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锥栗(Castanea henryi (Skan) Rehder & E. H. Wilson)属壳斗科(Fagaceae)栗属( Castanea)植物,是我国特有的木本粮食树种和特色经济林树种。锥栗果实含有丰富的淀粉、糖、蛋白质、维生素以及人体必需的多种氨基酸和矿质元素,口感细腻香甜,风味独特,深受广大南方群众的喜爱[1]。且其树干通直,材质优良,纹理微密,是优秀的果材兼用树种。锥栗原产于我国中部,自然分布于秦岭、淮河以南的14个省份,尤以闽北和浙南种质资源最为丰富。通过对野生群体的人工选育,在浙江庆元、福建建瓯等地选出了多个大果、高产的优良品种[2],并进行了大规模的人工栽培,成为带动山区农民增收致富的重要途径,具有良好的经济效益。目前全国锥栗栽培面积约8万hm2,而年产量仅为8万吨[3]。大果、丰产的高品质锥栗品种稀少,已经逐步成为制约锥栗产业发展壮大的重要因素。
锥栗新品种选育目前主要为传统的选择育种。自上世纪90年代起,育种工作者对野生锥栗资源进行了长期的人工选育,继续选择潜力已经不大;同时随着城市化进程推进,有限的锥栗野生居群遭到不断的破坏,其面积逐渐缩小,从中进一步选育出锥栗优良品种的难度越来越大,杂交育种逐渐成为锥栗新品种选育的新方向。杂交育种可以使不同遗传基础的亲本基因在子代进行重组,产生不同的遗传多样性,通过筛选有可能寻找出兼具或者超过双亲优良性状的新个体,从而为新品种选育提供材料[4]。近年来,杂交育种在油茶(Camellia oleifera Abel.)[5]、枣(Ziziphus jujuba Mill.)[6]、猕猴桃(Actinidia chinensis Planch.)[7]等经济树种上运用广泛,成为创育新品种的有效途径。我国自上世纪60年代起,通过对板栗(Castanea mollissima Blume.)、丹东栗(Castanea crenata Sieb. et Zucc.)、日本栗(Castanea crenata Sieb. et Zucc.)等栗属植物的杂交,成功选育出一批具有高产、早熟、适应性强等优良特性的栗新品种[8-10],然而国内锥栗杂交育种相关研究尚在起步阶段,关于锥栗杂交子代的经济性状相关研究鲜有报道。
本研究以锥栗杂交F1代为材料,通过变异分析、方差分析、主成分分析以及灰色关联度分析对其果实表型性状进行研究,并综合选择优良杂交子代单株,为后续进一步开展锥栗优良新品种选育奠定基础。
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试验地位于浙江省丽水市庆元县关门岙林区,属亚热带季风性气候。以中国林业科学研究院亚热带林业研究所选育的‘YLZ 1号’等13个锥栗优良新品种或无性系为杂交亲本,2011年通过人工控制授粉获得锥栗杂交果实,2012年播种育苗,2013年春季建立杂交子代测定林,采用完全随机区组设计,株行距4 m × 4 m。于2021年8月对锥栗杂交F1代结果情况进行调查统计,共选取143株生长发育良好、结果性能较强的杂交子代单株。杂交组合概况以及单株数量见表1。
组合编号
Combination No.杂交组合
Combination子代数量
Number of hybridsC YLZ 26 × YLZ 15 15 D YLZ 21 × YLZ 15 3 D1 YLZ 21 × YLZ 7 1 E YLZ 26 × YLZ 14 5 F YLZ 25 × YLZ 14 9 G YLZ 24 × YLZ 15 5 H YLZ 24 × YLZ 1 15 J YLZ 14 × YLZ 1 23 J1 YLZ 14 × YLZ 25 3 L YLZ 1 × YLZ 24 33 N YLZ 1 × YLZ 2 6 Q1 YLZ 15 × YLZ 3 1 Q2 YLZ 15 × YLZ 21 4 S1 YLZ 23 × YLZ 25 2 T1 YLZ 24 × YLZ 7 6 U YLZ 25 × YLZ 15 5 V1 YLZ 26 × YLZ 2 2 V2 YLZ 26 × YLZ 21 1 V3 YLZ 26 × YLZ 24 1 V4 YLZ 26 × YLZ 30 1 W YLZ 30 × YLZ 21 2 Table 1. Cross combination of chestnut
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2021年9月至11月,根据调查结果于每株子代上采集30 ~ 50个健康饱满无病害的成熟栗苞带回实验室,使用游标卡尺、百分位天平测定栗苞总质量(X1)、栗苞横径(X2)、栗苞纵径(X3)、坚果总质量(X4)、单果质量(X5)、坚果横径(X6)、坚果纵径(X7)、果形指数(X8)与苞刺长度(X9)等9个数量性状,并计算其出籽率(X12),之后每个单株选取15 ~ 30个健康坚果,剥去种皮,称量栗仁总质量,计算其出仁率(X11),再将栗仁与种皮放置于烘箱内,105 ℃杀青15 min,65 ℃烘干72 h后取出,称量栗仁和种皮的总干质量,并计算坚果含水率(X10)。出籽率与出仁率的计算公式如下:
