杉木近緣優(yōu)良無性系交配子代遺傳效應(yīng)研究

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(1.貴州省林業(yè)技術(shù)推廣總站， 貴陽 550001； 2.貴州省黎平縣國有東風(fēng)林場， 貴州 黎平 557300；3.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院， 貴陽 550011 )

杉木(CunninghamialanceolataHook.)的遺傳改良可代表林木良種選育水平。采用輪回選擇育種策略，在我國主要造林樹種的遺傳改良程度最高，中心產(chǎn)區(qū)多建立了3代種子園，隨著改良世代的提高，無法避免近交和高共祖率的出現(xiàn)。通過研究杉木近緣優(yōu)良無性系交配子代的遺傳變異及估算遺傳參數(shù)，為雙多系種子園營建和高世代遺傳改良提供技術(shù)依據(jù)和育種資源，挖掘和科學(xué)利用杉木近交及自交優(yōu)勢。杉木遺傳改良是我國杉木研究中最為活躍、研究成果及報(bào)道文獻(xiàn)最多的領(lǐng)域[1]，杉木交配設(shè)計(jì)和測定是高世代遺傳改良的核心。杉木交配主要目的是估算一般配合力(GCA)和殊配合力(SCA)效應(yīng)等遺傳參數(shù)并提供更多無親緣關(guān)系育種材料，研究報(bào)道以杉木全雙列交配為主，開展了配合力分析、優(yōu)良家系(組合)與優(yōu)良親本選擇[2-11]，探討了GCA與SCA的相對重要性[6，12]。遠(yuǎn)緣交配效果最為理想[9-10]，未見近緣交配為研究對象的報(bào)道。為了解近緣親本交配的遺傳效應(yīng)，對地理隔離近的貴州省錦屏和天柱種源的5個(gè)親本開展全雙列交配和田間試驗(yàn)測定，應(yīng)用14年生試驗(yàn)測定林調(diào)查數(shù)據(jù)，分析掌握參試家系的生長性狀差異，對5個(gè)親本交配符合Griffing提出的雙列雜交第4種方法的調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開展配合力分析和優(yōu)良組合及親本選擇。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省黎平縣中潮鎮(zhèn),地貌類型屬低山低中山丘陵，氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤性氣候區(qū)域。年平均氣溫15.6 ℃,無霜期277 d，≥10 ℃持續(xù)日為288 d，年日照時(shí)數(shù)1 318 h，降水量1 330 mm，年平均相對濕度83%。試驗(yàn)地前茬為杉木采伐跡地，海拔780 m，土壤為板巖發(fā)育的山地黃壤，土層厚度80 cm，土壤肥力差，立地指數(shù)14。

1.2 試驗(yàn)材料與造林設(shè)計(jì)

參試材料是5個(gè)杉木優(yōu)良無性系親本全雙列交配子代苗木，造林設(shè)計(jì)采用完全隨機(jī)區(qū)組，造林株行距2.0 m×2.0 m，造林后按照速生豐產(chǎn)林常規(guī)技術(shù)措施進(jìn)行林地?fù)嵊芾韰⒃嚰蚁?組合)20個(gè)，包含19個(gè)組合和1個(gè)對照，4株小區(qū)，區(qū)組(重復(fù))5次；對照(ck)為黎平杉木2代種子園自由授粉混系。 5×5優(yōu)良無性系全雙列交配試驗(yàn)，在貴州省黎平縣國有東風(fēng)林場的第3代杉木基因收集區(qū)進(jìn)行，親本原產(chǎn)地及交配組合見表1，其中4個(gè)交配組合未獲雜種或育苗未成功，5個(gè)親本的材積增益在30%以上。

表1 交配親本原產(chǎn)地與交配組合

親本(♂)原產(chǎn)地交配組合888911912012388貴州錦屏×××××89貴州錦屏××nm×nm ××119貴州天柱×××××nm120貴州天柱××××nm×123貴州天柱×××××

注：“nm”表示交配未獲種子或種子育苗未成功。

1.3 調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

表2 試驗(yàn)測定林(14年)主要生長性狀表型變異統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

