白桦半同胞家系纸浆材优良家系选择及选择方法评价

陈柄华 张 杰 刘桂丰 李思婷 高元科 李慧玉 李天芳

（1.东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室，哈尔滨 150040；2.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150040；3.吉林省永吉县林业局，永吉 132200）

自2010 年以来，我国纸浆进口率由14.3%提高到了38.0%，进口依存度不断攀升，国内木材供应远远不能满足造纸业的需求。2020年我国纸浆生产中木材纸浆的占比只有20%，严重威胁到了我国的木材安全。因此，基于我国当前纸浆产量不高，森林资源不足，木材纸浆占比不大的问题，培育优质纸浆材树种，是提高工业纸浆原料产量的重中之重［1］。

我国在杨树（Populus）、马尾松（Pinus massoniana）、桉树（Eucalyptus robusta）等树种在纸浆材良种研究中有了一定的突破。我国从1946年就已经开始了杨树良种选育工作，目前杨树纸浆材培育开始由粗放型向定向型转变，充分利用杨树的生长快、成材早等特点，成功培育出如“鲁林”系列杨树纸浆材良种［2-3］。马尾松纸浆材选育工作始于“八五”时期，围绕材性变异、造纸性能群体变异、幼-成龄材性相关等方面做了深入的研究，发现20年生马尾松木材制浆性能有一定优越性；并揭示晚材率是影响木材密度的关键因子［4-5］。桉树是我国重要的纸浆材树种之一，在良种选育展开了高纤维纸浆材新品系筛选及纸浆得率、产量与质量形成机理等方面研究。

白桦（Betula platyphylla）是东北地区的重要阔叶乡土速生树种之一，广泛分布于14个省区，其中2/3 集中在东北地区。白桦生长快、适应性强，是森林更新的先锋树种，同时白桦纤维长度及长宽比，木材密度和木材化学成分等方面均符合纸浆造纸需求，也是非常优良的纸浆材树种［6］，自20 世纪80 年代起，我国相继开展了全分布区白桦种源试验，将17 个种源划分为5 个种源区。通过杂交育种、基因工程育种、航天诱变育种及倍性育种等方面的白桦遗传改良研究［7-9］，选育出一批以速生为育种目标的国家级和省部级（认定）良种及新品种。但目前国内在白桦良种选育方面研究涉及到纸浆材部分比较缺乏，祝泽兵等［10］对5 年生50 个白桦自由授粉家系的生长和材性性状进行遗传分析，通过指数选择法选择出7个生长和材性兼优的纸浆材家系；宁坤等［11］通过对帽儿山地区6 年生49 个家系为实验材料，通过生长性状和材性性状综合分析进行筛选白桦优良纸浆材家系。基于此，本研究以7年生白桦强化种子园制种母树自由授粉子代为试材，分析生长和木材性状等10 个生理指标的遗传变异规律，通过多性状综合分析开展家系和母树选择，并对3种不同选择方法结果进行综合评价，以期为培育优良白桦纸浆材新品种和种子园的改建提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

在东北林业大学白桦强化种子园（45°43′N，126°38′E），对32 株制种母树进行自由授粉，2013年采种，2014 年在白桦选育基地大棚播种育苗，2015年春在黑龙江省尚志市东北林业大学帽儿山实验林场（45°14′N，127°29′E）开展造林试验。该造林地属于长白山系张广才岭西坡小岭余脉，低山丘陵地貌，暗棕壤，平均海拔300 m，年平均气温2.8 ℃，无霜期120 d，年平均降水量723 mm。采用完全随机区组设计，5 个区组，10 株小区，单行排列，株行距4 m×1 m。

1.2 方法

1.2.1 生长性状的测定

2021年10月对定植于帽儿山实验林场的32个家系树高（H）和胸径（DBH）等生长指标进行全林调查。

利用白桦二元材积表公式计算单株材积（V）：

1.2.2 材性性状测定

每个家系随机选取10 株，每株取阳面中部1 个活枝，基部截取4 组（A，B，C，D）2 cm 长度的小木段，A组在测定基本密度（DB）之后与B、C组一同用于木质素（L）、纤维素（C）、半纤维素（CH）测定，D组则用于纤维长度（FL）和纤维宽度（FW）测定。采用国标GB-1933-1991 测量并计算待测样品的基本密度；采用硫酸蒽酮比色法测定植物纤维素含量；采用盐酸水解法测定植物半纤维素含量；采用浓硫酸法测定植物木质素含量。采用桀弗雷法解离，在光学显微镜下测量其纤维的长度及宽度，每个株系随机测定100根完整的纤维，并计算纤维长宽比（RFLW）。

