思茅松半同胞和全同胞子代測定林生長性狀遺傳分析與選擇

陳 偉，孫曉梅，董雷鳴，李 江，付 強

（1. 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所 林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091；2. 云南省林業(yè)和草原科學院，云南 昆明 650201；3. 國家植物園，北京 100093；4. 普洱市林業(yè)和草原種苗工作站，云南 普洱 665000）

遺傳測定是林木育種的核心?；诒硇托誀钸x出的優(yōu)樹或是通過交配設計獲得的子代，其遺傳品質的優(yōu)劣程度需要通過合理的試驗設計，經田間對比試驗和遺傳分析后才能進行評定[1]。遺傳測定對于遺傳參數(shù)的準確估計、遺傳增益的預測、選擇年齡的確定和改良策略的制定都具有重要的指導意義[1-2]。子代測定作為遺傳測定的主體部分，估算親本無性系和子代單株的育種值，用于后向選擇，可作為親本無性系留優(yōu)去劣的依據(jù)，用于前向選擇，在全同胞優(yōu)良家系中優(yōu)選個體為高世代遺傳改良提供育種材料[3]?；谇捌诹己玫倪z傳測定，我國許多重要造林樹種已完成了第1 代改良進入高世代育種階段，如杉木Cunninghamialanceolata已進入第三代遺傳改良階段[4-5]，馬尾松Pinusmassoniana[6-7]、日本落葉松Larixkaempferi[8]、油松Pinustabuliformis[9]等全面進入第二代改良，并開始創(chuàng)制第3 代種質[10]。

思茅松Pinuskesiyavar.langbianensis是我國特有的針葉樹種，主要分布于云南南部哀牢山以西的南亞熱帶山地，具有速生、適應性強、材質優(yōu)良和松脂產量高等特點，為云南林產工業(yè)的重要樹種。圍繞著產業(yè)需求，前期研究主要聚焦于育苗技術[11]、空間配置模式[12]、病蟲害防治[13]和施肥[14]等人工林培育技術的研究，同時在群落結構[15]、生物量模型[16]、碳匯計量[17]和土壤有機碳[18]等生態(tài)學研究方面也開展了大量的工作，但遺傳改良起步較晚，在前期優(yōu)樹選擇與資源收集工作的基礎上[19-20]，20 世紀90 年代建成了第一個思茅松無性系種子園，基于初級種子園開展了花期物候觀測[21]、花粉萌發(fā)與保存技術[22]、控制授粉[23]和子代測定[24]等基礎工作的探索，與其他主要針葉造林樹種相比差距較大，仍停滯于一代改良階段[25]，不能有效支撐思茅松下游產業(yè)的快速發(fā)展。與此同時，在思茅松一代改良材料廣泛應用的基礎上，積累了大量的表型數(shù)據(jù)。如何利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行科學分析，對前期遺傳改良的成效進行評估，從而更好地制定出針對思茅松樹種特性和現(xiàn)有基礎的長期育種策略，是當前思茅松遺傳改良工作中急需解決的科學問題。基于此，本研究對2000 年定植的思茅松半同胞子代測定林和2013 年定植的全同胞子代測定林數(shù)據(jù)進行分析，科學評估參試材料及其親本的遺傳特性，以便更好地服務于思茅松高世代遺傳改良。

1 材料與方法

1.1 試驗林概況

子測林1（半同胞子代測定林）：位于云南省普洱市景谷縣威遠鎮(zhèn)文郎村，地理坐標為（23°29′50″N，100°29′15″E），海拔1 550 m，屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，造林前植被類型為思茅松為主的針闊混交林。參試家系29 個，來源于普文思茅松無性系種子園，以當?shù)厣唐贩N子為對照，2000年3 月育苗，7 月造林，采用隨機完全區(qū)組設計，4 次重復，9 株方形小區(qū)，株行距3 m×3 m，試驗區(qū)的四周各設置1 行保護帶，定植穴規(guī)格40 cm×40 cm×40 cm，每株施150 g 復合肥作底肥，于定植當年9 月和11 月各除草1 次，以后每年除草2 次，連續(xù)撫育3 年。

