林 琳 高宇婷 程福山 辛本花 王貴春 夏富才 穆懷志*

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 132013； 2.吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局，蛟河 132517)

賽黑樺(Betulaschmidtii)又稱鐵樺、遼東樺，主要分布于我國(guó)東北東部、朝鮮半島北部及俄羅斯錫霍特山脈南部地區(qū)，其木質(zhì)厚重、堅(jiān)硬，是東北林區(qū)最硬的木材之一[1]。由于賽黑樺生長(zhǎng)緩慢，成熟林蓄積量低，先前人們并沒(méi)有將其作為主要的商品材樹種。隨著東北林區(qū)樹種資源的結(jié)構(gòu)性調(diào)整，賽黑樺的采伐量逐年增加，目前其年采伐量可達(dá)10 000 m3，這使得賽黑樺成為一個(gè)單獨(dú)用材樹種[2]。連年不斷的采伐，致使賽黑樺資源日漸枯竭，吉林省已將其列為三級(jí)保護(hù)植物[3]。目前，關(guān)于賽黑樺的研究?jī)H限于組織培養(yǎng)[4～5]、木材加工[6]、抗逆性測(cè)定[7～8]和生物信息學(xué)分析[9]等方面，對(duì)于其良種選育的研究尚未見報(bào)道。

種子萌發(fā)是苗木生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，種子活力是評(píng)價(jià)種子品質(zhì)的重要指標(biāo)，具有高活力的種子不僅發(fā)芽時(shí)間短、出苗整齊，而且生成的幼苗具有明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)性[10～11]。先前人們開展了白樺[12]、光皮樺[13]、紅樺[14]等樺木屬植物的種子活力研究，篩選出多個(gè)樺木優(yōu)良家系。本研究對(duì)3個(gè)采種地共30個(gè)賽黑樺半同胞家系的種子活力進(jìn)行比較，對(duì)賽黑樺采種母樹進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為賽黑樺優(yōu)良家系的選擇提供參考。

1 材料及方法

1.1 供試材料

2018年8月末，分別在吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局、琿春林業(yè)局三道溝林場(chǎng)、集安市五女峰國(guó)家森林公園有賽黑樺分布的林分，選擇樹干通直圓滿、胸徑粗大、無(wú)病蟲害的單株作為候選樹。以候選樹為中心，在其周圍10～15 m的范圍內(nèi),測(cè)量其他賽黑樺的樹高和胸徑，以100 m2內(nèi)樹高不低于平均高、胸徑達(dá)到平均值120%為標(biāo)準(zhǔn)選擇優(yōu)樹進(jìn)行采種[15]。3個(gè)采種地共選擇30株優(yōu)樹，分別命名為JH1～JH10、HC1～HC10、JA1～JA10，采集其半同胞家系種子經(jīng)過(guò)室內(nèi)晾干、篩去苞片后，置于-20℃冰箱中保存。

1.2 種子千粒重及發(fā)芽情況

每個(gè)家系隨機(jī)選取300粒種子，每100粒種子作為1次重復(fù)，共重復(fù)3次，稱取質(zhì)量后計(jì)算種子千粒重。將種子分別放入鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，加蒸餾水保持培養(yǎng)皿濕潤(rùn)，然后置于30℃的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。當(dāng)連續(xù)5 d沒(méi)有種子發(fā)芽時(shí)結(jié)束發(fā)芽試驗(yàn)，參考顏啟傳等[16]的方法計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

(1)

發(fā)芽勢(shì)=達(dá)到發(fā)芽高峰期累計(jì)的發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)=∑第n天種子的發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)種子發(fā)芽所用天數(shù)

(3)

1.3 種子活力指數(shù)、出苗率和幼苗健壯率

每個(gè)家系隨機(jī)選取30粒種子，每10粒種子作為1次重復(fù)，共重復(fù)3次，采用玻璃板直立法在30℃的恒溫培養(yǎng)箱中計(jì)算種子活力指數(shù)，與此同時(shí)，記錄幼苗發(fā)育狀況，將幼苗分為A、B、C、D四級(jí)：

活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗平均長(zhǎng)度[17]

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

出苗率=(A級(jí)苗+B級(jí)苗+C級(jí)苗)/幼苗總數(shù)×100%

(9)

健壯率=(A級(jí)苗+B級(jí)苗)/幼苗總數(shù)×100%[12]

(10)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)獲得的百分比數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換后，利用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析、多重比較、相關(guān)分析和主成分分析，并計(jì)算家系遺傳力。

其中，各性狀的方差線性模型[18]為：

Xijk=μ+αi+βj(i)+Bk+αBik+βBj(i)k+eijk

(11)

