滇楸種質(zhì)生長性狀遺傳變異及表型性狀遺傳多樣性分析

肖 遙 麻文俊 易 飛 楊桂娟 王秋霞 王 平 王軍輝*

(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,國家林業(yè)局林木培育重點實驗室,國家林木種質(zhì)資源平臺，北京 100091； 2.河南省南陽市林業(yè)科學研究院，南陽 473000)

滇楸(Catalpafargesiif.duclouxii)屬紫葳科(Bignoniaceae)梓樹屬(Catalpa)落葉喬木。其主要分布在四川、云南及貴州等地區(qū)。滇楸樹干通直，材質(zhì)優(yōu)良，其木材是制作高檔家具及木制品的珍貴用材。此外，滇楸樹形優(yōu)美，枝葉繁茂，花色艷麗，常作為園林觀賞樹種和綠化樹種[1～3]。然而由于過度砍伐利用的原因，其天然資源已相當匱乏[4]，人工選育及創(chuàng)制新種質(zhì)是改善和利用其種質(zhì)資源現(xiàn)狀的有效途徑之一[5～6]。

林木的遺傳變異是改良的基礎(chǔ)，充分了解其變異規(guī)律及遺傳多樣性大小能為合理制備育種策略提供依據(jù)，有效地減少育種工作的盲目性，大大提高改良的效果[7～8]。在分類學上滇楸是灰楸(C.fargesii)的變種，與灰楸同屬楸樹組。不同于楸樹(C.bungei)和灰楸，滇楸自然結(jié)實性較好，長期的有性繁殖過程中累積了較多的遺傳變異[9]，這為滇楸的遺傳改良奠定了良好基礎(chǔ)。然而滇楸遺傳育種工作長期處于停滯狀態(tài)，截止目前相關(guān)研究主要局限于苗期生長的遺傳變異[4,10～11]。遺傳多樣研究僅見滇楸花部性狀的多樣性，研究結(jié)果表明其花部性狀在群體間和群體內(nèi)均存在豐富的變異，各性狀平均變異系數(shù)為25.94%，平均表型分化系數(shù)為27.95%[2]。就研究現(xiàn)狀看，滇楸遺傳變異較大，多樣性豐富，具有較大的利用潛力。但相關(guān)研究程度較低且新種質(zhì)創(chuàng)制缺乏科學性。鑒于此，本研究選取了20個滇楸無性系，分析了其生長性狀遺傳變異規(guī)律、葉部性狀和皮孔性狀遺傳多樣性，旨在加速滇楸優(yōu)良種質(zhì)選育進程，科學選擇雜交育種親本，同時也為其種質(zhì)資源的保護和利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

滇楸種質(zhì)材料采集自貴州甕安、織金、貴定、紫云、畢節(jié)、關(guān)嶺、晴隆、盤縣、普安、興仁、貞豐、安龍和興義13個地區(qū)，涵蓋了黔中、黔北亞熱帶濕潤溫和氣候區(qū)、黔西暖溫帶干濕交替溫涼氣候區(qū)等多個氣候區(qū)。共收集的151個滇楸優(yōu)良單株種子，對151個家系進行評比試驗，篩選出超級苗。再將超級苗無性系化，進行優(yōu)良無性系篩選。對選出的優(yōu)良無性系在進行三級篩選。一級篩選采用間比法無重復試驗設(shè)計；二級為隨機完全區(qū)組設(shè)計[12]。2008年進行無性系的擴繁嫁接，采用隨機區(qū)組設(shè)計，7株小區(qū)，共4個區(qū)組。于2009年春季采用2年生苗在河南省南陽市潦河鎮(zhèn)對二級篩選后的無性系進行移栽造林，開展三級大田試驗，試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，2株小區(qū)，5個區(qū)組。試驗材料詳見表1。

表1 試驗材料

試驗地位于河南省南陽市潦河鎮(zhèn)潦東村(32°.93′N,112°.41′E)，屬季風大陸濕潤半濕潤氣候，四季分明。海拔145 m，土壤類型為黃棕壤土，自然肥力較高。年平均氣溫14.4～15.7℃，七月平均氣溫26.9～28.0℃，一月平均氣溫0.5～2.4℃。年降雨量703.6～1173.4 mm。年日照時數(shù)1897.9～2120.9 h，年無霜期220～245 d。

