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自20世纪80年代开始,我国就已开展主要用材林及经济林树种无性系选育及改良工作,以开拓集约人工林发展无性系林业的道路。各树种如杨树(Populus L.)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)、落叶松(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)、白榆(Ulmus pumila L.)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、油茶(Camellia oleifera Abel.)、板栗(Castanea mollissima Blume)和核桃(Juglans regia L.)等都已筛选出一批遗传增益达30%以上的无性系种质资源,成为这些树良种化的支柱品种[1]。欧洲云杉(Picea abies (L.)Karsten.)为松科(Pinaceae)云杉属(Picea),是我国北方成功引种的外来用材树种,它比各乡土云杉具有极高生产力,胸径可达150 cm[2-3]。中国林业科学研究院林业研究所云杉课题组自20世纪80年代开始从全世界欧洲云杉主要分布区的法国、德国、英国和捷克等地引进不同种源、家系等种质,在全国多地点开展引种对比试验,从繁殖育苗[4-6]、引种适应性[7-10]、遗传多样性[11-12]等方面逐步对引进的云杉进行了研究分析及优选,初步已确定其适应地区和增益优势。
林木育种最终目的是选育优良种质资源。Kliz等研究指出,不同欧洲云杉种群在特定的环境中具有不同的适应能力[12]。最佳线性无偏预测(BLUP)利用混合模型对育种值等遗传参数进行无偏估计,其得出育种值与实际值相关系数大,且能够有效消除除遗传因素的其它影响得出育种值与实际值相关系数大,且能够有效消除其它除遗传因素的影响[13-14]。R语言中lme4、nme、MCMCglmm、ASReml等程序包都可进行混合线性模型的数据分析,其中,lme4包中的lmer函数是BLUP分析常用的方法之一。笔者以9年生378个欧洲云杉无性系试验林为试材,研究其表型性的遗传变异,探讨其进行材质改良的潜力,并通过树高基因型值/遗传值优选30个无性系,可为欧洲云杉无性繁殖推广应用提供优质种质材料。
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对378个9年生欧洲云杉无性系表型性状进行调查分析,欧洲云杉各无性系苗平均保存率达88.8%,最大值达100%,最小值为25%。由表1可知:378个9年生欧洲云杉无性系(不含苗期3年)树高均值为2.62 m,当年新梢长度均值为36.80 cm,胸径均值为2.80 cm。当年生长轮每轮平均4.47个分枝,冠幅大小均值为125.30 cm,各表型变异系数平均为31.38%~48.24%,说明无性系之间不同表型性状差异较大。
性状 Trait 性状均值 Mean 标准差 Standard Deviation 最小值 Min 最大值 Max 变异系数 Coefficient of variation/% 树高 Height/m 2.62 0.93 0.30 6.50 35.50 新梢长 Stem increment/cm 36.80 17.75 1.00 110.00 48.24 胸径 Diameter at breast height/cm 2.75 1.24 0.20 8.90 45.21 分枝数 Branches/个 4.47 1.40 1.00 15.00 31.38 冠幅 Crown width/cm 125.30 40.66 20.00 355.00 32.45 Table 1. Phenotype average values of Picea abies clones
对欧洲云杉无性系各性状进行方差分析,由表2可知:性状无性系间均差异极显著,说明从无性系水平进行筛选及遗传改良的可行性极大,即同一种源内基因型间有极大生长和适应性差异;分枝数在区组间差异显著或极显著,其它性状在区组间差异表现为显著。各性状在无性系与区组间交互作用极显著,受遗传和环境交互影响较大。
树高
Height自由度
Df平方和
Sum Sq均方
Mean SqF P 新梢长
Stem increment自由度
Df平方和
Sum Sq均方
Mean SqF P 区组 Block 4 181940 45485 3.20 *** 区组 Block 4 3852 963 1.80 ** 无性系 Clone 377 16809528 44588 3.14 *** 无性系 Clone 377 495089 1313.2 2.46 *** 交互 Interaction 1489 21134457 14194 3.46 *** 交互 Interaction 1488 794949 534.2 3.26 *** 误差 Error 4755 19492239 4099 误差 Error 4660 763218 163.8 胸径 DBH Df Sum Sq Mean Sq F P 分枝数 Branches Df Sum Sq Mean Sq F P 区组 Block 4 18 4.584 1.91 *** 区组 Block 4 1 0.261 0.12 无性系 Clone 377 3089 8.194 3.42 *** 无性系 Clone 377 2135 5.663 2.63 *** 交互 