欧洲云杉无性系幼龄生长节律、年度和密度互作效应及选择策略

欧 阳,欧阳芳群,孙 猛,王 超,王军辉,安三平, 王丽芳,许 娜,王 猛

(1.林木遗传育种国家重点实验室,中国林业科学研究院林业研究所,国家林业局林木培育重点实验室,北京 100091; 2.西南林业大学林学院,云南 昆明 650224;3.北京市植物园管理处,北京市花卉园艺工程技术研究中心, 城乡生态环境北京实验室,北京 100093;4.甘肃小陇山林业科学研究所,甘肃 天水 741022)

欧洲云杉(Piceaabies)又名挪威云杉,松科(Pinaceae)云杉属(Picea)树种,其适应性强,木材品质优良,主要作纸浆用材和建筑用材,是欧洲国家森林组成的重要树种和工业用材树种。自20世纪80年代开始,中国林业科学研究院林业研究所珍贵用材树种遗传改良课题组从欧洲云杉主要分布区瑞典、挪威、法国、德国和捷克等国家引进不同种源和家系种质资源,在我国甘肃、内蒙古、吉林、辽宁、湖北等地开展了引种对比试验,从繁殖育苗[1-2]、引种适应性[3-4]、遗传多样性[5-6]等方面对欧洲云杉进行了研究分析及选择,发现欧洲云杉生长不仅快于乡土云杉[粗枝云杉(P.asperata)、青海云杉(P.crassifolia)]且在我国适应性广,具有较大推广应用前景。由于欧洲云杉实生苗苗期生长缓慢,从播种到结实采种需要20～25 a,良种化进程缓慢,难以满足造林的需求,无性系选育无疑是一个非常重要的育种策略[7]。欧洲云杉无性系选育最早起源于德国、瑞典、芬兰等国家[8],使用优良种源的实生苗和种子园中自由授粉或控制授粉经子代测定后的优良家系实生苗,通过扦插繁殖,经过无性系测定获得优良无性系[9]。无性系选育在我国起步较晚但发展迅速,具有继承母株加性、显性和上位作用效应[8-9]的优势。在无性系遗传测定中,重复力、遗传值是需要估计的重要遗传参数[10];但遗传值无法直接观测,它是以基因型选择代替表型选择,通过各种表型信息进行预测[10-11]。

本研究以267个捷克种源欧洲云杉无性系为材料,对其生长性状进行测定分析,初步筛选出一批优良无性系,为甘肃省小陇山地区欧洲云杉良种选育与推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验林位于甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所沙坝国家云杉种质资源库(105°54′E,34°34′N),海拔1 560 m;年均降水量800 mm;年均气温7.2 ℃,极端最高气温32 ℃,极端最低气温-27 ℃,年积温 2 480 ℃,无霜期154 d。土壤为山地棕壤。自然植被类型为针阔混交林以及落叶阔叶林,现存植被以天然次生林和人工林为主,森林覆盖率98%。

1.2 材料来源及试验设计

2009年(1 a)扦插形成1 066个无性系,生长季进行补光和施肥育苗处理。2010年(2 a)以单位标准差为选择强度初选无性系257个。2011年(3 a)营造试验林共配置无性系267个,包括2 a时初选的无性系(无性系树高均值为总无性系平均值与单位标准差之和)257个,同时加入中等无性系(无性系树高均值为总无性系平均值)5个和差等无性系(无性系树高均值排名最后5名的无性系)5个为试验对照,随机区组设计,4株田字小区4次重复。2012年(4 a)—2013年(5 a) 进行正常抚育管理和生长调查。2014年(6 a)完全郁闭后进行留高去矮间伐,每小区保留2株。2015年(7 a)—2017年(9 a)进行正常抚育管理和生长调查。收集试验地2012—2017年气象数据见表1。

