馬 慶 李芳蕊 劉桂豐 李慧玉

（東北林業(yè)大學(xué)林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)高山林區(qū)廣泛分布的闊葉樹種。白樺具有生長(zhǎng)快、適應(yīng)性強(qiáng)、木材紋理直、結(jié)構(gòu)細(xì)、耐腐蝕等特點(diǎn)，是重要的工業(yè)用材樹種。白樺的良種選育研究自國(guó)家“八五”開始，相繼開展了種源試驗(yàn)、優(yōu)樹選擇及子代測(cè)定、強(qiáng)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(jī)。但林木生長(zhǎng)周期長(zhǎng)及育種效率較低等特點(diǎn)限制了白樺的育種進(jìn)程。

20 世紀(jì)60 年代初，前蘇聯(lián)學(xué)者研究報(bào)道了空間飛行對(duì)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(diǎn)引起育種工作者的關(guān)注。自1987年開始，我國(guó)已經(jīng)利用航天誘變技術(shù)培育出許多優(yōu)質(zhì)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(nóng)作物中通過航天誘變育種獲得了高產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)豐富、生長(zhǎng)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(zhǎng)、花色變異的新品種。然而航天誘變?cè)诹帜具z傳育種工作中的應(yīng)用起步較晚。2002 年3月“神州3 號(hào)”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(guó)林木航天誘變育種的試驗(yàn)。到目前為止，我國(guó)利用宇宙飛船或返回式科學(xué)衛(wèi)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(guān)于這些航天誘變的木本植物材料地面培養(yǎng)的后續(xù)研究報(bào)道較少。

2003 年11 月，本團(tuán)隊(duì)將白樺4 個(gè)家系的種子搭載我國(guó)第18 顆返回式衛(wèi)星飛上太空，經(jīng)過18 天的太空“旅行”后順利返回［26］。前期分別對(duì)航天搭載白樺2 年生及5 年生的生長(zhǎng)性狀進(jìn)行了調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，不同家系航天誘變效應(yīng)不同HT98-4 家系樹高顯著低于地面對(duì)照，而其他3 個(gè)家系恰恰相反［27］。筆者跟蹤調(diào)查了15年生航天搭載白樺的生長(zhǎng)性狀，并對(duì)2 年生，5 年生及15 年生航天搭載白樺的生長(zhǎng)性狀進(jìn)行了綜合分析，繪制生長(zhǎng)曲線。通過探討航天誘變對(duì)白樺家系的影響，篩選出長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)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(yè)大學(xué)白樺強(qiáng)化種子園選擇4 株優(yōu)樹98-1、98-2、98-3、98-4 并采集其種子，每株優(yōu)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(wèi)星進(jìn)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(duì)照，分別命名為CK-1、CK-2、CK-3、CK-4。2004年5 月初在東北林業(yè)大學(xué)強(qiáng)化種子園進(jìn)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(jìn)行常規(guī)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(chǎng)造林。帽兒山林場(chǎng)（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(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3 次，每小區(qū)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(qū)組之間用2行云杉間隔，試驗(yàn)區(qū)周圍用2行或2列云杉保護(hù)。

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.3 分析方法

根據(jù)測(cè)定的樹高及胸徑計(jì)算單株材積（V），木材單株材積按照張廣才嶺地區(qū)白樺的二元材積表［29］計(jì)算單株材積：

運(yùn)用SPSS11.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)［28］。

重復(fù)力計(jì)算公式為：

根據(jù)生長(zhǎng)性狀對(duì)比結(jié)果選擇優(yōu)于地面對(duì)照的家系及對(duì)應(yīng)性狀計(jì)算航天誘變導(dǎo)致的突變?cè)鲆?，使用公式為?/p>

式中：W 為選擇差，-X 為某一性狀地面對(duì)照的平均值。

使用航天搭載家系及地面對(duì)照家系的樹高及樹齡數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的張廣才嶺地區(qū)白樺樹高生長(zhǎng)方程，選取Compertz 模型：y = Ae-be-ct擬合樹高生長(zhǎng)方程［30］。