子測林2（全同胞子代測定林）：位于云南省普洱市思茅區(qū)思茅鎮(zhèn)蓮花村，地理坐標為（22°54′11″N，100°54′53″E），海拔1 430 m，南亞熱帶季風氣候區(qū)，造林前植被類型為思茅松人工林。共12 個全同胞家系，為2×6 的測交系子代，父本和母本均源于普文思茅松無性系種子園，2014年3 月育苗，7 月造林，采用隨機完全區(qū)組設計，5 次重復，4 株方形小區(qū)，株行距2 m×3 m，試驗區(qū)的四周各設置一行保護帶，定植穴規(guī)格40 cm×40 cm×40 cm，撫育方式同上。

1.2 數(shù)據(jù)調查與分析方法

1.2.1 表型數(shù)據(jù)測定

子測林1 在林齡14 a 時、子測林2 在林齡6 a時進行生長性狀調查。樹高采用測高儀測量，胸徑采用胸徑尺測定，單株材積按原林業(yè)部頒布的標準公式[26]計算。

1.2.2 遺傳參數(shù)估計

采用線性隨機效應模型和限制性最大似然估計方法估算隨機效應中的方差分量[27]，半同胞子測林為模型（1），全同胞子測林為模型（2）。

式中，y為觀測值向量，μ為觀測性狀的均值，b為固定的區(qū)組效應，f為隨機的家系效應、fb為隨機的家系區(qū)組互作效應向量，a為隨機的加性遺傳效應，d為隨機的顯性效應，e為隨機殘差，X、Z1、Z2、Z3、Z4分別為對應效應的關聯(lián)矩陣。

利用似然比檢驗各方差組分的統(tǒng)計顯著性，利用泰勒級數(shù)展開法計算遺傳參數(shù)的標準誤[27]。

遺傳變異系數(shù)（CVG）和表型變異系數(shù)（CVp）分別按公式（3）～（4）計算：

式中，σg2σ2p、分別為遺傳方差、表型方差、總體均值，其數(shù)值依據(jù)公式（1）～（2）由計算機通過R 軟件求出。

半同胞子測林單株遺傳力（hi2）和家系遺傳力（h2f）分別按公式（5）～（6）計算：

式中，σ2f、σ2fb、σe2分別為家系方差，家系與區(qū)組互作效應方差和殘差方差，其數(shù)值依據(jù)公式（1）（2）由計算機通過R 軟件求出，n為小區(qū)株數(shù)，b為區(qū)組數(shù)。

全同胞子測林狹義單株遺傳力（hi2）、廣義單株遺傳力（Hi2）和廣義家系遺傳力（H2f）參照文獻[28]分別按公式（7）～（9）計算：

式中，σd2=4σs2，σa2、σd2、σs2、σb2、σe2分別為加性方差、顯性方差、特殊配合力方差、區(qū)組方差和殘差方差，其數(shù)值依據(jù)公式（1）～（2）由計算機通過R 軟件求出，n為小區(qū)株數(shù)，b為區(qū)組數(shù)。

表型相關系數(shù)（rp），遺傳相關系（rg）數(shù)按公式（10）～（11）計算：

σg(xy)、σp(xy)分別為性狀x和性狀y的遺傳和表型協(xié)方差，分別為性狀x和y的遺傳方差和表型方差，其數(shù)值依據(jù)公式（1）～（2）由計算機R 軟件求出。

采用BLUP 法計算不同組合一般配合力和特殊配合力并估算育種值，基于育種值和遺傳值（育種值+特殊配合力）計算目標性狀的遺傳增益[29-30]。

1.2.3 優(yōu)質遺傳材料的選擇

以材積性狀開展后向選擇，基于育種值在控制家系入選率和遺傳增益的條件下開展優(yōu)良家系的選擇；通過混合方程組法（MME）求解獲得參試半同胞家系子代個體的育種值，參照家系和單株配合選擇二代優(yōu)樹的方法[31]前向選擇二代優(yōu)樹。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

除子測林1 的19 號家系保存率僅30.6%未參與計算外，其余家系保存率均大于60%。采用Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)的錄入和轉換，方差分析、遺傳參數(shù)和育種值的估算采用R 軟件和ASReml-R包進行分析[32]。

