白桦四倍体与二倍体杂交的亲本配合力分析*

董琳琳 张国成 刘立辉 计家宝 白向东 顾宸瑞 姜 静 刘桂丰

（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. 永吉县国有林总场 吉林 132100；3. 永吉县西阳苗圃 吉林 132100）

在林木传统育种方法中，杂交育种是最有成效的一种，目前生产上广泛推广的很多林木优良品种均是采用该方法获得的（Baiet al.，2019；Brennanet al.，2020）。通过杂交创造优良家系和新品种的先决条件是科学选配亲本组合，研究并了解不同亲本在各杂交组合中的实际表现已成为杂交育种的关键环节（张爱民，1994）。亲本组合能力主要通过杂种子代重要目标性状计算亲本的一般配合力（general combining ability, GCA）和特殊配合力（specific combining ability,SCA），依据2种配合力分析，既可评价种子园亲本，也可作为留优去劣的依据，为高世代遗传改良提供理论依据（刘青华等，2011）。

白桦（Betula platyphylla）具有生长速度快、适应性强、材质细致、颜色洁白等特点，是生产单板类人造板材及纸浆材的重要用材树种之一（杨传平等，2004）。第九次全国森林资源清查结果显示，白桦蓄积达10.33亿 m3，位列乔木树种的第二名（张建龙，2019），但该树种几乎为天然林，木材产量和质量尚需提高。国家早在20个世纪90年代将白桦列为科技攻关树种，相继开展了选择育种、杂交育种、倍性育种、基因工程育种以及培育技术等研究（宁坤等，2015；李贵雨等，2016；Yanget al.，2000；王成等，2011；Huanget al.，2014；Yanget al.，2015；Zhanget al.，2015；Liet al.，2016），其中，白桦倍性育种始于2004年，在优良四倍体选择的基础上，将其与二倍体定植于温室大棚内，营建了三倍体制种园（Muet al.，2012a；刘宇，2016；刘福妹等，2013），随着园中母树陆续开花结实，先后开展多次四倍体与二倍体的杂交，也对其子代即三倍体家系进行了测定和评价（Muet al.，2012b；刘超逸等，2017；刘宇等，2014；2015）。2010、2011年按测交系交配设计，开展不同倍性亲本间杂交，并分别营建了三倍体家系试验林，前期针对部分家系的苗高和地径生长量进行亲本一般配合力和特殊配合力效应值分析，初步选出具有较强优势的四倍体母本及杂交组合（Xuet al.，2016；林琳等，2012）。目前，上述家系试验林树龄已达10年，其生长和木材性状表现稳定，苗期选出的亲本及杂交组合如今表现尚不知晓。鉴于此，本研究以2011年杂交子代试验林为对象，调查其生长性状和保存率，测定其主要材质性状，根据各性状的配合力效应值再次评价杂交亲本及组合的优劣，以期为后续三倍体制种园的改建或重建提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

2011年，以4株白桦四倍体为母本、10株白桦二倍体为父本，按测交系交配设计进行控制授粉杂交；2012年早春，在塑料棚内分家系育苗，共获得40个家系苗木；2013年，送往黑龙江省尚志市帽儿山镇东北林业大学实验林场进行造林试验。试验按照完全随机区组设计，设4个区组，区组内各小区分别定植不同家系子代20株，双行排列，株行距2 m × 2 m。林场地理坐标为127°54'E、45°38'N，年均温2.4 ℃，年降水量700 mm，无霜期120天，土壤类型为暗棕壤。

1.2 性状调查与统计分析方法

1.2.1 生长性状调查 2021年秋季进行每木调查，采用塔尺和胸径尺测量树高和胸径，单株材积根据白桦二元材积表公式V= 0.000 051 935 163D1.8586884H1.0038941计算（宁坤等，2015），家系保存率按各区组内各家系的实际保存株数计算。