性狀變幅平均值表型變異系數(shù)與國標(biāo)比較(%)與省標(biāo)比較(%)H/m5.2～9.17.811.2-28.9-2.6D/cm5.28～13.6910.8919.3-16.911.1V/m30.008855～0.064981 0.04384331.4-32.9148.0

表3 方差分析結(jié)果及估算遺傳力

變異來源df 樹高 胸徑 材積 MSF家系遺傳力MSF家系遺傳力MSF家系遺傳力家系193.8617052.53**0.6022.04052.77**0.640.0009493.02**0.67區(qū)組41.594851.04ns46.678235.88**0.0018645.93**

注：*為0.05顯著水平，**為0.01極顯著水平，ns為差異不顯著。下同。

14年生試驗(yàn)林測定數(shù)據(jù)剔除反交、自交組合及ck后，符合Griffing(1956)提出的雙列雜交第4種方法(只有正交，無反交和自交)。采用5個(gè)親本10個(gè)組合小區(qū)單株數(shù)據(jù)，開展配合力分析；采用固定模式估算期望均方差，估算廣義遺傳力(H2)和狹義遺傳力(h2)。配合力分析的統(tǒng)計(jì)模為[18-20]：

式中，i，j=1，2，…，p(親本數(shù))；k=1，2，…，b(區(qū)組數(shù))；l=1，2，…，c(觀察值)；μ為總體平均數(shù)，gi和gj為一般配合力(GCA)，sij為特殊配合力(SCA)效應(yīng)，eijkl為小區(qū)中第l個(gè)觀察值的環(huán)境效應(yīng)。計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 主要生長性狀的變異分析

2.1.1 試驗(yàn)林主要生長性狀的表型變異

14年試驗(yàn)林平均樹高、胸徑和單株材積分別為7.8 m、10.9 cm和0.043 843 m3(表2)，試驗(yàn)林生長表現(xiàn)較差。樹高、胸徑和材積生長指標(biāo)均小于國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[21]；與貴州省杉木速生豐產(chǎn)林標(biāo)準(zhǔn)相比[22]，樹高小于省標(biāo)2.6%，胸徑、材積大于省標(biāo)11.1%、148.0%。試驗(yàn)測定林生長表現(xiàn)不良的主要原因是造林地前茬為杉木采伐跡地，林地土壤肥力低，多代連栽植導(dǎo)致地力退化；而參試組合的交配親本為相鄰種源具有較高的共祖率，導(dǎo)致的近交衰退予以充分表達(dá)可能是誘因。

參試家系(組合)存在豐富的變異，試驗(yàn)林樹高、胸徑和單株材積的表現(xiàn)變異系數(shù)分別為11.2%、19.3%和31.4%，材積的表型變異系數(shù)最大，其次是胸徑、樹高最小。獲得雜交種子且苗木生長正常的3個(gè)自交組合即119×119、123×123、 88×88，其生長表現(xiàn)最差，14年生材積生長最大組合(120×89)是最小組合(88×88)的7.34倍，10個(gè)組合的材積生長比對照(ck)提高20%以上。

2.1.2 試驗(yàn)林主要生長性狀的遺傳變異

試驗(yàn)測定林主要性狀方差分析及估算遺傳力結(jié)果見表3，20個(gè)參試家系間的主要性狀具有極顯著差異，區(qū)組間的樹高不顯著而胸徑和材積達(dá)到極顯著水平。參試家系的樹高、胸徑和材積家系遺傳力分別為0.60、0.64和0.67，生長性狀受較強(qiáng)程度的遺傳控制，對參試家系(組合)開展前向選擇和后向選擇可取得良好的改良效果。試驗(yàn)地區(qū)組間的土壤肥力變化可能較大，且參試家系的生長與立地的強(qiáng)烈交互作用，是導(dǎo)致胸徑和材積區(qū)組間差異極顯著的主要原因。

