黃心梓木優(yōu)良無性系評價(jià)與初選

薛惠芬,于曉池,付鵬躍,肖 遙,劉冰洋,楊桂娟,王軍輝,趙曦陽,麻文俊*

(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)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，林木遺傳育種國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楸樹國家創(chuàng)新聯(lián)盟，北京 100091)

滇楸(Catalpafargesiif.duclouxii)屬紫葳科(Bignoniaceae)梓屬(Catapla)落葉大喬木，喜光，適宜溫暖濕潤氣候[1]，廣泛分布于我國西南地區(qū)，是重要的鄉(xiāng)土珍貴用材和園林觀賞樹種[2]。黃心梓木是滇楸的特殊類型，分布范圍極小，僅在貴州省黔南州和黔東南州部分區(qū)域，常與滇楸混生，由于其生長速度略慢于滇楸，而木材呈黃色，因此更受青睞，在當(dāng)?shù)爻Ｓ脕碇谱鞲邫n家具和裝飾用材。近年來，由于對黃心梓木資源的過度利用，導(dǎo)致資源存量驟減，基因資源嚴(yán)重流失，2018年的立木數(shù)量僅為2013年的1/2。由于重視程度不夠、相關(guān)研究起步晚，所以針對黃心梓木這一地方特有珍貴用材樹種的培育卻無較大的進(jìn)展。

植物表型性狀具有觀察直觀、調(diào)查簡便的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于資源評價(jià)和良種選育[3]。葉片是植物的重要器官，與光合作用、養(yǎng)分合成和水分利用等過程密切相關(guān)[4]，同時(shí)，葉片大小、形態(tài)、結(jié)構(gòu)與植物生長量和生理生態(tài)因子也密切相關(guān)[5-6]。常用的葉片觀察性狀有葉長、葉寬、葉面積、葉片質(zhì)量和比葉質(zhì)量等，由于其相對穩(wěn)定且易于測定，對輔助品種評價(jià)和優(yōu)良無性系選擇有較高的指導(dǎo)意義。

目前，對梓屬樹種的研究主要集中在無性系表型特征、生長特性、光合生理和組培技術(shù)等方面[7-11]。由于原來對黃心梓木的認(rèn)識不足，與滇楸合并對待，因此并未系統(tǒng)性開展黃心梓木的資源評價(jià)與優(yōu)良無性系選擇。鑒于此，本研究對營建于河南南陽的2年生黃心梓木無性系對比試驗(yàn)林進(jìn)行表型性狀測定與分析，旨在為選擇速生優(yōu)良無性系提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河南省南陽市臥龍區(qū)香鋪村，地處亞熱帶向溫暖帶過渡地帶，屬季風(fēng)大陸半濕潤氣候。土壤為灰潮土或黃棕壤，自然肥力中等。年平均氣溫14.4～15.8 ℃，極端最高氣溫42.6 ℃，極端最低氣溫-13.2 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 121 h，年平均無霜期225～240 d，年降水量800 mm。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

參試無性系共計(jì)252個(gè)，收集于貴州省黔南州和黔東南州，2019年3月20日在南陽市宛城區(qū)造林。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2株小區(qū)，4次重復(fù)，株行距3 m×3 m。苗木為1年生嫁接苗，苗高2.0～3.0 m，地徑1.5～3.0 cm。苗木定植5 d后平茬，以提高成活率。

1.3 試驗(yàn)方法

2020年8月進(jìn)行葉部性狀調(diào)查，10月進(jìn)行生長性狀調(diào)查。調(diào)查性狀包括：樹高(tree height，H)、胸徑(diameter at breast height，DBH)、葉長(leaf length，LL)、葉寬(leaf width，LW)、葉長寬比(ratio of leaf length and width，LWR)、葉片質(zhì)量(leaf mass，LM)、皮孔數(shù)量(number of lenticels，LN)和比葉質(zhì)量(leaf mass per unit area，LMA)。其中，采用塔尺和游標(biāo)卡尺測量其樹高和胸徑。每個(gè)無性系隨機(jī)選取生長正常、無嚴(yán)重缺陷、無明顯病蟲害的3株單株測定其葉片性狀。葉片性狀測定：試驗(yàn)林共4次重復(fù)，選擇第1～第3重復(fù)，每個(gè)重復(fù)中每個(gè)無性系隨機(jī)選擇1株用于葉片性狀測定，每株選取苗干中部3個(gè)生長正常的功能葉片。用直尺測量葉長和葉寬，并將葉片進(jìn)行拍照，然后進(jìn)行裝袋，于105 ℃殺青20 min，70 ℃烘干至恒重，稱量葉片質(zhì)量，利用image J軟件矢量化處理照片并計(jì)算葉面積，葉片干重與葉面積的比值為比葉質(zhì)量[12]。在苗干1.3 m處南向，用2 cm×2 cm的方框卡在苗干上，統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的皮孔數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析設(shè)計(jì)無性系間方差分析，線性模型為[13]

xij=μ+Ci+eij

(1)