式中:Sr为出籽率,m1为测定的坚果总质量,M1为测定的栗苞总质量,Kr为出仁率,m2为剥取出的栗仁总质量,M2为剥取的坚果总质量。
参考LY/T 1851—2009《植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南 板栗》[11]和NY/T 2328—2013《农作物种质资源鉴定评价技术规范 板栗》[12],结合锥栗坚果实际表型,对栗苞形状、苞刺密度、坚果形状、坚果颜色、果面茸毛、果面光泽与底座大小等7个锥栗果实外形特征性状进行人工评定。外形特征性状的等级评定按照表2进行赋值,计算其出现频率与Shannon多样性指数,其中栗苞内结果不止一个的取正常边果或饱满果进行测定。Shannon多样性指数多样性指数计算公式为:
性状
Traits性状特征描述及代码
Characteristic traits description and code栗苞形状
Fruit bract shape1.球形,2.椭球形,3.圆锥形 苞刺密度
Density of bract thorn1.稀,2.中,3.密 坚果形状
Nuts shape1.长圆锥形,2.圆锥形,3.球形,4.扁球形,5.椭圆形 坚果颜色
Nuts color1.黄褐,2.红褐,3.紫褐,4.黑褐 果面茸毛
Density of downy hair1.少,2.较少,3.较多,4.多 果面光泽
Nuts surface luster1.油亮,2.明亮,3.半毛,4.毛 底座大小
Size of nuts base1.小,2.中,3.大 Table 2. Characteristic traits description and code
其中
$ pi $ 为性状在群体中出现的频率。采用EXCEL 2007、R语言软件包与ORIGIN 2021b等进行数据处理。包括方差分析、变异分析、主成分分析以及灰色关联度分析。
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锥栗杂交子代7个果实外形特征性状的多样性分析见表3,从中可见,F1代栗苞形状与苞刺密度分别以球形、密为主,频率分别达到了63.89%与56.94%;坚果形状以球形为主,频率为50.00%;颜色以红褐色为主,频率达到了65.97%。7个外形特征性状的多样性指数除底座大小仅为0.168 2以外,其余性状均大于0.8,其中多样性指数大于1的是果面绒毛、果面光泽与坚果形状,由此可见,锥栗杂交F1代7个果实外形特征性状除底座大小比较稳定外,其余6个性状表现出丰富的多样性。
性状 Trait 频率分布与分级 Frequency distribution and classification/% Shannon多样性指数
Shannon's Diversity Index1 2 3 4 5 栗苞形状 Fruit bract shape 63.89 9.72 26.39 - - 0.864 4 苞刺密度 Density of bract thorn 9.72 33.33 56.94 - - 0.913 5 坚果形状 Nuts shape 4.86 38.89 50.00 2.78 3.47 1.077 1 坚果颜色 Nuts color 25.69 65.97 8.33 0.00 - 0.830 6 果面茸毛 Density of downy hair 34.03 40.97 22.92 2.08 - 1.150 7 果面光泽 Nuts surface luster 19.44 59.03 19.44 2.08 - 1.028 7 底座大小 Size of nuts base 2.78 96.53 0.69 - - 0.168 2 Table 3. Frequency distribution and Shannon's Diversity Index of hybrids
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锥栗杂交F1代果实数量性状的变异分析结果见表4,12个数量性状除含水率与出仁率,其余性状变异系数均大于10%,具有丰富的变异,其中变异系数较大的3个性状分别是栗苞总质量、坚果总质量与单果质量,变异系数分别达到了41.10%、42.25%、33.58%,而最低的为出仁率,仅为6.28%。杂交子代果实表型差异较大,可开展单株选择。
栗苞总质量/g
Fruit bract mass栗苞横径/mm
Transverse diameter of fruit bract栗苞纵径/mm
Longitudinal diameter
of fruit bract坚果总质量/g
Total nuts massM ± SD 17.37 ± 7.14 49.87 ± 7.53 48.21 ± 6.47 6.23 ± 2.63 CV 41.10% 15.11% 13.42% 42.25% 变幅 Range 6.80 ~ 46.22 35.10 ~ 73.71 35.40 ~ 68.41 2.14 ~ 18.22 单果质量/g
