杉木近缘优良无性系交配子代遗传效应研究

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(1.贵州省林业技术推广总站， 贵阳 550001； 2.贵州省黎平县国有东风林场， 贵州 黎平 557300；3.贵州省林业科学研究院， 贵阳 550011 )

杉木(CunninghamialanceolataHook.)的遗传改良可代表林木良种选育水平。采用轮回选择育种策略，在我国主要造林树种的遗传改良程度最高，中心产区多建立了3代种子园，随着改良世代的提高，无法避免近交和高共祖率的出现。通过研究杉木近缘优良无性系交配子代的遗传变异及估算遗传参数，为双多系种子园营建和高世代遗传改良提供技术依据和育种资源，挖掘和科学利用杉木近交及自交优势。杉木遗传改良是我国杉木研究中最为活跃、研究成果及报道文献最多的领域[1]，杉木交配设计和测定是高世代遗传改良的核心。杉木交配主要目的是估算一般配合力(GCA)和殊配合力(SCA)效应等遗传参数并提供更多无亲缘关系育种材料，研究报道以杉木全双列交配为主，开展了配合力分析、优良家系(组合)与优良亲本选择[2-11]，探讨了GCA与SCA的相对重要性[6，12]。远缘交配效果最为理想[9-10]，未见近缘交配为研究对象的报道。为了解近缘亲本交配的遗传效应，对地理隔离近的贵州省锦屏和天柱种源的5个亲本开展全双列交配和田间试验测定，应用14年生试验测定林调查数据，分析掌握参试家系的生长性状差异，对5个亲本交配符合Griffing提出的双列杂交第4种方法的调查统计数据，进一步开展配合力分析和优良组合及亲本选择。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省黎平县中潮镇,地貌类型属低山低中山丘陵，气候属中亚热带季风湿润性气候区域。年平均气温15.6 ℃,无霜期277 d，≥10 ℃持续日为288 d，年日照时数1 318 h，降水量1 330 mm，年平均相对湿度83%。试验地前茬为杉木采伐迹地，海拔780 m，土壤为板岩发育的山地黄壤，土层厚度80 cm，土壤肥力差，立地指数14。

1.2 试验材料与造林设计

参试材料是5个杉木优良无性系亲本全双列交配子代苗木，造林设计采用完全随机区组，造林株行距2.0 m×2.0 m，造林后按照速生丰产林常规技术措施进行林地抚育管理参试家系(组合)20个，包含19个组合和1个对照，4株小区，区组(重复)5次；对照(ck)为黎平杉木2代种子园自由授粉混系。 5×5优良无性系全双列交配试验，在贵州省黎平县国有东风林场的第3代杉木基因收集区进行，亲本原产地及交配组合见表1，其中4个交配组合未获杂种或育苗未成功，5个亲本的材积增益在30%以上。

表1 交配亲本原产地与交配组合

亲本(♂)原产地交配组合888911912012388贵州锦屏×××××89贵州锦屏××nm×nm ××119贵州天柱×××××nm120贵州天柱××××nm×123贵州天柱×××××

注：“nm”表示交配未获种子或种子育苗未成功。

1.3 调查数据统计分析

表2 试验测定林(14年)主要生长性状表型变异统计分析结果

性状变幅平均值表型变异系数与国标比较(%)与省标比较(%)H/m5.2～9.17.811.2-28.9-2.6D/cm5.28～13.6910.8919.3-16.911.1V/m30.008855～0.064981 0.04384331.4-32.9148.0

表3 方差分析结果及估算遗传力

变异来源df 树高 胸径 材积 MSF家系遗传力MSF家系遗传力MSF家系遗传力家系193.8617052.53**0.6022.04052.77**0.640.0009493.02**0.67区组41.594851.04ns46.678235.88**0.0018645.93**

注：*为0.05显著水平，**为0.01极显著水平，ns为差异不显著。下同。

14年生试验林测定数据剔除反交、自交组合及ck后，符合Griffing(1956)提出的双列杂交第4种方法(只有正交，无反交和自交)。采用5个亲本10个组合小区单株数据，开展配合力分析；采用固定模式估算期望均方差，估算广义遗传力(H2)和狭义遗传力(h2)。配合力分析的统计模为[18-20]：