Interaction 1488 3565 2.396 3.20 *** 交互 Interaction 1478 3178 2.150 1.33 *** 误差 Error 4727 3536 0.748 误差 Error 4626 7458 1.612 冠幅 Crown width Df Sum Sq Mean Sq F P 材积 Volume Df Sum Sq Mean Sq F P 区组 Block 4 29511 7378 2.98 *** 区组 Block 4 4.2e-05 1.05e-05 2.17 *** 无性系 Clone 377 3141615 8333 3.36 *** 无性系 Clone 377 5.7e-03 1.51e-05 3.12 *** 交互 Interaction 1486 3681233 2477 2.90 *** 交互 Interaction 1488 7.2e-03 4.84e-06 2.17 *** 误差 Error 4718 4032309 855 误差 Error 4728 6.6e-03 2.23e-06 Table 2. Variation analysis of growth traits of Picea abies clones
从表3方差分量看:树高、新梢长、胸径、分枝数、冠幅、材积无性系效应的方差分量占比为10.2%~20.42%,无性系与区组效应的方差分量占比为7.75%~ 34.29%,误差方差分量占比为47.25%~82.05%,除分枝性状外,其它生长性状无性系与区组互作效应均大于无性系效应,说明欧洲云杉无性系生长受遗传和环境互作影响较大,误差方差分量占比相对较高,说明无性系区组间及小区内个体间受环境影响效应较大。
生长性状
Trait方差分量(占比) Variance component(Proportion) 变异系数 Coefficient of Variation/% 无性系重复力
Repeatability无性系
Clone无性系与区组
Clone × Block误差
Error遗传变异系数
Genetic variation表型变异系数
Phenotypic variation树高Height/m 1682.00(19.34%) 2905.00(33.41%) 4108.00(47.25%) 15.67 35.62 0.68 新梢长 Stem increment/cm 43.49(13.74%) 108.57(34.29%) 164.56(51.97%) 17.92 48.36 0.59 胸径 DBH/cm 0.31(20.42%) 0.48(30.87%) 0.75(48.71%) 20.38 45.10 0.71 分枝数 Branches/个 0.20(10.20%) 0.15(7.75%) 1.61(82.05%) 10.02 31.36 0.62 冠幅 Crown width/cm 324.20(19.67%) 467.50(28.36%) 856.50(51.97%) 14.37 32.40 0.70 Table 3. Variance component and gene parameters of Picea abies clones
从表3中无性系重复力来看:各性状受无性系遗传因素控制程度较强,进行改良潜力较大,其中,无性系胸径和冠幅性状重复力达到0.70以上。无性系各性状遗传变异系数均小于表型变异系数,遗传变异系数为10.02%~20.38%,表型变异系数为31.36 %~48.36%。
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对9年生378个欧洲云杉无性系的各生长性状树高、新梢长、胸径、冠幅、分枝数、材积进行相关分析,其中,分枝数数据进行对数化(以10为底)后分析,结果(表4)表明:无性系树高、新梢长、胸径、冠幅表型相关和遗传相关系数较高(0.72~0.95),且都极显著相关。无性系材积与树高、胸径、新梢长和冠幅间有显著或极显著表型相关和遗传相关。分枝数与其他各性状表型及遗传相关系数均较低,且不显著相关。可能的原因是无性系分枝数测量的是顶轮分枝数,并不是整株的分枝数。
相关系数 correlation 树高 Height 新梢长 Stem increment 胸径 DBH 分枝数 Branches 冠幅 Crown width 材积 Volume 树高 Height/m 0.84** 0.90** 0.08 0.83** 0.89** 新梢长 Stem increment/cm 0.93* 0.79** 0.03 0.72** 0.76** 胸径 DBH/cm 0.95** 0.91** 0.10 0.85** 0.97** 分枝数 Branches/个 0.63 0.51 0.61 0.07 0.10 冠幅 Crown width/cm 0.93** 0.86* 0.94** 0.62 0.83** 材积 Volume/m3 0.93** 0.88* 0.98** 0.54 0.89* 注:上三角为表型相关系数,下三角为遗传相关系数;“**”表示极显著相关(P<0.01),“*”表示显著相关(P<0.05)。
Notes:The data in matrix above is phenotype correlation coefficient; below is genetic correlation coefficient. ** Indicates significant difference at 0.01,* Indicates significant difference at 0.05.Table 4. Correlation coeffieient of growth traits in Picea abies clones
