不同結實量的杉木種子發芽率與種實性狀相關性及通徑分析

韓 凈, 葉騰云, 葉代全, 王子墨, 陳明星, 李文芳, 周 堅

(1.南京林業大學南方現代林業協同創新中心, 南京 210037;2.南京林業大學生物與環境學院, 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16個省(區、市)[1],是我國南方重要的速生用材樹種,具有生長快、材性好、單產高、分布廣等特點,在南方林木業生產中占有重要的地位[2],是重要的防護林樹種,具有很高的藥用價值,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2萬hm2, 需種量達1.8萬kg,然而,杉木種子園產量低,單產約3.8 kg/hm2,而且質量差,澀粒和空粒占40%～60%,嚴重影響杉木栽培良種化進程[3]。因此,提高杉木種子園產量和質量是杉木種子園經營中十分重要的任務。以往研究多側重于產量方面[4-6],而對質量方面的研究甚少[3,7]。為了進一步考察杉木種實性狀變異程度與發芽率相關植株性狀,本研究以福建省洋口林場杉木第4代種質資源庫3個分別為結實量少、結實量中等、結實量多的無性系為研究對象,觀測其球果和種子的12個性狀指標,采用相關性分析、逐步回歸分析和通徑分析,對杉木各性狀與發芽率的關系進行研究。探討各性狀對發芽率的相對重要性及其決策系數,獲得影響杉木發芽率的主要性狀指標,分析其對發芽率的直接作用和間接作用,以期為杉木優良品種選育提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于福建省南平市順昌縣洋口鎮解建村境內,為福建省洋口林場第4代種質資源庫,建設地點在道坪工區14-8-2,屬于武夷山支脈的低山丘陵地區 (26°50′N,117°53′E)。資源庫面積為8.07 hm2,試驗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 試驗材料

在2020年10月根據對福建洋口國有林場第4代種質資源庫的608個無性系結實調查統計,依據實際結實量劃分為3種類型,即結實量少的無性系平均每株283個球果(87號無性系,平均株高6.24 m),結實量中等的平均每株522個球果(163號,平均株高7.93 m),結實量多的平均每株978個球果(266號,平均株高8.48 m)。每個無性系隨機選取無病蟲害、生長良好的3株母樹為試驗材料。

1.3 試驗方法

1.3.1種子性狀的測定

同年11月對選取的3種不同結實類型的杉木無性系的9株樹,按照陰、陽面兩個方位和上層(樹冠結實層上1/3處)、中層(樹冠結實層中1/3處)、下層(樹冠結實層下1/3處)3個位置進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個部位采集的所有球果分別裝入附有位置標簽的編織網袋中,共54袋試驗球果樣品。分別統計每袋樣品的球果數量,共計5 527個球果。將球果進行自然晾干,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《林木種子檢驗規程》,從采集的球果中抽取6萬多粒種子進行表型和發芽測定。在54袋種子樣品中每袋隨機選取飽滿的種子各30粒拍照,用ImageJ軟件測量單個種子的長、寬、面積,并計算其種形指數,并測定千粒重、發芽率、優良度、澀粒率、空粒率等指標[8]。

1.3.2指標測定計算

參考程琳等[9]的方法,對杉木種子性狀指標進行研究。試驗測定和計算指標如下。

1) 產量性狀:包括球果數量和種子產量2個指標。

2) 種子表型性狀:包括種子長、種子寬、種子面積和種形指數等4個指標。

3) 種子發芽特性測定:包括發芽率和發芽勢2個指標。

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

5) 變異系數測定:

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 數據分析

對所測定的性狀進行描述統計,分別計算平均值、標準差、變異系數、遺傳力等[10]。運用Excel2007軟件和R語言軟件對杉木主要的種實性狀進行方差分析、相關分析、多元逐步回歸分析、通徑分析和綜合評價。

1.4.1通徑分析

運用R語言軟件對無性系、部位、球果數量、千粒重等14個指標進行逐步回歸分析,篩選出對發芽率有主要影響的指標,再對其進行通徑分析,計算出各指標對發芽率影響的直接作用和間接作用[11]。

1.4.2決策系數計算

在通徑分析基礎上,采用決策系數判斷各指標對發芽率的綜合影響[12]。決策系數計算公式如下:

2 結果與分析

2.1 杉木無性系各性狀方差分析

對3個杉木無性系的種實性狀進行方差分析,由表1可以看出,優良度和發芽率兩個性狀方差分析達顯著水平,其他各性狀方差分析均達極顯著差異水平,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分析

3個杉木無性系各性狀遺傳變異參數分析,結果見表2。用變異系數來衡量各指標間的相對變異程度或變異潛力大小,對試驗株測定指標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%;種子產量、澀粒率、球果數量和千粒重的變異系數較大,其中以種子產量的最大(56.65%),最小值為129.67 g,最大值641.16 g,極差511.49 g;這說明其穩定性不高,同時也表明單株產量差別懸殊,選擇的空間很大;種子長、種子寬、種形指數變異系數較小,其中種形指數最小(7.52%),表明種子大小維持在較穩定的水平。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分析Table 2 Analysis of genetic variation parameters of each character of Cunninghamia lanceolata clones

