果用皂荚优良无性系选育研究

韩丽君

（山西省林业和草原科学研究院，太原 030012）

0 引言

皂荚(Gleditsia sinensis)为豆科皂荚属乔木，是中国特有的乡土树种。皂荚在中国分布广泛，分布面积达国土面积50%左右，在山西、河南、河北、陕西、山东、北京、贵州、云南等省（区）均有分布[1-2]。皂荚耐旱、耐干热、耐寒冷、抗病虫害，并兼具固氮改土的生态功能[3]。皂荚还具有极高的经济价值，不仅材质优良，而且荚果中含有三萜类皂甙等天然活性成分（皂荚素），在医药、食品和日用化工等方面具有着广泛的应用前景[4]。从皂荚种子中分离出的胚乳制成的瓜尔胶，是重要的战略原料资源[5]，胚乳还是一种亚油酸含量高、脂肪低、氨基酸齐全、矿质元素丰富，经济价值较高的营养保健食物[6]；从皂荚刺中提取的黄酮类化合物、皂荚的浓缩液具有抗癌特性，被列为抗癌中草药之一[7]。皂荚在中国虽然分布很广，但是由于长期的人为采伐利用和自生自灭过程，天然种质资源丢失严重，中国境内仅保留残次疏林、个体（丛、簇）或散生木，群体处于濒危状态[3,8]。

近年来，随着国内外对果用皂荚研究的深入，已经从种质资源调查、育苗栽培技术、有效化学成分分析与利用等方面[9-11]，扩展到分子层面的遗传多样性分析、亲缘关系鉴定、遗传图谱构建及功能基因挖掘，皂荚转录组数据采集[12-14]。在果用皂荚研究方面，EST-SSR、AFLP、SRAP 等分子标记技术的应用，对果用皂荚的遗传多样性分析，DNA 指纹图谱构建，以及种质资源鉴定等提供了科学依据[15-16]。但目前研究主要集中在日用化工、医药、食用、化学添加剂、有害生物防治、污染防治等方面[16-20]，对皂荚的种质资源及良种选育的研究相对较少，仅见郝向春等[21]选育出果刺两用皂荚优良无性系；李伟等[22]对皂荚南方产区18 个种源174 个家系在重庆市秀山县播种育苗，营建资源收集圃进行异地保存；顾万春等[23]对中国皂荚北方产区6 个省市的8 个种源进行收集保存，构建了皂荚北方产区的核心种质，选出4个优良产地和4个优异地方品种。近年来，随着皂荚果用产业的发展，早产、丰产、稳产、质优的果用皂荚品种的匮乏严重制约了产业的规模化发展。本研究在前期对果用皂荚优良单株筛选的基础上，对其中表型和经济指标表现较好的6 个单株进行无性系测定和区域试验，利用主成分分析、遗传稳定性分析和适应性分析等方法进行综合评定，对果用皂荚无性系进行决选，旨在为果用皂荚无性系育种选育提供理依据论。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

无性系测定林位于运城市盐湖区西姚村(E1)。区域试验林分别位于运城市盐湖区西姚村(E1)、襄汾县西贾乡义顺村(E2)、平顺县阳高乡阳高村(E3)等3 个气候差异明显的地区（表1，图1）。试验地均选择在山坡下位半阴坡，土壤为褐土，灌木层建群种为野皂荚的地块进行。采用带状割灌鱼鳞坑扩穴整地，野皂荚按株行距3 m×4 m 定株，定植点鱼鳞坑扩穴整地，规格为80 cm×60 cm×40 cm。

图1 果用皂荚优良无性系选育分布图

表1 无性系测定和区域试验地点的地理和气候信息

1.2 无性系测定

以前期筛选出的56 株候选优树为研究基础（图1），连续2年测定鲜荚产量、荚果质量、果壳比例、果壳皂苷含量、千粒质量、出籽率等6个表型和经济性状指标，根据各性状的平均值和标准差确定各量化指标的基础值（平均值加上2 个标准差作为其基础值），制定果用皂荚优树初选指标如表2，获得初选优树6 株（表3）。