1.2 方法

2008～2013年，每年年末對滇楸無性系試驗林進行每木調(diào)查，測定其樹高和胸徑。2013年末選取3個保存較好的區(qū)組，每個區(qū)組選擇1株生長良好的植株，分別測定其葉長、葉寬、葉柄長、葉痕長、葉痕寬和葉痕面積，每個性狀測定3次重復，葉片部位均選擇與向南枝條的中部生長良好的功能葉。皮孔性狀測定：選擇樹干上、中、下3個面積為2 cm2×3 cm2大小的區(qū)域，計算每個區(qū)域皮孔數(shù)量，測定每個皮孔的長度、寬度并計算其面積。葉痕面積和皮孔面積計算方法參考文獻[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

滇楸生長性狀線性模型為：

Yijk=μ+Bi+Cj+BCij+eijk

(1)

式中：Yijk第i區(qū)組內(nèi)第j無性系的性狀觀察值；μ為群體平均效應；Bi為第i區(qū)組效應；Cj為第j無性系效應；BCij為第i區(qū)組和第j無性系的互作效應；eijk為機誤。

葉部和皮孔性狀線性模型為：

Yijk=μ+Bi+Cj+eijk

(2)

式中：Yijk第i區(qū)組內(nèi)第j無性系的性狀觀察值；μ為群體平均效應；Bi為第i區(qū)組效應；Cj為第j無性系效應；eijk為機誤。

表型變異系數(shù)公式[16]：

(3)

式中：σ為標準差；X為性狀均值。

遺傳變異系數(shù)公式[16]：

(4)

表型相關(guān)公式[17]：

(5)

遺傳相關(guān)公式[17]：

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 滇楸種質(zhì)生長性狀遺傳變異

2.1.1 生長性狀的方差分析

生長性狀的方差分析表明(表2)，滇楸無性系間僅2和6 a樹高不存在顯著差異，1、3、4和5 a樹高在無性系均具有顯著差異，其中1和5 a樹高的無性系差異達5%的極顯著水平。滇楸各年胸徑在無性系間均具有極顯著差異。兩種性狀的方差分析結(jié)果差異可能原因在于樹高和胸徑受環(huán)境影響的程度不同，樹高更易受到環(huán)境影響。而無性系生長性狀差異的結(jié)果意味著滇楸無性系遺傳變異明顯，具有較好的改良基礎(chǔ)。另一方面，區(qū)組效應對滇楸無性系各年的高生長及胸徑生長影響顯著，僅1a胸徑?jīng)]有顯著的區(qū)組效應。這意味著在選育滇楸優(yōu)良無性系不能忽略環(huán)境效應的影響。區(qū)組與無性系的交互效應到了5年生和6年生時不再存在，表明滇楸無性系遺傳穩(wěn)定性加強了，選擇出的優(yōu)良無性系在不同的環(huán)境中生長都更具優(yōu)勢。

2.1.2 生長性狀遺傳參數(shù)的年份變化

重復力的大小能反映遺傳因素對林木生長影響的程度，由圖1可知滇楸無性系樹高和胸徑重復力年度變化差異較大。樹高重復力隨樹齡變化波動較大，1 a樹高重復力較高，而2 a樹高重復力接近0。這可能與當年移栽造林，苗木處于扎根階段影響了無性系的高生長，進而影響樹高重復力。6 a樹高重復力下降較大，可能與當年低溫條件有一定關(guān)系。不同的是，胸徑重復力從3～6 a一直保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，平均達0.69。這表明環(huán)境的改變對滇楸高生長影響顯著，而相反胸徑受遺傳因素控制的程度較強且穩(wěn)定性較高。

滇楸無性系各樹齡樹高和胸徑的遺傳變異系數(shù)較小，表型變異系數(shù)相對較大(圖2)。對比各樹齡樹高和胸徑的遺傳變異系數(shù)可見，樹高的遺傳變異系數(shù)年度變化幅度較大，而胸徑的遺傳變異系數(shù)相對穩(wěn)定，這與樹高和胸徑重復力年度變化規(guī)律一致。2 a樹高遺傳變異系數(shù)接近于0也說明了造林初期苗木處于扎根期影響其樹高生長和遺傳參數(shù)估計。此外，胸徑的遺傳變異系數(shù)大于樹高的遺傳變異系數(shù)，在一定程度上表明了胸徑受遺傳因素控制的程度大于樹高。

表2 滇楸無性系生長性狀方差分析

注：括號里的數(shù)字為自由度。

Note：The figures in brackets were degree of freedom.