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运用BLUP方法得到378个欧洲云杉无性系树高遗传值范围为−81.16~108.59,大于0的无性系有167个。树高遗传值与树高实际值经检验,相关系数达0.997(图1),二者呈极显著正相关(p<2.2e−16)。
从中选择遗传值较高的30个无性系作为优良无性系,树高选择差为101.39 cm,入选无性系树高均值为363.18 cm,遗传增益为26.38%;入选无性系胸径、冠幅均值分别为4.06、162.37 cm。各无性系号及树高遗传增益见表5。
序号 无性系 树高均值/cm 树高遗传值 树高选择差/ cm 树高遗传增益/% 胸径均值/cm 冠幅均值/cm 1 pab08ts1476 420.25 108.59 158.46 41.22 4.90 170.80 2 pab08ts1686 417.58 108.54 157.12 40.87 3.91 162.32 3 pab08ts0774 417.11 103.25 156.52 40.72 3.79 141.28 4 pab08ts1196 411.89 103.02 154.92 40.30 4.60 176.92 5 pab08ts0681 406.65 99.32 152.91 39.78 4.28 177.38 6 pab08ts0572 394.72 89.25 149.58 38.91 5.04 183.58 7 pab08ts0339 385.74 85.05 145.92 37.96 4.84 181.95 8 pab08ts0900 369.10 73.74 141.09 36.70 4.88 182.00 9 pab08ts1599 368.90 73.60 137.31 35.72 3.41 149.78 10 pab08ts1031 367.50 72.65 134.15 34.90 4.02 167.28 11 pab08ts0716 365.47 67.99 131.38 34.18 3.65 156.63 12 pab08ts1641 359.20 66.99 128.55 33.44 3.96 157.58 13 pab08ts07054 355.78 65.85 125.89 32.75 4.13 168.30 14 pab08ts0887 356.60 65.22 123.67 32.17 4.74 177.25 15 pab08ts0556 352.22 63.14 121.46 31.59 4.39 179.28 16 pab08ts0813 352.95 61.87 119.56 31.10 3.77 169.45 17 pab08ts0729 350.30 60.93 117.74 30.63 4.20 164.23 18 pab08ts0677 348.05 59.40 115.99 30.17 3.96 156.88 19 pab08ts1492 345.95 59.16 114.31 29.74 4.16 163.08 20 pab08ts0795 344.60 58.94 112.74 29.33 4.72 174.70 21 pab08ts07037 339.47 57.19 111.07 28.89 3.23 137.76 22 pab08ts0337 350.94 56.60 110.07 28.63 3.91 136.09 23 pab08ts0902 342.15 55.38 108.78 28.30 3.65 153.78 24 pab08ts1043 342.10 55.34 107.59 27.99 3.57 170.98 25 pab08ts0900 339.85 53.81 106.41 27.68 4.02 166.75 26 pab08ts1620 343.12 52.87 105.45 27.43 3.03 109.74 27 pab08ts1574 338.15 52.65 104.37 27.15 3.82 138.88 28 pab08ts0837 338.05 52.58 103.37 26.89 4.09 168.30 29 pab08ts1291 337.95 52.51 102.43 26.64 3.52 150.58 30 pab08ts0678 333.17 51.58 101.39 26.38 3.56 154.03 注:以表中“pab08ts1476”为例, pab代表欧洲云杉;08代表2008年扦插;ts代表扦插地点甘肃天水小陇山;1467代表无性系扦插序号。
Notes:Using the example of “pab08ts1467” in table 5. pab represens P. abies ;08 represens cuttage seedlings in 2008; ts represens Xiaolong mountain, tianshui city of Gansu province; 1467 represens cuttage serial number.Table 5. Selected superior P. abies clones and genetic gain of tree height