杉木家系苗期性狀的遺傳變異、相關(guān)性及綜合評價研究

曾 路，朱科帆，安 波，朱 勇，張 蕓*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院∕國家林業(yè)與草原局鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西省信豐縣林木良種繁育中心，江西 信豐 341600）

【研究意義】杉木（Cunninghamia lanceolata），是我國特有的速生用材樹種，其遺傳改良研究一直倍受重視，已在中心產(chǎn)區(qū)完成了第三代育種[1]，篩選出了大批優(yōu)良種源和優(yōu)良家系應(yīng)用于生產(chǎn)造林，江西省在杉木的優(yōu)良種質(zhì)選育工作相對滯后，在生產(chǎn)上能推廣的優(yōu)良種質(zhì)相對不足[2]。林木育種普遍存在世代間隔長、育種周期較長和遺傳改良過程進(jìn)展緩慢等問題，苗期選擇具有降低田間試驗費用、縮短育種周期、加快遺傳改良進(jìn)程等優(yōu)勢[3]，研究[4]表明杉木大多數(shù)苗期生長性狀能穩(wěn)定遺傳，性狀早晚的相關(guān)性明顯。因此，開展贛南地區(qū)的杉木家系苗期生長監(jiān)測、遺傳變異分析和科學(xué)評價，為挖掘適應(yīng)贛南地區(qū)的優(yōu)良造林家系提供材料，對加速江西特色優(yōu)良新品種創(chuàng)制的步伐具有現(xiàn)實意義。【前人研究進(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者采用苗期表型測定、全基因組選擇和田間長時間觀測相結(jié)合的方法研究林木種內(nèi)性狀及遺傳變異特征，表明性狀表型的早期選擇在提高林木選育效率、縮短世代間隔、提高林木的遺傳增益上仍具有顯著效果。經(jīng)過子代遺傳測定，不僅能夠從親本中進(jìn)行后向選擇，而且還能從優(yōu)良家系中挑選出最佳單株，更好管理和改善現(xiàn)有種子園，為高世代遺傳改良提供良好的育種材料[5]。【本研究切入點】苗高、地徑、材積等地上部生長性狀直接體現(xiàn)用材樹種的生長狀況，目前也主要將地上生長性狀作為早期選擇優(yōu)良家系的衡量指標(biāo)[6]。根系是植物水分和養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運的主要器官，直接參與協(xié)調(diào)植株地上部分與土壤環(huán)境之間的交互，其性狀不僅反映了植物對土壤資源探索能力及對逆境的適應(yīng)性[7]，對地上部分表現(xiàn)和產(chǎn)量也有重要指示作用，根系性狀作為選擇指標(biāo)在育種中應(yīng)用對選育高產(chǎn)、抗逆性強的品種有實際應(yīng)用價值[8-9]。由于根系表型分析的困難以及對根系性狀遺傳學(xué)的理解有限，根系性狀在林木品種選育中并沒有被廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)不同種源或家系杉木在南方紅壤低磷環(huán)境下表現(xiàn)生長上的差異[10]，優(yōu)良的杉木品種可通過調(diào)控根系生長[11]、提高有機酸分泌[12]、協(xié)調(diào)根系菌根真菌[13]等適應(yīng)機制提高養(yǎng)分利用效率，因此將根系性狀納入優(yōu)良家系篩選的評價體系，對選育豐產(chǎn)、低投入、高效率的多功能優(yōu)質(zhì)杉木品種具有一定意義，有望解決林業(yè)上高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、高效之間的矛盾?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以江西省信豐縣林木良種繁育中心選育的15個1年生杉木家系為試驗材料，對8個地上部表型性狀、7個葉片性狀和8個根系性狀進(jìn)行測量，比較不同杉木家系苗木差異性及相關(guān)性，估算性狀的遺傳參數(shù)和變異情況，通過聚類分析和隸屬函數(shù)分析對15 個杉木家系的表型性狀進(jìn)行了評價鑒定，為贛南地區(qū)杉木營建高品質(zhì)的高世代種子園提供優(yōu)質(zhì)遺傳材料提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為江西省贛州市信豐縣林木良種場國家杉木良種基地（25°38′N，114°93′E）的15 個家系1 年生杉木實生苗，種子分別來自信豐縣林木良種場杉木2 代種子園（混系）、92 年全同胞子代林2 代種子園（3×5、7×8、7×12、8×10、11×12、13×18、20×23、20×24）、安遠(yuǎn)縣森源科技林木良種場杉木1 代種子園（sy18、sy21、sy22、sy27）、貴州種源（天柱18）以及廣西種源（廣西那么3）。

