嚴(yán)涵薇,程雅靜,余彤彤,余娜,周亮,劉盛全
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院,安徽 合肥 230036)
楊樹是主要用材林樹種之一,在紙漿材、板材等工業(yè)原料領(lǐng)域用途廣泛,并且在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和綠色環(huán)保發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。楊樹加工利用的方向主要由木材性質(zhì)決定[1],木材性質(zhì)是木材整體特性的體現(xiàn),主要包括木材解剖結(jié)構(gòu)、木材物理性質(zhì)、木材化學(xué)組成、木材力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)容[2]。國(guó)內(nèi)外許多研究表明,楊樹種間和種內(nèi)無性系間材性性狀上存在豐富遺傳差異[3-5],蘊(yùn)藏著遺傳改良的極大潛力[6],因此,在楊樹種質(zhì)資源的收集和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,開展楊樹無性系木材材性遺傳變異規(guī)律研究,闡明材性相關(guān)性狀的遺傳特性,從而綜合評(píng)價(jià)篩選出材性性狀優(yōu)良的無性系,對(duì)于提高我國(guó)楊樹用材林產(chǎn)量和質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)楊樹工業(yè)用材林產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)增效具有重要意義。
目前,有關(guān)材性性狀遺傳變異的研究報(bào)道主要集中在以不同種源、家系和無性系為材料,測(cè)定多個(gè)材性性狀特性,結(jié)合方差分析、遺傳參數(shù)估算等指標(biāo)鑒定差異顯著、遺傳穩(wěn)定性強(qiáng)的材性性狀,并采用主成分分析法、綜合指數(shù)法、聚類分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法綜合評(píng)價(jià)無性系,實(shí)現(xiàn)選育優(yōu)良無性系的目的[7-10]。黑楊派是楊屬中較大的一派,具有栽植面積廣、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì),對(duì)黑楊派遺傳變異規(guī)律的研究為其發(fā)揮生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值提供了理論依據(jù)。通過對(duì)10 個(gè)9 年生黑楊派無性系的23 個(gè)性狀進(jìn)行遺傳變異分析,發(fā)現(xiàn)材積、心材寬、邊材寬、心邊材比等12 個(gè)性狀受較強(qiáng)的遺傳控制;并選出卡帕茨楊、50 楊、中林46 楊3 個(gè)優(yōu)良無性系[11]。丹紅楊具有速生、干形通直等木材性質(zhì),結(jié)合其優(yōu)良的生長(zhǎng)和抗性性狀,2003 年通過了國(guó)家良種認(rèn)定(RSC-PD-003-2003)并在淮河及長(zhǎng)江流域栽種[12]。張曉艷等[13]對(duì)不同地點(diǎn)13 個(gè)黑楊派無性系5~6 年生林木生長(zhǎng)性狀開展遺傳變異分析顯示:無性系間、不同地點(diǎn)間生長(zhǎng)性狀差異顯著或極顯著,闡明了108 楊生長(zhǎng)性狀受環(huán)境效應(yīng)的程度大于50 號(hào)楊和36 號(hào)楊。材質(zhì)變異是木材的一大特性,對(duì)楊樹材性性狀的變異規(guī)律研究有利于木材的科學(xué)加工和合理利用。以50 楊、108 楊和N179 楊為試驗(yàn)材料,通過研究木材物理、力學(xué)性能發(fā)現(xiàn),50 號(hào)楊的氣干密度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度值均最高,物理、力學(xué)性質(zhì)最優(yōu),108 楊抗彎強(qiáng)度值最低,N179 楊氣干密度、抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度均最低。因此,依據(jù)氣干密度和力學(xué)性質(zhì)總結(jié)得到50 楊材性最優(yōu)[14]。
