航天诱变白桦生长性状分析

马 庆 李芳蕊 刘桂丰 李慧玉

（东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室，哈尔滨 150040）

白桦（Betula platyphylla）属桦木科（Betulaceae Gray）桦木属（Betula Linn.）植物，是我国高山林区广泛分布的阔叶树种。白桦具有生长快、适应性强、木材纹理直、结构细、耐腐蚀等特点，是重要的工业用材树种。白桦的良种选育研究自国家“八五”开始，相继开展了种源试验、优树选择及子代测定、强化育种、倍性育种、杂交育种等研究工作［1～10］，取得了一定的成绩。但林木生长周期长及育种效率较低等特点限制了白桦的育种进程。

20 世纪60 年代初，前苏联学者研究报道了空间飞行对植物种子的影响后，航天诱变育种以其诱变频率高、变异幅度大、育种周期短和有利突变体多等特点引起育种工作者的关注。自1987年开始，我国已经利用航天诱变技术培育出许多优质的植物品种［11～25］，其中水稻（Oryza sativa），小麦（Triticum aestivum），番茄（Solanum lycopersicum），青椒（Capsicum annuum）等多种农作物中通过航天诱变育种获得了高产量、营养丰富、生长周期短、多抗性的新品种；一串红（Salvia splendens Ker⁃Gawler），万寿菊（Tagetes erecta），醉蝶（Cleome spi⁃nosa），矮牵牛（Petunia hybrida（J.D.Hooker）Vilmo⁃rin）等花卉，通过航天诱变育种获得了花型变化、花期延长、花色变异的新品种。然而航天诱变在林木遗传育种工作中的应用起步较晚。2002 年3月“神州3 号”宇宙飞船搭载葡萄（Vitis L.）及树莓（Rubus idaeus）等林木花卉种子飞上太空，自此开始了我国林木航天诱变育种的试验。到目前为止，我国利用宇宙飞船或返回式科学卫星先后搭载了白皮松（Pinus bungeana Zucc.）、红松（Pinus koraiensis）、落叶松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen.）、红皮云杉（Picea koraiensis Nakai）、大青杨（Populus ussuriensis Kom.）、红 毛 柳（Chosenia arbutifolia（Pall.）A.Skv）等20多种林木的种子。但关于这些航天诱变的木本植物材料地面培养的后续研究报道较少。

2003 年11 月，本团队将白桦4 个家系的种子搭载我国第18 颗返回式卫星飞上太空，经过18 天的太空“旅行”后顺利返回［26］。前期分别对航天搭载白桦2 年生及5 年生的生长性状进行了调查分析发现，不同家系航天诱变效应不同HT98-4 家系树高显著低于地面对照，而其他3 个家系恰恰相反［27］。笔者跟踪调查了15年生航天搭载白桦的生长性状，并对2 年生，5 年生及15 年生航天搭载白桦的生长性状进行了综合分析，绘制生长曲线。通过探讨航天诱变对白桦家系的影响，筛选出长势优良的白桦家系，为今后白桦航天诱变育种的深入研究提供资料。

1 材料与方法

1.1 材料

2003 年7 月于东北林业大学白桦强化种子园选择4 株优树98-1、98-2、98-3、98-4 并采集其种子，每株优树采集10 g种子，分为2 份，各5 g，一份于2003 年11 月利用返回式卫星进行航天诱变处理，称为HT-1、HT-2、HT-3、HT-4，另一份留作地面对照，分别命名为CK-1、CK-2、CK-3、CK-4。2004年5 月初在东北林业大学强化种子园进行HT 及CK 的播种育苗，获得白桦苗木5 000 余株，2005年早春将白桦苗木移栽至花盆中，置于白桦育种基地进行常规管理；2006年分别于黑龙江省哈尔滨市孙家站和黑龙江省尚志市帽儿山林场造林。帽儿山林场（127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N），平均海拔370 m，土壤类型为暗棕壤，造林地坡向西南，坡度为15°，坡位为中坡位。按完全随机区组设计，重复3 次，每小区30 株双行排列，株行距为2 m ×2 m。处理之间用1列云杉间隔，区组之间用2行云杉间隔，试验区周围用2行或2列云杉保护。

