孫佰飛 張磊 張含國(guó)

(林木遺傳育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)) ，哈爾濱，150040)

潘鳳剛 劉洪志 宿效忠

(葦河林業(yè)局青山林木種子園)

紅松(Pinuskoraiensis)為松科(Pinaceae)松屬(Pinus)喬木,是寒溫帶針闊葉混交林的主要建群樹(shù)種,其樹(shù)干通直、材質(zhì)良好、出材率高,為中國(guó)東北地區(qū)珍貴用材樹(shù)種[1-2],主要分布于長(zhǎng)白山、張廣才嶺、老爺嶺、完達(dá)山和小興安嶺[3]。紅松成材時(shí)間較長(zhǎng),紅松天然林幼齡材與成熟材的界限為35 a,紅松人工林幼齡材與成熟材的界限為15 a[4-5]。大徑級(jí)用材林,平均培育年限需70 a左右[6-7]。對(duì)紅松生長(zhǎng)性狀的遺傳改良,是縮短育種周期、提高紅松生產(chǎn)力水平的有效途徑。

我國(guó)紅松大規(guī)模遺傳改良工作始于20世紀(jì)80年代,試驗(yàn)材料主要以紅松天然林為選擇群體,按照種源區(qū)劃選擇種源或優(yōu)樹(shù),在紅松分布區(qū)內(nèi)營(yíng)建了20多個(gè)地點(diǎn)的初級(jí)種子園,為后期紅松遺傳改良提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[8]。紅松生長(zhǎng)周期長(zhǎng),扦插、組培等無(wú)性繁殖困難,在遺傳改良過(guò)程中,優(yōu)良家系的評(píng)價(jià)尤為重要[9]。半同胞家系的遺傳變異研究,是通過(guò)大范圍子代和家系測(cè)定,表明生長(zhǎng)性狀在半同胞自由授粉子代家系間存在顯著差異,進(jìn)而利用加性遺傳變異進(jìn)行選擇,使遺傳增益最大化[10]。

子代測(cè)定是種子園建立過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),不僅可以提供親本材料的遺傳信息,用于前向選擇,指導(dǎo)種子園的去劣疏伐;還可以用于后向選擇,篩選優(yōu)良家系,為高世代種子園提供材料,推進(jìn)遺傳改良進(jìn)程。在生長(zhǎng)成熟之前,子代測(cè)定林的樹(shù)齡越大,選擇結(jié)果越準(zhǔn)確;同時(shí),結(jié)合多年分的子代生長(zhǎng)性狀觀測(cè)數(shù)據(jù),了解各生長(zhǎng)指標(biāo)在生長(zhǎng)過(guò)程中的遺傳變異規(guī)律,能有助于準(zhǔn)確篩選出優(yōu)良親本[11-14]。為此,本研究在黑龍江省葦河林業(yè)局青山種子園,以1988年黑龍江省葦河林業(yè)局營(yíng)建的紅松自由授粉子代家系測(cè)定林為試驗(yàn)林,以117個(gè)紅松半同胞家系為研究對(duì)象(1個(gè)對(duì)照的種子來(lái)源于當(dāng)?shù)厣a(chǎn),其余116個(gè)家系來(lái)源于黑龍江省鶴北林業(yè)局紅松天然林優(yōu)樹(shù)),分別測(cè)定林齡25、27、34 a的紅松半同胞家系子代測(cè)定林胸徑性狀;采用變異分析、方差分析、多重比較、遺傳參數(shù)估算、相關(guān)分析、穩(wěn)定性分析及育種值估算,分析紅松半同胞家系胸徑性狀遺傳變異規(guī)律,篩選優(yōu)良家系。