已有研究表明,不同無性系間、不同年輪間、不同性狀間遺傳變異規(guī)律均存在一定程度的差異,然而,目前對(duì)楊樹無性系的多個(gè)材性性狀在徑向上的遺傳變異規(guī)律研究較少。本研究利用河南省焦作林場(chǎng)(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地)試驗(yàn)林中美洲黑楊(Populus deltoidesW.Bartram ex Marshall)、歐洲黑楊(Populus nigriaLinn.)和歐美楊(Populus×euramericana(Dode) Guinier)共計(jì)8 個(gè)黑楊派(SectionAigeiros)無性系為材料,測(cè)定無性系不同年輪木材解剖結(jié)構(gòu)、物理特性、化學(xué)組成,共計(jì)18 個(gè)材性性狀,開展不同無性系和年輪材性性狀遺傳變異的分析和遺傳參數(shù)的估算,揭示材性性狀徑向遺傳變異規(guī)律,并對(duì)8 個(gè)無性系進(jìn)行材性性狀的綜合評(píng)價(jià),為楊樹工業(yè)用材林定向培育和木材利用提供理論參考。
選自河南省焦作林場(chǎng)(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)基地)試驗(yàn)林,于2007 年春季造林,株行距3 m×5 m,完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),4 個(gè)區(qū)組,6 株小區(qū)。8 個(gè)黑楊派無性系分別為50 號(hào)楊、36 號(hào)楊、丹紅楊、南楊、N179 楊、中林46、108 楊和桑巨楊,其中,50 號(hào)楊和36 號(hào)楊為美洲黑楊,丹紅楊和南楊是50 號(hào)楊與36 號(hào)楊的雜交子代,N179 楊為歐洲黑楊,中林46 楊、108 楊和桑巨楊是為歐美楊(表1)。

表1 8 個(gè)楊樹無性系基本信息Table 1 Basic information of 8 poplar clones
河南省焦作市(35°10′~35°21′ N,113°40′~113°26′ E)屬溫帶季風(fēng)氣候,具有冬長(zhǎng)寒冷雨雪少,春短干旱風(fēng)沙多,夏日炎熱雨豐沛,秋季晴和日照足四季分明的特點(diǎn)。年平均氣溫12.8℃~14.8℃,是華北地區(qū)的富水區(qū),年均降水量600~700 mm,無霜期200 d[5],土壤類型為潮土。
每個(gè)無性系選取5 株樣株,分別來自每個(gè)小區(qū)的平均木,共計(jì)40 株,伐倒后制備試樣,用于10 個(gè)年輪18 個(gè)材性性狀測(cè)定,分為解剖特性、物理性能、化學(xué)組成3類,解剖特性主要包括微纖絲角、弦向與徑向的雙壁厚、細(xì)胞腔徑、細(xì)胞直徑、導(dǎo)管長(zhǎng)度、木射線組織比量、木射線高度與寬度、纖維長(zhǎng)度;物理性能主要涉及全干密度和基本密度[15];化學(xué)性質(zhì)涉及半纖維素、a-纖維素、木質(zhì)素和綜纖維素[16]。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《木材物理力學(xué)試材采集方法》(GB 1927—97)進(jìn)行試材采集,將采集好的原木從基部向上截取7 cm 圓盤,根據(jù)不同年輪將木條切成10 mm×10 mm×15 mm 的木塊用于解剖特性的測(cè)量研究。在1.1、1.92、2.62 m 處取100 mm 物理圓盤,根據(jù)年輪位置的不同,選擇第1~4 年輪為心材區(qū)域,5~7 年輪為心邊材區(qū)域,8~10 年輪為邊材區(qū)域,制成不同木材位置的試塊用于全干密度和基礎(chǔ)密度研究。從基部向上1.3 m處截取圓盤進(jìn)行風(fēng)干處理,根據(jù)年輪不同將試材經(jīng)粉碎機(jī)粉碎并篩取40~60 目試樣,平衡水分后用于化學(xué)組成的測(cè)定。材性性狀的具體測(cè)定方法參見文獻(xiàn)[2]。