1.2 试验方法

2019 年3 月使用胸径尺及超声波测高仪测定帽儿山林场15年生航天诱变白桦家系及地面对照家系的树高（H）、胸径（DBH）。其中HT1、HT-2、HT-3、HT-4 分别测定了66、69、59 及56 株，4 个家系的地面对照分别测定了57、62、64及71株。

1.3 分析方法

根据测定的树高及胸径计算单株材积（V），木材单株材积按照张广才岭地区白桦的二元材积表［29］计算单株材积：

运用SPSS11.0 统计分析软件对数据进行独立样本t检验［28］。

重复力计算公式为：

根据生长性状对比结果选择优于地面对照的家系及对应性状计算航天诱变导致的突变增益，使用公式为：

式中：W 为选择差，-X 为某一性状地面对照的平均值。

使用航天搭载家系及地面对照家系的树高及树龄数据，根据已有的张广才岭地区白桦树高生长方程，选取Compertz 模型：y = Ae-be-ct拟合树高生长方程［30］。

2 结果与分析

2.1 航天搭载白桦家系树龄15年的生长性状对比

对定植于哈尔滨帽儿山林场15年生白桦各家系保存率、树高、胸径进行测定，并计算材积，结果表明：HT1、HT-2、HT-3、HT-4 家系保存率分别为：73.3%、76.7%、65.6%及62.2%，其对应的地面对照家 系 保 存 率 分 别 为：63.3%、68.9%、71.1% 及78.9%。与地面对照家系相比，HT-1、HT-2及HT-3家系树高增加，尤其是HT-1 家系，与地面对照差异达到极显著水平（见表1），该家系平均树高比地面对照高7.31%。而HT-4 家系表现为矮化，家系的平均树高显著低于地面对照，比地面对照低6.16%。HT-1、HT-2 及HT-3 家系材积也高于其对照家系，但差异不显著。

2.2 航天搭载白桦树龄变异参数

15年生航天搭载白桦及地面对照表型变异参数见表2。在树高方面，8 个家系重复力最高为0.980（CK-4），最低为0.695（CK-3）；表型变异系数（PCV）最高为25.28%（CK-4），最低为11.20%（CK-1）；突变增益最高为7.31%（HT-1）。在胸径方面，8 个家系重复力最高为0.882（CK-1），最低为0.290（HT-3），其中98-3 家系的两个处理重复力相较于其他家系较低；表型变异系数（PCV）最高为35.96%（CK-4），最低为20.60%（CK-3）；突变增益最高为4.20%（HT-3）。

2.3 优良家系的选择

以15 年生白桦的生长性状为依据，在方差分析的基础上，对树高差异达到显著水平的HT-1 进行了家系内优良单株的选择，选择是以树高为目标，HT-1 家系以-x+2S 为标准，选出了4 株优良单株，入选的优良单株树高为14.8～16.7 m，胸径为12.4～13.8 cm，材积为0.088 190～0.106 105 m3。在这些优良单株中生长量最大，树高达16.7 m，单株突变增益达到35.77%，胸径和材积的增益达到了7.03%和49.65%（见表3）。

表1 15年生航天搭载白桦生长性状对比Table 1 Comparison of growth traits of birch carried on spacecraft in 15 years

表2 15年生航天搭载白桦表型变异参数Table 2 Phenotypic variation parameters of birch on board 15 years old

表3 航天搭载优良家系HT-1当代15年生优良白桦苗木的生长性状排序表Table 3 Ranking of growth traits of contemporary 15-year-old birch seedlings carried by spaceflight

