馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀變異分析和優(yōu)選1)

羅芊芊 肖德卿 徐洪輝 王建華 劉志明 陳雅 萬文娟 鄧章文

(撫州市林業(yè)科學(xué)研究所，江西·撫州，344000)

植物表型變異反映了基因型對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)，是植物在長(zhǎng)期的壓力選擇中發(fā)生不可逆的變化，經(jīng)穩(wěn)定遺傳后產(chǎn)生新表型，因此表型變異在適應(yīng)和進(jìn)化上有重要意義[1-2]。遺傳變異是群體生物逐漸適應(yīng)環(huán)境和不斷進(jìn)化的產(chǎn)物，是遺傳信息的重要表征。在林業(yè)生產(chǎn)中，種子園作為重要的良種生產(chǎn)基地發(fā)揮了極其重要的作用，但仍存在部分表現(xiàn)不優(yōu)的基因型，通過剔除表現(xiàn)不良的基因型可優(yōu)化種子園結(jié)構(gòu)，提升種子園良種的遺傳品質(zhì)[3-4]。馬尾松對(duì)于生境條件變化易產(chǎn)生多層次遺傳變異，通過研究馬尾松無性系種子園內(nèi)林木生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀變異，揭示其遺傳變異規(guī)律，對(duì)強(qiáng)化優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無性系管理，實(shí)現(xiàn)種子園高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要作用[5-6]。林木遺傳育種周期較長(zhǎng)，開展早期優(yōu)良無性系選擇既是目前林木育種的手段之一，也是對(duì)林木進(jìn)行遺傳改良采用的基本方法。通過確定優(yōu)良無性系親本進(jìn)行擴(kuò)繁，既可有效縮短林木育種周期，加快育種的進(jìn)程，又可獲得較大的效益，還可為選育區(qū)域提供優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)定的應(yīng)用材料[7]。

馬尾松(PinusmassonianaLamb.)是我國(guó)亞熱帶地區(qū)重要的造林樹種，具有顯著的速生豐產(chǎn)、材性優(yōu)良、產(chǎn)脂力高及適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)[8]。馬尾松遺傳改良的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代初，現(xiàn)已完成第2代育種并開始第3代的育種[9-10]。子代測(cè)定是評(píng)價(jià)親本材料遺傳品質(zhì)優(yōu)劣的一條有效途徑，通過分析種子遺傳變異規(guī)律，精選出一批建園無性系，對(duì)改良種子園建設(shè)親本意義重大[11]。尹煥煥等[12]以34年生馬尾松的無性系試驗(yàn)林為研究對(duì)象，選出了20個(gè)生長(zhǎng)優(yōu)良、高產(chǎn)脂的優(yōu)異無性系；梁德洋等[13]對(duì)50個(gè)紅松(Pinuskoraiensis)無性系生長(zhǎng)性狀進(jìn)行了測(cè)定，根據(jù)生長(zhǎng)性狀初步選出5個(gè)無性系，樹高、胸徑和材積的遺傳增益分別為4.47%、12.91%和30.92%。早期生長(zhǎng)表現(xiàn)較好，后期不會(huì)出現(xiàn)早衰現(xiàn)象[14]，通過分析種子園馬尾松無性系生長(zhǎng)的遺傳變異規(guī)律，從而選出優(yōu)良親本，既有效推進(jìn)了無性系遺傳改良的早期選擇和育種的進(jìn)程，也有利于種子園去劣疏伐和改良種子園建設(shè)親本。因此，本研究在2020年對(duì)江西撫州馬尾松2代無性系種子園進(jìn)行調(diào)查，分析馬尾松無性生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀的遺傳變異規(guī)律及所受遺傳控制性狀的相關(guān)關(guān)系，選出一批優(yōu)良無性系親本，以期為種子園去劣及優(yōu)化種子園建園親本提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

馬尾松2代無性系種子園位于江西省撫州市林業(yè)科學(xué)研究所良種基地，海拔150 m，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。年平均氣溫17.3 ℃，最熱月7月平均氣溫31.3 ℃，最冷月1月平均氣溫5.1 ℃。年均降水量為1 704 mm，無霜期為275 d，土壤為酸性紅壤，土層厚度1 m以上，肥力中等。

馬尾松2代無性系種子園是2011年12月選擇63個(gè)嫁接無性系，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，單株小區(qū)，15次重復(fù)，進(jìn)行定植建園，定植密度5.0 m×6.0 m。嫁接無性系是選用福建衛(wèi)閩林場(chǎng)2年生健壯苗作砧木，接穗選用中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所優(yōu)選的馬尾松無性系一年生枝條。

