亞美馬褂木無性系幼林生長性狀變異及選擇研究*

楊軍賀 ，傅愛平 ，鐘永達(dá) ，吳照祥 ，李輝虎 ，劉騰云 ，楊愛紅 ，陳彩慧 ，徐立安 ，余發(fā)新

(1.江西省科學(xué)院生物資源研究所/江西省觀賞植物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330096；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；3.永豐李山林場，江西 吉安 331504)

目前，雜交育種依然是林木育種中最主要和最有效的育種手段之一，它能夠有效結(jié)合雙親的優(yōu)良性狀，獲得優(yōu)于親本的雜種優(yōu)勢，進(jìn)一步選育出優(yōu)良單株[1-2]。獲得的優(yōu)株通過無性繁殖，建立無性系測定林，最終選育出良種。通過無性繁殖建立測定林，既避免了雜種優(yōu)勢的丟失，還大大縮短了育種周期，降低了育種成本，提高了人工林的生產(chǎn)力[3-5]。為進(jìn)一步縮短優(yōu)良無性系選育時(shí)間，研究人員對林木的早期選擇進(jìn)行了大量研究[6-8]。鵝掌楸屬(Liriodendron)為第三紀(jì)孑遺樹種，現(xiàn)自然界中僅存分布于中國的馬褂木〔Liriodendronchinense(Hemsl.) Sarg.〕和分布于北美洲的北美鵝掌楸(L.tulipiferaLinn.)[9]。南京林業(yè)大學(xué)已故著名林木育種學(xué)家葉培忠教授于1963年首次以中國馬褂木為母本，北美鵝掌楸為父本，通過人工控制雜交授粉獲得亞美馬褂木(L.sino-americanumP.C.Yieh ex Shang et Z.R.Wang)，又稱雜交鵝掌楸[10]。其綜合了雙親的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)多地點(diǎn)長時(shí)間栽培實(shí)踐，表現(xiàn)出明顯的雜交優(yōu)勢，速生性、適應(yīng)性和抗逆性、觀賞性優(yōu)勢明顯，而且在木材密度、纖維長寬等各方面都達(dá)到了紙漿材及板材用材標(biāo)準(zhǔn)。因此，亞美馬褂木在園林綠化和用材林營造中具有廣闊的應(yīng)用前景[11-14]。已有研究表明，亞美馬褂木作為速生雜交樹種，其樹高、胸徑等生長性狀間在未達(dá)到成熟年齡之前相關(guān)性較高，樹齡3 a時(shí)即具有較高的選擇效率[15]。本研究旨在探索亞美馬褂木無性系早期生長和遺傳變異規(guī)律，以期為亞美馬褂木無性系良種選育和生產(chǎn)實(shí)踐提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江西省樂平市鸕鶿鄉(xiāng)(28°54′N，117°19′E)，屬亞熱帶潮濕季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.3 ℃，活動(dòng)積溫5 700 ℃ 左右，常年無霜期219～313 d，年平均降水量1 672 mm，年蒸發(fā)量1 220 mm，年平均日照為1 766 h；海拔71 m，矮山丘陵地；坡向?yàn)槟掀潞臀髂掀拢露冉橛?5°～45°；紅壤土，厚度及肥力中等。

1.2 試驗(yàn)材料及方法

2003年4月，以南京林業(yè)大學(xué)樹木園內(nèi)5株北美鵝掌楸的混合花粉為父本，南昌市林科所茶園山林場和羅亭鄉(xiāng)洪家村各1株成齡馬褂木為母本進(jìn)行人工雜交授粉。2004年用雜交種子播種育苗后獲得F1子代苗1 000余株。2013年從中選擇72株優(yōu)良單株種植于江西省科學(xué)院資源與環(huán)境綜合實(shí)驗(yàn)基地并建立采穗圃(位于南昌縣黃馬鄉(xiāng))。2018年春季以1 a生扦插苗營造無性系試驗(yàn)林，受限于林地面積及成活率，試驗(yàn)林包括30個(gè)無性系。采用常規(guī)林木無性系育種的方式[16-18]，試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，10株小區(qū)，3次重復(fù)，株行距3 m × 4 m，四周設(shè)保護(hù)行。造林苗出圃時(shí)以及2018—2020年每年冬季在亞美馬褂木進(jìn)入休眠期后進(jìn)行苗高和地徑每木調(diào)查，共4次。地徑采用游標(biāo)卡尺(0.01 mm)測量，苗高采用鋼卷尺(0.01 m)測量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel、SPSS 22.0等軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。方差分析線性模型如下。

