水曲柳半同胞家系變異分析與選擇

王 芳，孫 彬，楊雨春，王 君，劉 旭，陸志民，楊 玲，張嘉峰，許經(jīng)華

（1.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長春 130000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，吉林 長春 130000；3.吉林省永吉縣林木種子站，吉林 吉林 132000）

水曲柳Fraxinus mandshuricaRupr.屬木犀科Oleaceae梣屬Fraxinus植物，高大落葉喬木，樹高可達30 m，胸徑可達1 m，是我國東北地區(qū)主要造林樹種之一，與胡桃楸、黃菠蘿并稱為“東北三大硬闊”[1]。水曲柳主要分布于我國的東北、華北、陜西、甘肅、湖北等地，朝鮮半島北部、俄羅斯遠東以及日本北部也有分布[2]。水曲柳樹干端直，材質(zhì)堅硬致密，紋理美觀，可用于建筑、家具、飛機、造船、運動器材及土木工程等，是重要的用材樹種，同時由于其樹形優(yōu)美，高大挺拔，樹干通直度好，適應(yīng)性強，也是優(yōu)良的綠化和觀賞樹種[3]。目前對水曲柳的研究有很多，主要集中在其生理學(xué)[4-6]生態(tài)學(xué)[7-9]和繁育技術(shù)[10-12]等方面，水曲柳遺傳改良方面的研究主要是通過種源試驗來確定優(yōu)良種源[13]，通過子代測定來選擇優(yōu)良家系及在優(yōu)良家系中選擇優(yōu)良單株目前報道較少。

育種目標(biāo)是育種工作的依據(jù)和指南，指導(dǎo)遺傳改良工作的進行。林木樹種大多是用材樹種，因此多以生長性狀為育種目標(biāo)，研究生長性狀的遺傳變異是篩選優(yōu)良群體及個體的重要內(nèi)容，對林木生長性狀研究較多，國內(nèi)外均有報道。Liang[14]等對50個32年生紅松無性系的16個生長性狀進行研究，以樹高、胸徑、材積和平均冠寬為綜合評價指標(biāo)，篩選出5個生長性狀優(yōu)良的無性系。Doran[15]等對重要的用材樹種白木Endospermum medullosum的生長性狀遺傳變異參數(shù)進行分析，用以指導(dǎo)后期根據(jù)育種目標(biāo)通過循環(huán)選擇獲得生長性狀的經(jīng)濟收益。目前，隨著科技的發(fā)展及實際生產(chǎn)的需要，林木育種已從注重生長過渡到多目標(biāo)育種[16]。本研究以吉林省吉林市永吉縣西洋鎮(zhèn)水曲柳試驗林內(nèi)的67個11年生水曲柳半同胞家系為材料，對其8個性狀的遺傳變異進行分析，分別從生長和綠化2個育種方向選出優(yōu)良家系并在優(yōu)良家系中選出優(yōu)良單株，以期為造林生產(chǎn)或園林綠化提供優(yōu)質(zhì)材料。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗地位于吉林省吉林市永吉縣西陽鎮(zhèn)（125°51′40″E，43°20′37″N），海拔487 m，溫帶大陸季風(fēng)氣候，暗棕壤，年平均降水量464.5 mm，年平均氣溫4.8℃，年平均有效積溫2 700℃，無霜期120～130 d。試驗材料共67個家系，其中1個家系為當(dāng)?shù)胤N子，作為對照，編號為FM1；其余66個家系來源于輝南榆樹岔林場天然林中水曲柳優(yōu)樹的種子，編號為FM2～FM67。所有種子于2010年春季育苗，2012年營建幼齡林，試驗地采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，30株小區(qū)，3個區(qū)組，株行距為2 m×2 m，周邊設(shè)置保護行。

1.2 試驗方法

2021年9月，對67個11年生水曲柳半同胞家系的樹高、胸徑、當(dāng)年高生長量、冠幅、枝下高、分枝角和分枝數(shù)等性狀進行單株調(diào)查。樹高、枝下高和當(dāng)年高生長量測量參照文獻[17]；胸徑和分枝角測量參照文獻[18]，冠幅測量參照文獻[19]，分枝數(shù)測量參照文獻[20]。水曲柳立木材積計算公式[21]：

