周燕，黃盛怡，楊孟晴，王斌，王秀花，張東北，吳小林，周志春

(1.浙江省建德市林業(yè)總場(chǎng)，浙江 杭州 311400；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所， 浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311400；3.浙江省慶元縣實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，浙江 慶元 323800)

林木遺傳變異是遺傳改良的基礎(chǔ)，多層次豐富的遺傳變異決定了遺傳改良的潛力[1-2]。林木性狀的遺傳變異大量存在于家系間及個(gè)體間，深入研究家系性狀的遺傳變異規(guī)律，有助于制定科學(xué)的育種策略[3-4]，為親本選擇、雜交組合配制以及遺傳改良提供有效的信息[5]。研究林木遺傳變異最簡(jiǎn)單和直觀的方法是分析林木生長(zhǎng)性狀的差異性，苗高和地徑是林木苗期最直觀的質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)苗木質(zhì)量指標(biāo)可在一定程度上預(yù)測(cè)其造林后的生長(zhǎng)表現(xiàn)[6]；葉片是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要器官，葉片的數(shù)量和大小與植株的生長(zhǎng)有著直接的關(guān)系，常作為衡量植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要觀測(cè)指標(biāo)[7]。鑒于苗高、地徑和葉片性狀對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育的重要意義，很多研究將其用于林木苗期遺傳變異分析與選擇[8-10]。

赤皮青岡〔Cyclobalanopsisgilva(Blume)Oerst〕為殼斗科(Fagaceae)青岡屬常綠闊葉大喬木，是我國(guó)亞熱帶地區(qū)重要的珍貴用材和生態(tài)修復(fù)樹(shù)種。不同學(xué)者對(duì)赤皮青岡的地理分布[11-12]、群落結(jié)構(gòu)[13]和遺傳多樣性[12-13]進(jìn)行研究，探討赤皮青岡容器苗培育[14]、組織培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)[15]，揭示幼苗在光照、干旱和水淹脅迫條件下的生理特性[16-17]和葉片解剖結(jié)構(gòu)[18]。然而關(guān)于赤皮青岡種質(zhì)資源收集評(píng)價(jià)和良種選育的工作才剛剛起步，其生長(zhǎng)和葉片性狀遺傳變異規(guī)律尚不清楚，這制約赤皮青岡遺傳改良研究深度。本研究以來(lái)自福建、湖南和江西等地的52個(gè)赤皮青岡優(yōu)樹(shù)自由授粉家系1 a生容器苗為材料，研究不同種源和家系生長(zhǎng)和葉片性狀的遺傳變異規(guī)律，估算各性狀遺傳參數(shù)和遺傳相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同家系進(jìn)行聚類分析并評(píng)價(jià)各類群特點(diǎn)，以期為赤皮青岡優(yōu)良家系的選擇提供參考，為其遺傳改良的推進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在浙江省慶元縣實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(119°01′25″E，27°38′48″N)上坑良種基地苗圃地鋼構(gòu)大棚內(nèi)進(jìn)行，該地海拔510 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季分明，年平均氣溫17.6 ℃，年降水量1 721.3 mm，無(wú)霜期245 d。

試驗(yàn)材料為1 a生赤皮青岡優(yōu)樹(shù)自由授粉家系容器苗。2018年在福建建甌(FJJO)，湖南城步(HNCB)、會(huì)同(HNHT)、永順(HNYS)和江西婺源(JXWY)等地的赤皮青岡優(yōu)良天然林中，選擇樹(shù)干通直圓滿，無(wú)病蟲(chóng)害，高徑生長(zhǎng)明顯大于周圍3～5株對(duì)比木的優(yōu)樹(shù)，采集其成熟種子。不同種源家系數(shù)量分別為：FJJO 32個(gè)、HNCB 8個(gè)、HNHT 6個(gè)、HNYS 3個(gè)、JXWY 3個(gè)，共52個(gè)家系。2019年3月在慶元縣實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行育苗，每個(gè)家系每小區(qū)育苗20株，3次重復(fù)。育苗容器規(guī)格4.5 cm×10 cm，基質(zhì)為泥炭+谷殼+珍珠巖(體積比為5︰3︰2)，苗木培育按一般生產(chǎn)性常規(guī)水肥管理進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

