基于种实性状的杉木第3代无性系种子园亲本评价

王 欣，徐刚标，黄 帆，蒋宏春，张森强，张 勰

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004； 3.会同县广坪国有林场，湖南 会同 418307)

林木种子园是以人工选择的优树无性系或其子代家系为材料，采用隔离措施，实行高度集约经营管理，以生产遗传品质经过改良的林木种子供人工造林为目的的人工种植园[1]，是林木选择育种活动与人工林培育实践之间的桥梁[2]，在林木良种化过程中发挥着极其重要的作用[3]。20世纪50年代以来，世界林业发达国家相继通过营建林木种子园[1]，持续开展了多世代轮回选择育种策略研究并营建高世代种子园，为人工林培育提供了大量的优质种苗材料，极大地提高了全球人工林面积和林分质量[4]。由于林木自身开花结实周期长的生物学特性，在种子园建设过程中，建园亲本材料的选择往往侧重于生长和材质性状，较少考虑结实特性，种子园的产量普遍没有达到育种工作者的预期[5]。因此，提高种子园种子产量，改善林木种子遗传和播种品质，是林业生产上亟待解决的实际问题[5-7]。

杉木(Cunninghamialanceolata)具有生长快、产量高、材质优、用途广等优点，是我国长江流域各省区特有的主要造林树种之一，栽培面积大，不仅为我国经济发展提供了大量的木材，也是我国南方森林生态系统的重要组成部分，在国家储备林建设战略中具有重要地位[8]。我国杉木遗传改良工作开展较早，目前大部分杉木产区的省份已经建立第3代杉木无性系种子园，部分地区已开展杉木第4代遗传改良，其研究成果代表了我国针叶用材树种遗传改良研究的领先水平[9]。近30年来，有关提高杉木种子园种子产量和播种品质的经营管理技术方面的研究报道很多[10-16]，但多侧重于经营管理措施，尚未见第3代杉木种子园无性系球果、种子产量和质量的研究报道。湖南省是中国杉木的主产区之一，杉木人工林面积和蓄积量约占湖南省森林面积和蓄积量的33.00%和41.25%[16]。湖南省每年杉木造林任务重，杉木良种需求量大。本研究以湖南省会同县连山第3代杉木种子园无性系为研究对象，比较分析不同无性系杉木球果以及球果产量和质量，综合评价筛选出具有综合优势的无性系，旨在为湖南省第3代杉木无性系种子园去劣留优提供依据。

1 试验地概况

第3代杉木无性系种子园位于湖南省会同县连山乡四岔路(109°41′E ，26°48′N)，年平均气温16.60 ℃，年平均无霜期303 d，年平均降雨量1 400 mm，年平均相对湿度83.00%。地形属低山地貌，海拔300～350 m，坡度10°。土壤为第四纪红壤，土层厚度1.00 m以上，质地较粘，肥力中等。

2 材料与方法

2.1 试验材料

第3代杉木无性系种子园建立于2012年，建园的无性系是基于联合选择，来自于第2代杉木遗传改良过程中的子代测定林中选育出来的优良个体以及无性系测定林中的优良无性系。种子园株行距为4 m×4 m。

2.2 试验设计与方法

研究以湖南省会同县第3代杉木无性系种子园中的29个无性系为研究对象，2022年12月分无性系采摘球果。观察记录不同无性系球果形态特征，并调查分析无性系球果体积、球果产量、种子千粒重、种子发芽率、种子涩粒率、种子霉变率、种子发芽起始时间、种子发芽持续时间共10个指标。每个无性系随机选取种鳞未脱落的60个球果测定球果纵径、球果横径，重复3次，并计算球果体积。

球果体积计算公式如下：

球果体积=2/3π(球果横径/2)2×球果纵径

将不同无性系的球果分别放入网袋中，放置通风处晾晒。待球果自然干裂后，参照《林木种子检验规程》(GB2772—1999)[17]，测定种子千粒重和发芽率；参考陈琳等[18]的方法，测定种子涩粒率、霉变率、发芽起始时间和发芽持续时间，重复3次。

2.3 数据统计与分析

采用Excel 2021软件进行数据整理、SPSS21.0软件进行方差分析和主成分分析、Matlab 2021软件进行绘图。

3 结果与分析

3.1 无性系球果、种子性状分析

基于第3代杉木种子园中无性系的球果形态特征，本次调查的29个杉木无性系球果类型可分为紧包型、松张型、反翘型。其中，松张型占比最大，紧包型次之，反翘型占比最小。

参试的29个杉木无性系球果、种子性状数据的方差分析结果见表1。由表1可知，不同无性系间，球果产量、球果纵径、球果横径、球果体积、种子发芽率、种子千粒重、种子涩粒率、种子霉变率、种子发芽起始时间和种子发芽持续时间的差异均具有统计学上极显著意义(P<0.01)。从变异系数可看出，球果产量变异最大，变异系数为103.53%；种子霉变率(75.40%)次之;再次为球果体积(38.21%)；球果横径变异系数最小。表明球果产量在不同无性系间变化最大，种子霉变率次之，再次为球果体积，球果横径在不同无性系间变化最小。

表1 杉木无性系10个性状方差分析表Tab.1 Variance analysis of 10 traits of different C. lanceolata clones性状自由度均方FP最大值最小值平均值标准差变异系数/%球果产量/kg288.1340.430.008.730.171.681.86103.53球果纵径/mm281 489.10174.840.0034.9324.1629.954.0613.55球果横径/mm281 149.97181.440.0032.3623.3627.623.5312.79球果体积/cm3282 099.06179.740.0018.987.0012.524.7838.21种子千粒重/g281.7439.450.008.034.536.381.3213.49种子发芽率/%280.038.300.0066.6118.6740.000.1330.85种子霉变率/%280.012.600.002.4322.428.160.0775.40种子涩粒率/%280.048.370.0061.7719.2041.160.1332.12种子发芽持续时间/d282.913.110.0010.006.007.952.3616.78种子发芽起始时间/d2812.2413.600.0016.006.0011.670.8620.08

3.2 无性系球果、种子性状比较分析

参试29个杉木无性系的球果纵径、球果横径、球果体积、球果产量及种子千粒重的分析结果见表2。球果纵径大小区间为24.16(24号)～34.93 mm(5号)；其中，13个无性系的球果纵径大于总平均值(29.95 mm)，占参试无性系的44.83%；多重比较分析表明，不同杉木无性系之间球果纵径多具有显著性差异。球果横径大小区间为23.36(24号)～32.36 mm(10号)；其中，14个无性系的球果横径大于总平均值(27.62 mm)，占参试无性系的48.28%；不同杉木无性系之间球果横径多具有显著性差异。球果体积大小区间为7.00(24号)～18.98 cm3(10号)；其中，12个无性系的球果体积大于或等于总平均值(12.52 cm3)，占参试无性系的41.38%；不同杉木无性系之间球果体积多具有显著性差异。球果产量为0.17(2号)～8.73 kg(6号)；其中，10个无性系的球果产量大于总平均值(1.68 kg)，占参试无性系的34.48%；不同杉木无性系之间球果产量多具有显著性差异。29个杉木无性系种子千粒重大小区间为4.53(17号)～8.03 g(3号)；其中，12个无性系的种子千粒重高于总平均值(6.38 g)，占参试无性系的41.38%；不同杉木无性系之间种子千粒重多具有显著性差异。

29个参试杉木无性系的种子发芽率、霉变率、涩粒率、发芽起始时间及持续时间的分析结果见表3。29个无性系的种子发芽率大小区间为18.67%(8号)～66.61%(26号)；其中，17个无性系的种子发芽率高于总平均值(40.00%)，占参试无性系的58.62%；不同杉木无性系之间种子发芽率多具有显著性差异。无性系的种子霉变率为2.43%(6号)～22.42%(27号)；其中，14个无性系的种子霉变率高于总平均值(8.16%)，占参试无性系的48.28%；多数无性系之间种子霉变率差异不显著。种子涩粒率大小区间为19.20%(26号)～61.77%(17号)；其中，14个无性系的种子涩粒率高于总平均值(41.16%)，占参试无性系的48.28%；不同杉木无性系之间种子涩粒率多具有显著性差异。29个无性系中，26号发芽最早，从第6天开始发芽；其次是6号和11号；不同杉木无性系之间种子发芽起始时间多具有显著性差异。29个无性系中，10号、17号和27号的种子发芽持续时间最短为6 d，多数无性系之间发芽持续时间差异不显著。总体上讲，本试验中杉木亲本10个性状在不同无性系间大多差异显著。

表3 杉木无性系种子发芽性状的多重比较Tab.3 Multiple comparison of germination traits of C. lanceolata clonal seeds无性系编号发芽率/%霉变率/%涩粒率/%发芽起始时间/d发芽持续时间/d124.77±2.79 ghij10.83±4.23 ab54.76±7.88 abc11.00±0.00 cdefg9.00±0.00 ab230.19±1.19 efghij4.46±0.54 b49.49±1.49 abcde8.00±0.00 gh9.00±0.00 ab333.16±1.00 cdefghij7.11±0.57 ab56.08±0.58 ab11.67±0.58 bcdef8.67±0.58 ab441.12±8.01 bcdefghi13.77±5.70 ab31.07±3.63 ghij10.67±0.58 cdefg6.33±0.58 b532.27±1.31 defghij5.37±1.30 ab55.62±1.42 ab13.00±1.00 abcde8.67±0.58 ab651.95±4.26 abcde2.43±0.19 b33.52±4.28 bcdefg8.67±0.58 fgh8.33±0.58 ab731.37±0.82 defghij6.94±0.00 ab52.78±0.00 abcd11.00±0.00 cdefg7.00±0.00 ab818.67±0.49 j18.69±0.51 ab56.35±0.80 ab12.00±0.00 bcdef9.00±0.00 ab955.41±8.22 abc2.82±0.55 b29.88±11.7 ghij15.00±0.00 ab6.50±0.71 ab1040.82±3.30 bcdefghi2.64±0.57 b47.53±4.21 abcde13.00±0.00 abcde6.00±0.00 b1152.47±0.80 abcde4.65±1.31 b35.26±1.93 bcdefg8.00±0.00 gh9.00±0.00 ab1253.71±2.95 abcd3.50±1.31 b28.78±4.41 hij16.00±0.00 a8.00±0.00 ab1330.93±1.90 defghij9.02±6.03 ab49.57±1.18 abcde13.50±2.12 abcd9.50±0.71 ab1447.44±5.43 abcdef3.55±0.76 b34.53±6.26 bcdefg10.67±1.16 cdefg7.67±2.31 b1532.49±4.45 defghij8.72±3.56 ab50.47±6.28 abcde11.33±0.58 cdefg7.00±0.00 ab1627.23±2.15 fghij3.77±1.96 b55.23±3.67 abc14.00±0.00 abc7.00±0.00 ab1720.96±1.64 ij11.32±5.63 ab61.77±5.27 a15.00±0.00 ab6.00±0.00 b1846.37±2.11 abcdefg5.87±0.95 ab34.45±4.94 bcdefg10.50±0.71 defg8.00±0.00 ab1944.00±6.77 bcdefgh6.42±1.03 ab43.17±4.71 abcdef10.50±2.12 defg8.00±4.24 ab2048.82±0.33 abcdef4.39±0.16 b34.49±1.88 bcdefg10.00±0.00 efg8.00±0.00 ab2122.23±1.10 hij11.42±0.15 ab54.66±3.09 abc13.00±0.00 abcde9.00±0.00 ab2257.93±3.43 ab10.06±3.72 ab21.68±1.84 ij13.33±1.53 abcde7.33±1.16 ab2346.34±2.43 abcdefg16.16±6.72 ab23.72±2.69 ij12.00±0.00 bcdef8.00±0.00 ab2448.05±7.66 abcdef8.38±1.24 ab31.84±4.70 bcdefg11.50±3.54 cdef10.00±1.41 a2544.55±2.45 bcdefgh11.76±1.24 ab35.54±0.46 bcedfg10.00±0.00 efg9.00±0.00 ab2666.61±5.39 a3.54±0.54 b19.20±1.20 j6.00±0.00 h9.00±0.00 ab2742.42±2.42 bcdefghi22.42±0.91 a29.23±0.34 ghij15.00±0.00 ab6.00±0.00 b2841.41±0.14 bcdefghi9.71±0.19 ab37.63±0.47 bcdefg11.00±0.00 cdefg7.00±0.00 ab2936.28±4.46 bcdefghi10.06±3.58 ab42.47±3.83 abcdefg13.00±1.41 abcde8.50±0.71 ab

3.3 球果、种子性状相关性分析

杉木无性系球果产量、球果形态特征、种子发芽性状和种子优良性状间的相关性分析结果见表4。由表4可知，杉木球果的横径与纵径(r=0.916)、 横径与体积(r=0.989)、 纵径与体积(r=0.951)间均呈极显著正相关。杉木种子的发芽率与涩粒率(r=-0.913)呈极显著负相关、与霉变率(r=-0.379)呈显著负相关，这表明导致杉木种子不能正常发芽的因素可能是雌花败育致使种子涩粒或者种子自身携带霉菌。种子的发芽起始时间与发芽持续时间呈显著负相关(r=-0.427)，这表明杉木种子发芽越早，其发芽持续时间越长，即发芽整齐度较低。种子千粒重与发芽持续时间呈显著正相关(r=0.367)，但与球果产量呈显著负相关(r=-0.347)，即千粒重大的种子发芽持续时间长，且种子所属无性系的球果产量低。

表4 杉木球果、种子性状相关性分析Tab.4 Correlation analysis of cones and seed traits of C. lanceolata clones性状球果纵径球果横径球果体积种子发芽率种子霉变率种子涩粒率球果产量种子发芽起始时间种子发芽持续时间球果横径0.916∗∗球果体积0.951∗∗0.989∗∗种子发芽率0.0450.0890.082种子霉变率-0.097-0.251-0.026-0.379∗种子涩粒率0.0790.0990.090-0.913∗∗0.014球果产量-0.091-0.140-0.1370.334-0.211-0.304种子发芽起始时间0.0080.0140.005-0.2940.3020.211-0.153种子发芽持续时间-0.219-0.181-0.180-0.013-0.1240.045-0.058-0.427∗种子千粒重0.0810.0590.075-0.1960.1020.218-0.347∗-0.1360.367∗ 注:∗和∗∗分别表示有显著和极显著相关性意义。

3.4 无性系结实能力的综合评价

不同无性系球果和种子10个性状指标的主成分分析的结果见表5及图1。

图1 不同杉木无性系主成分分析空间图Fig.1 Spatial diagram of principal component analysis of different C. lanceolata clones注：图中不同标注数字代表不同无性系号。

第1主成分主要反映球果体积、横径、纵径的信息，第2主成分主要反映种子涩粒率、霉变率和发芽起始时间的信息，第3主成分主要反映种子发芽持续时间和千粒重的信息，第4主成分主要反映种子发芽率的信息，第5主成分主要反映球果产量的信息。前5个主成分因子累计贡献率达到86.77%，能够较好地表现不同无性系球果产量、球果形态特征及种子发芽性状的信息。将29个无性系5个主成分因子的得分值与主成分的贡献率相乘，得到每个无性系的综合得分。综合得分排序后，6号得分最高，其次是27、22号。按照30%入选率，选出综合排名前9的无性系，分别为6、27、22、23、28、26、5、14、9号无性系。

表5 不同杉木无性系综合评价结果Tab.5 Comprehensive evaluation of different C. lanceolata clones无性系编号第1主成分第2主成分第3主成分第4主成分第5主成分综合得分排序1-0.770.23-0.800.12-1.20-0.38262-2.320.12-1.46-1.14-0.02-0.99293-1.23-0.57-1.53-0.420.38-0.73284-0.72-0.011.40-0.700.63-0.011352.67-1.01-1.590.980.050.39760.322.152.050.31-1.740.7717-0.17-0.90-1.09-0.651.09-0.40278-0.78-0.49-0.641.060.50-0.252290.90-0.20-0.05-0.220.760.249101.78-1.52-0.36-0.83-0.53-0.051511-0.530.16-0.31-1.330.07-0.322512-1.681.24-0.700.831.85-0.041413-0.690.32-1.070.83-0.82-0.2623141.190.070.27-0.35-0.380.318151.03-1.420.09-0.50-0.81-0.1518160.700.31-0.970.27-1.220.031217-0.610.50-0.290.18-1.16-0.192018-1.741.511.180.15-0.120.0511191.33-1.04-0.18-0.77-0.85-0.061620-0.370.41-0.06-0.860.04-0.1217210.89-1.40-0.990.92-0.86-0.1921

4 结论与讨论

林木种子园的主要任务是生产遗传品质经过改良的种子，并保证其稳产、高产和优良的播种品质，综合评价杉木种子园中的无性系球果、种子性状可为种子园疏伐改造及更高世代种子园建设的无性系选择提供理论依据。本研究结果表明，无性系球果的纵径、横径、体积、产量以及种子的千粒重、发芽率、涩粒率、霉变率、发芽起始时间和发芽持续时间差异均达到极显著水平，且不同无性系的球果产量、形态特征和种子发芽性状差异较大，说明进行无性系选择不仅能达到改良种子的目的，而且也是提高杉木种子园种子产量和播种品质的有效途径。

本研究发现，杉木球果产量和种子霉变率变异系数大，表明杉木球果产量和种子易霉变程度受环境因子影响较大，这与陈琳等[18]和陈仕昌[19]的研究结果基本一致。杉木球果纵、横径及体积与球果产量、种子发芽率、种子涩粒率、种子霉变率等指标间的相关性不显著，说明杉木球果大小对其球果产量和种子品质没有影响，这与陈奶莲等[20]的研究结果基本一致。代凤贵[21]研究发现，不同大小球果的种子、苗期生长和幼林生长遗传品质差异不显著，表明球果大小不宜作为选择种子产量、质量俱佳的无性系的依据。发芽起始时间与发芽持续时间呈显著负相关，说明发芽越早的无性系种子整个发芽过程越长，即本试验中无性系种子出苗齐性较差。种子千粒重与发芽持续时间呈显著正相关，这与黑松(Pinusthunbergii)种子发芽特性相类似[22]，表明大粒种子发芽指数较低。这可能与大粒种子与外界接触面积大，在裸露及通风良好情况下容易失水有关[23]。种子千粒重与球果产量呈显著负相关，可能是因为球果与种子在其生长、发育过程中产生营养竞争，导致球果产量高但种子较轻。

采用主成分分析法对29个无性系10个指标进行综合评价，初步筛选出6、27、22、23、28、26、5、14、9号球果产量和种实性状兼优的9个无性系，可为高产优质种子园建园备选材料选择提供参考。

29个杉木无性系的10个种实性状变异程度较高，遗传多样性丰富，且各性状间具有一定相关性，可为杉木球果和种子品质评定提供重要的参考依据。筛选出的9个杉木无性系可为3代种子园更新选择高产优质的亲本材料提供参考。