基于種實性狀的杉木第3代無性系種子園親本評價

王 欣，徐剛標(biāo)，黃 帆，蔣宏春，張森強，張 勰

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410004； 3.會同縣廣坪國有林場，湖南 會同 418307)

林木種子園是以人工選擇的優(yōu)樹無性系或其子代家系為材料，采用隔離措施，實行高度集約經(jīng)營管理，以生產(chǎn)遺傳品質(zhì)經(jīng)過改良的林木種子供人工造林為目的的人工種植園[1]，是林木選擇育種活動與人工林培育實踐之間的橋梁[2]，在林木良種化過程中發(fā)揮著極其重要的作用[3]。20世紀(jì)50年代以來，世界林業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼通過營建林木種子園[1]，持續(xù)開展了多世代輪回選擇育種策略研究并營建高世代種子園，為人工林培育提供了大量的優(yōu)質(zhì)種苗材料，極大地提高了全球人工林面積和林分質(zhì)量[4]。由于林木自身開花結(jié)實周期長的生物學(xué)特性，在種子園建設(shè)過程中，建園親本材料的選擇往往側(cè)重于生長和材質(zhì)性狀，較少考慮結(jié)實特性，種子園的產(chǎn)量普遍沒有達(dá)到育種工作者的預(yù)期[5]。因此，提高種子園種子產(chǎn)量，改善林木種子遺傳和播種品質(zhì)，是林業(yè)生產(chǎn)上亟待解決的實際問題[5-7]。

杉木(Cunninghamialanceolata)具有生長快、產(chǎn)量高、材質(zhì)優(yōu)、用途廣等優(yōu)點，是我國長江流域各省區(qū)特有的主要造林樹種之一，栽培面積大，不僅為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了大量的木材，也是我國南方森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在國家儲備林建設(shè)戰(zhàn)略中具有重要地位[8]。我國杉木遺傳改良工作開展較早，目前大部分杉木產(chǎn)區(qū)的省份已經(jīng)建立第3代杉木無性系種子園，部分地區(qū)已開展杉木第4代遺傳改良，其研究成果代表了我國針葉用材樹種遺傳改良研究的領(lǐng)先水平[9]。近30年來，有關(guān)提高杉木種子園種子產(chǎn)量和播種品質(zhì)的經(jīng)營管理技術(shù)方面的研究報道很多[10-16]，但多側(cè)重于經(jīng)營管理措施，尚未見第3代杉木種子園無性系球果、種子產(chǎn)量和質(zhì)量的研究報道。湖南省是中國杉木的主產(chǎn)區(qū)之一，杉木人工林面積和蓄積量約占湖南省森林面積和蓄積量的33.00%和41.25%[16]。湖南省每年杉木造林任務(wù)重，杉木良種需求量大。本研究以湖南省會同縣連山第3代杉木種子園無性系為研究對象，比較分析不同無性系杉木球果以及球果產(chǎn)量和質(zhì)量，綜合評價篩選出具有綜合優(yōu)勢的無性系，旨在為湖南省第3代杉木無性系種子園去劣留優(yōu)提供依據(jù)。

1 試驗地概況

第3代杉木無性系種子園位于湖南省會同縣連山鄉(xiāng)四岔路(109°41′E ，26°48′N)，年平均氣溫16.60 ℃，年平均無霜期303 d，年平均降雨量1 400 mm，年平均相對濕度83.00%。地形屬低山地貌，海拔300～350 m，坡度10°。土壤為第四紀(jì)紅壤，土層厚度1.00 m以上，質(zhì)地較粘，肥力中等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

第3代杉木無性系種子園建立于2012年，建園的無性系是基于聯(lián)合選擇，來自于第2代杉木遺傳改良過程中的子代測定林中選育出來的優(yōu)良個體以及無性系測定林中的優(yōu)良無性系。種子園株行距為4 m×4 m。

2.2 試驗設(shè)計與方法

研究以湖南省會同縣第3代杉木無性系種子園中的29個無性系為研究對象，2022年12月分無性系采摘球果。觀察記錄不同無性系球果形態(tài)特征，并調(diào)查分析無性系球果體積、球果產(chǎn)量、種子千粒重、種子發(fā)芽率、種子澀粒率、種子霉變率、種子發(fā)芽起始時間、種子發(fā)芽持續(xù)時間共10個指標(biāo)。每個無性系隨機選取種鱗未脫落的60個球果測定球果縱徑、球果橫徑，重復(fù)3次，并計算球果體積。