2019年11月對(duì)所有赤皮青岡家系容器苗生長(zhǎng)和葉片性狀進(jìn)行測(cè)定，生長(zhǎng)性狀包括苗高(H)和地徑(D)，葉片性狀包括葉片數(shù)(N)、最大葉片長(zhǎng)(L)和最大葉片寬(W)。苗高為從苗干基部的土印處到主干頂芽基部的長(zhǎng)度，采用卷尺測(cè)量；地徑采用十字交叉法，用游標(biāo)卡尺測(cè)量土印處的直徑作為地徑；葉片數(shù)為全株葉片數(shù)量；最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬分別為全株最大葉片的長(zhǎng)度和寬度，采用鋼尺測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

性狀分析使用混合線性模型，其表達(dá)式如下。

Yijk=μ+Bi+Fj+BFij+Eijk

式中：Yijk為第i區(qū)組第j家系第k單株的觀測(cè)值；μ為群體平均值；Bi為第i區(qū)組效應(yīng)；Fj為第j家系的效應(yīng)；BFij為第i家系和第j區(qū)組的互作效應(yīng)；Eijk為機(jī)誤。此外，μ和Bi為固定效應(yīng)，其余為隨機(jī)效應(yīng)。采用SAS 8.0軟件的MEANS過(guò)程進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)，GLM過(guò)程進(jìn)行性狀方差分析，CORR過(guò)程計(jì)算表型相關(guān)，PROC VARCOMP過(guò)程中的TYPE1方法計(jì)算各方差分量，進(jìn)而估算赤皮青岡不同家系各性狀遺傳參數(shù)[6]。聚類分析通過(guò)R 3.6 軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系生長(zhǎng)和葉片性狀的總體變異

赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系1 a生苗高和地徑分別為33.67 cm和0.48 cm，葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬分別38.34片、7.53 cm和2.38 cm(表1)，不同家系間差異極顯著(P<0.01)，表明家系間存在著豐富的遺傳變異，這為優(yōu)良家系的選擇提供足夠的空間。苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬最大的家系分別高出最小家系83.15%、55.56%、120.90%、29.14%和50.78%，葉片數(shù)的變幅最大，苗高次之，最大葉片長(zhǎng)變幅最小，即葉片數(shù)和苗高變異空間相對(duì)較大。赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系各性狀表型變異系數(shù)均大于遺傳變異系數(shù)，苗高和葉片數(shù)分別在生長(zhǎng)和葉片性狀中變異最大，這為確定其優(yōu)良家系發(fā)掘利用提供了依據(jù)。

赤皮青岡優(yōu)樹(shù)生長(zhǎng)和葉片性狀的家系和單株遺傳力均較高，除最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬的單株遺傳力相對(duì)較低(0.22和0.38)，受中等遺傳控制外，其它性狀家系和單株遺傳力均高于0.4，受較強(qiáng)遺傳控制，意味著苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的潛在改良效果較好。比較發(fā)現(xiàn)，各性狀家系遺傳力和單株遺傳力均為葉片數(shù)>苗高>地徑>最大葉片寬>最大葉片長(zhǎng)，且各性狀的家系遺傳力均大于單株遺傳力，說(shuō)明苗期的赤皮青岡以家系選擇更有效。

2.2 赤皮青岡優(yōu)樹(shù)的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的種源差異

不同種源赤皮青岡1 a生容器苗生長(zhǎng)和葉片性狀差異顯著(P<0.01或P<0.05)，見(jiàn)表2。

表1 赤皮青岡苗期生長(zhǎng)和葉片性狀變異分析Tab.1 Variation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

表2 不同種源赤皮青岡苗期生長(zhǎng)和葉片性狀差異Tab.2 Difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

從生長(zhǎng)性狀來(lái)看，苗高和地徑最大的種源分別高出最小種源54.86%和30.00%，苗高的種源變異大于地徑。5個(gè)種源中HNCB的苗高最高(36.30 cm)，與HNHT和FJJO無(wú)顯著差異，但顯著高于HNYS和JXWY；HNYS的地徑最大(0.52 cm)，與HNCB和FJJO無(wú)顯著差異，但顯著高于HNHT和JXWY；JXWY的苗高(23.44 cm)和地徑(0.40 cm)均最低，顯著低于其他4個(gè)種源。從葉片性狀來(lái)看，葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬最大的種源分別高出最小種源74.08%、12.70%和17.29%，葉片數(shù)的種源變異較大。FJJO的葉片數(shù)最多(42.44片)，顯著高于其它4個(gè)種源；HNHT的最大葉片長(zhǎng)(7.90 cm)和HNCB的最大葉片寬(2.51 cm)相對(duì)較高；JXWY的3個(gè)葉片性狀為5個(gè)種源中最低。

