思茅松自由授粉家系遗传参数与早期选择分析

李帅锋，苏建荣*， 郎学东，黄小波，缪迎春，杨利华

(1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650224; 2.国家林业局普洱森林生态系统定位研究站，云南 昆明 650224；3.云南省普洱市林业科学研究所，云南 普洱 665000)

思茅松自由授粉家系遗传参数与早期选择分析

李帅锋1，2，苏建荣1，2*， 郎学东1，2，黄小波1，2，缪迎春1，2，杨利华3

(1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650224; 2.国家林业局普洱森林生态系统定位研究站，云南 昆明 650224；3.云南省普洱市林业科学研究所，云南 普洱 665000)

目的通过对思茅松自由授粉子代测试林的生长与形质性状遗传参数的估计，进行优良家系选择，为建立思茅松高世代种子园及培育优良无性系苗木提供种质资源。方法采用随机区组试验设计，在214个思茅松自由授粉家系子代测试林中选择胸径、地径、树高、枝下高、冠幅、通直度、树干圆满度、树冠圆满度、材积及地上生物量等生长与形质性状，利用线性混合模型进行遗传参数的估计，进行优良家系筛选。结果思茅松自由授粉子代测试林生长与形质性状的遗传参数在家系间差异极显著。各性状的家系遗传力较高，其中，地径的家系遗传力最大(1.105)。材积的预期遗传增益高于地上生物量，利用家系/家系内选择方法进行优良家系的筛选，材积的预期遗传增益为60.75%，入选家系为60个；地上生物量的预期遗传增益为44.22%，入选家系为66个。轮盘数、通直度和树干圆满度对材积和地上生物量都有显著影响。结论在早期选择中，形质性状的遗传变异对思茅松自由授粉优良家系的选择有重要参考作用，4年生思茅松自由授粉家系子代测试林中各性状存在着丰富的遗传变异，在早期选择中可以筛选出适合不同培育目标的优良家系，最大限度挖掘其遗传潜力。

思茅松；自由授粉；遗传参数；家系选择；材积；地上生物量

遗传参数的正确估计对预期遗传增益、早期选择年龄和育种策略的制定有重要意义[1]。生产周期较长是影响子代测定林遗传参数估计和优良家系及单株选择的重要因素，为提高林业生产效率，早期选择成为造林树种遗传改良的有效方法，研究表明，日本落叶松(Larixkaempferi(Lamb.)Carr.)、杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)和马尾松(PinusmassonianaLamb.)等树种获取更高的遗传增益的早期选择最合适的林龄是5 a或6 a，可以获取更高的遗传增益[1-4]。早期选择可以及时发现并移除长势较差的家系和单株，同时选择一般配合力高的材料，为进一步开展杂交试验的全同胞测定提供早期信息[2,5]。胸径和树高是早期选择最重要的生长性状，而树高的遗传力普遍高于胸径[3]，而冠幅和通直度等形质性状通过影响造林密度从而影响到木材产量[2]，也是子代测定早期选择中应充分考虑的形质特征。

将优良种源区的造林树种优树经子代测定后，筛选出适合各种生境的优良家系，并从中选择更优异的个体进行无性系利用，可以获得种源、家系和单株等多层次的遗传增益，是提高造林树种生产力的有效途径，以获取更高的项目效益[3,6]，目的是为高世代种子园的建设及造林提供大量高质量的繁育材料，提高林分生产力[7]。根据大量的表型数据对遗传改良工作进行评价和评估，是制定林木育种长期策略的一个关键问题[8]，国内外对重要造林树种优良家系的子代测定林的遗传参数估计已进行了大量研究，如马尾松[2,9]、日本落叶松[4,10]、杉木[3]、加拿大短叶松(PinusbanksianaLamb.)[5]、火炬松(PinustaedaL.)[7,11-13]。

