納曉瑩 王秀偉 劉桂豐 姜靜

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫之一，在維護全球氣候穩(wěn)定，調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)以及減緩CO2等溫室氣體濃度上升等方面具有不可替代的作用[1]。森林碳庫約占全球植被碳庫的86%以上[2-3]。當增加森林密度和區(qū)域時，森林就成為了CO2的“匯”。基于聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和糧農(nóng)組織估計，亞洲森林每年每公頃大約吸收5 000 kg CO2。我國森林的碳儲量主要集中于云杉林、冷杉林、落葉松、櫟類林、樺木林、硬葉闊葉林和闊葉混交林等7個林分類型中，其碳儲量約占整個森林的70%，且中、幼齡林較成熟林，其面積和碳儲量都呈上升趨勢，如果對現(xiàn)有森林加以更好的撫育管理，作為CO2的“匯”，我國森林還有很大的潛力發(fā)揮其碳匯功能[4]。東北地區(qū)森林資源面積為6×1011hm2，占全國森林總面積的28.1%，是我國最大的林區(qū)[5]。但東北森林的遺傳改良較晚，且蓄積量較小，碳儲量較低，碳匯的提升空間很大，應尋求更多更有效的方法提高東北森林的碳匯能力，增加其碳儲量。

白樺是廣布亞歐大陸的世界性樹種，在我國東北地區(qū)蓄積量較大。近些年來，隨著育種技術的發(fā)展，研究者對白樺進行多層次的評價選擇[6-7]，自20世紀90年代起進行了多次種源試驗，得到了高碳匯優(yōu)良種源草河口、清源、帽兒山和小北湖，其地上部分碳儲量較對照提高了17.3%～47.2%[8]，并對白樺進行優(yōu)樹選擇、扦插[9]、強化育種技術[10]的研究，并利用雜交育種手段[11-13]、遺傳轉(zhuǎn)化等方法培育出許多速生優(yōu)質(zhì)的白樺新種質(zhì)。其中，雜交育種是培育白樺優(yōu)良品種的重要手段，雜交后代的基因重組可產(chǎn)生雜種優(yōu)勢[14]。雙列交配設計作為雜交設計的主要方法之一[15]，目前已廣泛被應用于林木遺傳改良中[16-21]，配合力則是決定雜種具有親本優(yōu)勢強弱的重要因素，是選配親本的主要指標。目前，林木遺傳改良工作缺乏以選育碳匯良種為目標的研究，因此，應將白樺種質(zhì)資源改良與碳儲量聯(lián)系起來，篩選固碳能力強且生長性狀優(yōu)良、抗逆性強的白樺種質(zhì)資源，這樣既可以提高白樺人工林生產(chǎn)效率，又可以為全球環(huán)境的改善做貢獻。

本研究以4株中國白樺優(yōu)樹和1株歐洲白樺優(yōu)樹為雜交親本，按雙列交配設計所得的全同胞子代為研究對象，對其生長性狀和碳含量進行測定，分析其碳儲量及親本的一般配合力、特殊配合力和反交效應，旨在對高碳匯的白樺家系及優(yōu)良雜交組合進行評價。

1 試驗地概況

試驗地點在東北林業(yè)大學帽兒山實驗林場林木改良實驗站北林13林班(E127°30′～127°34′，N45°20′～45°25′)，海拔358 m。土壤為暗棕壤，西南坡向，坡度為15°。該區(qū)域為大陸性季風氣候，有典型的四季交替，冬季長，夏季短。冬季寒冷干燥，夏季炎熱濕潤，少風多雨。年平均氣溫2.8 ℃，平均年降水量723.8 mm。