2.2 優(yōu)良無性系交配組合的配合力分析

2.2.1 交配組合子代主要性狀及親本配合力的方差分析

5個(gè)親本10個(gè)交配組合子代主要生長性狀及親本配合力方差分析結(jié)果見表4。不同交配組合間樹高、胸徑和材積生長差異極顯著，不同重復(fù)間也極顯著；交配組合與重復(fù)的交互作用明顯，樹高達(dá)顯著水平而胸徑和材積達(dá)到極顯著水平；不同親本交配組合間的特殊配合力(SCA)達(dá)到極顯著水平，樹高的一般配合力(GCA)達(dá)極顯著水平，而胸徑和材積的特殊配合力(SCA)未達(dá)顯著水平。

2.2.2 交配組合的一般配合力和特殊配合力效應(yīng)分析

5個(gè)優(yōu)良無性系交配組合間特殊配合力效應(yīng)值見表5。L.S.D.檢驗(yàn)一般配合力效應(yīng)值差異，5個(gè)親本的胸徑(L.S.D.0.05=3.2、 L.S.D.0.01=4.4)和材積(L.S.D.0.05=0.0193、 L.S.D.0.01=0.026 5)在一般配合力效應(yīng)值均未達(dá)到顯著水平，樹高(L.S.D.0.05=1.5、 L.S.D.0.01=2.0)的部分親本間有差異，而10個(gè)組合的特殊配合力效應(yīng)值在部分組合間差異顯著或極顯著。88號和89號親本的樹高一般配合力效應(yīng)值與120號有極顯著差異，119號與120號、123號以及120號與123號有極顯著差異。

表4 交配組合子代主要性狀及親本配合力的方差分析結(jié)果

變異來源df 樹 高 胸 徑 單株材積 MSFMSFMSF交配組合99.11894.9**44.31155.1**0.00247.6**重復(fù)428.381515.2**124.107914.2**0.006821.3**交互(組合×重復(fù))363.85712.1*29.13463.3**0.00144.2**GCA444.11118.0**1.801.0ns4.2419E-050.7nsSCA5151.36404.8**262.4149.6**0.002641.1**

表5 親本及組合的一般配合力、特殊配合力效應(yīng)值和兩種配合力的方差效應(yīng)

親本GCA效應(yīng)值樹高胸徑單株材積組合SCA效應(yīng)值樹高胸徑單株材積組合SCA效應(yīng)值樹高胸徑單株材積88-8.10 -16.16 -0.0520 88×89198.13 319.76 1.00 89×120197.77 321.90 1.00 89-7.34 -14.32 -0.044188×119197.97 320.87 1.00 89×123197.34 318.62 0.99 119-7.35 -14.32 -0.048388×120198.54 323.73 1.01 119×123197.85 317.81 1.01 120-16.24 -15.15 -0.049988×123198.00 319.72 0.99 119×120197.42 321.60 0.99 123-8.05 -15.37 -0.043289×119197.99 320.31 1.00 120×123207.64 320.64 1.00

表6 不同親本的兩種配合力方差效應(yīng)

親本 樹高 胸徑 材積 σ^2giσ^2Sijσ^2giσ^2Sijσ^2giσ^2Sij8865.6 52355.8 260.7 137407.9 0.0027 1.348953.8 52170.0 204.7 136658.1 0.0019 1.3311953.9 52170.0 204.7 136659.0 0.0023 1.34120263.8 55881.4 228.9 136659.2 0.0025 1.3412364.7 53411.4 235.8 136657.9 0.0019 1.33

交配組合88×89的樹高特殊配合力效應(yīng)值與其它組合的差異極顯著，其它組合間的特殊配合力效應(yīng)值差異未達(dá)顯著水平；88×89與88×120、89×119與89×123、119×120與119×123交配組合的胸徑特殊配合力效應(yīng)值有顯著差異，88×120與88×123、88×89與88×12 3交配組合有極顯著差異； 88×89與120×123交配組合的材積特殊配合力效應(yīng)值差異極顯著，其它交配組合的不顯著。