不同種源赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的表型變異系數(shù)總體差異不大，僅HNYS葉片數(shù)的表型變異系數(shù)(63.82%)明顯高于其他種源(圖1)。不同種源赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的遺傳變異系數(shù)差異均較大，以HNCB的苗高(10.98%)、葉片數(shù)(14.99%)和最大葉片長(zhǎng)(7.86%)，JXWY的地徑(11.74%)和HNHT的最大葉片寬(15.09%)遺傳變異系數(shù)最大，是相應(yīng)最小值的2～7倍，可見(jiàn)種源間存在著豐富的遺傳變異。

不同種源赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的家系遺傳力，除JXWY的苗高(0.13)和葉片數(shù)(0.26)、FJJO和HNYS的最大葉片長(zhǎng)(分別為0.24和0.13)相對(duì)較低外，其余不同種源赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀的家系遺傳力均在0.4以上，受較強(qiáng)遺傳控制(圖1)。單株遺傳力的種源差異較家系遺傳力明顯，HNCB的苗高(0.72)、葉片數(shù)(0.52)和最大葉片長(zhǎng)(0.64)，JXWY的地徑(0.75)和HNHT的最大葉片寬(0.98)單株遺傳力相對(duì)較高，遺傳改良潛力較大；JXWY的苗高(0.01)和葉片數(shù)(0.02)，F(xiàn)JJO、HNYS和HNHT的最大葉片長(zhǎng)(分別為0.03、0.02和0.06)單株遺傳力較低，遺傳改良潛力相對(duì)較小。

圖1 不同種源赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀遺傳差異Fig.1 Genetic difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

2.3 赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系的苗期生長(zhǎng)與葉片性狀間的相關(guān)性

赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系的苗高與地徑之間呈極顯著的表型和遺傳正相關(guān)(P<0.01)(表3)，其表型和遺傳的相關(guān)系數(shù)分別為0.283和0.604。除地徑與最大葉片長(zhǎng)遺傳相關(guān)不顯著外，苗高和地徑與葉片性狀之間均呈顯著或極顯著的表型與遺傳正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)。葉片數(shù)與最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬的表型和遺傳相關(guān)性均不顯著，最大葉片長(zhǎng)與最大葉片寬的表型和遺傳相關(guān)性均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬與葉片數(shù)量關(guān)系不大，但葉片的長(zhǎng)和寬存在著緊密聯(lián)系，葉片越長(zhǎng)相應(yīng)地也越寬?？偟膩?lái)看，赤皮青岡的苗期生長(zhǎng)性狀與葉片性狀關(guān)系密切，生長(zhǎng)快的家系葉片數(shù)量多、葉片長(zhǎng)和寬較大。

表3 赤皮青岡苗期生長(zhǎng)和葉片性狀間的表型與遺傳相關(guān)Tab.3 Phenotypic and genetic correlation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

2.4 赤皮青岡家系的苗期聚類分析

對(duì)52個(gè)赤皮青岡家系的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀進(jìn)行聚類分析，在歐式距離為15處，可將其歸為3大類(圖2)。第Ⅰ類為來(lái)自HNCB(HNCB-5、HNCB-6、HNCB-7)、HNHT(HNHT-5)和FJJO(FJJO-5、FJJO-9、FJJO-18、FJJO-19)3個(gè)產(chǎn)地的8個(gè)家系，占比15.38%，其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬分別高出整體均值的15.21%、10.43%、17.71%、2.96%和2.88%，為苗期速生性較強(qiáng)家系；第Ⅱ類為來(lái)自FJJO、HNCB、HNHT和HNYS等4個(gè)產(chǎn)地的41個(gè)家系，占比78.58%，苗高、地徑、葉片數(shù)和最大葉片長(zhǎng)分別低于整體均值的0.74%、0.87%、0.79%和0.07%，僅最大葉片寬高出整體均值的0.16%，為苗期速生性較中等家系；第Ⅲ類僅有JXWY產(chǎn)地的3個(gè)家系，占比5.77%，其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬分別低于整體均值的30.37%、15.86%、36.42%、6.86%和9.90%，為苗期生長(zhǎng)較慢家系。對(duì)苗期進(jìn)行優(yōu)良家系選擇時(shí)，第Ⅰ類群中的8個(gè)家系均可選為苗木速生優(yōu)良家系，第Ⅱ類群中部分表現(xiàn)突出的家系也可以入選。