1.2.2 主要材质性状测定 1） 取材：在试验林Ⅰ-Ⅲ区组中取材，依据每个家系的树高、胸径均值各选取10株平均木，分别在树干南侧1.5 m高处截取基部直径约2 cm、长度20 cm的一段侧枝带回实验室，将10株平均木的侧枝按3、3、4株的比例分为3组（3次重复）。采用壁纸刀去树皮后分别从侧枝基部起截取长约4 cm木段用于纤维长、宽测定；截取中间10 cm木段用于纤维素、半纤维素及木质素含量测定；截取上部4 cm木段用于木材密度测定。

2） 纤维长、宽测定：参考穆怀志等（2009）研究方法，材料离析后利用ZEISS光学显微镜进行测量。首先，将木芯由髓心向外切削3 mm宽木片，劈成火柴杆粗细的细条，用体积分数10%的硝酸和质量分数10%的铬酸等体积混合浸泡材料，浸泡4 h后用清水清洗数次，用蓝色试纸检查确认酸液彻底清洗干净，接着用吸管吸取少量材料均匀分散于载玻片上，覆上盖玻片，在ZEISS光学显微镜（10×）下分别测量纤维长、宽。每个家系共测定100条纤维。

3） 纤维素、半纤维素和木质素含量测定：采用硫酸蒽酮比色法测定纤维素含量，采用盐酸水解法测定半纤维素含量，采用浓硫酸法测定木质素含量（金冬雪，2021）。

1.2.3 数据统计分析 采用SPSS 22.0软件对杂交组合间各性状进行方差分析，单位为百分数的性状在方差分析前进行反正弦转换；依据线性回归分析模型，利用WinNCⅡ（童春发等，2013；2014）软件对各性状进行亲本配合力分析，其中配合力方差分析采用模型Ⅰ（固定模型），遗传方差分量和遗传力采用模型Ⅱ（随机模型）（表1）；应用隶属函数法对杂交亲本进行多性状综合评价和选择；测定入选优良杂交亲本及组合的遗传增益。

表1 配合力方差分析模型①Tab. 1 Analysis of variance model of combining ability

各性状的线性回归分析模型如下：

式中:yijkl为第i个区组中第j个父本与第k个母本交配子代的第l个个体性状值；µ为总平均值；Bi为第i个区组的效应（i= 1，···，b）;Mj为第j个父本的效应（j= 1，···,m）；Fk为第k个母本的效应（k= 1，···,f）；MFjk为第j个父本与第k个母本的交互效应；eijkl为随机误差效应（l= 1，…，nijk），并假定其服从均值为0、方差为σ2e的正态分布。

隶属函数值R（X）计算公式如下：

反隶属函数值R'（X）计算公式如下：

式中：Xi为指标测定值；Xmin、Xmax为所有参试材料某一指标的最小值和最大值。

隶属函数分析时，为了科学赋予各性状权重，采用各性状主分量为其赋值（李春旭等, 2017）。以树高、胸径等7个性状为评价指标，通过主成分分析法提取特征值大于1.00的因子作为主成分，得到主成分的特征值、方差贡献率、累计方差贡献率及性状的矩阵成分值，并构建以下方程：

式中：βj为j性状的权重；Cjk为j性状在第k矩阵成分上的值；Ak为第k成分特征值；bk为第k成分所占百分比；B为累计百分比。

式中：ΔG表示遗传增益；s表示选择差；µ 表示群体均值。

2 结果与分析

2.1 不同杂交组合间生长及主要材质性状变异分析

40个杂交组合生长、材质性状和保存率方差分析（表2）显示，树高、胸径、材积、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量和纤维长宽比7个性状在杂交组合间的差异均达显著或极显著水平，为深入开展亲本配合力分析和优良杂交组合选择奠定了遗传基础。各性状变异系数分析发现，达显著差异的性状变异系数在6.34%～55.29%之间变动，其中材积的遗传变异系数最高，达55.29%，表明参试40个杂交组合间各性状的变异较丰富，具有选择潜力。各性状遗传力分析发现，树高、胸径、材积、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量和纤维长宽比7个性状的广义遗传力在38.83%～73.72%之间，狭义遗传力在22.23%～68.48%之间，表明上述性状遗传能力较强。