2.3 杉木發芽率與各性狀相關性分析

為揭示不同無性系發芽率與各性狀間的相關性,對12個種實性狀指標進行相關性分析,結果見表3。發芽率與部位、千粒重、種子面積、種子長、種子寬、發芽勢、優良度均存在極顯著正相關,其中與發芽勢的相關系數最高,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,表明種子越大,發芽率越高;發芽率與無性系存在顯著正相關,相關系數為0.318,表明結實量大的無性系發芽率反而小;發芽率與空粒率呈極顯著負相關,與球果數量和澀粒率呈顯著負相關,球果數量與澀粒率呈極顯著正相關,表明球果數量越多,營養競爭越激烈,種子發育營養不足就會變成澀粒,澀粒率則越高,發芽率就越低;發芽率與方位、種形指數、種子產量的相關性均不顯著。可見,各品質指標間有一定的相關性,表明篩選出種子表型、種子發芽特性及優良性狀兼優的無性系存在可能性。

表3 發芽率與各性狀相關性分析Table 3 Correlation analysis between germination rate and various traits

2.4 杉木種子發芽率與各性狀的逐步回歸分析

發芽率是杉木種子質量的重要指標。以發芽率(Y)為因變量,以無性系(X1)、部位(X2)、方位(X3)、球果數量(X4)、千粒重(X5)、種子面積(X6)、種子長(X7)、種子寬(X8)、種形指數(X9)、種子產量(X10)、空粒率(X11)、澀粒率(X12)、優良度(X13)等為自變量進行逐步回歸分析(表4)。從包含14項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,由此得到最優標準化回歸方程:

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

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

結果表明,方位、種子長、種子寬、種形指數、優良度是影響杉木種子發芽率的主要因素。

2.5 主要性狀對發芽率的通徑分析

選取通過逐步回歸篩選的5個指標進行通徑分析,結果見表5。方位、種子長、種子寬、種形指數與優良度對發芽率有不同程度的貢獻,表現為正向或負向的作用,各性狀對發芽率直接影響依次為:優良度>種子寬>種形指數>方位>種子長;分析各個間接通徑系數發現,種子寬通過優良度對發芽率的間接作用較大,其間接通徑系數為0.515;種子長通過種子寬對發芽率的間接作用次之,其間接通徑系數為0.436;種子長通過優良度對發芽率的間接作用第三,其間接通徑系數為0.361。由間接通徑系數合計值可知,對杉木種子發芽率影響依次為:種子長>方位>種子寬>優良度>種形指數。因此,以直接通徑系數和間接通徑系數作為判定影響的權重存在片面性,而以決策系數判斷影響權重更為可靠[13]。

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

由表5可知,決策系數排序為:優良度>種子寬>方位>種形指數>種子長,且種子長的決策系數小于0。由此可知,優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。在這5個指標中,增加種子優良度比其他4個因素更能夠提高杉木種子的發芽率。因此,提高種子優良度是提高杉木質量的主攻方向;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,但其他因素通過種子長對發芽率的間接作用均為負。因此,提高杉木種子發芽率需提高種子優良度,限制種子長。

3 結論與討論

林木種子是苗木繁育的關鍵,而發芽率是評估種子質量的重要指標[14]。對杉木3種不同結實類型無性系間的12個球果、種子性狀的方差分析結果表明,球果數量、千粒重、種子面積、種子長、種子寬、種形指數、種子產量、空粒率、澀粒率之間的差異均達到極顯著差異水平,優良度和發芽率之間的差異達到顯著水平。這與程琳等[15]、陳蘇英等[16]的研究結果一致。

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

杉木各性狀間既存在相互影響,又存在相互制約的關系。杉木種子發芽率與發芽勢、優良度呈極顯著正相關,發芽勢與優良度呈極顯著正相關,優良度與空粒率呈極顯著負相關[16,20],與本試驗結論基本一致。這表明杉木種子隨著優良度的增加,其發芽率和發芽勢隨之增加,而空粒率隨之減少;也有研究表明杉木結實量與種子發芽率的相關性不顯著,種子澀粒率在遺傳上除與千粒重呈負相關外,與發芽率等沒有相關關系[16,20],這與本試驗結果相反。兩者不同主要是由于計算方法不同導致的,但按照GB 2772-1999《林木種子檢驗規程》[8],計算種子發芽率是包含澀粒型種子的。因此,種子發芽率與澀粒率存在極顯著的負相關關系。

相關系數是表明各性狀間的相關程度,而通徑系數是說明相關性狀的因果關系及各性狀對發芽率提高的相對重要性大小。應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芽率與各性狀之間的關系[21]。目前通徑分析大多應用于種子產量相關性狀研究[22-23],在林木種子中,也有對紫穗槐種子發芽率與千粒重、發芽勢、優良度等性狀的通徑分析研究[24]。本試驗以杉木種子發芽率為因變量,其余所觀測的種實性狀為自變量進行多元逐步回歸,結果表明,方位、種子長、種子寬、種形指數、優良度與種子發芽率密切相關。對這5個指標的通徑分析結果表明,對杉木種子發芽率影響最大的決定因子是優良度。優良度常被用來預測種子發芽率,對生產中快速評價種子質量有較高的應用價值[25-26];而對發芽率影響最大的限定因子是種子長,其次是種形指數。種子形態生長和籽粒發育等過程都會影響種子發芽率。因此,通過增加施肥量來提高優良度和種子寬并且限制種子長,是改善杉木種子品質的有效途徑之一[27]。