基于生長與結實評價紅松種子園親本

周雪燕 高海燕 李召珉 趙銀琨 葛麗麗 侯慶文 丁文雅 趙曦陽*

(1.東北林業大學林木遺傳育種國家重點實驗室，哈爾濱 150040； 2.吉林省臨江林業局，臨江 134600)

林木種子園是為獲得優質種子，經過人為設計的特種人工林，在實現林木良種化過程中發揮著重要的作用[1]，具有提早開花結實，實現樹體矮化，便于采收，方便管理等優點。林木種子園的營建歷史可以追溯到1880年，荷蘭人為了提高金雞納樹(Cinchonaledgeriana)的奎寧含量，在爪哇營建了金雞納無性系種子園[2]。20世紀30年代，許多歐美國家進行了多種針葉樹種種子園的營建[3]。20世紀60年代種子園風靡世界，各國以種子園為主要環節的針葉樹遺傳改良工作取得較大進展。我國于1964年開始建立杉木無性系種子園，20世紀70年代林木種子園有了較大發展，特別是從20世紀80年代初開始，種子園營建技術列為國家重點科技攻關項目，受到林業生產部門的重視，取得了一定的研究成果。但是與歐美國家相比，我國種子園的發展相對落后，目前我國大部分樹種種子園還停留在初級種子園階段，造成我國良種化水平與林業發達國家相差甚遠。

紅松(Pinuskoraiensis)是松科(Pinaceae)松屬(Pinus)的常綠高大喬木[4]，屬北半球中高緯度地區分布面積較大且聞名世界的三大五針松之一，其主要分布在亞洲東北部日本海西岸從朝鮮半島經中國東北到俄羅斯遠東南部的三角地帶[5]，在我國主要分布于長白山及其北部的張廣才嶺、老爺嶺、完達山和小興安嶺[6]。紅松不僅樹冠高大，樹干通直，材性優良，易于加工[7]，而且果實美味，富含不飽和脂肪酸和酚類等活性物質，具有較高的營養價值和醫療保健價值[8～12]，是我國東北地區重要的果材兼用樹種。我國于20世紀80年代開始營建紅松種子園[13～14]，由于紅松生長緩慢，最初建立的種子園目前仍處于初級種子園階段，只有部分種子園營建了子代測定林，并開展了生長性狀的測定研究[15]，但研究結果未能有效指導種子園的升級換代，且紅松存在無性系間花期不遇、周期性結實、產籽量低等問題，極大影響紅松遺傳改良進程[16]。

本研究以吉林省臨江林業局鬧枝林場紅松子代測定林的69個半同胞家系為材料，測定其26和28年生的生長性狀和結實性狀，通過遺傳變異參數的計算，初步篩選生長與結實性狀優良的親本無性系與家系，選出的家系可以進行區域化試驗，為生產應用提供物質基礎，初選的優良親本無性系可為改良種子園和1.5代種子園的營、改建提供材料，本研究可為其他樹種遺傳改良提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點

試驗林營建于吉林省臨江種苗示范中心國家紅松、水曲柳良種基地(47°37′N，126°54′E)，該地屬溫帶季風氣候，海拔510 m，年均氣溫5℃，年均降水744 mm，無霜期128 d，土壤類型為暗棕土壤。

1.2 試驗材料

本研究中試驗材料包括67個紅松半同胞家系與2個對照家系(見表1)，于1987年采種，次年播種育苗，1992年利用4年生實生苗營建子代測定林。試驗設計采用完全隨機區組設計，6株小區，5次重復，株行距2 m×2 m，外加兩層保護行。

表1 家系來源表

1.3 試驗方法

2013年11月左右測定69個家系的樹高、胸徑和單株球果數，2015年11月左右測定樹高、胸徑、單株球果數、鮮塔重、千粒重及單塔出籽量。樹高、胸徑和單株球果數進行全林調查；各家系隨機采集30個鮮塔測定其鮮塔重和單塔出籽量；各家系隨機選取4 000粒種子分為4份，測定千粒重。

1.4 數據分析方法

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對所測得數據進行分析[17]。

樹高、胸徑和單株球果數方差分析線性模型采用公式[18]：

Xijk=μ+Fi+Bj+FBij+eijk

(1)

式中：μ為總體平均值，Fi為家系效應，Bj為區組效應，FBij為家系和區組的交互作用，eijk為隨機誤差。

鮮塔重、千粒重和單塔出籽量方差分析線性模型采用公式[19]：

Xij=μ+Fi+eij

(2)

式中：μ為總體平均值，Fi為家系效應，eij為隨機誤差。

家系遺傳力(h2)采用公式[20]：

(3)

表型變異系數(PCV)采用公式[21]：

(4)

表型相關系數(r)采用公式[22]：

(5)

一般配合力(GCA)采用公式[23～24]：

GCA=Xi-X..

