賽黑樺不同半同胞家系種子活力比較

林 琳 高宇婷 程福山 辛本花 王貴春 夏富才 穆懷志*

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 132013； 2.吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局，蛟河 132517)

賽黑樺(Betulaschmidtii)又稱鐵樺、遼東樺，主要分布于我國東北東部、朝鮮半島北部及俄羅斯錫霍特山脈南部地區(qū)，其木質(zhì)厚重、堅硬，是東北林區(qū)最硬的木材之一[1]。由于賽黑樺生長緩慢，成熟林蓄積量低，先前人們并沒有將其作為主要的商品材樹種。隨著東北林區(qū)樹種資源的結(jié)構(gòu)性調(diào)整，賽黑樺的采伐量逐年增加，目前其年采伐量可達10 000 m3，這使得賽黑樺成為一個單獨用材樹種[2]。連年不斷的采伐，致使賽黑樺資源日漸枯竭，吉林省已將其列為三級保護植物[3]。目前，關(guān)于賽黑樺的研究僅限于組織培養(yǎng)[4～5]、木材加工[6]、抗逆性測定[7～8]和生物信息學(xué)分析[9]等方面，對于其良種選育的研究尚未見報道。

種子萌發(fā)是苗木生長的基礎(chǔ)，種子活力是評價種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，具有高活力的種子不僅發(fā)芽時間短、出苗整齊，而且生成的幼苗具有明顯的生長優(yōu)勢和適應(yīng)性[10～11]。先前人們開展了白樺[12]、光皮樺[13]、紅樺[14]等樺木屬植物的種子活力研究，篩選出多個樺木優(yōu)良家系。本研究對3個采種地共30個賽黑樺半同胞家系的種子活力進行比較，對賽黑樺采種母樹進行初步評價，為賽黑樺優(yōu)良家系的選擇提供參考。

1 材料及方法

1.1 供試材料

2018年8月末，分別在吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局、琿春林業(yè)局三道溝林場、集安市五女峰國家森林公園有賽黑樺分布的林分，選擇樹干通直圓滿、胸徑粗大、無病蟲害的單株作為候選樹。以候選樹為中心，在其周圍10～15 m的范圍內(nèi),測量其他賽黑樺的樹高和胸徑，以100 m2內(nèi)樹高不低于平均高、胸徑達到平均值120%為標(biāo)準(zhǔn)選擇優(yōu)樹進行采種[15]。3個采種地共選擇30株優(yōu)樹，分別命名為JH1～JH10、HC1～HC10、JA1～JA10，采集其半同胞家系種子經(jīng)過室內(nèi)晾干、篩去苞片后，置于-20℃冰箱中保存。

1.2 種子千粒重及發(fā)芽情況

每個家系隨機選取300粒種子，每100粒種子作為1次重復(fù)，共重復(fù)3次，稱取質(zhì)量后計算種子千粒重。將種子分別放入鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，加蒸餾水保持培養(yǎng)皿濕潤，然后置于30℃的恒溫培養(yǎng)箱中進行發(fā)芽試驗。當(dāng)連續(xù)5 d沒有種子發(fā)芽時結(jié)束發(fā)芽試驗，參考顏啟傳等[16]的方法計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

(1)

發(fā)芽勢=達到發(fā)芽高峰期累計的發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)=∑第n天種子的發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)種子發(fā)芽所用天數(shù)

(3)

1.3 種子活力指數(shù)、出苗率和幼苗健壯率

每個家系隨機選取30粒種子，每10粒種子作為1次重復(fù)，共重復(fù)3次，采用玻璃板直立法在30℃的恒溫培養(yǎng)箱中計算種子活力指數(shù)，與此同時，記錄幼苗發(fā)育狀況，將幼苗分為A、B、C、D四級：

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗平均長度[17]

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

出苗率=(A級苗+B級苗+C級苗)/幼苗總數(shù)×100%

(9)

健壯率=(A級苗+B級苗)/幼苗總數(shù)×100%[12]

(10)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對獲得的百分比數(shù)據(jù)進行反正弦轉(zhuǎn)換后，利用SPSS16.0軟件進行方差分析、多重比較、相關(guān)分析和主成分分析，并計算家系遺傳力。

