張能軍，邱勇斌，凌高潮，鄭文華，余雪琴

（開化縣林場，浙江 開化 324300）

研究材料的評價和選擇貫穿于林木育種的各個環(huán)節(jié)，是林木遺傳改良的關(guān)鍵。選擇育種通常是以表型值為基礎(chǔ)，因含有環(huán)境效應(yīng)，所以選擇效率和準確性都較差，加之林木育種試驗占地面積大、周期長，受人為干擾和外界條件的影響大，這必然會增大評價試驗材料的難度，更不容易準確地選擇出遺傳品質(zhì)真正優(yōu)良的改良材料[1-2]。為克服以上缺點，國外自20 世紀80 年代中期以來，開始大量地應(yīng)用育種值來評價育種材料，目前已報道的樹種有白花泡桐Paulownia fortunei、濕地松Pinus elliottii、火炬松P.taeda、日本落葉松Larix kaempferi等[1-4]，揭示了林木主要經(jīng)濟性狀的遺傳變異規(guī)律和遺傳參數(shù)，提高了林木的遺傳增益水平，為選育優(yōu)良親本和篩選高代種質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

杉木Cunninghamia lanceolata是我國南方最主要的用材樹種之一，其遺傳改良工作在國內(nèi)林木遺傳改良中居前列，經(jīng)過幾十年的遺傳改良，杉木已進入到高世代改良階段[5-7]。目前，浙江省的杉木3 代初級種子園已經(jīng)投產(chǎn)，并開展了3 代種子園的自由授粉和控制授粉家系的子代試驗林測定工作，采用育種值評選了杉木一代幼林優(yōu)良家系和前向選擇2 代育種親本[8]，這為研究杉木3 代育種材料的評選積累了經(jīng)驗。但是，對杉木高世代育種的遺傳參數(shù)和親本育種值估算研究鮮見報道。如何精確地估計林木高世代改良性狀的遺傳參數(shù)和育種值，提高逆向選擇優(yōu)良家系和前向選擇高世代育種親本效率，是當前亟需解決的問題。本研究利用GeneXpro Tools 4.0 軟件，挖掘木材密度與胸徑間的關(guān)系式，獲得全林木材密度值和其轉(zhuǎn)化分析法的結(jié)果，基于最佳線性預(yù)測（Best linear prediction,BLP）處理杉木二代半同胞家系非平衡試驗數(shù)據(jù)，獲得精確的調(diào)節(jié)系數(shù)，有效地估計遺傳參數(shù)，可減少預(yù)測育種值的誤差方差，預(yù)測不同世代個體育種值，提高選擇的準確性[7]，這可為林木多世代多性狀改良提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

本研究以浙江省杭州市余杭區(qū)長樂林場的杉木2 代種子園家系自由授粉子代林為研究對象，解決如下問題：（1）處理杉木2 代家系試驗林木材基本密度抽樣測量數(shù)據(jù)，以獲得該性狀若干參數(shù)；（2）估計杉木主要經(jīng)濟性狀的遺傳參數(shù)和家系育種值，逆向評選優(yōu)良家系；（3）估計2 代杉木木材基本密度和胸徑性狀間的遺傳相關(guān)，估算個體育種值，評選高世代育種親本。

1 材料和方法

1.1 研究材料

從長樂林場杉木2 代初級種子園中挑選37 個自由授粉家系（種子園親本間沒有親緣關(guān)系），于1997 年在長樂林場黃坑橋林區(qū)進行育苗造林試驗，除參試材料外，還包括兩份對照：CK2（龍15 混種）和CK4（浙江審定良種）。野外田間試驗設(shè)計為完全隨機區(qū)組，4 株小區(qū)，重復(fù)10 次。2009 年秋，對黃坑橋林區(qū)的這片杉木2代試驗林進行調(diào)查，由于黃坑橋林區(qū)這片13 年生的杉木試驗林高度郁閉，自然整枝厲害，難以測定樹高等性狀，同時其中的1 和2 區(qū)組人為破壞嚴重，全林測定了其余8 個區(qū)組重復(fù)的胸徑（DBH），同時每個家系在每個小區(qū)抽取胸徑最大的優(yōu)株，于胸高處進行木芯取樣，室內(nèi)測定木材基本密度[9]。

1.2 研究方法

有鑒于該田間試驗設(shè)計為正交試驗類型，故可將原試驗的4 株小區(qū)轉(zhuǎn)化為單株小區(qū)，8 個區(qū)組轉(zhuǎn)化為32 個區(qū)組重復(fù)的試驗，模型為：

