航天誘變白樺生長性狀分析

馬 慶 李芳蕊 劉桂豐 李慧玉

（東北林業大學林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

白樺（Betula platyphylla）屬樺木科（Betulaceae Gray）樺木屬（Betula Linn.）植物，是我國高山林區廣泛分布的闊葉樹種。白樺具有生長快、適應性強、木材紋理直、結構細、耐腐蝕等特點，是重要的工業用材樹種。白樺的良種選育研究自國家“八五”開始，相繼開展了種源試驗、優樹選擇及子代測定、強化育種、倍性育種、雜交育種等研究工作［1～10］，取得了一定的成績。但林木生長周期長及育種效率較低等特點限制了白樺的育種進程。

20 世紀60 年代初，前蘇聯學者研究報道了空間飛行對植物種子的影響后，航天誘變育種以其誘變頻率高、變異幅度大、育種周期短和有利突變體多等特點引起育種工作者的關注。自1987年開始，我國已經利用航天誘變技術培育出許多優質的植物品種［11～25］，其中水稻（Oryza sativa），小麥（Triticum aestivum），番茄（Solanum lycopersicum），青椒（Capsicum annuum）等多種農作物中通過航天誘變育種獲得了高產量、營養豐富、生長周期短、多抗性的新品種；一串紅（Salvia splendens Ker?Gawler），萬壽菊（Tagetes erecta），醉蝶（Cleome spi?nosa），矮牽牛（Petunia hybrida（J.D.Hooker）Vilmo?rin）等花卉，通過航天誘變育種獲得了花型變化、花期延長、花色變異的新品種。然而航天誘變在林木遺傳育種工作中的應用起步較晚。2002 年3月“神州3 號”宇宙飛船搭載葡萄（Vitis L.）及樹莓（Rubus idaeus）等林木花卉種子飛上太空，自此開始了我國林木航天誘變育種的試驗。到目前為止，我國利用宇宙飛船或返回式科學衛星先后搭載了白皮松（Pinus bungeana Zucc.）、紅松（Pinus koraiensis）、落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.）、紅皮云杉（Picea koraiensis Nakai）、大青楊（Populus ussuriensis Kom.）、紅 毛 柳（Chosenia arbutifolia（Pall.）A.Skv）等20多種林木的種子。但關于這些航天誘變的木本植物材料地面培養的后續研究報道較少。

2003 年11 月，本團隊將白樺4 個家系的種子搭載我國第18 顆返回式衛星飛上太空，經過18 天的太空“旅行”后順利返回［26］。前期分別對航天搭載白樺2 年生及5 年生的生長性狀進行了調查分析發現，不同家系航天誘變效應不同HT98-4 家系樹高顯著低于地面對照，而其他3 個家系恰恰相反［27］。筆者跟蹤調查了15年生航天搭載白樺的生長性狀，并對2 年生，5 年生及15 年生航天搭載白樺的生長性狀進行了綜合分析，繪制生長曲線。通過探討航天誘變對白樺家系的影響，篩選出長勢優良的白樺家系，為今后白樺航天誘變育種的深入研究提供資料。

1 材料與方法

1.1 材料

2003 年7 月于東北林業大學白樺強化種子園選擇4 株優樹98-1、98-2、98-3、98-4 并采集其種子，每株優樹采集10 g種子，分為2 份，各5 g，一份于2003 年11 月利用返回式衛星進行航天誘變處理，稱為HT-1、HT-2、HT-3、HT-4，另一份留作地面對照，分別命名為CK-1、CK-2、CK-3、CK-4。2004年5 月初在東北林業大學強化種子園進行HT 及CK 的播種育苗，獲得白樺苗木5 000 余株，2005年早春將白樺苗木移栽至花盆中，置于白樺育種基地進行常規管理；2006年分別于黑龍江省哈爾濱市孫家站和黑龍江省尚志市帽兒山林場造林。帽兒山林場（127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N），平均海拔370 m，土壤類型為暗棕壤，造林地坡向西南，坡度為15°，坡位為中坡位。按完全隨機區組設計，重復3 次，每小區30 株雙行排列，株行距為2 m ×2 m。處理之間用1列云杉間隔，區組之間用2行云杉間隔，試驗區周圍用2行或2列云杉保護。