試驗家系于2020 年12 月由林場播種，苗圃整地作床，寬1.0～1.2 m，高25 cm，苗床間留有25 cm 步道。播種前用0.5%的高錳酸鉀溶液浸種消毒，成塊播種育苗，期間追肥兩次，有效成分45%（N-P-K:15-15-15）。試驗設(shè)計采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，組內(nèi)重復(fù)5次，每個重復(fù)10株。

1.2 調(diào)查性狀

本研究共調(diào)查21 個性狀，分別為X1=苗高（cm），X2=地徑（cm），X3=冠幅（cm），X4=坐生密度（片），X5=一級側(cè)枝數(shù)（個），X6=枝盤數(shù)（個），X7=當(dāng)年生節(jié)間距（cm），X8=地上生物量（g），X9=葉片面積（cm2），X10=葉片體積（cm3），X11=葉片干重（g），X12=比葉面積（cm2∕g），X13=葉片含水量（%），X14=葉片組織密度（g∕cm3），X15=總根長（cm），X16=根直徑（mm），X17=根體積（cm3），X18=根系生物量（g），X19=比根長（cm∕g），X20=比根表面積（cm∕g），X21=根組織密度（g∕cm3）。其中X1—X8 為地上部生長性狀，X9—X14為葉片性狀，X15—X21為根系性狀。

1.3 生長性狀的測定

2021 年11 月對15 個家系1 年生苗木進(jìn)行地上表型性狀測定。利用鋼卷尺（精確度0.01 cm）及游標(biāo)卡尺（精確度0.01 cm）對15 個家系苗木的苗高（cm）、地徑（cm）和冠幅（cm）進(jìn)行測量，每個家系調(diào)查80 株苗，同時每個家系隨機選取20株幼苗測定一級側(cè)枝數(shù)（個）、枝盤數(shù)（個）、當(dāng)年生節(jié)間距（cm）和坐生密度（片）[14]。隨后各家系選取10～15株帶回實驗室測定葉片性狀和根系形態(tài)指標(biāo)。每株選取10片葉片用掃描儀（V700，Seiko Epson Co.，Nagano，Japan）掃描，使用WinRhizo 軟件（Pro 2007d，Regent Instruments Inc.，Canada）獲得葉面積（cm2）、葉體積（cm3）；用游標(biāo)卡尺（精確度0.01 cm）在葉片上部、中部、下部依次進(jìn)行測量讀數(shù)，取平均值作為葉片實際厚度（mm）。電子天平測量葉片鮮重（g），并將葉片放入烘箱中100 ℃殺青，60 ℃烘干至恒重，為葉片干重（g）。葉片含水量（%）、比葉面積（cm2∕g）、葉片組織密度（g∕cm3）分別用公式（1）～（3）計算。

稱取單株地上部分和根系鮮重（g），隨即在60 ℃下烘干至恒重，并分別稱量地上部分和根系的干重（精確度0.01 g）。使用WinRhizo軟件分析根系形態(tài)參數(shù)：總根長（cm）、根直徑（cm）、根體積（cm3）和根表面積（cm2）。比根長、比根表面積和根系組織密度分別通過下式計算：

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel2021 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。運用SPSS 的描述性統(tǒng)計功能計算苗期表型的均值、變異系數(shù)、最大值、最小值等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）檢驗家系之間差異的顯著性，采用Duncan 多重比較比較不同家系各個性狀平均值的差異；運用SPSS 計算地上生長性狀、根系和葉片性狀指標(biāo)之間的Pearson 相關(guān)性，采用系統(tǒng)聚類法進(jìn)行聚類分析。利用Origin2021 軟件繪制相關(guān)性熱圖和遺傳增益柱狀圖。

遺傳參數(shù)表型變異系數(shù)（PVC）[15]、家系遺傳力（H2）[16]、現(xiàn)實增益（ΔGr）、遺傳增益（ΔGg）[17]分別通過下式計算：

式（8）中：Mf為家系均方，Me為環(huán)境方差。

用隸屬函數(shù)法對家系性狀進(jìn)行綜合評價[18]，公式為：

式（11）、（12）中，R(Xij)是i家系j性狀的隸屬函數(shù)值，Xij是i家系j性狀的數(shù)值，Xmax、Xmin、分別是j性狀中最大值、最小值和平均值，D為綜合評價值，ω(j)是i家系j性狀的權(quán)重，S(Xj)是j性狀的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀的遺傳變異分析

