參數(shù)及遺傳值采用R 軟件lme4 程序包計(jì)算[15]。遺傳相關(guān)系數(shù)采用軟件HalfsibSS 1.0[16]，表型相關(guān)系數(shù)采用軟件SAS 9.1 CORR 模塊計(jì)算Pearson 表型相關(guān)系數(shù)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)性系的表型變異和遺傳參數(shù)估計(jì)

對(duì)378 個(gè)9 年生歐洲云杉無(wú)性系表型性狀進(jìn)行調(diào)查分析，歐洲云杉各無(wú)性系苗平均保存率達(dá)88.8%，最大值達(dá)100%，最小值為25%。由表1可知：378 個(gè)9 年生歐洲云杉無(wú)性系（不含苗期3 年）樹(shù)高均值為2.62 m，當(dāng)年新梢長(zhǎng)度均值為36.80 cm，胸徑均值為2.80 cm。當(dāng)年生長(zhǎng)輪每輪平均4.47 個(gè)分枝，冠幅大小均值為125.30 cm，各表型變異系數(shù)平均為31.38%～48.24%，說(shuō)明無(wú)性系之間不同表型性狀差異較大。

表1 歐洲云杉無(wú)性系表型均值Table 1 Phenotype average values of Picea abies clones

對(duì)歐洲云杉無(wú)性系各性狀進(jìn)行方差分析，由表2 可知：性狀無(wú)性系間均差異極顯著，說(shuō)明從無(wú)性系水平進(jìn)行篩選及遺傳改良的可行性極大，即同一種源內(nèi)基因型間有極大生長(zhǎng)和適應(yīng)性差異；分枝數(shù)在區(qū)組間差異顯著或極顯著，其它性狀在區(qū)組間差異表現(xiàn)為顯著。各性狀在無(wú)性系與區(qū)組間交互作用極顯著，受遺傳和環(huán)境交互影響較大。

表2 歐洲云杉無(wú)性系生長(zhǎng)性狀方差分析Table 2 Variation analysis of growth traits of Picea abies clones

從表3 方差分量看：樹(shù)高、新梢長(zhǎng)、胸徑、分枝數(shù)、冠幅、材積無(wú)性系效應(yīng)的方差分量占比為10.2%～20.42%，無(wú)性系與區(qū)組效應(yīng)的方差分量占比為7.75%～ 34.29%，誤差方差分量占比為47.25%～82.05%，除分枝性狀外，其它生長(zhǎng)性狀無(wú)性系與區(qū)組互作效應(yīng)均大于無(wú)性系效應(yīng)，說(shuō)明歐洲云杉無(wú)性系生長(zhǎng)受遺傳和環(huán)境互作影響較大，誤差方差分量占比相對(duì)較高，說(shuō)明無(wú)性系區(qū)組間及小區(qū)內(nèi)個(gè)體間受環(huán)境影響效應(yīng)較大。

表3 歐洲云杉無(wú)性系的生長(zhǎng)性狀方差分量和遺傳參數(shù)估計(jì)Table 3 Variance component and gene parameters of Picea abies clones

從表3 中無(wú)性系重復(fù)力來(lái)看：各性狀受無(wú)性系遺傳因素控制程度較強(qiáng)，進(jìn)行改良潛力較大，其中，無(wú)性系胸徑和冠幅性狀重復(fù)力達(dá)到0.70 以上。無(wú)性系各性狀遺傳變異系數(shù)均小于表型變異系數(shù)，遺傳變異系數(shù)為10.02%～20.38%，表型變異系數(shù)為31.36 %～48.36%。

2.2 無(wú)性系生長(zhǎng)性狀間的相關(guān)分析

對(duì)9 年生378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系的各生長(zhǎng)性狀樹(shù)高、新梢長(zhǎng)、胸徑、冠幅、分枝數(shù)、材積進(jìn)行相關(guān)分析，其中，分枝數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)化（以10 為底）后分析，結(jié)果（表4）表明：無(wú)性系樹(shù)高、新梢長(zhǎng)、胸徑、冠幅表型相關(guān)和遺傳相關(guān)系數(shù)較高（0.72～0.95），且都極顯著相關(guān)。無(wú)性系材積與樹(shù)高、胸徑、新梢長(zhǎng)和冠幅間有顯著或極顯著表型相關(guān)和遺傳相關(guān)。分枝數(shù)與其他各性狀表型及遺傳相關(guān)系數(shù)均較低，且不顯著相關(guān)?？赡艿脑蚴菬o(wú)性系分枝數(shù)測(cè)量的是頂輪分枝數(shù)，并不是整株的分枝數(shù)。

表4 無(wú)性系生長(zhǎng)性狀相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coeffieient of growth traits in Picea abies clones

2.3 無(wú)性系遺傳值估計(jì)與優(yōu)良無(wú)性系的初步選擇

運(yùn)用BLUP 方法得到378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系樹(shù)高遺傳值范圍為?81.16～108.59，大于0 的無(wú)性系有167 個(gè)。樹(shù)高遺傳值與樹(shù)高實(shí)際值經(jīng)檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.997（圖1），二者呈極顯著正相關(guān)（p<2.2e?16）。

圖1 歐洲云杉無(wú)性系樹(shù)高遺傳值與實(shí)際值之間的線性相關(guān)Fig.1 The pearson correlation between tree height of the clones and genetic value

