引种欧洲云杉自由授粉家系种实性状的多样性1)

马建伟 胡勐鸿 张宋智 雷曙光 王军辉

(甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所，天水，741022) (国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所))

欧洲云杉(Picea abies (L.)Karst)又名挪威云杉。天然分布主要在中欧和北欧，大致分布在北纬42° ～69.5°，是典型的山地树种［1－2］。由于材质硬，纤维长，纹理细密，质地均匀，用途广。其既是西欧、北欧波罗的海沿岸国家，俄罗斯和加拿大的重要工业用材树种，也是重要的建筑用材树种和产脂树;还因树形优美、树冠常绿，常用作圣诞树和园林绿化［3］;其针叶和嫩枝不仅可做云酒，药用价值也备受关注。世界各地广为引种，其中日本北海道、美国东北部和加拿大东部引种的欧洲云杉优于乡土树种［4］。我国庐山、长春、辽宁熊岳、呼和浩特、北京、延安、青岛、杭州、湖北建始、沙坝落叶松/云杉国家良种基地均有引种栽培［1］，表现出较强的适应性，而且比国内云杉种生长快［2－3］。

球果和种子是针叶树种有性繁殖系统的重要组成部分，是生存和繁衍适应性的集中体现，具有受遗传控制较强的特征，同一物种内球果和种子性状被认为是相对稳定的，最具有区分和比较意义的［5］;但是它们长期在自然界不同的选择压力下表现出较大的适应性［6］。具有丰富的遗传变异，球果大小反映了雌性生殖器官的营养状况，是母体营养状况和用于有性生殖投入的体现［7］;球果大小与种子大小和质量密切相关［8－9］，种子性状的大小表征了种子内营养物质的多少［10］，种子性状变异的大小影响到种子的传播和萌发［11］，对幼苗的定居和存活有很大的影响［12－13］，与子代后期生长及适应性显著相关［14］，从而影响到种群更新［15］。国外对欧洲云杉［16－19］、白云杉［20－23］、东方云杉、黑云杉［24－25］、西加云杉［26］等地理种源、群体间、群体内的种实性状、授粉效率、种子园管理与产种质量等进行过研究;国内对青海云杉［27］、天山云杉［28］、川西云杉［29］、粗枝云杉［30］等地理种源群体间和群体内种实性状遗传变异进行过研究，一致的结论认为云杉群体间、群体内(即家系间)种实性状存在着丰富的遗传变异，群体内的遗传变异大于群体间。物种遗传有固有的形态特征，许多针叶树种研究者通过分析针叶、球果和种子的表型性状来探讨性状变异、分化及其与环境因子的关系［31］。球果和种子是容易测得的表型性状，表型性状是基因型和环境共同作用的结果［17］，表型性状的遗传多样性反映了家系(群体)的遗传多样性，通过简单、容易测得的表型性状研究家系(群体)的遗传多样性因简便、快速和节省费用，至今仍然是重要而其有效的方法［32］。由于缺乏材料，关于家系种实性状研究从未见报道。为认识引入材料的遗传复杂性、变异大小，文中对沙坝落叶松/云杉国家良种基地44 个欧洲云杉家系(单株)种实性状表型多样性进行了研究，评价了欧洲云杉家系之间的种实性状的遗传变异，期望为欧洲云杉种子园营建、多目标杂交育种和遗传改良提供依据。

1 研究地自然概况

小陇山林业实验局沙坝国家落叶松/云杉良种基地位于甘肃小陇山林区腹地，隶属甘肃省天水市秦州区娘娘坝镇。地理坐标为105°51'27″～105°54'51″N，34°07'28″～34°10'22″E，海拔1 560 ～2 019 m，属大陆性季风气候，为温带湿润区，气候特点是冬无严寒夏无酷暑，春季气温回升快，常有倒春寒和春旱发生。年均气温7.2 ℃，极端最高气温32 ℃，极端最低气温－27 ℃，年均降水量1 012.2 mm，平均相对湿度78%;平均年日照时间1 553 h;≥10 ℃的有效积温2 480 ℃，无霜期154 ～185 d。引种林地处167 林班山麓，为沟谷河滩地，地势平坦，坡度2°左右，土壤为棕色森林土，母质为河流冲积物，土层厚度30 ～50 cm，多含砂、砾和石块。地被物(苔藓、地衣)盖度70%，灌木盖度30%，林龄26 a，林分郁闭度0.9。

