胡桃楸種源家系幼齡期生長變異及選擇研究

蘆賢博，徐連峰，龐忠義，劉繼鋒，溫寶陽，裴曉娜，趙 嶺，王學(xué)剛，趙曦陽＊

(1.林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省林科院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161005；3.國有新民市機(jī)械林場，遼寧 沈陽 110300；4.賓縣萬人歡林場，黑龍江 哈爾濱 150411；5.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱,150086；6.中國林科院寒溫帶林業(yè)研究中心，黑龍江 哈爾濱,150086)

胡桃楸（Juglans mandshuricaMaxim.）為胡桃科（Juglandaceae）胡桃屬（Juglans）落葉喬木。在我國主要分布于東北地區(qū)的小興安嶺、完達(dá)山脈、長白山區(qū)和遼寧東部[1]，是我國Ⅱ 級珍稀樹種和中國珍稀瀕危樹種的三級保護(hù)植物[2]，與黃菠蘿、水曲柳并稱為“東北三大硬闊”。胡桃楸樹干通直圓滿，材質(zhì)堅(jiān)硬致密，木材彈性好、易加工，被廣泛用于軍工、船舶、家具、居室裝修及樂器制造等方面，是優(yōu)良的用材樹種[3]；其果實(shí)果仁營養(yǎng)豐富，含油量高，可制作油料和保健食品，也可作為一些特色食品的添加劑原料；胡桃楸還具有一定的藥用價(jià)值，其青果、枝皮及種仁均可入藥[4-5]；并且，其新鮮根皮、枝皮、青果皮中均含有藥用價(jià)值較高的化學(xué)物質(zhì)——胡桃醌[6]，具有極強(qiáng)的抗菌[7-8]及抗腫瘤作用[9]，目前在臨床醫(yī)學(xué)及醫(yī)藥化學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

林木幼齡期選擇是根據(jù)林木優(yōu)良性狀在早、晚齡間存在的正相關(guān)關(guān)系,針對其幼齡期的性狀表現(xiàn)，進(jìn)行優(yōu)良個(gè)體選擇[10]。自20 世紀(jì)80 年代以來，國內(nèi)外學(xué)者已對多個(gè)樹種進(jìn)行幼齡期選擇研究，并取得重大進(jìn)展[11]。在胡桃楸方面，劉桂豐等[12]和顏廷武等[13]的研究表明，幼齡期的胡桃楸已具有代表性，因此，對胡桃楸進(jìn)行幼齡期選擇是可行且有效的。育種專家已經(jīng)對胡桃楸進(jìn)行種源區(qū)劃，并對少數(shù)種源、家系進(jìn)行初步評價(jià)[14]。但是存在選育的良種少，繁殖系數(shù)低，很難滿足東北林區(qū)造林需求等問題，并且由于胡桃楸用途廣泛，導(dǎo)致人為的過度采伐，野生胡桃楸資源遭到嚴(yán)重破壞，近年來在林業(yè)生產(chǎn)上雖然對胡桃楸進(jìn)行了大面積人工栽培，但多利用現(xiàn)有的普通胡桃楸造林，在生長和木材產(chǎn)量方面僅表現(xiàn)出較低的增益，因此，胡桃楸的良種選育工作意義重大，不同生態(tài)區(qū)、不同用途良種選育迫在眉睫。本研究以黑龍江省不同種源內(nèi)的28 個(gè)胡桃楸半同胞家系為材料，對其6 年生生長性狀的遺傳變異進(jìn)行分析，初步篩選優(yōu)良親本、優(yōu)良家系和單株，為胡桃楸用材林的良種選育提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于黑龍江省賓縣萬人歡林場（128°04′29″～128°19′13″ E，45°44′20″～45°57′18″ N），該地平均海拔340 m，年平均溫度2.4℃，年降水量600～800 mm，無霜期130 d 左右，植物生長期140 d 左右，年日照時(shí)數(shù)2 560 h。

試驗(yàn)材料包括黑龍江省萬人歡、七臺河、牡丹江、寶清等4 個(gè)種源的28 個(gè)胡桃楸半同胞家系，其中，萬人歡種源有14 個(gè)家系，七臺河種源有7 個(gè)家系，牡丹江種源有4 個(gè)家系，寶清種源有3 個(gè)家系。不同種源的地理氣象因子概況見表1。2015 年春季育苗，2016 年定植。采用隨機(jī)完全區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，12株小區(qū)，株行距為3 m × 4 m，周圍設(shè)置保護(hù)行。

