赤皮青岡不同家系苗期生長和葉片性狀遺傳變異*

周燕，黃盛怡，楊孟晴，王斌，王秀花，張東北，吳小林，周志春

(1.浙江省建德市林業(yè)總場，浙江 杭州 311400；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所， 浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311400；3.浙江省慶元縣實(shí)驗(yàn)林場，浙江 慶元 323800)

林木遺傳變異是遺傳改良的基礎(chǔ)，多層次豐富的遺傳變異決定了遺傳改良的潛力[1-2]。林木性狀的遺傳變異大量存在于家系間及個(gè)體間，深入研究家系性狀的遺傳變異規(guī)律，有助于制定科學(xué)的育種策略[3-4]，為親本選擇、雜交組合配制以及遺傳改良提供有效的信息[5]。研究林木遺傳變異最簡單和直觀的方法是分析林木生長性狀的差異性，苗高和地徑是林木苗期最直觀的質(zhì)量指標(biāo)，通過苗木質(zhì)量指標(biāo)可在一定程度上預(yù)測其造林后的生長表現(xiàn)[6]；葉片是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要器官，葉片的數(shù)量和大小與植株的生長有著直接的關(guān)系，常作為衡量植物生長發(fā)育的主要觀測指標(biāo)[7]。鑒于苗高、地徑和葉片性狀對植株生長發(fā)育的重要意義，很多研究將其用于林木苗期遺傳變異分析與選擇[8-10]。

赤皮青岡〔Cyclobalanopsisgilva(Blume)Oerst〕為殼斗科(Fagaceae)青岡屬常綠闊葉大喬木，是我國亞熱帶地區(qū)重要的珍貴用材和生態(tài)修復(fù)樹種。不同學(xué)者對赤皮青岡的地理分布[11-12]、群落結(jié)構(gòu)[13]和遺傳多樣性[12-13]進(jìn)行研究，探討赤皮青岡容器苗培育[14]、組織培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)[15]，揭示幼苗在光照、干旱和水淹脅迫條件下的生理特性[16-17]和葉片解剖結(jié)構(gòu)[18]。然而關(guān)于赤皮青岡種質(zhì)資源收集評價(jià)和良種選育的工作才剛剛起步，其生長和葉片性狀遺傳變異規(guī)律尚不清楚，這制約赤皮青岡遺傳改良研究深度。本研究以來自福建、湖南和江西等地的52個(gè)赤皮青岡優(yōu)樹自由授粉家系1 a生容器苗為材料，研究不同種源和家系生長和葉片性狀的遺傳變異規(guī)律，估算各性狀遺傳參數(shù)和遺傳相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，對不同家系進(jìn)行聚類分析并評價(jià)各類群特點(diǎn)，以期為赤皮青岡優(yōu)良家系的選擇提供參考，為其遺傳改良的推進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在浙江省慶元縣實(shí)驗(yàn)林場(119°01′25″E，27°38′48″N)上坑良種基地苗圃地鋼構(gòu)大棚內(nèi)進(jìn)行，該地海拔510 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫17.6 ℃，年降水量1 721.3 mm，無霜期245 d。

試驗(yàn)材料為1 a生赤皮青岡優(yōu)樹自由授粉家系容器苗。2018年在福建建甌(FJJO)，湖南城步(HNCB)、會同(HNHT)、永順(HNYS)和江西婺源(JXWY)等地的赤皮青岡優(yōu)良天然林中，選擇樹干通直圓滿，無病蟲害，高徑生長明顯大于周圍3～5株對比木的優(yōu)樹，采集其成熟種子。不同種源家系數(shù)量分別為：FJJO 32個(gè)、HNCB 8個(gè)、HNHT 6個(gè)、HNYS 3個(gè)、JXWY 3個(gè)，共52個(gè)家系。2019年3月在慶元縣實(shí)驗(yàn)林場采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行育苗，每個(gè)家系每小區(qū)育苗20株，3次重復(fù)。育苗容器規(guī)格4.5 cm×10 cm，基質(zhì)為泥炭+谷殼+珍珠巖(體積比為5︰3︰2)，苗木培育按一般生產(chǎn)性常規(guī)水肥管理進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