(6)

式中：Xi為某一性狀某個家系平均值，X..為該性狀總體平均值。

利用多性狀綜合評價法對家系進行綜合評定，采用公式[25]：

(7)

式中：其中ai=Xij/Xjmax,Qi為各家系的綜合評價值，Xij為某一性狀的平均值，Xjmax為該性狀的最大值，n是該性狀的個數。

遺傳增益估算采用公式[18]：

(8)

2 結果分析

2.1 紅松半同胞家系生長與結實性狀的方差分析

69個紅松半同胞家系各指標方差分析見表2，結果表明除單株球果數在家系與區組交互作用時差異不顯著外，其他各測定指標在不同樹齡時各變異來源間均達極顯著差異(P<0.01)。

2.2 家系間各指標遺傳變異參數

69個紅松半同胞家系各指標遺傳變異參數見表3，所有家系除千粒重外，其他指標最大值均在最小值1.50倍以上，其中樹高、鮮塔重和單塔出籽量在1.50～2.00倍，胸徑和單株球果數在3.00倍以上，而單株球果數的變化幅度較大，最大達到32.67，最小為0.33。各指標表型變異系數變化范圍為6.30%～63.00%，其中26和28 a單株球果數的表型變異系數均超過50%，樹高、胸徑和鮮塔重的表型變異系數在10%～40%，千粒重和單塔出籽量的表型變異系數均小于10%。各指標的遺傳力均較高，大部分在0.90以上，除了單塔出籽量的遺傳力為0.87。

2.3 紅松半同胞家系各指標的一般配合力

69個紅松半同胞家系各指標一般配合力見表4。從26 a分析結果來看，單株球果數的一般配合力范圍為-12.29～11.71；從28 a分析結果看，樹高、胸徑、單株球果數、鮮塔重、千粒重和單塔出籽量的一般配合力范圍分別為-1.77～1.69、9.10～8.65、-15.97～16.03、85.29～85.95、-89.25～80.75和-11.61～14.26。對于樹高來說，P029、A101、P119、P081、P076、P113和P045家系的一般配合力較高(1.45～1.69)，對于胸徑來說，A096、P047、A113、P041、P113、P039和A030家系的一般配合力較高(7.01～8.65)，其中P113家系的樹高和胸徑的一般配合力均較高；對于單株球果數來說，P004、P096、P039、P053、A124、A100、A109等家系的一般配合力較高(15.03～16.03)，對于單塔出籽量來說，A124、A108、A048、P095、P078、P044和P045家系的一般配合力較高(9.16～14.26)，綜合來說A124家系的單株球果數和單塔出籽量的一般配合力均較高。

表2 69個紅松半同胞家系各指標方差分析表

表5 69個紅松半同胞家系各指標相關系數

注：*表示相關性達顯著水平(P<0.05)；**表示相關性達極顯著水平(P<0.01)

Note:*correlation is significant at the 0.05 level；**correlation is significant at the 0.01 level

表6 多性狀綜合評價表

2.4 紅松半同胞家系各指標相關性分析

69個紅松半同胞家系各指標相關性系數見表5，從生長性狀來看，26和28 a胸徑與樹高均達極顯著正相關水平(0.823，0.720)；28與26 a樹高和胸徑均達極顯著正相關水平(0.995，0.998)。從結實性狀來看，28與26 a單株球果數之間呈正相關，但相關性未達顯著水平(0.045)，說明紅松的周期性結實問題；28 a鮮塔重與26和28 a單株球果數之間分別呈負相關和正相關，均未達顯著水平(-0.131，0.035)；28 a的單株球果數和鮮塔重與26和28 a樹高和胸徑均呈負相關，與樹高之間相關性達極顯著水平(-0.204，-0.202，-0.214，-0.189)，與胸徑之間相關性未達顯著水平(-0.022，-0.051，-0.014，-0.038)，說明樹高越高胸徑越大，單株球果數越少，鮮塔重越輕，但主要取決于樹體的高低；千粒重與單株球果數之間呈極顯著負相關(-0.230)，與其他性狀之間的相關性很弱；28 a單塔出籽量與26和28 a樹高之間分別呈顯著正相關(0.157，0.151)，與26和28 a的單株球果數之間分別呈極顯著負相關(-0.259)和未達顯著水平的正相關關系(0.112)，進一步說明了紅松的周期性結實問題，與鮮塔重之間呈顯著正相關(0.138)，與胸徑和千粒重之間存在很弱的正相關關系。

