香葉樹優(yōu)樹自由授粉家系幼林生長性狀遺傳變異與初選

胥清利

（福建省順昌埔上國有林場，福建 順昌 353205）

林木生長性狀變異不僅受到外界環(huán)境的影響，同時(shí)受一定程度的遺傳特性控制，適度的遺傳變異可改變遺傳改良的能力，其變異廣泛存在于區(qū)組與家系間[1]。家系優(yōu)良選育是推進(jìn)林木遺傳育種和改良進(jìn)程的關(guān)鍵途徑，探究家系生長性狀的變異程度及規(guī)律是科學(xué)規(guī)劃育種措施的前提，也是估算親本家系遺傳參數(shù)和遺傳價(jià)值的重要環(huán)節(jié)[2]，前向選擇可區(qū)分母樹的優(yōu)劣[3]，而后向選擇可對優(yōu)質(zhì)家系資源進(jìn)行篩選，提高遺傳改良潛力[4]。同時(shí)自由授粉可確保親本獲得大量種子，增強(qiáng)林木可育性以及擴(kuò)大子代變異系數(shù)[5]，其技術(shù)已廣泛應(yīng)用于麻櫟[1]和木荷[6]等樹種的優(yōu)樹家系選擇。因此深入研究香葉樹自由授粉家系生長性狀和遺傳特性的差異性，揭示遺傳控制機(jī)理，進(jìn)行優(yōu)良家系早期選育，對鄉(xiāng)土珍貴樹種遺傳改良、優(yōu)質(zhì)選育和高效培育具有重要意義。生長量和保存率是闊葉樹種最主要的表型性狀，其中地徑、胸徑、樹高和材積是表征林木生長狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，生存率則側(cè)重林木的存活狀況，結(jié)合生長性狀和存活率指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)綜合改良的目標(biāo)[7]。

香葉樹（Lindera communis hemsl）屬樟科（Lauraceae）山胡椒屬（Lindera）喬木植物，亞熱帶常綠樹種，喜光和溫暖氣候，抗逆性強(qiáng)，耐干旱瘠薄，主要分布在海拔300～2000 m 間。香葉樹是我國西南地區(qū)優(yōu)質(zhì)用材樹種，因其材質(zhì)細(xì)致、生長速度快、果實(shí)與種子含油率高、培土以及涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)，在建筑用材和園林綠化等方面均具有重要作用[8]。目前有關(guān)香葉樹的研究多集中在種子休眠、油脂和群落特征等方面[9]，鮮有分析優(yōu)良家系選育的報(bào)道；同時(shí)香葉樹各家系間生長性狀間的差異性和遺傳變異機(jī)制揭示不足均限制了其目標(biāo)家系的選擇以及育種造林的推進(jìn)。鑒于此，選取3 年生香葉樹優(yōu)樹自由授粉家系測定林為材料，分析其生長性狀的遺傳變異程度與性狀間的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合主成分分析法和聚類分析法綜合選取具有代表性的優(yōu)良家系，以期為香葉樹的優(yōu)質(zhì)家系選育、生產(chǎn)實(shí)踐以及后期推廣示范提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于福建省順昌埔上國有林場（117°43′56″E，26°57′37″N）。林場境內(nèi)山地多屬武夷山脈的低山丘陵地帶，平均海撥300～700 m，年平均氣溫為18.6 ℃，最高氣溫40.3 ℃，最低氣溫零下6.8 ℃，年平均降水量1300～2100 mm，日照時(shí)數(shù)1526 h，無霜期可達(dá)305 天，屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，林地多為山地紅壤，土層深厚，土壤肥沃、濕潤，適合香葉樹栽培生長。供試苗木材料均來自于福建省林科院，共29個(gè)家系。2019 年春，選取29 個(gè)家系的香葉樹輕基質(zhì)容器苗，采用完全隨機(jī)分組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)，10 株單列小區(qū)，共870 株，株行距為2.0～3.0 m，各區(qū)組的周界種植1～2 列杉木作為隔離行，造林前每穴施復(fù)合肥0.1 kg，及時(shí)加強(qiáng)幼撫、早期除萌和修枝，按一般生產(chǎn)經(jīng)營進(jìn)行幼林撫育。