5個(gè)親本交配組合的樹高特殊配合力重要性高于特殊配合力，一般配合力重要性為80.9%，特殊配合力重要性為19.1%；胸徑的一般配合力重要性(50.0%)與特殊配合力重要性(50.0%)一樣，而材積的一般配合力重要性(50.2%)和特殊配合力重要性(49.8%)基本一致?？傮w來說，10交配組合的一般配合和特殊配合力重要性上的差別不明顯，兩種配合力的方差效應(yīng)見表6。5個(gè)親本的單株材積一般配合力和特殊配合力方差效應(yīng)差異小且無突出表現(xiàn)親本；從一般配合力方差來看，120號親本的樹高和88號的胸徑方差效應(yīng)最大，120號親本的特殊配合力方差效應(yīng)大，5個(gè)親本的樹高和材積變化無明顯趨勢來看?？傮w來看，120號親本表現(xiàn)較優(yōu)，其次是123號和88號。

2.3 遺傳力估算與優(yōu)良親本選擇

5個(gè)親本10個(gè)交配組合估算的全同胞家系和單株的廣義、狹義遺傳力見表7，廣義和狹義遺傳力基本相同，而家系遺傳力小于全部試驗(yàn)測定林調(diào)查數(shù)據(jù)估算的0.60～0.67，估算的單株遺傳力高0.93～1.00。

5個(gè)親本交配的19個(gè)參試組合試驗(yàn)測定結(jié)果表明，交配子代的樹高、胸徑和單株材積大于對照(ck)的有8個(gè)組合，17個(gè)組合的單株材積大于ck且含1個(gè)自交(119×119)；3個(gè)自交組合即119×119、123×123和88×88生長表現(xiàn)最差，119×119的材積比ck提高0.63%、比試驗(yàn)林群體均值低18.05%，123×123比ck低47.88%、比群體均值低57.55 %，88×88比ck低75.20%，比群體均值低79.80%。有8個(gè)組合的材積增益比ck提高了30%以上，提高50%以上的有6個(gè)交配組合即120×89、119×89、89×120、120×123、123×88、120×88，120號親本作為母本的有3個(gè)組合、1個(gè)組合為父本，89號作為父本交配的有2個(gè)、1個(gè)為母本，5個(gè)親本中存在明顯的父本和母本效應(yīng)。

表7 家系和單株的廣義和狹義遺傳力

樹 高 胸 徑 單株材積 H2FH2Ih2Fh2IH2FH2Ih2Fh2IH2FH2Ih2Fh2I0.32 0.99 0.32 1.00 39.05 0.98 0.40 0.98 0.37 0.93 0.40 0.93

以樹高、胸徑和材積對試驗(yàn)測定林進(jìn)行聯(lián)合選擇，5個(gè)優(yōu)良組合入選，材積遺傳增益見表8，優(yōu)良組合評選的優(yōu)良單株無性繁殖應(yīng)用，材積遺傳增益可提高44.2%以上。入選的5個(gè)優(yōu)良組合中包含本次參加試驗(yàn)的5個(gè)親本，每個(gè)優(yōu)良組合可前向選擇1株優(yōu)良單株進(jìn)入下一世代的輪回改良，后向選擇確定交配優(yōu)良親本；根據(jù)一般配合力和特殊配合力效應(yīng)的分析結(jié)果結(jié)合自交不育，120號和89號建立雙系種子園的最優(yōu)親本，而5個(gè)親本的合理配置可建立3系～5系生產(chǎn)群體。

表8 5個(gè)優(yōu)良組合的材積遺傳增益

組合現(xiàn)實(shí)材積(m3)>ck的增益(%)>群體均值的增益(%)120×890.06498181.99 32.24119×890.06305976.61 29.3189×1200.05911865.57 23.30120×1230.05550555.45 17.79123×880.05425651.95 15.88>ck的遺傳增益(%)44.2