式中：Xijk為第k重復(fù)第i采種地中第j家系觀測(cè)值；μ為試驗(yàn)平均值；αi為第i采種地效應(yīng)值；βj(i)為第i采種地中第j家系效應(yīng)值；Bk為第k重復(fù)效應(yīng)值；αBik為采種地與重復(fù)互作效應(yīng)值；βBj(i)k為第i采種地中第j家系與區(qū)組互作效應(yīng)值；eijk為機(jī)誤。

家系遺傳力采用公式[19]：

(12)

變異系數(shù)采用公式[20]：

(13)

相關(guān)系數(shù)采用公式[21]：

(14)

采用主成分分析法對(duì)家系進(jìn)行綜合評(píng)定[22]：

Y=Σ(Ui·Zi)/n

(15)

式中：Y為主成分值；Ui為某一性狀特征向量；Zi為某一性狀標(biāo)準(zhǔn)分；n為主成分個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采種地和家系間種子千粒重及活力指標(biāo)的遺傳變異

對(duì)參試的賽黑樺的3個(gè)采種地共30個(gè)半同胞家系種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、出苗率和幼苗健壯率等7個(gè)性狀進(jìn)行方差分析，集安和蛟河與琿春在幼苗健壯率方面差異顯著，在種子活力指數(shù)方面差異極顯著；7個(gè)性狀在不同家系間的差異均達(dá)到顯著或極顯著水平(表1)。通過(guò)計(jì)算家系遺傳力，發(fā)現(xiàn)除了出苗率和健壯率外，各性狀的家系遺傳力均高于0.68，說(shuō)明種子千粒重和種子活力受環(huán)境影響較小、受遺傳控制程度較高。變異系數(shù)分析表明，千粒重的變異系數(shù)最小，僅為4.38%；發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和健壯率的變異系數(shù)均高于30%，其中活力指數(shù)的變異系數(shù)最大，高達(dá)45.22%，說(shuō)明種子活力在家系間的變異十分豐富，具有很大的選擇潛力(表2)。

注：*表示在0.05水平差異顯著，**表示在0.01水平差異顯著。

Notes:*indicates a statistically significant at 0.05 level,**indicates a statistically significant at 0.01 level.

表2 不同家系種子千粒重及活力指標(biāo)的遺傳力和主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表4 賽黑樺種子各性狀的相關(guān)分析

注：*表示在0.05水平相關(guān)，**表示在0.01水平相關(guān)。

Notes:*indicates a statistically significant correlation at 0.05 level,**indicates a statistically significant correlation at 0.01 level.

表5 特征根及標(biāo)準(zhǔn)化特征向量

2.2 不同家系間種子千粒重及活力指標(biāo)的差異

方差分析結(jié)果顯示，各性狀在不同家系間的差異均達(dá)到顯著或極顯著水平，因此對(duì)各家系進(jìn)行多重比較。在種子千粒重方面，JH6表現(xiàn)最好，其千粒重達(dá)到426.7 mg，比各家系平均值高5.38%，比最差的JH8高13.48%；JH6、JA1和JA7的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)表現(xiàn)較好，尤其在活力指數(shù)方面，JH6、JA1和JA7顯著高于其他家系，JH8的活力指數(shù)最低，僅為各家系平均值的41.12%；在出苗率和幼苗健壯率方面，JA1表現(xiàn)最好，其出苗率和健壯率分別高達(dá)100.00%和73.33%，分別比各家系平均值高24.32%和57.12%，HC9的出苗率和健壯率最差，分別僅為各家系平均值的78.73%和57.15%(表3)。

2.3 種子千粒重與活力指標(biāo)的相關(guān)性

對(duì)30個(gè)半同胞家系的種子千粒重與活力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)7個(gè)性狀間均呈顯著或極顯著的正相關(guān)(表4)。其中，發(fā)芽率與活力指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)最大，高達(dá)0.991，二者之間為極顯著正相關(guān)；雖然千粒重與出苗率間的相關(guān)系數(shù)最小，僅為0.232，但二者之間的相關(guān)性也達(dá)到了顯著水平。上述結(jié)果說(shuō)明種子質(zhì)量與種子活力、幼苗的出苗率及健壯率均有相關(guān)性，種子千粒重越大，種子活力越強(qiáng)、幼苗越健壯。