2 材料与方法

研究材料为林科院从国外引进的种子，1983年在沙坝育苗，1985年造林。采自沙坝落叶松/云杉国家良种基地26年生欧洲云杉引种林中2009年结实的44 个家系的自由授粉成熟球果。

球果长、宽，鲜、干质量测定:每个家系随机选取20 个(不足20 个的全部选取)生长正常的球果，采用钢卷尺测量球果长CL，精度0.1 cm，采用电子游标卡尺测量球果宽(最宽处)CW，精度0.01 mm，计算球果长/宽。采用电子天平称量每个球果的鲜质量CF，W，球果风干后，每个家系随机称取10 个(不足10 个的全部称量)球果的风干质量CD，W，精度0.01 g。

球果可育种鳞的测定:种鳞分为可育种鳞和不育种鳞［33］。云杉位于球果基部和顶部1 ～2 圈为不育种鳞，没有结种能力;可育种鳞位于球果的中部，含正常发育胚珠，体现了球果结种的潜在能力。每个家系随机测量10 个发育正常球果的可育种鳞数FS;可育种鳞密度FS，D是球果可育种鳞数与球果长度的比(个·cm－1)，体现了球果长度与球果可育性的关系。

球果种子潜能和种子效率:种子潜能SP是球果在生物学理论上能够产生种子的最大数目;种子效率SE则反映了球果实际生产种子的情况，其受遗传与环境因子影响。欧洲云杉球果每一个可育种鳞能够生产的种子数为2 粒，按照以下公式计算种子潜能和种子效率。

种子潜能=2 ×该球果的可育种鳞数，

种子效率=(球果生产的健全种子数/SP)×100%。

球果产种数与产种质量:每个家系随机选取10个(不足10 个的全部测量)生长正常的球果，测量每个球果生产的种子总数CS，N，并用水选法测量球果生产种子的饱子数，它反映了受精成功发育成种的胚珠数量。计算饱子率=(饱子数/种子总数)×100%。用电子天平称取单个球果生产的饱子质量CS，W。

种鳞性状的测定:每个家系随机选取1 个生长正常的球果，从基部1/3 以上(球果中部)随机测量10 个可育种鳞的种鳞长SS，L、种鳞宽SS，W，计算种鳞长/宽。

种子性状的测定:种子脱离后每个家系随机选取10 粒种子，用电子游标卡尺测量种子长SL、宽SW，种翅长SW，L、宽SW，W，精度0.01 mm。计算种子长/宽、种翅长/宽。

千粒质量的测定:采用电子天平测量每个家系的千粒质量，3 次重复，精度0.01 g。

种子发芽势和发芽率的测定:净种后每个家系随机选择100 粒种子，温水(30°左右)浸泡24 h，待充分吸水后，每20 粒为1 次重复，5 次重复。将每个重复的供试种子间隔整齐摆放在有定性滤纸的培养皿内，培养皿放置恒温发芽箱内，发芽箱温度控制在最适宜温度25 ℃左右［34］。观察发芽过程，以胚根长度达到种子等长、胚芽长度达到种子一半作为种子萌发标准。种子发芽后每天记录发芽种子粒数，计算种子发芽达到高峰时(7 d)的发芽势G 和种子完全发芽(15 d)时的发芽率Gr。

数据统计分析:数据采用SPSS16.0 进行方差分析(GLM)、相关分析。方差分析时百分率做arcsinxi转换，家系间表型分化系数(Vs，t)的分析参照葛颂等［31］对群体的定义和分析。