思茅松(PinuskesiyaRoyle ex Gord. var.langbianensis(A. Chev.) Gaussen)是云南省重要的材脂兼用树种，主要分布在云南省的普洱、西双版纳、临沧、保山和德宏等地区[14-15]，思茅松树干通直，生长迅速，具有较高的固碳潜力以及经济、生态和社会价值[16]，是当地的主要造林树种之一。思茅松的遗传改良工作始于20世纪80年代，在种源试验、引种及种子园技术研究等方面进行了较多研究[17-19]。目前存在2个不足：(1)参试家系数量及种源分布较少，优树选择局限在普洱市的5个县[19]；(2)缺少对子代测试林遗传参数估计的计算，因而，较难全面反映云南省思茅松的自由授粉家系子代测试林的遗传变异。本文以云南省11个县的思茅松优树选择种源营造的自由授粉家系子代测试林为研究对象，按完全随机区组进行试验设计，采用线性混合模型及相关分析对子代测试林的生长和形质性状进行统计分析，揭示思茅松自由授粉家系子代测试林的遗传变异规律，筛选家系及家系内的优良家系及单株，探讨以材积或地上生物量为培育目标时，生长与形质性状对其的影响效应，为思茅松进一步开展良种选择、杂交育种及无性系繁育提供数据和原始材料。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

思茅松自由授粉子代测试林位于云南省西南部的资源昆虫研究所景东试验站内，地处无量山和哀牢山两山之间，坡度18°，坡向西偏北。地处24°26′8.82″ N，100°50′22.73″ E，海拔1 300 m，属亚热带季风气候，干湿季分明，年平均气温18.3℃，极端最高气温37℃，极端最低气温-12℃，年平均降水量1 087 mm，降水多集中于7—8月[15]。试验林周边森林主要为思茅松天然林。

思茅松自由授粉子代测试林于2012年9月营造林，共计4 hm2，林龄为4 a。造林地的坡向、坡度和土层基本一致，种子来源于思茅松天然分布区域经过优树选择的个体植株，其中，包括普洱、澜沧、景谷、镇沅、景东、景洪、勐海、耿马、云县、昌宁和梁河等11个县市，包括了云南省思茅松天然林分布的大部分区域，然后按不同群体分不同家系进行制种、育苗与造林。每个家系试验采用完全随机区组设计，3次重复，10株单列小区，株行距2 m×2 m，带状整地，穴规40 cm×40 cm×30 cm。试验林土壤pH值为5.18，有机质为26.16 g·kg-1，全氮含量为1.35 g·kg-1，全磷含量为0. 26 g·kg-1，全钾含量为20.1 g·kg-1，水解性氮含量为79.1 mg·kg-1，有效磷含量为6.5 mg·kg-1，有效钾含量为52 mg·kg-1。

1.2 数据收集

W=0.029(D2H)0.96(校正决定系数R2=0.906，剩余标准差S=0.269 2，P<0.001)。

1.3 数据分析

本研究的性状方差分析采用混合线性模型，公式为：

Yijk=u+Bi+Fj+Fbij+Eijk

式中:Yijk为第i重复第j家系第k单株的观测值;u为总体平均值;Bi为第i重复的固定效应;Fi为第j家系的随机效应;Fbij为第i重复第j家系的互作效应;Eijk为小区内的随机误差。

遗传变异系数和表型变异系数采用下列公式计算：

家系选择遗传增益(ΔG)计算公式：

由于各家系均有不同程度的缺株，方差分析使用R语言HalfsibMS软件包[8,23]。

本研究利用家系/家系内选择对子代测定林进行优良家系选择，目的是获得入选群体具有最大的遗传值[22]。分别把材积和地上生物量作为选择优树的培育目标，依据相应的性状值做为育种值和简单t检验在子代测试林中进行评价，选出性状值得分显著(t值大于P<0.05的临界值)高于对照(所有家系的性状平均值)的家系，并从入选家系中选择最优的3个单株作为优良单株，同时采用Pearson相关性分析对各测定参数进行相关性及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 生长与形质性状的遗传变异分析