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)查與處理

2022 年3 月16 日進(jìn)行全林調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包含各家系保存率 (preservation rate，PR)、地徑（ground path，GP）、胸徑(diameter at breast height，D) 和樹高(height，H)。單株材積(volume，V)參照施恭明[10]的方法計(jì)算：

式中：V 為單株材積(m3)，D 為胸徑(cm)，H 為樹高(m)。

采用Excel 2020 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用R 語言程序包“Halfsib MS”計(jì)算遺傳力和變異系數(shù)。

式中：σf 為家系遺傳標(biāo)準(zhǔn)差，σP 為表型標(biāo)準(zhǔn)差且σp=σf+σe（σe 為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)差），X 為群體平均值。

使用SPSS 25.0 進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析以及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香葉樹不同家系間生長指標(biāo)比較

由表1 可知，各家系地徑、樹高、胸徑、單株材積和保存率的分布范圍分別為：1.02～7.25 cm、1.50～4.39 m、0.2～4.3 cm、0.000004～0.004168 m3和10 %～100 %。平均地徑生長較高的前5 個(gè)家系依次為2 號、1 號、4號、5 號和3 號，其值處于3.72～5.45 cm 間，均比總體平均地徑（2.38 cm）增加56.30%以上，其中2 號（5.45 cm）增加1.2 倍以上，顯著大于其余家系；平均樹高生長較高的前5 個(gè)家系依次為2 號、1 號、27 號、5 號和3 號，其值處于3.21～3.80 cm 間，均比整體平均樹高（2.12 m）增加51.42%以上；平均胸徑生長較好的前5 個(gè)家系依次為2 號、5 號、4 號、27 號和1 號，其值處于2.70～3.35 cm 間，其中2 號家系平均胸徑顯著大于其余各家系，比總體平均胸徑（1.29 cm）增加1.5 倍以上；平均材積較高的前5 個(gè)家系依次為2 號、27 號、5 號、4號和1 號，其值處于0.001391～0.002431 m3間，均比平均材積（0.0004445 m3）增加2 倍以上，其中2 號家系比平均材積增加4 倍以上；保存率為100 %的家系有4 個(gè)，分別為6 號、4 號、2 號和1 號，除22 號和13號（53.33%）保存率小于60 %外，剩余家系保存率維持在60%～96.67%之間，無顯著差異。

表1 香葉樹各家系生長性狀指標(biāo)Tab.1 Growth traits of each family of L.communis

對香葉樹29 個(gè)家系指標(biāo)進(jìn)行方差分析（表2），各家系生長指標(biāo)在家系間均達(dá)到極顯著水平，而區(qū)組間僅地徑和單株材積達(dá)到極顯著水平，說明相較于區(qū)組，香葉樹4 個(gè)指標(biāo)在家系間存在更廣泛變異，即各家系生長方差來源主要以家系為主。同時(shí)各家系生長性狀指標(biāo)變異系數(shù)均在40%以上，其中單株材積變異系數(shù)最高，為85.53%，其次為胸徑，75.02%。地徑和樹高兩者變異系數(shù)接近，分別為48.74%和43.37%。這表明香葉樹各形態(tài)指標(biāo)存在豐富變異，表型分化明顯，改良潛力大，為優(yōu)良家系的選擇奠定基礎(chǔ)。

表2 家系間各指標(biāo)方差分析F 值與變異系數(shù)Tab.2 Family variance analysis F value,coefficient of variation,and indicators

2.2 香葉樹不同家系生長指標(biāo)遺傳參數(shù)

遺傳參數(shù)可反映家系各生長性狀的總體遺傳特征，對其進(jìn)行估算有助于育種方法的確定以及后續(xù)制定相匹配的選育策略（表3）。由表3 可知，各性狀遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)均表現(xiàn)為：單株材積＞胸徑＞地徑＞樹高，遺傳變異系數(shù)范圍為0.37～1.39，表型變異系數(shù)范圍為0.62～2.34，兩種變異系數(shù)均在0.3 以上，表明香葉樹各家系整體遺傳和表型變異豐富，具有優(yōu)秀的選育基礎(chǔ)，可為后續(xù)家系選育提供理論依據(jù)。遺傳力方面，各性狀家系遺傳力大小表現(xiàn)為：胸徑=樹高＞地徑＞單株材積，其遺傳力值均處以0.9 以上，屬于高度遺傳范圍，說明香葉樹各生長性狀受遺傳因素影響較大，優(yōu)良性狀均可隨著選育家系穩(wěn)定遺傳下去。

