白樺半同胞家系紙漿材優(yōu)良家系選擇及選擇方法評價

陳柄華 張 杰 劉桂豐 李思婷 高元科 李慧玉 李天芳

（1.東北林業(yè)大學林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2.黑龍江省林業(yè)科學研究所，哈爾濱 150040；3.吉林省永吉縣林業(yè)局，永吉 132200）

自2010 年以來，我國紙漿進口率由14.3%提高到了38.0%，進口依存度不斷攀升，國內木材供應遠遠不能滿足造紙業(yè)的需求。2020年我國紙漿生產中木材紙漿的占比只有20%，嚴重威脅到了我國的木材安全。因此，基于我國當前紙漿產量不高，森林資源不足，木材紙漿占比不大的問題，培育優(yōu)質紙漿材樹種，是提高工業(yè)紙漿原料產量的重中之重［1］。

我國在楊樹（Populus）、馬尾松（Pinus massoniana）、桉樹（Eucalyptus robusta）等樹種在紙漿材良種研究中有了一定的突破。我國從1946年就已經開始了楊樹良種選育工作，目前楊樹紙漿材培育開始由粗放型向定向型轉變，充分利用楊樹的生長快、成材早等特點，成功培育出如“魯林”系列楊樹紙漿材良種［2-3］。馬尾松紙漿材選育工作始于“八五”時期，圍繞材性變異、造紙性能群體變異、幼-成齡材性相關等方面做了深入的研究，發(fā)現(xiàn)20年生馬尾松木材制漿性能有一定優(yōu)越性；并揭示晚材率是影響木材密度的關鍵因子［4-5］。桉樹是我國重要的紙漿材樹種之一，在良種選育展開了高纖維紙漿材新品系篩選及紙漿得率、產量與質量形成機理等方面研究。

白樺（Betula platyphylla）是東北地區(qū)的重要闊葉鄉(xiāng)土速生樹種之一，廣泛分布于14個省區(qū)，其中2/3 集中在東北地區(qū)。白樺生長快、適應性強，是森林更新的先鋒樹種，同時白樺纖維長度及長寬比，木材密度和木材化學成分等方面均符合紙漿造紙需求，也是非常優(yōu)良的紙漿材樹種［6］，自20 世紀80 年代起，我國相繼開展了全分布區(qū)白樺種源試驗，將17 個種源劃分為5 個種源區(qū)。通過雜交育種、基因工程育種、航天誘變育種及倍性育種等方面的白樺遺傳改良研究［7-9］，選育出一批以速生為育種目標的國家級和省部級（認定）良種及新品種。但目前國內在白樺良種選育方面研究涉及到紙漿材部分比較缺乏，祝澤兵等［10］對5 年生50 個白樺自由授粉家系的生長和材性性狀進行遺傳分析，通過指數選擇法選擇出7個生長和材性兼優(yōu)的紙漿材家系；寧坤等［11］通過對帽兒山地區(qū)6 年生49 個家系為實驗材料，通過生長性狀和材性性狀綜合分析進行篩選白樺優(yōu)良紙漿材家系。基于此，本研究以7年生白樺強化種子園制種母樹自由授粉子代為試材，分析生長和木材性狀等10 個生理指標的遺傳變異規(guī)律，通過多性狀綜合分析開展家系和母樹選擇，并對3種不同選擇方法結果進行綜合評價，以期為培育優(yōu)良白樺紙漿材新品種和種子園的改建提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

在東北林業(yè)大學白樺強化種子園（45°43′N，126°38′E），對32 株制種母樹進行自由授粉，2013年采種，2014 年在白樺選育基地大棚播種育苗，2015年春在黑龍江省尚志市東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場（45°14′N，127°29′E）開展造林試驗。該造林地屬于長白山系張廣才嶺西坡小嶺余脈，低山丘陵地貌，暗棕壤，平均海拔300 m，年平均氣溫2.8 ℃，無霜期120 d，年平均降水量723 mm。采用完全隨機區(qū)組設計，5 個區(qū)組，10 株小區(qū)，單行排列，株行距4 m×1 m。