2 結果與分析

2.1 生長性狀的變異性分析

對子測林參試家系的生長性狀進行統(tǒng)計（表1）。14 年生半同胞家系樹高、胸徑和材積的平均值分別為15.66 m、23.12 cm 和0.349 3 m3，材積的表型變異系數(shù)最大，達42.9%，胸徑次之，樹高相對較小，也超過10%。各性狀遺傳變異系數(shù)為8.95%～24.00%，材積的遺傳變異最大，是胸徑遺傳變異系數(shù)的2.61 倍、樹高遺傳變異系數(shù)的2.68倍，具有較大的選擇潛力。6 年生全同胞家系樹高、胸徑和材積均具有豐富的表型變異，變幅分別為3.20 ～7.00 m、3.50 ～12.60 cm 和0.001 8 ～0.047 3 m3，但遺傳變異相對較小，材積遺傳變異系數(shù)最大也僅達3.45%。

2.2 生長性狀的遺傳參數(shù)估算

利用限制性最大似然估計方法對2 個子測林生長性狀的方差分量進行估算（表2 ～3）。14年生半同胞子代測定林樹高、胸徑和材積的家系遺傳力分別為0.680、0.691 和0.748，受較強的遺傳控制；樹高性狀的單株遺傳力為0.656，屬于高遺傳力，其家系方差組分占表型方差組分的比例相對較高，胸徑和材積性狀的單株遺傳力分別為0.234 和0.321，屬于中等遺傳力，胸徑性狀中家系×區(qū)組的方差組分占表型方差組分的比例相對較小，說明家系和區(qū)組互作效應對胸徑生長性狀的差異影響較小。

表2 半同胞家系生長性狀遺傳參數(shù)估算?Table 2 Estimation of genetic parameters of growth traits in half-sib families

6 年生全同胞子代測定林生長性狀的方差組分見表3。3 個性狀的狹義單株遺傳力均小于0.01，表明其受加性效應的控制較弱。樹高、胸徑和材積3 個性狀的廣義單株遺傳力分別為0.233、0.247和0.191，廣義家系遺傳力分別為0.245、0.256 和0.204，表明3 個性狀的表型變異不僅受環(huán)境影響，還受中等程度的顯性效應影響，不同交配組合的特殊配合力在表型變異方面具有一定程度的貢獻。

表3 全同胞家系生長性狀遺傳參數(shù)估算Table 3 Estimation of genetic parameters of growth traits in full-sib families

基于生長性狀的加性遺傳方差、兩兩性狀的協(xié)方差和誤差方差計算出了樹高、胸徑和材積性狀間的遺傳相關和表型相關關系（表4）。無論是半同胞子測林還是全同胞子測林，3 個性狀間均存在極顯著的遺傳和表型的正相關關系（P＜0.01），以材積與胸徑間遺傳相關系數(shù)最大，表型相關系數(shù)均低于對應的遺傳相關系數(shù)。

表4 不同生長性狀相關分析?Table 4 Correlation analysis of different growth traits

2.3 優(yōu)良遺傳材料的選擇

14 年生半同胞子測林各參試家系材積性狀均值、變異系數(shù)和育種值估算見表5，參試半同胞家系子代個體的育種值見表6。14 年生家系間單株材積均值的變幅為0.192 4 ～0.422 0 m3，變異系數(shù)在26.78%～55.19%，家系間和家系內部均具有較大的變異，其中有25 個家系的材積均值超過對照（0.285 2 m3）。

表5 半同胞家系材積變異與育種值估計Table 5 Volume variation and breeding value estimation of half-sib families

表6 部分半同胞家系子代個體材積育種值相對排名Table 6 Relative ranking of individual volume breeding value of partial half-sib families