表3 香葉樹各家系遺傳參數(shù)估算Tab.3 The estimation of genetic parameters in L.communis

2.4 香葉樹不同家系間生長指標(biāo)主成分分析與選擇

對香葉樹29 個(gè)家系各生長指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，由表5 可知第1 成分特征值為4.305，貢獻(xiàn)率達(dá)86.099%，第2 成分特征值為0.488，貢獻(xiàn)率為9.758%，兩主成分累積貢獻(xiàn)率高達(dá)95.857%，涵蓋香葉樹5 個(gè)生長指標(biāo)的絕大多數(shù)信息，可作為評價(jià)不同家系香葉樹的指標(biāo)。第1 主成分權(quán)重占比較高的為：地徑、樹高、胸徑、材積和保存率，可體現(xiàn)樹木的整體生長狀況，而第2 主成分保存率的權(quán)重相對較高，側(cè)重反映樹木的存活狀況。

表5 香葉樹各家系生長性狀指標(biāo)主成分分析Tab.5 Principal component analysis of growth traits of each family of L.communis

依據(jù)主成分分析，對不同家系各成分貢獻(xiàn)率進(jìn)行得分排序（表6）。X1、X2、X3、X4和X5分別表示標(biāo)準(zhǔn)化后的地徑、樹高、胸徑、材積和保存率值。第1 主成分F1得分表達(dá)式為：F1=0.458X1＋0.462X2＋0.472X3＋0.462X4＋0.374X5；第2 主成分F2得分表達(dá)式為：F2=0.033X2－0.246X1－0.175X3－0.333X4＋0.891X5；綜合得分F 表達(dá)式為：F=0.861F1＋0.098F2。按第1 主成分得分對18 個(gè)家系進(jìn)行排序，得分為正數(shù)的有7 個(gè)，分別為：2號、1 號、4 號、5 號、27 號、6 號，其分值均處于2.49 分以上；按第2 主成分得分進(jìn)行排序，得分為正數(shù)的有15 個(gè)，前6 名分別為：21 號、24 號、26 號、7 號、20 號和15 號，其分值均處于0.35 分以上；綜合得分大于0的有8 個(gè)，排前6 名的分別為：2 號、1 號、4 號、5 號、6號和27 號。

表6 香葉樹各家系主成分得分及排名Tab.6 The scores and rankings of principal components of each family of L.communis

2.5 香葉樹家系間生長指標(biāo)聚類分析與選擇

依據(jù)香葉樹不同生長指標(biāo)的綜合表現(xiàn)，采用組間歐式距離對29 個(gè)家系進(jìn)行聚類分析（圖1）。以歐氏距離10 為閾值，將香葉樹29 個(gè)家系分成3 類：第1 類僅有22 號家系，性狀表現(xiàn)最差，各主成分得分均為最低；第2 類包含7 種家系，分別為1 號、2 號、3 號、4號、5 號、6 號和27 號家系；第3 類為剩余的21 個(gè)家系，性狀表現(xiàn)中等，除20 號家系主成分綜合得分略大于0 外，其余家系得分均為負(fù)數(shù)。

圖1 香葉樹29 個(gè)各家系聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 29 provenances of L.communis

2.6 香葉樹家系早期選擇

以各家系具體生長指標(biāo)數(shù)值為基礎(chǔ)上，利用主成分分析和聚類分析結(jié)果，對各家系進(jìn)行綜合評價(jià)，采用20%的優(yōu)良家系入選率[3]開展福建香葉樹早期優(yōu)良家系選擇，選取2 號、1 號、5 號、4 號、27 號和6 號為最優(yōu)家系。其中，入選家系地徑均值為4.19 cm，樹高均值為3.35 m、胸徑均值為2.85 cm、單株材積均值為0.001568 m3和保存率均值為96.11%，比群體平均值分別增加了76.20%、58.32%、118.53%、252.55%和23.69%。