式中，i=1→a；j=1→b；k=1 或0；u為群體平均效應(yīng)；fi是家系效應(yīng)；bj是重復(fù)效應(yīng)；eijk是隨機誤差。

試驗獲得的非平衡數(shù)據(jù)采用轉(zhuǎn)化分析法進行統(tǒng)計分析[10]，期望均方結(jié)構(gòu)見表1。

表1 單因素隨機區(qū)組不平衡數(shù)據(jù)的期望均方結(jié)構(gòu)Tab.1 Expected mean square structure of imbalanced datasets from single-factor randomized block

主要計算以下遺傳參數(shù)：

表型變異系數(shù)（PCV）=σf/群體平均值；

遺傳變異系數(shù)（GCV）=σp/群體平均值；

1.3 育種值的估計及高世代親本選擇

1.3.2 前向選擇高世代育種親本時的育種值 個體育種值的通用公式為：

1.4 杉木木材基本密度全林數(shù)據(jù)的獲得及遺傳參數(shù)的估計

利用GeneXpro Tools 4.0 軟件，挖掘木材基本密度與胸徑間的函數(shù)關(guān)系:

式中，x是胸徑（cm），F(xiàn)(x)是木材基本密度。

根據(jù)該函數(shù)獲得全試驗林的木材基本密度值，對于有實測值的樣株，仍采用實測值參與木材基本密度的統(tǒng)計分析，獲得木材基本密度若干遺傳參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用抽樣數(shù)據(jù)，估算木材基本密度的個體育種值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 和Matlab R2016a 軟件處理采樣數(shù)據(jù)。應(yīng)用基因表達式編程GeneXpro Tools 4.0 軟件挖掘與擬合木材基本密度與胸徑關(guān)系，基本參數(shù)設(shè)置：訓(xùn)練樣本39；染色體數(shù)30；頭長7；基因數(shù)2；變異量0.044；轉(zhuǎn)置量0.1；基因重組參數(shù)0.1；基因連接運算符為加、減、乘和除。獲得的挖掘函數(shù)如下：

式中，木材基本密度分析時擴大100 倍。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木2 代自由授粉子代試驗林的胸徑和木材基本密度的差異分析

13 年生杉木2 代自由授粉家系的胸徑平均值為14.45 cm，表型變異系數(shù)為18.79%，遺傳變異系數(shù)為6.78%。由表2 可知，胸徑在高世代自由授粉家系間差異顯著，半同胞家系的遺傳力為0.810 1，單株遺傳力為0.390 9；木材基本密度的平均值為31.56，表型變異系數(shù)PCV為8.59%，遺傳變異系數(shù)GCV為3.07%。

表2 隨機模型條件下杉木半同胞家系的胸徑和木材基本密度的方差分析結(jié)果Tab.2 ANOVA on DBH and basic density of half-sib C.lanceolata families under random model

2.2 杉木2 代自由授粉家系木材基本密度和胸徑的育種值及優(yōu)良家系選擇

從表3 可得，胸徑育種值突出的家系有8 個，分別是B42、B11、A77、B105、B101、B13、B164 和B163，其育種值均超過了1.000；而木材基本密度突出的家系有9 個，分別是C23、C30、B9、C32、J30、B111、B68、B149 和B122，其育種值也均超過了1.000。

表3 杉木高世代自由授粉家系木材基本密度和胸徑的育種值及成活子代數(shù)Tab.3 Breeding values and filial generation survival number of basic density and DBH of open-pollination families in advanced generation orchard of C.lanceolata

2.3 杉木研究性狀的遺傳相關(guān)及高世代親本的選擇策略

木材基本密度與胸徑間的遺傳相關(guān)系數(shù)R=－0.981 6，這與表3 中胸徑育種值突出的家系與木材基本密度育種值突出的家系不同的結(jié)果相一致，與胡德活等[11]研究結(jié)果有很大的不同。林木高世代親本的選擇策略通常是先進行逆向選擇，評選優(yōu)良家系，然后再在優(yōu)良家系內(nèi)進行前向選擇優(yōu)良個體（即下個世代的育種親本）。由于本試驗林中也是先進行逆向選擇優(yōu)良家系，然后在此基礎(chǔ)上對入選優(yōu)良家系的抽樣子代進行個體育種值的估算，采用獨立淘汰法，控制親緣關(guān)系，選擇優(yōu)良個體。由于各家系的參試子代樣本數(shù)不同，所以個體育種值須分家系求算；優(yōu)良家系內(nèi)個體木材基本密度的育種值（BVi）公式：BVi=C×Vi×(y–u)。

例如：本試驗中木材基本密度突出的一個家系C23，有子代樣本數(shù)23 個，求各子代木材基本密度的育種值：

C23 家系內(nèi)的8 個體育種值如表4。

表4 C23 號家系內(nèi)8 個區(qū)組重復(fù)中的個體育種值Tab.4 Individual breeding values of C23 family with 8 block repeat

