美洲黑楊雜交子代苗期性狀遺傳變異及選擇

嚴(yán)艷兵，潘惠新

（南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

楊樹為楊柳科Salicaceae楊屬Populus植物，共包括五大楊派100余種，在世界范圍內(nèi)廣泛分布，以30°～60° N的溫帶或暖溫帶地區(qū)較為常見[1]，是短期輪伐的造林樹種，對解決生態(tài)環(huán)境治理和木材短缺問題有利[2]。目前中國林業(yè)發(fā)展中推廣的楊樹新優(yōu)品種主要來源于人工雜交選育，具有早期速生、材質(zhì)好、抗性強(qiáng)等特點，創(chuàng)造了巨大的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益[3]。因此雜交育種仍然是目前乃至今后培育楊樹良種的重要手段。美洲黑楊Populus deltoides原產(chǎn)于北美密西西比河下游地區(qū)，是中國引種的南方型平原地區(qū)重要速生工業(yè)用材樹種和綠化造林樹種之一，是人工雜交選育新品種的常用親本。李世峰等[4]發(fā)現(xiàn)：美洲黑楊雜交組合苗高和胸徑平均值均超過親本(T120和I-69)。羅敬[5]以美洲黑楊與小葉楊P. simonii為親本進(jìn)行雜交發(fā)現(xiàn)：獲得的130株雜交子代苗高和地徑在組合間和組合內(nèi)都存在廣泛變異。李火根等[6]以美洲黑楊與歐美楊P.×euramericana作親本構(gòu)建雜交組合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：得到的F1代13個無性系及親本I-69楊的生長量和分枝特性在無性系間存在較大差異。王瑞文等[7]以黑楊派不同雜種無性系為親本開展雜交試驗，并估算雜種苗期生長性狀遺傳參數(shù)，結(jié)果表明：F1代雜種優(yōu)勢明顯，通過綜合評價可初步篩選出優(yōu)良雜交組合及優(yōu)良無性系。王慶斌等[8]以I-69楊為母本，青楊P. cathayana和小黑楊P. simonii×P. nigra為父本進(jìn)行雜交，初選了一批雜種新無性系并進(jìn)行了綜合分析評價，為楊樹改良和新品種選育提供了指導(dǎo)。但目前楊樹發(fā)展過程中也存在著一些急需解決的問題，如品種單一，低產(chǎn)林分多，良種化率不高，飄絮嚴(yán)重等，嚴(yán)重影響長江中下游平原地區(qū)楊樹生產(chǎn)與發(fā)展，亟待選育出適合本地速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及無絮的南方型美洲黑楊新品種進(jìn)行更新?lián)Q代。本研究選擇速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及抗性較好的美洲黑楊作親本構(gòu)建雜交組合，對雜種苗期生長性狀和葉片性狀進(jìn)行遺傳變異分析，并通過綜合指數(shù)選擇法選出生長量較大的優(yōu)良雜交組合，以期為長江中下游地區(qū)楊樹良種化生產(chǎn)提供材料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南京市棲霞區(qū)八卦洲街道外沙村南京林業(yè)大學(xué)無絮楊育種基地(32°13′N，118°48′E)，該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、溫暖濕潤、雨量集中，全年平均氣溫為15.4 ℃，土壤肥沃，土壤結(jié)構(gòu)良好，透氣透水性較強(qiáng)，土壤中性偏堿。

1.2 試驗材料

2020年 3月進(jìn)行雜交試驗。9個雜交組合分別為：NL15 (P. deltoids‘Nanlin 15’，♀)×S3239(P.deltoides，♂)，SY2(P. deltoids‘Siyang-2’，♀)×NL447(P. deltoides‘Nanlin 447’，♂)，NL15(♀)×NL780(P.deltoides‘Nanlin 780’，♂)，NL15(♀)×SH3(P. deltoids‘Hong-3’，♂)，NL15(♀)×B106(小葉楊回交 F1代，♂)，SY2(♀)×NL3804(P. deltoids‘Nanlin 3 804’，♂)，NL15(♀)×SH2(P. deltoids‘Hong-2’，♂)，SY2(♀)×SH2(♂)，NL15(♀)×NL447(♂)，各雜交親本遺傳背景信息詳見表1。5月收集所有的雜交種子帶回實驗室處理，隨后在研究區(qū)河泥苗床上播種育苗，7月初將所有的雜種苗分區(qū)移栽到普通苗床上，遮陽數(shù)日，苗期正常水分管理。每個雜交組合按單因素隨機(jī)排列，6株為1小區(qū)。