方差分析結(jié)果（表1）顯示，除X4（坐生密度）、X9（葉片面積）、X11（葉片干重）、X12（比葉面積）、X16（根直徑）外，其他地上部生長性狀和葉片性狀在家系間均呈現(xiàn)極顯著差異（P<0.05）。根系性狀中除平均根徑外，各性狀在杉木家系間均存在顯著差異（P<0.05），表明15 個家系存在顯著的遺傳和表型變異，具有較大的選擇潛力。

表1 15個杉木家系各性狀遺傳變異參數(shù)分析Tab.1 Genetic variation parameters of different traits in 15 Chinese fir families

15 個家系各性狀遺傳變異系數(shù)差異較大，變化范圍為2.86%～65.06%，其中葉含水量最低，遺傳穩(wěn)定性高，根直徑、地上生物量的變異系數(shù)超過60%。各指標(biāo)遺傳力變化范圍為0.07～0.96，各性狀指標(biāo)具有較高的遺傳力，除X9（葉片面積）、X11（葉片干重）、X12（比葉面積）、X16（根直徑）外，均超過0.40。

家系7×8的苗高、冠幅、當(dāng)年生節(jié)間距的平均值最大，地上部分生物量位列第二位，具有速生豐產(chǎn)的潛力，而sy27和天柱18的苗高、地徑、冠幅、當(dāng)年生節(jié)間距、地上生物量遠(yuǎn)低于各指標(biāo)的平均水平（圖1）。葉表面積、葉體積、葉含水量、葉組織密度、比葉面積平均值最大家系為7×8、20×24、20×23、sy18、3×5（表2）；最小的家系為sy18、sy22（sy18）、11×12、20×24、sy21；各家系間葉干重平均值無明顯差異。根系部分性狀變幅較大，其中廣西那么3在15個家系中總根長、根表面積、根體積的平均值最小，各家系間性狀表現(xiàn)差異明顯（表3）。

圖1 15個杉木家系地上生長性狀Fig.1 Aboveground growth traits of 15 Chinese fir families

表2 15個杉木家系葉片性狀均值Tab.2 The mean value of leaf traits of 15 Chinese fir families

表3 15個杉木家系根系性狀均值Tab.3 The mean value of root characters of 15 Chinese fir families

2.2 性狀的相關(guān)性分析

大多數(shù)地上部分性狀之間的相關(guān)性呈極顯著相關(guān)性，苗高、地徑、冠幅、坐生密度、一級側(cè)枝數(shù)、地上生物量兩兩之間呈顯著或極顯著的正相關(guān)（P<0.01）（圖2）。地上生長性狀中僅地徑、冠幅和地上生物量與超過4個以上的葉片性狀呈顯著的相關(guān)關(guān)系，其中地上生物量與葉片面積、葉片體積、葉片干重之間存在顯著正相關(guān)（P<0.01），與比葉面積、葉片含水量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。根系性狀與除當(dāng)年生節(jié)間距外的大部分地上部生長性狀均呈顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.05），其中根長、根直徑、根體積、根生物量、根組織密度與苗高、地徑、冠幅、一級側(cè)枝數(shù)、地上生物量呈極顯著正相關(guān)（P<0.001），比根長和比根表面積與地上性狀呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，地上部生長性狀與根性狀的相關(guān)系數(shù)普遍低于與葉性狀之間的相關(guān)系數(shù)，說明杉木根系性狀與地上生長存在緊密關(guān)系。

圖2 各性狀的相關(guān)性熱圖Fig.2 Correlation heatmap of all traits

2.3 綜合評價與優(yōu)良家系的選擇

由于葉片性狀的變異系數(shù)較低，因此以變異系數(shù)大于50%和遺傳力大于0.5 較大的地上生長和根系性狀為評價指標(biāo)：苗高、地徑、冠幅、當(dāng)年生節(jié)間距、地上生物量、總根長、根體積、根系生物量共8 個性狀作為評價指標(biāo)。由圖3 可知，當(dāng)歐式距離達(dá)到15 時，可將15 個家系劃分為3 個類：其中第Ⅰ類包含sy21、天柱18、8×10等11個家系；第 Ⅱ 類則包含7×8、13×18、混系等3個家系；第Ⅲ類則包含11×12 1個家系。第Ⅰ類家系8個性狀的現(xiàn)實增益和遺傳增益均為負(fù)值，因此將其進(jìn)一步歸為苗期慢生家系（圖4）；第Ⅱ類家系除苗高冠幅的現(xiàn)實增益和遺傳增益為負(fù)值，其余14 個性狀的現(xiàn)實增益為2.31%～29.64%，遺傳增益為2.01%～21.64%，為苗期速生家系；第Ⅲ類家系苗高、地徑、冠幅的現(xiàn)實增益和遺傳增益為負(fù)數(shù)，而當(dāng)年生節(jié)間距、地上生物量、根長、根體積和根系生物量的現(xiàn)實增益和遺傳增益在2.42%～65.42%，為速生中等家系。

