利用混合線性模型對青海云杉無性系生長性狀進行早期評價1)

許娜 王軍輝 安三平 王麗芳

(甘肅省次生林培育重點實驗室(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所),天水,741022) (國家林業(yè)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))(甘肅省次生林培育重點實驗室(甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所))

青海云杉(Piceacrassifolia)為松科云杉屬植物,是我國西北特有樹種,也是我國西北地區(qū)造林和綠化的主要樹種,主要分布在我國青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地,對黃河流域水土保持及生態(tài)平衡具有不可替代的作用[1-2]。青海云杉是祁連山區(qū)水源涵養(yǎng)林的主要組成群系,具有較強的抗旱、抗寒、抗病蟲害、耐貧瘠土壤等特性,主要生長在1 600～3 800 m的海拔地帶[3-4]。20世紀70年代,我國學(xué)者已開始對青海云杉進行研究,主要為樹種立木資源調(diào)查、林分類型劃分,間伐等宏觀方面,對青海云杉家系優(yōu)良性狀遺傳改良選擇的研究較多,對單獨以親本無性系為材料進行遺傳改良的研究較少[5]。目前,優(yōu)良性狀遺傳改良已遠遠不能滿足當(dāng)前生態(tài)環(huán)境、無性繁殖材料、種子園營建等對青海云杉良種升級換代的迫切需求[6-7]。育種者在很早就意識到無性系林業(yè)可以在短時間獲得較大效益,同時,其具有集約經(jīng)營、目的性強、生產(chǎn)周期短等技術(shù)上的特點。因此,對各樹種無性系的選育試驗較多。針葉樹種中無性系發(fā)展最快的是杉木樹種,大批優(yōu)良杉木無性系人工林已成為南方主要用材林基地[8-9]。

選育獲得較高經(jīng)濟性狀的優(yōu)質(zhì)新品種是林木育種的最終目的[10]。有研究表明,不同歐洲云杉種群能夠適應(yīng)特定的生長環(huán)境[11]。具有不同生長性狀是林木生長優(yōu)良評判中最直觀的表現(xiàn),而生長性狀主要受遺傳因素與環(huán)境因素共同影響[12]。育種值是性狀表型值中遺傳效應(yīng)的加性效應(yīng),反映遺傳效應(yīng)的大小,其剔除了環(huán)境的影響[13]。目前,最佳線性無偏預(yù)測(BLUP)法被廣泛運用,其采用混合模型對遺傳參數(shù)進行無偏估計育種值,該方法得出的育種值與實際值的相關(guān)系數(shù)大且能夠有效消除非遺傳因素的影響[14-15]。最佳線性無偏預(yù)測法能夠?qū)α謽I(yè)上待測群體數(shù)量規(guī)模大且因測定林建立時間不同、親本數(shù)量不統(tǒng)一、試驗林保存數(shù)量不同而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不平衡數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,可以有效消除遺傳因素的誤差,提高遺傳評價和選擇的準確性[16]。

本研究以青海云杉無性系7、9、13、14 a時期的樹高進行育種值選擇,以期篩選出適合甘肅周邊地區(qū)速生優(yōu)質(zhì)且具有穩(wěn)定遺傳的無性系,為建立青海云杉優(yōu)良種子園及多時代輪回選擇提供優(yōu)良繁殖材料。

1 研究區(qū)概況

試驗林位于甘肅省小隴山林業(yè)科學(xué)研究所沙壩國家云杉種質(zhì)資源庫。地理中心坐標為105°54′E、34°34′N,海拔1560 m,年平均降水量800 mm,年平均氣溫7.2 ℃,極端最高溫32 ℃,極端最低溫-27 ℃,年積溫2 480 ℃,無霜期154 d。土壤為山地棕壤。自然植被類型為針闊混交林及落葉闊葉林,現(xiàn)存植被以天然次生林和人工林為主,森林覆蓋率98%。

