李賽楠 杜澄舉 周曉煦 蔣開彬 黃少偉 劉天頤
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)/廣東省森林植物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510642;2. 廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司,廣東 廣州 510510)
火炬松Pinus taeda 原產(chǎn)美國東南部,是美國南方松中最重要的速生針葉用材樹種。它生長迅速,適應(yīng)性廣,容易育苗造林,已成為全球最重要的速生建筑用材和紙漿材針葉樹種之一[1-2];它自然整枝能力強(qiáng),富含樹脂,松脂產(chǎn)量高,質(zhì)量好,是優(yōu)良的采脂樹種。我國在20 世紀(jì)30 年代開始引種火炬松,60 年代末營建了火炬松母樹林,70 年代開始進(jìn)行大批量引種和大面積生產(chǎn)性造林,80 年代初在長江以南的一些省份建立了種子園,90 年代在廣東省英德市林業(yè)科學(xué)研究所建成國內(nèi)第一個火炬松二代種子園,目前廣東火炬松的良種遺傳改良正處在第二代向第三代過渡階段[3]。
國內(nèi)外針對火炬松用材林及產(chǎn)脂林從遺傳測定[4-6]、優(yōu)樹選擇[7-10]、密度調(diào)控[11]、產(chǎn)脂量影響因素[3,12]和分子輔助育種[13-14]等方面開展了大量研究。但目前為止對火炬松產(chǎn)脂影響因子的研究和概況總結(jié)還較少,鮮有對高世代火炬松產(chǎn)脂量與生長(胸徑、樹高、單株材積)、形質(zhì)性狀(輪枝數(shù)、分枝粗、分枝角)相關(guān)關(guān)系及利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測火炬松產(chǎn)脂量的研究。許建忠[7]對19 年生火炬松第一代種子園的研究表明胸徑、樹高和材積3 個主要性狀在家系間差異極顯著,均具有較高的家系遺傳力、受中高度遺傳控制,說明各性狀的差異主要由遺傳因素所致,有較大的改良潛力。王金榜等[15]采用下降法“V”字型進(jìn)行火炬松初級種子園無性系產(chǎn)脂量研究,參試無性系產(chǎn)脂量變異系數(shù)為4.81%~48.97%,受較強(qiáng)的遺傳控制,存在選育出高產(chǎn)脂優(yōu)良無性系的潛力。
在高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)人工脂用原料林育種中,人工割脂法是測定松樹產(chǎn)脂量的傳統(tǒng)辦法,但這一方法必須破壞樹體或者樣品本身,存在成本高、效率低、時(shí)間長、誤差大、具破壞性、易產(chǎn)生污染和重復(fù)性差等缺點(diǎn),難以滿足生產(chǎn)和科研的需要。隨著火炬松改良進(jìn)程的發(fā)展,有必要對高世代材料研究其產(chǎn)脂量與生長、形質(zhì)性狀的相關(guān)關(guān)系,探索利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測火炬松產(chǎn)脂量的方法,為進(jìn)一步促進(jìn)火炬松良種選育與繁育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)人工脂用原料林的營建提供參考。
火炬松第二代種子園自由授粉子代測定林包含參試家系9 個,2012 年造林,采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)8 次重復(fù),5 株單行小區(qū),株行距3 m×3 m。
子代測定林位于廣東省英德市林業(yè)科學(xué)研究所,距英德市區(qū)約50 km,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候溫和,雨量充沛,年均氣溫20.7 ℃,絕對最高氣溫38.9 ℃,最低氣溫-3.6 ℃,年降水量 1 918 mm。土壤呈酸性,pH 值5.2~6.7 之間,為中黏土紅壤。