式中：f?= 0.40，H為樹高，DBH為胸徑，f?為水曲柳平均實驗形數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件對所有數(shù)據(jù)進行整理并利用相應(yīng)公式進行綜合評價，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析、變異系數(shù)分析、相關(guān)分析及主成分分析。各性狀的方差分析模型[19]為：

式中：Xijk表示家系i在區(qū)組j中水曲柳單株k的表型，μ表示總體平均值，ai表示家系效應(yīng)，bj表示區(qū)組效應(yīng)，abij表示家系和區(qū)組互作的效應(yīng)，eijk表示誤差。

表型變異系數(shù)（PCV）公式[22]為：

式中：Pcv表示某一性狀的表型變異系數(shù)，表示某一性狀的方差分量，表示某一性狀的總體平均值。

一般配合力公式[24]為：

式中：GCA為親本的一般配合力，為親本的某個交配組合在某個性狀的子代平均值，μ為這個性狀所有組合的子代總平均值。

對這些性狀進行主成分分析，得出各主成分特征值，λ1≥λ2≥λ3……≥λp≥0，提取特征值大于1的前m個主成分[25]，相應(yīng)成分載荷系數(shù)與其特征值的平方根的比值為特征向量ej，即可得到主成分第j個主成分的方差貢獻率為，累計方差貢獻率為[26]。

表型相關(guān)分析的公式[27]為：

式中：rp12表示性狀1與性狀2的表型相關(guān)系數(shù)，Covp12表示性狀1與性狀2的協(xié)方差，分別表示性狀1與性狀2的表型方差。

采用布雷金多性狀綜合評定法對各家系和單株進行綜合評定，公式[23]為：

式中：Qi表示綜合評定值，Xij表示某一性狀的平均值，Xjmax表示某一性狀的最優(yōu)值，n表示所要評價的性狀個數(shù)。

遺傳增益的公式[28]為：

式中：ΔG表示某一性狀的遺傳增益，W表示選擇差，R表示某一性狀的遺傳力，表示某一性狀的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各性狀方差分析

67個家系各性狀的方差分析結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，各性狀在不同家系間、不同區(qū)組間、不同家系與區(qū)組的互作間均達到極顯著差異水平（P＜0.01）。

表1 各性狀方差分析Table 1 Variance analysis of each trait

2.2 各性狀遺傳變異分析

67個水曲柳家系的樹高、胸徑、材積、當(dāng)年高生長量，以及枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)等共8個性狀的變異參數(shù)見表2。所有家系樹高的平均值為4.31 m，變幅為3.81～4.81 m；胸徑的平均值為3.82 cm，變幅為3.25～4.48 cm；材積的平均值為0.004 0 m3，變幅為0.002 8～0.005 5 m3；當(dāng)年高生長量的平均值為0.78 m，變幅為0.71～0.86 m；枝下高的平均值為1.00 m，變幅為0.91～1.16 m；冠幅的平均值為1.08 m，變幅為0.84～1.39 m；分枝角的平均值為41.76°，變幅為38.52°～45.28°；分枝數(shù)的平均值為7.31個，變幅為5.81～9.23個。

表2 各性狀的平均值及遺傳變異系數(shù)Table 2 Means and genetic variation coefficients of each trait

各性狀表型變異系數(shù)變化范圍為21.83%～80.03%，其中材積的表型變異系數(shù)最大，為80.03%；其次為冠幅與分枝數(shù)，變異系數(shù)均在45%左右；樹高、胸徑、當(dāng)年高生長量、枝下高和分枝角的變異系數(shù)在20%～35%之間。各性狀家系遺傳力的變化范圍為0.23～0.58，樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的家系遺傳力分別為0.26、0.29、0.23和0.40，枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)的家系遺傳力分別為0.29、0.39、0.35和0.58。各性狀單株遺傳力較家系遺傳力小，變化范圍為0.03～0.14，樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的單株遺傳力分別為0.05、0.06、0.04和0.05，枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)的單株遺傳力分別為0.03、0.09、0.05和0.14。

2.3 各性狀的一般配合力分析

各性狀的一般配合力見表3。樹高的一般配合力變化范圍為-0.50～0.49，胸徑的一般配合力變化范圍為-0.57～0.66，材積的一般配合力變化范圍為-0.001 2～0.001 6，當(dāng)年高生長量的一般配合力變化范圍為-0.07～0.08，枝下高的一般配合力變化范圍為-0.09～0.16，冠幅的一般配合力變化范圍為-0.23～0.31，分枝角的一般配合力變化范圍為-3.24～3.52，分枝數(shù)的一般配合力變化范圍為-1.50～1.92。其中家系FM62、FM12、FM16和FM24的親本樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的一般配合力較高，家系FM13、FM26的親本冠幅、分枝角和分枝數(shù)的一般配合力較高，家系FM7的親本枝下高的一般配合力最高。

