白樺四倍體與二倍體雜交的親本配合力分析*

董琳琳 張國成 劉立輝 計家寶 白向東 顧宸瑞 姜 靜 劉桂豐

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種國家重點實驗室 哈爾濱 150040；2. 永吉縣國有林總場 吉林 132100；3. 永吉縣西陽苗圃 吉林 132100）

在林木傳統(tǒng)育種方法中，雜交育種是最有成效的一種，目前生產(chǎn)上廣泛推廣的很多林木優(yōu)良品種均是采用該方法獲得的（Baiet al.，2019；Brennanet al.，2020）。通過雜交創(chuàng)造優(yōu)良家系和新品種的先決條件是科學(xué)選配親本組合，研究并了解不同親本在各雜交組合中的實際表現(xiàn)已成為雜交育種的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（張愛民，1994）。親本組合能力主要通過雜種子代重要目標(biāo)性狀計算親本的一般配合力（general combining ability, GCA）和特殊配合力（specific combining ability,SCA），依據(jù)2種配合力分析，既可評價種子園親本，也可作為留優(yōu)去劣的依據(jù)，為高世代遺傳改良提供理論依據(jù)（劉青華等，2011）。

白樺（Betula platyphylla）具有生長速度快、適應(yīng)性強、材質(zhì)細(xì)致、顏色潔白等特點，是生產(chǎn)單板類人造板材及紙漿材的重要用材樹種之一（楊傳平等，2004）。第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示，白樺蓄積達(dá)10.33億 m3，位列喬木樹種的第二名（張建龍，2019），但該樹種幾乎為天然林，木材產(chǎn)量和質(zhì)量尚需提高。國家早在20個世紀(jì)90年代將白樺列為科技攻關(guān)樹種，相繼開展了選擇育種、雜交育種、倍性育種、基因工程育種以及培育技術(shù)等研究（寧坤等，2015；李貴雨等，2016；Yanget al.，2000；王成等，2011；Huanget al.，2014；Yanget al.，2015；Zhanget al.，2015；Liet al.，2016），其中，白樺倍性育種始于2004年，在優(yōu)良四倍體選擇的基礎(chǔ)上，將其與二倍體定植于溫室大棚內(nèi)，營建了三倍體制種園（Muet al.，2012a；劉宇，2016；劉福妹等，2013），隨著園中母樹陸續(xù)開花結(jié)實，先后開展多次四倍體與二倍體的雜交，也對其子代即三倍體家系進行了測定和評價（Muet al.，2012b；劉超逸等，2017；劉宇等，2014；2015）。2010、2011年按測交系交配設(shè)計，開展不同倍性親本間雜交，并分別營建了三倍體家系試驗林，前期針對部分家系的苗高和地徑生長量進行親本一般配合力和特殊配合力效應(yīng)值分析，初步選出具有較強優(yōu)勢的四倍體母本及雜交組合（Xuet al.，2016；林琳等，2012）。目前，上述家系試驗林樹齡已達(dá)10年，其生長和木材性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，苗期選出的親本及雜交組合如今表現(xiàn)尚不知曉。鑒于此，本研究以2011年雜交子代試驗林為對象，調(diào)查其生長性狀和保存率，測定其主要材質(zhì)性狀，根據(jù)各性狀的配合力效應(yīng)值再次評價雜交親本及組合的優(yōu)劣，以期為后續(xù)三倍體制種園的改建或重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

2011年，以4株白樺四倍體為母本、10株白樺二倍體為父本，按測交系交配設(shè)計進行控制授粉雜交；2012年早春，在塑料棚內(nèi)分家系育苗，共獲得40個家系苗木；2013年，送往黑龍江省尚志市帽兒山鎮(zhèn)東北林業(yè)大學(xué)實驗林場進行造林試驗。試驗按照完全隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)4個區(qū)組，區(qū)組內(nèi)各小區(qū)分別定植不同家系子代20株，雙行排列，株行距2 m × 2 m。林場地理坐標(biāo)為127°54'E、45°38'N，年均溫2.4 ℃，年降水量700 mm，無霜期120天，土壤類型為暗棕壤。

