不同結(jié)實(shí)量的杉木種子發(fā)芽率與種實(shí)性狀相關(guān)性及通徑分析

韓 凈, 葉騰云, 葉代全, 王子墨, 陳明星, 李文芳, 周 堅(jiān)

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院, 南京 210037;3.福建省洋口國有林場, 福建 順昌 353211; 4.建甌市林業(yè)局, 福建 建甌 353100)

杉木(Cunninghamialanceolata)又名沙木、沙樹等,屬柏目杉科喬木,廣泛分布于我國東南部、中部和西南部地區(qū)16個(gè)省(區(qū)、市)[1],是我國南方重要的速生用材樹種,具有生長快、材性好、單產(chǎn)高、分布廣等特點(diǎn),在南方林木業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位[2],是重要的防護(hù)林樹種,具有很高的藥用價(jià)值,每年更新面積大,種子需求量大,僅福建省每年平均杉木造林面積達(dá)2萬hm2, 需種量達(dá)1.8萬kg,然而,杉木種子園產(chǎn)量低,單產(chǎn)約3.8 kg/hm2,而且質(zhì)量差,澀粒和空粒占40%～60%,嚴(yán)重影響杉木栽培良種化進(jìn)程[3]。因此,提高杉木種子園產(chǎn)量和質(zhì)量是杉木種子園經(jīng)營中十分重要的任務(wù)。以往研究多側(cè)重于產(chǎn)量方面[4-6],而對質(zhì)量方面的研究甚少[3,7]。為了進(jìn)一步考察杉木種實(shí)性狀變異程度與發(fā)芽率相關(guān)植株性狀,本研究以福建省洋口林場杉木第4代種質(zhì)資源庫3個(gè)分別為結(jié)實(shí)量少、結(jié)實(shí)量中等、結(jié)實(shí)量多的無性系為研究對象,觀測其球果和種子的12個(gè)性狀指標(biāo),采用相關(guān)性分析、逐步回歸分析和通徑分析,對杉木各性狀與發(fā)芽率的關(guān)系進(jìn)行研究。探討各性狀對發(fā)芽率的相對重要性及其決策系數(shù),獲得影響杉木發(fā)芽率的主要性狀指標(biāo),分析其對發(fā)芽率的直接作用和間接作用,以期為杉木優(yōu)良品種選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于福建省南平市順昌縣洋口鎮(zhèn)解建村境內(nèi),為福建省洋口林場第4代種質(zhì)資源庫,建設(shè)地點(diǎn)在道坪工區(qū)14-8-2,屬于武夷山支脈的低山丘陵地區(qū) (26°50′N,117°53′E)。資源庫面積為8.07 hm2,試驗(yàn)地采用人工帶狀整地,帶寬1.2 m,挖穴大小為0.6 m×0.4 m×0.4 m。株行距為3 m×3 m,即密度1 124株/hm2。

1.2 試驗(yàn)材料

在2020年10月根據(jù)對福建洋口國有林場第4代種質(zhì)資源庫的608個(gè)無性系結(jié)實(shí)調(diào)查統(tǒng)計(jì),依據(jù)實(shí)際結(jié)實(shí)量劃分為3種類型,即結(jié)實(shí)量少的無性系平均每株283個(gè)球果(87號無性系,平均株高6.24 m),結(jié)實(shí)量中等的平均每株522個(gè)球果(163號,平均株高7.93 m),結(jié)實(shí)量多的平均每株978個(gè)球果(266號,平均株高8.48 m)。每個(gè)無性系隨機(jī)選取無病蟲害、生長良好的3株母樹為試驗(yàn)材料。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1種子性狀的測定

同年11月對選取的3種不同結(jié)實(shí)類型的杉木無性系的9株樹,按照陰、陽面兩個(gè)方位和上層(樹冠結(jié)實(shí)層上1/3處)、中層(樹冠結(jié)實(shí)層中1/3處)、下層(樹冠結(jié)實(shí)層下1/3處)3個(gè)位置進(jìn)行單株分層采集球果。將從上層陰面、上層陽面、中層陰面、中層陽面、下層陰面、下層陽面等6個(gè)部位采集的所有球果分別裝入附有位置標(biāo)簽的編織網(wǎng)袋中,共54袋試驗(yàn)球果樣品。分別統(tǒng)計(jì)每袋樣品的球果數(shù)量,共計(jì)5 527個(gè)球果。將球果進(jìn)行自然晾干,待球果完全干裂后,將球果與種子分離,取出杉木種子;按照GB 2772—1999《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》,從采集的球果中抽取6萬多粒種子進(jìn)行表型和發(fā)芽測定。在54袋種子樣品中每袋隨機(jī)選取飽滿的種子各30粒拍照,用ImageJ軟件測量單個(gè)種子的長、寬、面積,并計(jì)算其種形指數(shù),并測定千粒重、發(fā)芽率、優(yōu)良度、澀粒率、空粒率等指標(biāo)[8]。