思茅松自由授粉子代测定林地径、胸径、树高、枝下高、冠幅、轮盘数、通直度、树干圆满度、树冠圆满度、材积及地上生物量等11个生长与形质性状的方差分析结果(表1)表明：11个生长与形质性状在家系间均存在极显著差异，说明各性状在家系间存在丰富的变异，其中，材积、枝下高和地上生物量的遗传变异系数是所有形质性状中最大的，分别为53.61%、40.66%和38.74%；表型变异系数最大的是树冠圆满度(78.86%)，其次是地上生物量(63.04%)。除树冠圆满度外，各性状的家系遗传力都较高，均高于0.5，地径的家系遗传力最大，胸径、树高、材积和地上生物量的家系遗传力分别是0.925、0.949、0.925和0.916。

表1 思茅松自由授粉试验林家系生长性状方差分析和遗传参数估算

Note: GD, Diameter at ground height; DBH, Diameter at breast height; H, height; UBH,Under-branch Height; EWC,East-west crown; SNC, South-north crown;NO.I,Number of internodium; SS, stem straightness; SF, Stem fullness; CF, Crown fullness; V, Volue; AGB, aboveground biomass.

注：**表示在0.01水平差异极显著。 Note: * indicate significant difference at 0. 01 level.

2.2 家系选择及其遗传增益

根据前述遗传变异分析可以看出，思茅松试验林生长性状在家系间的差异极显著，性状的家系遗传力也普遍较高，因此，进行优良家系选择对于生长性状的改良可以取得较理想的效果。本研究选择树高、胸径以及材积和地上生物量育种值为选择指标，以试验林可能获得的期望遗传增益的高低且总的遗传增益的10%、20%和30%设定为不同入选率进行家系选择，结果见表2。本研究以全部家系的平均值为选择基准计算遗传增益，材积和地上生物量在20%和30%的入选率时，预期遗传增益最大，与此对应的是，家系间的性状遗传变异幅度也较大，反映其家系选择的效果最好。

2.3 家系/家系内选择

在进行优良家系选择时，综合优良单株表现及其所在家系同胞的遗传表现，为获得较高的遗传增益，根据材积计算结果，共有60个不同家系入选，家系入选率为28.04%，入选单株为180株，入选率为3.75%；根据地上生物量的计算结果，共有66个不同家系入选，家系入选率为30.84%，入选单株为198株，入选率为4.13%。以材积为选择目标的胸径、树高的遗传增益高于以地上生物量为选择目标的遗传增益，且材积的遗传增益比地上生物量的高。以材积以及地上生物量选择为依据，种源的家系优良单株入选率最高的都为景谷，其种子来源采集于威远江省级自然保护区，平均胸径达7.36 cm，平均树高达4.63 m，平均单株材积为0.013 m3，表现良好的家系还有景洪、勐海等地。单株表现最优的前3个全部来自景谷，单株最大材积和地上生物量分别为0.016 m3和11.05 kg。

表2 生长性状试验林家系选择的遗传增益

注：**表示在0.01水平差异极显著。

Note: ** indicate significant difference at 0. 01 level.

2.4 性状相关分析

生长量和形质等作为林木常规育种的重要性状指标，研究其相互间的相关性，可以间接为林木常规育种提供一定的依据[2]。从表4可以看出:4年生思茅松自由授粉家系植株的树高、枝下高、地径、胸径、轮盘数、东西冠幅、南北冠幅、通直度、树干圆满度与材积及地上生物量间极显著相关，树冠圆满度与材积和地上生物量间极显著相关，但与地径、胸径和轮盘数相关不显著，材积与地上生物量极显著正相关(r=0.936)。材积和地上生物量作为本文中优良单株选择的主要目标，其它形质性状均与其有显著或极显著的正相关或负相关，其中，胸径与材积的相关系数最大(r=0.94)，其次是树高(r=0.836)；地径与生物量的相关系数最大(r=0.923)，其次是胸径(r=0.889)和树高(r=0.824)，而轮盘数及通直度与材积和地上生物量的相关关系小于其它形质性状。

表3 家系/家系内优树选择遗传增益

表4 生长与形质性状相关关系

注： **表示在0.01水平差异极显著。Note:** indicate significant difference at 0.01 level.

3 讨论

本文通过对云南省思茅松自由授粉子代测定林11个生长与形质性状的遗传参数估计、优良家系及单株的选择及各性状之间的相互关系，结果表明，4年生的思茅松自由授粉子代测定林中各性状均表现出丰富的遗传和表型变异，并具有较高的家系和单株遗传力，可以在早期选择中为思茅松无性系的发展提供优良家系和单株。由于以大径级木材为培育目标的思茅松的主伐林龄大概为30 a，人工林培育周期较长，思茅松自由授粉优良家系的早期选择时期对经营者显得十分重要，如5年生马尾松生长性状的遗传变异可以为短轮伐期纸浆人工林筛选优良家系[2]，而思茅松具有更高的生产力，其子代测定林的生长与形质性状对优良家系的早期选择具有重要参考[17-19]。本研究表明，4年生子代测定林已经完全具备早期选择条件，对缩短育种周期和无性系育种有积极的作用。

在研究中还发现，思茅松自由授粉子代测定林的生长及形质等性状在家系间存在显著差异，可以进行优良家系及二代优树的选择，从而得到生产力高且速生丰产的种质资源，并获得显著的遗传增益；同时214个参试家系有较多家系的生长性状低于全体家系的平均值，出现生长性状较差的现状，说明优树选择的思茅松种子育种的子代测定林的表型性状出现较明显的后代分化现象。思茅松自由授粉子代测定林性状普遍具有较高的家系遗传力，这与马尾松[9]、日本落叶松[4,10]、杉木[3]等其他造林树种的研究结论一致。研究表明，生长在较一致的环境条件下的材料估算出的遗传力高于环境条件差异较大的材料[11]，遗传力只能应用在特定的环境下、特定的时间内生长的特殊群体，因此，遗传力和遗传增益在不同树种的试验中有较大差异，本次参试家系种源基本涵盖了思茅松在云南省天然分布的大部分区域，种源所在地的自然环境条件与子代测定林有较大差异，在均质环境条件下出现生长与形质性状分化较大的现象，从而导致思茅松自由授粉子代家系遗传力较大，在选择优良单株时，应首先对参试群体中表现优良的家系作为优树选择的候选，可以得到更大的附加遗传效益，在优良家系筛选的基础上，进行无性繁殖，其遗传增益幅度将更加显著。

由于森林培育目的不同，优良家系的早期选择标准有差异。以往研究中大多集中考虑以针对建筑、纸浆及高产脂等用途相关的树高、胸径和材积等性状[3- 4,10]。随着全球气候变化研究的逐渐深入，造林和再造林成为增加碳汇的主要途径[24]，选择造林树种首要考虑的是其固碳能力，以地上生物量为选择标准，筛选出固碳潜力表现优良的家系及单株，可以营造高储量的碳汇林。事实上，由于考虑到枝和叶的生物量大小，优良家系及单株的地上生物量的遗传增益小于材积，同时材积与地上生物量呈极显著正相关，因而，筛选的优良家系及单株往往重合度较高。较高的生长性状与地上生物量对森林碳储量的增强具有积极的促进作用[25]，从而使通过树木生长性状的改良进而提高森林生物量和碳储量成为可能，为营建高储量碳汇林的生产实践提供参考。通过选择良好通直度的林木可间接改良材性，研究表明，通直度可以作为评价思茅松生长优劣的关键因子[19]。在中龄林和成熟林中，树冠性状的变异可以影响树种材积和生产力[3]，而在幼龄林中，由于试验地水热条件优越，思茅松自由授粉子代测定林生长较快，种内竞争开始出现，因而树冠圆满度对材积和地上生物量均有一定的负面影响。

4 结论

思茅松自由授粉子代测定林生长与形质性状的方差分析表明，在家系之间存在丰富的遗传变异，家系遗传力都大于0.5，这表明参试家系数量的增多可以为优良家系和二代优良单株的选择提供较多的繁殖材料。在子代测定林的早期选择中，可以根据不同的培育目标进行相应的家系与优良单株的选择，而材积的预期遗传增益则高于单株地上生物量，具有更好的参考价值。同时应考虑通直度、轮盘数及树干圆满度等性质性状在遗传参数评估中的作用。

在林木遗传改良中，子代测定是鉴别表型优劣的主要方法，通过表型的子代测定，可以正确评估思茅松生长性状的遗传力和遗传增益，从而选育出优良的繁殖材料，实现林木优质高产。下一步应从思茅松自由授粉子代测定林中选择出优良家系和单株，一方面进行优良无性系的繁殖试验，另一方面对其进行控制授粉，选择优良单株进行杂交育种，为思茅松高世代种子园提供繁殖材料。本研究仅进行了单地点思茅松自由授粉家系子代测定林的试验，受试验面积、受测群体样本大小、土壤、试验地环境条件及估算方法的限制，生长性状的遗传参数估计往往有较大的变异，今后应开展思茅松子代测定林的多点试验。此外，尽管树高作为早期选择指标具有更高的遗传性，随着林龄的增加，树高测量难度和误差都将增大，其稳定性低于胸径，胸径作为早期选择因子也同样重要。

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GeneticVariationandEarlySelectionAnalysisofOpen-pollinatedFamiliesofPinuskesiyavar.langbianensis

LIShuai-feng1,2,SUJian-rong1,2,LANGXue-dong1,2,HUANGXiao-bo1,2,MIAOYing-chun1,2,YANGLi-hua3

(1.Research Institute of Resource Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, Yunnan, China;2.Pu’er Forest Eco-system Research Station, State Forestry Administration, Kunming 650224, Yunnan, China;3.Forestry Research Institute of Pu’er Municipality, Pu’er 665000, Yunnan, China)

ObjectiveBased on genetic parameter evaluation of growth traits of open-pollinated family inPinuskesiyavar.langbianensisprogenies plantation, the aims of this study are to select the second generation superior families and trees and obtain better breeding strategy. And also, it intends to provide genetic resources for higher generation seed orchard ofP.kesiyavar.langbianensis.MethodRandomized complete blocks design was applied to survey the diameter at ground height (DGH), diameter at breast height (DBH), height, under-branch height, crown, number of internodium (NO.I), stem straightness (SS), stem fullness (SF), crown fullness (CF), volume and aboveground biomass (AGB) from 214 open-pollinated family progenies. Linear mixed model was used for genetic parameter assessment for superior families and individuals.ResultMost of the growth traits were significantly different among the open-pollinated family progenies inP.kesiyavar.langbianensis. The family heritability of all growth traits were larger than 0.5. The family heritability of DGH was the largest (1.105). The expected genetic gain of volume was more than AGB. The results of inter- and intra-family selection showed that the genetic gain of volume was 60.75% and 60 families were chosen, while the genetic gain of AGB was 44.22% and 66 families were chosen. The correlation analysis showed that NO.I, SS, SF had a significant effect on the volume and AGB.ConclusionDuring early selection, the genetic variation of traits had a vital effect on the superior families and individuals. Four-year-old open-pollinated family progenies contained abundant genetic variation. Superior families and individuals can be selected for different breeding purposes so as to give full play of their genetic potentials.

Pinuskesiyavar.langbianensis；open-pollinating；genetic parameters；family selection；volume；aboveground biomass

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.007

2017-06-25

云南省科技计划项目(2013RA004)和林业公益性行业科研专项项目(201404211)

李帅锋(1982—)，男，副研究员.研究方向：群落生态学，生物多样性与生态系统结构与功能.E-mail:shuaifengli@163.com

* 通讯作者：苏建荣，研究员.研究方向：种群生态学、恢复生态学及生态系统功能与结构.E-mail：jianrongsu@vip.sina.com

S791.24

A

1001-1498(2017)06-929-07

张 玲)