利用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和校對(duì),使用DPS 軟件和SPSS 軟件進(jìn)行方差分析、遺傳參數(shù)的估算[17-18]和主成分分析(PCA)。方差分析的線性模型為:

式中:Yijk為第i無性系的第j個(gè)年輪的觀測(cè)值;μ為總體平均值;Ci表示無性系第i個(gè)效應(yīng)值;Rj表示年輪(或木材位置)第j個(gè)效應(yīng)值;Ci×Rj為無性系與年輪(或木材位置)交互效應(yīng);eijk表示誤差。
由8 個(gè)黑楊派無性系木材性狀方差分析結(jié)果(表2)可知:木質(zhì)素在不同年輪間差異不顯著(P>0.05);全干密度在不同木材位置上差異不顯著(P>0.05);半纖維素在不同無性系間差異不顯著(P>0.05)。除此之外,其余15 個(gè)材性性狀在楊樹無性系間、不同年輪間或不同木材位置間均差異極顯著(P<0.01),表明無性系材性性狀變異比較豐富。無性系與年輪之間交互效應(yīng)的結(jié)果顯示:微纖絲角、徑向-細(xì)胞腔徑、半纖維素、a-纖維素、綜纖維素、全干密度、基本密度的交互效應(yīng)顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)。

表2 黑楊派無性系木材性狀方差分析結(jié)果 Table 2 Variance analysis of traits on the clones of Section Aigeiros Clones

續(xù)表 2
由8 個(gè)黑楊派無性系材性性狀的無性系重復(fù)力的估算結(jié)果(圖1)可知:18 個(gè)材性性狀無性系重復(fù)力參數(shù)的差別明顯。對(duì)于木材解剖特性,徑向-細(xì)胞腔徑與徑向-細(xì)胞直徑的無性系重復(fù)力隨著年輪增大的變化趨勢(shì)相似,其中,無性系重復(fù)力在第2、3 和9 年輪偏小,但在第7 年輪達(dá)到最大值。木射線高度與木射線寬度無性系重復(fù)力范圍幅度最大,分別為0.07~0.78、0.06~0.82。解剖特性相關(guān)性狀的無性系重復(fù)力在第2~3 年輪、第8~10 年輪間的變化趨勢(shì)無明顯規(guī)律性;徑向的細(xì)胞腔徑與細(xì)胞直徑、弦向雙壁厚等性狀的無性系重復(fù)力在第4~8 年輪間的變化趨勢(shì)穩(wěn)定(圖1A)。通過比較不同木材位置的物理性狀無性系重復(fù)力后發(fā)現(xiàn),全干密度和基本密度的無性系重復(fù)力變化范圍為0.89~0.95,且均在心邊材處達(dá)到最大值(圖1B)。對(duì)于化學(xué)組成的材性性狀研究發(fā)現(xiàn),半纖維素、a-纖維素和木質(zhì)素的無性系重復(fù)力變化有一定相關(guān)性,在第1 和第6 年輪時(shí)數(shù)值較大,整體隨著年輪表現(xiàn)為先減小后增大,與之不同的是綜纖維素的無性系重復(fù)力則呈下降趨勢(shì)(圖1C)。由圖1D 可見,在不考慮無性系重復(fù)力徑向變異的情況下,各材性性狀的無性系重復(fù)力均較高(0.49~0.93),其中,全干密度、基本密度、綜纖維素、徑向-細(xì)胞直徑、徑向-細(xì)胞腔徑的無性系重復(fù)力在0.8 以上,表明這些木材材性性狀均受較強(qiáng)的遺傳控制,具有遺傳改良的潛力。

圖1 黑楊派主要材性性狀的無性系重復(fù)力Fig.1 Estimation on clone repeatability of main wood properties in Section Aigeiros.
