胡桃楸种源家系幼龄期生长变异及选择研究

芦贤博，徐连峰，庞忠义，刘继锋，温宝阳，裴晓娜，赵 岭，王学刚，赵曦阳＊

(1.林木遗传育种国家重点实验室东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江省林科院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161005；3.国有新民市机械林场，辽宁 沈阳 110300；4.宾县万人欢林场，黑龙江 哈尔滨 150411；5.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨,150086；6.中国林科院寒温带林业研究中心，黑龙江 哈尔滨,150086)

胡桃楸（Juglans mandshuricaMaxim.）为胡桃科（Juglandaceae）胡桃属（Juglans）落叶乔木。在我国主要分布于东北地区的小兴安岭、完达山脉、长白山区和辽宁东部[1]，是我国Ⅱ 级珍稀树种和中国珍稀濒危树种的三级保护植物[2]，与黄菠萝、水曲柳并称为“东北三大硬阔”。胡桃楸树干通直圆满，材质坚硬致密，木材弹性好、易加工，被广泛用于军工、船舶、家具、居室装修及乐器制造等方面，是优良的用材树种[3]；其果实果仁营养丰富，含油量高，可制作油料和保健食品，也可作为一些特色食品的添加剂原料；胡桃楸还具有一定的药用价值，其青果、枝皮及种仁均可入药[4-5]；并且，其新鲜根皮、枝皮、青果皮中均含有药用价值较高的化学物质——胡桃醌[6]，具有极强的抗菌[7-8]及抗肿瘤作用[9]，目前在临床医学及医药化学领域中得到广泛应用。

林木幼龄期选择是根据林木优良性状在早、晚龄间存在的正相关关系,针对其幼龄期的性状表现，进行优良个体选择[10]。自20 世纪80 年代以来，国内外学者已对多个树种进行幼龄期选择研究，并取得重大进展[11]。在胡桃楸方面，刘桂丰等[12]和颜廷武等[13]的研究表明，幼龄期的胡桃楸已具有代表性，因此，对胡桃楸进行幼龄期选择是可行且有效的。育种专家已经对胡桃楸进行种源区划，并对少数种源、家系进行初步评价[14]。但是存在选育的良种少，繁殖系数低，很难满足东北林区造林需求等问题，并且由于胡桃楸用途广泛，导致人为的过度采伐，野生胡桃楸资源遭到严重破坏，近年来在林业生产上虽然对胡桃楸进行了大面积人工栽培，但多利用现有的普通胡桃楸造林，在生长和木材产量方面仅表现出较低的增益，因此，胡桃楸的良种选育工作意义重大，不同生态区、不同用途良种选育迫在眉睫。本研究以黑龙江省不同种源内的28 个胡桃楸半同胞家系为材料，对其6 年生生长性状的遗传变异进行分析，初步筛选优良亲本、优良家系和单株，为胡桃楸用材林的良种选育提供基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

试验地位于黑龙江省宾县万人欢林场（128°04′29″～128°19′13″ E，45°44′20″～45°57′18″ N），该地平均海拔340 m，年平均温度2.4℃，年降水量600～800 mm，无霜期130 d 左右，植物生长期140 d 左右，年日照时数2 560 h。

试验材料包括黑龙江省万人欢、七台河、牡丹江、宝清等4 个种源的28 个胡桃楸半同胞家系，其中，万人欢种源有14 个家系，七台河种源有7 个家系，牡丹江种源有4 个家系，宝清种源有3 个家系。不同种源的地理气象因子概况见表1。2015 年春季育苗，2016 年定植。采用随机完全区组试验设计，3次重复，12株小区，株行距为3 m × 4 m，周围设置保护行。

表1 胡桃楸不同种源地理气象因子Table 1 The geographical and meteorological factors of different J.mandshurica provenances

1.2 试验方法

于2020 年11 月对6 年生的胡桃楸半同胞家系的树高、地径、冠幅、分枝角、通直度、侧枝数等性状进行测量。利用塔尺测量树高；利用围尺测量地径；利用钢卷尺测量冠幅（分别测量东西和南北两个方向后取平均值）；利用量角器测量分枝角；利用分级法确定通直度[15]，具体见表2；利用地径和树高比值计算尖削度计算单株尖削度[16]；连续测定近3 年树高生长量，利用平均值计算树高年均生长量。

表2 通直度调查评判标准及分值Table 2 The research criteria and score of stem straightness degree

1.3 统计分析方法

本研究所有数据均使用SPSS 22.0 软件和EXCEL 软件进行分析。方差分析线性模型为[17]：

式中：μ 为总体平均值，Bi为 区组效应，P/F为种源/家系效应，Piji/Fiji为区组与种源/家系的交互作用，Mei ji为机误。

家系遗传力（H2）计算公式[18]：

式中：g为 亲本的一般配合力，x为亲本的某个交配组合在某个性状的子代平均值，μ为这个性状所有组合的子代总平均值。

主成分值和综合得分计算公式分别为[25]：

式中：Yi为第i主成分值，αij为主成分i内性状j的特征值，Xj为 性状j的平均值，W为综合得分值，ωi为 第i主成分贡献率，n为性状个数，p为提取主成分个数。

2 结果与分析

2.1 各性状方差分析

对胡桃楸各种源及各家系不同生长性状进行方差分析，结果见表3、4。除侧枝数外，其余各性状在种源间的差异均达到显著水平（p＜ 0.05）；通直度、侧枝数和尖削度在区组间以及通直度在区组 × 种源间的差异未达显著水平（p＞ 0.05）；分枝角在种源间和侧枝数、尖削度在区组 × 种源间的差异显著（0.01 ＜p＜ 0.05）；除此外，各性状在其他变异来源间的差异均达到极显著水平（p＜0.01）。不同家系各性状方差分析表明：除通直度、侧枝数及尖削度等性状在区组间的差异不显著外（p＞ 0.05），各性状在各变异来源间的差异均达显著水平（p＜ 0.05）。因此，胡桃楸的生长性状在种源及家系间具有较大遗传差异，对优良种源及优良家系的选择具有较大改良潜力。