1.2 試驗方法

2019 年3 月使用胸徑尺及超聲波測高儀測定帽兒山林場15年生航天誘變白樺家系及地面對照家系的樹高（H）、胸徑（DBH）。其中HT1、HT-2、HT-3、HT-4 分別測定了66、69、59 及56 株，4 個家系的地面對照分別測定了57、62、64及71株。

1.3 分析方法

根據測定的樹高及胸徑計算單株材積（V），木材單株材積按照張廣才嶺地區白樺的二元材積表［29］計算單株材積：

運用SPSS11.0 統計分析軟件對數據進行獨立樣本t檢驗［28］。

重復力計算公式為：

根據生長性狀對比結果選擇優于地面對照的家系及對應性狀計算航天誘變導致的突變增益，使用公式為：

式中：W 為選擇差，-X 為某一性狀地面對照的平均值。

使用航天搭載家系及地面對照家系的樹高及樹齡數據，根據已有的張廣才嶺地區白樺樹高生長方程，選取Compertz 模型：y = Ae-be-ct擬合樹高生長方程［30］。

2 結果與分析

2.1 航天搭載白樺家系樹齡15年的生長性狀對比

對定植于哈爾濱帽兒山林場15年生白樺各家系保存率、樹高、胸徑進行測定，并計算材積，結果表明：HT1、HT-2、HT-3、HT-4 家系保存率分別為：73.3%、76.7%、65.6%及62.2%，其對應的地面對照家 系 保 存 率 分 別 為：63.3%、68.9%、71.1% 及78.9%。與地面對照家系相比，HT-1、HT-2及HT-3家系樹高增加，尤其是HT-1 家系，與地面對照差異達到極顯著水平（見表1），該家系平均樹高比地面對照高7.31%。而HT-4 家系表現為矮化，家系的平均樹高顯著低于地面對照，比地面對照低6.16%。HT-1、HT-2 及HT-3 家系材積也高于其對照家系，但差異不顯著。

2.2 航天搭載白樺樹齡變異參數

15年生航天搭載白樺及地面對照表型變異參數見表2。在樹高方面，8 個家系重復力最高為0.980（CK-4），最低為0.695（CK-3）；表型變異系數（PCV）最高為25.28%（CK-4），最低為11.20%（CK-1）；突變增益最高為7.31%（HT-1）。在胸徑方面，8 個家系重復力最高為0.882（CK-1），最低為0.290（HT-3），其中98-3 家系的兩個處理重復力相較于其他家系較低；表型變異系數（PCV）最高為35.96%（CK-4），最低為20.60%（CK-3）；突變增益最高為4.20%（HT-3）。

2.3 優良家系的選擇

以15 年生白樺的生長性狀為依據，在方差分析的基礎上，對樹高差異達到顯著水平的HT-1 進行了家系內優良單株的選擇，選擇是以樹高為目標，HT-1 家系以-x+2S 為標準，選出了4 株優良單株，入選的優良單株樹高為14.8～16.7 m，胸徑為12.4～13.8 cm，材積為0.088 190～0.106 105 m3。在這些優良單株中生長量最大，樹高達16.7 m，單株突變增益達到35.77%，胸徑和材積的增益達到了7.03%和49.65%（見表3）。

表1 15年生航天搭載白樺生長性狀對比Table 1 Comparison of growth traits of birch carried on spacecraft in 15 years

表2 15年生航天搭載白樺表型變異參數Table 2 Phenotypic variation parameters of birch on board 15 years old

表3 航天搭載優良家系HT-1當代15年生優良白樺苗木的生長性狀排序表Table 3 Ranking of growth traits of contemporary 15-year-old birch seedlings carried by spaceflight