Single nut mass坚果横径/mm
Transverse diameter of nuts坚果纵径/mm
Longitudinal diameter of nuts果形指数
Nut shape indexM ± SD 5.82 ± 1.95 21.34 ± 2.83 23.45 ± 2.78 1.11 ± 0.14 CV 33.58% 13.24% 11.87% 12.69% 变幅
Range2.14 ~ 12.45 14.59 ~ 29.13 17.16 ~ 31.31 0.88 ~ 1.83 苞刺长度/mm
Long of bract thorn含水率/%
Rate of water content出仁率/%
Kernel rate出籽率/%
Seed rateM ± SD 10.49 ± 2.08 45.37 ± 2.86 72.83 ± 4.57 36.28 ± 5.79 CV 19.81% 6.31% 6.28% 15.96% 变幅
Range6.16 ~ 16.49 32.11 ~ 51.14 52.45 ~ 84.41 22.97 ~ 51.85 Table 4. Variation analysis of 12 quantitative characters in hybrid fruits
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对栗苞总质量等9个数量性状进行单因素方差分析,结果见表5。可见9个性状在143个个体间均存在极显著差异(P<0.01)。所有性状中F值最大的为果形指数,F值为118.99,最小的为单果质量,F值为59.28。以上结果表明各杂交子代果实数量性状个体内差异小于个体间,个体间差异为变异的主要来源。
栗苞总质量
Fruit bract mass栗苞横径
Transverse diameter of fruit bract栗苞纵径
Longitudinal diameter
of fruit bractMS F MS F MS F 个体间 1198.91 78.91** 1342.17 93.90** 936.19 70.42** 个体内 15.19 14.29 13.29 坚果总质量
Total nuts mass单果质量
Single nut mass坚果横径
Transverse diameter
of nutsMS F MS F MS F 个体间 165.48 63.52** 85.78 59.28** 185.51 67.90** 个体内 2.61 1.45 2.73 坚果纵径
Longitudinal diameter of nuts苞刺长度
Length of bract thorn果形指数
Nut shape indexMS F MS F MS F 个体间 190.37 77.66** 116.86 93.21** 0.47 118.99** 个体内 2.45 1.25 0.00 注:*,** 分别表示在0.05与0.01水平差异显著
Notes:*, ** Symbols indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels, respectivelyTable 5. One-way ANOVA of 12 quantitative characters in hybrid fruits
对栗苞总质量、坚果总质量、单果质量等3个重要经济性状,在极显著水平下(P <0.01)进行LSD多重比较并取前20名,如 表6。
子代编号
No.栗苞总质量/g
Fruit bract mass子代编号
No.坚果总质量/g
Fruit bract mass子代编号
No.单果质量/g
Fruit bract massC-68 46.22 A C-68 18.22 A D1-4 12.45 A G-98 42.70 B G-98 17.51 A G-98 10.64 B C-55 41.20 B L-39 14.80 B E-32 10.49 B D1-4 37.86 C D1-4 12.45 C W-6 10.46 B L-39 35.50 D F-17 10.96 D E-30-2 10.39 BC E-32 34.56 D F-7 10.95 D L-27 10.16 BCD E-30-2 29.23 EF C-20 10.56 DE L-22 9.75 BCD G-111 28.50 EFG E-32 10.49 DEF U-14 9.74 CD J-14 26.99 FGH W-6 10.31 DEFG D-1 9.62 CD D-1 26.96 FGH E-30-2 9.98 DEFGH U-5 9.47 D L-22 26.85 FGH C-84 9.89 EFGH C-55 9.39 D J-31-1 26.50 GH L-27 9.74 EFGHI T1-4 9.33 D C-20 26.04 GH U-14 9.74 EFGHI G-111 9.04 DE U-14 25.81 