圖1 不同樹齡滇楸無性系樹高和胸徑重復力差異Fig.1 Repeatability of height and DBH of C.fargesii f. duclouxii in different ages

圖2 不同樹齡滇楸無性系樹高和胸徑變異系數(shù)差異Fig.2 variable coefficient of height and DBH of C.fargesii f. duclouxii in different ages

2.2 滇楸種質(zhì)葉部性狀遺傳變異

2.2.1 表型性狀方差分析

表3滇楸種質(zhì)表型性狀方差分析結(jié)果表明，無性系間葉部性狀存在一定差異，葉寬和葉長寬比在無性系間分別達到了5%水平和1%水平的顯著差異。皮孔相關(guān)性狀變異較大，皮孔長、皮孔寬、皮孔面積和皮孔密度在無性系間均存在現(xiàn)在差異，其中皮孔密度的差異達到5%的極顯著差異(P=0.004)。說明滇楸種質(zhì)表型變異顯著，從表型性狀研究和評價滇楸種質(zhì)遺傳變異有可靠依據(jù)。

2.2.2滇楸種質(zhì)葉部性狀和皮孔性狀遺傳多樣性分析

滇楸種質(zhì)遺傳多樣性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表4)，其葉柄長度表型變異達20.95%，是葉部性狀中變異程度最大的性狀，極大值為極小值的3.6倍。其余葉部性狀表型變異系數(shù)相對較低，均未超過20%。不同的是，滇楸種質(zhì)皮孔性狀變異幅度較大，表型變異系數(shù)除皮孔寬為17.37%，其余性狀均超過25%，且皮孔面積變異系數(shù)高達49.69%。葉長、葉長寬比雖變異系數(shù)較小，但遺傳多樣性指數(shù)多樣性指數(shù)較高分別為2.016和2.012。說明滇楸種質(zhì)葉形變異處于遺傳分化的過度時期。滇楸種質(zhì)葉長寬比具有最大的重復力0.849，葉寬重復力較為適中為0.539。表明葉形的寬度和長寬比主要受遺傳因素影響，長度主要受環(huán)境因素影響。皮孔各性狀的重復力在0.5左右，表明滇楸皮孔性狀遺傳控制程度較為適中。

2.3 生長性狀和葉部性狀的相關(guān)分析

生長性狀和表型性狀相關(guān)分析結(jié)果顯示(表5)，參試的滇楸種質(zhì)各表型性狀和生長性狀均未達到顯著相關(guān)?？赡艿脑蚴牵衢狈N質(zhì)葉部性狀、皮孔性狀與生長性狀的相關(guān)性并不是線性相關(guān)。而Pearson相關(guān)主要分析的是性狀與性狀間的

線性相關(guān)大小。從相關(guān)系數(shù)大小分析，葉痕長和寬與樹高呈中偏弱的負相關(guān)，皮孔密度與胸徑也呈中偏弱的負相關(guān)。而皮孔長、寬及面積與樹高呈較弱的正相關(guān)。

表3滇楸無性系表型性狀方差分析

Table3VarianceanalysisofphenotypictraitsofC.fargesiif.duclouxii

性狀Traits自由度df均方Mean squaresF值F valueP值P value葉痕長Leaf scar length(LSL)1912.0531.7710.066葉痕寬Leaf scar width(LSW)192.4171.2840.250葉長Leaf length(LL)196.2161.3460.213葉寬Leaf width(LW)195.1002.1710.021葉長寬比Ratio of leaf length and width(LWR)190.0686.6260.000葉柄長Petiole length(PL)1911.4501.5020.140皮孔長Lenticel length(LEL)193.9482.1270.022皮孔寬Lenticel width(LEW)190.1382.3520.011皮孔面積Lenticel area(LEA)1915.6332.1340.021皮孔密度Lenticel density(LED)190.0862.7180.004