表1 试验地2012—2017年气候条件

1.3 研究内容及测定指标

1)无性系4～9 a生长性状遗传变异分析。4～9 a测定树高(精确至0.1 cm,下同)和新梢长(0.1 cm);4 a测定树高(0.1 cm)、地径(0.1 mm)和侧枝数;5～6 a测定树高(0.1 cm)、地径(0.1 mm);7 a测定树高(0.1 cm)、胸径(0.1 cm); 9 a测定树高(0.1 cm)、胸径(0.1 cm)和冠幅(0.1 cm)。生长速率为无性系各年的新梢长与4～9 a总新梢长的比值。相对树高为各无性系的年度树高与年度最高值无性系树高的比值。以无性系4～9 a的生长性状观测值做遗传变异分析。

2)无性系树高性状遗传参数估计。估算各年份树高表型和遗传变异系数、变异幅度和重复力。

3)欧洲云杉无性系树高年年相关分析。分析各年份间树高的表型相关、遗传相关和环境相关,并进行显著性检验。

4)无性系遗传值估算与优良无性系选择。无性系遗传值用无性系相对遗传型值,为无性系观测值与测定群体平均值之差占测定群体平均值之比。

5)入选无性系树高年年稳定性分析。以4～9 a树高性状进行年年稳定性分析。

6)入选无性系与实验对照树高比较。对入选无性系与对照无性系树高比较,验证2010年(2 a)苗期选择的准确性。

1.4 数据处理

采用SAS 9.4软件GLM模块,进行方差分析、多重比较和Pearson相关分析。采用R语言ASReml-R程序,估算欧洲云杉无性系树高遗传值。

1)不分年龄生长性状方差分析模型:

Xhij=μ+Bi+Cj+Yh+Dij+Eih+Fhj+Gijh+εhij。

(1)

式中:Xhij表示第i个区组第h年龄第j个无性系的观测值,μ表示试验均值,Bi表示区组效应(固定),Cj表示无性系效应(随机),Yh表示年龄效应(随机),Dij表示区组与无性系互作效应 (随机),Eij表示区组与年龄互作效应 (随机),Fhj表示年龄与无性系互作效应 (随机),Gijh表示区组、无性系和年份互作效应 (随机),εhij表示随机误差。

2)分年龄生长性状方差分析模型:

Xij=μ+Bi+Cj+Eij+εij。

(2)

式中:Xij表示第i个区组第j个无性系的观测值,εij表示随机误差。

3)变异系数:

(3)

4)无性系重复力:

R=1-1/F。

(4)

式中:R为无性系重复力,F为方差分析中F值。

5)表型相关系数(rp):

(5)

6)遗传相关系数(rg):

(6)

7)环境相关系数(re):

(7)

8)预期遗传增益(ΔE):

(8)

式中,S表示选择差。

9)现实遗传增益(ΔR):

ΔR=SR/X×100%。

(9)

式中,X表示对照均值(9年生时树高208 cm)。

10)Finlay-Wilkinson模型稳定性分析:

(10)

2 结果与分析

2.1 无性系4～9 a生长性状方差分析

对试验林无性系4～9 a生长性状进行方差分析,可知无性系、区组、无性系与区组相互作用显著影响树高、生长速率、胸径、地径、冠幅、新梢长、侧枝数、轮枝数和轮枝长,由于本研究以树高为目标选择性状,因此这里仅给出了4～9 a原始树高相关性状的方差分析结果(表2)。由表2可见,4～9 a树高和生长速率在区组间、无性系间、无性系与区组互作效应均存在极显著差异。从方差分量结果可知,无性系与区组互作效应大于无性系效应,树高无性系与区组互作效应方差分量为20.37%～27.23%,无性系方差分量为11.14%～21.64%,表明无性系树高受无性系与区组互作效应影响较大。生长速率也呈现相似趋势。