性狀變異系數(shù)反映了性狀間的變異類型狀況,系數(shù)值越大,表明性狀間存在較豐富的變異類型,有較大的性狀改良潛力[19]。本研究中8 個(gè)黑楊派無性系材性性狀變異系數(shù)的估計(jì)結(jié)果(表3)顯示:表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)。不同年輪下無性系遺傳變異系數(shù)的變化規(guī)律在一定程度上與無性系重復(fù)力相似。木射線高度與木射線寬度遺傳變異系數(shù)變化趨勢(shì)相似,變化范圍分別為1.3%~7.2%、0.9%~6.6%。木射線組織比量遺傳變異系數(shù)變化不大,且處于較高水平。弦向的細(xì)胞直徑和腔徑遺傳變異系數(shù)變化趨勢(shì)吻合度較高,在第3 年輪達(dá)到最大值。弦向和徑向的雙壁厚遺傳變異系數(shù)在第7 年輪時(shí)均達(dá)到最低值,且在第4 年輪處于最高或次高值。徑向的細(xì)胞腔徑與徑向的細(xì)胞直徑遺傳變異系數(shù)變化趨勢(shì)大致相同,經(jīng)比較第2、3 和9 年輪時(shí)遺傳變異系數(shù)偏小,且最大值都在第7 年輪。微纖絲角遺傳變異系數(shù)的幅度最大(5.0%~20.5%)。全干密度和基本密度遺傳變異系數(shù)均在邊材處(8~10 年輪)達(dá)到最大值,分別為10.2%、9.6%。而半纖維素、a-纖維素和木質(zhì)素的遺傳變異系數(shù)變化也有相似之處,在第1 和第6 年輪時(shí)數(shù)值較大,綜纖維素遺傳變異系數(shù)在第1 年輪時(shí)最大(2.8%),但隨著年輪增加而減小。

表3 黑楊派無性系材性性狀變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation on wood properties of Section Aigeiros clones %
黑楊派無性系各材性性狀表型變異系數(shù)表現(xiàn)出明顯規(guī)律性,弦向的細(xì)胞腔徑和弦向的細(xì)胞直徑在第3 年輪時(shí)都存在最大值且與其他數(shù)據(jù)差異顯著,其他年輪下表型變異系數(shù)變化范圍分別保持在14.4%~18.4%、12.3%~14.2%。弦向和徑向雙壁厚表型變異系數(shù)的變化趨勢(shì)相似,都先緩慢上升然后在第7 年輪突降到最低或次低水平再急劇上升到較高水平。徑向細(xì)胞腔徑和徑向細(xì)胞直徑表型變異系數(shù)的變化趨勢(shì)相似,在第5 年輪達(dá)最大值,分別為18.9%、15.2%。木射線高度與木射線寬度表型變異系數(shù)均處于較低水平,都在第4 年輪取得最大值,變化范圍分別為6.9%~11.2%、5.9%~9.3%;而微纖絲角、導(dǎo)管長(zhǎng)度、纖維長(zhǎng)度的表型變異系數(shù)隨著年輪增加整體呈下降趨勢(shì)。木射線組織比量的表型變異系數(shù)較大,在第6 年輪達(dá)最大值26.3%。全干密度、基本密度2 個(gè)物理性狀的遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)均表現(xiàn)為在心材處值最小,隨著年輪增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在邊材處達(dá)到最大值?;瘜W(xué)組成4 個(gè)性狀的表型變異系數(shù)較小,木質(zhì)素的表型變異系數(shù)相對(duì)最高;半纖維素與a-纖維素表型變異系數(shù)在第6 年輪達(dá)最大值,分別為5.8%、5.3%,而綜纖維素的表型變異系數(shù)在第1 年輪時(shí)最大??傮w看,除微纖絲角外,其余性狀表型變異系數(shù)波動(dòng)幅度不大。
