不同结实量的杉木种子发芽率与种实性状相关性及通径分析

韩 净, 叶腾云, 叶代全, 王子墨, 陈明星, 李文芳, 周 坚

(1.南京林业大学南方现代林业协同创新中心, 南京 210037;2.南京林业大学生物与环境学院, 南京 210037;3.福建省洋口国有林场, 福建 顺昌 353211; 4.建瓯市林业局, 福建 建瓯 353100)

杉木(Cunninghamialanceolata)又名沙木、沙树等,属柏目杉科乔木,广泛分布于我国东南部、中部和西南部地区16个省(区、市)[1],是我国南方重要的速生用材树种,具有生长快、材性好、单产高、分布广等特点,在南方林木业生产中占有重要的地位[2],是重要的防护林树种,具有很高的药用价值,每年更新面积大,种子需求量大,仅福建省每年平均杉木造林面积达2万hm2, 需种量达1.8万kg,然而,杉木种子园产量低,单产约3.8 kg/hm2,而且质量差,涩粒和空粒占40%～60%,严重影响杉木栽培良种化进程[3]。因此,提高杉木种子园产量和质量是杉木种子园经营中十分重要的任务。以往研究多侧重于产量方面[4-6],而对质量方面的研究甚少[3,7]。为了进一步考察杉木种实性状变异程度与发芽率相关植株性状,本研究以福建省洋口林场杉木第4代种质资源库3个分别为结实量少、结实量中等、结实量多的无性系为研究对象,观测其球果和种子的12个性状指标,采用相关性分析、逐步回归分析和通径分析,对杉木各性状与发芽率的关系进行研究。探讨各性状对发芽率的相对重要性及其决策系数,获得影响杉木发芽率的主要性状指标,分析其对发芽率的直接作用和间接作用,以期为杉木优良品种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于福建省南平市顺昌县洋口镇解建村境内,为福建省洋口林场第4代种质资源库,建设地点在道坪工区14-8-2,属于武夷山支脉的低山丘陵地区 (26°50′N,117°53′E)。资源库面积为8.07 hm2,试验地采用人工带状整地,带宽1.2 m,挖穴大小为0.6 m×0.4 m×0.4 m。株行距为3 m×3 m,即密度1 124株/hm2。

1.2 试验材料

在2020年10月根据对福建洋口国有林场第4代种质资源库的608个无性系结实调查统计,依据实际结实量划分为3种类型,即结实量少的无性系平均每株283个球果(87号无性系,平均株高6.24 m),结实量中等的平均每株522个球果(163号,平均株高7.93 m),结实量多的平均每株978个球果(266号,平均株高8.48 m)。每个无性系随机选取无病虫害、生长良好的3株母树为试验材料。

1.3 试验方法

1.3.1种子性状的测定

同年11月对选取的3种不同结实类型的杉木无性系的9株树,按照阴、阳面两个方位和上层(树冠结实层上1/3处)、中层(树冠结实层中1/3处)、下层(树冠结实层下1/3处)3个位置进行单株分层采集球果。将从上层阴面、上层阳面、中层阴面、中层阳面、下层阴面、下层阳面等6个部位采集的所有球果分别装入附有位置标签的编织网袋中,共54袋试验球果样品。分别统计每袋样品的球果数量,共计5 527个球果。将球果进行自然晾干,待球果完全干裂后,将球果与种子分离,取出杉木种子;按照GB 2772—1999《林木种子检验规程》,从采集的球果中抽取6万多粒种子进行表型和发芽测定。在54袋种子样品中每袋随机选取饱满的种子各30粒拍照,用ImageJ软件测量单个种子的长、宽、面积,并计算其种形指数,并测定千粒重、发芽率、优良度、涩粒率、空粒率等指标[8]。

1.3.2指标测定计算

参考程琳等[9]的方法,对杉木种子性状指标进行研究。试验测定和计算指标如下。

1) 产量性状:包括球果数量和种子产量2个指标。

2) 种子表型性状:包括种子长、种子宽、种子面积和种形指数等4个指标。

3) 种子发芽特性测定:包括发芽率和发芽势2个指标。

4) 种子优良性状测定:包括千粒重(在气干状态下的1 000粒纯净种子的重量)、优良度、空粒率和涩粒率等4个指标。

5) 变异系数测定:

6) 遗传力测定:

h2=1-1/F,

式中,h2为广义遗传力,F为方差分析中的F值。

1.4 数据分析

对所测定的性状进行描述统计,分别计算平均值、标准差、变异系数、遗传力等[10]。运用Excel2007软件和R语言软件对杉木主要的种实性状进行方差分析、相关分析、多元逐步回归分析、通径分析和综合评价。

1.4.1通径分析

运用R语言软件对无性系、部位、球果数量、千粒重等14个指标进行逐步回归分析,筛选出对发芽率有主要影响的指标,再对其进行通径分析,计算出各指标对发芽率影响的直接作用和间接作用[11]。

1.4.2决策系数计算

在通径分析基础上,采用决策系数判断各指标对发芽率的综合影响[12]。决策系数计算公式如下:

2 结果与分析

2.1 杉木无性系各性状方差分析

对3个杉木无性系的种实性状进行方差分析,由表1可以看出,优良度和发芽率两个性状方差分析达显著水平,其他各性状方差分析均达极显著差异水平,表明杉木各性状存在较大的遗传改良潜力。

表1 杉木不同无性系各性状方差分析Table 1 Analysis of variance for various characters of different clones of Cunninghamia lanceolata

2.2 杉木无性系各性状遗传变异参数分析

3个杉木无性系各性状遗传变异参数分析,结果见表2。用变异系数来衡量各指标间的相对变异程度或变异潜力大小,对试验株测定指标的相对变异程度分析表明,各无性系之间的性状变异幅度为7.52%～56.65%,平均30.62%;种子产量、涩粒率、球果数量和千粒重的变异系数较大,其中以种子产量的最大(56.65%),最小值为129.67 g,最大值641.16 g,极差511.49 g;这说明其稳定性不高,同时也表明单株产量差别悬殊,选择的空间很大;种子长、种子宽、种形指数变异系数较小,其中种形指数最小(7.52%),表明种子大小维持在较稳定的水平。遗传力的变化范围为0.837～0.999,属于高遗传力,表明环境对杉木各性状的影响较小。

表2 杉木无性系各性状遗传变异参数分析Table 2 Analysis of genetic variation parameters of each character of Cunninghamia lanceolata clones

2.3 杉木发芽率与各性状相关性分析

为揭示不同无性系发芽率与各性状间的相关性,对12个种实性状指标进行相关性分析,结果见表3。发芽率与部位、千粒重、种子面积、种子长、种子宽、发芽势、优良度均存在极显著正相关,其中与发芽势的相关系数最高,为0.959。千粒重、种子面积、种子长和种子宽都与种子大小有关,表明种子越大,发芽率越高;发芽率与无性系存在显著正相关,相关系数为0.318,表明结实量大的无性系发芽率反而小;发芽率与空粒率呈极显著负相关,与球果数量和涩粒率呈显著负相关,球果数量与涩粒率呈极显著正相关,表明球果数量越多,营养竞争越激烈,种子发育营养不足就会变成涩粒,涩粒率则越高,发芽率就越低;发芽率与方位、种形指数、种子产量的相关性均不显著。可见,各品质指标间有一定的相关性,表明筛选出种子表型、种子发芽特性及优良性状兼优的无性系存在可能性。

表3 发芽率与各性状相关性分析Table 3 Correlation analysis between germination rate and various traits

2.4 杉木种子发芽率与各性状的逐步回归分析

发芽率是杉木种子质量的重要指标。以发芽率(Y)为因变量,以无性系(X1)、部位(X2)、方位(X3)、球果数量(X4)、千粒重(X5)、种子面积(X6)、种子长(X7)、种子宽(X8)、种形指数(X9)、种子产量(X10)、空粒率(X11)、涩粒率(X12)、优良度(X13)等为自变量进行逐步回归分析(表4)。从包含14项自变量的回归方程中,视自变量对因变量作用的显著程度,每次剔除1个最不显著的回归自变量,直至既无不显著的自变量从回归方程中剔除,又无显著的自变量可以引入为止,由此得到最优标准化回归方程:

表4 逐步回归系数Table 4 Stepwise regression coefficient and significance test

Y=-0.062 31X3+4.684X7-3.532X8-2.943X9+0.898 8X13

结果表明,方位、种子长、种子宽、种形指数、优良度是影响杉木种子发芽率的主要因素。

2.5 主要性状对发芽率的通径分析

选取通过逐步回归筛选的5个指标进行通径分析,结果见表5。方位、种子长、种子宽、种形指数与优良度对发芽率有不同程度的贡献,表现为正向或负向的作用,各性状对发芽率直接影响依次为:优良度>种子宽>种形指数>方位>种子长;分析各个间接通径系数发现,种子宽通过优良度对发芽率的间接作用较大,其间接通径系数为0.515;种子长通过种子宽对发芽率的间接作用次之,其间接通径系数为0.436;种子长通过优良度对发芽率的间接作用第三,其间接通径系数为0.361。由间接通径系数合计值可知,对杉木种子发芽率影响依次为:种子长>方位>种子宽>优良度>种形指数。因此,以直接通径系数和间接通径系数作为判定影响的权重存在片面性,而以决策系数判断影响权重更为可靠[13]。

表5 主要性状对发芽率的通径分析Table 5 Path analysis of main characters on germination rate

由表5可知,决策系数排序为:优良度>种子宽>方位>种形指数>种子长,且种子长的决策系数小于0。由此可知,优良度是主要决策变量,直接作用(0.904)最大,且其间接作用总和为正效应。在这5个指标中,增加种子优良度比其他4个因素更能够提高杉木种子的发芽率。因此,提高种子优良度是提高杉木质量的主攻方向;种子长是主要限制性变量,他的直接作用(-0.566)最小,间接作用总和为正效应,但其他因素通过种子长对发芽率的间接作用均为负。因此,提高杉木种子发芽率需提高种子优良度,限制种子长。

3 结论与讨论

林木种子是苗木繁育的关键,而发芽率是评估种子质量的重要指标[14]。对杉木3种不同结实类型无性系间的12个球果、种子性状的方差分析结果表明,球果数量、千粒重、种子面积、种子长、种子宽、种形指数、种子产量、空粒率、涩粒率之间的差异均达到极显著差异水平,优良度和发芽率之间的差异达到显著水平。这与程琳等[15]、陈苏英等[16]的研究结果一致。

种实性状的变异系数越大,则良种选育时选择潜力越大[17]。本试验对不同结实量的3个杉木无性系12个种实性状变异程度、遗传力的分析结果表明,杉木种实性状存在丰富的变异,杉木种子发芽率与优良度变异显著,种子发芽率变异程度高于优良度。杉木种子千粒重、涩粒率遗传力较高,受遗传控制强,具有较好的选育效果,与陈仕昌等[18]、陈琴等[19]的研究结果一致。

杉木各性状间既存在相互影响,又存在相互制约的关系。杉木种子发芽率与发芽势、优良度呈极显著正相关,发芽势与优良度呈极显著正相关,优良度与空粒率呈极显著负相关[16,20],与本试验结论基本一致。这表明杉木种子随着优良度的增加,其发芽率和发芽势随之增加,而空粒率随之减少;也有研究表明杉木结实量与种子发芽率的相关性不显著,种子涩粒率在遗传上除与千粒重呈负相关外,与发芽率等没有相关关系[16,20],这与本试验结果相反。两者不同主要是由于计算方法不同导致的,但按照GB 2772-1999《林木种子检验规程》[8],计算种子发芽率是包含涩粒型种子的。因此,种子发芽率与涩粒率存在极显著的负相关关系。

相关系数是表明各性状间的相关程度,而通径系数是说明相关性状的因果关系及各性状对发芽率提高的相对重要性大小。应用逐步回归分析法和通径分析法能够较综合、全面地反映出种子发芽率与各性状之间的关系[21]。目前通径分析大多应用于种子产量相关性状研究[22-23],在林木种子中,也有对紫穗槐种子发芽率与千粒重、发芽势、优良度等性状的通径分析研究[24]。本试验以杉木种子发芽率为因变量,其余所观测的种实性状为自变量进行多元逐步回归,结果表明,方位、种子长、种子宽、种形指数、优良度与种子发芽率密切相关。对这5个指标的通径分析结果表明,对杉木种子发芽率影响最大的决定因子是优良度。优良度常被用来预测种子发芽率,对生产中快速评价种子质量有较高的应用价值[25-26];而对发芽率影响最大的限定因子是种子长,其次是种形指数。种子形态生长和籽粒发育等过程都会影响种子发芽率。因此,通过增加施肥量来提高优良度和种子宽并且限制种子长,是改善杉木种子品质的有效途径之一[27]。