2018 年對子代測定林進(jìn)行每木調(diào)查,測量樹高(H)、胸徑(D1.3)、輪枝數(shù)、分枝粗及分枝角。輪枝數(shù)選擇第三年所生的分枝進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì);分枝粗測量時(shí)選取所測分枝最粗處(分枝基部)的直徑,所有分枝的平均值作為單株分枝大小的指標(biāo);分枝角為分枝與主干之間的角度,以所測分枝與樹干之間的角度平均值作為單株的分枝角。
對子代測定林每個單株鉆取木芯,用于測定產(chǎn)脂量。鉆取高度約在樹高1.3 m 處,先刮去樹干表皮,使用直徑為12 mm 的生長錐從東至西(平行于地面,盡量避開樹結(jié))穿透樹干,鉆取全木芯。將采集到的木芯做好標(biāo)記后用保鮮膜包好放入密封袋,待所有木芯樣品鉆取完畢后,在最短時(shí)間內(nèi)放入-20 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>
采用黃少偉等[16]利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測火炬松松脂產(chǎn)量的方法,利用采集到的木芯,預(yù)測火炬松6 年生子代測定林單株產(chǎn)脂量。使用瑞典Perter 公司的DA7200 型連續(xù)固定光柵分析儀和改進(jìn)的樣品杯進(jìn)行光譜收集,在對樣品進(jìn)行掃描之前,為了減少溫度對樣品的影響,先將樣品放置24 h,儀器使用前預(yù)熱30 min,待光源穩(wěn)定后開始采集光譜。
單株材積(V)按公式V=0.3750×H×D1.32/ 10 000 估算[17],式中H 為樹高,D1.3為胸徑。以測量的單株數(shù)據(jù)為單元,采用SAS 軟件對火炬松子代測定林測定數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳參數(shù)估算,調(diào)用GLM 過程進(jìn)行遺傳效應(yīng)顯著性分析,調(diào)用VARCOMP 過程并采用限制性最大似然估計(jì)法(residual maximum likelihood,REML)[18]估算方差成分。統(tǒng)計(jì)分析時(shí),輪枝數(shù)、分枝粗、分枝角和樹干通直度經(jīng)X1/2轉(zhuǎn)化[19]。
混合線性模型如下:
其中,Yijk表示第i 個區(qū)組第j 個家系的第 k 個觀察值,μ 為總體平均值,Bi為第i 個區(qū)組的區(qū)組效應(yīng),F(xiàn)j為第j 個家系的家系效應(yīng),(BF)ij為第j 個家系和第i 個區(qū)組的交互作用,εijk為機(jī)誤。Bi為固定效應(yīng),F(xiàn)j和(BF)ij為隨機(jī)效應(yīng)。
其中,b 表示區(qū)組數(shù),n 表示每小區(qū)的單株數(shù),由于數(shù)據(jù)不平衡,采用小區(qū)調(diào)和平均株數(shù)。
6 年生子代測定林各生長性狀(胸徑、樹高、單株材積)均存在極顯著的家系效應(yīng),且性狀變異較豐富。胸徑、樹高、單株材積平均值分別為13.87 cm、6.13 m、0.046 5 m3,變異系數(shù)分別為16.33%、13.62%、37.77%,單株遺傳力分別為0.25、0.30、0.19,家系遺傳力分別為0.66、0.65、0.60。家系遺傳力均大于0.5,受中等偏上的遺傳影響。其中胸徑個體間變異幅度為5.00~19.40 cm,胸徑生長最快個體的生長量是最慢個體的3.88 倍,家系遺傳力達(dá)0.66,受到中高度的遺傳控制(表1)?;鹁嫠? 年生子代測定林具有較大的家系選擇潛力,以胸徑生長作為主要選擇性狀即可取得較好的遺傳增益。
形質(zhì)性狀(輪枝數(shù)、分枝角)存在極顯著的家系效應(yīng),分枝角還存在極顯著的區(qū)組效應(yīng),但分支粗在區(qū)組、家系間及區(qū)組×家系互作效應(yīng)均不顯著。從變異系數(shù)看,單株材積(37.77%)變異較大,輪枝數(shù)(34.61%)、樹干通直度(30.94%)次之。
