曾 奇,刘丽婷,莫晓勇
(1. 华南农业大学 林学院,广东 广州 510642;2. 江西省林业科学院,江西 南昌 330013)
桉树矮化人工杂交技术研究初报
曾 奇1,刘丽婷2,莫晓勇1
(1. 华南农业大学 林学院,广东 广州 510642;2. 江西省林业科学院,江西 南昌 330013)
通过矮化措施控制桉树砧木树体高度,再将从雷州林业局选出的6个桉树树种的31个优良无性系嫁接于矮化砧木上,然后以嫁接好的穗条作为母本进行控制授粉。结果表明:与砧木U6的嫁接亲和性由大到小为韦塔桉F1代杂交种>尾叶桉>粗皮桉>韦塔桉>细叶桉>巨桉。通过人工杂交现已成功收集了17个杂交组合的种子,不同父本与同一母本的杂交组合产生的子代间在座果率、单果产种量和单果重量上均有显著差异。从座果率和单果产种量看,以M1(E.urophylla×E. tereticornis)为母本的杂交组合表现都比较好,座果率平均为60%;韦塔桉2-1(E.wetarensis)×尾巨桉2号(E.urophylla×E.grandis)、韦塔桉2-1(E.wetarensis) × 巨桉L118(E.grandis)和尾叶桉3-5(E. Urophylla) ×韦塔桉09-23A(E.wetarensis)的组合亲和性也较高,矮化园杂交育种已初见成果。
桉树;矮化技术;人工杂交技术;嫁接;控制授粉
据不完全统计,目前世界桉树Eucalyptus人工林面积已达到2.046×107hm2,我国进行过育苗造林的有200多种[1]。据2011年全国桉树论坛公布,我国桉树人工林面积为3.68×106hm2,居世界第3位,仅次于巴西和印度。随着我国人工林集约经营强度的提高,尤其是现代化大规模林板浆纸一体化的环境下,对桉树遗传改良特别是杂交育种、新品种培育提出了迫切的要求。“十一五”科技支撑课题“桉树和相思速生丰产林培育关键技术研究和示范”,获得53个新的杂交组合、56个无性系[2]。
桉树人工杂交育种的主要目的是提供更多优良的桉树无性系,提高桉树人工林的品种多样性。发展桉树无性系林业时,是不能放松有性系统育种的[3],要繁育出新的无性系,就必须通过有性繁殖。营建育种园、物候观察、嫁接矮化和人工控制授粉等关键技术是桉树杂交育种的重要组成部分[4]。桉树的树种之间具较高的亲合力,极易产生天然杂交种及林分分化,新品种较易通过种间杂交和种内杂交而产生。通过人工控制授粉,使具优良基因的亲本在特定的组合中产生基因重组,从而生产在数量和质量性状上获得较高增益的杂交子代[5]。因此,育种工作者应该把具有优良性状、遗传增益高、适应性强、抗性强、材质好的优株嫁接或用无性系苗木定植到育种园内,从中选择优良亲本进行杂交,再从杂种中选育出优良单株,进行无性繁殖,应用于造林。
常规桉树育种采用搭架、高空作业套袋授粉技术进行人工杂交;操作不便,危险性大,费用消耗高;花期不同,时常受天气的影响,授粉难度增加。为了提高效率,降低成本,就要改变传统的高空作业方法,营建按树矮化控制授粉种子园[6]。矮化桉树,可使开花年龄提前,缩短育种周期,加速品种培育。现在常用的矮化技术有嫁接、药物处理、截顶、压枝等[7-8]。选择杂交亲本是桉树人工杂交是否成功的关键,能有效的收集和利用桉树优良种质资源则成为桉树人工杂交的重要环节。矮化杂交园可以作为优良种质资源基因库,把经过测定的遗传性优良和某些性状突出的材料及时嫁接收集起来,作为矮化杂交园的亲本材料。通过嫁接缩短开花时间周期,人工控制授粉培育出优良杂种后代。
试验地为桉树矮化育种园,位于华南农业大学启林北试验区,该处交通方便,地势平坦,易于管理。属南亚热带季风气候区,年平均气温21.7 ℃,最热月为7、8月,极端最高温38.7 ℃,最冷月1月(个别年份为2月),极端最低温-2.6 ℃,平均降雨量1 623.6 ~ 1 899.8 mm。育种园面积约1 500 m2,原为一块建筑荒地,经推平后,填黄泥土80 cm厚,土壤为花岗岩发育的赤红壤。
(1)砧木种植及矮化处理 砧木苗选用速生、抗病、适应性强的尾叶桉无性系U6组培容器苗作为砧木苗,株行距为4 m×2.5 m。砧木长到1.5 m左右,在树高1 m的主干进行截顶,控制树高生长,去除顶端优势,增加侧枝生长,并同时架置规格为220 cm×12 cm×12 cm的水泥柱,拉好直径为3 mm外包胶层的钢丝绳,将侧枝固定在钢丝绳上压迫枝条高度,以便控制授粉。