1.2 性狀調(diào)查與統(tǒng)計分析方法

1.2.1 生長性狀調(diào)查 2021年秋季進行每木調(diào)查，采用塔尺和胸徑尺測量樹高和胸徑，單株材積根據(jù)白樺二元材積表公式V= 0.000 051 935 163D1.8586884H1.0038941計算（寧坤等，2015），家系保存率按各區(qū)組內(nèi)各家系的實際保存株數(shù)計算。

1.2.2 主要材質(zhì)性狀測定 1） 取材：在試驗林Ⅰ-Ⅲ區(qū)組中取材，依據(jù)每個家系的樹高、胸徑均值各選取10株平均木，分別在樹干南側(cè)1.5 m高處截取基部直徑約2 cm、長度20 cm的一段側(cè)枝帶回實驗室，將10株平均木的側(cè)枝按3、3、4株的比例分為3組（3次重復(fù)）。采用壁紙刀去樹皮后分別從側(cè)枝基部起截取長約4 cm木段用于纖維長、寬測定；截取中間10 cm木段用于纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量測定；截取上部4 cm木段用于木材密度測定。

2） 纖維長、寬測定：參考穆懷志等（2009）研究方法，材料離析后利用ZEISS光學(xué)顯微鏡進行測量。首先，將木芯由髓心向外切削3 mm寬木片，劈成火柴桿粗細(xì)的細(xì)條，用體積分?jǐn)?shù)10%的硝酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鉻酸等體積混合浸泡材料，浸泡4 h后用清水清洗數(shù)次，用藍(lán)色試紙檢查確認(rèn)酸液徹底清洗干凈，接著用吸管吸取少量材料均勻分散于載玻片上，覆上蓋玻片，在ZEISS光學(xué)顯微鏡（10×）下分別測量纖維長、寬。每個家系共測定100條纖維。

3） 纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量測定：采用硫酸蒽酮比色法測定纖維素含量，采用鹽酸水解法測定半纖維素含量，采用濃硫酸法測定木質(zhì)素含量（金冬雪，2021）。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 采用SPSS 22.0軟件對雜交組合間各性狀進行方差分析，單位為百分?jǐn)?shù)的性狀在方差分析前進行反正弦轉(zhuǎn)換；依據(jù)線性回歸分析模型，利用WinNCⅡ（童春發(fā)等，2013；2014）軟件對各性狀進行親本配合力分析，其中配合力方差分析采用模型Ⅰ（固定模型），遺傳方差分量和遺傳力采用模型Ⅱ（隨機模型）（表1）；應(yīng)用隸屬函數(shù)法對雜交親本進行多性狀綜合評價和選擇；測定入選優(yōu)良雜交親本及組合的遺傳增益。

表1 配合力方差分析模型①Tab. 1 Analysis of variance model of combining ability

各性狀的線性回歸分析模型如下：

式中:yijkl為第i個區(qū)組中第j個父本與第k個母本交配子代的第l個個體性狀值；μ為總平均值；Bi為第i個區(qū)組的效應(yīng)（i= 1，···，b）;Mj為第j個父本的效應(yīng)（j= 1，···,m）；Fk為第k個母本的效應(yīng)（k= 1，···,f）；MFjk為第j個父本與第k個母本的交互效應(yīng)；eijkl為隨機誤差效應(yīng)（l= 1，…，nijk），并假定其服從均值為0、方差為σ2e的正態(tài)分布。

隸屬函數(shù)值R（X）計算公式如下：

反隸屬函數(shù)值R'（X）計算公式如下：

式中：Xi為指標(biāo)測定值；Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。

隸屬函數(shù)分析時，為了科學(xué)賦予各性狀權(quán)重，采用各性狀主分量為其賦值（李春旭等, 2017）。以樹高、胸徑等7個性狀為評價指標(biāo)，通過主成分分析法提取特征值大于1.00的因子作為主成分，得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計方差貢獻(xiàn)率及性狀的矩陣成分值，并構(gòu)建以下方程：

