安三平，歐陽(yáng)芳群，馬建偉，王麗芳，王美琴，王軍輝*

(1.甘肅小隴山林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741022；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

歐洲云杉(Piceaabies)為松科云杉屬，常綠大喬木，高達(dá)50 m，胸徑1.5～2.5 m，原產(chǎn)歐洲的中部和北部，主產(chǎn)挪威。其廣泛分布于歐洲的中部和北部，從比利牛斯山、阿爾卑斯山到巴爾干半島，向北到德國(guó)東部和斯堪的納維亞半島，向東通過(guò)波蘭到前蘇聯(lián)中部的烏拉爾山及波羅的海地區(qū)，是德國(guó)、挪威、波蘭、捷克、匈牙利、保加利亞、前南斯拉夫、意大利和前蘇聯(lián)等14個(gè)國(guó)家的鄉(xiāng)土樹種，在美國(guó)東部和加拿大東部也有引種栽培，一些引種國(guó)家或地區(qū)的生長(zhǎng)和其他特性明顯優(yōu)于本地的鄉(xiāng)土樹種。該樹種適應(yīng)性強(qiáng)、耐霜凍、生長(zhǎng)潛力大，已成為西歐、北歐、波羅的海沿岸國(guó)家和俄羅斯、加拿大等國(guó)的主要工業(yè)用材林樹種[1]。我國(guó)于1983年開(kāi)始引種栽培歐洲云杉，在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院的組織下，按生態(tài)區(qū)先后從歐洲8個(gè)國(guó)家引進(jìn)了歐洲云杉種子，在我國(guó)溫帶不同生態(tài)區(qū)域的20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)開(kāi)展了廣泛的多點(diǎn)引種對(duì)比試驗(yàn)，表明歐洲云杉喜涼爽濕潤(rùn)氣候，但也耐大氣干旱，對(duì)氣溫和土壤的適應(yīng)范圍廣，在我國(guó)擴(kuò)大引種潛力很大，既可作速生用材林培育，又是城市綠化的優(yōu)良樹種[2-3]。

國(guó)內(nèi)外林木的良種選育，基本上是沿著選優(yōu)、建園、子代測(cè)驗(yàn)、再選擇、再建園的輪回選育路線，建立一代又一代種子園，一步步從低世代種子園向高世代種子園發(fā)展。國(guó)內(nèi)外關(guān)于種子園遺傳改良增益的報(bào)道較多，但多數(shù)是某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)種子園遺傳增益試驗(yàn)的結(jié)果，由于各自的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)對(duì)照等不同，其報(bào)道的遺傳增益相互之間缺乏可比性，也難以正確地看出世代間的發(fā)展趨勢(shì)[4-9]。根據(jù)林木苗期的相關(guān)性狀對(duì)林木成年的目的性狀進(jìn)行選擇是一種選育林木優(yōu)良無(wú)性系的早期選擇方式，可以縮短林木育種周期并加快育種進(jìn)程，在林木育種中是行之有效而且十分必要的[10]。我國(guó)云杉育種研究較晚，實(shí)生和無(wú)性系種子園從營(yíng)建到結(jié)實(shí)需時(shí)長(zhǎng)，易受氣候、大小年影響，良種化進(jìn)程緩慢和良種供應(yīng)不足。以在甘肅小隴山建立的國(guó)內(nèi)第一個(gè)歐洲云杉無(wú)性系對(duì)比試驗(yàn)測(cè)定林為研究對(duì)象，測(cè)定其無(wú)性系8年生的生長(zhǎng)性狀，研究歐洲云杉無(wú)性系遺傳變異，并根據(jù)單株材積選擇優(yōu)良無(wú)性系，為發(fā)展我國(guó)歐洲云杉無(wú)性系林業(yè)提供優(yōu)質(zhì)遺傳材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地設(shè)在甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局林業(yè)科學(xué)研究所沙壩國(guó)家云杉種質(zhì)資源庫(kù)。地理坐標(biāo)為105°54＇E，34°34＇N，海拔1 560 m。其年均氣溫7.2℃，極端最高氣溫32℃，極端最低氣溫-27℃，年均降水量800 mm，年活動(dòng)積溫2 480℃，無(wú)霜期154 d。土壤為棕壤。自然植被類型為落葉闊葉林和針闊混交林，現(xiàn)存植被以天然次生林和人工林為主，森林覆蓋率98%。

