歐陽磊，鄭仁華，肖 暉，蘇順德，方祿明

杉木第一代種子園自由授粉子代表型性狀的多樣性

歐陽磊1a,b，鄭仁華1a,b，肖 暉1a,b，蘇順德1a,b，方祿明2

杉木是我國南方最重要的鄉(xiāng)土針葉樹種之一，廣泛分布于我國亞熱帶的南方17個省區(qū)，經(jīng)長期的自然選擇和人工選擇，不同產(chǎn)地的杉木個體在表型性狀方面存在不同程度的變異。項目組對不同育種世代種子園自由授粉子代表型性狀的多樣性進(jìn)行了研究。其中，對杉木第一代種子園自由授粉子代表型性狀多樣性分析表明，杉木第一代種子園自由授粉子代的生長、結(jié)實、形質(zhì)等表型性狀存在較為豐富的變異，表型性狀在家系間的差異均達(dá)顯著或極顯著水平。通過主成分分析和聚類分析，當(dāng)距離閥值為3.5時，63個家系明顯地被劃分為4大類，當(dāng)距離閥值為2.5時，可以進(jìn)一步細(xì)分為8個亞類。第1大類包括14個家系，以來自湖北的家系為主；第2大類包括17個家系，以來自湖南和貴州的家系為主；第3大類包括17個家系，以來自廣東和福建的家系為主；第4大類包括15個家系，以來自福建的家系為主。家系的分類與家系的地理分布基本一致，說明根據(jù)表型性狀對杉木第一代種子園自由授粉子代家系進(jìn)行分類是可行的。家系的分類將為杉木優(yōu)良材料的選擇、育種群體的構(gòu)建、人工控制授粉以及長期遺傳改良策略的制定提供參考。根據(jù)分類結(jié)果，對家系的變異系數(shù)進(jìn)行合并后求平均值，發(fā)現(xiàn)不同類和亞類的變異系數(shù)值相差較大，不同亞類變異系數(shù)的變化范圍為16.2％～24.8％。來自湖北咸寧家系的變異系數(shù)較大，來自福建三明和建陽家系的變異系數(shù)較小。

杉木；子代；表型性狀；變異；多樣性

林木表型表達(dá)是林木基因型與其所處立地環(huán)境條件相互作用的結(jié)果，是林木基因型在特定環(huán)境條件下的表象。至今，林木表型性狀多樣性與DNA分子標(biāo)記多樣性的研究仍是林木遺傳多樣性研究的主要內(nèi)容，而表型多樣性研究則是遺傳多樣性研究的前提。隨著林木遺傳改良的進(jìn)展，林木表型性狀多樣性研究不斷得到提高，表型性狀的表現(xiàn)更趨復(fù)雜，利用表型性狀來研究林木群體遺傳多樣性的難度不斷增大，但利用表型性狀來研究林木的遺傳變異依然是最有效的方法。杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook是我國南方最重要的針葉用材樹種之一，廣泛分布于我國亞熱帶的南方17個省區(qū)，經(jīng)長期自然選擇和人工選擇，不同地域的杉木群體和個體的表型性狀存在著比較豐富的變異。有關(guān)杉木遺傳變異規(guī)律和良種選育的報道較多，但對杉木表型性狀多樣性研究的報道較少[1-7]。鑒于此，筆者根據(jù)杉木第一代種子園自由授粉子代的表型性狀，進(jìn)行分差分析、主成分分析和聚類分析，分析子代間的多樣性和親緣關(guān)系，以期為杉木種質(zhì)資源的分類、雜交制種親本的選配和核心育種群體的建立提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地及參試家系

試驗地位于福建省邵武衛(wèi)閩國有林場(為杉木中心產(chǎn)區(qū)，117°40′E，27°05′N)，海拔 350m，年均溫17.7℃，年降水量1 767.7mm，年均相對濕度83.0％，年有效積溫5 619℃。試驗地前茬為天然闊葉林，立地等級為Ⅰ級。參試的杉木種子園自由授粉子代家系于1977年秋采自福建省國有來舟林業(yè)試驗場的杉木嫁接種子園中，每個家系的種子采自同一無性系的3～5株生長正常的嫁接分株的混合種子，共采集63個家系的種子，并以種子園的混合種作對照，共64個處理，采用BIB設(shè)計，72個區(qū)組，9個重復(fù)，9株小區(qū)。各參試家系基本情況見表1。

表1 杉木第一代種子園自由授粉子代參試家系Table 1 Tested pedigrees of open-pollinated progeny of first generation Chinese fir breeding garden

1.2 數(shù)據(jù)收集整理

試驗林營建成功后每年加強(qiáng)撫育管理，年終開展樹高、胸徑、地徑(離地表5cm處)、冠幅、結(jié)實量、分枝角等性狀的調(diào)查。通直度分為4個等級：主干5m內(nèi)通直為4，1個彎為3，2個彎為2，3個及3個彎以上為1；結(jié)實量分為4個等級：果多為4，果較多為3，中等為2，少為1；分枝角為樹干上最下一輪活枝中最大枝與主干的夾角；圓滿度為胸徑與地徑的比值；

材積計算公式為：

式中：V為材積；D為胸徑；H為樹高。

各年度、各性狀調(diào)查觀測的數(shù)據(jù)經(jīng)反復(fù)核對無誤后輸入計算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計分析。對結(jié)實、通直度等得分性狀經(jīng)過平方根轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行分析。

1.3 分析方法

1.3.1 方差分析

以單株觀測值進(jìn)行單點方差分析時的線性模型為：

式中：Yijk為第i家系在第j區(qū)組中的第k個觀察值；μ為群體平均值；Fi為家系的效應(yīng)值；Bj為區(qū)組的效應(yīng)值；(F×B)ij第i個區(qū)組第j個家系的效應(yīng)值；εijk為機(jī)誤。

1.3.2 主成分分析

采用主成分分析，將眾多相關(guān)的表型性狀指標(biāo)，重新組合成一組新的相互無關(guān)的幾個綜合變量，同時根據(jù)實際需要從中可以取出幾個較少的綜合變量盡可能多地反映原來變量的信息。

1.3.3 聚類分析

利用國際通用SAS8.1軟件中的聚類模塊進(jìn)行聚類分析，生成聚類樹狀圖，進(jìn)行分類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 家系表型性狀變異

表2列出了杉木第一代子代家系表型性狀的變異系數(shù)。由表2可知，生長性狀的變異系數(shù)最大，平均值變異系數(shù)值為0.263 2，其中，材積變異系數(shù)＞胸徑變異系數(shù)＞樹高變異系數(shù)。其次是結(jié)實性狀，變異系數(shù)值為0.152 5。形質(zhì)性狀(包括圓滿度、通直度和分枝角)的變異系數(shù)最小，圓滿度、通直度和分枝角的變異系數(shù)分別只有0.023 2、0.052 1和0.023 8?？傮w上，杉木第一代種子園自由授粉子代的生長、結(jié)實等性狀存在較為豐富的變異，形質(zhì)性狀表現(xiàn)比較穩(wěn)定，子代林整體表現(xiàn)比較圓滿、通直。

2.2 家系表型性狀方差分析

表3列出了杉木第一代種子園自由授粉子代家系表型性狀方差分析結(jié)果，包括重復(fù)間、家系間及機(jī)誤的均方以及重復(fù)間、家系間的F值。經(jīng)檢驗，杉木第一代種子園自由授粉子代家系各表型性狀中除圓滿度在重復(fù)間沒有達(dá)到差異顯著水平外，其余性狀在重復(fù)間的差異均達(dá)極顯著水平，說明立地環(huán)境條件對杉木第一代種子園自由授粉子代家系的表型性狀表現(xiàn)影響較大。在家系水平上，除2a地徑、3a樹高、3a地徑、圓滿度和通直度在家系間沒有達(dá)到差異顯著水平外，其余表型性狀在家系間的差異均達(dá)顯著或極顯著水平，說明不同家系的表型性狀表現(xiàn)存在顯著差異，家系間的變異比較豐富。

2.3 家系表型性狀多樣性區(qū)劃

2.3.1 主成分分析和聚類分析

從杉木第一代種子園自由授粉子代家系的29個表型性狀主成分分析結(jié)果可知(見表4)，第一個主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)94.11％，第二個主成分的貢獻(xiàn)率為1.87％，第三個主成分的貢獻(xiàn)率為1.26％，前3個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)97.24％。因此，可以得出保留3個主成分將能大部分反映原來29個表型性狀變量的信息。

表2 杉木第一代種子園自由授粉子代家系表型性狀變異系數(shù)?Table 2 Variation coefficients of phenotypic traits of first generation single parent offspring of Chinese fir

表3 杉木第一代種子園自由授粉子代家系表型性狀方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis on phenotypic traits of first generation single parent offspring of Chinese fir

表4 杉木第一代種子園自由授粉子代表型性狀主成分分析結(jié)果Tablt 4 Principal component analysis on phenotypic traits of Chinese fir first generation progeny

在主成分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析。根據(jù)杉木第一代種子園自由授粉子代家系2年生樹高等29個表型性狀進(jìn)行UPGMA聚類分析，當(dāng)距離閥值為3.5時，可將參試的63個家系明顯的劃分為4大類(見圖1)。從圖1可知，湖北咸寧1、湖北咸寧2、湖北咸寧3、湖北咸寧4、湖北咸寧5、湖北咸寧7、湖北咸寧8、湖北咸寧9、湖北咸寧10、湖北咸寧14、湖北咸寧45、湖北咸寧46、湘校3和湘校4形成第一大類，第一大類主要為來自湖北的家系(占85.7％)；湖北咸寧11、湘校5、湘廣1、湘廣7、湘廣9、湘排329、湘排360、湘排403、貴州錦屏4、貴州錦屏8、貴州錦屏優(yōu)9、貴州錦屏10、貴州錦屏13、貴州錦屏40、貴州錦屏45、貴州錦屏48和貴州錦屏54形成第二大類，第二大類主要為來自湖南和貴州的家系(占94.1％)；貴州錦屏62、廣東2、廣東5、廣東7、廣東10、贛州10、建44、建優(yōu)58、建64、建111、建19、順53、浦城5、崇安15、三45、三優(yōu)54和三優(yōu)67形成第三大類，第三大類主要為來自廣東和福建的家系(占88.2％)；廣東6、建105、建106、建優(yōu)107、建1、建26、順41、順54、順58、浦城19、三優(yōu)7、三12、三17、三優(yōu)21和三25形成第四大類，第四大類主要為來自福建的家系(占93.3％)。

圖1 杉木第一代種子園自由授粉子代家系表型性狀聚類Fig.1 Dendrogram of phenotypic traits of Chinese fi r fi rst generation progeny

2.3.2 表型多樣性劃分的特點

對杉木第一代種子園自由授粉子代家系間平均變異系數(shù)按4個大類和8個亞類(距離閥值為2.5)進(jìn)行合并后求均值(見表5)。由表5可知，變異系數(shù)最大的是Ⅰ-1(24.8％)和Ⅰ-2(22.3％)，其次是Ⅱ-2(21.1％)，往下依次是Ⅱ-1(18.7％)＞Ⅳ-1(17.7％)＞Ⅲ-2(17.2％)＞Ⅲ-1(16.9％)Ⅳ-2(16.2％)。歸類后發(fā)現(xiàn)，杉木第一代種子園自由授粉子代家系間存在豐富的遺傳變異，不同亞類群的遺傳變異系數(shù)相差較大，變化范圍16.2％～24.8％。來自湖北咸寧子代家系的變異系數(shù)較大，來自福建三明和建陽子代家系的變異系數(shù)較小。

表5 杉木第一代種子園自由授粉子代家系變異系數(shù)歸類分析Table 5 Classification analysis on variation coefficients of first generation single parent offspring of Chinese fir

3 結(jié)論與討論

表型性狀多樣性是生物多樣性的基礎(chǔ)，掌握植物表型多樣性及其變化規(guī)律，對于植物資源的保護(hù)及可持續(xù)利用具有十分重要的意義[8-10]。不同杉木第一代種子園自由授粉子代造林后，表型性狀產(chǎn)生了豐富的變異。林木表型表達(dá)是林木基因型與其所處立地環(huán)境條件相互作用的結(jié)果，是林木基因型在特定環(huán)境條件下的表象。表型變異越大，可能存在的遺傳變異越大。根據(jù)杉木第一代種子園自由授粉子代豐富的變異情況，可以推斷其改良前景是廣闊的。因此，在杉木的遺傳改良工作中，杉木表型性狀多樣性研究和優(yōu)良材料的選擇應(yīng)受到重視。

依據(jù)子代家系的表型性狀特征，可將63個參試子代家系劃為4個不同的大類，進(jìn)一步可細(xì)分為8個不同的亞類。從分類結(jié)果來看，第1大類包括14個家系，以來自湖北的家系為主(12個)，另2個家系來自湖南；第2大類包括17個家系，以來自湖南和貴州的家系為主(16個)，另1個家系來自湖北；第3大類包括17個家系，以來自廣東和福建的家系為主(15個)，另2個家系分別來自貴州和江西；第4大類包括15個家系，以來自福建的家系為主(14個)，另1個家系來自廣東。家系的分類與家系的地理來源基本一致，說明根據(jù)家系的表型性狀對杉木第一代種子園自由授粉子代家系進(jìn)行分類是可行的。家系的分類將為杉木優(yōu)良材料的選擇、育種群體的構(gòu)建、人工控制授粉等提供參考。

杉木作為我國南方最重要的針葉用材樹種之一，廣泛分布于我國亞熱帶的南方17個省區(qū)，不同產(chǎn)地的杉木個體在表型性狀方面存在不同程度的變異，經(jīng)長期自然選擇和人工選擇，在葉片、葉色、開花、結(jié)實、種子、球果、干型、材性、生長速度等各項指標(biāo)上存在較大的變異，蘊(yùn)含著豐富的群體/個體的多樣性差異。自上世紀(jì)六十年代以來，我國開始杉木遺傳改良研究，杉木遺傳改良研究水平一直處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，以種子園、種質(zhì)資源庫庫和子代林等多種方式保存了大量豐富的育種資源。如何評價和利用現(xiàn)存的杉木育種資源是我國現(xiàn)階段杉木遺傳改良的重要任務(wù)之一，具有承前啟后的重要意義。本研究著重從表型性狀方面分析杉木第一代種子園自由授粉子代表型性狀的多樣性，尚未涉及不同子代的其它性狀包括同工酶、蛋白質(zhì)和DNA分子標(biāo)記等的多樣性，雖相關(guān)研究已有少量報道[11-18]，但仍有待不斷深入和系統(tǒng)研究。

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Phenotypic genetic diversity of open-pollinated progenies of fi rst generation Chinese fi r seed orchard

OUYANG Lei1a,b,ZHENG Ren-hua1a,b,XIAO Hui1a,b,SU Shun-de1a,b,FANG Lv-ming2
(1a.Key Laboratory of Timber Forest Breeding and Cultivation for Mountainous Areas in Southern China;b.State Forestry Administration Engineering Research Center of Chinese Fir,Fujian Academy of Forestry,Fuzhou 350012,Fujian,China;2.Jiangle National Forest Farm of Fujian,Jiangle 353300,Fujian,China)

The phenotypic diversity of the fi rst generation of Chinese fi r seed orchard pollination progeny was investigated.The results were as follows.There were signi fi cant or very signi fi cant differences among progenies in growth traits,seed production and tree form traits,and the phenotypic variation was abundant.Through principal component analysis and cluster analysis,sixty three families were obviously divided into four main groups when the distance threshold was 3.5,and were subdivided into eight sub-groups when the distance threshold was 2.5.The fi rst main group included 14 families,which mainly came from Hubei province;the second main group included 17 families,which mainly came from Hunan and Guizhou provinces;the third main group included 17 families,which came from Guangdong and Fujian provinces;the fourth main group includes 15 families,which came from Fujian provinces.The classi fi cation of families was in some degree consistent with the geographical distribution of families,which indicated it is feasible for the classi fi cation of the fi rst generation Chinese fi r seed orchard pollinated progenies based on phenotypic traits.Pedigree classi fi cation would be useful for genetic material selection,breeding populations building,artificial hybrid seeding and long-term genetic improvement strategy.According to the classi fi cation results,there were lager differences among main groups and sub-groups in the averages of the variation coef fi cients,and the variation coef fi cients ranged from 16.2％～24.8％.The variation coef fi cient families from Xianning of Hubei were more larger than others,and Sanming and Jianyang of Fujian were relatively small.

Cunninghamia lanceolata;progeny;phenotypic traits;variation;diversity

(1.福建省林業(yè)科學(xué)研究院，a.國家林業(yè)局南方山地用材林培育重點實驗室；b.國家林業(yè)局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350012；2.福建省將樂國有林場，福建 將樂 353300)

S791.27

A

1673-923X(2015)03-0022-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.03.005

2014-01-10

福建省林木種苗科技攻關(guān)三期、四期項目“杉木速生優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種定向選育研究與應(yīng)用”(閩林科[2009]4號、[2013]1號)；福建省自然科學(xué)基金項目“杉木第三代種質(zhì)資源遺傳多樣性分析及核心種質(zhì)構(gòu)建研究”(2012J01097)；福建省科技重大專項專題“杉木優(yōu)質(zhì)種苗繁育技術(shù)及人工林高效培育技術(shù)”(2012NZ0001-1)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃專題(2012BAD01B0201)；福建省森林培育與林產(chǎn)品加工利用重點實驗室項目

歐陽磊，高級工程師，博士

鄭仁華，教授級高工，博士，E-mail：zrh08@126.com

歐陽磊，鄭仁華，肖 暉，等.杉木第一代種子園自由授粉子代表型性狀的多樣性[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(3):22-26.

[本文編校：吳 毅]