式中：βj為j性狀的權(quán)重；Cjk為j性狀在第k矩陣成分上的值；Ak為第k成分特征值；bk為第k成分所占百分比；B為累計百分比。

式中：ΔG表示遺傳增益；s表示選擇差；μ 表示群體均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雜交組合間生長及主要材質(zhì)性狀變異分析

40個雜交組合生長、材質(zhì)性狀和保存率方差分析（表2）顯示，樹高、胸徑、材積、纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量和纖維長寬比7個性狀在雜交組合間的差異均達(dá)顯著或極顯著水平，為深入開展親本配合力分析和優(yōu)良雜交組合選擇奠定了遺傳基礎(chǔ)。各性狀變異系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，達(dá)顯著差異的性狀變異系數(shù)在6.34%～55.29%之間變動，其中材積的遺傳變異系數(shù)最高，達(dá)55.29%，表明參試40個雜交組合間各性狀的變異較豐富，具有選擇潛力。各性狀遺傳力分析發(fā)現(xiàn)，樹高、胸徑、材積、纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量和纖維長寬比7個性狀的廣義遺傳力在38.83%～73.72%之間，狹義遺傳力在22.23%～68.48%之間，表明上述性狀遺傳能力較強。

表2 不同雜交組合各性狀方差分析①Tab. 2 Analysis of variance on hybridization combinations for each trait observed

2.2 各性狀配合力效應(yīng)值的差異顯著性分析

親本和雜交組合的配合力是較強優(yōu)勢的親本及雜交組合篩選的重要遺傳參數(shù)，本研究在采用WinNCⅡ軟件分別計算差異達(dá)顯著水平的7個性狀配合力效應(yīng)值的基礎(chǔ)上，根據(jù)固定模型對各性狀配合力效應(yīng)值進行方差分析（表3）。結(jié)果表明，在樹高、胸徑和材積等生長性狀上，親本間的GCA以及不同雜交組合間的SCA效應(yīng)值差異均達(dá)極顯著水平；材質(zhì)性狀中木質(zhì)素含量、纖維長寬比等性狀，在親本間的GCA以及不同雜交組合間的SCA差異也達(dá)顯著或極顯著水平，而纖維素和半纖維素含量僅母本的GCA差異達(dá)極顯著水平。由此可見，本研究中白樺絕大多數(shù)性狀均受親本配合力影響，開展白樺親本及其雜交組合的配合力分析具有重要意義。此外，生長性狀在不同區(qū)組間的差異也達(dá)極顯著水平，說明試驗林的立地條件差異較大，生長性狀也受環(huán)境影響，即為受遺傳和環(huán)境雙重影響的性狀，表明試驗開展區(qū)組設(shè)計的重要性。主要材性性狀在區(qū)組間的差異不顯著，可能是依據(jù)各家系平均木取樣，樣本量數(shù)量較少產(chǎn)生影響的結(jié)果。

表3 各性狀配合力效應(yīng)值方差分析①Tab. 3 Analysis of variance on the effect values of combining ability of traits observed

2.3 親本各性狀的配合力遺傳效應(yīng)分析

采用隨機模型分析一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA）效應(yīng)方差分量。從父本+母本各性狀的GCA可知（表4），雙親的加性效應(yīng)對胸徑、材積等生長以及纖維素、半纖維素、纖維長寬比等材質(zhì)性狀具有明顯影響；母本的加性效應(yīng)遠(yuǎn)大于父本，且占主導(dǎo)地位，在各性狀中其方差分量在43.11%～94.15%之間，而父本的方差分量在0～4.86%之間。由40個雜交組合的特殊配合力效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)（表4），SCA對木質(zhì)素含量和樹高的控制較強，分別為52.03%和44.55%，對材積及胸徑也具有一定作用，對其余性狀的控制較低。