球果體積計算公式如下：

球果體積=2/3π(球果橫徑/2)2×球果縱徑

將不同無性系的球果分別放入網(wǎng)袋中，放置通風(fēng)處晾曬。待球果自然干裂后，參照《林木種子檢驗規(guī)程》(GB2772—1999)[17]，測定種子千粒重和發(fā)芽率；參考陳琳等[18]的方法，測定種子澀粒率、霉變率、發(fā)芽起始時間和發(fā)芽持續(xù)時間，重復(fù)3次。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2021軟件進行數(shù)據(jù)整理、SPSS21.0軟件進行方差分析和主成分分析、Matlab 2021軟件進行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 無性系球果、種子性狀分析

基于第3代杉木種子園中無性系的球果形態(tài)特征，本次調(diào)查的29個杉木無性系球果類型可分為緊包型、松張型、反翹型。其中，松張型占比最大，緊包型次之，反翹型占比最小。

參試的29個杉木無性系球果、種子性狀數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表1。由表1可知，不同無性系間，球果產(chǎn)量、球果縱徑、球果橫徑、球果體積、種子發(fā)芽率、種子千粒重、種子澀粒率、種子霉變率、種子發(fā)芽起始時間和種子發(fā)芽持續(xù)時間的差異均具有統(tǒng)計學(xué)上極顯著意義(P<0.01)。從變異系數(shù)可看出，球果產(chǎn)量變異最大，變異系數(shù)為103.53%；種子霉變率(75.40%)次之;再次為球果體積(38.21%)；球果橫徑變異系數(shù)最小。表明球果產(chǎn)量在不同無性系間變化最大，種子霉變率次之，再次為球果體積，球果橫徑在不同無性系間變化最小。

表1 杉木無性系10個性狀方差分析表Tab.1 Variance analysis of 10 traits of different C. lanceolata clones性狀自由度均方FP最大值最小值平均值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)/%球果產(chǎn)量/kg288.1340.430.008.730.171.681.86103.53球果縱徑/mm281 489.10174.840.0034.9324.1629.954.0613.55球果橫徑/mm281 149.97181.440.0032.3623.3627.623.5312.79球果體積/cm3282 099.06179.740.0018.987.0012.524.7838.21種子千粒重/g281.7439.450.008.034.536.381.3213.49種子發(fā)芽率/%280.038.300.0066.6118.6740.000.1330.85種子霉變率/%280.012.600.002.4322.428.160.0775.40種子澀粒率/%280.048.370.0061.7719.2041.160.1332.12種子發(fā)芽持續(xù)時間/d282.913.110.0010.006.007.952.3616.78種子發(fā)芽起始時間/d2812.2413.600.0016.006.0011.670.8620.08

3.2 無性系球果、種子性狀比較分析

參試29個杉木無性系的球果縱徑、球果橫徑、球果體積、球果產(chǎn)量及種子千粒重的分析結(jié)果見表2。球果縱徑大小區(qū)間為24.16(24號)～34.93 mm(5號)；其中，13個無性系的球果縱徑大于總平均值(29.95 mm)，占參試無性系的44.83%；多重比較分析表明，不同杉木無性系之間球果縱徑多具有顯著性差異。球果橫徑大小區(qū)間為23.36(24號)～32.36 mm(10號)；其中，14個無性系的球果橫徑大于總平均值(27.62 mm)，占參試無性系的48.28%；不同杉木無性系之間球果橫徑多具有顯著性差異。球果體積大小區(qū)間為7.00(24號)～18.98 cm3(10號)；其中，12個無性系的球果體積大于或等于總平均值(12.52 cm3)，占參試無性系的41.38%；不同杉木無性系之間球果體積多具有顯著性差異。球果產(chǎn)量為0.17(2號)～8.73 kg(6號)；其中，10個無性系的球果產(chǎn)量大于總平均值(1.68 kg)，占參試無性系的34.48%；不同杉木無性系之間球果產(chǎn)量多具有顯著性差異。29個杉木無性系種子千粒重大小區(qū)間為4.53(17號)～8.03 g(3號)；其中，12個無性系的種子千粒重高于總平均值(6.38 g)，占參試無性系的41.38%；不同杉木無性系之間種子千粒重多具有顯著性差異。