1.3.2指標(biāo)測定計(jì)算

參考程琳等[9]的方法,對杉木種子性狀指標(biāo)進(jìn)行研究。試驗(yàn)測定和計(jì)算指標(biāo)如下。

1) 產(chǎn)量性狀:包括球果數(shù)量和種子產(chǎn)量2個(gè)指標(biāo)。

2) 種子表型性狀:包括種子長、種子寬、種子面積和種形指數(shù)等4個(gè)指標(biāo)。

3) 種子發(fā)芽特性測定:包括發(fā)芽率和發(fā)芽勢2個(gè)指標(biāo)。

4) 種子優(yōu)良性狀測定:包括千粒重(在氣干狀態(tài)下的1 000粒純凈種子的重量)、優(yōu)良度、空粒率和澀粒率等4個(gè)指標(biāo)。

5) 變異系數(shù)測定:

6) 遺傳力測定:

h2=1-1/F,

式中,h2為廣義遺傳力,F為方差分析中的F值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對所測定的性狀進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì),分別計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、遺傳力等[10]。運(yùn)用Excel2007軟件和R語言軟件對杉木主要的種實(shí)性狀進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析、多元逐步回歸分析、通徑分析和綜合評價(jià)。

1.4.1通徑分析

運(yùn)用R語言軟件對無性系、部位、球果數(shù)量、千粒重等14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行逐步回歸分析,篩選出對發(fā)芽率有主要影響的指標(biāo),再對其進(jìn)行通徑分析,計(jì)算出各指標(biāo)對發(fā)芽率影響的直接作用和間接作用[11]。

1.4.2決策系數(shù)計(jì)算

在通徑分析基礎(chǔ)上,采用決策系數(shù)判斷各指標(biāo)對發(fā)芽率的綜合影響[12]。決策系數(shù)計(jì)算公式如下:

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木無性系各性狀方差分析

對3個(gè)杉木無性系的種實(shí)性狀進(jìn)行方差分析,由表1可以看出,優(yōu)良度和發(fā)芽率兩個(gè)性狀方差分析達(dá)顯著水平,其他各性狀方差分析均達(dá)極顯著差異水平,表明杉木各性狀存在較大的遺傳改良潛力。

表1 杉木不同無性系各性狀方差分析Table 1 Analysis of variance for various characters of different clones of Cunninghamia lanceolata

2.2 杉木無性系各性狀遺傳變異參數(shù)分析

3個(gè)杉木無性系各性狀遺傳變異參數(shù)分析,結(jié)果見表2。用變異系數(shù)來衡量各指標(biāo)間的相對變異程度或變異潛力大小,對試驗(yàn)株測定指標(biāo)的相對變異程度分析表明,各無性系之間的性狀變異幅度為7.52%～56.65%,平均30.62%;種子產(chǎn)量、澀粒率、球果數(shù)量和千粒重的變異系數(shù)較大,其中以種子產(chǎn)量的最大(56.65%),最小值為129.67 g,最大值641.16 g,極差511.49 g;這說明其穩(wěn)定性不高,同時(shí)也表明單株產(chǎn)量差別懸殊,選擇的空間很大;種子長、種子寬、種形指數(shù)變異系數(shù)較小,其中種形指數(shù)最小(7.52%),表明種子大小維持在較穩(wěn)定的水平。遺傳力的變化范圍為0.837～0.999,屬于高遺傳力,表明環(huán)境對杉木各性狀的影響較小。

表2 杉木無性系各性狀遺傳變異參數(shù)分析Table 2 Analysis of genetic variation parameters of each character of Cunninghamia lanceolata clones