1.2 馬尾松無性系性狀調(diào)查

于2020年11月底對(duì)馬尾松無性系試驗(yàn)林的63個(gè)無性系進(jìn)行生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀調(diào)查，生長(zhǎng)性狀包括樹高和胸徑(主干距離地面1.3 m處的直徑)，形質(zhì)性狀包括冠幅(樹冠東西和南北向直徑的均值)、枝下高(從地面到第一層分支點(diǎn)的高度)、最大分枝角度(最粗一級(jí)分枝與主干的夾角)、最粗分枝基徑(最粗的一級(jí)分枝基部直徑)、輪盤數(shù)和樹干通直度。其中，樹高、冠幅、枝下高、胸徑和最粗分枝基徑分別用塔尺、游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量，最大分枝角度則用量角器測(cè)量，樹干通直度由人工根據(jù)通直(1分)、較通直(2分)、一般(3分)、彎曲(4分)和嚴(yán)重彎曲(5分)5個(gè)級(jí)別進(jìn)行評(píng)分，分?jǐn)?shù)越低越通直。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 9.2軟件的GLM和VARCOMP等過程，以單株測(cè)定值為單元進(jìn)行性狀方差分析，估算方差分量、表型相關(guān)系數(shù)及性狀間遺傳相關(guān)系數(shù)。其中，輪盤數(shù)及樹干通直度經(jīng)(X+1)1/2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最大分枝角度經(jīng)反正弦轉(zhuǎn)換，并計(jì)算單點(diǎn)方差分析、表型相關(guān)系數(shù)、遺傳相關(guān)系數(shù)、加性遺傳方差和加性遺傳協(xié)方差等[15]。

單點(diǎn)方差分析的統(tǒng)計(jì)模型為：Yij=u+Fi+Eij。式中，Yij為單點(diǎn)試驗(yàn)第i個(gè)無性系第j個(gè)單株觀測(cè)值，u為群體平均效應(yīng)，F(xiàn)i為第i無性系的效應(yīng)，Eij為機(jī)誤。

無性系重復(fù)力：R=1-(1/F)。式中，R為重復(fù)力，F(xiàn)為方差分析的F檢驗(yàn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀遺傳變異

由表1可知，馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀都存在極顯著差異(P<0.01)，各性狀變異系數(shù)在12.44%～36.36%，這說明馬尾松無性系間生長(zhǎng)差異較大，為優(yōu)良無性系的選擇提供了可能。生長(zhǎng)性狀中的樹高和胸徑變幅分別為1.68～5.40 m和2.15～9.46 cm，最大無性系分別為最小無性系的3.21和4.40倍，表明馬尾松無性系間的樹高和胸徑生長(zhǎng)量都存在較大差別，且無性系間胸徑的差別要高于樹高。形質(zhì)性狀中的最大分枝角度變異系數(shù)為12.44%，而冠幅等性狀的變異系數(shù)均在26.04%～35.27%，說明早期速生和干形優(yōu)良的馬尾松無性系的選擇具有較大潛力。

馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀受中等至較強(qiáng)的遺傳控制，重復(fù)力變幅為0.35～0.79。其中，最大分枝角度重復(fù)力為0.35，樹高、胸徑和冠幅等各性狀的重復(fù)力為0.69～0.79，說明馬尾松無性系最大分枝角度較易受特殊環(huán)境的影響，而樹高和胸徑等各性狀受環(huán)境影響較小，也說明了馬尾松無性系間的差異主要是受遺傳控制和永久環(huán)境效應(yīng)的影響，有利于優(yōu)良馬尾松無性系的選擇。

表1 馬尾松生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀的方差分析

2.2 馬尾松生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀的遺傳和表型相關(guān)性

由表2可知，馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀間遺傳相關(guān)系數(shù)總體上小于表型相關(guān)系數(shù)，其相關(guān)顯著性具有相似性。樹高、胸徑和冠幅間遺傳均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，表型呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別在0.286～0.727和0.820～0.895，具有較強(qiáng)的相關(guān)性；樹高、胸徑和冠幅等3個(gè)性狀與樹干通直度的遺傳和表型均呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與枝下高的遺傳和表型均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，表明樹高和胸徑間聯(lián)系較為緊密，樹高和胸徑生長(zhǎng)量高的馬尾松無性系，其樹干通直度較高、冠幅較大、枝下高較低；最大分枝角度與樹干通直度間的表型呈顯著負(fù)相關(guān)，表明分枝角度越大，樹干越通直，通過分枝角度間接地選出樹干通直的馬尾松無性系。

表2 馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀間的遺傳與表型相關(guān)系數(shù)