1.2.3 数据分析方法

利用SPSS 26、Minitab 19 等软件进行数据处理和分析，采用R 语言绘制相关性分析图和计算各性状育种值。使用Pearson 公式进行性状相关性分析；用布雷金多性状综合评价法、主成分分析法和育种值3种方法进行家系评价。

生长性状方差分析线性模型公式：

式中：μ为总体平均值；Fi为家系间效应；Bj为区组间效应；FBij为家系和区组之间的交互效应；eijk为随机误差。

材性性状方差分析线性模型公式：

式中：μ为总体平均值；Fi为家系间效应；eij为随机误差。

家系遗传力公式：

式中：Xi为某一性状某一家系平均值；X..为该性状总体平均值。

表型变异系数公式：

式中：S为某一性状的标准差；xˉ为某一性状的群体均值。

Pearson相关公式

式中：n为评价性状的数量；Xij为某一性状的群体均值；Xjmax为该性状的最大值。

使用R 软件中的lme4 程序包进行计算育种值，BLUP混合线性模型公式［13］：

式中：y为某一性状的观测值向量；β为模型的固定效应；u为模型的随机效应；X和Z分别是β和u的相关矩阵；e为随机误差。

遗传增益公式：

式中：x为入选家系某一性状的值；Xˉ为该性状群体总平均值；h2F为家系遗传力。

2 结果与分析

2.1 白桦家系各性状遗传变异分析

对32个家系的生长和材性性状方差分析结果表明，胸径、树高、材积、基本密度、木质素含量、纤维素含量、半纤维素含量、纤维长度、纤维宽度和纤维长宽比在家系间达到极显著差异水平（P＜0.01）（表1），说明各指标差异主要是由于遗传因素影响所导致的，因此这些指标在遗传选择和改良上有很大潜力。

表1 白桦半同胞家系各指标方差分析Table 1 ANOVA of traits in half sibling families of B. platyphylla

各个家系胸径、树高、材积、基本密度、木质素含量、纤维素含量、半纤维素含量、纤维长度、纤维宽度及纤维长宽比的平均值分别为7.67 cm、7.41 m、0.001 826 m³、0.50 g·cm-3、27.51%、173.96 mg·g-1、203.52 mg·g-1、716.43 μm、16.37 μm、45.27。所有指标的家系遗传力均超过0.7，达到高遗传力水平，尤其是纤维素含量、半纤维素含量、纤维长度和纤维长宽比的家系遗传力已经超过0.9；其单株遗传力均超过2.75，尤以纤维素含量最为突出（表2）。纤维长度和纤维长宽比在家系间表型变异系数达到20%，纤维素含量变异系数也超过10%，充分说明材性性状在家系之间存在丰富的变异。

表2 白桦半同胞家系各指标遗传变异参数Table 2 Genetic variation parameters of traits in half sibling families of B. platyphylla

2.2 不同母本对杂交子代生长性状的影响

一般配合力是反映亲本加性基因的效应，其大小可以说明亲本对子代的影响，因此一般配合力可以用于亲本选择［14］。32个白桦半同胞家系各性状一般配合力见表3。从结果上看，材积、基本密度、纤维素含量、半纤维素含量、纤维长度和纤 维 长 宽 比 的 一 般 配 合 力 是-0.001 1～0.001 0、-0.04～0.07、-81.24～97.85、-31.81～43.63、-112.09～77.36、-7.93～10.40。对于材积来说，A13、A19、A30、A22、A1家系的一般配合力较高；对于纤维素含量来说，A16、A9、SL、A21、A23 家系一般配合力较高；对于基本密度来说，A12、A6、A24、A18、A21家系一般配合力较高；对于纤维长度来说，A24、A25、A30、A21、A12 家系的一般配合力较高；对于纤维长宽比来说，A24、A21、A10、A4、A12 家系一般配合力较高。其中家系A24 和A12 在基本密度、纤维长度、纤维长宽比的一般配合力均很高，家系A21 在纤维素含量、基本密度、纤维长度和纤维长宽比的一般配合力均很高，家系A13 在材积的一般配合力较高。可以看出A13、A12、A21、A24家系的母本属于优良亲本。

2.3 白桦家系各性状相关性

采用Pearson 法对白桦半同胞家系的生长和材性性状做进行相关性分析（图1）。结果表明，胸径、树高、材积3个生长指标间呈极显著强正相关，纤维长宽比与纤维长度、纤维宽度间分别呈极显著强正相关及极显著强负相关，纤维长度、纤维宽度和基本密度与生长性状之间均存在正相关，基本密度与纤维长度和纤维长宽比之间存在高度正相关，木质素含量与纤维素、半纤维素之间均存在负相关，但与生长性状均呈现正相关，纤维素含量与纤维长度之间存在正相关。从整体上看，生长性状间相关性大，而生长性状与材性性状之间相关性较弱。