2.3 杉木發(fā)芽率與各性狀相關(guān)性分析

為揭示不同無性系發(fā)芽率與各性狀間的相關(guān)性,對12個(gè)種實(shí)性狀指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表3。發(fā)芽率與部位、千粒重、種子面積、種子長、種子寬、發(fā)芽勢、優(yōu)良度均存在極顯著正相關(guān),其中與發(fā)芽勢的相關(guān)系數(shù)最高,為0.959。千粒重、種子面積、種子長和種子寬都與種子大小有關(guān),表明種子越大,發(fā)芽率越高;發(fā)芽率與無性系存在顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.318,表明結(jié)實(shí)量大的無性系發(fā)芽率反而小;發(fā)芽率與空粒率呈極顯著負(fù)相關(guān),與球果數(shù)量和澀粒率呈顯著負(fù)相關(guān),球果數(shù)量與澀粒率呈極顯著正相關(guān),表明球果數(shù)量越多,營養(yǎng)競爭越激烈,種子發(fā)育營養(yǎng)不足就會(huì)變成澀粒,澀粒率則越高,發(fā)芽率就越低;發(fā)芽率與方位、種形指數(shù)、種子產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著?？梢?各品質(zhì)指標(biāo)間有一定的相關(guān)性,表明篩選出種子表型、種子發(fā)芽特性及優(yōu)良性狀兼優(yōu)的無性系存在可能性。

表3 發(fā)芽率與各性狀相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between germination rate and various traits

2.4 杉木種子發(fā)芽率與各性狀的逐步回歸分析

發(fā)芽率是杉木種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。以發(fā)芽率(Y)為因變量,以無性系(X1)、部位(X2)、方位(X3)、球果數(shù)量(X4)、千粒重(X5)、種子面積(X6)、種子長(X7)、種子寬(X8)、種形指數(shù)(X9)、種子產(chǎn)量(X10)、空粒率(X11)、澀粒率(X12)、優(yōu)良度(X13)等為自變量進(jìn)行逐步回歸分析(表4)。從包含14項(xiàng)自變量的回歸方程中,視自變量對因變量作用的顯著程度,每次剔除1個(gè)最不顯著的回歸自變量,直至既無不顯著的自變量從回歸方程中剔除,又無顯著的自變量可以引入為止,由此得到最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程:

表4 逐步回歸系數(shù)Table 4 Stepwise regression coefficient and significance test

Y=-0.062 31X3+4.684X7-3.532X8-2.943X9+0.898 8X13

結(jié)果表明,方位、種子長、種子寬、種形指數(shù)、優(yōu)良度是影響杉木種子發(fā)芽率的主要因素。

2.5 主要性狀對發(fā)芽率的通徑分析

選取通過逐步回歸篩選的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行通徑分析,結(jié)果見表5。方位、種子長、種子寬、種形指數(shù)與優(yōu)良度對發(fā)芽率有不同程度的貢獻(xiàn),表現(xiàn)為正向或負(fù)向的作用,各性狀對發(fā)芽率直接影響依次為:優(yōu)良度>種子寬>種形指數(shù)>方位>種子長;分析各個(gè)間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn),種子寬通過優(yōu)良度對發(fā)芽率的間接作用較大,其間接通徑系數(shù)為0.515;種子長通過種子寬對發(fā)芽率的間接作用次之,其間接通徑系數(shù)為0.436;種子長通過優(yōu)良度對發(fā)芽率的間接作用第三,其間接通徑系數(shù)為0.361。由間接通徑系數(shù)合計(jì)值可知,對杉木種子發(fā)芽率影響依次為:種子長>方位>種子寬>優(yōu)良度>種形指數(shù)。因此,以直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)作為判定影響的權(quán)重存在片面性,而以決策系數(shù)判斷影響權(quán)重更為可靠[13]。

表5 主要性狀對發(fā)芽率的通徑分析Table 5 Path analysis of main characters on germination rate

由表5可知,決策系數(shù)排序?yàn)?優(yōu)良度>種子寬>方位>種形指數(shù)>種子長,且種子長的決策系數(shù)小于0。由此可知,優(yōu)良度是主要決策變量,直接作用(0.904)最大,且其間接作用總和為正效應(yīng)。在這5個(gè)指標(biāo)中,增加種子優(yōu)良度比其他4個(gè)因素更能夠提高杉木種子的發(fā)芽率。因此,提高種子優(yōu)良度是提高杉木質(zhì)量的主攻方向;種子長是主要限制性變量,他的直接作用(-0.566)最小,間接作用總和為正效應(yīng),但其他因素通過種子長對發(fā)芽率的間接作用均為負(fù)。因此,提高杉木種子發(fā)芽率需提高種子優(yōu)良度,限制種子長。