2 材料與方法

參試的100個青海云杉無性系來源于小隴山林業(yè)科學(xué)研究所沙壩種子園。2007年從青海大通東峽林場種子園采集接穗,2008年在沙壩試驗基地嫁接,2011年營建無性系試驗林。田間試驗采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計,2株小區(qū),5次重復(fù),株行距2.0 m×2.0 m,面積0.413 hm2。

2.1 測定指標及方法

100個青海云杉無性系各性狀遺傳變異評價：2015年測定無性系的樹高及新梢生長量。2017年、2021年、2022年分別測定青海云杉100個無性系樹高、胸徑、冠幅、新梢等指標(實測963株,缺47株)。

優(yōu)良無性系選擇：采用青海云杉試驗林樹高育種值開展優(yōu)良無性系選擇。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS20.0軟件的GLM模塊進行方差分析和Pearson相關(guān)分析。采用R語言ASReml-R程序估算青海云杉無性系樹高遺傳值。

使用混合線性模型對試驗林的樹高方差分析、無性系重復(fù)力、親本無性系進行育種值估算。以單株調(diào)查值為單位,對無性系樹高進行雙因素方差分析?；旌暇€性模型為：

Xijk=μ+Bi+Fj+BFij+eijk。

式中：X為第i區(qū)組第j個無形系第k棵樹單株觀測值;μ為試驗均值;Bi為第i區(qū)組處理(固定);Fj為第j個無形系效應(yīng)(隨機);BFij為第i區(qū)組×第j個無性系的互作效應(yīng)(隨機);eijk為第i區(qū)組第j個無形系第k棵樹的殘差項。

試驗林的樹高育種值估算采用模型為：

y=Xβ+Zu+e。

式中：y為一個維的觀察向量;β為固定效應(yīng)向量(區(qū)組);u為隨機效應(yīng)向量(家系內(nèi)單株);e為隨機誤差向量;X和Z分別為固定效應(yīng)和隨機效應(yīng)的設(shè)計矩陣。將隨機效應(yīng)預(yù)測簡稱為最佳線性無偏預(yù)測估計[17]。

無性系樹高重復(fù)力計算公式如下：

R=1-1/F。

式中：R為無性系重復(fù)力;F為方差分析中F值。

遺傳增益計算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 青海云杉無性系方差分析

對100個青海云杉無性系不同樹齡(7、9、13、14 a)時期生長性狀進行分析,可以看出,青海云杉無性系平均保存率為95%。由表1可知,7、9、13、14年生無性系樹高、新梢、胸徑、冠幅間均呈極顯著差異(P<0.01),說明無性系間各性狀存在豐富的遺傳變異。新梢在不同樹齡各區(qū)組間均呈顯著或無顯著差異。各性狀在不同樹齡各區(qū)組×無性系間呈顯著或極顯著差異,這表明各性狀受到遺傳和環(huán)境的共同影響較大。

表1 青海云杉無性系不同樹齡性狀方差分析結(jié)果

綜合不同樹齡無性系樹高的方差分析可以看出,樹齡、區(qū)組、無性系、樹齡×無性系互作效應(yīng)、區(qū)組×無性系互作效應(yīng)間差異顯著。由表2可知,樹高主要受樹齡效應(yīng)的影響,樹齡效應(yīng)方差分量占比為77.5%;其次為無性系、無性系×樹齡×區(qū)組互作效應(yīng)、無性系×區(qū)組互作效應(yīng);樹齡×區(qū)組互作效應(yīng)的影響最小,方差分量占比僅為0.05%。