2.3.1 主成分分析 8 個(gè)無性系18 個(gè)性狀主成分分析結(jié)果(表4)顯示:前4 個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率分別為38.21%、64.48%、76.16%、84.62%。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則,前4 個(gè)主成分已能代表18 個(gè)性狀的大部分信息。由表4 可知:對(duì)第1 主成分分值(Y1)影響最大的性狀是弦向和徑向的細(xì)胞腔徑和細(xì)胞直徑、全干密度和基本密度,其中弦向和徑向的細(xì)胞腔徑和細(xì)胞直徑的向量值為正值,說明Y1分值越大,細(xì)胞腔徑和細(xì)胞直徑越大;全干密度和基本密度的向量值為負(fù)值,說明Y1分值越大,全干密度和基本密度越小。對(duì)第2 主成分分值(Y2)影響最大的性狀是木射線組織比量、導(dǎo)管長(zhǎng)度、木射線高度和寬度、α-纖維素、木質(zhì)素;對(duì)第3 主成分分值(Y3)影響最大的性狀是弦向和徑向的雙壁厚、纖維長(zhǎng)度;對(duì)第4 主成分分值(Y4)影響最大的性狀是木射線高度、纖維長(zhǎng)度、半纖維素、綜纖維素。

表4 黑楊派無性系材性性狀主成分分析Table 4 Principal component analysis of wood properties in Section Aigeiros Clones
2.3.2 主成分值權(quán)重法 統(tǒng)計(jì)8 個(gè)無性系的前4 個(gè)主成分分值,以每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總特征值的比例為權(quán)重加權(quán)求和[20],利用8 個(gè)無性系的主成分綜合值進(jìn)行計(jì)算并排序評(píng)價(jià)無性系,結(jié)果(表5)顯示:第1 主成分值較大的是中林46;第2 主成分值較大的是50 號(hào)楊和中林46;第3 主成分值較大的是108 楊和中林46;第4 主成分值較大的是N179 楊。按綜合得分排序分別是中林46 楊、50 號(hào)楊、N179 楊、108 楊、桑巨楊、丹紅楊、南楊、36 號(hào)楊。

表5 主成分因子得分與排序 Table 5 Scores and sorting of principal component factors
本研究從木材解剖特性、物理性能、化學(xué)組成3 個(gè)維度及不同年輪下的徑向變化對(duì)黑楊派無性系進(jìn)行比較分析,覆蓋了8 個(gè)無性系,40 個(gè)單株,10 個(gè)年輪,18 個(gè)性狀,138 798 個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)。因此,通過大量的數(shù)據(jù)采集可較全面地展示黑楊派無性系的材性遺傳變異規(guī)律。本研究方差分析結(jié)果顯示:除半纖維素外,微纖絲角、弦向?qū)Ч苤睆健⑾蚁螂p壁厚、弦向細(xì)胞腔徑、弦向細(xì)胞直徑等17 個(gè)材性性狀在不同的黑楊派無性系及不同年輪間均差異極顯著。上述結(jié)果表明,黑楊派無性系間及不同年輪間材性性狀存在豐富的遺傳變異,為選育出優(yōu)質(zhì)的黑楊派紙漿材和板材無性系提供了理論依據(jù)。通過測(cè)定7 個(gè)黑楊派無性系的基本密度、纖維長(zhǎng)度、壁腔比和1%NaOH 抽提物,發(fā)現(xiàn)4 個(gè)材性性狀在7 個(gè)無性系間存在極顯著或顯著差異,其中,47 號(hào)楊的綜合表現(xiàn)最佳,可作為優(yōu)良的的造紙?jiān)牧蟍21]。利用23 個(gè)生長(zhǎng)、干形和冠形性狀對(duì)10 個(gè)黑楊派無性系材料進(jìn)行表型變異規(guī)律分析,同樣得出黑楊派無性系多個(gè)性狀存在廣泛變異[11]。