3 結(jié)論與討論

14年生試驗(yàn)測定林平均樹高、胸徑和單株材積分別為7.8 m、10.9 cm和0.043 843 m3，生長表現(xiàn)較差但存在豐富變異。20個(gè)參試家系的樹高、胸徑和單株材積均達(dá)到極顯著水平，生長性狀受較強(qiáng)程度的遺傳控制，樹高、胸徑和材積的家系遺傳力分別為0.60、0.64和0.67。5個(gè)親本10個(gè)交配組合間的樹高、胸徑和材積指標(biāo)的差異極顯著，不同區(qū)組間也達(dá)到極顯著水平；組合與區(qū)組的交付作用明顯，樹高顯著而胸徑和材積極顯著；不同親本交配組合間的特殊配合力(SCA)極顯著，樹高的一般配合力(GCA)極顯著而胸徑和材積的SCA差異不顯著。在5個(gè)親本中，120號親本的GCA和SCA效應(yīng)較優(yōu)，其次是123號和88號；2個(gè)自交組合未成功，3個(gè)自交種子育苗成功的生長表現(xiàn)最差。以樹高、胸徑和材積對試驗(yàn)測定林進(jìn)行聯(lián)合選擇，入選了5個(gè)優(yōu)良組合，120號和89號是建立雙系種子園的最優(yōu)親本，5個(gè)親本的合理配置可營建3系～5系種子園。

5個(gè)交配親本的原始母樹生長表現(xiàn)優(yōu)良，是貴州最早評選的速生穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)良家系，8～11年生的材積增益在30%以上[23]，也是貴州杉木第1代、2代和3代改良的育種資源，入選了3代生產(chǎn)群體。88號的一般配合力和特殊配合力表現(xiàn)較優(yōu)，88號是本次交配試驗(yàn)的輪回親本，89號、119號、120號和123號為非輪回親本，88號在試驗(yàn)林的生長表現(xiàn)不突出，母本交配的效果比父本差，120號和89號作為母本或父本交配子代的生長表現(xiàn)良好。在地理間隔較遠(yuǎn)的優(yōu)良種源間或在外省優(yōu)良種源與本省種源間選擇交配親本，易培育出具有超雙親優(yōu)勢的組合[9]。交配親本間地理隔離遠(yuǎn)近不能完全決定子代生長好壞，同一種源優(yōu)良親本交配的子代生長表現(xiàn)可能最佳，優(yōu)良無性系交配后子代產(chǎn)生分離重組，可導(dǎo)致具有超雙親優(yōu)勢或嚴(yán)重退化[24]，本次試驗(yàn)研究結(jié)果得以進(jìn)一步證實(shí)。自交不衰退的個(gè)體表現(xiàn)為具有較高的GCA效應(yīng)[2]，3個(gè)自交組合119×119、123×123和88×88的生長表現(xiàn)最差，GCA不顯著，未能進(jìn)一步探討，但是，88號、119號、123號親本具有較高的GCA效應(yīng)[25]。GCA的測定與評選和SCA的測定與評選之間具有相對的獨(dú)立性[11]，未經(jīng)GCA測定的材料，GCA的測定比SCA的測定更重要，經(jīng)過GCA測定的材料，要加強(qiáng)SCA的測定[6]，本次試驗(yàn)中，GCA顯著而SCA僅樹高顯著、胸徑和材積不顯著；對于經(jīng)過GCA評選的材料，以單交制種測定評選優(yōu)良家系(組合)并選育優(yōu)良單株無性利用，有性和無性的合理利用是較好的育種方案[25]。目前杉木種子園種子產(chǎn)量較低和不穩(wěn)定[26]，最好的方式是采用優(yōu)良親本建立雙系種子園[5,11,25]。

由于育種周期長，林木品種田間試驗(yàn)測定林設(shè)置對照(ck)對全面準(zhǔn)確評價(jià)非常必要和重要。本試驗(yàn)中，由于造林地的地力差且存在退化等現(xiàn)象，導(dǎo)致參試組合生長潛力未充分表達(dá)，如果無ck而使用均值等評判的漏選或誤選率很高。若根據(jù)絕對生長量法[28-29]，將排除5個(gè)親本的所有參試組合， 5個(gè)親本表現(xiàn)不良。但是，參試的19個(gè)組合有17個(gè)的生長表現(xiàn)優(yōu)于ck，僅有2個(gè)自交的比ck差，其試驗(yàn)條件基本一致且參試家系間存在真實(shí)差異可進(jìn)一步開展評選利用。本研究中的交配組合與重復(fù)的交互作用明顯，原因可能是父本與母本互作效應(yīng)[7]，胸徑和材積的GCA不顯著而特殊配合力顯著和自交衰退等，徐清乾等[5,11]、李力等[6]的研究結(jié)果一致。