表4 滇楸葉部性狀遺傳變異與遺傳多樣性

表5 滇楸樹高、胸徑與葉部性狀的Pearson相關(guān)性

2.4 滇楸種質(zhì)生長性狀和表型性狀主成分分析和聚類分析

2.4.1 主成分分析

為了更加清晰的明確各性狀在滇楸表型多樣性構(gòu)成中的作用大小，采用主成分分析的方法使多個表型性狀降維成幾個主要的成分因子綜合的反應原有的多種性狀(表6)。主成分分析的前4個成分累積貢獻率達81.02%，表明這4個主成分能反應原有的12個性狀的絕大信息。根據(jù)載荷值大小可知，第一主成分與皮孔相關(guān)的載荷值絕對值較大，將改主成分定義為皮孔形態(tài)因子，其貢獻率最高，占32.72%。第二主成分載荷較高的性狀有，葉痕長、葉痕寬、葉長、葉寬，可稱改主成分為葉形因子，其貢獻率達21.68%，第三類成分與樹高和胸徑較為相關(guān)，稱為生長因子，占比為16.07%。第四類主成分載荷較高的性狀分散于生長、葉部和皮孔性狀，是對之前的主成分信息的補充，因此定義為綜合因子。

表6滇楸種質(zhì)性狀主成分分析

Table6PrincipalcomponentanalysisoftraitsofC.fargesiif.duclouxii

分量來源Component主成分名稱Name of component皮孔形態(tài)因子Lenticel type factor葉形因子Leaf type factor生長因子Growth factor綜合因子Comprehensive factor樹高Height-0.127-0.2820.377-0.326胸徑DBH-0.067-0.0190.522-0.495皮孔長Lenticel length-0.444-0.0030.1400.161皮孔寬Lenticel width-0.4180.1300.0490.305皮孔面積Lenticel area-0.4670.0590.0890.259皮孔密度Lenticel density0.350-0.134-0.318-0.039葉痕長Leaf scar length0.0310.528-0.084-0.002葉痕寬Leaf scar width0.0800.5180.0080.084葉長Leaf length-0.080-0.487-0.2400.200葉寬Leaf width0.229-0.2840.2890.524葉長寬比Length-width ratio-0.285-0.083-0.473-0.345葉柄長Petiole length0.3470.1000.2880.143特征值Eigen values1.9811.6131.3891.125貢獻率Proportion of variance(%)32.7221.6816.0710.55累積貢獻率Cumulative proportion(%)32.7254.4070.4781.02

2.4.2 聚類分析

以歐氏距離作為衡量單位，聚類分析將滇楸種質(zhì)20個無性系分為了4大類(圖3)。第Ⅰ類群包含4個無性系，其皮孔長、皮孔寬和皮孔面積最大，皮孔密度最小，葉長寬比較高。第Ⅱ類包含137、74和120共3個無性系，該類群樹高和胸徑顯著小于其他3類，但皮孔密度最大，葉長和葉寬也最大，葉形偏長條型。第Ⅲ類樹高和胸徑均最大，屬于生長最快的類群。第Ⅳ類群葉柄最長，皮孔大小最小，葉長寬比最小，葉形屬于偏寬型的。從聚類分析可見，葉部性狀及皮孔性狀較大的類群生長不一定優(yōu)越，相對的葉部性狀或皮孔性狀偏小的生長不一定較差。這表明葉部性狀與皮孔性狀的相關(guān)并不是呈簡單的線性關(guān)系。

圖3 滇楸無性系聚類分析Fig.3 Clustering analysis of C.fargesii f. duclouxii clones

性狀Traits類群GroupsⅠⅡⅢⅣ樹高Height(m)6.256.076.356.10胸徑DBH(cm)8.367.548.878.28皮孔長Lenticel length(mm)6.253.664.823.78皮孔寬Lenticel width(mm)2.001.611.631.53皮孔面積Lenticel area(mm2)10.274.806.344.69皮孔密度Lenticel density(個·cm-2)0.640.980.770.86葉痕長Leaf scar length(mm)20.2320.0619.4520.75葉痕寬Leaf scar width(mm)9.509.249.299.82葉長Leaf length(cm)20.0021.0920.6418.74葉寬Leaf width(cm)12.5812.6013.9613.59葉長寬比Ratio of leaf length and width1.601.681.491.39葉柄長Petiole length(cm)12.3213.2014.9816.07