表2 果用皂荚优树初选指标

表3 初选优树基本信息

在考虑优树综合性状和选育目标的前提下，在运城市盐湖区西姚村(E1)营造无性系测定林（图1）。于2011 年4 月上旬，采集6 个初选优树的树冠外围中上部生长健壮、芽饱满、无病虫害，粗度0.6～1.0 cm 的1年生枝条，同时以相同标准采集1 个当地皂荚主载品种枝条为对照（CK，表2），制作成接穗后嫁接到同一年播种的本地种源的野皂荚砧木上，砧木定株密度为株行距3 m×4 m，地径约3 cm，高度15±2 cm，嫁接方法为插皮接。无性系嫁接采用完全随机区组设计，4 次重复，每个无性系30株小区，四周设置两行保护带，保护带按同样株行距，以野皂荚为砧木嫁接当地皂荚品种。

优树无性系在嫁接后第6 年进入盛果初期，之后连续4 年（2016—2019 年）对7 个无性系进行性状调查。首先统计结果株数，计算结果株率，然后在各无性系每个小区中随机选取6株，将每株皂荚果全采，测量鲜荚产量；再将果混匀，随机抽取30个荚果，测量荚果长、荚果厚、荚果宽、荚果质量、千粒质量、果壳皂苷含量，计算出籽率和果壳比例。果壳皂苷测定按照中华人民共和国林业行业标准《皂荚皂苷》（LY/T 3151—2019）进行。

1.3 区域测试

为缩短育种年限，区域化试验与无性系测定同时进行。2013 年4 月初，对6 个优树无性系，在3 个不同生态类型的地区(E1、E2、E3)建区试林，分别选择1个当地主栽品种无性系为对照(CKE)。采用无形性测定林营建的方法，随机区组设计，每小区30株，块状排列，4次重复。同一区组内立地条件、树龄一致，管理措施相同。四周设置两行保护带，保护带按同样株行距，以野皂荚为砧木嫁接皂荚。从第6 年开始，连续4 年（2018—2021年）对7个无性系进行性状调查。

每个候选优树随机选择30个无病虫害荚果，用游标卡尺（精度为0.1 cm）测定荚果的最长、最宽、最厚处作为荚果长、荚果宽、荚果厚。将荚果在65 ℃烘干至恒重后，用电子天平（精度0.1 g）测定荚果质量、果壳质量、种籽质量。采用四分法随机抽取1000粒种籽用电子天平（精度0.1 g）测千粒质量。在每个候选优树的每个小区内，随机测量10株的4个垂直方向的冠幅，计算鲜荚产量。

1.4 数据分析

出籽率见公式(1)。

果壳比例见公式(2)。

结果株率见公式(3)。

鲜荚产量见公式(4)。

式中树冠投影面积见公式(5)。

无性系重复力(R)见公式(6)[24]。

式中F为统计量。

遗传变异系数(C)见公式(7)[25]。

式中S为标准差；X为某一性状的平均值。

利用SPSS 22 进行单因素方差分析、多重比较分析和主成分分析。遗传×环境互作效应分析、无性系生长量与环境指数的回归系数bi利用R 4.0.2计算。

2 结果与分析

2.1 无性系测定

2.1.1 生长性状和经济性状比较无性系之间，荚果最长的无性系是LKZG-004，荚果最宽的无性系是LKZG-015和LKZG-023，荚果最厚的无性系是LKZG-001，荚果质量最大的无性系是LKZG-004，千粒质量最大的无性系是LKZG-023，出籽率最高的无性系是LKZG-023，果壳比例最高的无性系是LKZG-009，果壳皂苷含量最高的无性系是LKZG-023（表4）。各性状的差异均达到极显著(P＜0.01)，除皂苷含量外，各性状的变异幅度均较大，荚果长、荚果厚、荚果宽、荚果质量、千粒质量、出籽率、果壳比例、皂苷比例等性状的最大值分别为最小值的1.50、1.58、1.87、1.94、1.42、2.10、1.25、2.45倍。果壳比例变异系数最小(7.2%)，皂苷含量变异系数最大(27.82%)，说明果用皂荚无性系不同性状的变异程度差异较大（表5）。无性系的各项性状的重复力均在0.90以上，表明同一无性系的性状保持高度一致，具有较好的稳定性。上述结果表明，无性系之间存在较丰富的变异基础，并且各性状均受到较强的遗传因素控制。