Yijk=μ+Bi+Fj+eijk

式中：Yijk為第i區(qū)組內(nèi)第j個(gè)無性系的第k個(gè)單株的觀測值，μ為總體平均值，Bi為第i個(gè)區(qū)組的固定效應(yīng)，F(xiàn)j為第j個(gè)無性系的隨機(jī)效應(yīng)，eijk為隨機(jī)誤差。

依據(jù)方差分析結(jié)果進(jìn)行苗高和地徑的遺傳參數(shù)估算，包括重復(fù)力、變異系數(shù)、遺傳和環(huán)境方差、遺傳和現(xiàn)實(shí)增益等[19-21]。

采用性狀表現(xiàn)水平分析法和加權(quán)系數(shù)法(權(quán)重賦值采用等權(quán)法，即以各性狀的表型標(biāo)準(zhǔn)差的倒數(shù)作為該性狀的權(quán)重)2種方法分別對試驗(yàn)林參試無性系進(jìn)行評價(jià)排序，以20%入選率分別篩選出得分較高的無性系，將通過2種計(jì)算方法均能入選前20%的無性系選為優(yōu)良無性系。具體計(jì)算公式[16,22]如下。

性狀表現(xiàn)水平 =(無性系平均值 - 無性系中的最小值)/(標(biāo)準(zhǔn)差×4)

2 結(jié)果與分析

2.1 生長性狀變異分析及多重比較

從表1中可以看出：亞美馬褂木無性系出圃苗以及在造林1 a、2 a和3 a時(shí)的苗高平均值分別為0.44 m、0.60 m、1.22 m和2.27m，地徑平均值分別為0.89 cm、1.49 cm、2.46 cm和4.49cm；苗高的表型變異系數(shù)從出圃苗到造林2 a苗逐年下降，造林3 a時(shí)趨于穩(wěn)定，依次為74.53%、52.31%、23.27%和25.04%；而地徑的表型變異系數(shù)則小于苗高，呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢，依次為37.07%、14.49%、17.25%和19.68%。生長量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明亞美馬褂木無性系的生長性狀在幼林時(shí)期較不穩(wěn)定。

表1 亞美馬褂木無性系的生長性狀統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of growth traits of L.sino-americanum clones

對亞美馬褂木造林3年時(shí)各無性系的生長性狀進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和多重比較(表2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：造林3 a時(shí)苗高高于總體平均值20%的無性系有7個(gè)，分別為無性系祥13、2、8、23、24、29和2-3-0，現(xiàn)實(shí)增益分別為26.03%、38.38%、23.89%、37.36%、25.86%、41.57%和35.20%；地徑高于總體平均值20%的無性系有6個(gè)，分別為無性系祥13、2、8、23、24和29，現(xiàn)實(shí)增益分別為21.22%、31.87%、22.51%、31.18%、28.37%和30.08%；無性系祥13、2、8、23、24和29的苗高及地徑均高于總體平均值20%；生長量最低的無性系為1-3-0，其苗高和地徑僅為總平均值的37.79%和54.46%。

表2 3年生亞美馬褂木無性系生長性狀統(tǒng)計(jì)及多重比較Tab.2 Growth status and multiple comparison of 3-years-old L.sino-americanum clones

續(xù)表2

2.2 方差分析及遺傳參數(shù)估算

對亞美馬褂木無性系試驗(yàn)林出圃苗以及造林后的生長性狀分別進(jìn)行方差分析，從表3可以看出，除在造林2 a時(shí)地徑性狀在區(qū)組間存在顯著差異(P<0.05)及造林3 a時(shí)地徑性狀在區(qū)組間差異不顯著(P>0.05)外，其它生長性狀在無性系間和區(qū)組間均存在極顯著差異(P<0.01)。表明從這些優(yōu)良單株無性系中進(jìn)行良種選育是可行的。

表3 亞美馬褂木無性系生長性狀方差分析表Tab.3 Variance analysis of growth traits of L.sino-americanum clones