表4 GCA和SCA各遺傳效應(yīng)方差分量及百分比①Tab. 4 Variance components and percentages of genetic effects in GCA and SCA

2.4 一般配合力分析及優(yōu)異親本選擇

對親本各性狀的一般配合力分析（表5）表明，同一親本不同性狀的GCA存在較大差異，如F4、F7、F12、Q103親本有6個性狀的GCA為正值，說明在本雜交育種試驗中，上述親本對生長和材質(zhì)性狀的改良具有重要貢獻(xiàn)；而F1和F3父本只有生長性狀的GCA為正值，多數(shù)材質(zhì)性狀為負(fù)值，說明F1和F3僅對改良生長性狀起關(guān)鍵作用，而對材質(zhì)性狀改良無明顯作用；另外，F(xiàn)2、F5、Q13親本則6個性狀的GCA均為負(fù)值，說明其不宜作為雜交育種親本。

表5 親本各性狀的GCA多重比較①Tab. 5 Multiple comparison of GCA of parental traits

為了綜合7個性狀對親本進行科學(xué)準(zhǔn)確選擇，本研究采用隸屬函數(shù)與主成分分析相結(jié)合的方法開展評價，首先根據(jù)紙漿材的育種目標(biāo)，以木質(zhì)素含量為負(fù)相關(guān)性狀，以樹高、胸徑、材積、纖維素含量、半纖維素含量和纖維長寬比為正相關(guān)性狀，利用主成分分析法計算參試親本各性狀的權(quán)重，此權(quán)重再分別乘以隸屬函數(shù)法求算的各性狀標(biāo)準(zhǔn)化值即可獲得參試親本各性狀的隸屬函數(shù)值和平均值（表6）。結(jié)果顯示，10個父本中平均隸屬函數(shù)值大于0.65的分別為F4、F7和F10，其中F4排名第一，4個母本的隸屬函數(shù)均值最高的為Q103，Q19次之。若按參試親本的25%比例考慮父本入選率，則有F4、F7和F10共3個父本入選高配合力的優(yōu)異父本；本試驗中參試母本對主要性狀的配合力效應(yīng)貢獻(xiàn)較大，則按50%入選率，選出的高配合力優(yōu)異母本為Q19、Q103。

表6 親本各性狀的GCA隸屬函數(shù)值及排名Tab. 6 Membership function means and rankings of GCA on parental traits

2.5 特殊配合力分析及優(yōu)良雜交組合選擇

對40個雜交組合各性狀的SCA效應(yīng)值分析（表7）發(fā)現(xiàn)，只有Q19×F11和Q103×F10組合的7個性狀SCA為正值，意味著這2個組合在生長和材質(zhì)性狀方面具有較強雜種優(yōu)勢；Q13×F1、Q13×F9、Q13×F10、Q13×F12、Q19×F2、Q19×F3、Q33×F1、Q33×F4、Q103×F7、Q103×F9等10個組合，樹高、胸徑和材積性狀均產(chǎn)生正的SCA效應(yīng)值，表明上述組合在生長方面具有較強雜種優(yōu)勢；Q13×F4、Q13×F11、Q19×F10、Q19×F11、Q33×F3、Q33×F5、Q103×F1等7個組合，纖維素和半纖維素含量、纖維長寬比性狀均產(chǎn)生正的SCA效應(yīng)值，意味著上述組合在木材纖維改良方面具有較強雜種優(yōu)勢。如果以紙漿材為育種目標(biāo)，人們并不希望選擇木質(zhì)素含量SCA太高的組合，如Q13×F4組合雖然在木材纖維改良具有較強雜種優(yōu)勢，但由于木質(zhì)素含量SCA效應(yīng)值大于1.000，故后續(xù)綜合評價中該組合并未入選。