表1 美洲黑楊雜交親本信息Table 1 Basic information of parents in hybrid experiment of P. deltoides

1.3 試驗方法

1.3.1 苗期生長性狀測定 2020年10月調(diào)查苗高和地徑。苗高用精確到1 cm的3 m塔尺測量，地徑用精確到1 mm的游標(biāo)卡尺測量，材積根據(jù)王明庥等[9]的方法計算，公式為：V材=πD2H×10-2/12。其中V材為材積(cm3)，H為苗高(cm)，D為地徑(mm)。

1.3.2 苗期葉片性狀測定 2020年9月，從各雜交組合小區(qū)內(nèi)選取2個標(biāo)準(zhǔn)株，各株采集第5～7片葉。測定葉長(cm)、葉寬(cm)、葉柄長(cm)，葉寬基距(葉最寬處距葉基距離，cm)用直尺測量，側(cè)脈夾角(主脈與最大葉寬處側(cè)脈的夾角，°)用量角器測量，葉面積(cm2)和葉周長(cm)用IMAGE J的圖像處理功能計算獲得，葉形指數(shù)=葉長/葉寬。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用R語言、DPS軟件和Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、處理和繪圖。

用R語言進(jìn)行性狀方差分析，線性模型如下：Xijk=μ+ti+bj+eijk，Xij=u+ti+eij。其中：Xij、Xijk為實際觀測值，μ為總體平均數(shù)，ti為組合效應(yīng)，bj為區(qū)組效應(yīng)，eij、eijk為隨機(jī)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 美洲黑楊不同雜交組合子代苗期性狀遺傳變異分析

由表2可知：雜種苗期生長性狀與葉片性狀在雜交組合間均達(dá)到差異極顯著水平(P＜0.01)，表明不同雜交組合間子代苗高、地徑、材積和各葉片性狀均存在較大差異。雜種苗期生長性狀和葉片性狀的遺傳變異分析得出(表3)：9個雜交組合的子代苗高、地徑、材積平均值分別為150.10 cm、9.95 mm、41.16 cm3，其中 NL3804×SY2子代苗高最大 (170.63 cm)，NL447×NL15最小 (119.94 cm)，兩者相差42.26%。B106×NL15子代地徑最大，為11.71 mm，NL447×NL15子代地徑最小，為8.23 mm，前者為后者的 1.17倍；S3239×NL15子代材積最大 (60.62 cm3)，NL447×NL15最小 (21.90 cm3)，兩者相差2.76倍。葉片長度均值為13.63 cm，B106×NL15平均葉片長度最大，達(dá)15.98 cm，超出群體均值的17.24%，是最小組合SH3×NL15(12.04 cm)的1.32倍；葉片寬度均值為13.13 cm，B106×NL15平均葉片寬度最大，為15.25 cm，高于總均值16.14%，是葉片寬度最小組合NL780×NL15 (11.32 cm)的1.34倍；葉長/葉寬平均值為1.041，NL780×NL15長寬比最大，達(dá)1.093，SH3×NL15最小，為0.968；葉柄長度平均值為7.27 cm，組合B106×NL15最大(8.64 cm)，超出總均值18.84%，是最小組合NL447×NL15(6.18 cm)的 1.76倍；側(cè)脈夾角平均值為 72.62°，最大組合為 S3239×NL15，達(dá) 75.42°，最小為NL3804×SY2，只有69.52°；葉寬基距平均值達(dá)2.46 cm，最大組合為NL447×SY2，可達(dá) 3.05 cm，最小為SH3×NL15，只有2.00 cm；葉面積平均值為142.25 cm2，最大組合B106×NL15 (188.71 cm2)與最小組合NL780×NL15 (110.95 cm2)相差1.70倍；葉周長平均值為 58.59 cm，最大組合B106×NL15 (69.15 cm)與最小組合NL780×NL15 (51.16 cm)相差35.16%。由表3可知：各性狀表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)，其中材積的遺傳變異系數(shù)(31.13%)和表型變異系數(shù)(43.88%)均最大，說明具有較大選擇潛力；除葉形指數(shù)和側(cè)脈夾角外，其他葉片性狀的表型變異系數(shù)均大于10%，其中葉面積表型性狀變異最大(21.69%)，說明具有較大的選擇空間。各性狀的家系遺傳力均大于單株遺傳力，其中苗高、地徑、材積、葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長的家系遺傳力均大于0.8；單株遺傳力為0.503～0.648，均屬偏強(qiáng)度遺傳控制；葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距的家系遺傳力分別為0.743、0.696、0.712，單株遺傳力分別為0.419、0.364、0.382，均為中度以上遺傳控制。