式中：μ為總體平均值；Ci為無性系效應(yīng)；eij為環(huán)境誤差。

重復(fù)力(R)的估算根據(jù)公式[14]

(2)

表型變異系數(shù)采用公式[15]

(3)

表型相關(guān)系數(shù)(r)采用公式[16]

(4)

采用布雷金多性狀綜合評定法[17]對無性系進(jìn)行綜合評定，具體公式為

(5)

式中：Qi為綜合評價(jià)值；Xij為某一性狀的平均值；Xjmax為某一性狀的最優(yōu)值；ai為平均值與最優(yōu)值之比；n為評價(jià)性狀的個(gè)數(shù)。

采用隸屬函數(shù)法綜合各項(xiàng)性狀進(jìn)行評價(jià)[18]，隸屬函數(shù)值計(jì)算公式為

(6)

反隸屬函數(shù)值計(jì)算公式為

(7)

式中：i表示某個(gè)無性系；j表示某項(xiàng)性狀；Tij表示i無性系j性狀的隸屬函數(shù)值；Xij表示i無性系j性狀的測定值；Xjmin表示所有無性系j性狀的最小值；Xjmax表示所有無性系性狀的最大值。假如某項(xiàng)性狀與材積呈負(fù)相關(guān)，則1減去正相關(guān)的隸屬函數(shù)值就是它的隸屬函數(shù)值。某一個(gè)體某一性狀的隸屬函數(shù)值或反隸屬函數(shù)值越大，表明該性狀越靠近最大值。

采用選擇指數(shù)法對無性系進(jìn)行綜合評價(jià)[19]

(8)

現(xiàn)實(shí)增益(ΔG)估算[17]

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 黃心梓木無性系各性狀方差分析和遺傳參數(shù)估算

對252個(gè)無性系的樹高、胸徑等8個(gè)性狀進(jìn)行方差分析(表1)。結(jié)果表明，不同無性系的樹高、胸徑、葉長等7個(gè)性狀差異極顯著，而比葉質(zhì)量差異不顯著，說明無性系間存在較大的變異，具有較大的遺傳改良潛力。

表1 252個(gè)2年生黃心梓木無性系各性狀方差分析

對8個(gè)性狀進(jìn)一步計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、表型變異系數(shù)和重復(fù)力。由表2可知，無性系樹高的平均值為4.513 m，最大值(5.500 m)是最小值(3.158 m)的1.74倍；胸徑的平均值是5.409 cm，最大值(6.953 cm)是最小值(3.289 cm)的2.10倍；葉長的平均值是20.481 cm，變幅為13.933～27.211 cm；葉寬的平均值為15.217 cm，變幅為9.622～25.944 cm；葉長寬比的平均值為1.378，變幅為1.110～1.782；葉片質(zhì)量的平均值為4.117 g，變幅為1.993～7.043 g；皮孔數(shù)量的平均值為11.505，變幅為4.667～28.000，最大值為最小值的6.00倍；比葉質(zhì)量的平均值為0.008，變幅為0.004～0.030，最大值為最小值的7.50倍，表明不同無性系間變化較大。各性狀表型變異系數(shù)的變化范圍為7.104%～40.818%，皮孔數(shù)量的表型變異系數(shù)最大，達(dá)40.818%，說明無性系各性狀間存在豐富的遺傳變異，在無性系水平上有較好的遺傳改良潛力。樹高、胸徑和皮孔數(shù)量受較強(qiáng)的遺傳控制，重復(fù)力分別為0.859、0.828和0.791；葉長寬比具有中偏上的重復(fù)力，達(dá)0.578；除比葉質(zhì)量之外，其余性狀的重復(fù)力均>0.3。

表2 252個(gè)2年生黃心梓木無性系各性狀的遺傳參數(shù)

2.2 黃心梓木無性系各性狀相關(guān)性分析

對所有無性系各性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果表明，不同無性系生長性狀(樹高和胸徑)間達(dá)極顯著正相關(guān)水平。對于葉片性狀，葉長與葉寬之間呈極顯著正相關(guān)水平；葉長、葉寬均與葉片質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但葉長寬比則與葉片質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；比葉質(zhì)量與葉寬之間呈(極)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與葉長寬比、葉片質(zhì)量之間達(dá)(極)顯著正相關(guān)水平。對于生長性狀與葉片性狀之間的相關(guān)性，樹高與皮孔質(zhì)量之間呈極顯著正相關(guān)水平，胸徑與葉長之間達(dá)(極)顯著正相關(guān)關(guān)系，其余性狀之間相關(guān)性均不顯著。