1.2 方法

1.2.1 生長性狀的測定

2021年10月對定植于帽兒山實驗林場的32個家系樹高（H）和胸徑（DBH）等生長指標進行全林調查。

利用白樺二元材積表公式計算單株材積（V）：

1.2.2 材性性狀測定

每個家系隨機選取10 株，每株取陽面中部1 個活枝，基部截取4 組（A，B，C，D）2 cm 長度的小木段，A組在測定基本密度（DB）之后與B、C組一同用于木質素（L）、纖維素（C）、半纖維素（CH）測定，D組則用于纖維長度（FL）和纖維寬度（FW）測定。采用國標GB-1933-1991 測量并計算待測樣品的基本密度；采用硫酸蒽酮比色法測定植物纖維素含量；采用鹽酸水解法測定植物半纖維素含量；采用濃硫酸法測定植物木質素含量。采用桀弗雷法解離，在光學顯微鏡下測量其纖維的長度及寬度，每個株系隨機測定100根完整的纖維，并計算纖維長寬比（RFLW）。

1.2.3 數據分析方法

利用SPSS 26、Minitab 19 等軟件進行數據處理和分析，采用R 語言繪制相關性分析圖和計算各性狀育種值。使用Pearson 公式進行性狀相關性分析；用布雷金多性狀綜合評價法、主成分分析法和育種值3種方法進行家系評價。

生長性狀方差分析線性模型公式：

式中：μ為總體平均值；Fi為家系間效應；Bj為區(qū)組間效應；FBij為家系和區(qū)組之間的交互效應；eijk為隨機誤差。

材性性狀方差分析線性模型公式：

式中：μ為總體平均值；Fi為家系間效應；eij為隨機誤差。

家系遺傳力公式：

式中：Xi為某一性狀某一家系平均值；X..為該性狀總體平均值。

表型變異系數公式：

式中：S為某一性狀的標準差；xˉ為某一性狀的群體均值。

Pearson相關公式

式中：n為評價性狀的數量；Xij為某一性狀的群體均值；Xjmax為該性狀的最大值。

使用R 軟件中的lme4 程序包進行計算育種值，BLUP混合線性模型公式［13］：

式中：y為某一性狀的觀測值向量；β為模型的固定效應；u為模型的隨機效應；X和Z分別是β和u的相關矩陣；e為隨機誤差。

遺傳增益公式：

式中：x為入選家系某一性狀的值；Xˉ為該性狀群體總平均值；h2F為家系遺傳力。

2 結果與分析

2.1 白樺家系各性狀遺傳變異分析

對32個家系的生長和材性性狀方差分析結果表明，胸徑、樹高、材積、基本密度、木質素含量、纖維素含量、半纖維素含量、纖維長度、纖維寬度和纖維長寬比在家系間達到極顯著差異水平（P＜0.01）（表1），說明各指標差異主要是由于遺傳因素影響所導致的，因此這些指標在遺傳選擇和改良上有很大潛力。

表1 白樺半同胞家系各指標方差分析Table 1 ANOVA of traits in half sibling families of B. platyphylla

各個家系胸徑、樹高、材積、基本密度、木質素含量、纖維素含量、半纖維素含量、纖維長度、纖維寬度及纖維長寬比的平均值分別為7.67 cm、7.41 m、0.001 826 m3、0.50 g·cm-3、27.51%、173.96 mg·g-1、203.52 mg·g-1、716.43 μm、16.37 μm、45.27。所有指標的家系遺傳力均超過0.7，達到高遺傳力水平，尤其是纖維素含量、半纖維素含量、纖維長度和纖維長寬比的家系遺傳力已經超過0.9；其單株遺傳力均超過2.75，尤以纖維素含量最為突出（表2）。纖維長度和纖維長寬比在家系間表型變異系數達到20%，纖維素含量變異系數也超過10%，充分說明材性性狀在家系之間存在豐富的變異。

表2 白樺半同胞家系各指標遺傳變異參數Table 2 Genetic variation parameters of traits in half sibling families of B. platyphylla