表2 美洲黑楊不同雜交組合生長性狀與葉片性狀方差分析Table 2 Variance analysis of growth and leaf traits of different hybrid combinations in P. deltoides

表3 美洲黑楊雜種苗期生長性狀和葉片性狀變異分析Table 3 Analysis on variation of growth traits and leaf traits of P. deltoides hybrids at seedling stage

2.2 美洲黑楊雜種苗期葉片性狀與生長性狀相關(guān)分析及間接選擇

2.2.1 葉片性狀與生長性狀的相關(guān)性分析 由表4可知：在表型和遺傳上，3個生長性狀(苗高、地徑和材積)之間均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；葉長、葉寬、葉柄長、葉面積、葉周長分別與生長性狀間呈顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)正相關(guān)。葉形指數(shù)與生長性狀間在遺傳上呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)，在表型上負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著；側(cè)脈夾角、葉寬基距與生長性狀間相關(guān)性均不顯著。葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長相互之間存在著顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)正相關(guān)，葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距與其余葉片性狀間呈較弱相關(guān)或負(fù)相關(guān)，相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平，表明葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距與其他性狀間的遺傳互作較小。

表4 美洲黑楊不同雜交組合葉片性狀與生長性狀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between leaf and growth traits of different hybrid combinations of P. deltoides

2.2.2 葉片性狀對生長性狀的間接選擇 為進(jìn)一步了解苗期葉片性狀對生長性狀的相關(guān)遺傳進(jìn)度和間接選擇效率，參照王明庥[12]方法研究估算5%入選率(選擇強(qiáng)度為2.06)下間接選擇的相關(guān)遺傳進(jìn)度和選擇效率。由表5可以看出：利用葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長對生長性狀進(jìn)行間接選擇，相關(guān)遺傳進(jìn)度較大，苗高、地徑、材積分別為26.492～32.615、2.378～2.729、27.106～31.508，間接選擇效率苗高、地徑、材積分別為74.8%～92.1%、106.27%～121.97%、114.66%～133.28%，其中對材積的選擇效率最大。葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距對生長性狀的相關(guān)遺傳進(jìn)度和間接選擇效率均較低，表明葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距不適合作為生長性狀的間接選擇性狀。

表5 美洲黑楊不同雜交組合葉片性狀對生長性狀的間接選擇Table 5 Indirect selection of leaf traits to growth traits in different hybrid combinations of P. deltoides

2.3 美洲黑楊雜種苗期材積生長量的遺傳控制通徑分析

單株材積是影響苗期生長量的主要因子。由苗高、地徑、葉片性狀對材積的遺傳作用(表4和表5)可知：苗高、地徑、葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長等7個性狀對材積生長量具有較強(qiáng)的遺傳控制作用。由表6可知：7個性狀對材積生長量均呈不同程度的遺傳控制，其中地徑對材積的直接控制作用最大，通徑系數(shù)達(dá)0.565，其次為苗高，通徑系數(shù)達(dá)0.417，同時苗高通過地徑對材積產(chǎn)生較大的間接遺傳控制作用；葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長對材積的直接通徑系數(shù)均較弱，但這些性狀通過地徑對材積生長量的間接通徑系數(shù)較大，達(dá)0.485～0.554，說明這些性狀對材積生長量具有較大的正向間接遺傳控制作用，并且這種間接遺傳控制作用主要是通過與地徑的遺傳相關(guān)來實現(xiàn)。