29個參試杉木無性系的種子發(fā)芽率、霉變率、澀粒率、發(fā)芽起始時間及持續(xù)時間的分析結(jié)果見表3。29個無性系的種子發(fā)芽率大小區(qū)間為18.67%(8號)～66.61%(26號)；其中，17個無性系的種子發(fā)芽率高于總平均值(40.00%)，占參試無性系的58.62%；不同杉木無性系之間種子發(fā)芽率多具有顯著性差異。無性系的種子霉變率為2.43%(6號)～22.42%(27號)；其中，14個無性系的種子霉變率高于總平均值(8.16%)，占參試無性系的48.28%；多數(shù)無性系之間種子霉變率差異不顯著。種子澀粒率大小區(qū)間為19.20%(26號)～61.77%(17號)；其中，14個無性系的種子澀粒率高于總平均值(41.16%)，占參試無性系的48.28%；不同杉木無性系之間種子澀粒率多具有顯著性差異。29個無性系中，26號發(fā)芽最早，從第6天開始發(fā)芽；其次是6號和11號；不同杉木無性系之間種子發(fā)芽起始時間多具有顯著性差異。29個無性系中，10號、17號和27號的種子發(fā)芽持續(xù)時間最短為6 d，多數(shù)無性系之間發(fā)芽持續(xù)時間差異不顯著。總體上講，本試驗中杉木親本10個性狀在不同無性系間大多差異顯著。

表3 杉木無性系種子發(fā)芽性狀的多重比較Tab.3 Multiple comparison of germination traits of C. lanceolata clonal seeds無性系編號發(fā)芽率/%霉變率/%澀粒率/%發(fā)芽起始時間/d發(fā)芽持續(xù)時間/d124.77±2.79 ghij10.83±4.23 ab54.76±7.88 abc11.00±0.00 cdefg9.00±0.00 ab230.19±1.19 efghij4.46±0.54 b49.49±1.49 abcde8.00±0.00 gh9.00±0.00 ab333.16±1.00 cdefghij7.11±0.57 ab56.08±0.58 ab11.67±0.58 bcdef8.67±0.58 ab441.12±8.01 bcdefghi13.77±5.70 ab31.07±3.63 ghij10.67±0.58 cdefg6.33±0.58 b532.27±1.31 defghij5.37±1.30 ab55.62±1.42 ab13.00±1.00 abcde8.67±0.58 ab651.95±4.26 abcde2.43±0.19 b33.52±4.28 bcdefg8.67±0.58 fgh8.33±0.58 ab731.37±0.82 defghij6.94±0.00 ab52.78±0.00 abcd11.00±0.00 cdefg7.00±0.00 ab818.67±0.49 j18.69±0.51 ab56.35±0.80 ab12.00±0.00 bcdef9.00±0.00 ab955.41±8.22 abc2.82±0.55 b29.88±11.7 ghij15.00±0.00 ab6.50±0.71 ab1040.82±3.30 bcdefghi2.64±0.57 b47.53±4.21 abcde13.00±0.00 abcde6.00±0.00 b1152.47±0.80 abcde4.65±1.31 b35.26±1.93 bcdefg8.00±0.00 gh9.00±0.00 ab1253.71±2.95 abcd3.50±1.31 b28.78±4.41 hij16.00±0.00 a8.00±0.00 ab1330.93±1.90 defghij9.02±6.03 ab49.57±1.18 abcde13.50±2.12 abcd9.50±0.71 ab1447.44±5.43 abcdef3.55±0.76 b34.53±6.26 bcdefg10.67±1.16 cdefg7.67±2.31 b1532.49±4.45 defghij8.72±3.56 ab50.47±6.28 abcde11.33±0.58 cdefg7.00±0.00 ab1627.23±2.15 fghij3.77±1.96 b55.23±3.67 abc14.00±0.00 abc7.00±0.00 ab1720.96±1.64 ij11.32±5.63 ab61.77±5.27 a15.00±0.00 ab6.00±0.00 b1846.37±2.11 abcdefg5.87±0.95 ab34.45±4.94 bcdefg10.50±0.71 defg8.00±0.00 ab1944.00±6.77 bcdefgh6.42±1.03 ab43.17±4.71 abcdef10.50±2.12 defg8.00±4.24 ab2048.82±0.33 abcdef4.39±0.16 b34.49±1.88 bcdefg10.00±0.00 efg8.00±0.00 ab2122.23±1.10 hij11.42±0.15 ab54.66±3.09 abc13.00±0.00 abcde9.00±0.00 ab2257.93±3.43 ab10.06±3.72 ab21.68±1.84 ij13.33±1.53 abcde7.33±1.16 ab2346.34±2.43 abcdefg16.16±6.72 ab23.72±2.69 ij12.00±0.00 bcdef8.00±0.00 ab2448.05±7.66 abcdef8.38±1.24 ab31.84±4.70 bcdefg11.50±3.54 cdef10.00±1.41 a2544.55±2.45 bcdefgh11.76±1.24 ab35.54±0.46 bcedfg10.00±0.00 efg9.00±0.00 ab2666.61±5.39 a3.54±0.54 b19.20±1.20 j6.00±0.00 h9.00±0.00 ab2742.42±2.42 bcdefghi22.42±0.91 a29.23±0.34 ghij15.00±0.00 ab6.00±0.00 b2841.41±0.14 bcdefghi9.71±0.19 ab37.63±0.47 bcdefg11.00±0.00 cdefg7.00±0.00 ab2936.28±4.46 bcdefghi10.06±3.58 ab42.47±3.83 abcdefg13.00±1.41 abcde8.50±0.71 ab