表3 各家系親本不同性狀的一般配合力Table 3 General combining ability values of different traits in each family parent

續(xù)表3Continuation of table 3

2.4 主成分分析

各性狀主成分分析結(jié)果見表4。特征值大于1.00的主成分有2個，即主成分I和主成分Ⅱ。主成分I特征值為4.22，貢獻率為52.76%，樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的載荷量較高，分別為0.906、0.942、0.916和0.843；主成分Ⅱ的特征值為1.01，貢獻率為12.68%，枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)載荷量的絕對值較高，分別為0.412、0.729、0.504和0.172。2個主成分的累計貢獻率為65.44%，主成分I包含了生長性狀的主要信息，主成分Ⅱ包含了形質(zhì)性狀的主要信息。

表4 各性狀主成分分析Table 4 Principal component analysis of each trait

2.5 相關(guān)分析

不同性狀間的相關(guān)系數(shù)見表5。從生長性狀來看，樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的各性狀間均達極顯著正相關(guān)水平（0.201～0.958），其中樹高、胸徑和材積3個性狀間的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)均超過0.800。從形質(zhì)性狀來看，枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)各性狀間也均達極顯著正相關(guān)水平（0.066～0.603），其中冠幅和分枝數(shù)的相關(guān)性最大（0.603），接下來依次為分枝角與分枝數(shù)（0.409），分枝角與冠幅（0.255），枝下高與冠幅、分枝角和分枝數(shù)的相關(guān)性較小，相關(guān)系數(shù)均低于0.100。對比生長性狀與形質(zhì)性狀，呈極顯著正相關(guān)（0.035～0.756），其中形質(zhì)性狀中的冠幅與生長性狀樹高（0.705）、胸徑（0.756）、材積（0.720）和當(dāng)年高生長量（0.306）的相關(guān)性均較大。

表5 不同性狀間的相關(guān)性分析?Table 5 Correlation analysis of different traits

2.6 優(yōu)良家系選擇

根據(jù)主成分分析結(jié)果與相關(guān)分析結(jié)果，以樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量作為評價指標(biāo)對67個水曲柳半同胞家系進行綜合評價，選擇生長性狀優(yōu)良的家系；同理，以枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)作為評價指標(biāo)進行綜合評價，選擇形質(zhì)性狀優(yōu)良的家系。各家系的綜合Qi值見表6，以10%的入選率進行選擇，F(xiàn)M16、FM24、FM22、FM12、FM29、FM62和FM44被選為生長性狀優(yōu)良的家系，入選家系的樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的平均值分別為4.60 m、4.26 m、0.005 1 m3和0.79 m，分別比對照高出0.30 m、0.23 m、0.001 4 m3、0.04 m，遺傳增益分別為1.74%、3.35%、6.48%和0.27%（表7）。FM16、FM4、FM12、FM24、FM17、FM33和FM26被選為形質(zhì)性狀優(yōu)良的家系，入選家系的枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)的平均值分別為1.01 m、1.25 m、43.05°和8.49個，分別比對照高出0.08 m、0.07 m、1.61°和0.98個，遺傳增益分別為0.30%、6.51%、1.08%和9.44%（表7）。FM16、FM12和FM24的生長性狀和形質(zhì)性狀均優(yōu)良。