在半同胞子測林中以材積性狀開展優(yōu)良家系的后向選擇，以材積育種值為指標，對參試家系的育種值進行排序，按入選家系總遺傳增益不低于10%且入選率不高于20%的原則，選出6 個優(yōu)良家系，分別為12、13、18、24、6 和4 號，6 個入選家系的材積較對照提高37.9%～48.0%，材積均值為0.403 7 m3，材積遺傳增益達11.47%。根據(jù)參試半同胞家系子代個體材積育種值相對排名進行優(yōu)良單株的前向選擇，按參試子代個體數(shù)量的5%的入選率，共選出植株編號為3098、3049 等52 株優(yōu)良單株，入選的優(yōu)良單株分屬于15 個家系，其中6 個入選優(yōu)良家系子代的比例為78%，入選優(yōu)良單株材積均值為0.684 1 m3，材積遺傳增益達30.64%。鑒于全同胞子測林3 個生長性狀具有豐富的表型變異、加性遺傳效應低而顯性遺傳效應中等的現(xiàn)狀，以材積為選擇目標，以遺傳值為選擇指標，開展最優(yōu)交配組合的選擇。按20%的比例進行最優(yōu)交配組合的選擇，選出P016-P019、P020-P008 等2 個最優(yōu)組合，2 個組合材積均值為0.023 2 m3，其材積遺傳增益為15.53%（表7）。

表7 子測林不同選擇的遺傳增益Table 7 Genetic gain of different selection in progeny test forest

3 討論與結論

3.1 討 論

遺傳力反映了遺傳變量占表型變量的比率[1]，表征性狀受遺傳效應控制的強弱[33]。不同物種不同性狀受遺傳控制的強度不一致，如日本落葉松樹高主要受顯性效應控制，胸徑和材積主要受加性效應控制，材性的化學性狀除了受加性效應控制外，也受顯性效應控制[34]。遺傳力因特定群體、特定時間、特定環(huán)境而變化[1]，也與性狀的變異特性、試驗設計、計算方法等有關系[33]。本研究中，14 年生思茅松半同胞子測林的樹高、胸徑和材積家系遺傳力受高等強度的遺傳控制，單株遺傳力也屬于中等以上遺傳控制。因試驗地點、試驗設計、測定年齡以及計算方法的不同，本次估算的遺傳力與趙文書等[24]估算的遺傳力存在差異。6 年生全同胞子代測定林3 個生長性狀的狹義遺傳力較低，可能與分析數(shù)據(jù)為單地點單次測定值有關，其遺傳力是否也會隨著林齡的增長而變化，有待進行連續(xù)觀測。顯性效應只有當特定基因組合在一起時才能表現(xiàn)出來[1]，在火炬松和輻射松的遺傳改良過程中就發(fā)現(xiàn)某些生長性狀受顯性效應（特殊配合力）控制較為突出[35-36]。本研究中，6年生全同胞家系子代測定林狹義單株遺傳力較低，但中等強度的廣義遺傳力反映了參試材料受較大程度的顯性效應影響，說明特殊配合力在全同胞測定林生長性狀的變異中發(fā)揮著重要作用。特殊配合力一般通過兩種方式進行利用，一是通過無性繁殖利用，二是通過建立特殊組合的雜交種子園進行利用[1]。通過遺傳值選出的2 個優(yōu)良組合可通過成熟的思茅松扦插繁殖技術充分利用特殊配合力效應，最大化地獲得遺傳增益服務于生產需求。

半同胞家系是自由授粉產生的子代，因其具有易得、成本低、可估算遺傳參數(shù)的特點，其測定林在林木遺傳改良早期階段發(fā)揮著重要的作用，但由于父本未知，能估算的遺傳參數(shù)有限。全同胞家系是完全譜系設計的子代，因其父本和母本清楚，在遺傳分析時能得到更多的遺傳信息，不僅能估算特殊配合力、父本一般配合力等半同胞子測林無法估算的遺傳參數(shù)，而且預估的精度也更高。本研究中，思茅松半同胞子代測定林估算出的遺傳力較全同胞子代測定林高，除測定年齡、地點等因素外，全同胞家系中區(qū)組方差組分在方差組分中的比例相對較大，而半同胞家系受計算模型的限制，其區(qū)組方差組分被忽略，計算遺傳力時加性效應中可能包含了非加性效應等，導致估算的遺傳力偏高。因此，對于半同胞子代測定林可以通過系譜重建的方式，獲得完整的系譜信息，以獲得更為豐富的遺傳信息、更為準確的遺傳參數(shù)和育種值，更有助于提高半同胞子代測定效率[34]。