表4 树高生长方程拟合结果Table 4 Fitting results of tree height growth equation

2.4 生长方程拟合

通过对15年生航天诱变白桦及地面对照的方差分析，确定HT-1、HT-4 与其地面对照在树高生长中存在显著差异，故拟合其树高生长方程，以预测其树高性状在未来的发展（见图1）。树高方程拟合原型为逻辑斯蒂方程y = Ae-be-ct，在方程中A代表林木生长方程中树木高生长的极大值，且树高生长方程为S 形曲线，存在拐点（X=Lnb/c，Y=a/e）。各家系树高生长方程拟合效率较好，R2值均在0.9 左右（0.882～0.947）。预测树高生长最大值范围是（21.5～36.2），其中HT-1相较于CK-1的预估树高生长最大值增加最大，为10.6 m。经方程参数计算得知方程拐点，经过拐点时树高生长方程由指数形式转变为对数形式。大部分家系在树龄达到10 年左右时（9～12 年）生长速度达到最大值，而HT-1在树龄达到15年时生长速率达到最大值，此时树高为13.3 m。

3 讨论

我国自2002年木本植物航天诱变育种开始以来，已经获得了一些生长量增加的林木品种。前苏联通过航天诱变获得了速生的枞树［21］，美国航天育种中心则培育了生长量增加、果实产量增加且营养成分更为丰富的地瓜树［31］。华山松和白皮松航天诱变家系苗期的苗高和地径显著高于地面对照［24］。然而由于诱变技术本身的不确定性以及不同家系间的遗传差异，航天诱变技术对家系种子产生的作用也不尽相同，产生的变异对性状的影响也不统一。就桑树而言，苗木达8个月龄时移栽到试验地，观察到卫星搭载家系与地面对照植株生长存在较大差异；航天搭载各家系的植株侧枝发生，侧枝数量，单株间的产叶量等性状差距较大［23］。本研究中经航天搭载处理后的4 个白桦家系，其种子活力也不尽相同，但总体趋势是航天诱变后对种子活力表现为促进作用。从发芽率、发芽势和成苗率综合分析表明，HT-1 的正向变化较为明显［27］。跟踪调查2年、5年及15年的航天搭载的4个白桦家系生长性状，各家系间的变异不尽相同。2年生的HT-1、HT-2、HT-4的苗高与地面对照的差异达到了极显著水平，HT-1、HT-4 两个家系的地径与地面对照的差异也达到了显著水平，HT-2家系的地径与地面对照之间没有显著差异，HT-3家系的苗高、地径与对照均没有显著差异；5 年生时只有HT-1 和HT-4 家系与地面对照表现明显的差异，这2个家系的变异是HT-1的树高、胸径平均值高于地面对照，相反HT-4 家系的树高、胸径平均值低于地面对照；而15 年生时HT-1 和HT-4 与地面对照仅在树高方面差异明显，其中HT-1 的树高平均值高于地面对照7.31%，HT-4 相较于地面对照表现为矮化，低于地面对照6.16%。2 年、5 年及15年航天搭载白桦的生长性状的差距始终存在且趋势保持一致，不同的是随着树龄的增加，部分航天搭载白桦的生长性状与地面对照的差异由显著变为不显著。而HT-1 与HT-4 的树高与地面对照则始终存在显著差异。航天诱变育种产生的HT-1 及HT-4 家系产生了不同于地面家系的生长性状，可能是遗传背景不同，对航天诱变的敏感程度差异所导致；也可能是空间环境影响了哪些基因的表达，以上推测均有待于进一步研究。

航天诱变育种产生的HT 家系及地面对照在树高、胸径方面的重复力除98-3 家系的胸径性状外，都属于高重复力（>0.5），说明航天诱变对同一家系的种子产生的诱变结果相似。航天诱变产生的突变在HT-1 的树高性状方面产生的突变增益最大，达到了7.31%。与常规育种相比，航天诱变能够形成父本及母本没有的优良性状。当航天诱变以常规育种的良种为突变材料时，有机会获得相较于地面良种更为优良的性状。航天诱变产生的良种则能够作为常规育种的材料，通过常规育种的方式获得能够稳定遗传的良种。