表6 不同家系Qi值Table 6 Qi values of different families

表7 優(yōu)良家系各性狀的遺傳增益Table 7 Genetic gain of each trait in superior families

2.7 優(yōu)良單株選擇

在選出的生長性狀優(yōu)良的7個家系和形質(zhì)性狀優(yōu)良的7個家系中同樣利用多性狀綜合評價方法進行優(yōu)良單株選擇，以1%的入選率分別選出6個優(yōu)良單株。生長性狀優(yōu)良的單株為FM22-3-5、FM24-3-17、FM24-3-20、FM44-3-5、FM24-3-12和FM24-3-14（表8），入選單株的樹高平均值為6.07 m，遺傳增益為1.59%；胸徑的平均值為8.58 cm，遺傳增益為6.09%；材積的平均值為0.021 4 m3，遺傳增益為12.73%；當(dāng)年高生長量的平均值為1.00 m，遺傳增益為1.33%（表9）。形質(zhì)性狀優(yōu)良的單株為FM16-1-3、FM12-1-3、FM4-1-7、FM12-1-13、FM4-1-15和FM4-1-1（表8），入選單株的枝下高的平均值為1.45 m，遺傳增益為1.31%；冠幅的平均值為2.42 m，遺傳增益為8.36%；分枝角平均值為61.67°，遺傳增益為2.16%；分枝數(shù)的平均值為15.33個，遺傳增益為11.27%（表9）。

表8 優(yōu)良家系中各單株的Qi值?Table 8 Qi values of individual plants in superior families

表9 優(yōu)良單株各性狀的遺傳增益Table 9 Genetic gain of each character of superior individual plant

3 討 論

遺傳和變異是林木良種選育研究的重要內(nèi)容，對其變異來源、變異顯著性的認識是進行樹種改良的基礎(chǔ)[29]。本研究以11年生水曲柳優(yōu)樹子代半同胞家系為材料進行方差分析，結(jié)果顯示測得的所有性狀均在不同家系間達到極顯著差異水平，說明通過表型選擇得到的優(yōu)樹后代仍分化明顯，有必要通過遺傳測定進一步選出生產(chǎn)力更高的優(yōu)良家系[30]。各性狀在不同區(qū)組間也達到極顯著差異水平，說明植物表型不僅受遺傳因素控制，也受環(huán)境影響，這與張秦徽等[18]對紅松半同胞家系的變異分析結(jié)果相似。

變異系數(shù)和遺傳力是遺傳測定中2個重要的參數(shù)，其高低反映了樣本的差異情況以及這種差異遺傳給下一代的能力[16,28]。本研究中各性狀表型變異系數(shù)為21.83%～80.03%，家系遺傳力為0.23～0.58，變異系數(shù)及遺傳力均較高，這與Xia等[31]對長白落葉松半同胞家系和王芳等[18]對紅松半同胞子代的研究結(jié)果相似，高變異系數(shù)和高遺傳力為優(yōu)良家系的選擇提供了基礎(chǔ)。本研究中，水曲柳各性狀單株遺傳力為0.03～0.14，小于家系遺傳力，這與沈樂等[32]對尾巨桉雜交種Eucalyptus urophylla×E.grandis、翟思萬等[33]對華山松Pinus armandii、劉青華等[34]對馬尾松Pinus massoniana的研究結(jié)果一致。

林木育種過程中，為生產(chǎn)遺傳型最好的子代，需要利用一般配合力來確定優(yōu)良親本進行有性繁殖[35]。本研究對67個水曲柳半同胞家系的各性狀進行一般配合力分析，樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量一般配合力較高的家系為FM62、FM12、FM16和FM24，冠幅、分枝角、分枝數(shù)一般配合力較高的家系為FM13和FM26，枝下高一般配合力較高的家系為FM7，可以根據(jù)不同的育種目標(biāo)選擇合適的親本[36]。賴佳等[37]發(fā)現(xiàn)自交系P4的蛋白質(zhì)含量、維生素C含量、干物質(zhì)和可溶性糖含量的一般配合力均較高，因此可選擇該親本作為其營養(yǎng)品質(zhì)性狀雜交改良的優(yōu)良材料。