3 討論

3.1 香葉樹各家系生長量與保存率分析

對香葉樹各自由授粉家系篩選評價(jià)旨在推廣示范及提升當(dāng)?shù)亓址志珳?zhǔn)質(zhì)量，而生長量與保存率受自身遺傳特性以及外界環(huán)境的影響，能較大程度反映對當(dāng)?shù)氐倪m應(yīng)情況，表達(dá)各家系整體生長狀況[11]。本研究主要對象為3 年生香葉樹，生長期早，平均生長量相對較低，但總體保存率高達(dá)77.7%，其中部分家系保存率達(dá)到100%，且相應(yīng)生長量顯著大于平均生長量，通過綜合選育可獲得適合福建本土的優(yōu)良特色香葉樹家系。29 個(gè)家系中保存率最高的有1 號、2 號等家系（100%），保存率最低的為22 號家系（23.33%），不同家系保存率相差較大可能原因?yàn)椋焊骷蚁悼癸L(fēng)、抗寒能力參差不齊；初期采種時(shí)種子成熟度存在差異[3]；受外界環(huán)境影響，如白蟻的局部侵蝕，確鑿原因有待后續(xù)進(jìn)一步探究。

3.2 香葉樹各家系生長性狀差異性與遺傳力分析

遺傳與變異是林木遺傳改良與選擇的關(guān)鍵因素，其潛力取決于遺傳變異的發(fā)掘與利用[12]。相關(guān)研究表明[13]，具有類似遺傳特性樹種的遺傳變異不僅存在于林分、種間及種內(nèi)，且由于環(huán)境和栽培措施的差異性，各種因素間存在一定的交互作用。表型為本身遺傳特性以及外界環(huán)境因素共同影響所形成，苑海靜[1]對麻櫟優(yōu)樹家系研究發(fā)現(xiàn)，地上單株生物量存在家系與區(qū)組間顯著互作效應(yīng)，且區(qū)組效應(yīng)為主要因素。本研究表明，香葉樹各家系地徑、胸徑、樹高和材積在家系、區(qū)組×家系均表現(xiàn)為極顯著差異，且家系效應(yīng)遠(yuǎn)大于區(qū)組與區(qū)組×家系互作效應(yīng)，與王云鵬[15]對10 年生木荷（Schima superba）家系木材基本密度受家系效應(yīng)影響最大結(jié)果相同，表明各家系生長性狀同時(shí)受到自身遺傳特征以及環(huán)境影響，但主要由遺傳基因型控制，選擇潛力大，具有豐富的家系變異基礎(chǔ)，有利于優(yōu)良家系的綜合選育。

遺傳參數(shù)估算是林木選育的必要途徑，可反映物種的遺傳多樣性，而性狀遺傳力是關(guān)鍵遺傳參數(shù)之一，體現(xiàn)基因型的優(yōu)劣程度。王云鵬[6]研究發(fā)現(xiàn)10 年生木荷胸徑和樹高均受到中度以上的家系控制；肖德卿[16]研究表明栽培模式可改變木荷家系遺傳特性。本研究發(fā)現(xiàn)香葉樹地徑、樹高、胸徑和材積的家系遺傳力均處于0.9 以上，屬于強(qiáng)遺傳控制，與彭洋[17]對棕櫚[Trachycarpus fortunei(Hook.)H.Wendl.]半同胞家系評價(jià)結(jié)果相似，表明香葉樹各生長性狀主要受家系遺傳特性控制，家系親本遺傳資源豐富。變異系數(shù)可衡量群體的分散程度，控制選擇范圍，是決定生長指標(biāo)遺傳潛力的重要指標(biāo)。方差分析顯示香葉樹各性狀變異系數(shù)處于43%以上，其中材積變異系數(shù)高達(dá)85.53%，表明香葉樹各性狀分化明顯，材積較其余性狀變異相對豐富。遺傳參數(shù)估算結(jié)果顯示，各性狀表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)，表明由于外部環(huán)境的影響，香葉樹自身遺傳性狀特征會小于所對應(yīng)的表型性狀。材積的遺傳和表型變異系數(shù)均大于胸徑、地徑和樹高，與歐陽天林[18]對木荷種子園的結(jié)果相似，這表明在香葉樹各生長性狀中，材積的選擇空間及潛力最大。其原因可能是林木對同質(zhì)資源的競爭規(guī)律，即優(yōu)勢林木在早期生長時(shí)為了爭奪光質(zhì)資源與生存空間，優(yōu)先選擇樹高生長策略，而胸徑間存在差異性，從而由胸徑和樹高公式計(jì)算而來的材積差異性則更為顯著[19]。