亞美馬褂木無性系試驗(yàn)林各年份生長性狀的遺傳變異系數(shù)(表4)均遠(yuǎn)高于表型變異系數(shù)(表1)，且隨著林齡的增加，遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)的下降幅度大體一致，表明其產(chǎn)生變異的主要原因仍然是無性系間基因型的差異。出圃苗苗高和地徑的遺傳方差分量分別為1.022和1.025，而環(huán)境方差分量分別為0.067和0.118，并且苗高和地徑的單株重復(fù)力和無性系重復(fù)力均在0.9以上，進(jìn)一步說明亞美馬褂木無性系在苗圃地內(nèi)較理想環(huán)境下產(chǎn)生的豐富變異主要是由基因型差異所造成的[23]。在全部觀測年份內(nèi)，苗高和地徑的無性系重復(fù)力均大于單株重復(fù)力，造林3 a時(shí)苗高和地徑的無性系重復(fù)力依然可以達(dá)到0.84和0.79，表明無性系比單株具有更加明顯的遺傳效應(yīng)。因此，在此試驗(yàn)林的無性系間開展選優(yōu)工作具有更大可靠性。

表4 亞美馬褂木無性系生長性狀主要遺傳參數(shù)Tab.4 Main genetic parameters of growth characters of L.sino-americanum clones

2.3 優(yōu)良無性系初步選擇及遺傳增益

采用性狀表現(xiàn)水平分析法和加權(quán)系數(shù)法分別對造林3年時(shí)無性系試驗(yàn)林進(jìn)行綜合評價(jià)和排序，結(jié)果見表5。

表5 亞美馬褂木無性系綜合評價(jià)及排序Tab.5 Comprehensive evaluation and sorting of L.sino-americanum clones

其中，加權(quán)系數(shù)法相關(guān)性狀經(jīng)濟(jì)權(quán)重值的確定采用等權(quán)法，即以各性狀的表型標(biāo)準(zhǔn)差的倒數(shù)作為該性狀的權(quán)重[19]，通過計(jì)算得出苗高和地徑的權(quán)重值分別為0.6和0.4。采用性狀表現(xiàn)水平法進(jìn)行綜合評價(jià)排序的結(jié)果中，無性系水平值超過無性系群體平均水平值的無性系有15個(gè)，分別超過群體平均水平值4.99%～41.28%，無性系水平值達(dá)到100以上的無性系有祥23、29、8和2-3-0，水平值分別超過群體平均水平值31.61%～41.28%，而無性系水平值最低的無性系為1-3-0，其無性系水平值僅有群體平均水平值的36.78%，為最高水平值的26.04%。采用加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行綜合評價(jià)排序的結(jié)果中，I值超過無性系群體平均值0.80的無性系有15個(gè)，分別超過群體平均值1.56%～37.79%，而I值大于1的無性系有29、2、23、2-3-0、24、祥13和8，分別超過群體平均值23.92%～37.79%，I值最低的無性系同樣是1-3-0，其I值僅有群體平均值的44.38%，為I值最大無性系的32.21%。

以20%的入選率，根據(jù)性狀表現(xiàn)水平分析法選出的優(yōu)良無性系為23、29、8、2-3-0、24和祥10，根據(jù)加權(quán)系數(shù)法選出的優(yōu)良無性系為29、2、23、2-3-0、24和祥13。以此結(jié)果來看，雖然通過兩種方法所得到的排序結(jié)果有一定差異，但入選的優(yōu)良無性系差別不大，分別入選的6個(gè)優(yōu)良無性系有4個(gè)是共有無性系，分別為23、29、2-3-0和24。共有優(yōu)良無性系苗高和地徑的平均值分別為3.08 m和5.71 cm，平均遺傳增益分別為30.05%和21.38%，苗高和地徑遺傳增益最高的無性系分別是29和23，為35.62%和25.04%，苗高和地徑遺傳增益最低的無性系分別是24和2-3-0，為22.30%和13.48%；苗高和地徑平均現(xiàn)實(shí)增益為35.60%和27.16%，同樣，苗高和地徑現(xiàn)實(shí)增益最高的無性系分別是29和23，為42.19%和31.82%，最低的無性系分別是24和2-3-0，為26.42%和17.13%(表6)。

表6 入選亞美馬褂木無性系生長性狀值及遺傳增益Tab.6 Growth characters and genetic gain of clones selected in L.sino-americanum