3 討論

在長期的生長演變過程中，林木會積累大量的遺傳變異來逐漸適應變化的環(huán)境。掌握林木的遺傳變異規(guī)律是利用林木種質(zhì)資源的有力依據(jù)。變異導致物種多樣性產(chǎn)生的前提，所以遺傳多樣性與遺傳變異密切相關(guān)。研究遺傳變異和遺傳多樣性對選育優(yōu)良種質(zhì)[18～19]，雜交親本的合理選擇及開展高世代育種[20～22]，明確林木生長的環(huán)境影響[23]等均有重要的意義。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)滇楸無性系生長性狀的遺傳變異較大，20個無性系間樹高和胸徑差異顯著，具有較好的遺傳改良基礎(chǔ)，為選擇優(yōu)良種質(zhì)提供了可行性。通過其生長性狀遺傳參數(shù)的年份變化發(fā)現(xiàn)，滇楸無性系樹高的重復力和遺傳變異系數(shù)樹齡動態(tài)曲線波動較大，而胸徑的重復力和遺傳變異系數(shù)變化則相對穩(wěn)定。這與日本落葉松(Larixkaempfeni)家系生長性狀遺傳參數(shù)的樹齡變化結(jié)果類似[24]，這意味著滇楸種質(zhì)胸徑的遺傳穩(wěn)定性較強。此外，胸徑的重復力平均高于樹高的，說明胸徑受遺傳控制程度更高[8,25～26]。因此，評價滇楸生長情況，選育速生高產(chǎn)品種時以胸徑作為衡量指標更適佳。

滇楸種質(zhì)葉部性狀有一定程度的變異，無性系間差異主要存在于葉寬和葉長寬比上。群體的葉長和葉長寬比的遺傳多樣性較大，均大于2。葉長寬比作為滇楸主要的葉形變異其表型變異系數(shù)較低為11.26%，重復力高達0.849。說明該性狀比較穩(wěn)定，且主要受遺傳因素控制。這與楸樹[7]、核桃[27]和白樺[28]葉部性狀遺傳變異較大，且受遺傳控制較強的結(jié)果類似。滇楸皮孔長、皮孔面積和皮孔密度遺傳變異系數(shù)較大，超過15%，重復力接近0.5受中度的遺傳控制。贠慧玲等[13]研究發(fā)現(xiàn)楸樹皮孔性狀遺傳變異系數(shù)超過20%，重復力高達0.7。從皮孔性狀變異程度上看與本研究類似，但重復力大小差異較大。這可能是材料生長的環(huán)境極其物種生物學特性差異導致的。綜合結(jié)果看，滇楸種質(zhì)表型性狀具有豐富的遺傳變異，遺傳多樣性較高，充分挖掘其表型變異能為優(yōu)良種質(zhì)選育及其雜交親本選育等工作的開展提供有利依據(jù)。

相關(guān)分析結(jié)果表型性狀與生長性狀相關(guān)程度較弱，但仍表現(xiàn)出一些規(guī)律。皮孔的密度與生長性狀呈負相關(guān)，皮孔大小與生長呈正相關(guān)。說明皮孔越大樹木與外界環(huán)境進行的物質(zhì)交換效率越大，有利于其生長。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在楸樹[13]和小黑楊[29]的研究中。聚類分析的結(jié)果將滇楸種質(zhì)分為了4類，類群Ⅰ為大皮孔、低皮孔密度型；類群Ⅱ為生長較慢，長葉型；類群Ⅲ速生，寬葉型；類群Ⅳ為長葉柄型。根據(jù)不同育種目的其利用的途徑也不同，如若要培育速生種質(zhì)可選擇Ⅰ類和Ⅲ類作雜交親本。若要培育大葉觀賞滇楸種質(zhì)可選擇Ⅱ類和Ⅲ類進行雜交育種。