3 结果与分析

3.1 球果大小和质量性状

方差分析结果表明，球果长、球果长/宽家系间、家系内差异达显著水平，球果宽家系间差异显著，家系内差异不显著(表1)。欧洲云杉家系球果平均长、球果平均宽、球果平均长/宽分别为(14.639 4 ±1.795 5)cm、(27.187 7 ±3.008 6)mm、(5.411 7±0.605 9)，变幅分别为10.0 ～19.50 cm、14.69 ～36.77 mm、3.80 ～7.90，总体变异系数由大到小的顺序为球果长(12.27%)、球果长/宽(11.20%)、球果宽(11.07%)(表2)。球果长、球果宽、球果长/宽家系间的表型分化系数分别为89.01%、78.54%和94.95%(表1)。

表1 欧洲云杉家系种实性状方差分析

方差分析结果表明，家系间、家系内球果鲜质量和干质量差异均达显著水平(表1)。家系间球果鲜质量平均为(47.951 9 ±14.128 9)g，变幅13.53 ～100.22 g;干质量平均为(34.538 9 ±9.487 6)g，变幅为14.69 ～68.30 g，总体变异系数由大到小的顺序为球果鲜质量(29.46%)、干质量(27.47%)(表2);家系间球果鲜质量、干质量的表型分化系数分别为94.63%和93.39%(表1)。

球果长、球果宽、球果长/宽、球果鲜质量、球果干质量性状家系间的方差分量远远大于家系内的方差分量，球果大小和质量性状的变异主要受到家系间遗传因素的控制;是母体营养状况和用于有性生殖投入的体现。家系内的差异受环境因子影响，如球果在树冠上的方位、冠层、光照、风力、授粉状况等。同一家系内环境对球果长的影响较球果宽的影响大，球果宽是较为稳定的性状。

3.2 球果可育种鳞、种子潜能、种子效率

方差分析结果，家系间可育种鳞数、种鳞密度、种子潜能、种子效率差异达显著水平，家系内差异不显著。家系间表型分化系数为89.27% ～97.35%(表1)。家系内的表型分化仅占2.65% ～11.73%，可见球果的这些性状主要受到家系强的遗传控制。

可育种鳞数、种鳞密度、种子潜能、种子效率的平均值分别为(204.777 3 ±30.001 8)个、(13.871 8±1.798 7)个·cm－1、(409.872 0 ±59.402 7)粒、(61.852 1 ±12.569 8)%;变幅分别为115.00 ～319.00 个、7.47 ～22.07 个·cm－1、240.0 ～638.0粒、5.07% ～90.00%;总体变异系数由大到小的顺序为种子效率(20.32%)、可育种鳞数(14.65%)、种子潜能(14.49%)、可育种鳞密度(12.97%)(表2)。

表2 家系种实性状均值和变异系数

家系间球果平均生产种子的潜在能力为409粒，最大可达到638 粒，种子潜能的变异系数最小，种子效率的变异系数最大。种子潜能是受家系遗传影响，家系间种子效率的差异受遗传和环境双重因子影响，如树体位置、花粉的传播方式、花粉量、风力、授粉效率等因素。种子效率平均为61.85%，因此，在可受期进行人工辅助授粉，可提高种子效率，同时也提高了球果生产种子量。

3.3 球果产种数与产种质量

方差分析结果表明，球果生产种子总数、饱子数、饱子率、球果产种质量家系间差异达显著水平，家系内差异不显著，家系间表型分化系数为91.34% ～97.28%(表1)。

家系间球果生产种子总数、饱子数、饱子率、球果产种质量的平均值为(293.158 8 ±76.469 4)粒、(253.567 8 ± 60.650 3)粒、(88.207 3 ± 13.229 8)%、(2.141 3 ±0.727 1)g，变幅分别为73.0 ～578.0 粒、70.0 ～478.0 粒、41.30% ～100.00%、0.14 ～4.85 g，总体变异系数由大到小的顺序为球果产种质量(33.95%)、种子总数(26.08%)、饱子数(23.92%)、饱子率(15.00%)(表2)。