表1 胡桃楸不同種源地理氣象因子Table 1 The geographical and meteorological factors of different J.mandshurica provenances

1.2 試驗(yàn)方法

于2020 年11 月對6 年生的胡桃楸半同胞家系的樹高、地徑、冠幅、分枝角、通直度、側(cè)枝數(shù)等性狀進(jìn)行測量。利用塔尺測量樹高；利用圍尺測量地徑；利用鋼卷尺測量冠幅（分別測量東西和南北兩個(gè)方向后取平均值）；利用量角器測量分枝角；利用分級法確定通直度[15]，具體見表2；利用地徑和樹高比值計(jì)算尖削度計(jì)算單株尖削度[16]；連續(xù)測定近3 年樹高生長量，利用平均值計(jì)算樹高年均生長量。

表2 通直度調(diào)查評判標(biāo)準(zhǔn)及分值Table 2 The research criteria and score of stem straightness degree

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

本研究所有數(shù)據(jù)均使用SPSS 22.0 軟件和EXCEL 軟件進(jìn)行分析。方差分析線性模型為[17]：

式中：μ 為總體平均值，Bi為 區(qū)組效應(yīng)，P/F為種源/家系效應(yīng)，Piji/Fiji為區(qū)組與種源/家系的交互作用，Mei ji為機(jī)誤。

家系遺傳力（H2）計(jì)算公式[18]：

式中：g為 親本的一般配合力，x為親本的某個(gè)交配組合在某個(gè)性狀的子代平均值，μ為這個(gè)性狀所有組合的子代總平均值。

主成分值和綜合得分計(jì)算公式分別為[25]：

式中：Yi為第i主成分值，αij為主成分i內(nèi)性狀j的特征值，Xj為 性狀j的平均值，W為綜合得分值，ωi為 第i主成分貢獻(xiàn)率，n為性狀個(gè)數(shù)，p為提取主成分個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各性狀方差分析

對胡桃楸各種源及各家系不同生長性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3、4。除側(cè)枝數(shù)外，其余各性狀在種源間的差異均達(dá)到顯著水平（p＜ 0.05）；通直度、側(cè)枝數(shù)和尖削度在區(qū)組間以及通直度在區(qū)組 × 種源間的差異未達(dá)顯著水平（p＞ 0.05）；分枝角在種源間和側(cè)枝數(shù)、尖削度在區(qū)組 × 種源間的差異顯著（0.01 ＜p＜ 0.05）；除此外，各性狀在其他變異來源間的差異均達(dá)到極顯著水平（p＜0.01）。不同家系各性狀方差分析表明：除通直度、側(cè)枝數(shù)及尖削度等性狀在區(qū)組間的差異不顯著外（p＞ 0.05），各性狀在各變異來源間的差異均達(dá)顯著水平（p＜ 0.05）。因此，胡桃楸的生長性狀在種源及家系間具有較大遺傳差異，對優(yōu)良種源及優(yōu)良家系的選擇具有較大改良潛力。

表3 不同種源各性狀方差分析表Table 3 Variance analysis of different traits among provenances

表4 不同家系各性狀方差分析表Table 4 Variance analysis of different traits among families

2.2 各性狀遺傳變異分析

胡桃楸28 個(gè)家系各生長性狀遺傳變異參數(shù)見表5。所有家系樹高平均值為2.565 m，變幅為2.042～3.046 m；樹高年增長量的平均值為0.770 m，變幅為0.598～0.931 m；地徑的平均值為6.135 cm，變幅為4.772～7.439 cm；冠幅的平均值為1.776 m，變幅為1.206～2.263 m；分枝角平均值為50.129°，變幅為44.792°～57.833°；通直度平均值為3.816，變幅為2.972～4.278；側(cè)枝數(shù)平均值為2.356 個(gè)，變幅為1.810～2.704 個(gè)；尖削度平均值為2.411，變幅為2.209～2.667。

表5 不同家系各性狀變異參數(shù)Table 5 Variation parameters of different traits families

各性狀表型變異系數(shù)變化范圍為14.049%～41.519%，除尖削度外，其余各性狀表型變異系數(shù)均超過20%。各性狀遺傳變異系數(shù)變化范圍為8.754%～23.873%，出尖削度外，其余各性狀遺傳變異系數(shù)均超過10%。從家系遺傳力來看，除通直度外，其余各性狀的家系遺傳力較高；從單株遺傳力來看，除冠幅、分枝角、側(cè)枝數(shù)和尖削度外，其余各性狀的單株遺傳力較高。