图1 白桦半同胞家系各指标相关性图中颜色越浅，说明正相关系数大；颜色越深，说明负相关系数大；*代表相关性达到了显著水平（P＜0.05）；**代表相关性达到了极显著水平（P＜0.01）Fig.1 Correlation analysis of traits in half sibling families of B. platyphylla Suk.The closer the color is to white，the greater the positive correlation coefficient；The closer the color is to black，the greater the negative correlation coefficient；* indicates that the correlation has reached a significant leve（lP＜0.05）；** indicates that the correlation has reached a very significant level（P＜0.01）

2.4 参试杂交组合生长及纸浆材性状综合评价

2.4.1 布雷金综合多性状评价法

通过对32个半同胞家系纤维素、半纤维素、木质素、纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比、胸径、树高、材积和基本密度这10个指标进行综合评价，获得的Qi见表4。以15%的入选率对32 个白桦半同胞家系进行选择，选择A12、A13、A30、A7、A19 为优良家系。但由于家系A30 的纤维素含量显著低于总体平均值，因此不作为优良家系入选，所以将其剔除，最终选择A12、A13、A7、A19、A22 为优良家系，在优良家系各性状遗传增益中（表5），材积可以达到25.52%，纤维素含量最大可以达到4.25%，基本密度可以达到8.51%，纤维长度可以达到4.84%。

表4 不同家系Qi排序Table 4 Qi values of different families

表5 布雷金入选优良家系各性状遗传增益Table 5 Genetic gains of traits in Breckin selected excellent families

2.4.2 主成分分析法

白桦半同胞家系各指标主成分分析结果（表6）。可以看出，主成分Ⅰ的特征值为3.005，贡献率为30.053%，树高、胸径、材积的特征值均较高，分别为0.894、0.831和0.925；主成分Ⅱ的特征值为2.162，贡献率为21.621%，纤维长度、纤维宽度、纤维长宽比的特征值均较高，分别为0.766、0.575、0.914；主成分Ⅲ的特征值为1.353，贡献率为13.526%，其中基本密度、纤维素、半纤维素的特征值比较高，为0.682、0.574、0.373；主成分Ⅳ的特征值为1.022，贡献率为10.219%，其中木质素贡献率较高，为0.715。四个主成分的累计贡献率达到了75.419%。

表6 白桦半同胞家系纸浆造纸材各指标主成分分析Table 6 Principal component analysis of pulp and papermaking materials of half-sibling family of B. platyphylla

计算主成分得分（Y）公式：

式中：X1为因子1的得分；X2为因子2的得分；X3为因子3的得分；X4为因子4的得分。

将各家系得分汇总得到一个综合排序表（表7），以15%的入选率对32 个白桦半同胞家系进行选择，通过主成分分析筛选出A30、A19、A12、A13、A1 为优良家系，但由于家系A30 的纤维素含量显著低于总体平均值，将其剔除，最终选择出A19、A12、A13、A1、A14 为优良家系。在优良家系各性状遗传增益中（表8），材积最大可以达到25.52%，综纤维素最大可以达到4.25%，基本密度最大可以达到8.51%，纤维长度最大可以达到4.85%。

表7 各家系Y排序Table 7 Ranking of Y values for different families

表8 主成分入选优良家系各指标遗传增益Table 8 Genetic gains of traits in superior families selected by principal component

2.4.3 育种值评价法

通过BLUP 计算各家系材积、基本密度、综纤维素（纤维素+半纤维素）、纤维长度这4 个指标的育种值，综合评价后获得的各家系育种值（表9）。以15%的入选率对32 个白桦半同胞家系进行选择，选择出A12、A17、A23、A30、A19 为优良家系。但由于家系A30 的纤维素含量显著低于总体平均值，将其剔除，最终选择出A12、A17、A23、A19、A1为优良家系，入选家系各性状遗传增益中，材积、综纤维素、基本密度和纤维长度遗传增益可达21.54%、16.47%、8.51%和4.85%（表10）。

表9 各家系育种值汇总排序Table 9 Summary and ranking of breeding values of different families

表10 育种值入选优良家系各指标遗传增益Table 10 Genetic gains of traits in selected excellent families