圖3 15個杉木家系表型性狀的聚類分析Fig.3 Cluster map of phenotypic traits of 15 Chinese fir families

圖4 3類杉木家系的現(xiàn)實增益和遺傳增益Fig.4 Realistic gain and genetic gain of three types of Chinese fir families

以苗高、地徑、冠幅、當(dāng)年生節(jié)間距、地上生物量、總根長、根體積、根系生物量作為評價指標(biāo)，通過加權(quán)隸屬函數(shù)法對15 個杉木家系的表型生長性狀進(jìn)行綜合評價，總隸屬函數(shù)值按從小到大的順序進(jìn)行排列（表4）。在入選率為20%的情況下，3個家系11×12、7×8、13×18 入選，它們的地徑、冠幅、地上生物量、總根長、根體積、根生物量平均值分別為0.58 cm、24.87 cm、7.66 g、414.34 cm、3.61 cm3、1.62 g，現(xiàn)實增益分別為2.42%、5.67%、46.29%、45.92%、41.53%、42.22%，遺傳增益分別為2.08%、5.27%、29.16%、30.77%、23.67%、24.91%。

表4 15個杉木家系21個性狀的隸屬函數(shù)值分析Tab.4 Membership function analysis of 21 characters in 15 Chinese fir families

3 討論與結(jié)論

遺傳力體現(xiàn)性狀遺傳的穩(wěn)定程度，高遺傳力說明受環(huán)境影響小，評價選擇的效果更好[19]，根據(jù)遺傳力大小大致劃分遺傳控制程度：大于0.5 為高遺傳力；0.2～0.5 為中等遺傳力；小于0.2 為低遺傳力。本研究1 年生杉木幼苗地上生長性狀的家系遺傳力為0.49～0.96，除坐生密度（0.49）外，其余地上生長性狀屬于高遺傳力，其中苗高、冠幅，其遺傳力達(dá)到了0.9 以上，其他研究也發(fā)現(xiàn)苗期和幼齡林杉木的樹高和地徑具有中等以上的遺傳力[1,4,20]，表明地上性狀受到強烈的遺傳控制，是杉木優(yōu)良家系評價選擇的重要依據(jù)。根葉家系遺傳力，低于地上生長性狀，在0.07～0.75，其中葉片體積、葉片含水量、葉片組織密度、總根長、根體積、根系生物量和根組織密度的遺傳高于0.5，說明這些性狀的遺傳穩(wěn)定程度高，具有評價和選擇的潛力，值得進(jìn)一步研究。

變異系數(shù)大小可反映群體的變異程度，是衡量性狀遺傳變異潛力的有效指標(biāo)[21]。本研究中15 個1 年生杉木家系各表型性狀的變異系數(shù)變化范圍為2.86%～65.06%，大部分性狀在不同家系間存在顯著的差異（P<0.05），表明杉木生長和性狀分化明顯，變異較豐富，具有較高的遺傳改良潛力，這與杉木在我國有廣泛的分布區(qū)這一事實相符，長期的自然選擇造成杉木在種源間、林分間、個體間甚至個體內(nèi)存在遺傳變異。在3 類性狀中，地上部分生長性狀（13.45%～65.06%）和根系性狀（19.38%～60.12%）的變異系數(shù)較大，表現(xiàn)出較大的表型可塑性，葉片性狀的變異系數(shù)為2.86%～20.93%，其中葉干重、比葉面積、葉表面積3 個葉片性狀在家系間無顯著差異，表現(xiàn)出內(nèi)穩(wěn)定性。庾廬山等[22]研究發(fā)現(xiàn)33 個杉木無性系葉片變異葉片的變異系數(shù)變化范圍為2.88%～17.92%，何智英等[23]采集所有杉木自然分布區(qū)的葉片和其他組織器官，發(fā)現(xiàn)葉片厚度的變異系數(shù)為5.1%，在所有研究的20 個性狀中最低，葉片寬度的變幅也僅為10.5%，結(jié)合本研究結(jié)果和前人探究說明杉木葉片性狀在遺傳變異上較為穩(wěn)定，且受到環(huán)境調(diào)控的影響較小。