3 結(jié)論與討論

林木種子是苗木繁育的關(guān)鍵,而發(fā)芽率是評估種子質(zhì)量的重要指標(biāo)[14]。對杉木3種不同結(jié)實(shí)類型無性系間的12個(gè)球果、種子性狀的方差分析結(jié)果表明,球果數(shù)量、千粒重、種子面積、種子長、種子寬、種形指數(shù)、種子產(chǎn)量、空粒率、澀粒率之間的差異均達(dá)到極顯著差異水平,優(yōu)良度和發(fā)芽率之間的差異達(dá)到顯著水平。這與程琳等[15]、陳蘇英等[16]的研究結(jié)果一致。

種實(shí)性狀的變異系數(shù)越大,則良種選育時(shí)選擇潛力越大[17]。本試驗(yàn)對不同結(jié)實(shí)量的3個(gè)杉木無性系12個(gè)種實(shí)性狀變異程度、遺傳力的分析結(jié)果表明,杉木種實(shí)性狀存在豐富的變異,杉木種子發(fā)芽率與優(yōu)良度變異顯著,種子發(fā)芽率變異程度高于優(yōu)良度。杉木種子千粒重、澀粒率遺傳力較高,受遺傳控制強(qiáng),具有較好的選育效果,與陳仕昌等[18]、陳琴等[19]的研究結(jié)果一致。

杉木各性狀間既存在相互影響,又存在相互制約的關(guān)系。杉木種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢、優(yōu)良度呈極顯著正相關(guān),發(fā)芽勢與優(yōu)良度呈極顯著正相關(guān),優(yōu)良度與空粒率呈極顯著負(fù)相關(guān)[16,20],與本試驗(yàn)結(jié)論基本一致。這表明杉木種子隨著優(yōu)良度的增加,其發(fā)芽率和發(fā)芽勢隨之增加,而空粒率隨之減少;也有研究表明杉木結(jié)實(shí)量與種子發(fā)芽率的相關(guān)性不顯著,種子澀粒率在遺傳上除與千粒重呈負(fù)相關(guān)外,與發(fā)芽率等沒有相關(guān)關(guān)系[16,20],這與本試驗(yàn)結(jié)果相反。兩者不同主要是由于計(jì)算方法不同導(dǎo)致的,但按照GB 2772-1999《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》[8],計(jì)算種子發(fā)芽率是包含澀粒型種子的。因此,種子發(fā)芽率與澀粒率存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

相關(guān)系數(shù)是表明各性狀間的相關(guān)程度,而通徑系數(shù)是說明相關(guān)性狀的因果關(guān)系及各性狀對發(fā)芽率提高的相對重要性大小。應(yīng)用逐步回歸分析法和通徑分析法能夠較綜合、全面地反映出種子發(fā)芽率與各性狀之間的關(guān)系[21]。目前通徑分析大多應(yīng)用于種子產(chǎn)量相關(guān)性狀研究[22-23],在林木種子中,也有對紫穗槐種子發(fā)芽率與千粒重、發(fā)芽勢、優(yōu)良度等性狀的通徑分析研究[24]。本試驗(yàn)以杉木種子發(fā)芽率為因變量,其余所觀測的種實(shí)性狀為自變量進(jìn)行多元逐步回歸,結(jié)果表明,方位、種子長、種子寬、種形指數(shù)、優(yōu)良度與種子發(fā)芽率密切相關(guān)。對這5個(gè)指標(biāo)的通徑分析結(jié)果表明,對杉木種子發(fā)芽率影響最大的決定因子是優(yōu)良度。優(yōu)良度常被用來預(yù)測種子發(fā)芽率,對生產(chǎn)中快速評價(jià)種子質(zhì)量有較高的應(yīng)用價(jià)值[25-26];而對發(fā)芽率影響最大的限定因子是種子長,其次是種形指數(shù)。種子形態(tài)生長和籽粒發(fā)育等過程都會(huì)影響種子發(fā)芽率。因此,通過增加施肥量來提高優(yōu)良度和種子寬并且限制種子長,是改善杉木種子品質(zhì)的有效途徑之一[27]。