2.2 不同母本對雜交子代生長性狀的影響

一般配合力是反映親本加性基因的效應，其大小可以說明親本對子代的影響，因此一般配合力可以用于親本選擇［14］。32個白樺半同胞家系各性狀一般配合力見表3。從結果上看，材積、基本密度、纖維素含量、半纖維素含量、纖維長度和纖 維 長 寬 比 的 一 般 配 合 力 是-0.001 1～0.001 0、-0.04～0.07、-81.24～97.85、-31.81～43.63、-112.09～77.36、-7.93～10.40。對于材積來說，A13、A19、A30、A22、A1家系的一般配合力較高；對于纖維素含量來說，A16、A9、SL、A21、A23 家系一般配合力較高；對于基本密度來說，A12、A6、A24、A18、A21家系一般配合力較高；對于纖維長度來說，A24、A25、A30、A21、A12 家系的一般配合力較高；對于纖維長寬比來說，A24、A21、A10、A4、A12 家系一般配合力較高。其中家系A24 和A12 在基本密度、纖維長度、纖維長寬比的一般配合力均很高，家系A21 在纖維素含量、基本密度、纖維長度和纖維長寬比的一般配合力均很高，家系A13 在材積的一般配合力較高?？梢钥闯鯝13、A12、A21、A24家系的母本屬于優(yōu)良親本。

2.3 白樺家系各性狀相關性

采用Pearson 法對白樺半同胞家系的生長和材性性狀做進行相關性分析（圖1）。結果表明，胸徑、樹高、材積3個生長指標間呈極顯著強正相關，纖維長寬比與纖維長度、纖維寬度間分別呈極顯著強正相關及極顯著強負相關，纖維長度、纖維寬度和基本密度與生長性狀之間均存在正相關，基本密度與纖維長度和纖維長寬比之間存在高度正相關，木質素含量與纖維素、半纖維素之間均存在負相關，但與生長性狀均呈現(xiàn)正相關，纖維素含量與纖維長度之間存在正相關。從整體上看，生長性狀間相關性大，而生長性狀與材性性狀之間相關性較弱。

圖1 白樺半同胞家系各指標相關性圖中顏色越淺，說明正相關系數大；顏色越深，說明負相關系數大；*代表相關性達到了顯著水平（P＜0.05）；**代表相關性達到了極顯著水平（P＜0.01）Fig.1 Correlation analysis of traits in half sibling families of B. platyphylla Suk.The closer the color is to white，the greater the positive correlation coefficient；The closer the color is to black，the greater the negative correlation coefficient；* indicates that the correlation has reached a significant leve（lP＜0.05）；** indicates that the correlation has reached a very significant level（P＜0.01）

2.4 參試雜交組合生長及紙漿材性狀綜合評價

2.4.1 布雷金綜合多性狀評價法

通過對32個半同胞家系纖維素、半纖維素、木質素、纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比、胸徑、樹高、材積和基本密度這10個指標進行綜合評價，獲得的Qi見表4。以15%的入選率對32 個白樺半同胞家系進行選擇，選擇A12、A13、A30、A7、A19 為優(yōu)良家系。但由于家系A30 的纖維素含量顯著低于總體平均值，因此不作為優(yōu)良家系入選，所以將其剔除，最終選擇A12、A13、A7、A19、A22 為優(yōu)良家系，在優(yōu)良家系各性狀遺傳增益中（表5），材積可以達到25.52%，纖維素含量最大可以達到4.25%，基本密度可以達到8.51%，纖維長度可以達到4.84%。

表4 不同家系Qi排序Table 4 Qi values of different families

表5 布雷金入選優(yōu)良家系各性狀遺傳增益Table 5 Genetic gains of traits in Breckin selected excellent families

2.4.2 主成分分析法

白樺半同胞家系各指標主成分分析結果（表6）?？梢钥闯觯鞒煞症竦奶卣髦禐?.005，貢獻率為30.053%，樹高、胸徑、材積的特征值均較高，分別為0.894、0.831和0.925；主成分Ⅱ的特征值為2.162，貢獻率為21.621%，纖維長度、纖維寬度、纖維長寬比的特征值均較高，分別為0.766、0.575、0.914；主成分Ⅲ的特征值為1.353，貢獻率為13.526%，其中基本密度、纖維素、半纖維素的特征值比較高，為0.682、0.574、0.373；主成分Ⅳ的特征值為1.022，貢獻率為10.219%，其中木質素貢獻率較高，為0.715。四個主成分的累計貢獻率達到了75.419%。