2019年11月對所有赤皮青岡家系容器苗生長和葉片性狀進(jìn)行測定，生長性狀包括苗高(H)和地徑(D)，葉片性狀包括葉片數(shù)(N)、最大葉片長(L)和最大葉片寬(W)。苗高為從苗干基部的土印處到主干頂芽基部的長度，采用卷尺測量；地徑采用十字交叉法，用游標(biāo)卡尺測量土印處的直徑作為地徑；葉片數(shù)為全株葉片數(shù)量；最大葉片長和最大葉片寬分別為全株最大葉片的長度和寬度，采用鋼尺測量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

性狀分析使用混合線性模型，其表達(dá)式如下。

Yijk=μ+Bi+Fj+BFij+Eijk

式中：Yijk為第i區(qū)組第j家系第k單株的觀測值；μ為群體平均值；Bi為第i區(qū)組效應(yīng)；Fj為第j家系的效應(yīng)；BFij為第i家系和第j區(qū)組的互作效應(yīng)；Eijk為機(jī)誤。此外，μ和Bi為固定效應(yīng)，其余為隨機(jī)效應(yīng)。采用SAS 8.0軟件的MEANS過程進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，GLM過程進(jìn)行性狀方差分析，CORR過程計(jì)算表型相關(guān)，PROC VARCOMP過程中的TYPE1方法計(jì)算各方差分量，進(jìn)而估算赤皮青岡不同家系各性狀遺傳參數(shù)[6]。聚類分析通過R 3.6 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤皮青岡優(yōu)樹家系生長和葉片性狀的總體變異

赤皮青岡優(yōu)樹家系1 a生苗高和地徑分別為33.67 cm和0.48 cm，葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬分別38.34片、7.53 cm和2.38 cm(表1)，不同家系間差異極顯著(P<0.01)，表明家系間存在著豐富的遺傳變異，這為優(yōu)良家系的選擇提供足夠的空間。苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬最大的家系分別高出最小家系83.15%、55.56%、120.90%、29.14%和50.78%，葉片數(shù)的變幅最大，苗高次之，最大葉片長變幅最小，即葉片數(shù)和苗高變異空間相對較大。赤皮青岡優(yōu)樹家系各性狀表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)，苗高和葉片數(shù)分別在生長和葉片性狀中變異最大，這為確定其優(yōu)良家系發(fā)掘利用提供了依據(jù)。

赤皮青岡優(yōu)樹生長和葉片性狀的家系和單株遺傳力均較高，除最大葉片長和最大葉片寬的單株遺傳力相對較低(0.22和0.38)，受中等遺傳控制外，其它性狀家系和單株遺傳力均高于0.4，受較強(qiáng)遺傳控制，意味著苗期生長和葉片性狀的潛在改良效果較好。比較發(fā)現(xiàn)，各性狀家系遺傳力和單株遺傳力均為葉片數(shù)>苗高>地徑>最大葉片寬>最大葉片長，且各性狀的家系遺傳力均大于單株遺傳力，說明苗期的赤皮青岡以家系選擇更有效。

2.2 赤皮青岡優(yōu)樹的苗期生長和葉片性狀的種源差異

不同種源赤皮青岡1 a生容器苗生長和葉片性狀差異顯著(P<0.01或P<0.05)，見表2。

表1 赤皮青岡苗期生長和葉片性狀變異分析Tab.1 Variation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

表2 不同種源赤皮青岡苗期生長和葉片性狀差異Tab.2 Difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