表3 252個(gè)2年生黃心梓木無性系各性狀相關(guān)系數(shù)

2.3 黃心梓木優(yōu)良無性系的綜合評價(jià)與選擇

2.3.1 黃心梓木無性系多性狀綜合評價(jià) 采用多性狀綜合評定法，利用樹高、胸徑、葉長、葉寬、葉長寬比、葉片質(zhì)量和皮孔數(shù)量7個(gè)性狀，對黃心梓木無性系進(jìn)行綜合評價(jià)(表4)，以15%的入選率對無性系進(jìn)行選擇，無性系44、46、108、167、212、208、9、87、39、97、19、177、60、156、64、159、92、176、204、155、127、189、69、99、239、98、248、146、199、72、259、160、30、242、63、3和25共37個(gè)無性系入選。

表4 不同黃心梓木無性系的Qi

2.3.2 黃心梓木無性系隸屬函數(shù)法評價(jià) 采用隸屬函數(shù)法對無性系進(jìn)行綜合評價(jià)，將樹高、胸徑、葉長、葉寬、葉長寬比、葉片質(zhì)量和皮孔數(shù)量等7個(gè)性狀作為評價(jià)性狀，平均隸屬函數(shù)值見表5。無性系46的7個(gè)性狀平均隸屬函數(shù)值最高，為0.70；其次是無性系19和無性系167。以15%的入選率，無性系46、19、167、212、72、177、189、208、108、159、88、98、69、89、60、246、34、190、97、92、2、79、1、44、39、155、204、145、225、9、146、64、156、242、30、213和15等37個(gè)無性系的平均隸屬函數(shù)值較高，因此初選為優(yōu)良無性系。

表5 黃心梓木無性系隸屬函數(shù)值

2.3.3 黃心梓木無性系指數(shù)選擇法評價(jià) 楸樹為珍貴用材樹種，材積速生是其選擇的主要目的，將樹高、胸徑、葉長、葉寬、葉長寬比、葉片質(zhì)量、和皮孔數(shù)量對立木材積進(jìn)行多元回歸分析之后，F(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，葉長、葉寬、葉長寬比、葉片質(zhì)量和皮孔數(shù)量對材積的偏回歸平方和不顯著，因此只選取對材積有決定意義的樹高和胸徑2個(gè)性狀作為評價(jià)性狀[19]。

權(quán)重的計(jì)算方法很多，這里將樹高和胸徑2個(gè)性狀數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，以材積為因變量，建立多元標(biāo)準(zhǔn)化回歸式，將標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)作為權(quán)重[20]，根據(jù)式(8)得出黃心梓木無性系指數(shù)選擇的最優(yōu)方程式：

I=4.987 1X1+11.687 6X2

(10)

將黃心梓木各無性系樹高和胸徑測定值代入式(10)中，求出相應(yīng)的值，并將值按順序排列(表6)。252個(gè)無性系的平均選擇指數(shù)值為0.857，大于平均選擇指數(shù)值的有133個(gè)無性系。通過指數(shù)選擇法，以15%的入選率，無性系177、236、239、242、94、149、256、99、178、46、112、15、64、243、119、6、172、104、166、145、110、92、41、201、220、130、233、174、173、246、63、223、170、159、39、101和65等37個(gè)優(yōu)良無性系入選。

表6 黃心梓木無性系選擇指數(shù)值比較

2.4 黃心梓木優(yōu)良無性系遺傳增益

利用多性狀綜合評價(jià)法、隸屬函數(shù)法和指數(shù)選擇法分別對黃心梓木進(jìn)行評價(jià)選擇(表7)，無性系39、46、64、92、159、177和242在不同的評價(jià)方法中均被篩選出來。樹高的遺傳增益為10.44%；胸徑的現(xiàn)實(shí)增益為12.96%；葉長、葉寬、葉片質(zhì)量和比葉質(zhì)量的現(xiàn)實(shí)增益分別為4.71%、7.41%、8.46%和1.42%。

表7 基于不同評價(jià)方法篩選優(yōu)良無性系的現(xiàn)實(shí)增益

3 結(jié)論與討論

黃心梓木是滇楸的特殊類型，具有較高的研究和遺傳改良價(jià)值。本研究對其性狀進(jìn)行分析，結(jié)果顯示不同無性系各性狀均存在較高的遺傳變異，且生長性狀受到較強(qiáng)的遺傳控制，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)其生長性狀與葉片性狀相關(guān)性較弱。利用多性狀綜合評價(jià)法、隸屬函數(shù)法和指數(shù)選擇法對不同無性系進(jìn)行評價(jià)選擇，共同篩選出7個(gè)優(yōu)良無性系，初選的無性系可以為選擇速生優(yōu)良無性系提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