球果生产种子总数是饱子数和空子数(有完整的种翅、种壳、色泽，与饱子相同)之和，饱子数是球果受精成功后发育成有胚珠、胚乳的胚珠数量;空子数的形成与营养状况、病虫危害、自交有关，是家系间交配系统、传粉效率、营养状况和环境等诸多因素的综合响应。球果生产饱子数的多少影响饱子率，从而影响球果产种质量。球果饱子率的变幅为41.30% ～100.00%，有些球果的饱子率可以达到100.00%，因此，可授期进行人工辅助授粉或改善环境和营养状况可提高授粉效率。在进行云杉种子园营建时，合理配置交配系统、减少自交，是提高球果饱子率的有效手段。

3.4 种子性状

3.4.1 种子大小

家系间种子平均长、种子平均宽、平均种子长/宽的总体平均值依次为(5.051 4 ±0.455 3)mm、(2.461 3 ±0.308 8)mm、2.075 6 ±0.255 2，变幅分别为3.68 ～6.98 mm、1.35 ～3.55 mm、1.39 ～3.87。总体变异系数由大到小的顺序为种子宽(12.55%)、种子长/宽(12.29%)、种子长(9.01%)(表2)。方差分析结果表明，种子长、种子宽家系间、家系内差异显著，种子长/宽家系间差异显著，家系内差异不显著。种子长、种子宽、种子长/宽家系间表型分化系数分别为83.17%、69.45%和66.77%(表1)。表明家系遗传因素对种子性状的影响占优势，其次受到家系内环境因素的影响。

3.4.2 种翅性状

种翅家系平均长、宽、长/宽分别为(17.574 9 ±2.370 5)mm、(6.763 4 ±0.762 9)mm、2.609 0 ±0.309 9，变幅分别在11.48 ～21.25 mm、4.06 ～8.81 mm、1.91 ～3.52，总体变异系数由大到小的顺序为种翅长(13.49%)、种翅长/宽(11.88%)、种翅宽(11.28%)(表2)。经方差分析发现，种翅性状在家系间差异显著，家系内差异不显著，表型分化系数为92.65% ～97.34%(表1)。表明种翅性状主要受家系强的遗传因素控制，环境因素的影响非常微弱。

经观察，云杉种子旋转飘落，种翅的大小影响种子传播速度、传播距离。对种子的定居、萌发、后期生长产生影响，这是其长期适应自然的结果。

3.5 种子发芽势、发芽率、千粒质量

家系间种子平均发芽势和发芽率分别为(58.060 0 ±8.701 4)%和(86.200 0 ±13.477 5)%，发芽势和发芽率的总体变异系数分别为14.99%和15.63%(表2)。方差分析结果显示，种子发芽势、发芽率家系间差异达显著水平，表型分化系数分别为99.13%和99.61%(表1)，表明发芽势和发芽率主要受家系间强的遗传基因控制。经解剖未发芽的种子多数为空粒。千粒质量是种子的品质反映，欧洲云杉平均千粒质量为(9.904 6 ±1.594 5)g，变幅为5.40 ～13.60 g，总体变异系数为16.10%(表2)。家系间千粒质量的方差分析结果显示，家系间千粒质量差异达显著水平，表型分化系数为99.27%(表1)。千粒质量主要受强的家系遗传因素控制。因此，在杂交育种、种子园营建时以千粒质量为主要选择指标，选择千粒质量大的家系，有利于子代后期生长。

