果用皂莢優(yōu)良無性系選育研究

韓麗君

（山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，太原 030012）

0 引言

皂莢(Gleditsia sinensis)為豆科皂莢屬喬木，是中國特有的鄉(xiāng)土樹種。皂莢在中國分布廣泛，分布面積達國土面積50%左右，在山西、河南、河北、陜西、山東、北京、貴州、云南等省（區(qū)）均有分布[1-2]。皂莢耐旱、耐干熱、耐寒冷、抗病蟲害，并兼具固氮改土的生態(tài)功能[3]。皂莢還具有極高的經(jīng)濟價值，不僅材質(zhì)優(yōu)良，而且莢果中含有三萜類皂甙等天然活性成分（皂莢素），在醫(yī)藥、食品和日用化工等方面具有著廣泛的應(yīng)用前景[4]。從皂莢種子中分離出的胚乳制成的瓜爾膠，是重要的戰(zhàn)略原料資源[5]，胚乳還是一種亞油酸含量高、脂肪低、氨基酸齊全、礦質(zhì)元素豐富，經(jīng)濟價值較高的營養(yǎng)保健食物[6]；從皂莢刺中提取的黃酮類化合物、皂莢的濃縮液具有抗癌特性，被列為抗癌中草藥之一[7]。皂莢在中國雖然分布很廣，但是由于長期的人為采伐利用和自生自滅過程，天然種質(zhì)資源丟失嚴重，中國境內(nèi)僅保留殘次疏林、個體（叢、簇）或散生木，群體處于瀕危狀態(tài)[3,8]。

近年來，隨著國內(nèi)外對果用皂莢研究的深入，已經(jīng)從種質(zhì)資源調(diào)查、育苗栽培技術(shù)、有效化學(xué)成分分析與利用等方面[9-11]，擴展到分子層面的遺傳多樣性分析、親緣關(guān)系鑒定、遺傳圖譜構(gòu)建及功能基因挖掘，皂莢轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)采集[12-14]。在果用皂莢研究方面，EST-SSR、AFLP、SRAP 等分子標記技術(shù)的應(yīng)用，對果用皂莢的遺傳多樣性分析，DNA 指紋圖譜構(gòu)建，以及種質(zhì)資源鑒定等提供了科學(xué)依據(jù)[15-16]。但目前研究主要集中在日用化工、醫(yī)藥、食用、化學(xué)添加劑、有害生物防治、污染防治等方面[16-20]，對皂莢的種質(zhì)資源及良種選育的研究相對較少，僅見郝向春等[21]選育出果刺兩用皂莢優(yōu)良無性系；李偉等[22]對皂莢南方產(chǎn)區(qū)18 個種源174 個家系在重慶市秀山縣播種育苗，營建資源收集圃進行異地保存；顧萬春等[23]對中國皂莢北方產(chǎn)區(qū)6 個省市的8 個種源進行收集保存，構(gòu)建了皂莢北方產(chǎn)區(qū)的核心種質(zhì)，選出4個優(yōu)良產(chǎn)地和4個優(yōu)異地方品種。近年來，隨著皂莢果用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早產(chǎn)、豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)的果用皂莢品種的匱乏嚴重制約了產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。本研究在前期對果用皂莢優(yōu)良單株篩選的基礎(chǔ)上，對其中表型和經(jīng)濟指標表現(xiàn)較好的6 個單株進行無性系測定和區(qū)域試驗，利用主成分分析、遺傳穩(wěn)定性分析和適應(yīng)性分析等方法進行綜合評定，對果用皂莢無性系進行決選，旨在為果用皂莢無性系育種選育提供理依據(jù)論。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

無性系測定林位于運城市鹽湖區(qū)西姚村(E1)。區(qū)域試驗林分別位于運城市鹽湖區(qū)西姚村(E1)、襄汾縣西賈鄉(xiāng)義順村(E2)、平順縣陽高鄉(xiāng)陽高村(E3)等3 個氣候差異明顯的地區(qū)（表1，圖1）。試驗地均選擇在山坡下位半陰坡，土壤為褐土，灌木層建群種為野皂莢的地塊進行。采用帶狀割灌魚鱗坑擴穴整地，野皂莢按株行距3 m×4 m 定株，定植點魚鱗坑擴穴整地，規(guī)格為80 cm×60 cm×40 cm。