表7 40個組合各性狀SCA效應(yīng)值差異顯著性分析①Tab. 7 Significant analysis of differences in SCA effect size of traits in 40 hybrid crosses

同前所述，采用主成分分析結(jié)合隸屬函數(shù)法對40個雜交組合開展綜合評價（表8），若將隸屬函數(shù)均值劃分為1、2、3、4級4個等級，其中，隸屬函數(shù)均值大于0.60為1級，則有6個組合入選，即Q33×F1、Q19×F11、Q13×F9、Q103×F10、Q33×F3和Q13×F12，這些組合具有生長量較大、木質(zhì)素含量較低、材質(zhì)優(yōu)良等特點，是40個組合中的優(yōu)異雜交組合。

表8 40個組合各性狀SCA效應(yīng)值隸屬函數(shù)值及綜合評價Tab. 8 Membership function and comprehensive evaluation of SCA effect size in 40 hybrid crosses

2.6 優(yōu)異親本及雜交組合的遺傳增益

材積是林木生長的重要性狀，無論是紙漿材還是單板材均應(yīng)在材積遺傳增益較高的基礎(chǔ)上選擇。對入選親本及雜交組合各性狀的遺傳增益分析（表9）發(fā)現(xiàn)，雖然母本Q19在材積方面的遺傳增益為負(fù)值，但其在纖維素含量、半纖維素含量等具有較高的遺傳增益，決定將其一并入選為親本。入選5個親本材積的遺傳增益為-0.63%～8.60%，平均遺傳增益為3.38%。同時，對入選6個雜交組合各性狀的遺傳增益分析發(fā)現(xiàn)，Q13×F9和Q33×F3的材積遺傳增益為負(fù)值，予以剔除。入選4個雜交組合材積的遺傳增益均值為10.69%，其中3個組合的遺傳增益大于9.00%，最高的組合為16.33%。雖然入選組合在纖維性狀、木質(zhì)素含量等方面的遺傳增益并非都好，但均為3個以上的性狀符合紙漿材育種目標(biāo)要求，故此選擇Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12、Q19×F11為優(yōu)異雜交組合。

表9 入選親本及雜交組合各性狀遺傳增益Tab. 9 Genetic gain of all observed traits in selected parents and hybrid crosses

3 討論

通過交配設(shè)計和子代測定，依據(jù)配合力大小篩選優(yōu)良雜交親本用于種子園改建或重建是林木遺傳改良的必要途徑（林琳等，2012）。我國主要造林樹種，如杉木（Cunninghamia lanceolata）（葉志宏等，1991）、馬尾松（Pinus massoniana）（董虹妤等，2016；金國慶等，2008）、日本落葉松（Larix kaempferi）（董雷鳴等，2019）、鵝掌楸（Liriodendron chinense）（李周岐等，2001）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）（曹士晗等，2013）等樹種的初級種子園改建或高世代種子園營建，均開展了配合力分析及親本選擇。本研究白樺三倍體制種園自營建以來，先后通過交配設(shè)計及雜種子代苗期生長測定，選出了一些優(yōu)異親本及雜交組合（林琳等，2012；Xuet al.，2016），其中，Xu等（2016）曾對本試驗材料的2年生苗高、地徑等性狀采用多目標(biāo)決策法進行綜合評定，選出了優(yōu)異母本、父本及雜交組合Xuet al.，2016。如今，該批苗木的試驗林樹齡已達(dá)10年，本研究根據(jù)其生長和材質(zhì)性狀，選出3個優(yōu)異父本、2個優(yōu)異母本；如果仍根據(jù)樹高和胸徑等生長性狀進行評價，則入選4個優(yōu)異父本、2個優(yōu)異母本（表6），其中，Q103、Q19、F3和F4等親本與Xu等（2016）的選擇結(jié)果吻合，表明苗期選擇具有一定指導(dǎo)作用。本研究選出優(yōu)異親本的生長和材質(zhì)性狀增益較高，是種子園改建留用的首選親本。另外，選出的Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12及Q19×F11等4個組合，其生長量大、纖維素或半纖維素含量高、木質(zhì)素含量較低，可建立雙親本種子園，也可在白樺種子園中通過控制授粉配置上述入選雜交組合，獲得生長及木材纖維等性狀改良的雜種子代。