2 結(jié)果與分析

2.1 航天搭載白樺家系樹齡15年的生長(zhǎng)性狀對(duì)比

對(duì)定植于哈爾濱帽兒山林場(chǎng)15年生白樺各家系保存率、樹高、胸徑進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算材積，結(jié)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(duì)應(yīng)的地面對(duì)照家 系 保 存 率 分 別 為：63.3%、68.9%、71.1% 及78.9%。與地面對(duì)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(duì)照差異達(dá)到極顯著水平（見表1），該家系平均樹高比地面對(duì)照高7.31%。而HT-4 家系表現(xiàn)為矮化，家系的平均樹高顯著低于地面對(duì)照，比地面對(duì)照低6.16%。HT-1、HT-2 及HT-3 家系材積也高于其對(duì)照家系，但差異不顯著。

2.2 航天搭載白樺樹齡變異參數(shù)

15年生航天搭載白樺及地面對(duì)照表型變異參數(shù)見表2。在樹高方面，8 個(gè)家系重復(fù)力最高為0.980（CK-4），最低為0.695（CK-3）；表型變異系數(shù)（PCV）最高為25.28%（CK-4），最低為11.20%（CK-1）；突變?cè)鲆孀罡邽?.31%（HT-1）。在胸徑方面，8 個(gè)家系重復(fù)力最高為0.882（CK-1），最低為0.290（HT-3），其中98-3 家系的兩個(gè)處理重復(fù)力相較于其他家系較低；表型變異系數(shù)（PCV）最高為35.96%（CK-4），最低為20.60%（CK-3）；突變?cè)鲆孀罡邽?.20%（HT-3）。

2.3 優(yōu)良家系的選擇

以15 年生白樺的生長(zhǎng)性狀為依據(jù)，在方差分析的基礎(chǔ)上，對(duì)樹高差異達(dá)到顯著水平的HT-1 進(jìn)行了家系內(nèi)優(yōu)良單株的選擇，選擇是以樹高為目標(biāo)，HT-1 家系以-x+2S 為標(biāo)準(zhǔn)，選出了4 株優(yōu)良單株，入選的優(yōu)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(yōu)良單株中生長(zhǎng)量最大，樹高達(dá)16.7 m，單株突變?cè)鲆孢_(dá)到35.77%，胸徑和材積的增益達(dá)到了7.03%和49.65%（見表3）。

表1 15年生航天搭載白樺生長(zhǎng)性狀對(duì)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(shù)Table 2 Phenotypic variation parameters of birch on board 15 years old

表3 航天搭載優(yōu)良家系HT-1當(dāng)代15年生優(yōu)良白樺苗木的生長(zhǎng)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(zhǎng)方程擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of tree height growth equation

2.4 生長(zhǎng)方程擬合

通過對(duì)15年生航天誘變白樺及地面對(duì)照的方差分析，確定HT-1、HT-4 與其地面對(duì)照在樹高生長(zhǎng)中存在顯著差異，故擬合其樹高生長(zhǎng)方程，以預(yù)測(cè)其樹高性狀在未來的發(fā)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(zhǎng)方程中樹木高生長(zhǎng)的極大值，且樹高生長(zhǎng)方程為S 形曲線，存在拐點(diǎn)（X=Lnb/c，Y=a/e）。各家系樹高生長(zhǎng)方程擬合效率較好，R2值均在0.9 左右（0.882～0.947）。預(yù)測(cè)樹高生長(zhǎng)最大值范圍是（21.5～36.2），其中HT-1相較于CK-1的預(yù)估樹高生長(zhǎng)最大值增加最大，為10.6 m。經(jīng)方程參數(shù)計(jì)算得知方程拐點(diǎn)，經(jīng)過拐點(diǎn)時(shí)樹高生長(zhǎng)方程由指數(shù)形式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)數(shù)形式。大部分家系在樹齡達(dá)到10 年左右時(shí)（9～12 年）生長(zhǎng)速度達(dá)到最大值，而HT-1在樹齡達(dá)到15年時(shí)生長(zhǎng)速率達(dá)到最大值，此時(shí)樹高為13.3 m。