表2 青海云杉無性系連年樹高方差結(jié)果

3.2 青海云杉不同樹齡各性狀遺傳參數(shù)估計

對青海云杉連續(xù)幾年的生長性狀方差分量分析見表3。可以看出,7年生無性系樹高、新梢間方差分量占比均小于無性系×區(qū)組、誤差,表明7年生無性系樹高及新梢受環(huán)境影響較大。9年生無性系樹高、新梢、胸徑方差分量占比均小于無性系×區(qū)組,說明樹高、新梢、胸徑受遺傳基因和環(huán)境共同影響較大。無性系冠幅方差分量占比大于無性系×區(qū)組,表明冠幅受無性系遺傳基因影響較大。13年生無性系樹高、胸徑、冠幅方差分量占比均大于無性系×區(qū)組,表明樹高、胸徑、冠幅受無性系遺傳基因與環(huán)境共同影響較大。14年生無性系樹高、新梢、胸徑、冠幅方差分量占比均大于無性系×區(qū)組,表明各性狀均受無性系遺傳基因的較大影響。青海云杉無性系不同樹齡時各性狀方差分量占比誤差最大,表明不同樹齡時各性狀生長受環(huán)境影響最大。不同樹齡時各性狀表型變異系數(shù)為22.07%～60.37%,遺傳變異系數(shù)為7.55%～29.78%,樹高、新梢、胸徑、冠幅表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)。無性系各性狀重復(fù)力為0.36～0.86,試驗各樹齡的樹高重復(fù)力較其他性狀均較大,說明樹高具有較大及較穩(wěn)定的選擇潛力,也表明各性狀受無性系遺傳基因影響較強,遺傳基因穩(wěn)定性較高,進行遺傳篩選改良的潛力較大。

表3 青海云杉無性系各性狀方差分量和遺傳參數(shù)

3.3 14年生無性系育種值初步選擇

利用最佳線性無偏估計法預(yù)測混合線性模型,獲得100個14年生青海云杉無性系的育種值,按照育種值大小排序,選擇排序前30名的優(yōu)良無性系(表4)。14年生無性系入選率為30%,樹高遺傳增益6.25%～22.26%。入選無性系實際平均樹高為406.5～478.0 cm、選擇差為27.9～99.4 cm、新梢為19.25～62.00 cm、胸徑為6.54～8.09 cm、冠幅為187.2～268.5 cm。

表4 入選優(yōu)良無性系及樹高遺傳增益

3.4 無性系遺傳值估算及優(yōu)良無性系選擇

使用最佳線性無偏估計法估算出100個無性系14 a樹高遺傳值在-125.04～82.97,其中,遺傳值大于0的無性系有51個。樹高遺傳值與樹高實際值之間呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.984,為極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖1,P<0.01)。

圖1 無性系樹高遺傳值與樹高實際值間的相關(guān)性回歸結(jié)果

3.5 入選無性系各樹齡樹高育種值排序

采用最佳線性無偏估計法分別估算7、9、13、14年生無性系樹高育種值,按育種值由大到小選擇排序前30名的無性系。從表5可以看出,不同樹齡無性系排名不同,但包含的無性系相同,這說明無性系間的育種值排名相似。當(dāng)樹齡為9 a時,共包含7年生無性系11個;樹齡為13 a時,共包含7年生無性系19個;樹齡為14 a時,共包含7年生無性系21個。不同樹齡時無性系排名變化較大,原因是受當(dāng)年環(huán)境氣候的影響。在樹齡為14 a時,排名前5名的無性系與樹齡為7 a時一致。隨著樹齡增大,優(yōu)良無性系的性狀受遺傳因素控制較多,在后期的生長中受立地環(huán)境的影響較少,這說明無性系受本身遺傳基因影響較大。按照遺傳增益不小于10%的原則,選擇無性系08青大039、08青大035、08青大012、08青大018、08青大007為優(yōu)良無性系進行改良擴繁。以上無性系優(yōu)良性狀保持較穩(wěn)定,很大程度受遺傳控制,后期選擇有一定的可行性[3]。