表6 白樺半同胞家系紙漿造紙材各指標主成分分析Table 6 Principal component analysis of pulp and papermaking materials of half-sibling family of B. platyphylla

計算主成分得分（Y）公式：

式中：X1為因子1的得分；X2為因子2的得分；X3為因子3的得分；X4為因子4的得分。

將各家系得分匯總得到一個綜合排序表（表7），以15%的入選率對32 個白樺半同胞家系進行選擇，通過主成分分析篩選出A30、A19、A12、A13、A1 為優(yōu)良家系，但由于家系A30 的纖維素含量顯著低于總體平均值，將其剔除，最終選擇出A19、A12、A13、A1、A14 為優(yōu)良家系。在優(yōu)良家系各性狀遺傳增益中（表8），材積最大可以達到25.52%，綜纖維素最大可以達到4.25%，基本密度最大可以達到8.51%，纖維長度最大可以達到4.85%。

表7 各家系Y排序Table 7 Ranking of Y values for different families

表8 主成分入選優(yōu)良家系各指標遺傳增益Table 8 Genetic gains of traits in superior families selected by principal component

2.4.3 育種值評價法

通過BLUP 計算各家系材積、基本密度、綜纖維素（纖維素+半纖維素）、纖維長度這4 個指標的育種值，綜合評價后獲得的各家系育種值（表9）。以15%的入選率對32 個白樺半同胞家系進行選擇，選擇出A12、A17、A23、A30、A19 為優(yōu)良家系。但由于家系A30 的纖維素含量顯著低于總體平均值，將其剔除，最終選擇出A12、A17、A23、A19、A1為優(yōu)良家系，入選家系各性狀遺傳增益中，材積、綜纖維素、基本密度和纖維長度遺傳增益可達21.54%、16.47%、8.51%和4.85%（表10）。

表9 各家系育種值匯總排序Table 9 Summary and ranking of breeding values of different families

表10 育種值入選優(yōu)良家系各指標遺傳增益Table 10 Genetic gains of traits in selected excellent families

3 討論

3.1 遺傳變異研究

變異是林木遺傳育種的源泉，遺傳則可以將變異穩(wěn)定傳遞，兩者相結合則對于林木的遺傳改良和選擇育種有著重要的意義［15］。雜交親本性狀差異越大，遺傳多樣性越高，培育出符合育種目標的子代的潛力越大［16］。白樺強化種子園包括來自歐洲白樺（Betula pendula）、日本白樺（B.platyphyllavar.japonica）、白樺3 個種和白樺不同種源的優(yōu)樹，說明母樹產生的子代存在豐富變異潛力。自建園以來，多位學者對種子園內母樹進行過多輪的選擇評價和去劣留優(yōu)。劉宇等［17］和寧坤等［11］對種子園控制授粉子代遺傳變異的研究發(fā)現(xiàn)，生長和材性性狀均達到了極顯著差異，而且各指標的變異系數較大存在豐富變異。姜靜等［18］分析了種子園半同胞家系生長性狀遺傳參數，發(fā)現(xiàn)各性狀在家系之間差異極顯著，家系選擇潛力較大。在本研究，白樺種子園半同胞家系在生長和材性性狀之間均達到了極顯著差異，各指標的表型變異系數在5.88%～49.84%，遺傳力在0.7～1.0，這正說明不同家系之間生長和材性性狀有著豐富的變異，且主要受遺傳控制。同時在紙漿材選育中，材性性狀之間的遺傳變異是整個紙漿材選育工作的重要組成部分，在紙漿原料品質的評價指標中，纖維形態(tài)與成紙質量有很大程度的關聯(lián)性，比如纖維長度與紙張強度之間的線性相關，纖維長寬比可以影響纖維之間的交織次數等［19］，在本研究，纖維長度和纖維長寬比在家系間表型變異系數達到了17%以上，家系遺傳力均超過了0.9，因此材性性狀具有較高的表型變異系數和較高的遺傳力，可以更好地對優(yōu)良家系進行評價。

