杉木高世代育種群體和一代群體遺傳基礎(chǔ)的比較研究及早期初選

包小梅, 華朝暉, 葉金俊, 王海蓉, 齊明, 何貴平

1. 浙江省遂昌縣生態(tài)林業(yè)發(fā)展中心，浙江 遂昌 323300；

2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶研究所，浙江 富陽 311400

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國南方最主要的用材樹種之一。杉木的遺傳改良倍受政府的重視。目前浙江省的杉木育種已深入到第三代，并展開了后代測定工作。杉木高世代育種群體中的親本是多性狀與高強度選擇的結(jié)果，其育種群體的遺傳基礎(chǔ)是否窄化是一個值得研究的問題。

李梅[10]采用RAPD分子標記，對杉木第一代，第二代和第三代育種群體的遺傳多樣性進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)各個育種世代的育種群體，其遺傳基礎(chǔ)并沒有窄化，而且其遺傳多樣性比天然群體的遺傳多樣性還高。但這是從群體遺傳學(xué)的角度來研究育種群體的遺傳多樣性，其中關(guān)于杉木第一代或第三代育種群體的子代遺傳變異這方面的研究漸多，但就杉木第一代與第三代試驗材料間的比較研究還不多見。

研究以杉木一代自由授粉試驗林為參照對象，從數(shù)量遺傳學(xué)的角度，通過比較兩個良種基地：長樂余杭的杉木第一代的子代試驗林與浙江龍泉的第三代的子代試驗林樹高的遺傳變異，來研究杉木第一代和第三代生長等性狀為直接選擇改良目標時，對育種群體的遺傳基礎(chǔ)帶來的影響。研究杉木三代初級種子園中親本自由授粉試驗林生長性狀的遺傳變異性，通過比較，了解三代育種群體的遺傳基礎(chǔ)是否變窄，為高世代遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)；并根據(jù)三代試驗分析結(jié)果,逆向選擇了若干家系，同時還估計了前向選擇的單株遺傳力，為杉木第四代改良做準備。

1 材料和方法

1.1 研究材料

浙江省龍泉杉木3代育種園中的親本，有70%以上的親本是從余杭長樂林場的2代杉木子代試驗林中選擇而來。研究使用的兩類材料，它們都與余杭長樂杉木良種基地上的育種材料有聯(lián)系，并且參試家系是從杉木育種園隨機抽取，因此其群體的遺傳基礎(chǔ)間具有可比性。從浙江龍泉杉木第3代初級種子園中隨機挑選若干親本自由授粉家系，于2015和2016分別在龍泉、遂昌兩個地點進行造林試驗，本研究僅涉及遂昌縣的杉木高世代子代試驗結(jié)果，遂昌縣有兩批高世代自由授粉子代試驗。其中一個試驗點為東丈，參試材料為31份，包括3份對照：龍15、閩33和杉木二代混合種子；另一個試驗點為鄭崗嶺，參試材料為29份，包括3份對照：龍混二代，福建第3代杉木種子園的混合種子和龍15半同胞家系的種子。野外田間試驗設(shè)計為完全隨機區(qū)組，4株縱行小區(qū)，10次重復(fù)。2016年春對東丈片試驗林進行調(diào)查，測定了幼林樹高等性狀；2017年對鄭崗嶺兩年生的杉木試驗林進行了調(diào)查，測定了樹高和地徑，因地徑測量誤差太大，故僅對幼林樹高進行分析。

參照群體是余杭長樂林場杉木一代初級種子園中隨機挑選的自由授粉家系子代試驗林，出栽地江西分宜大崗山硯里林場，參試家系有54個，外加一個對照，隨機區(qū)組設(shè)計，10個區(qū)組重復(fù)，5株單行小區(qū).調(diào)查分析時有胸徑、樹高、材積、枝下高和枝高比.由于高世代群體只有樹高一個性狀，故參比群體也只列舉了樹高一個性狀。

1.2 研究方法

根據(jù)田間試驗的原理，完全隨機區(qū)組屬于正交設(shè)計，其試驗獲得的非平衡數(shù)據(jù)，可采用轉(zhuǎn)化分析法的原理進行統(tǒng)計分析：即將4株縱行小區(qū)（或5株縱行小區(qū)）轉(zhuǎn)化為單株小區(qū)，進行統(tǒng)計分析[1]。具體方法如下。

（1）轉(zhuǎn)化后的線性模型:

yijk= u + fi+ bj+ eijk這 里: i = 1→a; j =1→b;k=1或0

上式中： yijk是第i個家系第j個重復(fù)第k株的表型觀察值；u是群體平均效應(yīng)；fi是家系效應(yīng)；bj是重復(fù)效應(yīng)；eijk是隨機誤差。