2.3 各性狀相關(guān)性分析

對所有家系生長性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表6。各性狀中，除尖削度與分枝角（-0.056）、尖削度與側(cè)枝數(shù)（0.049）以及通直度與冠幅（-0.009）之間的相關(guān)性不顯著外（p＞ 0.05），其余各性狀之間均達(dá)顯著水平（p＜ 0.05），其中，樹高與樹高年增長量以及樹高與地徑之間相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均在0.80 以上。樹高與尖削度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.243。此外，尖削度與樹高年增長量、通直度之間均達(dá)極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.292、-0.131。

表6 不同家系各性狀相關(guān)性分析Table 6 Correlation coefficients among different traits among families

2.4 各性狀一般配合力分析

28 個(gè)胡桃楸半同胞家系各性狀一般配合力見表7、8。樹高一般配合力變化范圍為-0.523～0.481，其中，較高的家系為WRH2、WRH3 和QTH8；樹高年增長量一般配合力變化范圍為-0.173～0.161，其中，較高的家系為WRH2、WRH3和WRH13；地徑一般配合力變化范圍為-1.363～1.304，其中，較高的家系為QTH2、WRH3 和WRH6；冠幅一般配合力變化范圍為 -0.569～0.487，其中，較高的家系為QTH2、BQ3 和QTH8；分枝角一般配合力變化范圍為 -5.239～7.803，其中，較高的家系為WRH5、WRH14和WRH3；通直度一般配合力變化范圍為-0.844～0.461，其中，較高的家系為WRH8、WRH5 和QTH1；側(cè)枝數(shù)一般配合力變化范圍為-0.546～0.348，其中，較高的家系WRH2、WRH13 和MDJ3；尖削度一般配合力變化范圍為-0.202～0.256，其中，較高的家系為MDJ7、WRH6和QTH10。

表7 樹高、樹高年增長量、地徑、冠幅的一般配合力Table 7 General combining ability values of tree height,annual height increase,basal diameter and crown diameter

2.5 各性狀主成分分析

對胡桃楸的各性狀進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果見表9。以特征值大于1 為標(biāo)準(zhǔn)提取出3 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到73.264%，說明選出來的3 個(gè)主成分可以涵蓋所有性狀73.264%的信息，具有高度概括的效果，故選取前3 個(gè)主成分進(jìn)行分析。

由表9 可知：主成分Ⅰ 中，樹高（0.956）、樹高年增長量（0.878）、地徑（0.892）及冠幅（0.824）分別在3 個(gè)主成分中的特征值最高，故主成分Ⅰ 可以代表這4 個(gè)性狀。主成分Ⅱ 中，尖削度（0.879）在3 個(gè)主成分中的特征值最高，故主成分Ⅱ 可以代表該性狀。在主成分Ⅲ 中，分枝角（0.622）、通直度（0.482）、側(cè)枝數(shù)（0.526）在3 個(gè)主成分中的特征值最高，故主成分Ⅲ 可以代表這3 個(gè)性狀。

由表9 中各性狀的載荷量可以得到主成分的線性方程，用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分別表示樹高、樹高年增長量、地徑、冠幅、分枝角、通直度、側(cè)枝數(shù)、尖削度；用Y1、Y2、Y3分別表示主成分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，得到如下線性方程：

2.6 各種源綜合得分

由于各主成分的貢獻(xiàn)率不同，因此，選取它們的貢獻(xiàn)率作為計(jì)算綜合得分的權(quán)重，由表9 可知：這3 個(gè)主成分的權(quán)重分別為：42.398%、17.219%、13.646%。綜合評價(jià)得分計(jì)算公式為：

表9 各性狀主成分分析Table 9 Principal component analysis of different traits

經(jīng)過計(jì)算后得到胡桃楸各種源的綜合得分以及排名情況見表10。各種源中，綜合得分變化范圍為12.362～13.319，按樹高、樹高年增長量和地徑現(xiàn)實(shí)增益在2%以上，兼顧其他性狀對種源進(jìn)行評價(jià)選擇，萬人歡種源入選為優(yōu)良種源，其樹高、樹高年均增長量、地徑及冠幅現(xiàn)實(shí)增益分別為3.109%、5.014%、2.193%和1.040%。