圖1 果用皂莢優(yōu)良無性系選育分布圖

表1 無性系測定和區(qū)域試驗地點的地理和氣候信息

1.2 無性系測定

以前期篩選出的56 株候選優(yōu)樹為研究基礎(chǔ)（圖1），連續(xù)2年測定鮮莢產(chǎn)量、莢果質(zhì)量、果殼比例、果殼皂苷含量、千粒質(zhì)量、出籽率等6個表型和經(jīng)濟性狀指標，根據(jù)各性狀的平均值和標準差確定各量化指標的基礎(chǔ)值（平均值加上2 個標準差作為其基礎(chǔ)值），制定果用皂莢優(yōu)樹初選指標如表2，獲得初選優(yōu)樹6 株（表3）。

表2 果用皂莢優(yōu)樹初選指標

表3 初選優(yōu)樹基本信息

在考慮優(yōu)樹綜合性狀和選育目標的前提下，在運城市鹽湖區(qū)西姚村(E1)營造無性系測定林（圖1）。于2011 年4 月上旬，采集6 個初選優(yōu)樹的樹冠外圍中上部生長健壯、芽飽滿、無病蟲害，粗度0.6～1.0 cm 的1年生枝條，同時以相同標準采集1 個當(dāng)?shù)卦砬v主載品種枝條為對照（CK，表2），制作成接穗后嫁接到同一年播種的本地種源的野皂莢砧木上，砧木定株密度為株行距3 m×4 m，地徑約3 cm，高度15±2 cm，嫁接方法為插皮接。無性系嫁接采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，4 次重復(fù)，每個無性系30株小區(qū)，四周設(shè)置兩行保護帶，保護帶按同樣株行距，以野皂莢為砧木嫁接當(dāng)?shù)卦砬v品種。

優(yōu)樹無性系在嫁接后第6 年進入盛果初期，之后連續(xù)4 年（2016—2019 年）對7 個無性系進行性狀調(diào)查。首先統(tǒng)計結(jié)果株數(shù)，計算結(jié)果株率，然后在各無性系每個小區(qū)中隨機選取6株，將每株皂莢果全采，測量鮮莢產(chǎn)量；再將果混勻，隨機抽取30個莢果，測量莢果長、莢果厚、莢果寬、莢果質(zhì)量、千粒質(zhì)量、果殼皂苷含量，計算出籽率和果殼比例。果殼皂苷測定按照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《皂莢皂苷》（LY/T 3151—2019）進行。

1.3 區(qū)域測試

為縮短育種年限，區(qū)域化試驗與無性系測定同時進行。2013 年4 月初，對6 個優(yōu)樹無性系，在3 個不同生態(tài)類型的地區(qū)(E1、E2、E3)建區(qū)試林，分別選擇1個當(dāng)?shù)刂髟云贩N無性系為對照(CKE)。采用無形性測定林營建的方法，隨機區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)30株，塊狀排列，4次重復(fù)。同一區(qū)組內(nèi)立地條件、樹齡一致，管理措施相同。四周設(shè)置兩行保護帶，保護帶按同樣株行距，以野皂莢為砧木嫁接皂莢。從第6 年開始，連續(xù)4 年（2018—2021年）對7個無性系進行性狀調(diào)查。

每個候選優(yōu)樹隨機選擇30個無病蟲害莢果，用游標卡尺（精度為0.1 cm）測定莢果的最長、最寬、最厚處作為莢果長、莢果寬、莢果厚。將莢果在65 ℃烘干至恒重后，用電子天平（精度0.1 g）測定莢果質(zhì)量、果殼質(zhì)量、種籽質(zhì)量。采用四分法隨機抽取1000粒種籽用電子天平（精度0.1 g）測千粒質(zhì)量。在每個候選優(yōu)樹的每個小區(qū)內(nèi)，隨機測量10株的4個垂直方向的冠幅，計算鮮莢產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