表2 不同杂交组合各性状方差分析①Tab. 2 Analysis of variance on hybridization combinations for each trait observed

2.2 各性状配合力效应值的差异显著性分析

亲本和杂交组合的配合力是较强优势的亲本及杂交组合筛选的重要遗传参数，本研究在采用WinNCⅡ软件分别计算差异达显著水平的7个性状配合力效应值的基础上，根据固定模型对各性状配合力效应值进行方差分析（表3）。结果表明，在树高、胸径和材积等生长性状上，亲本间的GCA以及不同杂交组合间的SCA效应值差异均达极显著水平；材质性状中木质素含量、纤维长宽比等性状，在亲本间的GCA以及不同杂交组合间的SCA差异也达显著或极显著水平，而纤维素和半纤维素含量仅母本的GCA差异达极显著水平。由此可见，本研究中白桦绝大多数性状均受亲本配合力影响，开展白桦亲本及其杂交组合的配合力分析具有重要意义。此外，生长性状在不同区组间的差异也达极显著水平，说明试验林的立地条件差异较大，生长性状也受环境影响，即为受遗传和环境双重影响的性状，表明试验开展区组设计的重要性。主要材性性状在区组间的差异不显著，可能是依据各家系平均木取样，样本量数量较少产生影响的结果。

表3 各性状配合力效应值方差分析①Tab. 3 Analysis of variance on the effect values of combining ability of traits observed

2.3 亲本各性状的配合力遗传效应分析

采用随机模型分析一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA）效应方差分量。从父本+母本各性状的GCA可知（表4），双亲的加性效应对胸径、材积等生长以及纤维素、半纤维素、纤维长宽比等材质性状具有明显影响；母本的加性效应远大于父本，且占主导地位，在各性状中其方差分量在43.11%～94.15%之间，而父本的方差分量在0～4.86%之间。由40个杂交组合的特殊配合力效应分析发现（表4），SCA对木质素含量和树高的控制较强，分别为52.03%和44.55%，对材积及胸径也具有一定作用，对其余性状的控制较低。

表4 GCA和SCA各遗传效应方差分量及百分比①Tab. 4 Variance components and percentages of genetic effects in GCA and SCA

2.4 一般配合力分析及优异亲本选择

对亲本各性状的一般配合力分析（表5）表明，同一亲本不同性状的GCA存在较大差异，如F4、F7、F12、Q103亲本有6个性状的GCA为正值，说明在本杂交育种试验中，上述亲本对生长和材质性状的改良具有重要贡献；而F1和F3父本只有生长性状的GCA为正值，多数材质性状为负值，说明F1和F3仅对改良生长性状起关键作用，而对材质性状改良无明显作用；另外，F2、F5、Q13亲本则6个性状的GCA均为负值，说明其不宜作为杂交育种亲本。

表5 亲本各性状的GCA多重比较①Tab. 5 Multiple comparison of GCA of parental traits

为了综合7个性状对亲本进行科学准确选择，本研究采用隶属函数与主成分分析相结合的方法开展评价，首先根据纸浆材的育种目标，以木质素含量为负相关性状，以树高、胸径、材积、纤维素含量、半纤维素含量和纤维长宽比为正相关性状，利用主成分分析法计算参试亲本各性状的权重，此权重再分别乘以隶属函数法求算的各性状标准化值即可获得参试亲本各性状的隶属函数值和平均值（表6）。结果显示，10个父本中平均隶属函数值大于0.65的分别为F4、F7和F10，其中F4排名第一，4个母本的隶属函数均值最高的为Q103，Q19次之。若按参试亲本的25%比例考虑父本入选率，则有F4、F7和F10共3个父本入选高配合力的优异父本；本试验中参试母本对主要性状的配合力效应贡献较大，则按50%入选率，选出的高配合力优异母本为Q19、Q103。