從中選擇遺傳值較高的30 個(gè)無(wú)性系作為優(yōu)良無(wú)性系，樹(shù)高選擇差為101.39 cm，入選無(wú)性系樹(shù)高均值為363.18 cm，遺傳增益為26.38%；入選無(wú)性系胸徑、冠幅均值分別為4.06、162.37 cm。各無(wú)性系號(hào)及樹(shù)高遺傳增益見(jiàn)表5。

表5 入選的歐洲云杉優(yōu)良無(wú)性系及樹(shù)高遺傳增益Table 5 Selected superior P.abies clones and genetic gain of tree height

3 討論

無(wú)性系育種在林木遺傳改良中具有很大的潛力和優(yōu)勢(shì)，繁殖的無(wú)性系不僅能夠繼承母株的加性效應(yīng)，還繼承了母株的顯性和上位作用效應(yīng)[18-19]。參試378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系是苗期篩選出的優(yōu)良單株扦插擴(kuò)繁初步選出而來(lái)。通過(guò)無(wú)性系生長(zhǎng)表型的測(cè)定可直接了解該無(wú)性系對(duì)區(qū)域的適應(yīng)性及遺傳變異情況。

本研究通過(guò)對(duì)樟村坪林場(chǎng)378 個(gè)歐洲云杉無(wú)性系樹(shù)高、胸徑、冠幅、分枝數(shù)、新梢長(zhǎng)等表型性狀的測(cè)定及變異分析發(fā)現(xiàn)，同一種源內(nèi)歐洲云杉無(wú)性系間具有極顯著差異，各性狀無(wú)性系重復(fù)力較高，說(shuō)明各性狀在無(wú)性系間具有差異。各性狀表型變異系數(shù)為31.36%～48.36%，遺傳變異變異系數(shù)為10.02%～ 20.38%。各性狀的無(wú)性系、無(wú)性系與區(qū)組互作效應(yīng)都顯著，無(wú)性系與區(qū)組互作效應(yīng)方差分量比無(wú)性系的方差分量大（分枝數(shù)除外），說(shuō)明遺傳因素及立地環(huán)境因素對(duì)歐洲云杉無(wú)性系的影響很大。在林木育種中，尤其具有重要商業(yè)價(jià)值的樹(shù)種研究報(bào)告中，均顯現(xiàn)出顯著的遺傳因素與環(huán)境因素的互作效應(yīng)影響如火炬松（Pinus taedaL.）、落葉松、桉樹(shù)（Eucalyptus robustaSmith.）、云杉等[20-22]。

歐洲云杉無(wú)性系各性狀重復(fù)力范圍為0.59～0.71，表明全部性狀均中等程度以上的遺傳調(diào)控，無(wú)性系間遺傳效應(yīng)與一般環(huán)境效應(yīng)疊加所形成的表型性狀具有較高的穩(wěn)定性。在無(wú)性系性狀遺傳變異分析中，滇楸（Catalpa fargesiiBur.）[23]、香椿（Toona sinensis(A.Juss.) Roem.）[24]、桉樹(shù)[25]等均表現(xiàn)出了大于0.50 的重復(fù)力，并在無(wú)性系間進(jìn)行了優(yōu)選。歐洲云杉無(wú)性系生長(zhǎng)性狀重復(fù)力較高，在本地進(jìn)行優(yōu)良無(wú)性系的選擇可以取得較好的改良效果。

通過(guò)各性狀遺傳和環(huán)境相關(guān)性分析，胸徑與樹(shù)高遺傳相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95，因此，利用樹(shù)高遺傳值大小進(jìn)行優(yōu)良無(wú)性系的選擇具有一定的可行性。遺傳值是林木選擇育種中一項(xiàng)重要參數(shù)，代表遺傳效應(yīng)中的加性效應(yīng)部分。BLUP 法是Henderson 針對(duì)不平衡資料提出的一種預(yù)測(cè)方法，能夠應(yīng)用線性方程進(jìn)行固定效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)的估算。1988 年White等[26]對(duì)BLUP 方法的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，目前，BLUP 方法已在泡桐（Paulownia fortunei(Seem.)Hemsl.）[27]、扭葉松（Pinus contortassp.latifolia）[28]、火炬松[29]、青海云杉（Picea crassifoliaKom.）[14]育種中應(yīng)用。孫曉梅等[30]也通過(guò)比較分析表示，通過(guò)BLUP 方法估算在無(wú)性系選育中具有重要意義。

4 結(jié)論

目前，在鄂西地區(qū)湖北宜昌已建立云杉屬種質(zhì)基地110 hm2，包括歐洲云杉海拔區(qū)域?qū)Ρ仍囼?yàn)林及推廣示范林，通過(guò)本地區(qū)378 個(gè)歐洲云杉優(yōu)良無(wú)性系遺傳變異分析，篩選出30 個(gè)優(yōu)良無(wú)性系，入選的無(wú)性系樹(shù)高遺傳增益達(dá)到26.38%，可扦插擴(kuò)繁為本地提供優(yōu)質(zhì)種苗和優(yōu)先推廣利用，加速本地云杉人工林的發(fā)展。目前，已完成部分入選優(yōu)良無(wú)性系再嫁接工作，嫁接成活率98%，以供建采穗圃和矮化處理做捷克種源育種群體親本用。此外，通過(guò)仔細(xì)調(diào)查生長(zhǎng)好的無(wú)性系和生長(zhǎng)差的無(wú)性系有物候等生長(zhǎng)和形質(zhì)指標(biāo)差別，以供選擇參考。