(2)选优及采穗 砧木截顶后一个月进行选优嫁接工作。优树来自雷州林业局的尾叶桉、细叶桉、粗皮桉、韦塔桉、巨桉5个种源/家系试验林和1个韦塔桉杂交子代试验林,采用五株优势木法共选取31个无性系。穗条选取直径为0.5 cm的半木质化一年或半年生枝条,采集后5 d内完成嫁接。
采用马尔对接法进行嫁接。嫁接后3个月内,每隔半个月看查看穗条长势,及时抹芽,修剪。本试验穗条采自31棵优树(其中韦塔桉6棵,其余均为5棵),每棵优树选取5个穗条进行嫁接,3次重复,共嫁接于155棵砧木上。分别在嫁接后第18天、第53天、第153天、第268天进行了4次成活率的调查。
杂交亲本中,3个母本即为矮化育种园中的优良无性系和嫁接的优树枝条;13个父本采自雷州林业局F1杂交子代林、无性系测定林和广州增城宁西基因圃的优树,共4个树种和4个杂交种。
(1)花粉采集和贮藏 室外采集花枝后在室内进行水培,不同无性系的花枝要有阻隔。在光线充足的情况下,一般室内2~3 d就会陆续有花开放。开花后剪取雄蕊进行干燥、过筛,最后将收集的花粉放入管形瓶中,放入少量硅胶干燥剂,封上管形瓶口并抽走空气,置于在-4 ~ -3 ℃ 下保存。
(2)授粉 设计了17个杂交组合,见表1,每个杂交组合进行多个套袋,3次重复。按照常规程序进行授粉,流程为:。授粉时注意统计每一组合重复的花朵数量。
果实采收桉树从开花授粉后至种子生理成熟,一般为4~5个月[9],授粉4个月以后可每隔半月观察一次果实。当果皮由青色转变成青黄或黄褐色,果爿出现十字裂缝时,果实就已成熟。采收时,对各个杂交组合进行单采、单晒和单独保存,同时采集父母本的自由授粉种子,以备试验时作为对照;注意统计每一组合重复的果实数量,用于测算座果率。采集后先称取果实鲜重,然后室内阴干果实,4 ~ 5 d左右,果实会自然裂开,待其果爿完全开裂,获取种子并称重。凡不立即播种的杂交种子,待其在空气中干燥以后,应置于3~ 5 ℃下贮存,防止丧失发芽能力。
试验中所有数据采用Excel 2003和SPSS 19.0软件进行统计分析和作图。
表1 杂交组合设计Table 1 Design of hybridized combinations
本次嫁接共155棵树,465个穗条。存活株树为38棵,成活率为24.5%;成活穗条数共63个,成活率为13.5%,详见图1和图2。
图1 穗条成活趋势Fig.1 Survival rate of scions
图2 嫁接成活株数趋势Fig.2 Survival rate of grafted scions
由图1可知,6个不同树种与U6嫁接的结果表现有一定差异。其中,韦塔桉F1代杂交种和细叶桉的嫁接效果相对其他4种变化更小,韦塔桉F1代杂交种的整体嫁接穗条成活率最高,在第四次调查时成活率为36.47%,成活穗条数有26个;细叶桉虽然表现平稳但是整体穗条成活率不高,到第4次调查时(第268天)成活率为8%,成活穗条数有6个;韦塔桉、尾叶桉和粗皮桉的表现相当,初始穗条成活率跟韦塔桉F1代杂交种均在50%左右,后期穗条成活率较低,分别为10%、16%和12%;与U6嫁接亲和性表现最差的是巨桉,初始嫁接穗条成活率有46.67%,但到第2次调查时存活穗条仅有1个。
由图2可知,成活株数韦塔桉F1代杂交种最高,尾叶桉和粗皮桉排第二,接下来是韦塔桉、细叶桉,嫁接成活株数最少的是巨桉。从曲线的变化上来看,嫁接成活株数与嫁接穗条成活的变化趋势是一致的,第18天到第54天的变动比较大,分析原因主要有:(1)2月份雨水比较少,而且风大,天气比较干燥,造成嫁接穗条松动;(2)各个品种的亲和性所致;(3)3月份桉树开始萌动,多数由于嫁接的位置不正确,或者说没有占据营养主枝,被母树强势枝条所压制,最后造成嫁接穗条营养不足。
由表2可知,尾叶桉3-5为母本,不同父本的杂交子代的座果率、单果产种量以及单果质量的F值分别为29.086、8.781和187.701,均有P<0.01,表明不同的父本杂交子代间的座果率、单果产种量和单果质量均存在极显著差异。
表2 尾叶桉3-5杂交结果的方差分析†Table 2 Variance analysis on hybridized combinations of E.urophylla 3-5