2.5 紅松半同胞家系多性狀綜合評價

相關性分析表明生長性狀和結實性狀之間的相關性很弱，因此分別利用生長性狀(樹高和胸徑)和結實性狀(單株球果數、鮮塔重和單塔出籽量)為評價指標，以28 a紅松數據為依據，對其半同胞家系進行綜合評價(見表6所示)。以10%的入選率進行篩選，生長性狀方面入選的家系有A096、P113、P047、A101、P041、P127和P107，入選家系樹高和胸徑的平均值分別為8.64 m和22.30 cm，遺傳增益分別為15.66%和35.40%；結實性狀方面入選的家系有A124、P096、A100、A123、P088、P105和P039，入選家系單株球果數、鮮塔重和單塔出籽量的平均值分別為30個、386.88和81.93 g，遺傳增益分別為87.30%、1.77%和3.39%。

3 討論

遺傳、變異和選擇是生物進化和新品種選育的三大因素，研究林木的遺傳和變異是林木遺傳改良的重要基礎[26]。本研究通過對69個紅松半同胞家系的26和28 a的生長性狀和結實性狀進行測定分析，方差分析結果表明除單株球果數在家系與區組交互作用時差異不顯著外，其他各測定指標在不同樹齡時各變異來源間均達極顯著差異(P<0.01)，說明不同樹齡、不同家系間變異豐富，69個半同胞家系的生長性狀和結實性狀具有非常大的選擇潛力，對優良家系的評價選擇具有重要意義。

變異系數反映單位均值上的離散程度，變異系數越大，則性狀離散程度越大[27]，可以用表型變異系數的大小直接反映不同家系群體各性狀的變異程度。本研究中，樹高和單塔出籽量的表型變異系數略高于姜國云等[28]對紅松家系的研究，說明樹高和單塔出籽量存在更豐富的變異。遺傳力是親本將某一性狀遺傳給子代的能力，是選擇育種中確定選種方法和估算遺傳增益的重要參數[29]，某一性狀的遺傳力越高，說明該性狀可以穩定地遺傳給子代，受環境因素的影響越小。本研究中，各指標的遺傳力均較高，且除了28a的單塔出籽量的遺傳力較低，其余均在0.90以上，明顯高于宋云平等[30]的研究。高變異系數，高遺傳力，更有利于家系的評價選擇[31]。

在交配群體中，加性基因可以遺傳給子代，而一般配合力恰好反映親本加性基因的效應，一般配合力效應值的大小表明子代受親本的影響程度，這是親本選擇的依據之一[32～33]，因此種子園中優良親本的選擇主要是依據一般配合力的大小來確定。根據一般配合力的計算結果，本研究中分別選出7個樹高、胸徑、單株球果數和單塔出籽量一般配合力較高的親本無性系。本研究中利用樹高的一般配合力所選家系的平均值為1.58，利用胸徑的一般配合力所選家系的平均值為7.89，都明顯高于劉鳳平等[31]對于樹高和胸徑一般配合力的研究結果，這主要由于樹齡不同，環境不同所導致。針對不同樹齡的樹高和胸徑選出的優良親本基本相同，而利用不同樹齡的結實量篩選的優良親本差異較大，說明不同樹齡結實不穩定，表明對于結實性狀的評價選擇應基于多年的觀測結果[34～36]。

相關性反映了兩個性狀之間的相關程度，可以利用相關性確定與育種目標聯系比較緊密的直觀易測的性狀用來挑選優良家系[37～38]。本研究中樹高或胸徑的不同測定年份之間具有極高的相關性，相關系數達0.99以上，與姜國云等[28]的研究結果相似，相同測定年份，樹高與胸徑的相關系數在0.720～0.823，高于王璧瑩等[39]的研究結果。單株球果數與樹高和胸徑之間的相關性不一定，26 a單株球果數與樹高和胸徑之間相關性均不高；28 a單株球果數與26和28 a樹高呈極顯著負相關，與胸徑之間相關性未達顯著水平，這與王有菊等[40]、尚福強[41]關于紅松生長與結實之間相關關系的研究不同，可能是由于本研究中試驗林密度過大，且紅松本身周期性結實所導致。焦宏等[42]的研究表明，紅松的結實量與胸徑相關性大于樹高，但本研究中的結果正好相反，可能是由于本研究中的子代測定林密度較大，已經影響了紅松的樹高與胸徑的生長。單塔出籽量與鮮塔重之間呈顯著正相關，在一定程度上說明鮮塔越重，單塔出籽量越多。

育種方式取決于育種目標，紅松是東北長白山等林區重要的鄉土樹種，長期以來都是以獲取木材為目的，但是隨著社會的發展，不少研究表明紅松松籽富含很高的營養價值和保健價值[43～44]，近些年紅松更多地被當作經濟樹種來對待，育種目標也更偏向于用材—堅果兼用型。本研究中，以26和28年生紅松的生長性狀和結實性狀對其半同胞家系進行綜合評價，分別篩選出7個生長優良家系和7個結實優良家系，其中僅有家系P113(樹高與胸徑一般配合力較高)與A124(單塔出籽量與單株球果數一般配合力較高)與一般配合力選出的優良親本相同，表明單性狀評價與多性狀評價結果可能不同，具體評價方法需要根據育種目標來選擇。