表6 美洲黑楊不同雜交組合各性狀對材積的通徑分析Table 6 Path analysis of volume in different hybrid combinations of P. deltoides

2.4 美洲黑楊優(yōu)良雜交組合綜合評價與遺傳增益估算

采用多性狀綜合指數(shù)選擇法對9個雜交組合進(jìn)行綜合評價。由于葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距與生長性狀間的遺傳互作及對材積生長量的直接或間接遺傳控制均較弱，因此利用苗高(X1)、地徑(X2)、葉片長(X3)、葉片寬(X4)、葉柄長(X5)、葉面積(X6)和葉周長(X7)等7個性狀構(gòu)建選擇指數(shù)方程，進(jìn)行生長性狀與葉形性狀的聯(lián)合選擇。根據(jù)等權(quán)重法估算各性狀指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)權(quán)重，經(jīng)濟(jì)權(quán)重向量分別為W=(0.085，1.059，1.088，1.166，1.721，0.056，0.238)。

不同性狀組合的指數(shù)選擇方程和性狀綜合育種值選擇進(jìn)展(表7)顯示：指數(shù)方程I1、I2、I3的綜合育種值選擇進(jìn)展(△H)、指數(shù)遺傳力和綜合選擇指數(shù)的估計準(zhǔn)確度均較高，但苗高和地徑的偏回歸系數(shù)均存在負(fù)值，即為負(fù)向遺傳進(jìn)展；生長性狀是育種改良的首要目標(biāo)，不能以犧牲生長量的改良進(jìn)行選擇，所以這些方程不太理想。以苗高、地徑、葉面積和葉柄長構(gòu)建指數(shù)方程I4，其各性狀的偏回歸系數(shù)均為正值，即均為正向選擇；綜合育種值選擇進(jìn)展為5.71，指數(shù)遺傳力為0.862，綜合選擇指數(shù)的估計準(zhǔn)確度為0.926，方程較為理想。

表7 不同性狀組合指數(shù)選擇方程Table 7 Index selection equation of different characteristics

根據(jù)方程I4計算各雜交組合的選擇指數(shù)，按30%的入選率[12]選出 B106×NL15、S3239×NL15、NL447×SY2 等3個雜交組合(表8)。 其中 B106×NL15、S3239×NL15的材積和葉面積的遺傳增益較大，分別達(dá)29.00%、27.82%和37.91%、19.60%。從整體評價效果來看，材積生長量所獲得遺傳增益最大，達(dá)26.90%，超出總均值33.55%；葉片性狀中葉面積所獲得遺傳增益最大，達(dá)16.85%，高于總均值19.78%。

表8 美洲黑楊優(yōu)良家系生長性狀與葉片性狀遺傳增益估算Table 8 Estimation of genetic gain of growth and leaf characteristics in superior families of P. deltoides

3 結(jié)論與討論

選育出速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及無絮的南方型美洲黑楊新品種進(jìn)行更新?lián)Q代是目前開展美洲黑楊雜交試驗的主要目的，其中生長性狀是黑楊派良種選育的首要目標(biāo)。本研究對美洲黑楊9個雜交組合子代苗期生長性狀進(jìn)了遺傳變異分析，發(fā)現(xiàn)苗高、地徑和材積等3個生長性狀在雜交組合間均存在極顯著差異，生長性狀家系遺傳力均達(dá)0.80以上，均大于單株遺傳力，表明生長性狀受強(qiáng)度遺傳控制[13]；其中材積性狀的遺傳變異最大(31.13%)，說明選擇潛力較大，苗高次之(12.21%)，地徑相對較小(11.97%)。生長性狀變異主要來源于雜交組合間基因型的遺傳基礎(chǔ)差異。葉片是植物重要的營養(yǎng)器官，尤其葉柄和葉面積對林木的同化產(chǎn)物運輸、光合產(chǎn)物的積累起著重要作用。本研究中雜交組合間各葉片性狀差異顯著，葉長、葉寬、葉柄長、葉周長和葉面積的家系遺傳力均在0.85以上，表明這些葉片性狀受較強(qiáng)的遺傳控制[14]；葉柄長和葉面積的表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)較大，均超過10%，說明選擇空間較大；葉長、葉寬和葉周長的遺傳變異系數(shù)均低于10%，選擇空間相對較小。與李金花等[15]對美洲黑楊與青楊雜交子代葉形、成星奇等[16]對美洲黑楊與小葉楊雜交子代葉片的研究結(jié)果類似。葉形指數(shù)和側(cè)脈夾角的家系遺傳力相對較弱，遺傳變異較低，受環(huán)境影響較明顯。