1.2 材料來(lái)源

在全面調(diào)查湖北、甘肅早期歐洲云杉引種林的基礎(chǔ)上選擇優(yōu)良單株，2008年通過(guò)嫁接收集種質(zhì)資源285份并形成無(wú)性系(以8年生青海云杉做砧木，苗高約50 cm)，2010年10月以樹高為指標(biāo)評(píng)價(jià)，選擇了117個(gè)無(wú)性系。2011年4月?tīng)I(yíng)建試驗(yàn)林，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2株小區(qū)，5次重復(fù)，建立了國(guó)內(nèi)第1個(gè)歐洲云杉無(wú)性系對(duì)比試驗(yàn)測(cè)定林。117個(gè)無(wú)性系中，在甘肅小隴山采集接穗嫁接的有15個(gè)無(wú)性系，湖北宜昌大老嶺采集接穗嫁接的有52無(wú)性系，湖北建始縣采集接穗嫁接的有49個(gè)無(wú)性系。

1.3 調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法

2015年進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查指標(biāo)為樹高(H)、胸徑(D)、新梢長(zhǎng)(I)、冠幅(C)，并計(jì)算單株材積(V)。

V=0.357 8×π(D/2)2×(H+3)

(1)

1)各性狀的方差分析采用混合線性模型：

以單株測(cè)定值為單元，對(duì)無(wú)性系分株的樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)和冠幅做多因素方差分析。線性模型為：

Xijk=μ+Cj+eijk

(2)

式中，Xijk為單株觀測(cè)值；μ為試驗(yàn)均值；Cj為無(wú)性系效應(yīng)(隨機(jī))；eijk為剩余項(xiàng)。

2)性狀的無(wú)性系重復(fù)力采用以下公式計(jì)算：

(3)

3)遺傳變異系數(shù)和表型變異系數(shù)采用下列公式計(jì)算：

(4)

(5)

4)無(wú)性系預(yù)期遺傳增益：

ΔG遺傳=(Xi-X)×h2/X×100%

(6)

Xi表示入選群體性狀均值。

用R 3.3.1軟件ASReml v.3(Gilmouretal.2009)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)性系變異分析

歐洲云杉無(wú)性系的樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和單株材積性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異幅度、表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)見(jiàn)表1。歐洲云杉無(wú)性系8年生樹高平均值為2.45 m，變異幅度為0.60～4.20 m，表型變異系數(shù)為21.63%，遺傳變異系數(shù)為41.02%；平均胸徑為2.79 cm，變異幅度為0.40～5.0 cm，表型變異系數(shù)為26.88%，遺傳變異系數(shù)為48.35%,平均單株材積為13.28×10-4m3，單株材積的表型變異系數(shù)和遺傳變異系數(shù)分別為56.34%和29.09%。遺傳變異系數(shù)反應(yīng)性狀在群體中遺傳變異幅度，用遺傳變異系數(shù)可以反映遺傳因素導(dǎo)致性狀相對(duì)變異的程度[11-12]，說(shuō)明歐洲云杉無(wú)性系具有豐富的遺傳變異，開(kāi)展無(wú)性系選擇具有很大的潛力。無(wú)性系間的方差分析也證明了這一點(diǎn)，樹高、新梢長(zhǎng)、胸徑、冠幅和單株材積在不同無(wú)性系間的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.001)。且無(wú)性系表現(xiàn)穩(wěn)定，無(wú)性系的樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和單株材積的重復(fù)力范圍是0.69～0.83。

表1 歐洲云杉無(wú)性系生長(zhǎng)性狀的主要遺傳參數(shù)

2.2 無(wú)性系生長(zhǎng)性狀間的相關(guān)分析

對(duì)歐洲云杉無(wú)性系的樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和單株材積5個(gè)生長(zhǎng)性狀間進(jìn)行表型相關(guān)和遺傳相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。樹高與胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和材積5個(gè)性狀兩兩極顯著表型和遺傳相關(guān)，表型相關(guān)系數(shù)范圍為0.43～0.97。遺傳相關(guān)系數(shù)大于表型相關(guān)系數(shù)，遺傳相關(guān)系數(shù)范圍0.53～0.99。由此可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)生長(zhǎng)性狀進(jìn)行選擇就會(huì)對(duì)其他生長(zhǎng)性狀產(chǎn)生顯著效果。