其中，各性狀的方差線性模型[18]為：

Xijk=μ+αi+βj(i)+Bk+αBik+βBj(i)k+eijk

(11)

式中：Xijk為第k重復(fù)第i采種地中第j家系觀測值；μ為試驗平均值；αi為第i采種地效應(yīng)值；βj(i)為第i采種地中第j家系效應(yīng)值；Bk為第k重復(fù)效應(yīng)值；αBik為采種地與重復(fù)互作效應(yīng)值；βBj(i)k為第i采種地中第j家系與區(qū)組互作效應(yīng)值；eijk為機誤。

家系遺傳力采用公式[19]：

(12)

變異系數(shù)采用公式[20]：

(13)

相關(guān)系數(shù)采用公式[21]：

(14)

采用主成分分析法對家系進行綜合評定[22]：

Y=Σ(Ui·Zi)/n

(15)

式中：Y為主成分值；Ui為某一性狀特征向量；Zi為某一性狀標(biāo)準(zhǔn)分；n為主成分個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采種地和家系間種子千粒重及活力指標(biāo)的遺傳變異

對參試的賽黑樺的3個采種地共30個半同胞家系種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、出苗率和幼苗健壯率等7個性狀進行方差分析，集安和蛟河與琿春在幼苗健壯率方面差異顯著，在種子活力指數(shù)方面差異極顯著；7個性狀在不同家系間的差異均達到顯著或極顯著水平(表1)。通過計算家系遺傳力，發(fā)現(xiàn)除了出苗率和健壯率外，各性狀的家系遺傳力均高于0.68，說明種子千粒重和種子活力受環(huán)境影響較小、受遺傳控制程度較高。變異系數(shù)分析表明，千粒重的變異系數(shù)最小，僅為4.38%；發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和健壯率的變異系數(shù)均高于30%，其中活力指數(shù)的變異系數(shù)最大，高達45.22%，說明種子活力在家系間的變異十分豐富，具有很大的選擇潛力(表2)。

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.01水平差異顯著。

Notes:*indicates a statistically significant at 0.05 level,**indicates a statistically significant at 0.01 level.

表2 不同家系種子千粒重及活力指標(biāo)的遺傳力和主要統(tǒng)計參數(shù)

表4 賽黑樺種子各性狀的相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平相關(guān)，**表示在0.01水平相關(guān)。

Notes:*indicates a statistically significant correlation at 0.05 level,**indicates a statistically significant correlation at 0.01 level.

表5 特征根及標(biāo)準(zhǔn)化特征向量

2.2 不同家系間種子千粒重及活力指標(biāo)的差異

方差分析結(jié)果顯示，各性狀在不同家系間的差異均達到顯著或極顯著水平，因此對各家系進行多重比較。在種子千粒重方面，JH6表現(xiàn)最好，其千粒重達到426.7 mg，比各家系平均值高5.38%，比最差的JH8高13.48%；JH6、JA1和JA7的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)表現(xiàn)較好，尤其在活力指數(shù)方面，JH6、JA1和JA7顯著高于其他家系，JH8的活力指數(shù)最低，僅為各家系平均值的41.12%；在出苗率和幼苗健壯率方面，JA1表現(xiàn)最好，其出苗率和健壯率分別高達100.00%和73.33%，分別比各家系平均值高24.32%和57.12%，HC9的出苗率和健壯率最差，分別僅為各家系平均值的78.73%和57.15%(表3)。

2.3 種子千粒重與活力指標(biāo)的相關(guān)性

對30個半同胞家系的種子千粒重與活力指標(biāo)進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)7個性狀間均呈顯著或極顯著的正相關(guān)(表4)。其中，發(fā)芽率與活力指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)最大，高達0.991，二者之間為極顯著正相關(guān)；雖然千粒重與出苗率間的相關(guān)系數(shù)最小，僅為0.232，但二者之間的相關(guān)性也達到了顯著水平。上述結(jié)果說明種子質(zhì)量與種子活力、幼苗的出苗率及健壯率均有相關(guān)性，種子千粒重越大，種子活力越強、幼苗越健壯。