各性狀無性系間存在差異的原因可由遺傳參數(shù)加以證明,性狀的重復(fù)力大,說明該性狀受遺傳控制較強(qiáng),受外界環(huán)境影響較小[22]。本研究中,材性性狀無性系重復(fù)力變化范圍為0.49~0.93,變化幅度較大,其中,全干密度、基本密度、綜纖維素、徑向-細(xì)胞直徑、徑向-細(xì)胞腔徑的重復(fù)力在0.8 以上,性狀很大程度受遺傳控制,說明以上性狀在無性系間的選擇潛力更大。導(dǎo)管長(zhǎng)度的無性系重復(fù)力最小(0.49),說明與其他性狀相比較容易受外部環(huán)境的影響[23]。研究發(fā)現(xiàn),纖維長(zhǎng)度在第4、8、9 年輪時(shí)重復(fù)力偏高,即黑楊派作為紙漿材時(shí)選擇該年輪在一定程度上可以得到遺傳增益[24]。
在無性系性狀主成分分析中,木材解剖和物理特征對(duì)第1 主成分的貢獻(xiàn)率最大;在對(duì)第1 主成分值排序后發(fā)現(xiàn)中林46 分值最大,表明其弦向和徑向的細(xì)胞直徑和細(xì)胞腔徑較大,而全干密度和基本密度較小。密度低的木材原料在造紙過程中易于制漿和打漿,因此,在同等條件下中林46 是較好的紙漿用材。第2 主成分中木射線相關(guān)特征值、α-纖維素、木質(zhì)素等性狀的貢獻(xiàn)率最大,α-纖維素的向量值為正值,木質(zhì)素的向量值為負(fù)值,這說明當(dāng)?shù)? 主成分分值越大時(shí),α-纖維素性狀值越大,相反地木質(zhì)素越小。楊樹作為重要的紙漿用材,應(yīng)滿足生物量高的同時(shí)木材纖維素含量較高、木質(zhì)素含量較低的要求。因此,從第2 主成分角度分析,50 號(hào)楊和中林46 是較好的紙漿用材。利用主成分分值可對(duì)黑楊派無性系進(jìn)行初步評(píng)價(jià),無性系綜合排名從第1 至第8 名分別是中林46 楊、50 號(hào)楊、N179 楊、108 楊、桑巨楊、丹紅楊、南楊、36 號(hào)楊,該評(píng)價(jià)為篩選優(yōu)良無性系提供重要依據(jù)。據(jù)遺傳資料顯示,桑巨楊、中林46、108 楊為歐美楊,N179為歐洲黑楊,50 號(hào)楊和36 號(hào)楊為美洲黑楊,丹紅楊和南楊同為50 號(hào)楊和36 號(hào)楊的雜交子代,因此,從主成分因子評(píng)價(jià)角度發(fā)現(xiàn)雜交后代丹紅楊和南楊表現(xiàn)出比親本36 號(hào)楊更高的綜合評(píng)價(jià),但未超過母本50 號(hào)楊的主成分值,以本研究的18 個(gè)材性性狀角度分析雜交子代未體現(xiàn)出明顯的雜交優(yōu)勢(shì)。從材性變異規(guī)律角度上分析,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)丹紅楊的材性性狀與父本36 號(hào)楊相近,南楊的材性性狀與母本50 號(hào)楊相近。
本研究發(fā)現(xiàn),黑楊派無性系在1~10 年輪間存在豐富變異,因此,應(yīng)準(zhǔn)確把握楊樹在生長(zhǎng)發(fā)育的節(jié)律和生長(zhǎng)期長(zhǎng)短方面的規(guī)律,通過材性分析篩選目的性強(qiáng)、生產(chǎn)周期短的無性系樹種,選育優(yōu)良速生優(yōu)質(zhì)人工林楊樹[25-27]。但需要注意的是在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和綠色環(huán)保發(fā)展中,生態(tài)是第一步,無性系會(huì)對(duì)生物多樣性產(chǎn)生影響,生態(tài)系統(tǒng)難免造成不穩(wěn)定的情況,所以,合理利用無性系,保護(hù)遺傳基礎(chǔ)寬廣性,顯得尤為重要[28]。
除半纖維素外,微纖絲角,弦向與徑向的雙壁厚、弦向與徑向的細(xì)胞腔徑、弦向與徑向的細(xì)胞直徑、導(dǎo)管長(zhǎng)度、木射線組織比量、木射線高度與寬度、纖維長(zhǎng)度、全干密度、基本密度、a-纖維素、木質(zhì)素和綜纖維素等材性性狀在不同無性系間差異極顯著。全干密度、基本密度、綜纖維素、徑向-細(xì)胞直徑和徑向-細(xì)胞腔徑的重復(fù)力達(dá)0.8 以上,受較強(qiáng)的遺傳控制,具有遺傳改良的潛力。