由表3可知,不同父本的杂交子代座果率由高到低顺序为韦塔桉09-19>粗皮桉>韦塔桉09-23A>巨桉L135>韦塔桉09-20>巨桉1-4-Ⅲ;其中座果率极大值为73.33%出现在父本是韦塔桉09-19 的杂交组合中,座果率极小值为1.54%出现在父本是巨桉1-4-Ⅲ的组合中;整体来看韦塔桉为父本的杂交组合座果率较高,韦塔桉09-19的杂交子代座果率与除粗皮桉以外的另外4个父本子代有显著差异,粗皮桉为父本的杂交子代座果率也接近50%,而巨桉为父本的杂交组合座果率平均只有5%左右;另外尾叶桉3-5为母本与尾细桉M1作父本也进行了杂交试验,但是果实出现早衰现象无法进行采收,座果率为0,故不纳入计算范围内。不同父本的杂交子代单果产种量由大到小顺序为巨桉L135>韦塔桉09-23A>巨桉1-4-Ⅲ>韦塔桉09-20>粗皮桉>韦塔桉09-19;其中单果产种量的极大值为3.050 mg出现在父本是巨桉L135的组合中,单果产种量的极小值为1.810 mg出现在父本是韦塔桉09-19的组合中,另外尾叶桉3-5为母本的自由授粉子代的单果产种量均值为1.793 mg,控制授粉中的子代均高于自由授粉的均值;巨桉L135的杂交子代单果产种量与除韦塔桉09-23A以外的4个父本的子代有显著差异。单果重量中不同父本的杂交子代由大到小顺序为巨桉L135>粗皮桉>韦塔桉09-23A>韦塔桉09-20>韦塔桉09-19>巨桉1-4-Ⅲ ;其中单果质量的极大值为539 mg出现在以巨桉L135为父本的杂交组合中,单果质量的极小值为81.34 mg出现在以巨桉1-4-Ⅲ为父本的杂交组合中,另外尾叶桉3-5为母本的自由授粉子代单果质量为365.36 mg;巨桉L135为父本与粗皮桉为父本的杂交子代跟另外4个父本的子代在单果质量上存在显著差异。
表3 尾叶桉3-5杂交结果的多重比较†Table 3 Multiple comparisons on hybridized combinations of E.urophylla 3-5
由表4可知,韦塔桉2-1为母本,不同父本的杂交子代的座果率、单果产种量的F值分别为14.275、8.374,均有P<0.01,表明不同的父本杂交子代间的座果率、单果产种量存在极显著差异;单果重量的F值为3.104(P≤0.05),表明不同父本的杂交子代在单果重量上有显著差异。
表4 韦塔桉2-1杂交结果的方差分析†Table 4 Variance analysis on hybridized combinations of E.wetarensis 2-1
由表5可知,不同父本的杂交子代座果率由高到低顺序为尾巨桉2号>巨桉L118> 尾细桉L18>巨桉L135>粗皮桉>尾细桉4号;其中座果率极大值为68.33%出现在父本是巨桉L118的杂交组合中,座果率极小值为6.67%出现在父本是尾细桉4号的组合中;尾巨桉2号和巨桉L118为父本的杂交子代座果率与尾细桉L18、巨桉L135、粗皮桉、尾细桉4号为父本的子代有显著差异;整体来看尾巨桉2号和巨桉L118为父本的杂交亲和性最高,座果率均超过50%,尾细桉L18、巨桉L135、粗皮桉座果率则相对低些,只有20%左右;而以尾细桉4号为父本的杂交子代座果率都不及10%。不同父本的杂交子代单果产种量由大到小顺序为巨桉L118>尾巨桉2号 = 巨桉L135>尾细桉L18>尾细桉4号>粗皮桉;其中单果产种量的极大值为9.43 mg出现在父本是巨桉L118 的组合中,单果产种量的极小值为2.00 mg出现在父本是粗皮桉的组合中,另外韦塔桉2-1为母本的自由授粉子代的单果产种量均值为2.81 mg,控制授粉中的子代均高于自由授粉的均值;巨桉L118为父本的杂交子与其余5个父本咋杂交子代在单果产种量上有显著差异。单果重量中不同父本的杂交子代由大到小顺序为巨桉L135>尾细桉4号>尾巨桉2号>粗皮桉>巨桉L118>尾细桉L18;其中单果质量的极大值为297 mg出现在以尾叶桉42-1为父本的杂交组合中,单果重量的极小值为477 mg出现在以巨桉L135为父本的杂交组合中,韦塔桉2-1为母本的自由授粉子代单果质量为127.80 mg,控制授粉中的子代均高于自由授粉的均值;巨桉L135为父本的杂交子代与巨桉L118、尾细桉L18为父本的杂交子代在单果质量上存在显著差异。