表2 歐洲云杉無(wú)性系生長(zhǎng)性狀的相關(guān)系數(shù)

注：**0.01水平顯著；*0.05水平顯著；上三角是表型相關(guān)系數(shù)，下三角是遺傳相關(guān)系數(shù)。

2.3 優(yōu)良無(wú)性系早期選擇

歐洲云杉無(wú)性系單株材積平均值為13.28×10-4m3，標(biāo)準(zhǔn)差為4.39×10-4m3，超過(guò)無(wú)性系群體得分均值的無(wú)性系共有47個(gè)。按照單株材積總平均值加1倍標(biāo)準(zhǔn)差(17.51×10-4m3)選擇出排名前17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系(表3)，17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系的平均單株材積為19.16×10-4m3，入選率為14.53% 。在這17個(gè)無(wú)性系中，有8個(gè)無(wú)性系是湖北建始縣采集接穗嫁接的，8個(gè)無(wú)性系是湖北宜昌大老嶺采集接穗嫁接的。這17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系的單株材積預(yù)期遺傳增益27.70%～76.06%。

按單株材積總平均值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差(21.90×10-4m3)選擇出排名前4個(gè)優(yōu)良無(wú)性系(表3)，單株材積平均值為24.24×10-4m3，預(yù)期遺傳增益>50%，表現(xiàn)出突出的增產(chǎn)效果。無(wú)性系材積最好的無(wú)性系JS08024其單株材積為25.76×10-4m3，為表現(xiàn)最差無(wú)性系JS08015的7.16倍。

3 結(jié)論與討論

20世紀(jì)50年代，聯(lián)邦德國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)家普遍關(guān)注云杉無(wú)性系利用研究，目前云杉屬樹種已成為針葉樹種中無(wú)性系林業(yè)發(fā)展最快且最有成效的樹種之一[13]。不過(guò)我國(guó)云杉的無(wú)性系研究和利用起步晚。歐洲云杉自80年代引種到我國(guó)后，表現(xiàn)出速生、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。本研究表明歐洲云杉無(wú)性系間樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和單株材積的差異均達(dá)到極顯著水平，且各性狀的重復(fù)0.69以上，表現(xiàn)穩(wěn)定。在種子園改建時(shí)，對(duì)生長(zhǎng)表現(xiàn)差的部分無(wú)性系，可作為首批去劣的對(duì)象。按單株材積總平均值加1倍標(biāo)準(zhǔn)差選出17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系，平均單株材積為19.16×10-4m3，預(yù)期遺傳增益>25%，表現(xiàn)出突出的增產(chǎn)效果。選出的17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系是后續(xù)育種工作的重要資源。

遺傳變異系數(shù)反應(yīng)性狀在群體中遺傳變異幅度，用遺傳變異系數(shù)可以反映遺傳因素導(dǎo)致性狀相對(duì)變異的程度。本研究中歐洲云杉無(wú)性系具有豐富的遺傳變異，各生長(zhǎng)性狀的遺傳變異30%～60%，因此開(kāi)展歐洲云杉的無(wú)性系選擇具有很大的潛力。K.Isik[14]等研究也表明歐洲云杉無(wú)性系選擇潛力大。李青粉[15]等研究表明青海云杉(Piceacrassifolia)的生長(zhǎng)性狀、材性性狀在無(wú)性系間差異顯著，其中材性性狀生長(zhǎng)輪寬度、晚材寬度、早材管胞長(zhǎng)度在無(wú)性系間的變異系數(shù)為10%～20%。