遺傳和變異是林木育種研究的主要內(nèi)容，是林木遺傳改良的基礎(chǔ)[21]。本研究中，252個(gè)黃心梓木無性系間樹高、胸徑、葉長、葉寬、葉長寬比、葉面積、葉片質(zhì)量、皮孔數(shù)量均達(dá)極顯著差異，表明不同無性系間存在明顯差異，可從中進(jìn)行無性系初選，這與對灰楸[22]、滇楸[23]的研究結(jié)果一致，均具有較好的遺傳改良基礎(chǔ)，為選擇優(yōu)良種質(zhì)提供可行性。

不同無性系間差異主要由遺傳和環(huán)境因素引起，重復(fù)力大小可以在一定程度上解釋無性系間存在的變異是由遺傳與固定環(huán)境因素引起，還是由隨機(jī)環(huán)境因素引起。某一性狀重復(fù)力越大，說明該性狀受遺傳與固定環(huán)境因素控制較強(qiáng)，受隨機(jī)環(huán)境影響較弱[24]。高變異、高重復(fù)力更有利于無性系的選擇[25]。本試驗(yàn)中，樹高、胸徑、葉長寬比和皮孔數(shù)量等性狀重復(fù)力均大于0.5，說明性狀受遺傳控制較強(qiáng)，能穩(wěn)定遺傳，有利于優(yōu)良無性系選擇。葉長寬比的表型變異系數(shù)為7.660%，重復(fù)力為0.578，說明該性狀比較穩(wěn)定，受遺傳控制較強(qiáng)，這與凌娟娟等[22]的研究結(jié)果類似。贠慧玲等[26]研究發(fā)現(xiàn)皮孔性狀的變異系數(shù)超過20%，重復(fù)力高達(dá)0.7，本試驗(yàn)中皮孔數(shù)量的重復(fù)力為0.791，表型變異系數(shù)為40.818%，與前人研究結(jié)果一致，表明皮孔數(shù)量的變異系數(shù)和重復(fù)力均較大，受遺傳因素影響較大，對初步選擇優(yōu)良無性系有一定的幫助。

相關(guān)性分析可以表現(xiàn)出各性狀間的相關(guān)程度。相關(guān)分析結(jié)果表明，葉長與葉寬之間呈極顯著正相關(guān)水平，這與歐建德[27]對南方紅豆杉研究結(jié)果一致，說明在葉片生長過程中，葉片長度與寬度增長速度相對一致，形狀相對穩(wěn)定。葉長、葉寬與葉片質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與金方倫等[28]對桑樹的研究結(jié)果一致，表明葉長和葉寬越大，葉片內(nèi)部吸收的營養(yǎng)成分也越多，葉片質(zhì)量也越大。盡管相關(guān)性分析結(jié)果顯示葉片性狀與生長性狀相關(guān)程度較弱，但也表現(xiàn)出一些規(guī)律：如皮孔數(shù)量與生長性狀呈顯著負(fù)相關(guān)，說明皮孔數(shù)量越多，越不利于其生長，類似的結(jié)果也出現(xiàn)在滇楸[23]、楸樹[26]、小黑楊[25]中。郭從儉等[29]研究表明，葉片大小與樹高、胸徑存在一定相關(guān)性，葉片越大，胸徑越大，生長越快。本試驗(yàn)中葉長與胸徑達(dá)到顯著正相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致，說明葉片越大，光合作用面積大，凈光合速率高，生長越快，以葉片性狀作為輔助選擇指標(biāo)，對于優(yōu)良無性系初選具有重要意義。

從多性狀綜合評價(jià)法、隸屬函數(shù)法和指數(shù)選擇法3種選擇方法的初選結(jié)果來看，3種方法各有利弊。多性狀綜合評價(jià)法將各無性系的性狀等權(quán)處理，可以直觀簡便地選出各性狀最優(yōu)的無性系，但若無性系僅個(gè)別性狀較優(yōu)良則可能無法被篩選出[30]。隸屬函數(shù)法對多個(gè)性狀進(jìn)行相對評價(jià)，并綜合這些評價(jià)值從而得出各無性系的整體評價(jià)值[31]。指數(shù)選擇法將各性狀賦予權(quán)重，是評價(jià)各性狀兼優(yōu)的無性系的一種較為理想的方法，更加客觀綜合[32]。任建中等[32]在選擇楊樹優(yōu)良無性系時(shí)，同時(shí)應(yīng)用選擇指數(shù)法和多性狀綜合評價(jià)法，選擇出生長性狀和木材性質(zhì)均優(yōu)良的無性系。陸釗華等[30]在進(jìn)行尾葉桉優(yōu)良無性系選擇時(shí)認(rèn)為選擇指數(shù)法從理論上講是更加科學(xué)的。本研究基于3種不同的選擇方法，共同篩選出的優(yōu)良無性系，更具有代表性，可以作為楸樹遺傳改良的首選材料。