2.4 賽黑樺優(yōu)良家系的初步選擇

上述分析就種子千粒重及活力指標(biāo)等7個性狀進行了方差分析和多重比較。由于各性狀間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，且優(yōu)良家系的選擇需要綜合考慮多個性狀，因此采用主成分分析法求出特征根及各性狀的特征向量，通過計算主成分值(Y)對賽黑樺各家系進行綜合評價。特征根和特征向量的計算結(jié)果表明：只有1個主成分的特征根大于1，且各性狀的特征向量彼此相差不大，均介于0.304～0.408(表5)，說明各性狀對家系綜合評價的影響較為接近。因此，可以只選用1個主成分進行家系綜合評價。主成分值的表達式為：Y=0.368X1+0.403X2+0.398X3+0.404X4+0.408X5+0.304X6+0.350X7。根據(jù)主成分值對各家系進行綜合評價，發(fā)現(xiàn)JH6的主成分值最大，達到4.555，JH8的主成分值最小，僅為-3.768，因此可以確定JH6為最優(yōu)家系，JH8為最差家系。另外，JA1、JA7、JH10、JH3、HC1和HC10的各性狀標(biāo)準(zhǔn)分均大于0，且主成分值均在2以上，可以將其確定為優(yōu)良家系(表6)。

表6 參試家系綜合評價

3 討論

根據(jù)種子性狀評價采種母樹的優(yōu)劣，對于優(yōu)良家系的選擇十分重要。只有選擇種子活力高的家系，才能保證林木的產(chǎn)量和遺傳品質(zhì)[23～24]。徐煥文等[12]通過比較白樺三倍體制種園中16個家系的種子活力，選出了3個三倍體優(yōu)良家系。劉宇等[25]采用主成分分析法比較了白樺四倍體半同胞家系的種子活力和苗期生長性狀，選出了4個四倍體優(yōu)良家系。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然賽黑樺種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和出苗率在采種地間的差異不顯著，但在家系間的差異均達到了顯著或極顯著水平。JH6家系的種子千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別比各家系平均值高5.38%、47.37%、45.80%、45.98%和86.78%，JA1家系的出苗率和健壯率分別比各家系平均值高24.32%和57.12%。這些結(jié)果說明根據(jù)種子千粒重和活力指標(biāo)以及出苗率和幼苗健壯率進行采種母樹的初步選擇，可以為賽黑樺優(yōu)良家系的選擇提供參考。

相關(guān)分析表明，賽黑樺種子千粒重與其他6個性狀均呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)，這與白樺[26]、鹽松[27]、梓樹[28]的種子萌發(fā)試驗結(jié)果基本一致。對于小粒種子樹種而言，造成這種現(xiàn)象的原因可能是質(zhì)量大的種子通常發(fā)育水平較高且含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，進而具有較好的萌發(fā)能力。為提高育苗效率，可以對種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、出苗率等性狀進行綜合利用，選擇高活力種子作為培育的對象，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苗木提供保障。由于種子千粒重的測定過程相對簡便快捷，因此如果選擇某一指標(biāo)評價種子活力時，千粒重可以作為優(yōu)先考慮的性狀。

由于賽黑樺各種子性狀間存在顯著或極顯著的正相關(guān)，在進行多性狀選擇時，很難確定各性狀所占的比重。主成分分析通過正交變換將一組存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，根據(jù)主成分值評價各家系綜合性狀的優(yōu)劣，是一種比較理想的評價方法[22,25,29]。本研究通過主成分分析，將7個性狀轉(zhuǎn)化為1個主成分，根據(jù)主成分值選出JH6、JA1、JA7、JH10、JH3、HC1和HC10為優(yōu)良家系，選出的7個優(yōu)良家系分別來自蛟河、集安和琿春，說明每個采種地均可以選出優(yōu)良家系。

上述研究僅對賽黑樺各半同胞家系的種子活力進行了比較，下一步我們將對這些家系進行育苗和造林，通過測定樹高、胸徑、保存率等性狀，進一步對母樹進行綜合評價，選擇種子活力高、子代生長迅速及適應(yīng)性強采種母樹，為林業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)良的賽黑樺種子。