3 讨论

3.1 遗传变异研究

变异是林木遗传育种的源泉，遗传则可以将变异稳定传递，两者相结合则对于林木的遗传改良和选择育种有着重要的意义［15］。杂交亲本性状差异越大，遗传多样性越高，培育出符合育种目标的子代的潜力越大［16］。白桦强化种子园包括来自欧洲白桦（Betula pendula）、日本白桦（B.platyphyllavar.japonica）、白桦3 个种和白桦不同种源的优树，说明母树产生的子代存在丰富变异潜力。自建园以来，多位学者对种子园内母树进行过多轮的选择评价和去劣留优。刘宇等［17］和宁坤等［11］对种子园控制授粉子代遗传变异的研究发现，生长和材性性状均达到了极显著差异，而且各指标的变异系数较大存在丰富变异。姜静等［18］分析了种子园半同胞家系生长性状遗传参数，发现各性状在家系之间差异极显著，家系选择潜力较大。在本研究，白桦种子园半同胞家系在生长和材性性状之间均达到了极显著差异，各指标的表型变异系数在5.88%～49.84%，遗传力在0.7～1.0，这正说明不同家系之间生长和材性性状有着丰富的变异，且主要受遗传控制。同时在纸浆材选育中，材性性状之间的遗传变异是整个纸浆材选育工作的重要组成部分，在纸浆原料品质的评价指标中，纤维形态与成纸质量有很大程度的关联性，比如纤维长度与纸张强度之间的线性相关，纤维长宽比可以影响纤维之间的交织次数等［19］，在本研究，纤维长度和纤维长宽比在家系间表型变异系数达到了17%以上，家系遗传力均超过了0.9，因此材性性状具有较高的表型变异系数和较高的遗传力，可以更好地对优良家系进行评价。

3.2 多性状选择方法评价

多性状综合分析法是可以利用所有指标对研究对象进行综合分析的一种方法，目前应用较为广泛的是布雷金多性状综合分析法、主成分分析法和育种值评价法。

布雷金多性状综合分析法可以系统的对于每一个指标进行等权并进行标准化处理［20］，在本研究中布雷金法最终以15%入选率选出优良家系A12、A13、A7、A19、A22。说明这5个家系的生长性状和材性性状均处于优秀状态，但是由于工业造纸行业对木材需求不同，所选育的纸浆材良种目标也是不尽相同，因此在纸浆材选择中，需要有针对的对指标的权重进行一定程度的调整，比如侧重于材积、基本密度、综纤维素、纤维长宽比等指标，然而布雷金法在进行多性状综合评价时没有针对目的指标权重进行侧重，这就有可能导致某些目标指标优秀的家系被忽略，同时布雷金法选择家系的遗传增益较其他2种方法而言较小，因此本研究并不使用布雷金法作为最终的综合评价法。

主成分分析法是通过将多个变量指标综合成少数几个变量指标，但这些少数几个变量指标依然能够较大程度的反映原先多个变量指标的一种统计方法［21］。在主成分分析中，主成分Ⅰ代表了生长性状，而主成分Ⅱ和Ⅲ代表着木材材性性状，利用各个成分的特征值作为权重，将成分贡献率和指标因子之间乘积求和最终选择出优良家系。育种值评价法作为表型遗传效应中的加性效应，在环境复杂的山地中，可以有效地剔除环境变化导致的非遗传因素影响，在选择中更具有选择准确性［8］。对比育种值和主成分分析法所选择出的优良家系的遗传增益，发现育种值所选择出的优良家系虽然在材积性状上略微低于主成分分析法所选择的优良家系，但是在基本密度、综纤维素、纤维长度等对纸浆材具有重要作用的指标中均优于主成分分析法，因此在最终选择育种值法作为多性状选择方法。育种值评价法在畜牧业、农业上使用较为广泛，是一种高效的评价方法，如今在林业上也有越来越多的学者使用育种值评价法进行家系、无性系的评价，在尾叶桉（Eucalyptus urophylla）、火炬松（Pinus taeda）、马尾松等树种选择均有应用［22-24］。

4 结论

本研究以7 年生白桦种子园制种母树自由授粉子代为试材，分析生长和木材性状的遗传变异规律，通过多性状综合分析开展家系和母树评价，得到以下结论：32 个白桦半同胞家系间生长和木材性状均达到了极显著差异水平。10个指标变异系数为5.88%～49.84%，遗传力均达到0.7 以上；利用一般配合力进行优良亲本评价，材积、基本密度、纤维素、半纤维素、纤维长度和纤维长宽比的一般配合力分别是-0.001 1～0.001 0、-0.04～0.07、-81.24～97.85、-31.81～43.63、-112.09～77.36、-7.93～10.40，选择出A13、A12、A21、A24四个家系的母本属于优良亲本；对3种综合评价方法的优劣及计算结果的遗传增益对比分析，育种值评价法为最终优良家系评价方法；通过育种值评价法法进行多性状综合评价，最终选择出A12、A17、A23、A19、A1 为优良家系，入选家系材积、综纤维素、基本密度和纤维长度遗传增益可达21.54%、16.47%、8.51%和4.85%。