葉片是植物光合作用的主要場所，其表面積及持綠時間影響植物的光合作用效率[24]，而根系作為林木養(yǎng)分和水分的吸收器官，其性狀（如根系生物量、形態(tài)和空間構(gòu)型）反映植物對土壤資源的利用策略和競爭能力[7]，植物生長很大程度取決于葉片和根系發(fā)育。植物在應(yīng)對環(huán)境變化時并非調(diào)節(jié)某個單一性狀，而是通過各性狀間的協(xié)同與權(quán)衡作用來適應(yīng)環(huán)境和生長變化[25]，所以在林木的育種策略和遺傳選擇上，應(yīng)做到多類型性狀綜合評價，以提高選擇優(yōu)良家系的幾率。本研究對15個1年生杉木家系21個表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：7個根系性狀與地上生物量、樹高和地徑等地上生長指標(biāo)呈極顯著相關(guān)性，高于葉片性狀與地上生長指標(biāo)之間的相關(guān)性，說明根系的功能在杉木早期生長中起到更重要的作用，由于葉片性狀的變異相對穩(wěn)定，在杉木的早期選擇中可以將根系性狀作為重要的參考指標(biāo)。另一方面，地上生物量與根系直徑呈極顯著正比，與比根長和比表面積表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與杉木的根系功能屬性相符。根據(jù)細(xì)根經(jīng)濟(jì)譜理論，與資源進(jìn)取型樹種相比，杉木通過增加根系生物量、提高根系直徑和維持根系壽命去獲取養(yǎng)分和水分[11,26]，表現(xiàn)出低比根長和高組織密度[27-28]，研究結(jié)果也為速生型杉木家系的早期選擇提供了依據(jù)，即在生長初期，粗壯的根系有利于土壤水肥的吸收，可支撐杉木的快速生長，相同根系干重量情況下，應(yīng)傾向于選擇粗壯的根系而不是細(xì)長的根系。

遺傳增益受到遺傳力、變異系數(shù)的影響，是反映林木遺傳改良效果的直接指標(biāo)[21]。本研究中苗高、地徑、冠幅、當(dāng)年生節(jié)間距、地上生物量、總根長、根體積和根系生物量均受較強的遺傳控制，變異系數(shù)處于較高水平，各性狀間相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平，因此選擇以上指標(biāo)可作為優(yōu)良家系評價和篩選的參考因子。結(jié)合聚類分析和隸屬函數(shù)綜合評價法，將15個杉木家系分為苗期速生家系、速生中等家系和慢生家系3 個群體，篩選出3 個優(yōu)良家系，遺傳增益較高，選擇效果較為顯著。然而隸屬于較速生類群的11×12入選，可能是因為該家系地上生物量和總根長較大，促使隸屬函數(shù)值高從而入選。因此，在苗期選擇時，也可適當(dāng)考慮中等速生家系。此外，在家系綜合評價中發(fā)現(xiàn)，遺傳增益值較高的Ⅱ、Ⅲ類群的家系均來自于本地種子園，廣西那么3、天柱18排名靠后，由此可見，本地種源的家系相較于外源家系在生長上占較大優(yōu)勢。

本研究通過聚類分析和加權(quán)隸屬函數(shù)法將15 個杉木家系分為3 類，并初選出3 個優(yōu)良家系，入選家系在地徑、生物量、冠幅等方面均可獲得正向增益，但考慮到林木生長周期長，生長受到遺傳和環(huán)境的共同調(diào)控，在不同發(fā)育階段林木的遺傳和表型參數(shù)是動態(tài)變化的[17]，基于苗期的優(yōu)良家系選擇存在一定的漏選和錯選風(fēng)險。饒顯生等[4]研究發(fā)現(xiàn)杉木無性系大多數(shù)苗期高度、地徑和材積等生長性狀能穩(wěn)定遺傳，1 年生苗木與6 年生幼齡林性狀之間的早晚相關(guān)性明顯，說明通過苗期評價來進(jìn)行杉木優(yōu)良家系篩選具有一定的可靠性，但考慮到后期應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)卦囼灹诌M(jìn)行持續(xù)的觀測，探究杉木家系間的遺傳變異規(guī)律，分析不同性狀苗期與成熟林的早晚相關(guān)性和穩(wěn)定性，以保證苗期選擇的可靠性，為贛南地區(qū)杉木遺傳改良和林分營建提供了較好的種質(zhì)材料。

致謝：江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目（YC2022-s424）同時對本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！