表5 韦塔桉2-1杂交结果的多重比较†Table 5 Multiple comparisons on hybridized combinations of E.wetarensis 2-1
韦塔桉2-1的杂交组合间也有较大差异,综合表现较好的组合有2-1×2号和2-1×L118,母本与父本间具有较高的亲和性;另外还进行了以韦塔桉2-4为母本,巨桉L118为父本的杂交试验,其座果率为61.39%、单果产种量18.24 mg、单果重量为479.78 mg。韦塔桉2-1和韦塔桉2-4不属于同一种源家系,果实形态差异较大,但是作为母本与父本巨桉L118的杂交组合亲和性都较高,座果率都高达50%以上。
由表6可知,尾细桉M1为母本,不同父本的杂交子代的座果率、单果产种量以及单果重量的F值分别为6.692、6.584和29.234,均有P<0.01,表明不同的父本杂交子代间的座果率、单果产种量和单果重均存在极显著差异。
表6 尾细桉M1杂交结果的方差分析†Table 6 Variance analysis on hybridized combinations of M1 (E.urophylla×E. tereticornis)
由表7可知,不同父本的杂交子代座果率由高到低顺序为细尾桉L55>尾尾桉L3>尾细桉L18>尾叶桉42-1>韦塔桉09-20;其中座果率极大值为79.63%出现在父本是细尾桉L55的杂交组合中,座果率极小值为35%出现在父本是韦塔桉09-20的组合中;细尾桉L55和尾尾桉L3为父本的杂交子代座果率与尾叶桉42-1和韦塔桉09-20为父本的子代有显著差异;整体来看细尾桉L55为父本的杂交亲和性最高,座果率高达72.22%,尾尾桉L3和尾细桉L18的座果率也较高,达到了60%以上;尾叶桉42-1为父本的杂交子代座果率也达50%以上,而座果率相对较低的杂交子代则是以韦塔桉09-20为父本的;不同父本的杂交子代座果率虽然有差异,但是可以看出以尾细桉M1为母本的这几个杂交组合的座果率都比较高,尤其是这几个父本与M1的亲缘关系较近,易于进行杂交。不同父本的杂交子代单果产种量由大到小顺序为尾细桉L18>细尾桉L55>尾叶桉42-1>韦塔桉09-20>尾尾桉L3;其中单果产种量的极大值为47.9 mg出现在父本是尾细桉L18的组合中,单果产种量的极小值为35.2 mg出现在父本是尾尾桉L3的组合中,另外尾细桉M1为母本的自由授粉子代的单果产种量均值为28.6 mg,控制授粉中的子代均高于自由授粉的均值;尾细桉L18、细尾桉L55、尾叶桉42-1为父本的杂交子代单果产种量与韦塔桉09-20 、尾尾桉L3为父本的杂交子代有显著差异。单果重量中不同父本的杂交子代由大到小顺序为尾叶桉42-1> 细尾桉L55>韦塔桉09-20>尾细桉L18> 尾尾桉L3 ;其中单果重量的极大值为297 mg出现在以尾叶桉42-1为父本的杂交组合中,单果重量的极小值为249 mg出现在以尾尾桉L3为父本的杂交组合中,另外尾细桉M1为母本的自由授粉子代单果重量为192.33 mg,控制授粉中的子代均高于自由授粉的均值;尾细桉L18、细尾桉L55为父本的杂交子代与尾叶桉42-1、韦塔桉09-20 、尾尾桉L3为父本的杂交子代在单果重量上存在显著差异。
表7 尾细桉M1杂交结果的多重比较†Table 7 Multiple comparisons on hybridized combinations of M1 (E.urophylla×E. tereticornis)
M1×L55的座果率、单果产种量、单果重量的综合表现最优,M1×L18与M1×L3的表现也较优,M1为母本的这5个杂交组合的单果产种量都大于自由授粉的单果产种量,表明其受精程度较高,亲和性高。M1杂交结果整体较优可能有两方面的原因:一是M1是未经矮化处理的大树,相较矮化处理后的母本能取得较好的制种效果;另外M1母本与尾细桉L18、细尾桉L55、尾叶桉42-1、韦塔桉09-20 、尾尾桉L3的亲缘关系相对较近,比较容易产生杂交子代。