利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測的火炬松平均單株產(chǎn)脂量為5.97 kg,變異幅度為2.79~8.79 kg,變異系數(shù)為16.39%。產(chǎn)脂量具有顯著的家系效應(yīng),家系遺傳力為0.58,受到中度的遺傳控制。
表1 火炬松生長、形質(zhì)形狀和產(chǎn)脂量的遺傳變異Table 1 Genetic variation of growth, shape traits and resin yield of Pinus taeda
表2 家系各性狀Ducan’s 多重比較分析結(jié)果Table 2 Duncan’s multiple comparison of traits among families
采用Ducan 檢驗(yàn)對家系間產(chǎn)脂量、胸徑、樹高、單株材積、輪枝數(shù)和分枝角等性狀進(jìn)行多重比較分析(表2),分析結(jié)果顯示,家系26-3-4 和44-12-5 胸徑顯著高于最后兩個家系,平均值分別為14.71 cm、14.66 cm,家系26-3-4 的胸徑是最小家系44-2-6 的117.96%,是平均胸徑的106.06%。家 系26-3-4, 西2-1-1,44-12-5,19-11-44 和44-2-6 的樹高顯著高于最后1 個家系,平均值分別為6.43、6.42、6.37、6.32 和6.13,家系26-3-4 的樹高是最小家系7-15-14 的114.01%,是平均樹高的104.89%。家系26-3-4 和44-12-5 的單株材積顯著高于最后2 個家系,平均值分別為0.0538 m3、0.0519,家系26-3-4 的單株材積是最小家系44-2-6 的140.10%,是平均單株材積的115.70%。家系15-4-15 和44-2-6 的產(chǎn)脂量顯著高于最后2 個家系,平均值分別為6.42、6.33 kg,家系15-4-15 的產(chǎn)脂量是最小家系28-7-43 的116.30%,是平均產(chǎn)脂量的107.54%(表2)。
表3 產(chǎn)脂量和生長、形質(zhì)性狀的遺傳相關(guān)Table 3 Genetic correlation of resin yield and with growth and shape traits
產(chǎn)脂量和胸徑、樹高、單株材積、輪枝數(shù)、分枝角等性狀遺傳相關(guān)結(jié)果見表3,火炬松產(chǎn)脂量與輪枝數(shù)呈遺傳正相關(guān)(rG=0.528 7),而與胸徑、單株材積、分枝角和樹高呈遺傳負(fù)相關(guān)(rG分別為-0.735 0,-0.432 5,-0.178 0,-0.009 6)。
火炬松第二代種子園建園親本選自第一代育種群體的子代,入選時(shí)樹齡為6 年。經(jīng)過多年的觀察,火炬松第二代種子園建園親本普遍存在營養(yǎng)生長旺盛、開花結(jié)實(shí)率低的現(xiàn)象,這與親本選擇時(shí)年齡較小、選擇重點(diǎn)為生長性狀、單株還未達(dá)到開花結(jié)實(shí)期有關(guān)。因此,本次測定只針對第二代種子園中能正常開花結(jié)實(shí)并收獲種子的9 個建園親本,旨在對親本進(jìn)行遺傳評價(jià),為種子園改建或重建提供參考依據(jù),同時(shí)對火炬松的良種選育策略、選育效果進(jìn)行評估,為后續(xù)遺傳改良奠定基礎(chǔ)。
火炬松6 年生子代測定林參試的9 個家系,平均胸徑、樹高和單株材積分別為13.87 cm、6.13 m、0.046 5 m3,年均胸徑、樹高和單株材積分別為2.31 cm、1.02 m、0.007 8 m3。變異系數(shù)分別為16.33%、13.62%、37.77%,家系遺傳力分別為0.66、0.65、0.60,均在0.5 以上,說明該環(huán)境條件下依據(jù)表型值分別對各性狀進(jìn)行直接選擇是有效的。方差分析結(jié)果表明:不同家系間的平均胸徑、樹高、單株材積性狀存在極顯著差異(P 值分別為0.005 0、<.000 1 和0.008 5),說明本子代測定林生長性狀在家系間的差異較大,含有豐富的遺傳變異;生長性狀受較強(qiáng)的遺傳控制,存在選育出材用優(yōu)良家系的潛力。