表2 欧洲云杉无性系树高和生长速率性状分年龄方差分析

2.2 无性系树高性状遗传参数估计

4～9 a树高平均值68.89～269.79 cm,标准差为9.12～41.30,表型变异系数范围13.24%～15.31%,遗传变异系数范围10.19%～11.82%(表3),表明不同年龄树高存在不同程度遗传变异,具有遗传改良的基础。综合各年龄树高的方差分析结果表明,年龄、区组、年龄与区组互作效应、无性系、年龄与无性系互作效应、区组和无性系互作效应和年龄、区组和无性系互作效应均显著影响树高生长(表4),主要受年龄效应的影响,年龄效应方差分量70.05%;其次是区组与无性系的互作效应、区组效应、无性系效应,方差分量3.33%～5.07%。年龄与无性系的互作效应和年龄、区组和无性系互作效应相对较小,仅0.22%～1.23%左右。从树高性状无性系重复力来看,4～9 a无性系重复力为0.45～0.69,表明树高性状具有较大的选择潜力。相对树高(各无性系的年度树高与年度最高无性系树高的比值)受年龄、区组、年龄与区组互作效应、无性系、年龄与无性系互作效应、区组和无性系互作效应和年龄、区组和无性系互作效应显著影响,其中区组与无性系和无性系的方差分量最高,分别为32.29%和15.99%,年龄的效应小,不到1%。

表3 欧洲云杉无性系树高均值及遗传参数估计

表4 欧洲云杉无性系年年树高方差分析

2.3 欧洲云杉无性系树高年龄相关分析

对4～9 a的267个无性系树高进行皮尔逊相关分析(图1),可以看出不同年龄间的树高均存在线性关系,年龄间树高表型相关(0.61～0.95)、遗传相关(0.62～0.97)和环境相关(0.63～0.95)均存在极显著正相关关系。还可以看出,相邻两个年龄间树高相关性最高(0.82～0.97),但随着年龄差的增大而减弱(0.97～0.61),遗传相关总是高于表型相关。年龄差最大的4 a与9 a仍存在高相关性,表型、遗传和环境相关系数分别高达0.61、0.62和0.63。

2.4 无性系遗传值估算与优良无性系选择

按无性系相对遗传值大小排序,选择排名前10的无性系(表5),入选无性系实际平均树高344.57～432.40 cm,无性系入选率为3.7%,树高现实遗传增益9.72%～16.89%,预期遗传增益65.66%～107.88%。现实增益选择结果直接指导试验地点的云杉良种无性系利用,考虑到环境效应的预期遗传增益用于指导无性系在其他地区推广。

上三角表示年龄间相关关系系数,rp为表型相关系数,rg为遗传相关系数,re为环境相关; 柱状图为树高分布直方图。下三角为线性图。The upper triangle represents the correlation between ages, where rp represents phenotypic correlation, rg represents genetic correlation, and re represents environmental correlation; The bar chart is a histogram of tree height distribution. The lower triangle is a linear graph.图1 欧洲云杉无性系树高性状年龄间相关关系Fig. 1 Correlation among years of height traits of Picea abies clones

表5 入选优良无性系及树高遗传增益

2.5 入选无性系树高年年稳定性分析

采用估算的4～9 a树高遗传值,按遗传值排列分别选择前10个无性系,共入选无性系19个(表6)。其中,6 a同时入选无性系2个,5 a同时入选无性系2个,4 a同时入选无性系3个,3 a同时入选无性系5个,2 a同时入选无性系4个,仅入选1年无性系3个,可以看出无性系测定排名变化较大,其稳定性并不好。

表6排名变化显示入选无性系稳定性差,笔者又采用Finlay-Wilkinson模型对4～9 a无性系树高均值进行了稳定性分析,得到267个无性系稳定性估计值为25.60～125.87,并对其进行从小到大排序,估计值越小表示稳定性越好,反之则表示稳定性越差[12]。以9 a树高相对遗传值选择出的10个无性系稳定性估计值为95.04～125.87,排名255～267位,处于倒数5%左右(表7),从模型估计值排名变化可以看出,入选无性系树高均值越大,模型估计值越大,表明入选无性系稳定性较差。通过对2012—2017年气候因子与年均树高增量相关分析表明,年均树高增量与极端高温呈显著正相关,与年降水量呈负相关(表8),或许这是影响稳定性的因素。