表4 樹高生長方程擬合結果Table 4 Fitting results of tree height growth equation

2.4 生長方程擬合

通過對15年生航天誘變白樺及地面對照的方差分析，確定HT-1、HT-4 與其地面對照在樹高生長中存在顯著差異，故擬合其樹高生長方程，以預測其樹高性狀在未來的發展（見圖1）。樹高方程擬合原型為邏輯斯蒂方程y = Ae-be-ct，在方程中A代表林木生長方程中樹木高生長的極大值，且樹高生長方程為S 形曲線，存在拐點（X=Lnb/c，Y=a/e）。各家系樹高生長方程擬合效率較好，R2值均在0.9 左右（0.882～0.947）。預測樹高生長最大值范圍是（21.5～36.2），其中HT-1相較于CK-1的預估樹高生長最大值增加最大，為10.6 m。經方程參數計算得知方程拐點，經過拐點時樹高生長方程由指數形式轉變為對數形式。大部分家系在樹齡達到10 年左右時（9～12 年）生長速度達到最大值，而HT-1在樹齡達到15年時生長速率達到最大值，此時樹高為13.3 m。

3 討論

我國自2002年木本植物航天誘變育種開始以來，已經獲得了一些生長量增加的林木品種。前蘇聯通過航天誘變獲得了速生的樅樹［21］，美國航天育種中心則培育了生長量增加、果實產量增加且營養成分更為豐富的地瓜樹［31］。華山松和白皮松航天誘變家系苗期的苗高和地徑顯著高于地面對照［24］。然而由于誘變技術本身的不確定性以及不同家系間的遺傳差異，航天誘變技術對家系種子產生的作用也不盡相同，產生的變異對性狀的影響也不統一。就桑樹而言，苗木達8個月齡時移栽到試驗地，觀察到衛星搭載家系與地面對照植株生長存在較大差異；航天搭載各家系的植株側枝發生，側枝數量，單株間的產葉量等性狀差距較大［23］。本研究中經航天搭載處理后的4 個白樺家系，其種子活力也不盡相同，但總體趨勢是航天誘變后對種子活力表現為促進作用。從發芽率、發芽勢和成苗率綜合分析表明，HT-1 的正向變化較為明顯［27］。跟蹤調查2年、5年及15年的航天搭載的4個白樺家系生長性狀，各家系間的變異不盡相同。2年生的HT-1、HT-2、HT-4的苗高與地面對照的差異達到了極顯著水平，HT-1、HT-4 兩個家系的地徑與地面對照的差異也達到了顯著水平，HT-2家系的地徑與地面對照之間沒有顯著差異，HT-3家系的苗高、地徑與對照均沒有顯著差異；5 年生時只有HT-1 和HT-4 家系與地面對照表現明顯的差異，這2個家系的變異是HT-1的樹高、胸徑平均值高于地面對照，相反HT-4 家系的樹高、胸徑平均值低于地面對照；而15 年生時HT-1 和HT-4 與地面對照僅在樹高方面差異明顯，其中HT-1 的樹高平均值高于地面對照7.31%，HT-4 相較于地面對照表現為矮化，低于地面對照6.16%。2 年、5 年及15年航天搭載白樺的生長性狀的差距始終存在且趨勢保持一致，不同的是隨著樹齡的增加，部分航天搭載白樺的生長性狀與地面對照的差異由顯著變為不顯著。而HT-1 與HT-4 的樹高與地面對照則始終存在顯著差異。航天誘變育種產生的HT-1 及HT-4 家系產生了不同于地面家系的生長性狀，可能是遺傳背景不同，對航天誘變的敏感程度差異所導致；也可能是空間環境影響了哪些基因的表達，以上推測均有待于進一步研究。

航天誘變育種產生的HT 家系及地面對照在樹高、胸徑方面的重復力除98-3 家系的胸徑性狀外，都屬于高重復力（>0.5），說明航天誘變對同一家系的種子產生的誘變結果相似。航天誘變產生的突變在HT-1 的樹高性狀方面產生的突變增益最大，達到了7.31%。與常規育種相比，航天誘變能夠形成父本及母本沒有的優良性狀。當航天誘變以常規育種的良種為突變材料時，有機會獲得相較于地面良種更為優良的性狀。航天誘變產生的良種則能夠作為常規育種的材料，通過常規育種的方式獲得能夠穩定遺傳的良種。