鄂西地區(qū)歐洲云杉幼齡無性系生長差異及早期評價與選擇

高本旺，歐陽芳群，高 晗，李 薇，雷 華，田開春，祁 松，王軍輝

(1.宜昌市林業(yè)科學(xué)研究所，湖北 宜昌 443111；2.北京市植物園管理處，北京市花卉園藝工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京 100093；3.湖北宜昌夷陵區(qū)樟村坪國有林場，湖北 宜昌 443145；4.林木遺傳育種國家重點實驗室，國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室，中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

自20 世紀(jì)80 年代開始，我國就已開展主要用材林及經(jīng)濟林樹種無性系選育及改良工作，以開拓集約人工林發(fā)展無性系林業(yè)的道路。各樹種如楊樹（PopulusL.）、杉 木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）、落葉松（Larix gmelinii(Rupr.)Kuzen.）、白榆（Ulmus pumilaL.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaL.）、油茶（Camellia oleiferaAbel.）、板栗（Castanea mollissimaBlume）和核桃（JuglansregiaL.）等都已篩選出一批遺傳增益達30%以上的無性系種質(zhì)資源，成為這些樹良種化的支柱品種[1]。歐洲云杉（Picea abies(L.)Karsten.）為松科（Pinaceae）云杉屬（Picea），是我國北方成功引種的外來用材樹種，它比各鄉(xiāng)土云杉具有極高生產(chǎn)力，胸徑可達150 cm[2-3]。中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所云杉課題組自20 世紀(jì)80 年代開始從全世界歐洲云杉主要分布區(qū)的法國、德國、英國和捷克等地引進不同種源、家系等種質(zhì)，在全國多地點開展引種對比試驗，從繁殖育苗[4-6]、引種適應(yīng)性[7-10]、遺傳多樣性[11-12]等方面逐步對引進的云杉進行了研究分析及優(yōu)選，初步已確定其適應(yīng)地區(qū)和增益優(yōu)勢。

林木育種最終目的是選育優(yōu)良種質(zhì)資源。Kliz 等研究指出，不同歐洲云杉種群在特定的環(huán)境中具有不同的適應(yīng)能力[12]。最佳線性無偏預(yù)測（BLUP）利用混合模型對育種值等遺傳參數(shù)進行無偏估計，其得出育種值與實際值相關(guān)系數(shù)大，且能夠有效消除除遺傳因素的其它影響得出育種值與實際值相關(guān)系數(shù)大，且能夠有效消除其它除遺傳因素的影響[13-14]。R 語言中l(wèi)me4、nme、MCMCglmm、ASReml 等程序包都可進行混合線性模型的數(shù)據(jù)分析，其中，lme4 包中的lmer 函數(shù)是BLUP 分析常用的方法之一。筆者以9 年生378 個歐洲云杉無性系試驗林為試材，研究其表型性的遺傳變異，探討其進行材質(zhì)改良的潛力，并通過樹高基因型值/遺傳值優(yōu)選30 個無性系，可為歐洲云杉無性繁殖推廣應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)種質(zhì)材料。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點地處湖北省宜昌市夷陵區(qū)北部樟村坪林場（31°09′50″ N、110°03′43″ E），海拔1502 m，坡度22°，坡向東，坡位中上，年平均降水量1 100 mm 以上，年平均氣溫7.4～17.6℃，濕度82%。

1.2 材料來源

參試的378 個歐洲云杉捷克種源無性系來源于中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所云杉遺傳改良課題組與甘肅天水小隴山林業(yè)科學(xué)研究所協(xié)作苗圃開展生產(chǎn)性育苗。通過播種繁殖后，于2008 年選超級苗扦插，單株無性系化并進行多次選擇比較，2011 年3 月，選擇出378 個歐洲云杉無性系苗（3 年生）在宜昌市夷陵區(qū)樟村坪鎮(zhèn)樟村坪林場三岔埡分場宰金坪造林，田間試驗采用隨機完全區(qū)組試驗設(shè)計，5 次重復(fù)，4 株方塊小區(qū)，株行距為2 m×2 m，挖穴規(guī)格40 cm×40 cm×40 cm，不施基肥，營造無性系測試林3 hm2。

1.3 研究內(nèi)容及測定指標(biāo)

（1）378 個歐洲云杉無性系各性狀遺傳變異評價。2019 年底至2020 年初全面調(diào)查378 個無性系樹高、胸徑、冠幅、新梢長及分枝數(shù)等指標(biāo)（實測6 597 株，缺963 株）。

（2）優(yōu)良無性系選擇。利用無性系試驗林樹高遺傳值對試驗林開展優(yōu)良無性系選擇。

1.4 調(diào)查統(tǒng)計方法

（1）2019 年在歐洲云杉生長休眠期進行9 年生長量指標(biāo)調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)包括樹高（H/ m）、胸徑（D/cm）、新梢長（I/cm）、冠幅（C/cm）、分枝數(shù)（B/個）。