表6 各年龄入选无性系在测定中排序的变化

表7 基于9 a 树高遗传值选择出的10个无性系稳定性 估计值排序

表8 年均树高增量与气候因子相关分析

2.6 入选无性系与实验对照树高比较

入选优等无性系与实验对照无性系树高比较结果(图2)显示,4～9 a无性系树高均值从大到小均是入选无性系>中等无性系(对照)>差等无性系(对照),各年龄树高顺序无变化,表明无性系受遗传控制程度高,很大程度上保留了无性系优良性状,进一步验证了安三平等[13]2 a时苗期选择的准确性。

图2 入选无性系与对照无性系树高均值比较Fig. 2 Comparison of tree height means between selected superior clones and control clones

3 讨 论

林木在长期的生长演化过程中,会积累大量的遗传变异来逐渐适应环境的变化[14-16]。遗传变异是选择的基础,只有充分了解林木的遗传变异规律才能提高林木改良的准确性。通过无性系遗传测定,选择优良无性系是加快林木遗传改良进程的重要途径[17-19]。本研究对4～9 a欧洲云杉扦插无性系生长性状统计分析发现,树高性状在无性系间存在丰富的遗传变异(10.19%～11.82%),说明欧洲云杉无性系具有较大选择潜力和遗传改良基础。

树木生长表现主要受到遗传效应、环境效应,遗传与环境效应互作等多方面因子影响。在遗传效应表现为年度的静态差异和随年龄增长的动态差异,而年度动态差异则受树木(无性系)自身生长节律遗传差异(早期速生,稳定生长和稳定增速)影响,以及遗传型与年度气象因子的互作效应影响。欧洲云杉无性系树高受年龄效应、区组效应、无性系效应、年龄与区组互作效应、年龄与无性系互作效应、区组与无性系互作效应和年龄、区组和无性系互作效应的极显著影响(P< 0.001),其中年龄影响最大,方差分量为70.05%。分析发现4～9 a时也就是2012—2017 年,这几年的年均降雨量、年极端高温差异较大,相关分析表明年均树高增量与极端高温呈显著正相关,与年降雨量呈负相关。无性系效应(遗传效应)对生长的影响方差分量是3.33%。本研究中无性系相对树高主要受无性系与区组和无性系效应的影响,方差分量分别为32.29%和15.99%。生长性状重复力估算结果表明,树高受高遗传控制(0.45～0.69)。高本旺等[2]研究的9 年生捷克种源欧洲云杉无性系树高等性状重复力范围为0.59～0.71,和本研究非常接近。安三平等[13]在扦插成活2 a时估算苗高重复力,同样得到较高重复力(0.89)。重复力越高,表明受外界环境影响越小。总之,欧洲云杉生长性状受中等程度以上的遗传调控,无性系间遗传效应与一般环境效应叠加所形成的表型性状具有较高的稳定性。

本研究发现无性系生长受无性系与年龄互作效应影响。Isik等[20]在对40个欧洲无性系6个不同年龄年年相关及树高选择年龄研究中得到相同结果。Chen 等[17]对瑞典中南部3 000多个欧洲云杉半同胞家系7～13 a树高基因型与 20个环境(G×E)互作研究同样表明树高受家系与年份的互作效应影响;Skrøppa等[21]研究也表明欧洲云杉种源、家系和无性系的树高生长在在同一地点不同年份存在相互作用。对4～9 a树高作相关分析发现,树高年龄间呈极显著正相关关系(P< 0.001),相邻年龄间相关性非常高(例如8与9 a相关系数0.95～0.97),但随着年龄差的增大相关性降低(例如9与4 a相关系数0.61～0.63),Isik等[20]也得出相似的结论树高随年龄差增大(3、5、8、10、13、17 a)相关性降低(0.94～0.33)。

为保证基因型多样性,降低对未来未知生物威胁的风险[22],轮回期较长的林木选择时应控制基因型在一个安全的范围(5～30个)[23],并结合德国下萨克森州林业研究所推荐的欧洲云杉无性系选择程序,6～9 a年龄段入选率控制在5%～15%[24]。最后,本研究以9 a树高相对遗传值进行选择,选择出10个无性系,入选率约3.7%,树高现实遗传增益9.72%～16.89%,预期遗传增益65.66%～107.88%。作为无性繁殖利用策略,根据现实增益为试验地点选出这10个最优无性系既可以保证林分稳定性和较高遗传增益;根据预期遗传增益和年度稳定性选出这10个无性系可以满足在其他地区推广林分稳定性要求[25]。