木材纖維形態(tài)特征與紙漿質(zhì)量和紙張強度密切相關(guān)，是衡量紙漿用材樹種優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，其中，纖維長度大不但能提高紙張撕裂度，而且還有利于紙張抗拉強度（曾廣植，2006）。本研究中三倍白樺的纖維長度雖然較四倍體略短，但較二倍體長，在40個白樺三倍體家系中，纖維長度為758.19～972.22 μm，近90%的三倍體家系纖維長高于二倍體家系，可見白樺纖維長度變化呈現(xiàn)隨著染色體組增加而增長的趨勢。其他林木纖維長度或含量的變化也有這種現(xiàn)象，如5年生三倍體毛白楊（Populus tomentosa）纖維平均長度達(dá)1 280 μm，比同齡普通毛白楊長52%（康向陽，2003）；對不同倍性的灌木柳（Salix saposhnikovii）研究發(fā)現(xiàn)，三倍體纖維素含量明顯高于二倍體，其木質(zhì)素含量低于二倍體，更符合制漿造紙育種目標(biāo)要求（Serapigliaet al., 2014）。由此表明，林木多倍體是一種優(yōu)良的制漿造紙等纖維用材原料。

一般配合力（GCA）中，父、母本遺傳效應(yīng)方差大小表明親本的基因加性效應(yīng)是否起主導(dǎo)作用，可為有目的地選配雜交親本提供理論參考。本研究發(fā)現(xiàn)，母本在白樺各性狀的遺傳效應(yīng)方差分量中所占比例較大，即母本對子代的影響較大，這可能與細(xì)胞質(zhì)母系遺傳有關(guān)，即受精卵中的細(xì)胞質(zhì)幾乎全部來自于卵細(xì)胞，從而導(dǎo)致由細(xì)胞質(zhì)影響的性狀由母本遺傳給子代。另外，也可能是母本在形成雌配子的過程中提供2套染色體組，父本僅提供1套染色體組，故此導(dǎo)致母本效應(yīng)占絕對優(yōu)勢。但在馬尾松全同胞子代測定中發(fā)現(xiàn)，各性狀的母本GCA方差分量所占比例也均明顯高于父本GCA的方差分量（劉青華等，2011），馬尾松的雜種子代為二倍體，這似乎說明母本對子代產(chǎn)生較大影響主要源于細(xì)胞質(zhì)遺傳，而與三倍體子代中的2套染色體組來源于母本關(guān)系不大，該問題尚需開展反交測定，根據(jù)子代表現(xiàn)進一步追蹤研究?；谀副緦ψ哟挠绊懻贾鲗?dǎo)的現(xiàn)實，開展半同胞子代測定的優(yōu)良家系及優(yōu)良母本選擇意義更大，其可免去控制授粉雜交等繁雜工作，對于林木高世代種子園營建也具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

針對白樺測交系三倍體家系試驗林各性狀配合力及效應(yīng)值分析，以材積生長量及紙漿材為選育目標(biāo)，選出F4、F7和F10為優(yōu)異父本，Q19和Q103為優(yōu)異母本，其材積遺傳增益為-0.63%～8.60%；選擇Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12及Q19×F11為強優(yōu)勢組合，這些組合具有生長量較大、木質(zhì)素含量較低、材質(zhì)優(yōu)良等特點。選出的優(yōu)異親本及雜交組合為后續(xù)白樺種子園改建提供指導(dǎo)，也可在優(yōu)良雜交組合內(nèi)選擇優(yōu)良單株，為白樺三倍體新品種選擇提供材料。