出籽率見公式(1)。

果殼比例見公式(2)。

結(jié)果株率見公式(3)。

鮮莢產(chǎn)量見公式(4)。

式中樹冠投影面積見公式(5)。

無性系重復(fù)力(R)見公式(6)[24]。

式中F為統(tǒng)計量。

遺傳變異系數(shù)(C)見公式(7)[25]。

式中S為標準差；X為某一性狀的平均值。

利用SPSS 22 進行單因素方差分析、多重比較分析和主成分分析。遺傳×環(huán)境互作效應(yīng)分析、無性系生長量與環(huán)境指數(shù)的回歸系數(shù)bi利用R 4.0.2計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 無性系測定

2.1.1 生長性狀和經(jīng)濟性狀比較無性系之間，莢果最長的無性系是LKZG-004，莢果最寬的無性系是LKZG-015和LKZG-023，莢果最厚的無性系是LKZG-001，莢果質(zhì)量最大的無性系是LKZG-004，千粒質(zhì)量最大的無性系是LKZG-023，出籽率最高的無性系是LKZG-023，果殼比例最高的無性系是LKZG-009，果殼皂苷含量最高的無性系是LKZG-023（表4）。各性狀的差異均達到極顯著(P＜0.01)，除皂苷含量外，各性狀的變異幅度均較大，莢果長、莢果厚、莢果寬、莢果質(zhì)量、千粒質(zhì)量、出籽率、果殼比例、皂苷比例等性狀的最大值分別為最小值的1.50、1.58、1.87、1.94、1.42、2.10、1.25、2.45倍。果殼比例變異系數(shù)最小(7.2%)，皂苷含量變異系數(shù)最大(27.82%)，說明果用皂莢無性系不同性狀的變異程度差異較大（表5）。無性系的各項性狀的重復(fù)力均在0.90以上，表明同一無性系的性狀保持高度一致，具有較好的穩(wěn)定性。上述結(jié)果表明，無性系之間存在較豐富的變異基礎(chǔ)，并且各性狀均受到較強的遺傳因素控制。

表4 無性系生長性狀與經(jīng)濟性狀調(diào)查表

表5 無性系性狀方差分析及遺傳參數(shù)

2.1.2 早實性及豐產(chǎn)性評價圖2 可見，不同無性系的結(jié)果株率存在明顯差異，LKZG-009的早實性最好，平均結(jié)果株率為80.3%，其次是LKZG-023，平均結(jié)果株率為77%，分別比CK提高15.2%和10%。早實性最差的為LKZG-015，平均結(jié)果株率為48.7%。由圖3 可見，無性系間的鮮莢產(chǎn)量存在著顯著差異，LKZG-004的豐產(chǎn)性最好，平均單位面積鮮莢產(chǎn)量為61個/m2，其次是LKZG-023，平均單位面積鮮莢產(chǎn)量為53 個/m2，比對照分別提高39.3%和30.1%。LKZG-009 的豐產(chǎn)性最差，平均單位面積鮮莢產(chǎn)量為31個/m2。

圖2 無性系結(jié)果株率比較

圖3 無性系莢果產(chǎn)量比較

2.1.3 性狀綜合評價采用主成分分析法對6個無性系和CK 進行綜合評定。由表6 可知，主成分Y1具有最大的貢獻率31.34%，涵蓋莢果厚、莢果寬、莢果質(zhì)量，皂苷含量等指標；主成分Y2貢獻率為29.64%，涵蓋鮮莢產(chǎn)量、果長、出籽率和果殼比例等指標；主成分Y3貢獻率為15.69%，涵蓋結(jié)果株率、莢果產(chǎn)量等指標；主成分Y4貢獻率為14.73%，涵蓋千粒重指標。4 個主成分的累積貢獻率達到91.40%。

表6 無性系性狀主成分分析

7個無性系中，無性系LKZG-004的9個性狀綜合得分(90.09)最高，主要得益于F1公因子得分較高；LKZG-023無性系得分(11.71)排名第2，主要得益于各公因子得分較均衡。與CK相比，LKZG-004無性系莢果長提高29%、莢果寬提高21%、莢果質(zhì)量提高59%、莢果產(chǎn)量提高69.4%；LKZG-023無性系千粒質(zhì)量提高31%、出籽率提高95%、果殼皂苷含量提高58%（表7）。在7個參試的果用皂莢無性系中，LKZG-004無性系莢果最長、莢果最寬、莢果質(zhì)量最大、豐產(chǎn)性最好，LKZG-023無性系千粒質(zhì)量最大、出籽率最高、果殼皂苷含量最高。