研究美洲黑楊苗期葉片性狀與生長性狀間的遺傳互作，對美洲黑楊早期選擇具有重大意義。本研究中苗高、地徑和材積等3個生長性狀間的遺傳相關(guān)和表型相關(guān)十分密切。葉片性狀中葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長間均呈極顯著正遺傳相關(guān)，并與苗高和地徑間也存在極顯著或顯著正遺傳相關(guān)，而葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距與其他性狀間存在負(fù)弱相關(guān)或相關(guān)性不顯著；與張勇等[17]對橡膠樹Hevea brasiliensis無性系生長和葉片表型性狀的研究結(jié)果相類似，表明葉長、葉寬、葉柄長、葉面積、葉周長與生長性狀間的遺傳互作較明顯。通過葉片性狀聯(lián)合對苗高、地徑和材積進(jìn)行間接選擇，發(fā)現(xiàn)葉長、葉寬、葉柄長、葉面積和葉周長對3個生長性狀的遺傳相關(guān)進(jìn)度和間接選擇效率較大，而葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距的間接選擇效率較弱，說明葉形指數(shù)、側(cè)脈夾角和葉寬基距不適合作為評選優(yōu)良雜交組合的標(biāo)準(zhǔn)。材積是評價苗期生長量的主要因子，利用通徑分析方法分析苗高、地徑和葉片性狀對材積生長量的遺傳控制作用大小及控制途徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)苗高、地徑對材積的直接遺傳控制作用最大，苗高通過地徑對材積的間接控制作用也較大，可知苗高和地徑是影響材積生長量的首要因子，在綜合評價過程中苗高和地徑性狀可作為主要選擇目標(biāo)；葉片性狀中，葉柄長、葉面積對材積的直接通徑系數(shù)較小，葉寬和葉周長的直接通徑系數(shù)為負(fù)，即為負(fù)向選擇，但這些葉片性狀通過苗高和地徑對材積產(chǎn)生的正向間接遺傳控制作用較大，說明葉片性狀對材積的控制途徑主要通過與苗高和地徑間的遺傳相互作用來實現(xiàn)。這與李春明等[18]對毛白楊Populus tomentosa雜種無性系苗高、地徑的構(gòu)成因素研究結(jié)果相類似，表明開展苗期生長性狀與葉片性狀的聯(lián)合選擇是可行的。

育種目標(biāo)是雜交親本選擇與選配的首先考慮因素。美洲黑楊作為中國南方型速生工業(yè)用材和綠化造林樹種，速生、優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)是主要育種目標(biāo)。本研究選用生長量較大、干形圓滿通直及抗褐斑病的主要美洲黑楊(S3239、南林3 804、南林15楊和泗楊2號等)品種作親本，研究生長性狀與葉形性狀間的遺傳互作，進(jìn)行生長性狀與葉片性狀的聯(lián)合改良；以苗高、地徑作為選擇依據(jù)，選出B106×NL15、S3239×NL15、NL447×SY2等3個速生、高產(chǎn)的優(yōu)良雜交組合，同時發(fā)現(xiàn)材積生長量獲得的遺傳增益最大(26.90%)，改良效果較好。但本研究只是1年生苗和單地點試驗數(shù)據(jù)，后續(xù)研究需增加多年多點的無性系苗期對比試驗，以便選出性狀更優(yōu)良、遺傳穩(wěn)定的優(yōu)良雜種無性系。