2.3 速生優(yōu)質(zhì)馬尾松無性系的初選

由表3可知，以樹高和胸徑均高于無性系群體均值的10%和樹干通直度為較通直以上為選擇標(biāo)準(zhǔn)，共選出14、15、22和33等19個(gè)馬尾松優(yōu)良無性系，入選率30.16%，入選的馬尾松無性系樹高、胸徑和樹干通直度均值為4.55 m、8.15 cm和1.45，樹高和胸徑分別高于群體均值1.04 m和2.39 cm，且具有速生、樹干通直的特點(diǎn)。其中，馬尾松72、76、60、61、69和70號(hào)等無性系樹高和胸徑排序靠前，生長(zhǎng)表現(xiàn)較好，可作重點(diǎn)進(jìn)行培育。

表3 初選優(yōu)良馬尾松無性系

續(xù)(表3)

3 討論

發(fā)掘和利用林木遺傳變異規(guī)律是遺傳改良的前提，掌握遺傳變異規(guī)律是制定育種策略的基礎(chǔ)[16]。馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀均存在極顯著差異，各性狀變異系數(shù)變化范圍為12.44%～36.36%，較高的變異既有利于無性系的選擇[17]，又說明了以無性系水平對(duì)馬尾松生長(zhǎng)進(jìn)行遺傳改良具有可行性。樹高、胸徑和樹干通直度變異系數(shù)分別為25.46%、36.36%和30.90%，與濕加松(Pinuselliottii×P.caribaea)無性系[18]和日本落葉松(Larixkaempferi)無性系[19]的結(jié)果類似，比6年生馬尾松[20]樹高和胸徑的變異系數(shù)稍大，這是因?yàn)閰⒃嚐o性系數(shù)量及試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)較少，再加上無性系種植中的位置效應(yīng)及材料不同等各種環(huán)境因素導(dǎo)致變異系數(shù)偏大。金國(guó)慶等[20]認(rèn)為種子園子代生長(zhǎng)差異顯著，有助于種子園建園親本的再選擇、現(xiàn)有種子園的留優(yōu)去劣疏伐和重建新的種子園。本研究中馬尾松無性系間生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀變異較豐富，選擇速生和優(yōu)質(zhì)干形無性系可為馬尾松高效示范林的營(yíng)建提供幫助。

重復(fù)力可以體現(xiàn)植物性狀的穩(wěn)定程度，其值越大則性狀穩(wěn)定性越強(qiáng)，受環(huán)境作用小，選擇的效果越好[21-22]。馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀的重復(fù)力普遍保持著較高水平，各性狀重復(fù)力為0.35～0.79，重復(fù)力高說明無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀所受無性系基因的遺傳控制較強(qiáng)，減少環(huán)境因素對(duì)無性系生長(zhǎng)與形質(zhì)性狀的影響，不僅有利于速生、干形優(yōu)良無性系的選擇，而且采取適當(dāng)?shù)倪x擇強(qiáng)度即可取得有利的改良效果。無性系性狀受較強(qiáng)的遺傳控制有利于獲得最大化的增益[13]，樹高和胸徑的重復(fù)力分別為0.76和0.77，與梁德洋等[13]對(duì)紅松無性系樹高和胸徑屬于高重復(fù)力的研究相一致，稍低于李思廣等[23]對(duì)思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)的研究結(jié)果。遺傳控制存在差異與研究材料、家系數(shù)量和試驗(yàn)地環(huán)境等因素有關(guān)，說明通過選擇遺傳控制較強(qiáng)的無性系有望獲得較好的遺傳改良效果，而且對(duì)于馬尾松這種生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的試驗(yàn)林應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，并擴(kuò)大參試材料的數(shù)量以驗(yàn)證其性狀的遺傳穩(wěn)定性。總之，馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀具有較大的遺傳改良潛力，為馬尾松優(yōu)良無性系的評(píng)價(jià)和選擇提供了可能。

分析生物性狀之間的相關(guān)關(guān)系可為優(yōu)質(zhì)無性系的選擇提供幫助，通過遺傳相關(guān)與表型相關(guān)相結(jié)合，更能準(zhǔn)確反映由遺傳及環(huán)境效應(yīng)引起的性狀間的相關(guān)變化[24]。本研究中，馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀間的遺傳相關(guān)顯著性與表型相關(guān)具有相似性。樹高和胸徑間相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著正相關(guān)，與樹干通直度成極顯著負(fù)相關(guān)，性狀間的聯(lián)系較緊密，所受遺傳控制較強(qiáng)，這與王壁瑩等[25]、唐良民等[26]等的研究結(jié)果類似。馬尾松作為珍貴用材樹種，通過對(duì)樹高和胸徑的選育實(shí)現(xiàn)3個(gè)性狀的提高，有助于在生產(chǎn)上獲得較高林分收益[27]。最大分枝角與樹高及最粗分枝基徑等其它生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀相關(guān)性弱，在遺傳和表型上相互獨(dú)立。羅芊芊等[24]對(duì)南方紅豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)的研究中，發(fā)現(xiàn)最大分枝角與其它生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀弱相關(guān)和不相關(guān)的規(guī)律，有利于分枝細(xì)、分枝角大(易自然整枝)無性系的選擇。最大分枝角度與樹干通直度遺傳不相關(guān)，表型呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與試驗(yàn)材料及所處環(huán)境等有關(guān)，植物在環(huán)境壓力的選擇下會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性特征[1，28]，從而導(dǎo)致遺傳和表型的相關(guān)性具有不一致性。適宜的環(huán)境對(duì)無性系的培育及造林結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有重要作用。對(duì)于選育的優(yōu)良無性系，加強(qiáng)人工的管理和撫育的同時(shí)，可嘗試通過人為手段對(duì)其進(jìn)行干預(yù)，促進(jìn)性狀遺傳潛力的表達(dá)，形成優(yōu)質(zhì)干材。