GHI D-1 9.62 FGHI F-16-2 8.39 EF F-17 25.65 GHI U-5 9.47 HI D-2 8.38 EFG F-7 25.65 GHI C-55 9.47 HI L-84 8.33 EFGHI L-84 25.29 GHIJ L-22 9.46 HI L-2-1 8.32 EFGH L-27 25.19 GHIJ F-6 9.34 HIJ J-31-1 8.04 EFGHIJ L-122 25.18 GHIJ S1-3 9.20 HIJK L-106 8.01 EFGHIJK C-65 25.15 GHIJK G-111 9.06 HIJKLM L-47 7.83 EFGHIJKL 注:同一列中不同大写字母表示差异极显著(P <0.01)
Note:The different capital letters in the same column indicates significant differences(P <0.01)Table 6. LSD sequencing results of three important economic traits in hybrid fruits
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杂交F1代12个数量性状的相关性系数见表7。可见各性状之间呈现出一定的相关性,共存在42组极显著相关(P<0.01)与6组显著相关(P<0.05)关系,其中,栗苞总质量、栗苞横径、栗苞纵径、坚果总质量、单果质量、坚果横径、坚果纵径与苞刺长度等性状间均存在极显著相关(P<0.01),其中相关性最大为单果质量与坚果横径2个性状,相关系数为0.937;出仁率与坚果总质量、单果质量、坚果横径、坚果纵径之间均存在极显著正相关(P<0.01),表明出仁率与坚果的表型关联度较高;出仁率与出籽率之间存在极显著正相关(P<0.01),可见两个性状之间存在较为紧密的关系。生产实践中可根据以上相关性,开展联合选择。
栗苞总
质量
Fruit bract mass栗苞横径
Transverse diameter of
fruit bract栗苞纵径
Longitudinal
diameter of
fruit bract坚果总
质量
Total nuts mass单果质量
Single
nut mass坚果横径
Transverse diameter of
nuts坚果纵径
Longitudinal
diameter of
nuts果形指数
Nut shape
index苞刺长度
Length of
bract thorn含水率
Rate of water
content出仁率
Kernel
rate出籽率
Seed rate栗苞总质量
Fruit bract mass栗苞横径
Transverse diameter of fruit bract0.887** 栗苞纵径
Longitudinal diameter of fruit bract0.774** 0.811** 坚果总质量
Total nuts mass0.917** 0.820** 0.614** 单果质量
Single nut mass0.795** 0.678** 0.744** 0.792** 坚果横径
Transverse diameter of nuts0.804** 0.713** 0.673** 0.827** 0.937** 坚果纵径
Longitudinal diameter of nuts0.515** 0.370** 0.649** 0.523** 0.684** 0.567** 果形指数
Nut shape index−0.360** −0.409** −0.097 −0.379** −0.353** −0.545** 0.367** 苞刺长度
Length of bract thorn0.431** 0.670** 0.712** 0.337** 0.362** 0.364** 0.302** −0.084 含水率
Rate of water content−0.041 −0.051 −0.063 −0.09 −0.126 −0.101 −0.185* −0.052 −0.027 出仁率
Kernel rate0.192* 0.153 0.144 0.286** 0.425** 0.377** 0.220** −0.211* 0.024 −0.242** 出籽率
Seed rate−0.191* −0.205* −0.381** 0.171* 0.069 0.113 0.046 −0.097 −0.252** −0.126 0.384** 注:*表示相关性显著,**表示相关性极显著
Notes:* indicates significant correlation, and ** indicates extremely significant correlationTable 7. Correlation coefficient of crossing fruit traits
