苑正賽

( 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安，271018

葛磊

(山東省林草種質(zhì)資源中心)

張曉艷 韓友吉 李善文 董玉峰

( 山東省林業(yè)科學(xué)研究院)

王延平

( 山東農(nóng)業(yè)大學(xué))

丁昌俊

( 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)

林木基因雜合度高，生長年限大，育種周期長，育種效率低下[1-2]。為縮短育種周期和提高育種效率，育種工作者期望通過林木早期表現(xiàn)來預(yù)測成年表現(xiàn)，以獲得單位時(shí)間內(nèi)最大的遺傳增益[1，3]。早在20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外學(xué)者便開始對林木早期選擇進(jìn)行研究。Bridgwater et al.[4]通過回溯性實(shí)驗(yàn)證明，以2年生火炬松(Loblollypine)家系的苗高為選擇指標(biāo)進(jìn)行早期選擇是可行的。LI et al.[5]對17個(gè)楊樹(Populus)雜交組合子代的苗高、地徑及胸徑進(jìn)行方差分析和遺傳力估算發(fā)現(xiàn)，雜交后代組合間和組合內(nèi)個(gè)體間存在廣泛的變異，且主要受遺傳控制，證實(shí)可通過早期選擇進(jìn)行楊樹優(yōu)良雜交組合和單株的選擇。黑楊派(Sectionaigeiros)在我國楊樹育種中具有重要價(jià)值，美洲黑楊(Populusdeltoides)的引入改變了我國楊樹栽培的空間格局[6]，對美洲黑楊開展早期選擇研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對楊樹雜交子代苗期進(jìn)行性狀測定及遺傳變異分析，篩選出苗期表現(xiàn)優(yōu)良的無性系，進(jìn)而營造區(qū)域化試驗(yàn)林，可選育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的優(yōu)良品種，獲得較好的選擇增益[7-9]。大量研究表明，對林木進(jìn)行早期選擇是可行的[1，7-8，10-12]。

早期選擇在林木育種中占據(jù)重要地位，在苗期開展早期選擇研究是有效的[1，13-14]。林木經(jīng)過長期的自然選擇，存在豐富的遺傳變異，選擇已成為林木遺傳改良的一種有效手段，通過選擇可以較易獲得所期望的效果。美洲黑楊是楊樹育種研究的重要基因資源供體，在楊樹雜交育種中占有重要地位[5，15]。20世紀(jì)70年代，我國開始有計(jì)劃地引入美洲黑楊，與本土楊樹相比，其種內(nèi)具有更豐富的遺傳變異，需要我們進(jìn)一步對其進(jìn)行研究與利用[16]。因此，通過開展美洲黑楊苗期測定試驗(yàn)，研究其苗期生長性狀的遺傳變異規(guī)律，分析其遺傳參數(shù)，進(jìn)行美洲黑楊早期選擇研究，對美洲黑楊良種選育具有重要意義。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省濟(jì)南市長清區(qū)西房村。地勢平坦，海拔100～250 m；屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；年平均氣溫15.6 ℃，年降水量可達(dá)685 mm，無霜期178 d；土壤類型為棕壤土，肥力中等，適宜美洲黑楊生長。

2 材料與方法

試驗(yàn)材料為前期在山東省寧陽林木良種基地黑楊基因庫中所獲得的半同胞家系種子，共7個(gè)家系。2014年5月中旬于山東省林業(yè)科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)苗圃播種育苗，7—8月，將幼苗移栽至試驗(yàn)地。

采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，50～270株小區(qū)，4次重復(fù)，株行距0.4 m×0.3 m，共計(jì)2 579株，常規(guī)苗木管理。生長季結(jié)束后調(diào)查各家系一根一干苗的苗高，從各家系中選擇標(biāo)準(zhǔn)苗40株調(diào)查地徑；2015年3月中旬對各家系幼苗進(jìn)行截干，生長季結(jié)束后調(diào)查各家系兩根一干苗的苗高，從各家系中選擇標(biāo)準(zhǔn)苗40株調(diào)查地徑。

采用Excel 2010、SPSS 19.0、OrignPro 2018軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，估算遺傳參數(shù)及選擇增益；采用性狀表現(xiàn)水平分析法對家系進(jìn)行評價(jià)；采用單株性狀綜合評分法篩選優(yōu)良單株。