3.3 球果、種子性狀相關(guān)性分析

杉木無性系球果產(chǎn)量、球果形態(tài)特征、種子發(fā)芽性狀和種子優(yōu)良性狀間的相關(guān)性分析結(jié)果見表4。由表4可知，杉木球果的橫徑與縱徑(r=0.916)、 橫徑與體積(r=0.989)、 縱徑與體積(r=0.951)間均呈極顯著正相關(guān)。杉木種子的發(fā)芽率與澀粒率(r=-0.913)呈極顯著負(fù)相關(guān)、與霉變率(r=-0.379)呈顯著負(fù)相關(guān)，這表明導(dǎo)致杉木種子不能正常發(fā)芽的因素可能是雌花敗育致使種子澀粒或者種子自身攜帶霉菌。種子的發(fā)芽起始時間與發(fā)芽持續(xù)時間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.427)，這表明杉木種子發(fā)芽越早，其發(fā)芽持續(xù)時間越長，即發(fā)芽整齊度較低。種子千粒重與發(fā)芽持續(xù)時間呈顯著正相關(guān)(r=0.367)，但與球果產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.347)，即千粒重大的種子發(fā)芽持續(xù)時間長，且種子所屬無性系的球果產(chǎn)量低。

表4 杉木球果、種子性狀相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of cones and seed traits of C. lanceolata clones性狀球果縱徑球果橫徑球果體積種子發(fā)芽率種子霉變率種子澀粒率球果產(chǎn)量種子發(fā)芽起始時間種子發(fā)芽持續(xù)時間球果橫徑0.916??球果體積0.951??0.989??種子發(fā)芽率0.0450.0890.082種子霉變率-0.097-0.251-0.026-0.379?種子澀粒率0.0790.0990.090-0.913??0.014球果產(chǎn)量-0.091-0.140-0.1370.334-0.211-0.304種子發(fā)芽起始時間0.0080.0140.005-0.2940.3020.211-0.153種子發(fā)芽持續(xù)時間-0.219-0.181-0.180-0.013-0.1240.045-0.058-0.427?種子千粒重0.0810.0590.075-0.1960.1020.218-0.347?-0.1360.367? 注:?和??分別表示有顯著和極顯著相關(guān)性意義。

3.4 無性系結(jié)實能力的綜合評價

不同無性系球果和種子10個性狀指標(biāo)的主成分分析的結(jié)果見表5及圖1。

圖1 不同杉木無性系主成分分析空間圖Fig.1 Spatial diagram of principal component analysis of different C. lanceolata clones注：圖中不同標(biāo)注數(shù)字代表不同無性系號。

第1主成分主要反映球果體積、橫徑、縱徑的信息，第2主成分主要反映種子澀粒率、霉變率和發(fā)芽起始時間的信息，第3主成分主要反映種子發(fā)芽持續(xù)時間和千粒重的信息，第4主成分主要反映種子發(fā)芽率的信息，第5主成分主要反映球果產(chǎn)量的信息。前5個主成分因子累計貢獻率達(dá)到86.77%，能夠較好地表現(xiàn)不同無性系球果產(chǎn)量、球果形態(tài)特征及種子發(fā)芽性狀的信息。將29個無性系5個主成分因子的得分值與主成分的貢獻率相乘，得到每個無性系的綜合得分。綜合得分排序后，6號得分最高，其次是27、22號。按照30%入選率，選出綜合排名前9的無性系，分別為6、27、22、23、28、26、5、14、9號無性系。