式中，i，j=1，2，…，p(亲本数)；k=1，2，…，b(区组数)；l=1，2，…，c(观察值)；μ为总体平均数，gi和gj为一般配合力(GCA)，sij为特殊配合力(SCA)效应，eijkl为小区中第l个观察值的环境效应。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 主要生长性状的变异分析

2.1.1 试验林主要生长性状的表型变异

14年试验林平均树高、胸径和单株材积分别为7.8 m、10.9 cm和0.043 843 m3(表2)，试验林生长表现较差。树高、胸径和材积生长指标均小于国家行业标准[21]；与贵州省杉木速生丰产林标准相比[22]，树高小于省标2.6%，胸径、材积大于省标11.1%、148.0%。试验测定林生长表现不良的主要原因是造林地前茬为杉木采伐迹地，林地土壤肥力低，多代连栽植导致地力退化；而参试组合的交配亲本为相邻种源具有较高的共祖率，导致的近交衰退予以充分表达可能是诱因。

参试家系(组合)存在丰富的变异，试验林树高、胸径和单株材积的表现变异系数分别为11.2%、19.3%和31.4%，材积的表型变异系数最大，其次是胸径、树高最小。获得杂交种子且苗木生长正常的3个自交组合即119×119、123×123、 88×88，其生长表现最差，14年生材积生长最大组合(120×89)是最小组合(88×88)的7.34倍，10个组合的材积生长比对照(ck)提高20%以上。

2.1.2 试验林主要生长性状的遗传变异

试验测定林主要性状方差分析及估算遗传力结果见表3，20个参试家系间的主要性状具有极显著差异，区组间的树高不显著而胸径和材积达到极显著水平。参试家系的树高、胸径和材积家系遗传力分别为0.60、0.64和0.67，生长性状受较强程度的遗传控制，对参试家系(组合)开展前向选择和后向选择可取得良好的改良效果。试验地区组间的土壤肥力变化可能较大，且参试家系的生长与立地的强烈交互作用，是导致胸径和材积区组间差异极显著的主要原因。

2.2 优良无性系交配组合的配合力分析

2.2.1 交配组合子代主要性状及亲本配合力的方差分析

5个亲本10个交配组合子代主要生长性状及亲本配合力方差分析结果见表4。不同交配组合间树高、胸径和材积生长差异极显著，不同重复间也极显著；交配组合与重复的交互作用明显，树高达显著水平而胸径和材积达到极显著水平；不同亲本交配组合间的特殊配合力(SCA)达到极显著水平，树高的一般配合力(GCA)达极显著水平，而胸径和材积的特殊配合力(SCA)未达显著水平。

2.2.2 交配组合的一般配合力和特殊配合力效应分析

5个优良无性系交配组合间特殊配合力效应值见表5。L.S.D.检验一般配合力效应值差异，5个亲本的胸径(L.S.D.0.05=3.2、 L.S.D.0.01=4.4)和材积(L.S.D.0.05=0.0193、 L.S.D.0.01=0.026 5)在一般配合力效应值均未达到显著水平，树高(L.S.D.0.05=1.5、 L.S.D.0.01=2.0)的部分亲本间有差异，而10个组合的特殊配合力效应值在部分组合间差异显著或极显著。88号和89号亲本的树高一般配合力效应值与120号有极显著差异，119号与120号、123号以及120号与123号有极显著差异。

表4 交配组合子代主要性状及亲本配合力的方差分析结果

变异来源df 树 高 胸 径 单株材积 MSFMSFMSF交配组合99.11894.9**44.31155.1**0.00247.6**重复428.381515.2**124.107914.2**0.006821.3**交互(组合×重复)363.85712.1*29.13463.3**0.00144.2**GCA444.11118.0**1.801.0ns4.2419E-050.7nsSCA5151.36404.8**262.4149.6**0.002641.1**