表4 无性系生长性状与经济性状调查表

表5 无性系性状方差分析及遗传参数

2.1.2 早实性及丰产性评价图2 可见，不同无性系的结果株率存在明显差异，LKZG-009的早实性最好，平均结果株率为80.3%，其次是LKZG-023，平均结果株率为77%，分别比CK提高15.2%和10%。早实性最差的为LKZG-015，平均结果株率为48.7%。由图3 可见，无性系间的鲜荚产量存在着显著差异，LKZG-004的丰产性最好，平均单位面积鲜荚产量为61个/m2，其次是LKZG-023，平均单位面积鲜荚产量为53 个/m2，比对照分别提高39.3%和30.1%。LKZG-009 的丰产性最差，平均单位面积鲜荚产量为31个/m2。

图2 无性系结果株率比较

图3 无性系荚果产量比较

2.1.3 性状综合评价采用主成分分析法对6个无性系和CK 进行综合评定。由表6 可知，主成分Y1具有最大的贡献率31.34%，涵盖荚果厚、荚果宽、荚果质量，皂苷含量等指标；主成分Y2贡献率为29.64%，涵盖鲜荚产量、果长、出籽率和果壳比例等指标；主成分Y3贡献率为15.69%，涵盖结果株率、荚果产量等指标；主成分Y4贡献率为14.73%，涵盖千粒重指标。4 个主成分的累积贡献率达到91.40%。

表6 无性系性状主成分分析

7个无性系中，无性系LKZG-004的9个性状综合得分(90.09)最高，主要得益于F1公因子得分较高；LKZG-023无性系得分(11.71)排名第2，主要得益于各公因子得分较均衡。与CK相比，LKZG-004无性系荚果长提高29%、荚果宽提高21%、荚果质量提高59%、荚果产量提高69.4%；LKZG-023无性系千粒质量提高31%、出籽率提高95%、果壳皂苷含量提高58%（表7）。在7个参试的果用皂荚无性系中，LKZG-004无性系荚果最长、荚果最宽、荚果质量最大、丰产性最好，LKZG-023无性系千粒质量最大、出籽率最高、果壳皂苷含量最高。

表7 主成分分析综合评价得分表

2.2 区域测试

2.2.1 不同地点果用皂荚无性系表型和经济性状比较E1、E2、E33个地点荚果长平均值变化范围为22.22(E1)～31.06(E1)，荚果厚平均值变化范围为9.30(E1)～13.90(E2)，荚果宽平均值变化范围为4.17(E2)～2.50(E2)，荚果质量平均值变化范围为29.01(E3)～54.02(E1)，千粒质量平均值变化范围为747.20(E1)～528.40(E1)，出籽率平均值变化范围为32.43(E3)～15.27(E1)，果壳比例平均值变化范围为67.57(E3)～84.73(E1)，鲜荚产量平均值变化范围为24.67(E1)～58.32(E3)。分析表明，LKZG-004 无性系荚果最长、荚果质量最大、丰产性最好，LKZG-023无性系荚果最宽、千粒质量最大、出籽率最高、丰产性仅次于LKZG-004无性系（表8）。

表8 不同地点无性系表型和经济性状均值

2.2.2 遗传×环境互作效应分析对果用皂荚不同地点不同无性系的荚果长、荚果厚、荚果宽、荚果质量、千粒质量、出籽率、荚果产量等7个性状指标的方差分析见表9。各指标在无性系间存在极显著差异，在不同地点间荚果厚、荚果宽、出籽率和鲜荚产量存在显著或极显著差异，无性系与地点的交互作用间除出籽率和荚果产量外均存在显著或极显著差异。结果表明荚果质量受遗传的影响较大，其余受遗传和环境的交互作用影响较大。

表9 果用皂荚无性系遗传×环境互作效应分析

2.2.3 LKZG-004和LKZG-023的性状稳定性和适应性评价无性系测定筛选出的2 个综合性状优良的无性系——LKZG-004 和LKZG-023，在3 个地点的区域试验结果见表10。LKZG-004无性系在不同地点的荚果长和荚果质量都没有显著差异，是较稳定的无性系。LKZG-023无性系的千粒质量在E3试验点与无性系测定林差异极显著，E1、E2试验点与无性系测定林差异不显著，说明LKZG-023无性系稳定性比LKZG-004无性系差，不适合在E3试验点栽植。