表7 主成分分析綜合評價得分表

2.2 區(qū)域測試

2.2.1 不同地點果用皂莢無性系表型和經(jīng)濟性狀比較E1、E2、E33個地點莢果長平均值變化范圍為22.22(E1)～31.06(E1)，莢果厚平均值變化范圍為9.30(E1)～13.90(E2)，莢果寬平均值變化范圍為4.17(E2)～2.50(E2)，莢果質(zhì)量平均值變化范圍為29.01(E3)～54.02(E1)，千粒質(zhì)量平均值變化范圍為747.20(E1)～528.40(E1)，出籽率平均值變化范圍為32.43(E3)～15.27(E1)，果殼比例平均值變化范圍為67.57(E3)～84.73(E1)，鮮莢產(chǎn)量平均值變化范圍為24.67(E1)～58.32(E3)。分析表明，LKZG-004 無性系莢果最長、莢果質(zhì)量最大、豐產(chǎn)性最好，LKZG-023無性系莢果最寬、千粒質(zhì)量最大、出籽率最高、豐產(chǎn)性僅次于LKZG-004無性系（表8）。

表8 不同地點無性系表型和經(jīng)濟性狀均值

2.2.2 遺傳×環(huán)境互作效應(yīng)分析對果用皂莢不同地點不同無性系的莢果長、莢果厚、莢果寬、莢果質(zhì)量、千粒質(zhì)量、出籽率、莢果產(chǎn)量等7個性狀指標的方差分析見表9。各指標在無性系間存在極顯著差異，在不同地點間莢果厚、莢果寬、出籽率和鮮莢產(chǎn)量存在顯著或極顯著差異，無性系與地點的交互作用間除出籽率和莢果產(chǎn)量外均存在顯著或極顯著差異。結(jié)果表明莢果質(zhì)量受遺傳的影響較大，其余受遺傳和環(huán)境的交互作用影響較大。

表9 果用皂莢無性系遺傳×環(huán)境互作效應(yīng)分析

2.2.3 LKZG-004和LKZG-023的性狀穩(wěn)定性和適應(yīng)性評價無性系測定篩選出的2 個綜合性狀優(yōu)良的無性系——LKZG-004 和LKZG-023，在3 個地點的區(qū)域試驗結(jié)果見表10。LKZG-004無性系在不同地點的莢果長和莢果質(zhì)量都沒有顯著差異，是較穩(wěn)定的無性系。LKZG-023無性系的千粒質(zhì)量在E3試驗點與無性系測定林差異極顯著，E1、E2試驗點與無性系測定林差異不顯著，說明LKZG-023無性系穩(wěn)定性比LKZG-004無性系差，不適合在E3試驗點栽植。

表10 LKZG-004和LKZG-023無性系性狀比較

利用LKZG-004和LKZG-023的穩(wěn)定性狀（LKZG-004是莢果長和莢果質(zhì)量，LKZG-023是千粒質(zhì)量和出籽率）與環(huán)境指數(shù)的回歸系數(shù)bi值進行生長適應(yīng)性評價。bi=1，表示該無性系具有平均適應(yīng)效應(yīng)，對栽培環(huán)境無特殊要求；bi＞1，表示無性系適應(yīng)性低于平均值，在較好的環(huán)境條件下才能表現(xiàn)優(yōu)良；bi＜1，表示無性系對環(huán)境要求不高，可以在較差的環(huán)境條件下進行栽培[26]。分析表明，無性系LKZG-004的特殊性狀（莢果長和莢果質(zhì)量）的回歸系數(shù)bi值分別為0.57和0.57，說明LKZG-004 無性系對環(huán)境要求不高，具有較強的適應(yīng)性，無性系LKZG-023 特殊性狀千粒質(zhì)量的回歸系數(shù)bi值為1.49，說明LKZG-023 無性系對環(huán)境要求較高，只適宜于較好的環(huán)境條件栽培（見表11）。