表10 各種源綜合得分和排名Table 10 Comprehensive score and ranking of provenances

表8 分枝角、通直度、側(cè)枝數(shù)、尖削度的一般配合力Table 8 General combining ability values of branch angle,stem straightness degree,lateral branch number and taperingness

2.7 優(yōu)良家系及單株綜合得分

根據(jù)主成分分析的結(jié)果，對所有家系及單株進(jìn)行綜合得分計(jì)算，根據(jù)各家系及各單株綜合得分情況，以10% 和1% 的入選率，分別對家系與單株進(jìn)行篩選，共獲得3 個(gè)優(yōu)良家系（WRH3、WRH5、QTH2）與10 株優(yōu)良單株，入選家系及單株綜合得分及排名情況見表11、12。入選家系樹高、樹高年增長量、地徑及冠幅的平均值分別為2.835 m、0.854 m、7.033 cm 和1.938 m，遺傳增益分別為5.835%、5.410%、7.908%和6.069%；入選優(yōu)良單株樹高、樹高年增長量、地徑及冠幅平均值比總體平均值分別高1.068 m、0.250 m、2.225 cm 和1.312 m，單株遺傳增益分別為26.74%、24.11%、23.91%和26.53%。

表11 優(yōu)良家系綜合得分和排名Table 11 Comprehensive score and ranking of excellent families

表12 優(yōu)良單株綜合得分和排名Table 12 Comprehensive score and ranking of excellent individual plants

3 討論

遺傳和變異是林木育種工作的主要研究內(nèi)容[26]，對變異來源、特點(diǎn)以及規(guī)律的認(rèn)識是進(jìn)行林木良種選擇工作的重要基礎(chǔ)[27]。本研究通過對不同性狀種源間及家系間差異分析發(fā)現(xiàn)，各性狀在胡桃楸種源間以及家系間均存在豐富的遺傳變異，這與褚憲麗等[28]對胡桃楸3 個(gè)種源、45 個(gè)家系的分析結(jié)果一致，表明不同種源、半同胞家系間各生長指標(biāo)間存在較大差異，有利于優(yōu)良家系與單株的選擇。

變異系數(shù)的大小反映植物的變異程度，它能體現(xiàn)林木各性狀的遺傳變異能力，包括遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)[21]。遺傳變異系數(shù)越大，表明該家系在該性狀中可被利用的改良潛力越大[29]。本研究中，各性狀的表型變異系數(shù)變化范圍為14.049%～41.519%，與袁顯磊等[30]、周彥超[31]對胡桃楸的研究結(jié)果相近，變化幅度較大，說明胡桃楸各表型性狀間存在豐富的變異。此外，冠幅與側(cè)枝數(shù)的表型變異系數(shù)最高，表明以冠幅與側(cè)枝數(shù)作為選優(yōu)指標(biāo)的潛力更大。樹高、樹高年增長量以及地徑3 個(gè)性狀的遺傳變異系數(shù)占表型變異系數(shù)的比例較大，均超過了70%，與解懿妮等[32]對桉樹（Eucalyptus S.T.Blake）的研究結(jié)果相似，說明胡桃楸家系間的變異受遺傳因素的影響較大。遺傳力表示親本某一性狀遺傳給子代的能力，遺傳力的高低表明該性狀穩(wěn)定遺傳給后代受到環(huán)境影響的大小[33]。本研究中，28 個(gè)胡桃楸半同胞家系各性狀遺傳力變化范圍為0.284～0.797，除通直度外，各性狀遺傳力均超過0.45，屬于中等遺傳力水平[34]，與翟文繼等[35]對楸樹（Catalpa bungeiC.A.Mey.）的研究結(jié)果相似，表明不同家系的胡桃楸生長性狀受到了環(huán)境與遺傳的綜合控制；其中，側(cè)枝數(shù)與分枝角的遺傳力最高，說明側(cè)枝數(shù)與分枝角在胡桃楸家系間的優(yōu)良表現(xiàn)受環(huán)境影響較小，能夠穩(wěn)定遺傳給子代。

相關(guān)性分析可以反映各性狀之間存在的聯(lián)系，對了解不同性狀之間的關(guān)系具有重要作用[36-37]。本研究中，從各性狀的相關(guān)性分析可以看出，胡桃楸各性狀之間的相關(guān)性較高，其中，樹高、樹高年增長量、地徑、冠幅以及分枝角等性狀間均達(dá)極顯著正相關(guān)；而樹高與地徑?jīng)Q定樹木長勢情況，樹高與地徑之間達(dá)極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較高，為0.827，與趙曦陽等[38]對白楊派楊樹無性系的研究結(jié)果相似，研究結(jié)果為長勢優(yōu)良的胡桃楸綜合評價(jià)選擇提供依據(jù)。