表5 不同杉木無性系綜合評價結(jié)果Tab.5 Comprehensive evaluation of different C. lanceolata clones無性系編號第1主成分第2主成分第3主成分第4主成分第5主成分綜合得分排序1-0.770.23-0.800.12-1.20-0.38262-2.320.12-1.46-1.14-0.02-0.99293-1.23-0.57-1.53-0.420.38-0.73284-0.72-0.011.40-0.700.63-0.011352.67-1.01-1.590.980.050.39760.322.152.050.31-1.740.7717-0.17-0.90-1.09-0.651.09-0.40278-0.78-0.49-0.641.060.50-0.252290.90-0.20-0.05-0.220.760.249101.78-1.52-0.36-0.83-0.53-0.051511-0.530.16-0.31-1.330.07-0.322512-1.681.24-0.700.831.85-0.041413-0.690.32-1.070.83-0.82-0.2623141.190.070.27-0.35-0.380.318151.03-1.420.09-0.50-0.81-0.1518160.700.31-0.970.27-1.220.031217-0.610.50-0.290.18-1.16-0.192018-1.741.511.180.15-0.120.0511191.33-1.04-0.18-0.77-0.85-0.061620-0.370.41-0.06-0.860.04-0.1217210.89-1.40-0.990.92-0.86-0.1921

4 結(jié)論與討論

林木種子園的主要任務(wù)是生產(chǎn)遺傳品質(zhì)經(jīng)過改良的種子，并保證其穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)良的播種品質(zhì)，綜合評價杉木種子園中的無性系球果、種子性狀可為種子園疏伐改造及更高世代種子園建設(shè)的無性系選擇提供理論依據(jù)。本研究結(jié)果表明，無性系球果的縱徑、橫徑、體積、產(chǎn)量以及種子的千粒重、發(fā)芽率、澀粒率、霉變率、發(fā)芽起始時間和發(fā)芽持續(xù)時間差異均達(dá)到極顯著水平，且不同無性系的球果產(chǎn)量、形態(tài)特征和種子發(fā)芽性狀差異較大，說明進行無性系選擇不僅能達(dá)到改良種子的目的，而且也是提高杉木種子園種子產(chǎn)量和播種品質(zhì)的有效途徑。

本研究發(fā)現(xiàn)，杉木球果產(chǎn)量和種子霉變率變異系數(shù)大，表明杉木球果產(chǎn)量和種子易霉變程度受環(huán)境因子影響較大，這與陳琳等[18]和陳仕昌[19]的研究結(jié)果基本一致。杉木球果縱、橫徑及體積與球果產(chǎn)量、種子發(fā)芽率、種子澀粒率、種子霉變率等指標(biāo)間的相關(guān)性不顯著，說明杉木球果大小對其球果產(chǎn)量和種子品質(zhì)沒有影響，這與陳奶蓮等[20]的研究結(jié)果基本一致。代鳳貴[21]研究發(fā)現(xiàn)，不同大小球果的種子、苗期生長和幼林生長遺傳品質(zhì)差異不顯著，表明球果大小不宜作為選擇種子產(chǎn)量、質(zhì)量俱佳的無性系的依據(jù)。發(fā)芽起始時間與發(fā)芽持續(xù)時間呈顯著負(fù)相關(guān)，說明發(fā)芽越早的無性系種子整個發(fā)芽過程越長，即本試驗中無性系種子出苗齊性較差。種子千粒重與發(fā)芽持續(xù)時間呈顯著正相關(guān)，這與黑松(Pinusthunbergii)種子發(fā)芽特性相類似[22]，表明大粒種子發(fā)芽指數(shù)較低。這可能與大粒種子與外界接觸面積大，在裸露及通風(fēng)良好情況下容易失水有關(guān)[23]。種子千粒重與球果產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，可能是因為球果與種子在其生長、發(fā)育過程中產(chǎn)生營養(yǎng)競爭，導(dǎo)致球果產(chǎn)量高但種子較輕。

采用主成分分析法對29個無性系10個指標(biāo)進行綜合評價，初步篩選出6、27、22、23、28、26、5、14、9號球果產(chǎn)量和種實性狀兼優(yōu)的9個無性系，可為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子園建園備選材料選擇提供參考。

29個杉木無性系的10個種實性狀變異程度較高，遺傳多樣性豐富，且各性狀間具有一定相關(guān)性，可為杉木球果和種子品質(zhì)評定提供重要的參考依據(jù)。篩選出的9個杉木無性系可為3代種子園更新選擇高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的親本材料提供參考。