3.2 多性狀選擇方法評價

多性狀綜合分析法是可以利用所有指標對研究對象進行綜合分析的一種方法，目前應用較為廣泛的是布雷金多性狀綜合分析法、主成分分析法和育種值評價法。

布雷金多性狀綜合分析法可以系統(tǒng)的對于每一個指標進行等權并進行標準化處理［20］，在本研究中布雷金法最終以15%入選率選出優(yōu)良家系A12、A13、A7、A19、A22。說明這5個家系的生長性狀和材性性狀均處于優(yōu)秀狀態(tài)，但是由于工業(yè)造紙行業(yè)對木材需求不同，所選育的紙漿材良種目標也是不盡相同，因此在紙漿材選擇中，需要有針對的對指標的權重進行一定程度的調整，比如側重于材積、基本密度、綜纖維素、纖維長寬比等指標，然而布雷金法在進行多性狀綜合評價時沒有針對目的指標權重進行側重，這就有可能導致某些目標指標優(yōu)秀的家系被忽略，同時布雷金法選擇家系的遺傳增益較其他2種方法而言較小，因此本研究并不使用布雷金法作為最終的綜合評價法。

主成分分析法是通過將多個變量指標綜合成少數幾個變量指標，但這些少數幾個變量指標依然能夠較大程度的反映原先多個變量指標的一種統(tǒng)計方法［21］。在主成分分析中，主成分Ⅰ代表了生長性狀，而主成分Ⅱ和Ⅲ代表著木材材性性狀，利用各個成分的特征值作為權重，將成分貢獻率和指標因子之間乘積求和最終選擇出優(yōu)良家系。育種值評價法作為表型遺傳效應中的加性效應，在環(huán)境復雜的山地中，可以有效地剔除環(huán)境變化導致的非遺傳因素影響，在選擇中更具有選擇準確性［8］。對比育種值和主成分分析法所選擇出的優(yōu)良家系的遺傳增益，發(fā)現(xiàn)育種值所選擇出的優(yōu)良家系雖然在材積性狀上略微低于主成分分析法所選擇的優(yōu)良家系，但是在基本密度、綜纖維素、纖維長度等對紙漿材具有重要作用的指標中均優(yōu)于主成分分析法，因此在最終選擇育種值法作為多性狀選擇方法。育種值評價法在畜牧業(yè)、農業(yè)上使用較為廣泛，是一種高效的評價方法，如今在林業(yè)上也有越來越多的學者使用育種值評價法進行家系、無性系的評價，在尾葉桉（Eucalyptus urophylla）、火炬松（Pinus taeda）、馬尾松等樹種選擇均有應用［22-24］。

4 結論

本研究以7 年生白樺種子園制種母樹自由授粉子代為試材，分析生長和木材性狀的遺傳變異規(guī)律，通過多性狀綜合分析開展家系和母樹評價，得到以下結論：32 個白樺半同胞家系間生長和木材性狀均達到了極顯著差異水平。10個指標變異系數為5.88%～49.84%，遺傳力均達到0.7 以上；利用一般配合力進行優(yōu)良親本評價，材積、基本密度、纖維素、半纖維素、纖維長度和纖維長寬比的一般配合力分別是-0.001 1～0.001 0、-0.04～0.07、-81.24～97.85、-31.81～43.63、-112.09～77.36、-7.93～10.40，選擇出A13、A12、A21、A24四個家系的母本屬于優(yōu)良親本；對3種綜合評價方法的優(yōu)劣及計算結果的遺傳增益對比分析，育種值評價法為最終優(yōu)良家系評價方法；通過育種值評價法法進行多性狀綜合評價，最終選擇出A12、A17、A23、A19、A1 為優(yōu)良家系，入選家系材積、綜纖維素、基本密度和纖維長度遺傳增益可達21.54%、16.47%、8.51%和4.85%。