1 研究方法

試驗(yàn)林位于黑龍江省葦河林業(yè)局青山種子園,海拔300 m,年均降水量666.1 mm,年均蒸發(fā)量1 084.4 mm,年日照時(shí)間2 552.3 h;年均溫2.3 ℃,日平均氣溫大于5 ℃積溫2 753.2 ℃,7月份均溫21.6 ℃。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為1988年黑龍江省葦河林業(yè)局營(yíng)建的紅松自由授粉子代家系測(cè)定林,共有117個(gè)家系(包括1個(gè)對(duì)照,種子來(lái)源于當(dāng)?shù)厣a(chǎn),其余116個(gè)家系來(lái)源于黑龍江省鶴北林業(yè)局紅松天然林優(yōu)樹(shù))。試驗(yàn)林采用完全隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì),單行小區(qū)8株,5次重復(fù),株行距1.5 m×2.0 m。分別對(duì)林齡25、27、34 a的紅松半同胞家系子代測(cè)定林胸徑性狀進(jìn)行調(diào)查。

1.2 數(shù)據(jù)處理

方差分析采用線性模型Yijk=μ+Bi+Fi+BFij+eijk;式中,Yijk為第i個(gè)區(qū)組第j個(gè)家系第k觀測(cè)值、μ為家系平均值、Bi為區(qū)組效應(yīng)、Fi為家系效應(yīng)、BFij為家系與區(qū)組協(xié)同效應(yīng)、eijk為隨機(jī)誤差。

表型相關(guān)系數(shù)r(Pxy)=C(Pxy)/[σ2(Px)·σ2(Py)]1/2、遺傳相關(guān)系數(shù)r(kxy)=C(kxy)/[σ2(kx)·σ2(ky)]1/2;式中,C(Pxy)為性狀x與性狀y的表型協(xié)方差、C(kxy)為性狀x與性狀y的基因型協(xié)方差、σ2(Px)為性狀x的表型方差、σ2(Py)為性狀y的表型方差、σ2(kx)為性狀x的基因型方差、σ2(ky)為性狀y的基因型方差。

穩(wěn)定性分析是對(duì)維持品種特性在不同環(huán)境中保持穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行的研究,本研究使用唐啟義等[15]編著的DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件中“專業(yè)統(tǒng)計(jì)→品種區(qū)域試驗(yàn)→品種穩(wěn)定分析”模塊進(jìn)行分析。

采用最佳線性無(wú)偏估計(jì)(BLUP)法進(jìn)行育種值估算[16],其一般公式為VB=Xβ+Zμ+e;式中,β為區(qū)組效應(yīng)、μ為家系遺傳效應(yīng)、e為隨機(jī)誤差效應(yīng)、X為區(qū)組效應(yīng)β的關(guān)聯(lián)矩陣、Z為家系效應(yīng)μ的關(guān)聯(lián)矩陣。

以上數(shù)據(jù)分析主要采用SPSS26.0、DPS14.5、R4.1.2和ASReml程序包處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅松半同胞家系遺傳胸徑性狀變異

對(duì)不同林齡時(shí)期紅松半同胞家系子代胸徑性狀進(jìn)行測(cè)定統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1),結(jié)果表明:25、27、34年生胸徑平均值,分別為16.14、16.73、19.98 cm;34年生的胸徑比25年生的胸徑增長(zhǎng)3.84 cm(增長(zhǎng)率為23.78%),27年生的胸徑比25年生的胸徑增長(zhǎng)0.53 cm(增長(zhǎng)率為3.61%),34年生的胸徑比27年生的胸徑增長(zhǎng)3.26 cm(增長(zhǎng)率為19.47%)。胸徑變異系數(shù)隨林齡增長(zhǎng)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),不同林齡時(shí)期胸徑的變異系數(shù)均較大,平均變異系數(shù)為21.22%。25年生時(shí),002號(hào)家系變異系數(shù)最大(34.37%),151號(hào)家系變異系數(shù)最小(11.68%);27年生時(shí),049號(hào)家系變異系數(shù)最大(28.34%),166號(hào)家系變異系數(shù)最小(9.11%);34年生時(shí),034號(hào)家系變異系數(shù)最大(29.74%),067號(hào)家系變異系數(shù)最小(10.55%)。說(shuō)明家系間胸徑差異大,且存在豐富的變異,為優(yōu)良家系選擇奠定基礎(chǔ)。