表11 3個地點果用皂莢優(yōu)良無性系適應(yīng)性參數(shù)

3 討論

皂莢莢果的表型性狀和經(jīng)濟性狀是決定果用皂莢用途的主要依據(jù)，研究莢果的表型和經(jīng)濟性狀及其影響因素，可為科學(xué)開展果用皂莢選育提供必要參考。莢果長、莢果厚、莢果寬、莢果質(zhì)量、千粒質(zhì)量、出籽率、果殼比例、果殼皂苷含量是反映莢果品質(zhì)的關(guān)鍵指標。本研究結(jié)果表明，果用皂莢無性系間的關(guān)鍵性狀指標存在豐富的變異，變異系數(shù)變幅為7.2%～27.82%，皂苷含量在所有性狀中變異最大，可能與其對環(huán)境反應(yīng)最敏感有關(guān)[27]。

本研究選擇了適合皂莢嫁接繁殖的野皂莢作為砧木，以確保嫁接的成活率與良好生長[29]。已有研究表明，不同的砧木對繁殖材料的性狀指標有顯著影響[28]。本研究的無性系測試采用嫁接繁殖進行，為最大程度避免砧木對接穗的性狀產(chǎn)生擾動，各無性系接穗選擇了生長狀況基本一致的本地種源野皂莢作為砧木。研究還發(fā)現(xiàn)，皂莢無性系的性狀變異來源主要為遺傳效應(yīng)，而嫁接繁殖效應(yīng)和無性系與砧木的互作效應(yīng)對其的影響較小。

果用皂莢無性系各性狀具有較高的重復(fù)力，說明這些性狀受較強的遺傳控制[30]，而高變異和高重復(fù)力有利于無性系選擇[31]。但林木優(yōu)良性狀價值及其推廣應(yīng)用，不僅取決于生長量的絕對值或某一特殊性狀，而且在很大程度上還取決于其穩(wěn)定性和生長的適應(yīng)性[32]。許多林木育種的區(qū)域化試驗研究表明，基因型與環(huán)境存在顯著的交互效應(yīng)[33]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)，多數(shù)無性系的性狀與地點的交互作用存在顯著或極顯著差異，表明種植于不同地點的果用皂莢無性系，與環(huán)境有較強的交互作用。出籽率沒有顯著差異可能源于其對環(huán)境影響不靈敏，莢果產(chǎn)量沒有顯著差異可能和樹齡小有關(guān)。

本試驗中無性系LKZG-004 穩(wěn)定性較好，而無性系LKZG-023穩(wěn)定性較差?？赡芤驗椴煌瑹o性系對環(huán)境的適應(yīng)性常存在差異[34]。無性系LKZG-004 的bi值分別為0.57和0.07，表明LKZG-004具較強的適應(yīng)性，無性系LKZG-023的bi值分別為1.49和0.18，表明其具有特殊的適應(yīng)性。適應(yīng)性分析結(jié)果說明無性系LKZG-004對3個地點均有很強的適應(yīng)性，對環(huán)境要求不高；而無性系LKZG-023 最適栽培地點為E1、E2，這種依靠bi值反映環(huán)境適應(yīng)性的結(jié)論與Mori等[35]對桉樹(Eucalyptus)的研究結(jié)果相似。

4 結(jié)論

本研究對6個優(yōu)樹無性系進行無性系測定和區(qū)域化試驗，針對果用皂莢無性系表型性狀和經(jīng)濟性狀進行早實性評價、豐產(chǎn)性評價、穩(wěn)定性評價和適應(yīng)性評價，選育出性狀優(yōu)良并可以在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的2 個優(yōu)良無性系：LKZG-004 和LKZG-023。其中，LKZG-004無性系與對照相比，莢果長提高29%、莢果寬提高21%、莢果質(zhì)量提高59%、莢果產(chǎn)量提高69.4%；LKZG-023無性系與對照相比，千粒質(zhì)量提高31%、出籽率提高95%、果殼皂苷含量提高58%。