3 結(jié)果與分析

3.1 美洲黑楊半同胞家系苗期生長性狀差異

由表1可知，7個(gè)美洲黑楊半同胞家系一根一干苗和兩根一干苗家系間的苗高、地徑生長差異均達(dá)到極顯著差異水平(P<0.01)。除兩根一干苗地徑生長區(qū)組間差異達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)外，一根一干苗和兩根一干苗的苗高和地徑生長區(qū)組間、區(qū)組與家系互作均無顯著差異，表明美洲黑楊苗期苗高、地徑變異豐富，變異主要來源于家系，家系間具有較大的選擇潛力，可進(jìn)行家系苗期評價(jià)與選擇。

3.2 美洲黑楊半同胞家系苗期生長性狀遺傳參數(shù)估算

由表2可知，一根一干苗、兩根一干苗生長性狀的變異系數(shù)變化范圍為15.53%～25.04%，均超過15%，表明7個(gè)美洲黑楊半同胞家系苗期生長狀況差異較大，表型分化明顯；各性狀的表型變異系數(shù)變化范圍為22.80%～32.24%，遺傳變異系數(shù)變化范圍10.69%～17.35%，均較大，表明美洲黑楊苗期生長性狀具有豐富的表型及遺傳變異，遺傳潛力較大，這為優(yōu)良家系及單株的選擇提供了可能。各性狀的家系遺傳力變化范圍為0.82～0.99，家系遺傳力均較高，表明美洲黑楊苗期的苗高、地徑受遺傳因素影響較大，通過苗高、地徑進(jìn)行優(yōu)良家系的選擇有望獲得較高的遺傳增益，遺傳給后代的性狀具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。一根一干苗的苗高、地徑的單株遺傳力分別為2.73和1.65，超出其理論范圍(0～1)，這可能與美洲黑楊苗期播種育苗時(shí)幼苗生長狀況不均，移栽至試驗(yàn)地時(shí)間不同有關(guān)；兩根一干苗的苗高、地徑的單株遺傳力分別為0.41、0.79，單株遺傳力較高，有望通過選育獲得優(yōu)良單株。一根一干苗與兩根一干苗的生長性狀的變異系數(shù)、表型變異系數(shù)、遺傳變異系數(shù)、家系遺傳力及單株遺傳力均具有一定的變化，表明以1年生美洲黑楊苗期生長性狀為選擇指標(biāo)進(jìn)行選擇，其選擇效果不穩(wěn)定。綜上所述，美洲黑楊苗期生長性狀易受多種因素影響，開展美洲黑楊早期選擇，應(yīng)進(jìn)行多年苗期試驗(yàn)，進(jìn)而進(jìn)行家系及單株選擇。

表2 美洲黑楊半同胞家系苗期生長性狀統(tǒng)計(jì)分析及遺傳參數(shù)估算

一根一干地徑生長性狀地徑/cm變異系數(shù)/%家系遺傳力單株遺傳力遺傳變異系數(shù)/%表型變異系數(shù)/%2.04±0.0322.120.971.6513.7830.25

兩根一干苗高生長性狀苗高/m變異系數(shù)/%家系遺傳力單株遺傳力遺傳變異系數(shù)/%表型變異系數(shù)/%4.64±0.0219.510.820.4115.8022.80

兩根一干地徑生長性狀地徑/cm變異系數(shù)/%家系遺傳力單株遺傳力遺傳變異系數(shù)/%表型變異系數(shù)/%3.12±0.0325.040.900.7910.6932.24

3.3 不同美洲黑楊半同胞家系苗期生長性狀統(tǒng)計(jì)分析及多重比較

由表3可知，美洲黑楊半同胞家系的一根一干苗中6號家系的苗高均值最小，3號家系的苗高均值最大，變化范圍為1.37～2.82 m；6號家系的地徑均值最小，0號家系的地徑均值最大，變化范圍為1.45～2.37 cm。兩根一干苗中3號家系的苗高、地徑均值最小，6號家系的苗高、地徑均值最大，苗高、地徑的變化范圍分別為4.32～5.11 m、2.64～3.87 cm。各家系前后表現(xiàn)不一致的原因主要是其受外部環(huán)境的影響，播種育苗時(shí)幼苗長勢較弱的植株移栽時(shí)間較晚，導(dǎo)致一根一干苗生長較差。因此，后續(xù)優(yōu)良單株的選擇主要基于兩根一干苗。