2.4 賽黑樺優(yōu)良家系的初步選擇

上述分析就種子千粒重及活力指標(biāo)等7個(gè)性狀進(jìn)行了方差分析和多重比較。由于各性狀間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，且優(yōu)良家系的選擇需要綜合考慮多個(gè)性狀，因此采用主成分分析法求出特征根及各性狀的特征向量，通過(guò)計(jì)算主成分值(Y)對(duì)賽黑樺各家系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。特征根和特征向量的計(jì)算結(jié)果表明：只有1個(gè)主成分的特征根大于1，且各性狀的特征向量彼此相差不大，均介于0.304～0.408(表5)，說(shuō)明各性狀對(duì)家系綜合評(píng)價(jià)的影響較為接近。因此，可以只選用1個(gè)主成分進(jìn)行家系綜合評(píng)價(jià)。主成分值的表達(dá)式為：Y=0.368X1+0.403X2+0.398X3+0.404X4+0.408X5+0.304X6+0.350X7。根據(jù)主成分值對(duì)各家系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)JH6的主成分值最大，達(dá)到4.555，JH8的主成分值最小，僅為-3.768，因此可以確定JH6為最優(yōu)家系，JH8為最差家系。另外，JA1、JA7、JH10、JH3、HC1和HC10的各性狀標(biāo)準(zhǔn)分均大于0，且主成分值均在2以上，可以將其確定為優(yōu)良家系(表6)。

表6 參試家系綜合評(píng)價(jià)

3 討論

根據(jù)種子性狀評(píng)價(jià)采種母樹的優(yōu)劣，對(duì)于優(yōu)良家系的選擇十分重要。只有選擇種子活力高的家系，才能保證林木的產(chǎn)量和遺傳品質(zhì)[23～24]。徐煥文等[12]通過(guò)比較白樺三倍體制種園中16個(gè)家系的種子活力，選出了3個(gè)三倍體優(yōu)良家系。劉宇等[25]采用主成分分析法比較了白樺四倍體半同胞家系的種子活力和苗期生長(zhǎng)性狀，選出了4個(gè)四倍體優(yōu)良家系。本研究發(fā)現(xiàn)，雖然賽黑樺種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和出苗率在采種地間的差異不顯著，但在家系間的差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平。JH6家系的種子千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別比各家系平均值高5.38%、47.37%、45.80%、45.98%和86.78%，JA1家系的出苗率和健壯率分別比各家系平均值高24.32%和57.12%。這些結(jié)果說(shuō)明根據(jù)種子千粒重和活力指標(biāo)以及出苗率和幼苗健壯率進(jìn)行采種母樹的初步選擇，可以為賽黑樺優(yōu)良家系的選擇提供參考。

相關(guān)分析表明，賽黑樺種子千粒重與其他6個(gè)性狀均呈現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)，這與白樺[26]、鹽松[27]、梓樹[28]的種子萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對(duì)于小粒種子樹種而言，造成這種現(xiàn)象的原因可能是質(zhì)量大的種子通常發(fā)育水平較高且含有較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而具有較好的萌發(fā)能力。為提高育苗效率，可以對(duì)種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、出苗率等性狀進(jìn)行綜合利用，選擇高活力種子作為培育的對(duì)象，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苗木提供保障。由于種子千粒重的測(cè)定過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)便快捷，因此如果選擇某一指標(biāo)評(píng)價(jià)種子活力時(shí)，千粒重可以作為優(yōu)先考慮的性狀。

由于賽黑樺各種子性狀間存在顯著或極顯著的正相關(guān)，在進(jìn)行多性狀選擇時(shí)，很難確定各性狀所占的比重。主成分分析通過(guò)正交變換將一組存在相關(guān)性的變量轉(zhuǎn)換為一組線性不相關(guān)的變量，根據(jù)主成分值評(píng)價(jià)各家系綜合性狀的優(yōu)劣，是一種比較理想的評(píng)價(jià)方法[22,25,29]。本研究通過(guò)主成分分析，將7個(gè)性狀轉(zhuǎn)化為1個(gè)主成分，根據(jù)主成分值選出JH6、JA1、JA7、JH10、JH3、HC1和HC10為優(yōu)良家系，選出的7個(gè)優(yōu)良家系分別來(lái)自蛟河、集安和琿春，說(shuō)明每個(gè)采種地均可以選出優(yōu)良家系。

上述研究?jī)H對(duì)賽黑樺各半同胞家系的種子活力進(jìn)行了比較，下一步我們將對(duì)這些家系進(jìn)行育苗和造林，通過(guò)測(cè)定樹高、胸徑、保存率等性狀，進(jìn)一步對(duì)母樹進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇種子活力高、子代生長(zhǎng)迅速及適應(yīng)性強(qiáng)采種母樹，為林業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)良的賽黑樺種子。