2 材料與方法

實驗材料為7年生白樺雙列雜交子代測定林，親本為4株白樺優(yōu)樹(5、8、11、15號)和1株歐洲白樺(14號)。2005年4月下旬按照雙列雜交第3種方式進行控制授粉，獲得全部20個正交和反交組合的雜交種子(白樺自交不育)，于2006年育苗，2007年5月定植，試驗設計采用隨機完全區(qū)組設計，20個雜交組合，3個區(qū)組，區(qū)組與區(qū)組之間用落葉松間隔。每小區(qū)18株，雙行排列，株行距2.0 m×2.0 m。2012年進行全林調(diào)查，每木檢尺，根據(jù)調(diào)查結(jié)果在每個小區(qū)中選擇1株平均木進行生物量測定，每個家系3株作為樣木。

2.1 生物量的測定

本研究中生物量的測定是通過對20個白樺全同胞家系分別將樣木伐倒，測量樹皮、去皮樹干(以下樹干均為去皮樹干)、枝、葉、根的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。樹干和樹皮的鮮重是將樣木按照1m區(qū)分段，剝皮并測定各區(qū)分段的去皮樹干和樹皮的鮮質(zhì)量；枝葉的鮮重是通過選取標準枝，分別稱枝和葉的鮮質(zhì)量；根部的測定采用全挖法，分別測定大根(直徑d>5 mm)、粗根(直徑在2 mm≤d≤5 mm)、細根(直徑d≤2 mm)的鮮質(zhì)量。干質(zhì)量的測量是對每株樣木的地上部分各區(qū)分段的樹皮、去皮樹干和枝、葉、根分別取樣，將所采集的樣品帶回室內(nèi)烘干并測定其質(zhì)量，通過其含水量，計算出樣木各組織部位的干重，即各組織部位的生物量，求和得到單株生物量。地上部分生物量指樹皮、樹干、枝、葉的生物量總和，地下部分生物量指3部分根的生物量總和。

2.2 碳質(zhì)量分數(shù)的測定

碳質(zhì)量分數(shù)的測定采用Multi N/C3000分析儀連用HT1500固體模塊(Analytic Jena AG.，Germany)。具體方法：用分析天平分別稱取20 mg各組織部位的烘干粉末樣品，置于HT1500的燃燒爐中進行燃燒，燃燒溫度是1 200 ℃，每個樣品的測量時間控制在2～3 min。燃燒過程中有高純氧氣不斷通過，確保樣品在99%的高純氧氣中充分燃燒。電腦分析計算產(chǎn)生CO2的量來確定樣品的全碳含量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中，各組織部位碳儲量和單株碳儲量所依據(jù)的計算方法如下：

式中：Ct為單株碳儲量；Ci為第i個組織部位的碳儲量；Bi為第i個組織部位的生物量；Pi為第i個組織部位的碳質(zhì)量分數(shù)。

采用Excel2010(Microsoft)對數(shù)據(jù)進行整理，使用SPSS19.0統(tǒng)計分析系統(tǒng)對家系間進行方差分析，若方差分析差異有統(tǒng)計學意義，則用Duncan法進行組間多重比較。

采用ForStat2.1統(tǒng)計分析系統(tǒng)進行遺傳效應分析[22]，根據(jù)固定模型進行方差分析，在差異顯著的基礎上估算雙列雜交設計的一般配合力(GCA)、特殊配合力(SCA)和反交效應值(REC)[19]，并對配合力進行多重比較和優(yōu)良親本的選擇。根據(jù)隨機模型估計一般配合力方差、特殊配合力方差(表1)[23]，并用下列公式計算遺傳力。

表1 配合力和反交效應值方差分析模型

注：p是親本數(shù)，f是雜交組合數(shù)(家系數(shù))，f=p(p-1)，b是區(qū)組數(shù)，Vg是一般配合力方差，Vs是特殊配合力方差，Vr是反交效應方差，Ve是誤差方差。

加性方差VA=4Vg，顯性方差VD=4Vs，遺傳方差VG=VA+VD，表型方差VP=VA+VG+Ve，狹義遺傳力h2=VA/VP，廣義遺傳力H2=VG/VP。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物量和碳質(zhì)量分數(shù)的差異顯著性