对遗传材料表型性状进行稳定性评价,是为了更加准确地确定品种适宜推广的范围[26]。本研究在欧洲云杉无性系存在无性系与年龄互作效应的前提下,对欧洲云杉无性系树高性状进行不同年龄间稳定性评价,因本试验林尚处于幼龄期,评价准确性存在制约因素,如林木生长周期长、年龄偏小等,徐焕文等[27]对白桦(Betulaplatyphylla)、张磊等[28]对落叶松(Larrixspp.)、王秋玉等[29]对红皮云杉(Piceakoraiensis)进行稳定性分析时同样指出,林木生长周期较长、年龄因素,完全准确评价林木稳定性存在一定难度。本研究为提高稳定性评价的准确性,以欧洲云杉无性系早期选择的主要性状树高为稳定性评价指标[30-31]。将初选出的10个优良无性系按遗传值排序发现,仅有2个无性系6 a同时入选,其余入选无性系排名变化较大,说明欧洲云杉无性系受无性系与年龄互作效应的影响,发生了秩次改变[25]。又使用Finlay-Wilkinson模型进行了稳定性分析,结果入选无性系估计值高,排名靠后,说明稳定性差[15]。Bentzer等[23]在欧洲云杉稳定性研究中同样表明无性系树高生长与年份间稳定性呈负相关,生长最快的无性系往往具有最高的稳定性模型估计值(bi)。在树高年均增量与气候因子相关分析时发现,树高年均增量与年龄间极端高温和降雨量存在较大差异,这可能是导致无性系稳定性差的原因,因为不同年龄间环境条件发生了改变,引起了无性系与年龄的交互作用,无性系排序发生秩次改变,导致无性系稳定性差[25]。在欧洲云杉无性系早期选择研究中、高本旺等[2]以9 a的树高、潘春林[6]以7 a的树高、夏燕等[30]以5～7 a树高、石辉平等[32]以6 a的树高进行选择,证实了欧洲云杉幼龄期以树高性状早期选择是有效的,且入选无性系具有较强适应性和生长潜力。笔者认为入选无性系6～9 a表型性状相对稳定,可以在9 a时选择优良无性系,以减少植株间侧枝交叉竞争导致无性系相对直径与年度的互作效应。Chen等[33]认为根据5 a径向纤维宽度和8～10 a的切向纤维宽度、纤维壁厚度和纤维粗度进行早期选择是有效可行的。

由于入选无性系稳定表现差,为了保证试验选择结果的可靠性,本研究对入选无性系与试验对照无性系进行了树高均值比较,结果显示入选无性系与对照无性系树高生长4～9 a间未发生排序变化,入选无性系在各年龄中生长表现都最好。笔者还考虑到本试验在6 a时进行了中等强度的抚育间伐,无性系配置密度的改变是否会影响以树高性状为选择目标的结果,大量研究证实云杉(Piceaasperata)[34-35]、红松(Pinuskoraiensis)[36]、柳杉(Cryptomeriajaponica)[37]、落叶松[38]、兴安落叶松(Larixgmelinii)[39]、华山松(Pinusarmandii)[40]幼龄期抚育间伐(或密度控制)对树高生长影响不显著(P>0.05),树高生长主要受遗传品质和立地条件的影响。综上,笔者认为无性系稳定性差及6 a抚育间伐不会对本研究以9 a的树高性状选择结果造成影响,选择结果可靠性高。

4 结 论

欧洲云杉幼龄无性系树高在区组间、无性系间和无性系与区组互作均存在显著差异。4～9 a的树高遗传变异为10.19%～11.82%,树高重复力为0.45～0.69,说明欧洲云杉无性系树高受高遗传控制,无性系具有较大选择潜力和遗传改良基础。年龄间极端高温和年均降雨量的差异或许是入选无性系在年龄间表现不稳定性的原因。入选的1221号无性系等10个优良无性系,可在甘肃小陇山地区进行良种选育和推广应用。