圖2 赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系的苗期聚類Fig.2 Cluster analysis of C.gilva families

3 討論與結(jié)論

林木遺傳變異是選擇育種的前提，因生長(zhǎng)環(huán)境不同，長(zhǎng)期的自然選擇會(huì)形成不同的變異，同一樹(shù)種在種源間、林分間、個(gè)體間及個(gè)體內(nèi)均存在遺傳變異[19]。本研究赤皮青岡優(yōu)樹(shù)的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀表型變異系數(shù)為17.68%～42.14%，遺傳變異系數(shù)為4.17%～18.13%，各性狀家系間差異均達(dá)極顯著水平，顯示種源/家系間存在廣泛的變異，遺傳改良選擇空間較大。研究表明，麻櫟(Quercusacutissima)不同種源苗高和地徑的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)分別為8.28%～17.75%和11.53%～34.27%，栓皮櫟(Q.variabilis)不同種源苗高和地徑的變異系數(shù)分別為9.36%～26.67%和12.43%～32.47%[20]。本研究赤皮青岡不同種源/家系苗高和地徑變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)為11.22%和8.63%，與麻櫟和栓皮櫟相比，苗高的變異接近，地徑的變異要小。

遺傳力大小反映林木性狀變異受遺傳制約的程度，遺傳力的估算對(duì)于育種策略的制定具有重要的指導(dǎo)意義[21]。本研究赤皮青岡優(yōu)樹(shù)的苗期生長(zhǎng)和葉片性狀家系遺傳力在0.71～0.90之間，受較強(qiáng)遺傳控制，說(shuō)明其苗高、地徑、葉片數(shù)、最大葉片長(zhǎng)和最大葉片寬等性狀主要受自身遺傳條件制約，受培育條件和環(huán)境效應(yīng)影響較小。長(zhǎng)期的地理隔離，使赤皮青岡不同種源的遺傳結(jié)構(gòu)及適應(yīng)性發(fā)生了改變，從而具有較強(qiáng)的種源選擇能力[9]，這一結(jié)果與不同學(xué)者對(duì)刨花潤(rùn)楠(Machiluspauhoi)[9]、火力楠(M.macclurei)[22]、杉木(Cunninghamialanceolata)[23]及落葉松(Larixgmelinii)[24]等樹(shù)種的研究結(jié)論一致。

以苗高和葉片數(shù)對(duì)赤皮青岡52個(gè)家系進(jìn)行聚類，可將其分為苗期速生性較強(qiáng)家系、苗期速生性中等家系和苗期生長(zhǎng)較慢家系3類，這為赤皮青岡苗期選擇提供了一定參考?？紤]到本研究采用的是1 a生容器苗，聚類結(jié)果有待同批次子代測(cè)定林試驗(yàn)加以驗(yàn)證。因此，后續(xù)需對(duì)赤皮青岡優(yōu)樹(shù)家系進(jìn)行多點(diǎn)多年跟蹤觀測(cè)，通過(guò)子代測(cè)定分析各生長(zhǎng)性狀在苗期和幼成林間的早晚相關(guān)性和穩(wěn)定性，以進(jìn)一步分析赤皮青岡苗期選擇的實(shí)用性和可靠性。林木育種的長(zhǎng)期目標(biāo)是獲得可持續(xù)的遺傳增益，本研究?jī)H僅是針對(duì)苗期生長(zhǎng)和葉片性狀進(jìn)行分析，后期可通過(guò)擴(kuò)大種源及家系來(lái)源，結(jié)合區(qū)域化造林試驗(yàn)和子代測(cè)定，為赤皮青岡造林選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定和適宜的優(yōu)良家系。此外，還應(yīng)對(duì)赤皮青岡的其它性狀進(jìn)行研究，掌握不同性狀的遺傳變異規(guī)律，為赤皮青岡的遺傳改良提供全面的理論依據(jù)。