影响嫁接成活率的因素有嫁接技术、接穗与砧木质量等,选择合适的嫁接方法,接穗最好选择一年生枝条,嫁接位置选在主枝条上;最好在植物生长萌动期,有利于嫁接口的愈合及接穗发芽[10]。嫁接后期的管理对于嫁接来说也至关重要,主要工作包括解除嫁接塑料绷带,除草、防病虫害以及修剪。适时的修剪,抹芽可以调整营养的分布,对于嫁接初期的嫁接条的成活率影响比较大。其他一些影响嫁接的原因,诸如天气,当雨水比较少,风大且天气比较干燥时,会造成嫁接穗条松动。且病虫害、营养元素缺失和砧木长势等都对嫁接结果有影响。
嫁接是否成功主要取决于砧木与接穗的亲和性。亲和力强的树种之间嫁接,不仅容易愈合成活,砧木和接穗粗细一致,愈合点通常不形成树瘤,而且嫁接树一般寿命较长;本次嫁接结果表明U6作为砧木的情况下,嫁接亲和性由大到小依次是韦塔桉F1代杂交种>尾叶桉>粗皮桉>韦塔桉>细叶桉>巨桉,但整体嫁接结果表现不太好,嫁接成活最高的F1到第4次调查时成活率也仅有36.47%。各品种间嫁接亲和性存在一定差异,尤其是巨桉,初始嫁接半个月后萌芽旺盛,但是到萌动期结合率下降很大;也有些接穗一直保持绿色,却始终不萌芽,这些都是不亲和的表现。
(1)杂交结果方面,作为杂交育种的母本,必须是产果率较高的植株[11]。但是桉树果实中种子产量与座果率是两个不同的概念,在育种工作中,要选择既有较高座果率、又有较高种子产量的母株[12]。母本杂交组合座果率和单果产种量方面由大到小排序有尾细桉M1>韦塔桉2-1>尾叶桉3-5,以尾细桉M1为母本的杂交组合整体平均座果率为60.21%,在保留M1亲本特性的杂交组合中宜选择其作母本。
(2)在父本花粉的提供方面,花粉需要阴干收集后装入接近真空的小玻璃瓶内,在-4 ~ -3 ℃的低温下贮藏,12个月后用于授粉座果率仍可达60%以上。花粉的采集和贮藏为解决杂交花期不遇提供了条件,并为不同地区间优良亲本杂交组合提供可能。同时,桉树花粉微观形态可作为分析亲本与杂交子代关系的指标之一,为杂交品种的鉴定与表现型预测提供科学依据[13]。选择互补性强的树种、种源作为相互杂交的亲本,合理设计出杂交组合,有针对性地收集花粉[14]。卢万鸿等[15]研究发现,引种后尾叶桉花期与原产地花期有很大的差异,各个种源的花期相对一致。所以应进行物候观察,授粉选在盛花期之前成功率较高,选择生长健壮的花枝;因外部环境对对杂交授粉成功率的影响较大,所以后期对授粉花蕾的保护和管理相当重要。
(3)果实采收方面,从授粉到采果这段时间,可以看成是蒴果成熟期,不同种桉树,甚至同种的不同母树,果实成熟期也是不同的。成熟后一般1个月甚至更长时间都不会掉落,但遇到恶劣天气就无法保证,所以应定期观察(每10~15 d)以进行采收。蒴果成熟受温度和气温影响较大,在实际采收时需要更多观察,根据单株情况适时、分别采收。确定果实成熟与否,可以采集3~4个外形表现出将要成熟的蒴果,使其自然变干裂开或切开蒴果,观察种子颜色,完全成熟的种子应该是棕色或深棕色,有的桉树种子是黑色的。采种太早会造成初期种子生活力低及种子贮藏期变短[16]。尾叶桉3-5蒴果需要约6个月成熟,韦塔桉2-4和2-1需要约7个月,尾细桉M1需要约9个月。吴坤明等[17]报道,尾叶桉授粉后至种子生理成熟的时间为110~130 d,尾叶桉3-5比其报道的盛花期提早了10 d,果实采收时间却晚了近50 d。可以看出,尾叶桉不同单株的开花和果实成熟物候差异较大。而M1时间较长可能是因为母树M1是大树,需要用较长时间去提供整棵树所有成熟果实的营养。在以后的试验中,将会更多地关注同品种桉树的大树和嫁接树的果实成熟期的对比。
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Preliminary study onEucalyptusdwarf i ng and artif i cial hybridization
ZENG Qi1, LIU Li-ting2, MO Xiao-yong1
(1.College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China;2.Jiangxi Academy of Forestry, Nanchang 330013, Jiangxi, China)