表1 紅松半同胞家系各林齡時(shí)期胸徑性狀變異情況

2.2 紅松半同胞家系胸徑性狀方差分析及多重比較

為克服環(huán)境影響,將調(diào)查數(shù)據(jù)均除以該區(qū)對(duì)照值后進(jìn)行方差分析(見(jiàn)表2)。由表2可見(jiàn):25、27、34年生時(shí),胸徑在家系間達(dá)到極顯著水平;27年生時(shí),胸徑在區(qū)組間達(dá)極顯著水平;說(shuō)明胸徑在家系間存在廣泛變異,適于進(jìn)行優(yōu)良家系的選擇。在25、27、34年生時(shí),家系效應(yīng)大于家系與區(qū)組協(xié)同作用;家系效應(yīng)、家系與區(qū)組協(xié)同作用呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì);說(shuō)明胸徑的變異在25、27、34年生時(shí)受家系效應(yīng)影響較大,家系與區(qū)組協(xié)同作用的影響隨林齡上升而增強(qiáng)。不同林齡時(shí)期,家系遺傳力平均值為0.476 0,家系遺傳力呈上升趨勢(shì),單株遺傳力變化趨勢(shì)與家系遺傳力變化趨勢(shì)相近(平均值為0.250 2);相同年度內(nèi),家系遺傳力均高于單株遺傳力,說(shuō)明對(duì)家系選擇可以達(dá)到選擇效果。

鄧肯(Duncan)多重比較結(jié)果(見(jiàn)表3)表明:25年生時(shí),排名前10的家系之間差異不顯著,前10的家系胸徑性狀均值為17.84 cm,高出對(duì)照1.60 cm,高出當(dāng)年群體均值1.70 cm;27年生時(shí),排名前10的家系之間差異不顯著,前10的家系胸徑性狀均值為18.94 cm,高出對(duì)照2.17 cm,高出當(dāng)年群體均值2.21 cm;34年生時(shí),排名前10的家系中2～10名家系間差異不顯著,前10的家系胸徑性狀均值為22.11 cm,高出對(duì)照1.81 cm,高出當(dāng)年群體均值2.13 cm。排名第1名家系,在25、27年生時(shí)家系間差異不顯著,在34年生時(shí)家系間差異顯著。

表2 紅松半同胞家系各林齡時(shí)期胸徑性狀方差分析結(jié)果

表3 紅松半同胞家系各林齡時(shí)期胸徑性狀鄧肯(Duncan)多重比較結(jié)果

2.3 紅松半同胞家系胸徑性狀早晚相關(guān)性及多年穩(wěn)定性

對(duì)紅松半同胞家系胸徑性狀在不同年份的表現(xiàn)進(jìn)行早晚相關(guān)性分析(見(jiàn)表4),由見(jiàn)表4可見(jiàn):25年生時(shí)與27年生時(shí)遺傳相關(guān)系數(shù)(0.979 2)和表型相關(guān)系數(shù)(0.979 7),均大于27年生時(shí)與34年生時(shí)遺傳相關(guān)系數(shù)(0.917 5)和表型相關(guān)系數(shù)(0.855 1);27年生時(shí)與34年生時(shí)遺傳相關(guān)系數(shù)(0.917 5)和表型相關(guān)系數(shù)(0.855 1),均大于25年生時(shí)與34年生時(shí)遺傳相關(guān)系數(shù)(0.898 5)和表型相關(guān)系數(shù)(0.823 8);由于25年與27年間隔年度(2 a)小于27年與34年間隔年度(7 a),27年與34年間隔年度(7 a)小于25年與34年間隔年度(9 a),說(shuō)明不同年份胸徑性狀之間遺傳相關(guān)系數(shù)和表型相關(guān)系數(shù)隨間隔年度增長(zhǎng)而減小。胸徑性狀在不同年度間,遺傳相關(guān)和表型相關(guān)均表現(xiàn)為正相關(guān),且均達(dá)到極顯著水平,遺傳相關(guān)系數(shù)和表型相關(guān)系數(shù)均較大;不同年份之間,遺傳相關(guān)系數(shù)均大于表型相關(guān)系數(shù)。說(shuō)明胸徑在不同年份間相關(guān)性強(qiáng)。