表5 青海云杉各樹齡無性系育種值排名

4 結(jié)論與討論

林木在長期的生長演化過程中,為適應(yīng)環(huán)境的變化逐漸產(chǎn)生遺傳變異[18-20]。遺傳變異是選擇的基礎(chǔ),只有充分了解林木的遺傳變異規(guī)律才能提高林木改良的準確性。通過無性系遺傳測定選擇優(yōu)良無性系是加快林木遺傳改良進程的重要途徑[21-23]。遺傳改良最基礎(chǔ)的衡量指標是生長性狀的變異,這也是無性系選擇的前提條件[24-25]。本研究中,不同樹齡的青海云杉無性系各生長性狀差異均達到顯著水平,無性系各性狀的重復(fù)力普遍較高,均值達0.59,受中等遺傳控制。隨著樹齡的增加,重復(fù)力逐年遞增。7年生樹高重復(fù)力為0.39,14年生樹高重復(fù)力為0.85,受高等遺傳調(diào)控。高本旺等[26]在歐洲云杉幼齡無性系生長差異研究中估算出歐洲云杉各性狀重復(fù)力為0.59～0.71,全部受中等遺傳調(diào)控。因此,進行優(yōu)良無性系選擇對生長性狀的改良有較好效果。綜合比較,從方差分量占比可以看出,樹齡為7、9 a時,無性系×區(qū)組互作效應(yīng)的樹高、新梢、胸徑方差分量占比大于無性系單一效應(yīng)。樹齡為13、14 a時,無性系×區(qū)組互作效應(yīng)的樹高、新梢、胸徑、冠幅方差分量占比均小于無性系單一效應(yīng)(13年生無性系新梢除外)。各樹齡時,誤差方差分量占比一直大于無性系單一效應(yīng)及無性系×區(qū)組互作效應(yīng)。該現(xiàn)象表明,遺傳因素和立地環(huán)境對青海云杉無性系生長影響較大,且隨著樹齡增大,遺傳因素影響逐漸占主要作用。因此,以樹高作為目標性狀進行無性系選擇較為有利。不同樹齡無性系各性狀表型變異系數(shù)為22.07%～60.37%,遺傳變異系數(shù)為7.55%～29.78%。青海云杉無性系樹高受到樹齡效應(yīng)、區(qū)組效應(yīng)、無性系效應(yīng)、樹齡×區(qū)組互作效應(yīng)、樹齡×無性系互作效應(yīng)、區(qū)組×無性系互作效應(yīng)、樹齡×區(qū)組×無性系互作效應(yīng)的顯著影響(P<0.05),其中,受樹齡效應(yīng)的影響最大,方差分量占比為77.5%。遺傳因素與環(huán)境因素的互作效應(yīng)對青海云杉無性系的影響較顯著。

以最佳線性無偏預(yù)測方法估算14年生無性系樹高育種值,選擇21個無性系,入選率為21%,樹高遺傳增益為15.65%。為保證基因型多樣性,降低對未來未知生物威脅的風(fēng)險,輪回期較長的林木選擇應(yīng)控制基因型在安全范圍(5～30個)[27-28]。以無性系樹高育種值為選擇指標時,應(yīng)依據(jù)無性系測定林可能獲得的期望遺傳增益的高低同時保證總遺傳增益不低10%的原則進行。根據(jù)育種值對青海云杉7、9、13、14年生無性系進行排序,選出各樹齡中排名前30的優(yōu)良無性系,研究表明,該排名變化較大。在樹齡為9 a時,排序在前30名的無性系有11個與樹齡為7a時相同;樹齡為13 a時,有19個無性系與樹齡為7 a時相同;樹齡為14 a時,有21個無性系與樹齡為7 a時一致,且排名前5的無性系(08青大039、08青大035、08青大012、08青大018、08青大007)與樹齡為7 a時的排名一致,遺傳增益為18.13%。該現(xiàn)象說明,青海云杉無性系樹齡越大,生長性狀遺傳因素相對較穩(wěn)定,選擇以上5個無性系可以作為優(yōu)良無性繁殖材料并優(yōu)先推廣利用。