3 討論

我國(guó)自2002年木本植物航天誘變育種開始以來，已經(jīng)獲得了一些生長(zhǎng)量增加的林木品種。前蘇聯(lián)通過航天誘變獲得了速生的樅樹［21］，美國(guó)航天育種中心則培育了生長(zhǎng)量增加、果實(shí)產(chǎn)量增加且營(yíng)養(yǎng)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(duì)照［24］。然而由于誘變技術(shù)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(shù)對(duì)家系種子產(chǎn)生的作用也不盡相同，產(chǎn)生的變異對(duì)性狀的影響也不統(tǒng)一。就桑樹而言，苗木達(dá)8個(gè)月齡時(shí)移栽到試驗(yàn)地，觀察到衛(wèi)星搭載家系與地面對(duì)照植株生長(zhǎng)存在較大差異；航天搭載各家系的植株側(cè)枝發(fā)生，側(cè)枝數(shù)量，單株間的產(chǎn)葉量等性狀差距較大［23］。本研究中經(jīng)航天搭載處理后的4 個(gè)白樺家系，其種子活力也不盡相同，但總體趨勢(shì)是航天誘變后對(duì)種子活力表現(xiàn)為促進(jìn)作用。從發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)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(diào)查2年、5年及15年的航天搭載的4個(gè)白樺家系生長(zhǎng)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(duì)照的差異達(dá)到了極顯著水平，HT-1、HT-4 兩個(gè)家系的地徑與地面對(duì)照的差異也達(dá)到了顯著水平，HT-2家系的地徑與地面對(duì)照之間沒有顯著差異，HT-3家系的苗高、地徑與對(duì)照均沒有顯著差異；5 年生時(shí)只有HT-1 和HT-4 家系與地面對(duì)照表現(xiàn)明顯的差異，這2個(gè)家系的變異是HT-1的樹高、胸徑平均值高于地面對(duì)照，相反HT-4 家系的樹高、胸徑平均值低于地面對(duì)照；而15 年生時(shí)HT-1 和HT-4 與地面對(duì)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(duì)照7.31%，HT-4 相較于地面對(duì)照表現(xiàn)為矮化，低于地面對(duì)照6.16%。2 年、5 年及15年航天搭載白樺的生長(zhǎng)性狀的差距始終存在且趨勢(shì)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(zhǎng)性狀與地面對(duì)照的差異由顯著變?yōu)椴伙@著。而HT-1 與HT-4 的樹高與地面對(duì)照則始終存在顯著差異。航天誘變育種產(chǎn)生的HT-1 及HT-4 家系產(chǎn)生了不同于地面家系的生長(zhǎng)性狀，可能是遺傳背景不同，對(duì)航天誘變的敏感程度差異所導(dǎo)致；也可能是空間環(huán)境影響了哪些基因的表達(dá)，以上推測(cè)均有待于進(jìn)一步研究。

航天誘變育種產(chǎn)生的HT 家系及地面對(duì)照在樹高、胸徑方面的重復(fù)力除98-3 家系的胸徑性狀外，都屬于高重復(fù)力（>0.5），說明航天誘變對(duì)同一家系的種子產(chǎn)生的誘變結(jié)果相似。航天誘變產(chǎn)生的突變?cè)贖T-1 的樹高性狀方面產(chǎn)生的突變?cè)鲆孀畲螅_(dá)到了7.31%。與常規(guī)育種相比，航天誘變能夠形成父本及母本沒有的優(yōu)良性狀。當(dāng)航天誘變以常規(guī)育種的良種為突變材料時(shí)，有機(jī)會(huì)獲得相較于地面良種更為優(yōu)良的性狀。航天誘變產(chǎn)生的良種則能夠作為常規(guī)育種的材料，通過常規(guī)育種的方式獲得能夠穩(wěn)定遺傳的良種。