表6 亲本各性状的GCA隶属函数值及排名Tab. 6 Membership function means and rankings of GCA on parental traits

2.5 特殊配合力分析及优良杂交组合选择

对40个杂交组合各性状的SCA效应值分析（表7）发现，只有Q19×F11和Q103×F10组合的7个性状SCA为正值，意味着这2个组合在生长和材质性状方面具有较强杂种优势；Q13×F1、Q13×F9、Q13×F10、Q13×F12、Q19×F2、Q19×F3、Q33×F1、Q33×F4、Q103×F7、Q103×F9等10个组合，树高、胸径和材积性状均产生正的SCA效应值，表明上述组合在生长方面具有较强杂种优势；Q13×F4、Q13×F11、Q19×F10、Q19×F11、Q33×F3、Q33×F5、Q103×F1等7个组合，纤维素和半纤维素含量、纤维长宽比性状均产生正的SCA效应值，意味着上述组合在木材纤维改良方面具有较强杂种优势。如果以纸浆材为育种目标，人们并不希望选择木质素含量SCA太高的组合，如Q13×F4组合虽然在木材纤维改良具有较强杂种优势，但由于木质素含量SCA效应值大于1.000，故后续综合评价中该组合并未入选。

表7 40个组合各性状SCA效应值差异显著性分析①Tab. 7 Significant analysis of differences in SCA effect size of traits in 40 hybrid crosses

同前所述，采用主成分分析结合隶属函数法对40个杂交组合开展综合评价（表8），若将隶属函数均值划分为1、2、3、4级4个等级，其中，隶属函数均值大于0.60为1级，则有6个组合入选，即Q33×F1、Q19×F11、Q13×F9、Q103×F10、Q33×F3和Q13×F12，这些组合具有生长量较大、木质素含量较低、材质优良等特点，是40个组合中的优异杂交组合。

表8 40个组合各性状SCA效应值隶属函数值及综合评价Tab. 8 Membership function and comprehensive evaluation of SCA effect size in 40 hybrid crosses

2.6 优异亲本及杂交组合的遗传增益

材积是林木生长的重要性状，无论是纸浆材还是单板材均应在材积遗传增益较高的基础上选择。对入选亲本及杂交组合各性状的遗传增益分析（表9）发现，虽然母本Q19在材积方面的遗传增益为负值，但其在纤维素含量、半纤维素含量等具有较高的遗传增益，决定将其一并入选为亲本。入选5个亲本材积的遗传增益为-0.63%～8.60%，平均遗传增益为3.38%。同时，对入选6个杂交组合各性状的遗传增益分析发现，Q13×F9和Q33×F3的材积遗传增益为负值，予以剔除。入选4个杂交组合材积的遗传增益均值为10.69%，其中3个组合的遗传增益大于9.00%，最高的组合为16.33%。虽然入选组合在纤维性状、木质素含量等方面的遗传增益并非都好，但均为3个以上的性状符合纸浆材育种目标要求，故此选择Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12、Q19×F11为优异杂交组合。

表9 入选亲本及杂交组合各性状遗传增益Tab. 9 Genetic gain of all observed traits in selected parents and hybrid crosses