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根据赖俊声等[13]的方法,对栗苞总质量(X1)、栗苞横径(X2)、栗苞纵径(X3)、坚果总质量(X4)、单果质量(X5)、坚果横径(X6)、坚果纵径(X7)、果形指数(X8)、苞刺长度(X9)、坚果含水率(X10)、出仁率(X11)和出籽率(X12)等12个数量性状值进行Z-score标准化,导入ORIGIN 2021b软件中进行主成分分析。如表8,得到各主成分的特征值、贡献率与累计贡献率。可见前4个主成分的累积贡献率已达到84.59%,表明前4个主成分已经可以代表143个单株12个数量性状的84.59%的信息,因而提取前4个主成分进行分析。
主成分
Principal component特征值
Eigenvalue贡献率/%
Contribution rate累计贡献率/%
Cumulative
contribution rate1 5.861 54 48.85 48.85 2 1.870 62 15.59 64.43 3 1.502 58 12.52 76.96 4 0.915 66 7.63 84.59 5 0.684 11 5.70 90.29 6 0.588 16 4.90 95.19 7 0.388 27 3.24 98.42 8 0.080 62 0.67 99.10 9 0.051 69 0.43 99.53 10 0.037 76 0.31 99.84 11 0.012 92 0.11 99.95 12 0.006 10 0.05 100.00 Table 8. Principal component eigenvalue and cumulative contribution rate of quantitative traits
提取前4个主成分的因子载荷矩阵如表9,其中对第一主成分贡献较大的性状为栗苞总质量、栗苞横径、栗苞纵径、坚果总质量、单果质量、坚果横径、坚果纵径与苞刺长度,即表征杂交F1代果实的表型,它们反应了48.85%的原始信息;对第二主成分贡献较大的为出仁率与出籽率两个性状,反应了15.59%的原始信息;对第三主成分贡献较大的是果形指数,即表征坚果的外形特性;对第四主成分贡献较大的是坚果含水率。
果实性状
Crossing fruit traits第1主成分
Principal
component 1第2主成分
Principal
component 2第3主成分
Principal
component 3第4主成分
Principal
component 4X1 0.382 8 −0.065 5 −0.097 6 0.073 1 X2 0.369 7 −0.149 7 −0.173 5 −0.125 0 X3 0.355 6 −0.290 7 0.129 8 −0.058 7 X4 0.366 7 0.143 0 −0.069 7 0.140 0 X5 0.376 1 0.135 2 0.081 8 0.135 8 X6 0.378 1 0.173 3 −0.083 7 0.100 4 X7 0.257 5 −0.019 8 0.585 7 0.268 5 X8 −0.157 1 −0.229 7 0.671 6 0.174 6 X9 0.238 5 −0.345 9 0.010 0 −0.294 1 X10 −0.056 1 −0.222 1 −0.326 6 0.822 8 X11 0.141 4 0.476 6 0.125 8 −0.159 3 X12 −0.022 0 0.608 9 0.091 2 0.189 9 Table 9. Load matrix of the first four principal component factors
通过前4个主成分的特征值与相关性矩阵,建立主成分方程:
根据4个主成分的贡献率,得到综合评价方程:
利用综合评价方程对143株杂交子代进行得分计算,将综合得分前20的单株进行排序,如表10。
子代编号
No.综合得分
Integrated score排名
Rank子代编号
No.综合得分
Integrated score排名
RankG-98 4.530 9 1 D-1 2.326 7 11 D1-4 4.242 3 2 L-27 2.134 7 12 C-68 3.998 6 3 L-22 2.134 4 13 C-55 2.932 4 4 L-39 2.101 6 14 E-30-2 2.782 8 5 U-5 2.101 1 15 U-14 2.696 9 6 F-6 1.820 9 16 E-32 2.684 8 7 D-2 1.608 2 17 G-111 2.488 0 8 J-31-1 1.599 7 18 T1-4 2.450 5 9 L-80 1.535 2 19 W-6 2.339 2 10 L-47 1.507 0 20 Table 10. Ranking of principal component comprehensive evaluation scores of hybrids