采用目前常規(guī)造林措施,6 年生子代測定林保存率為90%時(shí),木材蓄積量為46.5 m3·hm-2,遠(yuǎn)高于《火炬松速生豐產(chǎn)林(LY/T 1824-2009)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16.2 m3·hm-2[21]。本研究子代測定林的年平均生長性狀均優(yōu)于劉天頤等[17]對火炬松8 年生第二代核心育種群體的測定結(jié)果,其年均胸徑、樹高、單株材積分別為1.64 cm、0.88 m、0.006 0 m3,且本子代測定林的平均胸徑高于8 年生第二代核心育種群體的測定結(jié)果(13.11 cm),表明火炬松第二代種子園遺傳品質(zhì)較優(yōu),應(yīng)盡快解決種子園親本開花結(jié)實(shí)問題,并開展多地點(diǎn)測定,加快良種的推廣應(yīng)用。
火炬松單株平均產(chǎn)脂量為5.97 kg,變異幅度為2.79~8.79 kg,變異系數(shù)為16.39%。家系15-4-15 和44-2-6 的產(chǎn)脂量顯著高于最后2 個家系,平均值分別為6.42、6.33 kg。我國是松脂生產(chǎn)大國,產(chǎn)脂量一直是重點(diǎn)關(guān)注的性狀之一,生產(chǎn)上常用的采脂方法為下降式割皮采脂法,但采用人工定期割脂方法測定產(chǎn)脂量受氣候和時(shí)間的影響,且存在成本高、效率低、時(shí)間長、誤差大和重復(fù)性差等缺點(diǎn)。本研究利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測火炬松的單株產(chǎn)脂量,家系年平均產(chǎn)脂量為5.52~6.42 kg,預(yù)測值偏高,這可能與建模單株與本子代測定林單株存在年齡差異有關(guān),但預(yù)測值基本符合正態(tài)分布,可對參試材料間的產(chǎn)脂量差異進(jìn)行評估,實(shí)現(xiàn)對火炬松產(chǎn)脂種質(zhì)資源的快速篩選。
火炬松6 年生子代測定林產(chǎn)脂量與輪枝數(shù)呈中度的遺傳正相關(guān)(rG= 0.528 7),表明輪枝數(shù)較多的家系產(chǎn)脂量相對較多。這是因?yàn)檩喼?shù)越多,樹體的營養(yǎng)面積越大,光合作用就會增強(qiáng),從而使得松脂產(chǎn)量增加。在今后的性狀測定中,應(yīng)對輪枝數(shù)等形質(zhì)性狀加以關(guān)注,作為選育高產(chǎn)脂優(yōu)良品系的參考指標(biāo)之一。產(chǎn)脂量與胸徑、樹高呈遺傳負(fù)相關(guān)(rG分別為-0.735 0,-0.009 6),這與王金榜等[15]對23 年生火炬松初級種子園無性系產(chǎn)脂量與胸徑、樹高的關(guān)系研究結(jié)果相反,可能因本參試子代測定林年齡較小所致[22]。受測定林林齡的影響,幼林時(shí)期各性狀的基因表達(dá)未能充分表現(xiàn),林齡越大基因表達(dá)越充分,發(fā)育到一定階段才能作出較可靠的結(jié)論[23-24]。
家系各性狀Duncan's 多重比較分析結(jié)果顯示胸徑、樹高、單株材積和產(chǎn)脂量高于家系平均值的家系分別有5、4、5、5 個。這9 個家系生長性狀和形質(zhì)性狀各有優(yōu)缺點(diǎn),如家系26-3-4 的胸徑、樹高和單株材積3 個生長性狀在9 個家系中均為最優(yōu),但產(chǎn)脂量較低;家系15-4-15 的生長性狀在家系中并無顯著優(yōu)勢,但分枝角最小、產(chǎn)脂量最高,應(yīng)繼續(xù)開展觀察與測定,明確火炬松第三代的性狀變異規(guī)律。雖然子代測定林家系內(nèi)仍有個體分化,但家系的平均生長量遠(yuǎn)高于目前生產(chǎn)用種,對于目前還難以實(shí)現(xiàn)無性系化利用的火炬松的良種生產(chǎn)與推廣具有積極意義。家系樹高、胸徑和材積的家系遺傳力、單株遺傳力等遺傳參數(shù)有可能隨著生長年限的延長而發(fā)生變化,因此,應(yīng)在較長的生長年限再做遺傳測定來驗(yàn)證家系性狀表現(xiàn)。也可針對不同立地環(huán)境開展火炬松家系與環(huán)境互作分析,研究不同立地環(huán)境下的遺傳變異規(guī)律。