（2）對歐洲云杉無性系間生長性狀進行有關(guān)遺傳參數(shù)估算，采用線性模型如下：

式中：Xijk為單株觀測值，μ為試驗均值，Cj為無性系效應(yīng)（隨機），Bi為 區(qū)組處理（固定），BCi j為區(qū)組與無性系互作效應(yīng) (隨機)，eijk為剩余項。

（3）無性系遺傳變異系數(shù)（CVc）和表型變異系數(shù)（CVp）:

（4）無性系重復(fù)力（R）計算公式：

（5）相關(guān)系數(shù)：

（6）各性狀遺傳值估算采用混合線性模型如下：

式中：y觀察向量，β為固定效應(yīng)向量，u為隨機效應(yīng)向量，e為誤差向量；X、Z分別為設(shè)計矩陣。

（7）遺傳增益（G）：

式中：S表示選擇差；R表示無性系重復(fù)力。

1.5 統(tǒng)計軟件

方差分析采用R 軟件GLM 模塊計算，遺傳參數(shù)及遺傳值采用R 軟件lme4 程序包計算[15]。遺傳相關(guān)系數(shù)采用軟件HalfsibSS 1.0[16]，表型相關(guān)系數(shù)采用軟件SAS 9.1 CORR 模塊計算Pearson 表型相關(guān)系數(shù)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 無性系的表型變異和遺傳參數(shù)估計

對378 個9 年生歐洲云杉無性系表型性狀進行調(diào)查分析，歐洲云杉各無性系苗平均保存率達88.8%，最大值達100%，最小值為25%。由表1可知：378 個9 年生歐洲云杉無性系（不含苗期3 年）樹高均值為2.62 m，當(dāng)年新梢長度均值為36.80 cm，胸徑均值為2.80 cm。當(dāng)年生長輪每輪平均4.47 個分枝，冠幅大小均值為125.30 cm，各表型變異系數(shù)平均為31.38%～48.24%，說明無性系之間不同表型性狀差異較大。

表1 歐洲云杉無性系表型均值Table 1 Phenotype average values of Picea abies clones

對歐洲云杉無性系各性狀進行方差分析，由表2 可知：性狀無性系間均差異極顯著，說明從無性系水平進行篩選及遺傳改良的可行性極大，即同一種源內(nèi)基因型間有極大生長和適應(yīng)性差異；分枝數(shù)在區(qū)組間差異顯著或極顯著，其它性狀在區(qū)組間差異表現(xiàn)為顯著。各性狀在無性系與區(qū)組間交互作用極顯著，受遺傳和環(huán)境交互影響較大。

表2 歐洲云杉無性系生長性狀方差分析Table 2 Variation analysis of growth traits of Picea abies clones

從表3 方差分量看：樹高、新梢長、胸徑、分枝數(shù)、冠幅、材積無性系效應(yīng)的方差分量占比為10.2%～20.42%，無性系與區(qū)組效應(yīng)的方差分量占比為7.75%～ 34.29%，誤差方差分量占比為47.25%～82.05%，除分枝性狀外，其它生長性狀無性系與區(qū)組互作效應(yīng)均大于無性系效應(yīng)，說明歐洲云杉無性系生長受遺傳和環(huán)境互作影響較大，誤差方差分量占比相對較高，說明無性系區(qū)組間及小區(qū)內(nèi)個體間受環(huán)境影響效應(yīng)較大。

表3 歐洲云杉無性系的生長性狀方差分量和遺傳參數(shù)估計Table 3 Variance component and gene parameters of Picea abies clones

從表3 中無性系重復(fù)力來看：各性狀受無性系遺傳因素控制程度較強，進行改良潛力較大，其中，無性系胸徑和冠幅性狀重復(fù)力達到0.70 以上。無性系各性狀遺傳變異系數(shù)均小于表型變異系數(shù)，遺傳變異系數(shù)為10.02%～20.38%，表型變異系數(shù)為31.36 %～48.36%。

2.2 無性系生長性狀間的相關(guān)分析

對9 年生378 個歐洲云杉無性系的各生長性狀樹高、新梢長、胸徑、冠幅、分枝數(shù)、材積進行相關(guān)分析，其中，分枝數(shù)數(shù)據(jù)進行對數(shù)化（以10 為底）后分析，結(jié)果（表4）表明：無性系樹高、新梢長、胸徑、冠幅表型相關(guān)和遺傳相關(guān)系數(shù)較高（0.72～0.95），且都極顯著相關(guān)。無性系材積與樹高、胸徑、新梢長和冠幅間有顯著或極顯著表型相關(guān)和遺傳相關(guān)。分枝數(shù)與其他各性狀表型及遺傳相關(guān)系數(shù)均較低，且不顯著相關(guān)。可能的原因是無性系分枝數(shù)測量的是頂輪分枝數(shù)，并不是整株的分枝數(shù)。

表4 無性系生長性狀相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coeffieient of growth traits in Picea abies clones

2.3 無性系遺傳值估計與優(yōu)良無性系的初步選擇

運用BLUP 方法得到378 個歐洲云杉無性系樹高遺傳值范圍為?81.16～108.59，大于0 的無性系有167 個。樹高遺傳值與樹高實際值經(jīng)檢驗，相關(guān)系數(shù)達0.997（圖1），二者呈極顯著正相關(guān)（p<2.2e?16）。