年際效應(yīng)是區(qū)域試驗(yàn)中需要研究的主要效應(yīng)之一,即不同年份的溫度、雨量、偶然性災(zāi)害等難以預(yù)知的隨機(jī)性環(huán)境差異對(duì)家系的影響效應(yīng)[15]。對(duì)紅松半同胞家系胸徑性狀進(jìn)行多年穩(wěn)定性分析,結(jié)合豐產(chǎn)性參數(shù)及穩(wěn)定性參數(shù),選出了穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)好的6個(gè)家系(見(jiàn)表5),依次為034、019、065、122、144、030。55個(gè)家系綜合評(píng)價(jià)為較好,51個(gè)家系綜合評(píng)價(jià)為一般,5個(gè)家系綜合評(píng)價(jià)為較差。

表4 紅松半同胞家系胸徑早晚相關(guān)性分析結(jié)果

2.4 紅松半同胞家系胸徑性狀均值及育種值估計(jì)

對(duì)不同林齡時(shí)期胸徑性狀均值和育種值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明:25年生時(shí),003、034、062等63個(gè)家系育種值排名位于對(duì)照之前,其中168、108、073等13個(gè)家系育種值均值小于對(duì)照,其余50個(gè)家系育種值均值大于對(duì)照;27年生時(shí),034、036、122等63個(gè)家系育種值排名位于對(duì)照之前,其中039、070、083等12個(gè)家系育種值均值小于對(duì)照,其余51個(gè)家系育種值均值大于對(duì)照;34年生時(shí),034、025、174等23個(gè)家系育種值大于對(duì)照,其中113號(hào)家系育種值小于對(duì)照,其余22個(gè)家系育種值大于對(duì)照。說(shuō)明不同林齡時(shí)期,不同家系胸徑性狀均值與育種值表現(xiàn)存在一定程度不同,反映出家系表型與基因型中加性效應(yīng)部分存在一定程度差異。對(duì)家系胸徑育種值排名隨林齡變化進(jìn)行分析,117個(gè)家系中004、026、034、074、086、126、144家系隨林齡變化育種值排名較為穩(wěn)定。

表5 紅松半同胞家系胸徑穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)好的6個(gè)家系

依據(jù)胸徑性狀均值和育種值排名,以34年生時(shí)表現(xiàn)為主進(jìn)行優(yōu)良家系選擇,選取胸徑均值大于對(duì)照且大于群體總均值的家系025、034、112等40個(gè)家系作為初選群體,選取其中育種值排名前10%的家系025、034、174等11個(gè)家系作為復(fù)選家系。表6中列出34年生時(shí)育種值排名位于前10名、中間10名、最后10名的家系。

表6 紅松半同胞家系胸徑均值及育種值排名

2.5 紅松半同胞家系胸徑性狀遺傳增益與優(yōu)良家系選擇

本研究以10%的家系入選率依據(jù)胸徑進(jìn)行家系選擇,入選的11個(gè)家系(見(jiàn)表7)的胸徑均值在25、27、34年生時(shí),平均值分別為17.26、18.16、21.99 cm,分別高于當(dāng)年群體胸徑均值1.12、1.43、2.01 cm,分別比當(dāng)年對(duì)照高1.02、1.39、1.69 cm。