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根据苏欣欣等[14]的方法,将锥栗杂交F1代12个数量性状整体视作一个灰色系统,以全部子代12个性状中每一性状的最大值组成参考品种,即栗苞总质量46.22 g、栗苞横径73.71 mm、栗苞纵径68.41 mm、坚果总质量18.22 g、单果质量12.45 g、坚果横径29.13 mm、坚果纵径31.31 mm、果形指数1.83、刺长16.49 mm、坚果含水率51.14%、出仁率84.41%和出籽率51.85%,子代的12个性状值构成比较序列。由于各性状的量纲不一致,因此将各子代性状值除以参考序列对应性状值去除量纲。计算各性状的灰色关联度、权重以及各单株的灰色评价值。
如表11,可见在整个系统中,权重占比最大为含水率(X10),权重为11.37%;占比最小为坚果总质量(X4),其权重为5.82%,其次是栗苞总质量(X1)与单果质量(X5),权重分别为6.03%与6.62%。根据得到的灰色关联系数,计算各单株的综合评价得分,取得分前20名的单株以及得分,如表12。
果实性状
Crossing fruit traits灰色关联系数
Grey correlation coefficient权重/%
Weight关联序
Incidence orderX1 0.426 5 6.03 11 X2 0.588 9 8.33 7 X3 0.610 3 8.63 5 X4 0.411 7 5.82 12 X5 0.468 0 6.62 10 X6 0.635 3 8.98 4 X7 0.648 4 9.17 3 X8 0.535 5 7.57 9 X9 0.564 4 7.98 8 X10 0.803 9 11.37 1 X11 0.769 2 10.88 2 X12 0.610 0 8.63 6 Table 11. Grey correlation coefficient and weight of 12 quantitative characters in hybrids
子代编号
No.综合得分
Integrated score排名
Rank子代编号
No.综合得分
Integrated score排名
RankG-98 0.7867 1 G-111 0.6878 11 D1-4 0.7813 2 V1-6 0.6865 12 C-68 0.7593 3 D-1 0.6771 13 E-30-2 0.7352 4 U-5 0.6723 14 C-55 0.7292 5 L-39 0.6713 15 U-14 0.7181 6 L-22 0.6680 16 F-6 0.7057 7 C-35 0.6677 17 T1-4 0.7036 8 L-27 0.6665 18 E-32 0.7021 9 L-80 0.6634 19 W-6 0.6881 10 D-2 0.6546 20 Table 12. Comprehensive evaluation score of grey correlation degree for individual plant of hybrids
结合2.3.1的主成分综合评定结果,其中G-98在2种综合排序方法中均为最佳单株。最终选出在2种综合评价方法均得分较高的10株单株,分别是G-98、D1-4、C-68、C-55、E-30-2、U-14、E-32、G-111、T1-4、W-6,单株果实部分重要经济性状见表13。可见除C-68外,其余单果质量均在9 ~ 13 g之间,属于大果单株。
子代编号
No.栗苞总质量/g
Fruit bract mass单果质量/g
Single nut mass出仁率/%
Kernel rate出籽率/%
Seed rateG-98 42.70 10.64 72.34 41.02 D1-4 37.86 12.45 77.53 32.88 C-68 46.22 7.77 77.73 39.43 C-55 41.20 9.39 75.31 22.97 E-30-2 29.23 10.39 75.72 34.15 U-14 25.81 9.74 74.01 37.74 E-32 34.56 10.49 75.36 30.35 G-111 28.50 9.04 80.25 31.79 T1-4 19.51 9.33 84.41 45.93 W-6 22.91 10.46 77.21 44.99 平均
Average32.85 9.97 76.99 36.12 Table 13. Important economic traits of single plant selected comprehensively
Variation Analysis of Fruit Phenotypic Traits and Comprehensive Selection of Individual Plant in F1 Generation of Castanea henryi
- Received Date: 2023-01-15
- Accepted Date: 2023-05-28
- Available Online: 2023-10-20
Abstract: