3年生长白落叶松高生长遗传变异与多点稳定性1)

孙英豪 张含国 郝俊飞 侯丹 缪小飞

(林木遗传育种国家重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

长白落叶松(LarixolgensisHenry)具有生长快速、分布广泛、环境适应性好、材质优良等特性，在东北地区人工造林以及森林经营中起到重要作用[1]。因其基因型与环境存在交互作用，所以不同家系有不同的生态区域。因此，在推广一个家系前其稳定性及适应性是考虑的主要因素之一[2]。基因型与环境互作效应决定了一个品种的稳定性，在评价稳定性过程中有效的基因型与环境分析方法起到了至关重要的作用[3-4]。2010年张磊等[5]通过对杂种落叶松稳定性进行分析，表明在分析稳定性时要将不同模型例如George模型，加性主效可乘互作模型(AMMI模型)，Eberhart和Russell的模型，Shukla的稳定性方差等综合考虑，对苗期高生长以及其稳定性进行评价。但林木生长周期长，仅通过稳定性评价苗期高生长存在一些局限性。

在选择育种中育种值作为一个重要参数，高预测精度的林木育种值可以带来高选育效率[6]。育种值是性状表型值中遗传效应的加性效应部分，它反映遗传效应的大小[7]，其中包括固定效应估计以及随机遗传效应预测。在20世纪60—70年代Henderson[8]提出和完善了最佳线性无偏预测(BLUP)法。BLUP是Henderson针对不平衡的资料提出的育种值预测方法，在同一估计方程中既能估计固定的环境效应和遗传效应，同时能预测随机的遗传效应[9-11]。

笔者通过对于不同地点的长白落叶松苗期的稳定性进行多种方法分析评价，并利用ASReml软件进行最佳线性无偏估计(BLUP)并分析育种值，旨在苗期选择生长好稳定性高且遗传效应好的品系，并根据不同地点选择适宜树种，以加快育种进程并提高育种质量。本研究的创新性：一是选取的材料来源于不同种子园，所选取的试验点分布在长白落叶松主要栽培区，具有比较好的代表性，克服了以前研究中地点选择范围小，单一的局限性；二是通过方差分析、稳定性及育种值多方面分析高生长，探究各方法间的联系，可对不同情况选择合适的评价方法。

1 材料与方法

试验材料来源于黑龙江省渤海种子园、错海种子园、鹤岗种子园、林口青山种子园4个种子园的90个自由授粉家系，分别在5个地点营建自由授粉子代林。由于成活率等原因，选取5个地点共有的57个家系以及当地对照进行分析(家系以及相应编号见表1，BS、NB为渤海种子园家系，CH为错海种子园家系，HG为鹤岗种子园家系，LK为林口青山种子园家系，另外每个地点有设当地对照)。

表1 长白落叶松家系编号

试验地分别设在内蒙古自治区赤峰市乌兰坝林场，辽宁省抚顺市哈达林场，黑龙江省宁安市渤海种子园，牡丹江市林口县青山林场，鹤岗市林业局种子园。试验点主要气候为温带季风气候，一年内高温在30至36 ℃，低温在-20至-30 ℃。试验点于2015年春季造林，每个地点分2种设计均采用完全随机区组设计,其一每个家系重复4次，每个小区32株；其二每个家系重复10次，每个小区2株。栽植密度为1.5 m×2.0 m。

使用唐启义编著的DPS统计分析软件进行试验材料稳定性分析，Shukla模型、George模型、Eberhart和Russell模型使用软件中“专业统计→品种区域试验→品种稳定分析”模块进行分析，通过“有重复AMMI模型”模块分析[12]。

使用SPSS24.0的Compaer Means中的One-Way ANOVA软件进行试验材料的单点方差分析。单点方差分析采用的是原始的调查数据，相关性以及稳定性分析采用各家系小区均值。

试验采用完全随机区组，试验的单点分析模型为xijk=μ+Pi+αj+Pαij+eijk，其中总体的均值为μ，区组效应值为Pi，家系效应值为αj，第j家系与第i区组的交互作用值为Pαij，随机误差为eijk[13]。

ASReml是一个统计软件包主要用于混合线性模型分析，包括估计随机效应方差组分的估计，固定效应值的估计以及随机效应值的预测[14]。ASReml根据已经得到的观测值和设计关联矩阵，利用最佳线性无偏估计方法得到固定效应的最佳无偏估计值和利用BLUP方法得到随机效应的最佳无偏预测值[15-16]。

在本试验中表型性状值可以用以下家系模型表示：

yijkl=μ+Si+BSij+Fk+FSik+FSBijk+eijkl。

2 结果与分析

2.1 家系高生长变异

对32株小区4次重复的3年生长白落叶松的树高进行变异分析，按照大小排序前5个家系为变异较大，中间5个为变异居中，后5个为变异较小(表2)，结果显示：长白落叶松家系间存在着丰富的变异，且不同地点之间的变异情况也存在差异。鹤岗、青山、乌兰坝、小北湖和哈达的平均变异系数分别为24.72%，34.17%，24.44%，35.88%和33.05%。其中，鹤岗变异较大的3个家系为HG45、CH139、LK445均值30.24%，变异较小家系为LK555、NB173、HG5均值18.44%，变异较大的3个家系平均值大于当地家系平均值约5.52%,大于变异较小家系平均值约11.8%；青山变异较大的3个家系为CH264、HG6、CH25均值42.24%，变异较小的家系为CH4、CH18、CH211均值22.42%，变异较大的3个家系平均值大于当地家系平均值约8.07%,大于变异较小家系平均值约19.82%；乌兰坝变异较大的3个家系为CH309、LK563、HG22均值35.36%，变异较小家系为HG28、BS349、HG46均值12.93%，变异较大的3个家系平均值大于当地家系平均值约10.92%,大于变异较小家系平均值约22.43%；小北湖变异较大的3个家系为CH18、LK555、NB101均值52.16%，变异较小家系为CH252、CH25、CH278均值18.59%，变异较大的3个家系平均值大于当地家系平均值约16.28%,大于变异较小家系平均值约33.57%；哈达变异较大的3个家系为CH309、CH171、CH264均值45.82%，变异较小家系为LK593、LK122、CH27均值25.72%，变异较大的3个家系平均值大于当地家系平均值约12.77%,大于变异较小家系平均值约22.80%。

根据不同地点内家系变异情况综合分析，家系CH309、HG36、LK450变异较大，均值为34.68%，大于所有家系总平均值约4.22%，大于各地对照均值约3.13%；家系CH25、BS349和BS209变异较小，均值为25.88%。可根据家系间变异进一步进行单点分析。

2.2 单点高生长

对试验材料进行单点方差分析，在方差同质的基础上，对3年生32株小区苗高进行方差分析，结果表明家系间差异均达到了极显著的水平(表3)。其中，生长环境的水热条件适宜的哈达生长最好，平均值为123.07 cm，鹤岗与乌兰坝的生长最差，其均值分别为56.17、56.49 cm。同样的对3年生2株小区进行分析，哈达、小北湖和乌兰坝家系间差异极显著，鹤岗和青山家系间差异不显著。

对于32株小区不同地点的具体分析，鹤岗HG13、HG6、HG5和HG1生长最快，均值为62.36 cm，生长迅速家系超出家系平均值约11.02%，超出当地对照约10.24%；青山CH18、NB186、LK563和BS542生长最快，均值为93.34 cm，生长迅速家系超出家系平均值约27.61%，超出当地对照约35.63%；乌兰坝LK122、LK445、LK563和LK384生长最快，均值为70.28 cm，生长迅速家系超出超出家系平均值约24.41%，超出当地对照约22.10%；小北湖LK384、NB173、CH18和CH29生长最快，均值为108.53 cm，生长迅速家系超出家系平均值约26.95%，超出当地对照约51.96%；哈达BS209 CH27、LK577和CH44生长最快，均值为149.18 cm，生长迅速家系超出家系平均值约21.22%，超出当地对照约19.82%。

通过分析发现CH18、LK563和LK384在生长前4名中出现2次，生长情况较好；在生长较差家系中，CH18和HG48出现2次；同时分析发现，家系在不同地点的生长表现不稳定，可以进一步观察分析。

表3 单点方差分析

注：*表示5%的显著水平；** 表示1%的极显著水平。

2.3 树高生长稳定性

对3年生32株小区的AMMI模型分析表明(表4)，家系间、地点间以及家系×地点之间的差异达极显著的水平(p<0.01)，其方差分量分别为51.11%、41.65%和7.23%，通过F值检验对3年生交互作用的主成分分析的显著性检验，交互作用主成分轴奇异值中达到显著水平的给予保留，不显著的其余部分合并为残差。通过表中的数据我们可以看出，第一乘积项和第二乘积项均达到了极显著水平，第一乘积项解释了互作效应的58.11%，第二乘积项解释了互作效应的23.03%，可以得出AMMI模型共解释互作效应的81.15%。在AMMI模型中稳定性的指标(Di)是反映家系间稳定性的大小，得出的Di的值越小，表明家系越稳定。通过分析得出稳定性排在前列的是LK555、LK450、LK286、LK221、CH264、CH260和CH278。稳定性排在后列的是LK459、HG36、HG48和CH18，稳定性评价比较差。

表4 AMMI模型方差分析

表5 Eberhart和Russell模型方差分析

Shukla模型通过直接将家系与不同地点互作的方差分配于每个品种上，来评价品种的稳定性。品种的方差值越小，在F值不显著时F值越小，品种的评价就越稳定。其中LK221、CH278和CH260的F值最小并且其值不显著，说明其品种稳定性评价较高；LK459、HG36、HG22、HG48和CH25的F值差异极显著，说明其属于极不稳定的家系，这与上述结果中家系LK211、CH260大致相同。57个家系中存在36个家系F值差异不显著，说明可以用Shukla模型来参考评价苗期稳定性。

表6 不同模型的稳定性参数

同样对2株小区进行稳定性分析，32株小区中家系LK555、LK450、LK286、LK221、CH264、CH260、CH278和LK555具有较高稳定性，同样的在2株小区稳定性评价数据中挑选这几个家系(表7)，通过相关参数对比可以得到2株小区的稳定性与32株小区的稳定性情况基本一致，但是通过对比2株小区与32株小区的具体数值可以发现，32株小区的相关模型参数较2株小区体现了更高的稳定性，稳定性评价效果会更好。

表7 不同模型的稳定性参数

2.4 ASReml软件分析

通过R为平台运行ASReml软件分析数据，采用混合线性模型进行分析。通过ASReml计算不同家系的育种值，以及不同地点内家系的育种值。按照育种值大小进行排序，下表内是3年生苗部分育种值数据。对5个地点32株小区分析得到的育种值进行排序,选择育种值较高的家系列表(表8)，HG22、CH27和HG45的育种值最高。育种值大于1的家系有HG22、CH27、HG45、BS209、LK384、HG1、LK563、CH309和NB186，在每个地点都有较好的表现。

表8 家系育种值分析

对各个地点内的家系分析其育种值，按照每个地点家系育种值大小进行排序(表9)，小北湖的LK384、CH27和CH18育种值最高；哈达的BS18、BS209和CH27的育种值最高；鹤岗的HG36、BS209和HG1的育种值最高；青山的CH18、LK384和NB186的育种值最高；乌兰坝的LK563、HG45和HG5的育种值最高。

对5个地点内2株小区的育种值进行排序，选择各地育种值较高的家系列表(表8)，HG13、CH18、BS209的育种值最高。对每个地点分析其育种值，按大小排序，小北湖的LK384、CH18和CH29育种值最高；哈达的CH27、BS209和BS18的育种值最高；鹤岗的HG36、HG48和HG13的育种值最高；青山的CH18、NB186和LK563的育种值最高；乌兰坝的HG5、LK445和LK563的育种值最高。相比于32株小区，通过分析2株小区得到的育种值普遍更高。与各地的高生长对比来看，各地育种值高的家系也具有良好的高生长，其排名基本一致。

表9 各地点家系育种值分析

3 结论与讨论

长白落叶松家系间存在丰富的变异，鹤岗地点HG45、CH139、LK445变异较大，LK555、NB173、HG5变异较小；青山CH264、HG6、CH25变异较大，CH4、CH18、CH211变异较小；乌兰坝CH309、LK563、HG22变异较大，HG28、BS349、HG46变异较小；小北湖CH18、LK555、NB101变异较大，CH252、CH25、CH278变异较小；哈达CH309、CH171、CH264变异较大，LK593、LK122、CH27变异较小。

评价稳定性时经常采用4种稳定性评价方法，一般采取多种评价方法综合分析稳定性可以更好的弥补各种评价方法的不足。在Eberhart和Russell模型中，实际测量的数据中，家系的离回归均方与0有显著差异，模型评价不可靠。AMMI模型、George模型以及Shukla模型所得到的稳定性基本一致，并且与各地家系的真实表现相一致。所以在评价长白落叶松时应以AMMI模型为主，综合考虑George模型以及Shukla模型评价长白落叶松苗期高生长稳定性。在AMMI模型中，家系间、地点间和家系×地点的差异都为极显著，其方差分量分别为51.11%、41.65%和7.23%，AMMI模型解释了81.15%的交互作用，用AMMI模型分析交互作用更为准确。通过AMMI模型分析筛选出稳定性较好的家系为LK555、LK450、LK286、LK221、CH264、CH260和CH278。George模型分析得到LK555、LK286、CH264、NB129和CH260稳定性高。Shukla模型分析得到LK221、CH278和CH260的稳定性高。

通过ASReml软件实现对家系育种值的估算。总体上家系HG22、CH27和HG45的育种值高。每个地点来看，32株小区中鹤岗的HG36、BS209、HG1，青山的CH18、LK384、NB186，乌兰坝的LK563、HG45、HG5，小北湖的LK384、CH27、CH18，哈达的BS18、BS209、CH27的育种值较高。综合分析，选择出生长量大、稳定性好、育种值高的家系：LK122、NB186、LK299为优良家系，BS542、LK563、BS309、HG45和HG46为较好家系。不同地点分析，得到小北湖的LK384、CH18和CH29为优良家系，NB173、CH303、BS129、BS309和HG48为较好家系；哈达的CH27、BS209和BS18为优良家系，BS18、CH309、LK577、HG45和LK644为较好家系；鹤岗的HG36、HG48和HG13为优良家系，HG38、HG1、HG22、HG6和HG15为较好家系；青山的CH18、NB186和LK563为优良家系，CH27、BS542、CH211、LK286和CH161为较好家系；乌兰坝的HG5、LK445和LK563为优良家系，CH309、CH211、LK122、BS21和HG1为较好家系。

育种值表示的是基因的加性效应，是微效基因的累加。家系小区32株4次重复与家系小区2株10次重复相比，家系小区2株10个小区得到的育种值更高。相比较32株小区与2株小区，2株小区同一地点家系间的环境变化相对更小，且区组内的光照、土壤肥力等环境条件变化更小、更一致，使得家系的加性效应有更显著的累加，从而育种值较更大一些。孙晓梅[6]通过BLUP分析日本落叶松时，也表明在环境条件变化小时，树高的育种值分析结果更好。何国华[15]使用ASReml软件对8年生桉树的4个性状的估算，同样得出在环境条件变化小时，模型的拟合效果更好。