從生長性狀來看，苗高和地徑最大的種源分別高出最小種源54.86%和30.00%，苗高的種源變異大于地徑。5個(gè)種源中HNCB的苗高最高(36.30 cm)，與HNHT和FJJO無顯著差異，但顯著高于HNYS和JXWY；HNYS的地徑最大(0.52 cm)，與HNCB和FJJO無顯著差異，但顯著高于HNHT和JXWY；JXWY的苗高(23.44 cm)和地徑(0.40 cm)均最低，顯著低于其他4個(gè)種源。從葉片性狀來看，葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬最大的種源分別高出最小種源74.08%、12.70%和17.29%，葉片數(shù)的種源變異較大。FJJO的葉片數(shù)最多(42.44片)，顯著高于其它4個(gè)種源；HNHT的最大葉片長(7.90 cm)和HNCB的最大葉片寬(2.51 cm)相對較高；JXWY的3個(gè)葉片性狀為5個(gè)種源中最低。

不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的表型變異系數(shù)總體差異不大，僅HNYS葉片數(shù)的表型變異系數(shù)(63.82%)明顯高于其他種源(圖1)。不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的遺傳變異系數(shù)差異均較大，以HNCB的苗高(10.98%)、葉片數(shù)(14.99%)和最大葉片長(7.86%)，JXWY的地徑(11.74%)和HNHT的最大葉片寬(15.09%)遺傳變異系數(shù)最大，是相應(yīng)最小值的2～7倍，可見種源間存在著豐富的遺傳變異。

不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的家系遺傳力，除JXWY的苗高(0.13)和葉片數(shù)(0.26)、FJJO和HNYS的最大葉片長(分別為0.24和0.13)相對較低外，其余不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的家系遺傳力均在0.4以上，受較強(qiáng)遺傳控制(圖1)。單株遺傳力的種源差異較家系遺傳力明顯，HNCB的苗高(0.72)、葉片數(shù)(0.52)和最大葉片長(0.64)，JXWY的地徑(0.75)和HNHT的最大葉片寬(0.98)單株遺傳力相對較高，遺傳改良潛力較大；JXWY的苗高(0.01)和葉片數(shù)(0.02)，F(xiàn)JJO、HNYS和HNHT的最大葉片長(分別為0.03、0.02和0.06)單株遺傳力較低，遺傳改良潛力相對較小。

圖1 不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀遺傳差異Fig.1 Genetic difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

2.3 赤皮青岡優(yōu)樹家系的苗期生長與葉片性狀間的相關(guān)性

赤皮青岡優(yōu)樹家系的苗高與地徑之間呈極顯著的表型和遺傳正相關(guān)(P<0.01)(表3)，其表型和遺傳的相關(guān)系數(shù)分別為0.283和0.604。除地徑與最大葉片長遺傳相關(guān)不顯著外，苗高和地徑與葉片性狀之間均呈顯著或極顯著的表型與遺傳正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)。葉片數(shù)與最大葉片長和最大葉片寬的表型和遺傳相關(guān)性均不顯著，最大葉片長與最大葉片寬的表型和遺傳相關(guān)性均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明最大葉片長和最大葉片寬與葉片數(shù)量關(guān)系不大，但葉片的長和寬存在著緊密聯(lián)系，葉片越長相應(yīng)地也越寬。總的來看，赤皮青岡的苗期生長性狀與葉片性狀關(guān)系密切，生長快的家系葉片數(shù)量多、葉片長和寬較大。

表3 赤皮青岡苗期生長和葉片性狀間的表型與遺傳相關(guān)Tab.3 Phenotypic and genetic correlation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

2.4 赤皮青岡家系的苗期聚類分析

對52個(gè)赤皮青岡家系的苗期生長和葉片性狀進(jìn)行聚類分析，在歐式距離為15處，可將其歸為3大類(圖2)。第Ⅰ類為來自HNCB(HNCB-5、HNCB-6、HNCB-7)、HNHT(HNHT-5)和FJJO(FJJO-5、FJJO-9、FJJO-18、FJJO-19)3個(gè)產(chǎn)地的8個(gè)家系，占比15.38%，其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬分別高出整體均值的15.21%、10.43%、17.71%、2.96%和2.88%，為苗期速生性較強(qiáng)家系；第Ⅱ類為來自FJJO、HNCB、HNHT和HNYS等4個(gè)產(chǎn)地的41個(gè)家系，占比78.58%，苗高、地徑、葉片數(shù)和最大葉片長分別低于整體均值的0.74%、0.87%、0.79%和0.07%，僅最大葉片寬高出整體均值的0.16%，為苗期速生性較中等家系；第Ⅲ類僅有JXWY產(chǎn)地的3個(gè)家系，占比5.77%，其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬分別低于整體均值的30.37%、15.86%、36.42%、6.86%和9.90%，為苗期生長較慢家系。對苗期進(jìn)行優(yōu)良家系選擇時(shí)，第Ⅰ類群中的8個(gè)家系均可選為苗木速生優(yōu)良家系，第Ⅱ類群中部分表現(xiàn)突出的家系也可以入選。