（2）期望均方

本研究中的三片試驗林，其方差分析信息見表1[1]。

表 1 單因素隨機區(qū)組不平衡數(shù)據(jù)的期望均方結(jié)構(gòu)Tab. 1 Expected mean square structure of single factor random block unbalance data

上表中：K值是調(diào)節(jié)系數(shù)，由各因子的參試子代樣數(shù)計算而來，具體計算公式如下：

（3）各因子效應(yīng)方差份量的求解:

建立聯(lián)立線性方程組如下:

解如上線性方程組，即得σe2, σf2,σb2

（4）遺傳參數(shù)的分析

性狀的遺傳變異系數(shù)為：GCV=σf/群體平均值；表型變異系數(shù)為：PCV=σp/群體平均值

家系遺傳力： hf2=σf2/[σf2+( k4/k3) σb2+(1/ k3) σe2]

單株遺傳力： hi2=3*σf2/[σf2+σb2+σe2]

所有的數(shù)據(jù)采集、處理都是采用齊明開發(fā)的程序[2]，在excel和 matlab7.0平臺上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木第3代試驗林樹高分析結(jié)果

隨機模型條件下，遂昌杉木第3代兩片高世代試驗林的樹高方差分析結(jié)果（見表2），可見遂昌東丈試點杉木第3代家系樹高存在極顯著的差異，這為選擇杉木第3代親本家系提供了科學(xué)依據(jù)。按研究方法所述，建立聯(lián)立線性方程組，可計算各參數(shù)大小由表3可見，杉木高世代育種群體具有較寬的遺傳基礎(chǔ)，遺傳變異系數(shù)達11.56%，且具有較高的遺傳力：家系遺傳力為88.25%；前向選擇的單株遺傳力為45.67%（見表3）。

鄭崗嶺試點杉木高世代自由授粉家系兩年生樹高方差分析結(jié)果列于表4，可見鄭崗嶺試點杉木高世代自由授粉家系兩年生樹高差異顯著，這一結(jié)果與遂昌東丈試點的試驗結(jié)果一致。同樣仿上述方法，建立聯(lián)立線性方程組，解方程后可計算各種參數(shù)，結(jié)果列于表5。由表5可見，杉木第3代育種群體具有較高的遺傳變異，遺傳變異系數(shù)達9.08%，家系遺傳力達81.69%；前向選擇的單株遺傳力為30.66%，比東丈試點的單株遺傳力略小。比較表3和表5的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)杉木第3代育種群體，具有相類似的遺傳變異性，根據(jù)樹高的研究結(jié)果，可得出浙江省杉木高世代育種群體具有相類似和較寬廣的遺傳基礎(chǔ)。

表 2 東丈試點杉木高世代自由授粉家系一年生樹高方差分析結(jié)果Tab. 2 Variance analysis of annual seedling height of high generation open pollination families of Cunninghamia lanceolata at Dongzhang site

表 3 杉木高世代群體自由授粉家系遺傳變異(東丈試點)Tab. 3 Genetic variation of first generation open pollinating families of Cunninghamia lanceolata at Dongzhang site

表 4 鄭崗嶺試點杉木高世代自由授粉家系兩年生樹高方差分析結(jié)果Tab. 4 Variance analysis of Cunninghamia lanceolata high-generation open pollinating families at biennial seedling height at Zhenggangling site

表 5 鄭崗嶺試點杉木高世代自由授粉家系兩年生樹高方差分析結(jié)果Tab. 5 Genetic variation of third generation open pollinating families of Cunninghamia lanceolata at Zhenggangling site

2.2 杉木第1代試驗林樹高分析結(jié)果

江西分宜亞林中心，大崗山硯里的杉木一代自由授粉子代試驗林，樹高的方差分析結(jié)果列于表6。由表6可知，第1代杉木自由授粉的家系在樹高性狀間存在極其顯著的差異，這和杉木第3代試驗結(jié)果一致。

由表7可見，杉木第1代家系具有較小的遺傳變異，其遺傳變異系數(shù)為5.28%，但擁有較高的家系遺傳力(80.37%)，這意味著杉木樹高的改良要采取連續(xù)多世代改良，其改良效果較好；前向選擇的單株遺傳力表現(xiàn)正常，大小為24.63%，這表明杉木多世代改良很有價值。這已為杉木第3代改良的試驗所證實。將表7與表3和表5進行比較，可以得出結(jié)果：隨著改良世代的推進，杉木第3代育種群體遺傳基礎(chǔ)未窄化。以上這一結(jié)果也與馬尾松（Pinus massoniana）多世代改良研究結(jié)果[8,9]一致。