表10 LKZG-004和LKZG-023无性系性状比较

利用LKZG-004和LKZG-023的稳定性状（LKZG-004是荚果长和荚果质量，LKZG-023是千粒质量和出籽率）与环境指数的回归系数bi值进行生长适应性评价。bi=1，表示该无性系具有平均适应效应，对栽培环境无特殊要求；bi＞1，表示无性系适应性低于平均值，在较好的环境条件下才能表现优良；bi＜1，表示无性系对环境要求不高，可以在较差的环境条件下进行栽培[26]。分析表明，无性系LKZG-004的特殊性状（荚果长和荚果质量）的回归系数bi值分别为0.57和0.57，说明LKZG-004 无性系对环境要求不高，具有较强的适应性，无性系LKZG-023 特殊性状千粒质量的回归系数bi值为1.49，说明LKZG-023 无性系对环境要求较高，只适宜于较好的环境条件栽培（见表11）。

表11 3个地点果用皂荚优良无性系适应性参数

3 讨论

皂荚荚果的表型性状和经济性状是决定果用皂荚用途的主要依据，研究荚果的表型和经济性状及其影响因素，可为科学开展果用皂荚选育提供必要参考。荚果长、荚果厚、荚果宽、荚果质量、千粒质量、出籽率、果壳比例、果壳皂苷含量是反映荚果品质的关键指标。本研究结果表明，果用皂荚无性系间的关键性状指标存在丰富的变异，变异系数变幅为7.2%～27.82%，皂苷含量在所有性状中变异最大，可能与其对环境反应最敏感有关[27]。

本研究选择了适合皂荚嫁接繁殖的野皂荚作为砧木，以确保嫁接的成活率与良好生长[29]。已有研究表明，不同的砧木对繁殖材料的性状指标有显著影响[28]。本研究的无性系测试采用嫁接繁殖进行，为最大程度避免砧木对接穗的性状产生扰动，各无性系接穗选择了生长状况基本一致的本地种源野皂荚作为砧木。研究还发现，皂荚无性系的性状变异来源主要为遗传效应，而嫁接繁殖效应和无性系与砧木的互作效应对其的影响较小。

果用皂荚无性系各性状具有较高的重复力，说明这些性状受较强的遗传控制[30]，而高变异和高重复力有利于无性系选择[31]。但林木优良性状价值及其推广应用，不仅取决于生长量的绝对值或某一特殊性状，而且在很大程度上还取决于其稳定性和生长的适应性[32]。许多林木育种的区域化试验研究表明，基因型与环境存在显著的交互效应[33]。本研究同样发现，多数无性系的性状与地点的交互作用存在显著或极显著差异，表明种植于不同地点的果用皂荚无性系，与环境有较强的交互作用。出籽率没有显著差异可能源于其对环境影响不灵敏，荚果产量没有显著差异可能和树龄小有关。

本试验中无性系LKZG-004 稳定性较好，而无性系LKZG-023稳定性较差。可能因为不同无性系对环境的适应性常存在差异[34]。无性系LKZG-004 的bi值分别为0.57和0.07，表明LKZG-004具较强的适应性，无性系LKZG-023的bi值分别为1.49和0.18，表明其具有特殊的适应性。适应性分析结果说明无性系LKZG-004对3个地点均有很强的适应性，对环境要求不高；而无性系LKZG-023 最适栽培地点为E1、E2，这种依靠bi值反映环境适应性的结论与Mori等[35]对桉树(Eucalyptus)的研究结果相似。

4 结论

本研究对6个优树无性系进行无性系测定和区域化试验，针对果用皂荚无性系表型性状和经济性状进行早实性评价、丰产性评价、稳定性评价和适应性评价，选育出性状优良并可以在生产中推广应用的2 个优良无性系：LKZG-004 和LKZG-023。其中，LKZG-004无性系与对照相比，荚果长提高29%、荚果宽提高21%、荚果质量提高59%、荚果产量提高69.4%；LKZG-023无性系与对照相比，千粒质量提高31%、出籽率提高95%、果壳皂苷含量提高58%。