育種目標(biāo)決定育種方法和選擇手段[19]，水曲柳不僅木材材質(zhì)優(yōu)良，是重要的用材樹種，也是優(yōu)良的綠化和觀賞樹種[3]，因此可根據(jù)生長性狀和園林綠化2個育種目標(biāo)對水曲柳進行分開選擇。主成分分析法可以簡化選優(yōu)指標(biāo)、精簡選擇程序、克服人為的主觀誤差，使選擇結(jié)果更準(zhǔn)確[25]。相關(guān)分析可以反映各性狀之間的聯(lián)系，可與主成分分析法相結(jié)合為多性狀聯(lián)合控制育種提供參考[38]。本研究對水曲柳8個性狀進行主成分分析，提取出2個主成分，主成分Ⅰ中的樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的特征值較大，貢獻率較高，可代表生長量相關(guān)信息；主成分Ⅱ中枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)特征值較大，貢獻率較高，可代表形質(zhì)性狀相關(guān)信息。兩個主成分中各性狀之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，因此利用多性狀綜合評價法，分別以10%的入選率篩選出7個生長性狀優(yōu)良的家系和7個形質(zhì)性狀優(yōu)良的家系，入選生長性狀優(yōu)良家系的樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的遺傳增益分別1.74%、3.35%、6.48%和0.27%。與欒柯權(quán)[21]對水曲柳子代測定的研究結(jié)果相比，材積的遺傳增益較小，這可能是由于2個研究選擇的材料來源不同，同時材料的樹齡也不同，本研究水曲柳子代測定株為11年生，欒柯權(quán)的研究材料為16年生。入選形質(zhì)性狀優(yōu)良家系的枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)的遺傳增益分別為0.30%、6.51%、1.08%和9.44%，這與蘆賢博等[17]對6年生胡桃楸Juglans mandshuricaMaxim.的研究結(jié)果相似。其中，F(xiàn)M16、FM12和FM24的生長性狀和形質(zhì)性狀均優(yōu)良，既可用于培育出材量大的大徑材林，也可用于培育樹形優(yōu)美用于園林綠化的苗木。篩選出的優(yōu)良家系也可反映其親本的優(yōu)良特性，可根據(jù)育種目標(biāo)，為1.5代種子園的營建提供理論支持。在選擇優(yōu)良家系的同時還篩選出優(yōu)良單株，以1%的入選率分別篩選出6個生長性狀優(yōu)良單株和6個形質(zhì)性狀優(yōu)良的單株。入選生長性狀優(yōu)良的單株樹高、胸徑、材積和當(dāng)年高生長量的平均值分別為6.07 m、8.58 cm、0.021 4 m3和1.00 m，遺傳增益分別為1.59%、6.09%、12.73%和1.33%；入選形質(zhì)性狀優(yōu)良的單株枝下高、冠幅、分枝角和分枝數(shù)的平均值分別為1.45 m、2.42 m、61.67°和15.33個，遺傳增益分別為1.31%、8.36%、2.16%和11.27%。選出的優(yōu)良家系和優(yōu)良單株可作為水曲柳優(yōu)良種質(zhì)材料推廣使用。

本研究存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在兩方面：1）樹齡較小，研究所選的試驗材料為11年生水曲柳苗木，樹齡對優(yōu)良家系和優(yōu)良單株的選擇有一定影響；2）種源單一，本研究所選的材料均屬于輝南榆樹岔種源，選出的優(yōu)良家系和優(yōu)良單株具有局限性。

基于此，下一步的研究方向為：1）隨著樹齡的增長，繼續(xù)對水曲柳的生長及形質(zhì)性狀進行調(diào)查分析，進行早期選擇，確定其最佳的早期選擇年齡，從而縮短選擇時間與周期，加快改良進程；2）增加種源數(shù)量，對現(xiàn)有的水曲柳種源試驗林進行種源選擇，選擇優(yōu)良種源，為不同地區(qū)確定造林用的適宜種源，同時在優(yōu)良種源中選擇優(yōu)良家系和優(yōu)良單株，優(yōu)中選優(yōu)，為實際生產(chǎn)提供更適合的良種。

4 結(jié) 論

水曲柳不僅是優(yōu)良的用材樹種，也是重要的園林綠化和觀賞樹種，因此對水曲柳的評價選擇應(yīng)從多方面、多角度進行。但由于水曲柳生長緩慢，有性繁殖周期長，扦插、嫁接和體胚等無性繁殖成活率低，因此研究進展較為緩慢。本研究以水曲柳良種選育為目的，通過主成分分析法將8個性狀歸類為分別代表生長性狀和形質(zhì)性狀兩類，最終結(jié)合相關(guān)性分析，利用多性狀綜合評價法，分別篩選出7個生長性狀優(yōu)良的家系和7個形質(zhì)性狀優(yōu)良的家系，又從選出的優(yōu)良家系中分別篩選出6個生長性狀優(yōu)良的單株和6個形質(zhì)性狀優(yōu)良的單株。入選的材料優(yōu)勢明顯，各性狀遺傳力較高，為水曲柳推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；通過篩選得到的一般配合較高的親本，可通過雜交育種增加提高子代相應(yīng)性狀雜種優(yōu)勢的概率。