3.6 种实性状间的相关性

相关分析结果表明，球果产种质量与可育种鳞数显著相关，相关系数R =0.376(P =0.012)、与种子总数、种子效率呈极显著正相关关系，相关系数分别为R=0.471(P =0.001)、R =0.707(P =0)。可育种鳞与球果长、种子总数、饱子数呈极显著正相关关系，相关系数分别为R =0.495(P =0.001)、R=0.720(P =0)、R=0.632(P =0)，与球果宽呈显著正相关关系，相关系数R =0.309(P =0.041)。种子发芽势、发芽率均与千粒质量呈极显著正相关，相关系数分别为R =0.886(P =0)和R =0.883(P=0)，发芽势与发芽率也呈极显著正相关，相关系数为R=0.973(P =0)。球果长/宽与球果宽、种子长/宽与种子宽呈极显著负相关关系。除球果长/宽与千粒质量，种子长/宽与球果产种质量、千粒质量、球果长、球果宽、种子长不相关外，其他种实性状间呈极显著或显著正相关关系(表3)。

表3 种实性状间的相关分析

3.7 优良家系的筛选

种实性状间呈显著或极显著相关，种实性状受到家系强的遗传控制和微弱环境因子影响。千粒质量是种子品质的反映，是重要的种实性状之一，千粒质量的大小表征了种子内营养物质的多少，与种子发芽势、发芽率极显著相关，而且影响子代后期的生长及适应性，因此，以千粒质量的大小为选择依据，选择千粒质量≥11.05 g 的10 个家系作为营建种子园、多目标杂交育种的亲本，其他性状也将得到改良。

4 结束语

研究发现，引种欧洲云杉44 个家系在25 个种实性状中球果长，球果长/宽，球果鲜质量、干质量，种子长、宽丰富的遗传变异不仅存在于家系间，同样也存在于家系内。其余种实性状家系间具有丰富的遗传变异，家系内的变异不显著。种实性状家系间的表型分化系数为66.77% ～99.27%，表明种实性状主要受家系间强的遗传控制，其次受到微弱的环境影响;这与前人［19］对黑云杉、欧洲云杉的研究结论具有相似性。

松科球果大小与受精状况有关，受精状况好则球果就大［35］。受精不仅受到家系间的遗传控制，还与环境因子有关，由于云杉为风媒传粉，球果在树冠上的方位、冠层、树体营养状况、风力风向以及病虫危害等都影响球果和种子的生长发育，从而影响到球果鲜质量、干质量等性状的变异。球果长，种子长、宽，球果鲜质量、干质量等性状不仅受到家系间强的遗传控制，还受到家系内环境因子的影响。

球果性状是决定种子产量的决定因素，只要测得球果长(或球果鲜质量)和种子效率就可预测球果产种量，从球果产种量可以准确预测家系乃至种子园的产种量。欧洲云杉球果平均生产种子(293.158 8 ±76.469 4)粒，变幅为73.0 ～578.0 粒。饱子率的变幅较大，为41.30% ～100.00%。除环境因素外，自交是产生空子的主要原因［33］。由于云杉雌雄同株，球花量H(雌)∶ H(雄)=1∶ (4.5 ～50)［36］，云杉花粉有双气囊，易于飞翔，所以产生自交的几率大。所以在种子园或母树林，为了提高云杉饱子率，要在可受期进行人工辅助授粉，在种子园营建时合理配置，减少自交。欧洲云杉种实性状丰富的遗传变异主要受家系间强的遗传因素控制，其次受到微弱环境因子影响。欧洲云杉种实性状间具有显著或极显著相关关系。千粒质量是种子品质的反映，是重要的种实性状之一，欧洲云杉千粒质量的平均值为(9.904 6 ±1.594 5)g。欧洲云杉家系间千粒质量的变幅为5.40 ～13.60 g。千粒质量的大小表征了种子内营养物质的多少，其性状变异的大小影响到种子的传播和萌发、幼苗的存活、子代后期的生长及适应性。根据欧洲云杉家系千粒质量的大小，选择了10 个千粒质量较大的家系作为营建种子园、多目标杂交育种的亲本。

家系间丰富的遗传变异具有较大的种质价值和遗传改良潜力。引种云杉种实性状上变异丰富，有广阔的遗传多样性，可以作为育种用的材料，不会影响子代的遗传幅度。

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