基于育種值的選擇以基因型代替表型值進行性狀的選擇，能夠極大地提高選擇的效率和精度[37]。林木遺傳育種有別于作物育種，周期長，測定林參試材料的保存率差異大，存在試驗數(shù)據(jù)的不平衡現(xiàn)象，適宜的遺傳評價和選擇方法顯得尤為重要。育種值估算的方法有很多，在林木育種的實踐中，對于有親緣關系或具有不同遺傳固定效應的候選材料，BLUP 法更為適用，尤其在群體規(guī)模大，群體結構復雜，觀測數(shù)據(jù)不平衡的情況下，仍可獲得較為準確的估計育種值，并在林木遺傳改良中得到廣泛應用[37]。半同胞子代測定林基于親本育種值的后向選擇，可以指導種子園去劣疏伐和1.5 代種子園建園材料的選擇[3]，也可以為創(chuàng)制二代思茅松育種材料的選擇親本和交配設計提供依據(jù)?；趥€體育種值的前向選擇可提高遺傳改良的選擇效率[37-38]。在半同胞測定林中，研究基于個體的育種值進行優(yōu)良單株選擇顯示出了較高的選擇效率，本研究采用家系和單株配合選擇方法選出的優(yōu)良單株78%的比例來源于選出的優(yōu)良家系，22%的比例來源于其他家系，在保證優(yōu)良家系優(yōu)良單株入選的情況下，又最大限度地選擇了子代育種值相對較好的非入選優(yōu)良家系的優(yōu)良單株，兼顧遺傳增益最大化及入選群體的遺傳多樣性水平。此外，本研究未對入選的優(yōu)良家系的優(yōu)良單株進行株數(shù)限制，基于兩方面的原因，一方面配合選擇時，性狀遺傳力高時，應給予個體較高的權重[1]，可以適當擴大選擇的數(shù)量；另一方面，思茅松遺傳改良基礎薄弱，基礎的遺傳材料相對較少，適當擴大優(yōu)良家系優(yōu)良單株入選數(shù)量，可以增加思茅松育種材料的選擇面，符合思茅松遺傳改良的現(xiàn)狀，而且隨著分子生物學技術的發(fā)展，可以應用系譜重建技術控制新入選子代間的親緣關系，為科學的育種策略的制定提供理論依據(jù)[34]。

在研究結果的應用上，半同胞子代測定林中選出的優(yōu)良單株可入選思茅松二代育種群體，用作下一輪遺傳改良的材料，但在思茅松系譜重建技術成熟以前，鑒于半同胞子代譜系不清，按照傳統(tǒng)的遺傳改良策略，思茅松二代育種群體中仍然應以譜系清楚的全同胞子代中的優(yōu)良單株為主，半同胞子代優(yōu)良單株的數(shù)量應有所控制。本研究雖然開展了全同胞子代測定，但受限于交配設計簡單，雜交組合數(shù)量少，且測定結果生長性狀的非加性效應較大等因素的影響，在全同胞子測林中未能選出適宜進入下一輪遺傳改良的材料，其應用上有一定的局限性。下一步將加大全同胞子代種質的創(chuàng)制工作，通過構建思茅松一代核心育種群體，基于科學的交配設計在核心育種群體間開展一定規(guī)模的控制授粉工作，創(chuàng)制出一大批全同胞子代，經過子代測定前向篩選出符合要求的遺傳材料，更好地服務于思茅松高世代遺傳改良工作。同時，為了高效利用雜交組合的特殊配合力，可以在思茅松優(yōu)質種質資源的無性系化利用方向開展新的攻關，可借鑒相近物種馬尾松成熟胚高質量芽誘導的組培快繁植株再生體系的方法[39]開展思茅松組培技術研究，高效利用優(yōu)質的思茅松種質資源。

3.2 結 論

思茅松子測林材積性狀的表型和遺傳變異系數(shù)相對較高，適宜作為遺傳選擇的主要生長性狀，14 年生思茅松半同胞家系子代測定林，樹高、胸徑和材積3 個生長性狀受中等以上的遺傳控制，基于材積育種值，后向選擇出的優(yōu)良家系和前向選擇出的優(yōu)良單株均具有較好的遺傳增益。6 年生思茅松全同胞子代測定林，樹高、胸徑和材積3個生長性狀受中等程度的顯性效應影響，可利用遺傳值選出優(yōu)良交配組合，通過無性系化利用可獲得最大化的遺傳增益?；谧訙y林的遺傳分析，可為思茅松的持續(xù)遺傳改良選出較好的遺傳材料。