從一根一干苗的多重比較中可以看出，2和3號家系的苗高與其他家系均具有顯著差異，3號家系的地徑與1、4、6和8號家系均具有顯著差異，6號家系的苗高、地徑與其他家系均具有顯著差異。兩根一干苗的多重比較中，6號家系的苗高與0、3、4和8號家系均具有顯著差異，6號家系的地徑與其他家系均具有顯著差異。從各家系兩根一干苗的增益中可以看出，2號和6號家系的苗高、地徑的遺傳增益及現(xiàn)實(shí)增益均較大，從中進(jìn)行優(yōu)良單株的選擇有望獲得較好的選擇增益。

表3 美洲黑楊半同胞家系苗期生長性狀多重比較

3.4 美洲黑楊半同胞家系苗期生長綜合評價(jià)

通過性狀表現(xiàn)水平分析法對美洲黑楊半同胞家系的兩根一干苗的苗高、地徑進(jìn)行綜合評價(jià)。由表4可知，6號家系的苗高、地徑的總得分最高，3號家系的苗高、地徑的總得分最低；此外，苗高、地徑的得分表現(xiàn)出較強(qiáng)的一致性，這可能與苗高、地徑相關(guān)性較強(qiáng)有關(guān)。1、2和6號家系的苗高、地徑的總得分高于總體均值，為苗期速生型家系；0、3、4和8號家系的苗高、地徑的總得分低于總體均值，為苗期慢生型家系。以上結(jié)果表明，優(yōu)良單株的選擇應(yīng)主要以1、2和6號家系為主，優(yōu)先選擇6號家系。

表4 美洲黑楊半同胞家系綜合評價(jià)得分

3.5 美洲黑楊半同胞子代家系與單株配合選擇

以兩根一干苗的苗高的家系遺傳增益和單株遺傳增益的疊加效應(yīng)，對單株進(jìn)行評分。在7個(gè)半同胞家系內(nèi)，根據(jù)單株的評分排序結(jié)果，按15%的入選率進(jìn)行選擇，共選出386株優(yōu)良單株。其中，入選單株的苗高均值為5.61 m，與選擇群體相比，其遺傳增益為17.24%，現(xiàn)實(shí)增益為20.98%。由表5可知，入選的優(yōu)良單株主要從1、2和6號家系中選出，家系內(nèi)單株入選率從高到低依次為6、2、1和4號家系，與家系評價(jià)結(jié)果相一致。以上結(jié)果進(jìn)一步表明，通過遺傳變異分析進(jìn)行優(yōu)良家系選擇，進(jìn)而在優(yōu)良家系內(nèi)挑選優(yōu)良單株的林木早期選育方法是可靠的。

表5 優(yōu)良單株選擇結(jié)果

4 討論

林木群體的遺傳變異分析是林木品種改良的前提，其種內(nèi)遺傳變異的廣泛性、多水平性是林木遺傳育種與改良的基礎(chǔ)[3，19]。因此，林木育種工作者開展了大量的林木遺傳變異研究。目前，普遍認(rèn)為林木遺傳變異主要存在于種源間、家系間或無性系間、個(gè)體間和個(gè)體內(nèi)4個(gè)層次[20]。本研究美洲黑楊一根一干苗和兩根一干苗生長性狀的表型變異系數(shù)、遺傳變異系數(shù)分別為22.80%～32.24%、10.69%～17.35%，均較大；此外，各生長性狀在家系間均存在極顯著差異。這些結(jié)果表明，美洲黑楊苗期家系及單株間性狀表現(xiàn)差異較大，可進(jìn)行優(yōu)良家系及單株的選擇。張慶源等[21]以美洲黑楊‘I-69’楊(P.deltoides‘Lux’)×青楊(P.cathayana)子代的三根一干苗為材料進(jìn)行生長性狀的變異分析發(fā)現(xiàn)，苗高、地徑的變異系數(shù)分別為15.7%、20.4%；李金花等[22]利用美洲黑楊與不同種源、家系以及無性系的青楊進(jìn)行雜交發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1雜種生長性狀在不同種源間、家系間以及無性系間均存在極顯著差異；張亞東等[23]以美洲黑楊為親本進(jìn)行雜交發(fā)現(xiàn)，一根一干雜交子代苗期的苗高、地徑家系間均存在極顯著差異；這些結(jié)果均與本研究結(jié)果相一致。