3.3 香葉樹優(yōu)良家系早期綜合篩選與評價(jià)

主成分分析法是基于保存絕大多數(shù)優(yōu)良基因資源前提下，將多個(gè)相關(guān)性指標(biāo)壓縮轉(zhuǎn)換成少數(shù)個(gè)獨(dú)立主成分綜合指標(biāo)的多元分析方法，簡化了評價(jià)結(jié)構(gòu)流程，避免信息重疊和主觀性，使其結(jié)果更具科學(xué)合理性，廣泛應(yīng)用于各林木家系選育分析中[19]。本研究將地徑、樹高、胸徑、材積和保存率5 個(gè)生長性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換成2 個(gè)主成分，兩者累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)95.857%，可表述絕大多數(shù)指標(biāo)信息。通過各性狀指標(biāo)權(quán)重計(jì)算家系綜合得分，并按照20%的入選率篩選得分排序前6 的家系，其品質(zhì)綜合表現(xiàn)最佳，可為種質(zhì)選育提供實(shí)踐參考。

聚類分析方法對各家系進(jìn)行分析歸類，保證同類具有相似的遺傳信息表達(dá)，可客觀簡明闡述各家系整體優(yōu)劣性，梳理家系間親遠(yuǎn)度，利于親本選擇以及優(yōu)良種質(zhì)篩選[20]。聚類分析將香葉樹29 個(gè)家系劃分為3個(gè)類群，分別為最優(yōu)家系、中等家系以及最劣家系，與生長指標(biāo)及得分密切相關(guān)，為后續(xù)優(yōu)良家系選育奠定基礎(chǔ)。

分析林木表型生長性狀，探究遺傳變異特性與規(guī)律，明晰其變異特點(diǎn)與豐富度，對香葉樹優(yōu)良家系選擇和開發(fā)利用起到至關(guān)重要的作用。于志民[20]研究發(fā)現(xiàn)，在主成分分析基礎(chǔ)上采用聚類分析方法可使親本遺傳差異性增大，產(chǎn)生更為廣泛的變異，有利于篩選出適應(yīng)性較強(qiáng)的家系。本研究在具體生長性狀值和將多個(gè)指標(biāo)提煉成個(gè)數(shù)指標(biāo)的主成分分析法基礎(chǔ)上，以聚類分析進(jìn)行整體分析，按照20%入選率，選育出2號、1 號、5 號、4 號、27 號和6 號為最優(yōu)家系。這些家系可作為后續(xù)香葉樹優(yōu)良種質(zhì)選育和促進(jìn)林木生長的備選材料，其研究可為香葉樹優(yōu)樹自由授粉家系遺傳改良、種質(zhì)推廣、優(yōu)質(zhì)林分的營造，生態(tài)修復(fù)及景觀提升，發(fā)揮良好的示范帶動(dòng)作用。

4 結(jié)論

3 年生香葉樹優(yōu)樹29 個(gè)自由授粉家系間存在豐富的遺傳變異，具有較高的改良潛力，地徑、胸徑、樹高和單株材積在家系間呈極顯著差異，且遺傳力均處于0.9 以上，表現(xiàn)為強(qiáng)度遺傳控制。主成分分析選育出的2 號、1 號、5 號、4 號、27 號和6 號共6 個(gè)家系最優(yōu)家系，在聚類分析中屬于同一類，且得分均處于前列，各生長性狀顯著大于群體平均水平，可作為后續(xù)香葉樹優(yōu)良種質(zhì)選育和促進(jìn)鄉(xiāng)土林木生長的備選材料。