表3 入選的歐洲云杉優(yōu)良無(wú)性系及遺傳增益

預(yù)測(cè)遺傳增益對(duì)多年生林木的育種工作來(lái)講是非常重要的。選擇基于幼年期的樹高是預(yù)測(cè)未來(lái)產(chǎn)量的一個(gè)重要指標(biāo)。研究表明對(duì)火炬松(Loblolly Pine)家系選擇來(lái)講，根據(jù)3年生的樹高和4年生的單株材積是最有效的[16]。研究表明瑞典歐洲赤松(Pinussylvestris)9年生的樹高和30年生的單位材積的相關(guān)系數(shù)是0.8[17]。K.Isik[14]等研究表明歐洲云杉輪伐期為60 a的話，最佳的早期選擇年齡是13 a，不過(guò)作者也表示該研究所建立的回歸預(yù)測(cè)模型還存在一定的局限性。通過(guò)重復(fù)力可以發(fā)現(xiàn)，本研究的8年生歐洲云杉的樹高、胸徑、新梢長(zhǎng)、冠幅和單株材積的無(wú)性系重復(fù)力較大為0.69～0.83，其中歐洲云杉單株材積是0.79，說(shuō)明歐洲云杉無(wú)性系表現(xiàn)穩(wěn)定。K.Isik[14]等研究表明歐洲云杉3年生無(wú)性系的重復(fù)力最高，是0.94，5年生以后基本穩(wěn)定，保持在0.91。歐洲云杉的無(wú)性系重復(fù)力高于落葉松(Larixgmelinii)，落葉松無(wú)性系的單株材積重復(fù)力在8年生時(shí)達(dá)到最大值，為0.66[18]。

選育生長(zhǎng)快，材質(zhì)好的林木，是林木育種工作者的共同目標(biāo)。本研究中歐洲云杉無(wú)性系的各類生長(zhǎng)性狀間遺傳相關(guān)與表型相關(guān)顯著正相關(guān)，遺傳相關(guān)系數(shù)高于表型相關(guān)系數(shù)，材積與樹高、胸徑的遺傳相關(guān)系數(shù)>0.9。然而生長(zhǎng)性狀、木材基本密度與管胞長(zhǎng)度等材性性狀的相關(guān)性研究是確定生長(zhǎng)與材料綜合遺傳改良的基礎(chǔ)。然而要由于生長(zhǎng)性狀和材性性狀之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系[19]，尤其是木材密度，使得生長(zhǎng)性狀和材性性狀同時(shí)達(dá)到預(yù)期改良效果是很難的。選擇速生的歐洲赤松導(dǎo)致纖維寬度略微增加，但是纖維長(zhǎng)度略微降低了[20]。根據(jù)胸徑來(lái)選擇油松無(wú)性系降低了管胞長(zhǎng)度和管胞長(zhǎng)度與直徑的比值，這對(duì)于造紙來(lái)講是不利的[21]。生長(zhǎng)性狀與木材性狀間的顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系表明在樹木育種方案中應(yīng)當(dāng)根據(jù)生長(zhǎng)、材性性狀的經(jīng)濟(jì)權(quán)重來(lái)綜合選擇優(yōu)良種質(zhì)[22]。

無(wú)性系具有提高遺傳增益、避免繁殖分化和縮短育種周期等特點(diǎn)。按照單株材積總平均值加1倍標(biāo)準(zhǔn)差選擇17個(gè)優(yōu)良無(wú)性系，按照單株材積總平均值加2倍標(biāo)準(zhǔn)差選擇出4個(gè)優(yōu)良無(wú)性系，其材積預(yù)期遺傳增益>50%，表現(xiàn)出突出的選擇效果Matziris報(bào)道了[23]希臘阿勒頗松(Pinushalepensis)、歐洲黑松(Pinusnigra)未去劣1代種子園材積增益分別為13.0%和24.0%，去劣1代種子園材積遺傳增益分別為21.5%和32%。周顯昌[24]研究了加拿大白云杉(Piceaglauca)1.5代種子園的材積遺傳增益為10%～15%，小干松(Pinuscorttorta)為16%。瑞典種子園現(xiàn)階段材積遺傳增益為25%，到2010-2020年材積遺傳增益可達(dá)35%[25]。歐洲赤松和挪威云杉(Piceaabies)每代無(wú)性系種子園的材積遺傳增益遞增10%[26]。不過(guò)從生態(tài)型的角度講，無(wú)性系容易降低生物多樣性，形成脆弱不穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，因此合理利用無(wú)性系，保持寬廣的遺傳基礎(chǔ)，是十分重要的[27]。