對白樺雙列雜交子代單株生物量及各器官進行方差分析結(jié)果表明(表2)：在不同雜交組合產(chǎn)生的子代家系間單株生物量達極顯著差異水平(P≤0.01)；地上部分生物量達極顯著差異水平，而地下部分差異不顯著；地上部分各組織部位生物量除樹皮外，其它差異均達極顯著水平；各組織部位的碳質(zhì)量分數(shù)中，除樹皮和樹枝無顯著差異外，其它均有極顯著或顯著的差異。由于各組織部位樣品的碳質(zhì)量分數(shù)并不能代表此部分所存儲的碳總量，因此要乘以此組織部位的生物量得到其碳儲量估計值，作為此部位的碳儲量值。因為碳儲量與碳質(zhì)量分數(shù)以及生物量密切相關，后兩者的差異顯著性會影響碳儲量的差異顯著性。

表2 白樺全同胞子代生物量、碳質(zhì)量分數(shù)方差分析

注：** 表示在0.01水平上差異極顯著;*表示在0.05水平上差異顯著。

3.2 樹高、胸徑和碳儲量的差異顯著性分析

白樺雜交子代各樹高、胸徑、碳儲量的變幅及變異系數(shù)分析(表3)顯示：白樺雜交子代的樹高、胸徑、單株碳儲量的變異系數(shù)分別為11.09%、15.39%、28.71%，各組織部位碳儲量的變異系數(shù)較高，各組合產(chǎn)生的家系性狀間存在豐富的變異，表明根據(jù)生長性狀進行優(yōu)良雜交組合的選擇潛力很大，并且選擇高碳匯能力白樺家系的可能性很大；對白樺雙列雜交子代樹高、胸徑、單株碳儲量以及各組織部位碳儲量進行方差分析(表4)表明：在不同雜交組合產(chǎn)生的家系間除樹高、皮碳儲量和根碳儲量差異不顯著，胸徑及其他各部分、單株碳儲量差異均達到極顯著水平(P≤0.01)，為篩選優(yōu)良的碳匯家系提供可能。

表3 樹高、胸徑及碳儲量變異分析

表4 白樺全同胞子代樹高、胸徑及碳儲量方差分析

注：** 表示在0.01水平上差異極顯著；*表示在0.05水平上差異顯著。

對不同家系單株碳儲量進行多重比較(表5)，家系619和643最高，平均值分別為7.14和6.89，分別比總體平均值高43.67%，38.63%。627、637、602、642、643和619等6個家系平均值較高，單株碳儲量較各家系平均值高13.69%～43.67%，將產(chǎn)生這些家系的雜交組合11×15、14×11、5×8、15×8、15×11、8×14定為待選高碳匯優(yōu)良親本組合。以上6個雜交組合中，變異系數(shù)較大的組合為14×11和15×11，其單株碳儲量變異系數(shù)分別為21.54%和23.80%；其次為11×15和5×8，變異系數(shù)分別為19.65%和17.11%；變異系數(shù)較小的組合為8×14和15×8，分別為7.14%和8.88%。以上數(shù)據(jù)表明不同的雜交組合，其雜種子代的變異程度是不同的，可根據(jù)變異程度對各雜交組合進行遺傳評價，全同胞家系單株碳含量變異越明顯，就越有利于根據(jù)需要進行遺傳選擇。

3.3 一般配合力、特殊配合力、反交效應分析

配合力是用于闡明子代性狀因親本配合所表現(xiàn)的遺傳能力，它表達親本組合對子代表現(xiàn)的量化遺傳關系，是遺傳評價的重要參數(shù)[15]。根據(jù)固定模型進行方差分析，在差異顯著的基礎上估算雙列雜交設計的一般配合力(GCA)、特殊配合力(SCA)和反交效應值(REC)。特殊配合力效應值為正，表明該組合的表現(xiàn)優(yōu)于雙親的平均表現(xiàn)，反之則劣于雙親的平均表現(xiàn)。因此，分析親本的一般配合力和特殊配合力，是篩選優(yōu)良雜交組合的依據(jù)之一。反交效應是選擇優(yōu)良組合的正反交組合的要參考依據(jù)。若反交效應為正向效應，表明其親本在正交情況下一般配合力提高了后代在相應性狀上的表現(xiàn)，則要選擇正交組合；若反交效應為負向效應，表明其親本在正交情況下一般配合力降低了后代在相應性狀上的表現(xiàn)，則選擇反交組合。

表5 白樺全同胞子代單株碳儲量多重比較

注：表中數(shù)據(jù)表示平均值±標準差；同列不同字母表示在0.05水平上差異顯著。

根據(jù)固定模型對白樺各雜交組合的碳儲量進行配合力和反交效應方差分析，結(jié)果顯示：單株碳儲量的一般配合力差異不顯著，特殊配合力和反交效應均達到了的極顯著水平(表6)，遺傳力達到70%以上，表明特殊配合力和反交效應值存在顯著的遺傳差異，可根據(jù)它們進行下一步的估算和分析。

表6 白樺雙列雜交親本碳儲量配合力及反交效應值的方差分析

對白樺各雜交組合的特殊配合力分析(表7)表明：單株碳儲量的特殊配合力效應值均為正的組合為5×8(8×5)、14×5(5×14)、14×8(8×14)、和11×15(15×11)，效應值分別為0.378、0.091 2、0.799、1.268 3，說明這些組合的雜交子代均優(yōu)于雙親的平均值，但是，由于經(jīng)過母本父本間生長性狀的差異顯著性分析，5號親本不適宜作為雜交父本(表7)，不宜選擇8×5，14×5，但5×8和5×14是5號做母本的優(yōu)良組合。因此，選擇14×8(8×14)、11×15(15×11)以及5×8和5×14為待選的高碳匯優(yōu)良組合。單獨分析特殊配合力只表明了該組合的子代表現(xiàn)優(yōu)于雙親的平均表現(xiàn)，但是考慮到父本母本的選配時，應使用反交效應來分析，并且反交效應值的方差分析(表8)表明其達到了的極顯著水平，說明親本之間的選配也存在著顯著的差異。

對上述入選的各組優(yōu)良雜交組合的反交效應值分析(表7)，適宜的優(yōu)良雜交組合為8×14、15×11、5×8和5×14，對應的家系為619、643、602、605，再對應單株碳儲量多重比較，602、619和643家系包含在初步待定的單株碳儲量平均值較高的6個家系里，因此確定為親本配合力較好的高碳匯家系。

表7 白樺各親本組合碳儲量特殊配合力及反交效應值

4 結(jié)論與討論

應用雙列雜交設計控制雜交，得到全同胞子代進行高碳匯家系及親本雜交組合的篩選，選配出高質(zhì)量并且具有高碳匯能力的家系及優(yōu)良親本，可以根據(jù)固碳要求提高育種成效，也為生產(chǎn)造林和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的緊密聯(lián)系提供理論依據(jù)。但是，對碳儲量的研究方面不能僅限于對子代的篩選，還需對雜交親本進行選配。林木育種研究者常根據(jù)配合力的大小選配雜交親本[16,24-26]。本研究通過對白樺5×5雙列雜交試驗獲得的全同胞子代測定林生長性狀和碳含量調(diào)查研究，初步篩選出627、637、602、642、643和619家系單株碳儲量較各家系平均值高13.69%～43.67%，確定為高碳匯優(yōu)良家系，并且對其各自的雜交親本作為優(yōu)良雜交親本繼續(xù)進行親本分析。對各雜交組合母本、父本的配合力和反交效應值進行分析發(fā)現(xiàn)，雜交親本的一般配合力差異不顯著，而特殊配合力和反交效應值均表現(xiàn)出了極顯著的差異，說明在眾多雜交組合中，同一親本作為父本或者母本，家系間變異較大。利用一般配合力高的親本雜交可望獲得好的雜交效果，而特殊配合力高則是選取優(yōu)良雜交組合的依據(jù)之一[12]。因此，篩選特殊配合力高的雜交組合意義重大。對入選雜交組合的特殊配合力和反交效應值進行計算，發(fā)現(xiàn)有些組合的雜交子代的特殊配合力均優(yōu)于雙親的平均值，對這些組合通過反交效應再進行篩選，8×14、15×11、5×8和5×14的特殊配合力較高，再對應其子代的單株碳儲量分析，確定優(yōu)良碳匯雜交組合為8×14、15×11、5×8。

由于碳儲量由生物量與碳質(zhì)量分數(shù)乘積得到，碳儲量受生物量和碳質(zhì)量分數(shù)共同影響。單株碳儲量的顯著差異主要是由地上部分碳儲量的顯著差異所影響，而地上部分碳儲量的顯著差異是由樹干、樹葉、樹枝的碳儲量顯著差異造成。再根據(jù)變異系數(shù)分析，地下部分以及樹根的碳儲量變異系數(shù)明顯較大，且地下部分的生物量無顯著差異，因此設想可能是由于變異大，更容易造成其家系間差異的不顯著。在篩選優(yōu)良家系的過程中，盡可能排除變異系數(shù)較大的家系或親本，以保證其遺傳穩(wěn)定性。樹皮的生物量和碳含量以及碳儲量均無明顯差異，并且碳儲量很低，推測原因是樹皮在固碳機制中的作用很??；而樹干則是參與碳儲存和運輸?shù)闹匾课?，其碳質(zhì)量分數(shù)差異極顯著，生物量和碳儲量也在0.05水平上差異顯著，因此樹干在碳匯方面是需要考慮的重要因素之一；葉作為CO2固定的初始部位，在三者中都表現(xiàn)出極顯著的差異，因此在固碳能力方面應被著重考慮；枝的生物量差異顯著，與其生長及分枝情況有關，但其碳質(zhì)量分數(shù)無明顯差異，猜測其碳儲量的差異主要由生物量導致，應對其再做進一步研究；根部碳儲量的差異不顯著主要是由生物量差異不顯著所影響，推測其碳含量的顯著差異與根呼吸釋放CO2的機制有一定關聯(lián)，可以將根呼吸作為碳釋放因子在研究工作中著重考慮。

親本的配合力并不是指其本身的表現(xiàn)，而是指與其他親本結(jié)合后它在雜種世代中體現(xiàn)的相對作用。在雜種優(yōu)勢利用中，配合力常以雜種一代的產(chǎn)量表現(xiàn)作為度量的依據(jù)；在雜交育種中，體現(xiàn)在雜種的各個世代，尤其是后期世代。因此，通過雙列交配設計來估算親本配合力和反交效應，是雜交育種親本選配的必要條件。一般配合力效應值高的親本也較多表現(xiàn)出特殊配合力效應值較高，但也有例外，表現(xiàn)為一般配合力低的親本和一般配合力高的親本雜交也會產(chǎn)生高的特殊配合力，14號雜交親本是從芬蘭引進的歐洲白樺優(yōu)樹，具有干型通直、樹形美觀等特點，但是其抗寒性較差，而與其雜交的中國白樺優(yōu)樹，抗寒性強，其雜交子代繼承了親本的優(yōu)點，干型通直、且抗寒性強，因此選擇歐洲白樺作為雜交親本具有重要的潛在價值[13]。

本研究篩選獲得的高碳匯家系可以進行培育，獲得其無性系子代可投入生產(chǎn)造林和營建種子園，以保存其親本的高配合力，保證優(yōu)良性狀和高碳匯能力的穩(wěn)定遺傳，從而為生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡的起到積極作用。對于其無性系子代，需進行繁殖和培育，并且進行光合和呼吸作用與固碳機制方面的深入研究。未來的遺傳育種工作中，在將干型、材質(zhì)材性、適應性等作為選擇育種依據(jù)的同時，不妨把固碳能力也考慮在內(nèi)，將育種與生態(tài)系統(tǒng)平衡緊密聯(lián)系起來，以獲得多方面的收益。