一般配合力指在一個(gè)雜交群體中，某個(gè)親本雜交組合的子代平均值與子代總平均值的離差[39]。一般配合力通常被認(rèn)為是選擇理想親本和發(fā)展優(yōu)良雜交的先決條件[40]。本研究對28 個(gè)半同胞家系各性狀的一般配合力進(jìn)行了分析，以20% 的入選率，各性狀均篩選出6 個(gè)親本，根據(jù)樹高、樹高年增長量與地徑作為木材產(chǎn)量的指標(biāo)，綜合篩選出4 個(gè)優(yōu)良親本（WRH2、WRH3、WRH15 和QTH2）；根據(jù)冠幅、分枝角以及側(cè)枝數(shù)（注，各指標(biāo)取所得參數(shù)相反數(shù)進(jìn)行篩選）作為種植密度的指標(biāo)，綜合篩選出2 個(gè)優(yōu)良親本（WRH、QTH3）；根據(jù)通直度與尖削度作為干形的指標(biāo)，綜合篩選出3 個(gè)優(yōu)良親本（QTH1、QTH2 和WRH6）。所選家系的親本可以作為未來不同育種目標(biāo)的雜交育種的首選親本。

主成分分析法既能把握植株的綜合性狀表現(xiàn)，又能簡化選優(yōu)指標(biāo)，簡化選擇程序，克服人為主觀誤差，選擇結(jié)果準(zhǔn)確、客觀[41]。本研究對胡桃楸8 個(gè)生長性狀進(jìn)行了主成分分析，提取出3 個(gè)主成分，主成分Ⅰ 中樹高、樹高年均增長量、地徑和冠幅特征值較高，可代表生長量相關(guān)信息；主成分Ⅱ 中尖削度特征值較高，可代表干形相關(guān)信息；主成分Ⅲ 中分枝角和側(cè)枝數(shù)平均值特征值較高，可代表分枝相關(guān)信息。依據(jù)主成分分析結(jié)果，篩選出1 個(gè)優(yōu)良種源（萬人歡），其樹高、樹高年均增長量及冠幅現(xiàn)實(shí)增益分別為3.109%、5.014%、2.193%和1.040%；篩選出3 個(gè)優(yōu)良家系（WRH3、WRH5、QTH2），入選家系樹高、樹高年增長量、地徑及冠幅等性狀遺傳增益分別為5.835%、5.410%、7.908%和6.069%。與胡文杰等[42]對9 年生楓香（Liquidambar formosanaHance）的研究結(jié)果相似。其中，QTH2 既是優(yōu)良家系所選材料，又是優(yōu)良親本所選材料，表明QTH2 性狀表現(xiàn)優(yōu)良，可進(jìn)一步作為胡桃楸優(yōu)良材料用于推廣應(yīng)用。在優(yōu)良家系選擇的同時(shí)，還篩選出優(yōu)良單株，以1%的入選率，共獲得10 株優(yōu)良單株，入選優(yōu)良單株在樹高、樹高年增長量、地徑及冠幅的平均值比總體平均值分別高1.068 m、0.250 m、2.225 cm 和1.312 m，單株遺傳增益分別為26.74%、24.11%、23.91%和26.53%。

4 結(jié)論

育種目標(biāo)決定育種方法，胡桃楸主要作為果材兼用樹種，對胡桃楸的評價(jià)應(yīng)從多方面、多角度進(jìn)行。但因其有性繁殖周期長、扦插和嫁接等無性繁殖成活率低等問題，使得胡桃楸研究進(jìn)展仍較為緩慢。本研究以胡桃楸良種選育為目的，綜合多個(gè)性狀，結(jié)合主成分分析法，對胡桃楸種源、家系及單株進(jìn)行評價(jià)與選擇，共篩選出1 個(gè)優(yōu)良種源、3 個(gè)優(yōu)良家系和10 個(gè)優(yōu)良單株，入選材料各性狀之間相關(guān)性強(qiáng)，遺傳力高，種源間以及家系間有較大的選擇潛力，所選材料優(yōu)勢明顯，在胡桃楸良種選育與推廣應(yīng)用中可重點(diǎn)考慮。