3 讨论

通过交配设计和子代测定，依据配合力大小筛选优良杂交亲本用于种子园改建或重建是林木遗传改良的必要途径（林琳等，2012）。我国主要造林树种，如杉木（Cunninghamia lanceolata）（叶志宏等，1991）、马尾松（Pinus massoniana）（董虹妤等，2016；金国庆等，2008）、日本落叶松（Larix kaempferi）（董雷鸣等，2019）、鹅掌楸（Liriodendron chinense）（李周岐等，2001）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）（曹士晗等，2013）等树种的初级种子园改建或高世代种子园营建，均开展了配合力分析及亲本选择。本研究白桦三倍体制种园自营建以来，先后通过交配设计及杂种子代苗期生长测定，选出了一些优异亲本及杂交组合（林琳等，2012；Xuet al.，2016），其中，Xu等（2016）曾对本试验材料的2年生苗高、地径等性状采用多目标决策法进行综合评定，选出了优异母本、父本及杂交组合Xuet al.，2016。如今，该批苗木的试验林树龄已达10年，本研究根据其生长和材质性状，选出3个优异父本、2个优异母本；如果仍根据树高和胸径等生长性状进行评价，则入选4个优异父本、2个优异母本（表6），其中，Q103、Q19、F3和F4等亲本与Xu等（2016）的选择结果吻合，表明苗期选择具有一定指导作用。本研究选出优异亲本的生长和材质性状增益较高，是种子园改建留用的首选亲本。另外，选出的Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12及Q19×F11等4个组合，其生长量大、纤维素或半纤维素含量高、木质素含量较低，可建立双亲本种子园，也可在白桦种子园中通过控制授粉配置上述入选杂交组合，获得生长及木材纤维等性状改良的杂种子代。

木材纤维形态特征与纸浆质量和纸张强度密切相关，是衡量纸浆用材树种优劣的重要指标之一，其中，纤维长度大不但能提高纸张撕裂度，而且还有利于纸张抗拉强度（曾广植，2006）。本研究中三倍白桦的纤维长度虽然较四倍体略短，但较二倍体长，在40个白桦三倍体家系中，纤维长度为758.19～972.22 µm，近90%的三倍体家系纤维长高于二倍体家系，可见白桦纤维长度变化呈现随着染色体组增加而增长的趋势。其他林木纤维长度或含量的变化也有这种现象，如5年生三倍体毛白杨（Populus tomentosa）纤维平均长度达1 280 µm，比同龄普通毛白杨长52%（康向阳，2003）；对不同倍性的灌木柳（Salix saposhnikovii）研究发现，三倍体纤维素含量明显高于二倍体，其木质素含量低于二倍体，更符合制浆造纸育种目标要求（Serapigliaet al., 2014）。由此表明，林木多倍体是一种优良的制浆造纸等纤维用材原料。

一般配合力（GCA）中，父、母本遗传效应方差大小表明亲本的基因加性效应是否起主导作用，可为有目的地选配杂交亲本提供理论参考。本研究发现，母本在白桦各性状的遗传效应方差分量中所占比例较大，即母本对子代的影响较大，这可能与细胞质母系遗传有关，即受精卵中的细胞质几乎全部来自于卵细胞，从而导致由细胞质影响的性状由母本遗传给子代。另外，也可能是母本在形成雌配子的过程中提供2套染色体组，父本仅提供1套染色体组，故此导致母本效应占绝对优势。但在马尾松全同胞子代测定中发现，各性状的母本GCA方差分量所占比例也均明显高于父本GCA的方差分量（刘青华等，2011），马尾松的杂种子代为二倍体，这似乎说明母本对子代产生较大影响主要源于细胞质遗传，而与三倍体子代中的2套染色体组来源于母本关系不大，该问题尚需开展反交测定，根据子代表现进一步追踪研究。基于母本对子代的影响占主导的现实，开展半同胞子代测定的优良家系及优良母本选择意义更大，其可免去控制授粉杂交等繁杂工作，对于林木高世代种子园营建也具有重要指导意义。

4 结论

针对白桦测交系三倍体家系试验林各性状配合力及效应值分析，以材积生长量及纸浆材为选育目标，选出F4、F7和F10为优异父本，Q19和Q103为优异母本，其材积遗传增益为-0.63%～8.60%；选择Q33×F1、Q103×F10、Q13×F12及Q19×F11为强优势组合，这些组合具有生长量较大、木质素含量较低、材质优良等特点。选出的优异亲本及杂交组合为后续白桦种子园改建提供指导，也可在优良杂交组合内选择优良单株，为白桦三倍体新品种选择提供材料。