Thirty-one excellent clones belonging to sixEucalyptustree species were selected from the forests of Leizhou Forestry Bureau, Guangdong province as the tested materials. By means of apical dominance inhibition and layering, the Eucalyptus stocktrees’ height was dwarfed, and the 31 selected clones were grafted to the dwarfed stock-trees, then the controlled pollination was conducted by using the grafted scions as the female parent. The results show that the grafted compatibility values of the 6 species with U6 as the rootstock ranked from large to small as follows:E. wetarens(F1 hybrid)>E. urophylla>E. pellita>E. wetarensis>E. tereticornis>E. grandis. Through artif i cial hybridization technique, the seeds of 17 hybridized combinations were successfully obtained. There were signif i cant differences in fruit set percentage and single seed-yield and single fruit mass between the hybridized combinations of fi lial generations produced different male parent and same female parent. From fruit set rate and fruit seed yield, the hybridized combinations that took M1(E.urophylla×E. tereticornis)as the female parent all showed better performance than others,the mean fruit-setting rate was 60%; the grafted compatibility ofE.wetarensis2-1 × No.2(E.urophylla×E.grandis), 2-1(E.wetarensis)× L118(E.grandis)and 3-5 (E. Urophylla) ×09-23A(E.wetarensis)were relatively higher. The cross-breeding ofEucalyptusin the dwarf i ng garden has been some encouraging progress.
Eucalyptus; dwarf technique; artif i cial hybridization technique; graft; controlled pollination
S722.8+3
A
1673-923X(2015)04-0065-07
10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.012
2014-01-16
广东省林业科技创新专项资金项目“基于林相改造的人工林生态经营技术研究与示范”(2013KJCX013-01)
曾 奇,硕士研究生 通讯作者:莫晓勇,教授,博士;E-mail:motree@163.com
曾 奇,刘丽婷,莫晓勇.桉树矮化人工杂交技术研究初报[J].中南林业科技大学学报,2015,35(4):65-71.
[本文编校:文凤鸣]