表5 亲本及组合的一般配合力、特殊配合力效应值和两种配合力的方差效应

亲本GCA效应值树高胸径单株材积组合SCA效应值树高胸径单株材积组合SCA效应值树高胸径单株材积88-8.10 -16.16 -0.0520 88×89198.13 319.76 1.00 89×120197.77 321.90 1.00 89-7.34 -14.32 -0.044188×119197.97 320.87 1.00 89×123197.34 318.62 0.99 119-7.35 -14.32 -0.048388×120198.54 323.73 1.01 119×123197.85 317.81 1.01 120-16.24 -15.15 -0.049988×123198.00 319.72 0.99 119×120197.42 321.60 0.99 123-8.05 -15.37 -0.043289×119197.99 320.31 1.00 120×123207.64 320.64 1.00

表6 不同亲本的两种配合力方差效应

亲本 树高 胸径 材积 σ^2giσ^2Sijσ^2giσ^2Sijσ^2giσ^2Sij8865.6 52355.8 260.7 137407.9 0.0027 1.348953.8 52170.0 204.7 136658.1 0.0019 1.3311953.9 52170.0 204.7 136659.0 0.0023 1.34120263.8 55881.4 228.9 136659.2 0.0025 1.3412364.7 53411.4 235.8 136657.9 0.0019 1.33

交配组合88×89的树高特殊配合力效应值与其它组合的差异极显著，其它组合间的特殊配合力效应值差异未达显著水平；88×89与88×120、89×119与89×123、119×120与119×123交配组合的胸径特殊配合力效应值有显著差异，88×120与88×123、88×89与88×12 3交配组合有极显著差异； 88×89与120×123交配组合的材积特殊配合力效应值差异极显著，其它交配组合的不显著。

5个亲本交配组合的树高特殊配合力重要性高于特殊配合力，一般配合力重要性为80.9%，特殊配合力重要性为19.1%；胸径的一般配合力重要性(50.0%)与特殊配合力重要性(50.0%)一样，而材积的一般配合力重要性(50.2%)和特殊配合力重要性(49.8%)基本一致。总体来说，10交配组合的一般配合和特殊配合力重要性上的差别不明显，两种配合力的方差效应见表6。5个亲本的单株材积一般配合力和特殊配合力方差效应差异小且无突出表现亲本；从一般配合力方差来看，120号亲本的树高和88号的胸径方差效应最大，120号亲本的特殊配合力方差效应大，5个亲本的树高和材积变化无明显趋势来看。总体来看，120号亲本表现较优，其次是123号和88号。

2.3 遗传力估算与优良亲本选择

5个亲本10个交配组合估算的全同胞家系和单株的广义、狭义遗传力见表7，广义和狭义遗传力基本相同，而家系遗传力小于全部试验测定林调查数据估算的0.60～0.67，估算的单株遗传力高0.93～1.00。

5个亲本交配的19个参试组合试验测定结果表明，交配子代的树高、胸径和单株材积大于对照(ck)的有8个组合，17个组合的单株材积大于ck且含1个自交(119×119)；3个自交组合即119×119、123×123和88×88生长表现最差，119×119的材积比ck提高0.63%、比试验林群体均值低18.05%，123×123比ck低47.88%、比群体均值低57.55 %，88×88比ck低75.20%，比群体均值低79.80%。有8个组合的材积增益比ck提高了30%以上，提高50%以上的有6个交配组合即120×89、119×89、89×120、120×123、123×88、120×88，120号亲本作为母本的有3个组合、1个组合为父本，89号作为父本交配的有2个、1个为母本，5个亲本中存在明显的父本和母本效应。

表7 家系和单株的广义和狭义遗传力

树 高 胸 径 单株材积 H2FH2Ih2Fh2IH2FH2Ih2Fh2IH2FH2Ih2Fh2I0.32 0.99 0.32 1.00 39.05 0.98 0.40 0.98 0.37 0.93 0.40 0.93

以树高、胸径和材积对试验测定林进行联合选择，5个优良组合入选，材积遗传增益见表8，优良组合评选的优良单株无性繁殖应用，材积遗传增益可提高44.2%以上。入选的5个优良组合中包含本次参加试验的5个亲本，每个优良组合可前向选择1株优良单株进入下一世代的轮回改良，后向选择确定交配优良亲本；根据一般配合力和特殊配合力效应的分析结果结合自交不育，120号和89号建立双系种子园的最优亲本，而5个亲本的合理配置可建立3系～5系生产群体。