其它家系中的個體育種估算仿上述過程進行，家系內(nèi)個體胸徑性狀的育種值估算，亦仿上述過程進行。由于本試驗中杉木胸徑與木材基本密度呈重度負相關(guān)，高世代親本的多性狀選擇，不能像常規(guī)方法那樣采用構(gòu)建選擇指數(shù)的方式進行，而要采用獨立淘汰法：入選的木材基本密度優(yōu)良的個體其胸徑值不得低于群體平均胸徑；入選的胸徑優(yōu)良個體其木材基本密度值不得低于群體平均值。為了控制親緣關(guān)系，每個優(yōu)良家系內(nèi)僅選1 株，最多2 株，總共評選出其18 株高世代親本，其株號及育種值見表5。針對本試驗結(jié)果，再次說明杉木高世代育種宜采用親本互補的雜交育種的技術(shù)路線。

3 討論與結(jié)論

本研究以13 年生杉木2 代試驗林為對象，主要解決如何從試驗林抽樣測定方法獲得的部分木材基本密度數(shù)據(jù)來獲得其全林數(shù)據(jù)，從而使分析結(jié)果成為有價值的遺傳參數(shù)結(jié)果，以及當改良性狀間存在嚴重的負遺傳相關(guān)時，如何評選林木高世代的育種親本。木材基本密度與生長性狀之間的關(guān)系十分復(fù)雜。由于林木高世代改良性狀間的遺傳相關(guān)大小影響著選擇方法，故此有必要對林木的材性（木材基本密度）與生長性狀的遺傳相關(guān)進行討論。Zobel 等通過對歐洲云杉Picea abies研究發(fā)現(xiàn)，幼齡材的木材密度和加權(quán)比重都與生長速度（包括胸徑）存在著負相關(guān)，遺傳相關(guān)通常最強，環(huán)境相關(guān)居中，而表型相關(guān)最弱[12]。與一般的文獻進行比較看來，木材密度與生長性狀間的負相關(guān)對一些林木種類是相當?shù)湫偷?，例如，研究赤桉Eucalyptus camaldulensis、白云杉Picea glauca、毛果楊Populus trichoocarpa、一球懸鈴木Platanus occidentalis、火炬松Pinus taeda、濕地松P.ellitottii、輻射松P.radiata、歐洲赤松P.sylvestris和花旗松Pseudotsuga menziesii等樹種均有報道其生長性狀與木材密度呈負相關(guān)[13-14]。杉木的遺傳相關(guān)參數(shù)是制訂杉木育種方案的基礎(chǔ)和依據(jù)。與其他速生林木報道的結(jié)果相似，杉木種內(nèi)生長（胸徑、材積）與木材密度的遺傳相關(guān)也是復(fù)雜的。何貴平等[5]和胡德活等[11]報道了杉木木材基本密度與胸徑、材積間存在明顯的負遺傳相關(guān)的結(jié)果，本研究也發(fā)現(xiàn)杉木木材基本密度與胸徑負的遺傳相關(guān)高達－0.981 6，這個結(jié)果很可能與參加試驗的材料特性、造林地好的立地條件和管理等諸多因素有關(guān)。

本研究獲得的其它遺傳參數(shù)比較理想，但與Zhang 等在黃花落葉松Larix olgensis的研究中發(fā)現(xiàn)其生長性狀（樹高、胸徑和材積）的家系遺傳力分別為0.951、0.955 和0.943，而單株遺傳力分別為0.958、0.983 和0.866的研究結(jié)果不同[15]。這是由于研究材料、采用的分析方法等因素不同造成的，其通過構(gòu)建Henderson 方法I 的線性模型，采用混合模型條件下使用廣譜性的SPSS 軟件來估算研究性狀的遺傳參數(shù)，而本文則是采用轉(zhuǎn)化理論構(gòu)建統(tǒng)計分析的線性模型，在隨機模型條件下使用Matlab R2016a 軟件來處理非平衡試驗數(shù)據(jù)，獲得研究性狀的遺傳參數(shù)。通過以上比較分析還可發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化分析法較Henderson 方法I 更科學(xué)和精確，這與以前的研究結(jié)果相一致[10]。

綜上所述，本研究表明，當林木試驗林的某些研究性狀只能獲得部分數(shù)據(jù)時，要想辦法獲得全林的數(shù)據(jù)，然后采用轉(zhuǎn)化分析法可獲得高精度的參數(shù)。當改良性狀間存在嚴重的負遺傳相關(guān)時，高世代親本的評選應(yīng)先估算育種值，然后采用獨立淘汰法進行；當對具有復(fù)雜相關(guān)的多性狀進行遺傳改良時，可采用主成分分析，然后選取兩個主要的主分量進行獨立淘汰法評選，或估算改良性狀的育種值再構(gòu)建選擇指數(shù)，進行親本評選[7]。