圖1 歐洲云杉無性系樹高遺傳值與實際值之間的線性相關(guān)Fig.1 The pearson correlation between tree height of the clones and genetic value

從中選擇遺傳值較高的30 個無性系作為優(yōu)良無性系，樹高選擇差為101.39 cm，入選無性系樹高均值為363.18 cm，遺傳增益為26.38%；入選無性系胸徑、冠幅均值分別為4.06、162.37 cm。各無性系號及樹高遺傳增益見表5。

表5 入選的歐洲云杉優(yōu)良無性系及樹高遺傳增益Table 5 Selected superior P.abies clones and genetic gain of tree height

3 討論

無性系育種在林木遺傳改良中具有很大的潛力和優(yōu)勢，繁殖的無性系不僅能夠繼承母株的加性效應(yīng)，還繼承了母株的顯性和上位作用效應(yīng)[18-19]。參試378 個歐洲云杉無性系是苗期篩選出的優(yōu)良單株扦插擴繁初步選出而來。通過無性系生長表型的測定可直接了解該無性系對區(qū)域的適應(yīng)性及遺傳變異情況。

本研究通過對樟村坪林場378 個歐洲云杉無性系樹高、胸徑、冠幅、分枝數(shù)、新梢長等表型性狀的測定及變異分析發(fā)現(xiàn)，同一種源內(nèi)歐洲云杉無性系間具有極顯著差異，各性狀無性系重復(fù)力較高，說明各性狀在無性系間具有差異。各性狀表型變異系數(shù)為31.36%～48.36%，遺傳變異變異系數(shù)為10.02%～ 20.38%。各性狀的無性系、無性系與區(qū)組互作效應(yīng)都顯著，無性系與區(qū)組互作效應(yīng)方差分量比無性系的方差分量大（分枝數(shù)除外），說明遺傳因素及立地環(huán)境因素對歐洲云杉無性系的影響很大。在林木育種中，尤其具有重要商業(yè)價值的樹種研究報告中，均顯現(xiàn)出顯著的遺傳因素與環(huán)境因素的互作效應(yīng)影響如火炬松（Pinus taedaL.）、落葉松、桉樹（Eucalyptus robustaSmith.）、云杉等[20-22]。

歐洲云杉無性系各性狀重復(fù)力范圍為0.59～0.71，表明全部性狀均中等程度以上的遺傳調(diào)控，無性系間遺傳效應(yīng)與一般環(huán)境效應(yīng)疊加所形成的表型性狀具有較高的穩(wěn)定性。在無性系性狀遺傳變異分析中，滇楸（Catalpa fargesiiBur.）[23]、香椿（Toona sinensis(A.Juss.) Roem.）[24]、桉樹[25]等均表現(xiàn)出了大于0.50 的重復(fù)力，并在無性系間進行了優(yōu)選。歐洲云杉無性系生長性狀重復(fù)力較高，在本地進行優(yōu)良無性系的選擇可以取得較好的改良效果。

通過各性狀遺傳和環(huán)境相關(guān)性分析，胸徑與樹高遺傳相關(guān)系數(shù)達到0.95，因此，利用樹高遺傳值大小進行優(yōu)良無性系的選擇具有一定的可行性。遺傳值是林木選擇育種中一項重要參數(shù)，代表遺傳效應(yīng)中的加性效應(yīng)部分。BLUP 法是Henderson 針對不平衡資料提出的一種預(yù)測方法，能夠應(yīng)用線性方程進行固定效應(yīng)和隨機效應(yīng)的估算。1988 年White等[26]對BLUP 方法的應(yīng)用進行了詳細(xì)的介紹，目前，BLUP 方法已在泡桐（Paulownia fortunei(Seem.)Hemsl.）[27]、扭葉松（Pinus contortassp.latifolia）[28]、火炬松[29]、青海云杉（Picea crassifoliaKom.）[14]育種中應(yīng)用。孫曉梅等[30]也通過比較分析表示，通過BLUP 方法估算在無性系選育中具有重要意義。

4 結(jié)論

目前，在鄂西地區(qū)湖北宜昌已建立云杉屬種質(zhì)基地110 hm2，包括歐洲云杉海拔區(qū)域?qū)Ρ仍囼灹旨巴茝V示范林，通過本地區(qū)378 個歐洲云杉優(yōu)良無性系遺傳變異分析，篩選出30 個優(yōu)良無性系，入選的無性系樹高遺傳增益達到26.38%，可扦插擴繁為本地提供優(yōu)質(zhì)種苗和優(yōu)先推廣利用，加速本地云杉人工林的發(fā)展。目前，已完成部分入選優(yōu)良無性系再嫁接工作，嫁接成活率98%，以供建采穗圃和矮化處理做捷克種源育種群體親本用。此外，通過仔細(xì)調(diào)查生長好的無性系和生長差的無性系有物候等生長和形質(zhì)指標(biāo)差別，以供選擇參考。