圖2 赤皮青岡優(yōu)樹家系的苗期聚類Fig.2 Cluster analysis of C.gilva families

3 討論與結(jié)論

林木遺傳變異是選擇育種的前提，因生長環(huán)境不同，長期的自然選擇會形成不同的變異，同一樹種在種源間、林分間、個(gè)體間及個(gè)體內(nèi)均存在遺傳變異[19]。本研究赤皮青岡優(yōu)樹的苗期生長和葉片性狀表型變異系數(shù)為17.68%～42.14%，遺傳變異系數(shù)為4.17%～18.13%，各性狀家系間差異均達(dá)極顯著水平，顯示種源/家系間存在廣泛的變異，遺傳改良選擇空間較大。研究表明，麻櫟(Quercusacutissima)不同種源苗高和地徑的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)分別為8.28%～17.75%和11.53%～34.27%，栓皮櫟(Q.variabilis)不同種源苗高和地徑的變異系數(shù)分別為9.36%～26.67%和12.43%～32.47%[20]。本研究赤皮青岡不同種源/家系苗高和地徑變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)為11.22%和8.63%，與麻櫟和栓皮櫟相比，苗高的變異接近，地徑的變異要小。

遺傳力大小反映林木性狀變異受遺傳制約的程度，遺傳力的估算對于育種策略的制定具有重要的指導(dǎo)意義[21]。本研究赤皮青岡優(yōu)樹的苗期生長和葉片性狀家系遺傳力在0.71～0.90之間，受較強(qiáng)遺傳控制，說明其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長和最大葉片寬等性狀主要受自身遺傳條件制約，受培育條件和環(huán)境效應(yīng)影響較小。長期的地理隔離，使赤皮青岡不同種源的遺傳結(jié)構(gòu)及適應(yīng)性發(fā)生了改變，從而具有較強(qiáng)的種源選擇能力[9]，這一結(jié)果與不同學(xué)者對刨花潤楠(Machiluspauhoi)[9]、火力楠(M.macclurei)[22]、杉木(Cunninghamialanceolata)[23]及落葉松(Larixgmelinii)[24]等樹種的研究結(jié)論一致。

以苗高和葉片數(shù)對赤皮青岡52個(gè)家系進(jìn)行聚類，可將其分為苗期速生性較強(qiáng)家系、苗期速生性中等家系和苗期生長較慢家系3類，這為赤皮青岡苗期選擇提供了一定參考?？紤]到本研究采用的是1 a生容器苗，聚類結(jié)果有待同批次子代測定林試驗(yàn)加以驗(yàn)證。因此，后續(xù)需對赤皮青岡優(yōu)樹家系進(jìn)行多點(diǎn)多年跟蹤觀測，通過子代測定分析各生長性狀在苗期和幼成林間的早晚相關(guān)性和穩(wěn)定性，以進(jìn)一步分析赤皮青岡苗期選擇的實(shí)用性和可靠性。林木育種的長期目標(biāo)是獲得可持續(xù)的遺傳增益，本研究僅僅是針對苗期生長和葉片性狀進(jìn)行分析，后期可通過擴(kuò)大種源及家系來源，結(jié)合區(qū)域化造林試驗(yàn)和子代測定，為赤皮青岡造林選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定和適宜的優(yōu)良家系。此外，還應(yīng)對赤皮青岡的其它性狀進(jìn)行研究，掌握不同性狀的遺傳變異規(guī)律，為赤皮青岡的遺傳改良提供全面的理論依據(jù)。