營(yíng)建種子園和優(yōu)化現(xiàn)有種子園時(shí)，應(yīng)根據(jù)林木的生長(zhǎng)表現(xiàn)和主要經(jīng)濟(jì)性狀品質(zhì)進(jìn)行選擇或去劣，去掉生長(zhǎng)表現(xiàn)不良、遺傳品質(zhì)差的無性系，優(yōu)化種子園結(jié)構(gòu)提高種子園的生產(chǎn)力水平，并為后向選擇確定優(yōu)良無性系親本。該方法已在日本落葉松[29]、杉木(Cunninghamialanceolata)[30]和紅松[13]等植物進(jìn)行選擇并取得一定成果，表明選擇優(yōu)良無性系的方法可行，且該方法選擇的林木，營(yíng)建種子園的遺傳品質(zhì)，改良造林樹種具有顯著效果。若以單獨(dú)的生長(zhǎng)指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)選擇無性系，隨林齡的增長(zhǎng)往往會(huì)出現(xiàn)變異，因此在選優(yōu)過程中應(yīng)兼顧不同的指標(biāo)優(yōu)選高生產(chǎn)力無性系[31]。對(duì)于用材樹種，樹高和胸徑是主要的經(jīng)濟(jì)性狀，可反映其生長(zhǎng)的優(yōu)劣，且本研究中馬尾松無性系樹高和胸徑均受較強(qiáng)的遺傳控制，變異系數(shù)處于較高水平。因此，本研究以高變異、高重復(fù)力的馬尾松無性系樹高和胸徑為指標(biāo)，對(duì)馬尾松無性系進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇，篩選出了19個(gè)優(yōu)良無性系，選擇的優(yōu)良無性系樹高和胸徑均值分別為4.55 m和8.15 cm，均明顯高于群體均值(樹高均值3.51 m，胸徑均值5.76 cm)。其中，無性系72、76、60、61、69和70號(hào)等有表現(xiàn)更加突出的速生和干形優(yōu)良性狀。19個(gè)無性系中，60與61、66與67、69與72、85與86、95與69號(hào)無性系間有直接親緣關(guān)系即具有相同母本或父本，14、15、22和30號(hào)等無性系間無親緣關(guān)系。中選的無性系可用作不同雜交試驗(yàn)的材料，其優(yōu)良子代可作為高世代種子園的育種材料。而在營(yíng)建馬尾松高世代種子園時(shí)，除要注意選擇速生、干形優(yōu)良和遺傳基礎(chǔ)廣泛的建園材料，盡可能規(guī)避自交與近交，降低產(chǎn)生低劣種子的風(fēng)險(xiǎn)，還要對(duì)建園的無性系植株進(jìn)行配置種植，既要同一無性系個(gè)體保持最大的距離，還要充分隨機(jī)授粉，避免固定搭配，以提高其品質(zhì)和產(chǎn)量。現(xiàn)階段僅對(duì)馬尾松無性系的生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀進(jìn)行初步分析，限于林木生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，且參試的試驗(yàn)點(diǎn)有限，因此，今后還需結(jié)合多區(qū)域測(cè)定來跟蹤驗(yàn)證馬尾松無性系的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為不同區(qū)域和立地篩選出產(chǎn)量較高且通直度較好的優(yōu)質(zhì)無性系材料。

4 結(jié)論

馬尾松無性系生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀間均存在豐富的遺傳變異，有較高的選擇潛力，各性狀受中等至較強(qiáng)的遺傳控制，有利于遺傳改良，生長(zhǎng)和形質(zhì)性狀間的遺傳和表型相關(guān)顯著性具有相似性，高徑生長(zhǎng)量較大的馬尾松無性系樹干通直度較高，由此篩選出72、76、60、61、69和70號(hào)等共19個(gè)馬尾松無性系，中選的馬尾松無性系具有速生、干形優(yōu)良和性狀穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，可考慮作為生長(zhǎng)和形質(zhì)綜合改良的馬尾松無性系在當(dāng)?shù)赝茝V。