遺傳力是衡量性狀穩(wěn)定遺傳能力的重要指標(biāo)，以遺傳力較大的性狀為選擇指標(biāo)進(jìn)行選擇，有望獲得較大的遺傳增益[24]。本研究中苗高、地徑的家系遺傳力、單株遺傳力分別為0.82～0.99、0.41～2.73，均較高，表明美洲黑楊苗期生長性狀表現(xiàn)主要受遺傳因素控制，基于苗高和地徑進(jìn)行優(yōu)良家系及單株的選擇具有較強(qiáng)的穩(wěn)定型。其中，一根一干苗的苗高、地徑的單株遺傳力估算值分別為2.73、1.65，超出其理論取值范圍(0～1)，而兩根一干幼苗的苗高、地徑估算結(jié)果正常，可能與播種苗生長狀況不均，移栽到試驗(yàn)地時(shí)間不同有關(guān)。秦光華等[24]通過對歐美楊與美洲黑楊進(jìn)行雜交發(fā)現(xiàn)，4個(gè)雜交組合F1代的苗高、地徑和材積的廣義遺傳力均大于0.7。嚴(yán)艷兵等[7]對美洲黑楊9個(gè)雜交組合的F1雜種的生長性狀和葉片性狀進(jìn)行遺傳變異分析發(fā)現(xiàn)，苗高、地徑、葉面積等8個(gè)性狀的家系遺傳力、單株遺傳力分別為0.696～0.881、0.364～0.648，受較強(qiáng)的遺傳控制。由于地徑存在單株數(shù)據(jù)缺失(每家系僅測量40株標(biāo)準(zhǔn)株)，且一根一干苗的苗高單株遺傳力估算值異常，因此我們以兩根一干苗的苗高為指標(biāo)進(jìn)行單株選擇。本研究篩選出386個(gè)優(yōu)良單株，其遺傳增益為17.24%，現(xiàn)實(shí)增益為20.98%，較王瑞文等[8]，選擇效果顯著。

本試驗(yàn)一根一干苗的苗高、地徑的單株遺傳力估算值均超出其理論取值范圍，原因可能是美洲黑楊苗期播種育苗時(shí)極易受到外部環(huán)境影響，生長狀況不均。因此，開展美洲黑楊早期選擇需進(jìn)行多年苗期試驗(yàn)，進(jìn)而進(jìn)行家系及單株選擇。本研究從遺傳變異的角度對美洲黑楊半同胞家系開展苗期評價(jià)研究，試驗(yàn)結(jié)果可為美洲黑楊優(yōu)良家系及單株的早期選擇提供參考。

5 結(jié)論

美洲黑楊半同胞子代苗高、地徑遺傳變異豐富，各性狀的家系遺傳力及單株遺傳力均較大，其性狀表現(xiàn)主要受遺傳因素控制，可進(jìn)行優(yōu)良家系及單株選擇。基于家系及單株遺傳增益的疊加效應(yīng)，篩選出386株優(yōu)良單株，能夠獲得較大的遺傳增益和現(xiàn)實(shí)增益。優(yōu)良單株主要來源于苗期速生型家系(1、2和6號)，證實(shí)通過遺傳變異分析選擇優(yōu)良家系，進(jìn)而在優(yōu)良家系內(nèi)篩選優(yōu)良單株的林木早期選育方法是可靠的。美洲黑楊不同苗齡生長性狀的變異系數(shù)及遺傳參數(shù)差異較大，其中一根一干苗的單株遺傳力大于1，估算結(jié)果異常，表明其受環(huán)境因素影響較大，而兩根一干苗單株遺傳力估算結(jié)果正常，因此開展美洲黑楊優(yōu)良家系和單株早期選擇的苗齡應(yīng)適當(dāng)加大。