表7 紅松半同胞家系胸徑遺傳增益

3 討論

遺傳和變異是林木遺傳改良的重要基礎(chǔ)[17-18]。本研究中,胸徑性狀在不同林齡時(shí)期存在不同程度變異,變異系數(shù)隨林齡增長(zhǎng)呈微弱遞減趨勢(shì),平均變異系數(shù)較大。不同林齡時(shí)期,胸徑性狀在家系間差異均達(dá)到極顯著水平,表明胸徑性狀在家系間存在豐富的變異,為優(yōu)良家系選擇提供了基礎(chǔ)條件,可利用變異進(jìn)行優(yōu)良家系的選擇。通過(guò)方差分析可以把試驗(yàn)的總變異剖析為不同來(lái)源的變異,本研究中將變異來(lái)源分為遺傳變異分量和環(huán)境變異分量以及協(xié)同效應(yīng)分量。結(jié)果顯示,胸徑性狀受家系效應(yīng)及協(xié)同效應(yīng)的影響,家系效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)隨林齡增長(zhǎng)逐漸增大,說(shuō)明胸徑性狀隨林齡增長(zhǎng),基因型與環(huán)境協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)。

遺傳力在一定程度上可以反映出性狀受遺傳控制的大小,根據(jù)遺傳力劃分方法[19],本研究中,不同年份胸徑性狀遺傳力均表現(xiàn)為中等及以上,說(shuō)明胸徑性狀受遺傳控制的影響較大。一般認(rèn)為,同一群體各種性狀的遺傳力估值,存在一定規(guī)律性,通常表現(xiàn)為遺傳力隨林齡增加而增大的趨勢(shì)[20];這在本研究中有所顯現(xiàn),本研究中不同林齡時(shí)期胸徑性狀遺傳力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。不同年度胸徑性狀家系遺傳力均大于單株遺傳力。

不同年份的溫度、雨量等難以預(yù)知的隨機(jī)性環(huán)境差異對(duì)家系的影響效應(yīng),一般屬隨機(jī)型效應(yīng)。通過(guò)對(duì)不同家系進(jìn)行多年穩(wěn)定性分析,可探究家系在年際效應(yīng)下的穩(wěn)定性。通過(guò)分析性狀早晚相關(guān)情況,可為早期選擇提供依據(jù)。本研究表明,在本研究年份范圍內(nèi),胸徑性狀在不同年份間遺傳相關(guān)性和表型相關(guān)性均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平,說(shuō)明胸徑性狀可在25 a進(jìn)行早期選擇。

林業(yè)試驗(yàn)具有營(yíng)建難度大、周期長(zhǎng)、親本數(shù)量不一、保存率也各不相同等特點(diǎn),導(dǎo)致林業(yè)數(shù)據(jù)復(fù)雜多樣,具有不平衡性[21]。育種值是選擇育種中重要參數(shù),是性狀表型值中遺傳效應(yīng)的加性效應(yīng)部分,它剔除了環(huán)境的影響,反應(yīng)遺傳效應(yīng)的大小[22]。孫曉梅等[23]通過(guò)比較最佳線性無(wú)偏估計(jì)法(BLUP)及選擇指數(shù)等方法,預(yù)測(cè)育種值的精度及其適用性,結(jié)果表明,對(duì)于有親緣關(guān)系或固定效應(yīng)的候選材料,最佳線性無(wú)偏估計(jì)法最為適用。本研究以177個(gè)紅松半同胞家系為材料,對(duì)家系不同林齡時(shí)期胸徑性狀的遺傳變異進(jìn)行評(píng)價(jià),利用混合線性模型的最佳線性無(wú)偏估計(jì)法對(duì)子代測(cè)定林家系不同林齡時(shí)期胸徑性狀育種值進(jìn)行預(yù)測(cè),以34年生時(shí)表現(xiàn)為主,篩選出11個(gè)優(yōu)良家系,可為紅松高世代種子園營(yíng)建提供基礎(chǔ)材料,為紅松生長(zhǎng)性狀的遺傳改良、大徑材定向培育、高世代遺傳改良提供參考。