表 6 杉木一代自由授粉家系8年生樹高方差分析結(jié)果Tab. 6 Hight variance analysis of 8-year old trees in open pollinating families of Cunninghamia lanceolata

表 7 杉木1代自由授粉家系的遺傳變異Tab. 7 Genetic variation of first generation open pollinating families of Cunninghamia lanceolata

2.3 杉木第3代家系樹高、成活率的平均表現(xiàn)及速生家系的早期初選

兩個試點，杉木高世代各家系樹高、成活率的平均表現(xiàn)列于表8和表9。表8中群體平均值為60.4369 cm，群體標準差SD為15.5140 cm。1年生樹高超過群體平均值的共有18個家系，1年生樹高超過群體半倍的標準差(68.193 9)的家系有兩個：b105-3；b42-3。成活率最高的家系亦有兩個：B109-3,b13-3，其中b13-3的樹高超過 B109-3。

表9中群體平均值為2.5438m，群體標準差SD為0.7222 m.兩年生樹高超過群體平均值的共有13個家系，1年生樹高超過群體半倍的標準差(2.9049 m)的家系有兩個：龍2代混，b03-3;成活率最高的家系有龍2代混，a09-3，1 339雙，a76-3，b145-3，b03-3等六個家系。

3 討論

（1）研究從杉木數(shù)量遺傳學(xué)的角度，比較了杉木第3代育種群體的遺傳多樣性，結(jié)果表明:相對于一代育種群體，經(jīng)多個世代的選擇，樹高性狀在第3代育種園的遺傳基礎(chǔ)沒有窄化，這可能與杉木第3代親本選擇材料廣泛，同時控制較高的入選率和控制選擇材料的親緣關(guān)系等因素有關(guān)。杉木高世代育種具有良好的前景，這與李梅等人[10]從群體遺傳學(xué)的角度研究的結(jié)果一致。

（2）統(tǒng)計結(jié)果表明，遂昌杉木第3代試驗林的樹高性狀有較高家系遺傳力，其大小在0.8以上，單株遺傳力在0.3以上，遺傳變異系數(shù)GCV在10%以上。其中遺傳變異性GCV參數(shù)都超過杉木的一代樹高的遺傳變異性(GCV在5.28%左右)，故杉木高世代育種中，只要對杉木經(jīng)濟性狀（杉木樹高）)進行中度過選擇，便可達到改良的目的。

表 8 杉木第3代自由授粉家系一年生樹高、成活率(東丈試點)Tab. 8 One-year seedling height and survival rate of open pollinating families of advanced generations of Cunninghamia lanceolata at Dongzhang site

表 9 杉木第3代兩年生自由授粉家系兩年生樹高、成活率(鄭崗嶺試點)Tab. 9 Biennial seedling height and survival rate of open pollinating families of advanced generation of Cunninghamia lanceolata at Zhenggangling site

（3）固定模型條件下，東丈試點的方差分析結(jié)果中，1年生樹高超過群體平均值的共有18個家系，1年生樹高超過群體倍半標準差(68.193 9)的家系有兩個：b105-3和b42-3；鄭崗嶺試點的方差分析結(jié)果是兩年生樹高超過群體平均值的共有13個家系，1年生樹高超過群體倍半的標準差(2.9049cm)的家系有兩個：龍2代混和b03-3。這一結(jié)果與李壽茂等人[3-7]的研究結(jié)果不同，可能由研究材料或試驗環(huán)境不同造成。陳岳武等人[3-7]的研究認為：杉木的樹高性狀早期選擇要等到6—8年，本研究結(jié)果只是對杉木高世代親本進行初選，同時由于浙江遂昌的兩片杉木第3代試驗林，因參試材料不同，試驗環(huán)境各異，其試驗結(jié)果缺乏可比性。

（4）兩個試點的杉木造林成活率較高，說明龍泉參試的第3代杉木對試驗環(huán)境適應(yīng)性較好。其中，東丈試點成活率最高的家系亦有兩個：B109-3和b13-3；鄭崗嶺試點成活率最高的家系有龍2代混、a09-3、1 339雙、a76-3、b145-3和b03-3等6個家系，杉木苗木對環(huán)境的適應(yīng)性是隨著年齡的增加而增加[3,6,7]，遂昌杉木幼年期表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。從生態(tài)遺傳學(xué)的角度來看，杉木的適應(yīng)性性狀可在2年生時進行選擇，即不同的經(jīng)濟性狀，選擇年限不同。