3 討論與結(jié)論

為進(jìn)一步研究亞美馬褂木雜交優(yōu)勢，本研究以優(yōu)良親本雜交授粉獲得F1半同胞子代實(shí)生苗，選擇30個(gè)優(yōu)良單株進(jìn)行無性系擴(kuò)繁，營建無性系子代測定林。通過對30個(gè)無性系生長性狀的差異分析以及遺傳參數(shù)估算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞美馬褂木苗高和地徑在無性系間存在極顯著差異(P<0.01)，無性系較單株的遺傳效應(yīng)更加明顯。袁曉峰[24]通過對兩批亞美馬褂木優(yōu)良單株無性系苗期生長量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地徑、苗高差異在無性系間均達(dá)極顯著水平，表明開展亞美馬褂木無性系選擇是可行的，以苗高平均值高于參試無性系苗高平均值為指標(biāo)，結(jié)合成活率，共復(fù)選出92個(gè)無性系。舒?zhèn)チ諿15]根據(jù)亞美馬褂木無性系胸徑、苗高、材積及重復(fù)力4個(gè)指標(biāo)，通過綜合指數(shù)選出了8個(gè)速生無性系,其單株胸徑、苗高、材積年均生長量遺傳增益分別達(dá)14.09%、11.97%及47.14%。李婷等[25]、徐瑢等[26]分別對白花泡桐(Paulowniafortunei)和白蠟樹(Fraxinuschinensis)無性系進(jìn)行了早期評價(jià)與選擇，其研究結(jié)果均選擇出了遺傳增益較高的優(yōu)良無性系，說明了早期選擇的科學(xué)性。

亞美馬褂木無性系從出圃苗到造林3 a時(shí)，苗高的遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)均隨著林齡的增大而降低，地徑則呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，但升高不明顯，而苗高和地徑的無性系重復(fù)力以及單株重復(fù)力均隨著林齡的增大而降低。張春回等[27]在研究亞美馬褂木早期生長表現(xiàn)中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。對其它樹種如尾葉桉(Eucalyptusurophylla)[28]的研究也有類似的結(jié)果，這表明環(huán)境對無性系試驗(yàn)林的影響不可忽略。王云鵬等[29]對木荷(Schimasuperba)的生長性狀及材性性狀的研究發(fā)現(xiàn)，其生長性狀除遺傳控制外，還受遺傳與環(huán)境互作的影響，從而應(yīng)開展環(huán)境與基因型互作研究，選擇多個(gè)地點(diǎn)營建無性系試驗(yàn)林，以提高推廣生產(chǎn)時(shí)的適應(yīng)性[25,29-31]。本研究采用性狀表現(xiàn)水平分析法和加權(quán)系數(shù)法分別對參試無性系進(jìn)行綜合評價(jià)排序[16,19,22]，從評價(jià)結(jié)果來看，與王胤等[22]采用同樣的兩種方法對馬尾松(Pinusmassoniana)無性系的綜合評價(jià)選擇結(jié)果不同，加權(quán)系數(shù)法各性狀經(jīng)濟(jì)權(quán)重的設(shè)置和參試無性系數(shù)量不同可能是造成評價(jià)結(jié)果不同的原因。

雖然早期選擇可大幅度縮短育種周期，但同時(shí)也因林木的生長周期較長而錯(cuò)過后期生長潛力大的無性系。因此，本研究初選出較高比例的無性系，通過連年觀測試驗(yàn)林無性系生長性狀，多階段結(jié)合進(jìn)行優(yōu)良無性系選育[32-34]。后續(xù)研究宜增加材性性狀作為選優(yōu)指標(biāo)，進(jìn)行多性狀綜合選擇以滿足更多培育目標(biāo)的要求并最大限度地提高選擇增益。

綜上所述，本研究對30個(gè)亞美馬褂木無性系的生長性狀進(jìn)行差異分析以及遺傳參數(shù)估算，結(jié)果表明苗高、地徑的遺傳效應(yīng)表現(xiàn)為無性系較單株的明顯，在無性系間進(jìn)行良種選擇是可行的；采用性狀表現(xiàn)水平分析法和加權(quán)系數(shù)法綜合初選出較高比例的無性系并從中優(yōu)選4個(gè)優(yōu)良無性系，分別為無性系23、29、2-3-0和24，其平均苗高和地徑分別為3.08 m和5.71 cm，平均遺傳增益和現(xiàn)實(shí)增益分別為30.05%、21.38%和35.60%、27.16%。研究結(jié)果可為亞美馬褂木良種推廣應(yīng)用以及后續(xù)研究提供材料和技術(shù)參考。