表8 5个优良组合的材积遗传增益

组合现实材积(m3)>ck的增益(%)>群体均值的增益(%)120×890.06498181.99 32.24119×890.06305976.61 29.3189×1200.05911865.57 23.30120×1230.05550555.45 17.79123×880.05425651.95 15.88>ck的遗传增益(%)44.2

3 结论与讨论

14年生试验测定林平均树高、胸径和单株材积分别为7.8 m、10.9 cm和0.043 843 m3，生长表现较差但存在丰富变异。20个参试家系的树高、胸径和单株材积均达到极显著水平，生长性状受较强程度的遗传控制，树高、胸径和材积的家系遗传力分别为0.60、0.64和0.67。5个亲本10个交配组合间的树高、胸径和材积指标的差异极显著，不同区组间也达到极显著水平；组合与区组的交付作用明显，树高显著而胸径和材积极显著；不同亲本交配组合间的特殊配合力(SCA)极显著，树高的一般配合力(GCA)极显著而胸径和材积的SCA差异不显著。在5个亲本中，120号亲本的GCA和SCA效应较优，其次是123号和88号；2个自交组合未成功，3个自交种子育苗成功的生长表现最差。以树高、胸径和材积对试验测定林进行联合选择，入选了5个优良组合，120号和89号是建立双系种子园的最优亲本，5个亲本的合理配置可营建3系～5系种子园。

5个交配亲本的原始母树生长表现优良，是贵州最早评选的速生稳产优良家系，8～11年生的材积增益在30%以上[23]，也是贵州杉木第1代、2代和3代改良的育种资源，入选了3代生产群体。88号的一般配合力和特殊配合力表现较优，88号是本次交配试验的轮回亲本，89号、119号、120号和123号为非轮回亲本，88号在试验林的生长表现不突出，母本交配的效果比父本差，120号和89号作为母本或父本交配子代的生长表现良好。在地理间隔较远的优良种源间或在外省优良种源与本省种源间选择交配亲本，易培育出具有超双亲优势的组合[9]。交配亲本间地理隔离远近不能完全决定子代生长好坏，同一种源优良亲本交配的子代生长表现可能最佳，优良无性系交配后子代产生分离重组，可导致具有超双亲优势或严重退化[24]，本次试验研究结果得以进一步证实。自交不衰退的个体表现为具有较高的GCA效应[2]，3个自交组合119×119、123×123和88×88的生长表现最差，GCA不显著，未能进一步探讨，但是，88号、119号、123号亲本具有较高的GCA效应[25]。GCA的测定与评选和SCA的测定与评选之间具有相对的独立性[11]，未经GCA测定的材料，GCA的测定比SCA的测定更重要，经过GCA测定的材料，要加强SCA的测定[6]，本次试验中，GCA显著而SCA仅树高显著、胸径和材积不显著；对于经过GCA评选的材料，以单交制种测定评选优良家系(组合)并选育优良单株无性利用，有性和无性的合理利用是较好的育种方案[25]。目前杉木种子园种子产量较低和不稳定[26]，最好的方式是采用优良亲本建立双系种子园[5,11,25]。

由于育种周期长，林木品种田间试验测定林设置对照(ck)对全面准确评价非常必要和重要。本试验中，由于造林地的地力差且存在退化等现象，导致参试组合生长潜力未充分表达，如果无ck而使用均值等评判的漏选或误选率很高。若根据绝对生长量法[28-29]，将排除5个亲本的所有参试组合， 5个亲本表现不良。但是，参试的19个组合有17个的生长表现优于ck，仅有2个自交的比ck差，其试验条件基本一致且参试家系间存在真实差异可进一步开展评选利用。本研究中的交配组合与重复的交互作用明显，原因可能是父本与母本互作效应[7]，胸径和材积的GCA不显著而特殊配合力显著和自交衰退等，徐清乾等[5,11]、李力等[6]的研究结果一致。