表3 不同种源各性状方差分析表Table 3 Variance analysis of different traits among provenances

表4 不同家系各性状方差分析表Table 4 Variance analysis of different traits among families

2.2 各性状遗传变异分析

胡桃楸28 个家系各生长性状遗传变异参数见表5。所有家系树高平均值为2.565 m，变幅为2.042～3.046 m；树高年增长量的平均值为0.770 m，变幅为0.598～0.931 m；地径的平均值为6.135 cm，变幅为4.772～7.439 cm；冠幅的平均值为1.776 m，变幅为1.206～2.263 m；分枝角平均值为50.129°，变幅为44.792°～57.833°；通直度平均值为3.816，变幅为2.972～4.278；侧枝数平均值为2.356 个，变幅为1.810～2.704 个；尖削度平均值为2.411，变幅为2.209～2.667。

表5 不同家系各性状变异参数Table 5 Variation parameters of different traits families

各性状表型变异系数变化范围为14.049%～41.519%，除尖削度外，其余各性状表型变异系数均超过20%。各性状遗传变异系数变化范围为8.754%～23.873%，出尖削度外，其余各性状遗传变异系数均超过10%。从家系遗传力来看，除通直度外，其余各性状的家系遗传力较高；从单株遗传力来看，除冠幅、分枝角、侧枝数和尖削度外，其余各性状的单株遗传力较高。

2.3 各性状相关性分析

对所有家系生长性状进行相关性分析，结果见表6。各性状中，除尖削度与分枝角（-0.056）、尖削度与侧枝数（0.049）以及通直度与冠幅（-0.009）之间的相关性不显著外（p＞ 0.05），其余各性状之间均达显著水平（p＜ 0.05），其中，树高与树高年增长量以及树高与地径之间相关性较高，相关系数均在0.80 以上。树高与尖削度之间呈极显著负相关，相关系数为-0.243。此外，尖削度与树高年增长量、通直度之间均达极显著负相关，相关系数分别为-0.292、-0.131。

表6 不同家系各性状相关性分析Table 6 Correlation coefficients among different traits among families

2.4 各性状一般配合力分析

28 个胡桃楸半同胞家系各性状一般配合力见表7、8。树高一般配合力变化范围为-0.523～0.481，其中，较高的家系为WRH2、WRH3 和QTH8；树高年增长量一般配合力变化范围为-0.173～0.161，其中，较高的家系为WRH2、WRH3和WRH13；地径一般配合力变化范围为-1.363～1.304，其中，较高的家系为QTH2、WRH3 和WRH6；冠幅一般配合力变化范围为 -0.569～0.487，其中，较高的家系为QTH2、BQ3 和QTH8；分枝角一般配合力变化范围为 -5.239～7.803，其中，较高的家系为WRH5、WRH14和WRH3；通直度一般配合力变化范围为-0.844～0.461，其中，较高的家系为WRH8、WRH5 和QTH1；侧枝数一般配合力变化范围为-0.546～0.348，其中，较高的家系WRH2、WRH13 和MDJ3；尖削度一般配合力变化范围为-0.202～0.256，其中，较高的家系为MDJ7、WRH6和QTH10。

表7 树高、树高年增长量、地径、冠幅的一般配合力Table 7 General combining ability values of tree height,annual height increase,basal diameter and crown diameter

2.5 各性状主成分分析

对胡桃楸的各性状进行主成分分析，分析结果见表9。以特征值大于1 为标准提取出3 个主成分，累计贡献率达到73.264%，说明选出来的3 个主成分可以涵盖所有性状73.264%的信息，具有高度概括的效果，故选取前3 个主成分进行分析。

由表9 可知：主成分Ⅰ 中，树高（0.956）、树高年增长量（0.878）、地径（0.892）及冠幅（0.824）分别在3 个主成分中的特征值最高，故主成分Ⅰ 可以代表这4 个性状。主成分Ⅱ 中，尖削度（0.879）在3 个主成分中的特征值最高，故主成分Ⅱ 可以代表该性状。在主成分Ⅲ 中，分枝角（0.622）、通直度（0.482）、侧枝数（0.526）在3 个主成分中的特征值最高，故主成分Ⅲ 可以代表这3 个性状。

由表9 中各性状的载荷量可以得到主成分的线性方程，用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8分别表示树高、树高年增长量、地径、冠幅、分枝角、通直度、侧枝数、尖削度；用Y1、Y2、Y3分别表示主成分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，得到如下线性方程：

2.6 各种源综合得分

由于各主成分的贡献率不同，因此，选取它们的贡献率作为计算综合得分的权重，由表9 可知：这3 个主成分的权重分别为：42.398%、17.219%、13.646%。综合评价得分计算公式为：

表9 各性状主成分分析Table 9 Principal component analysis of different traits

经过计算后得到胡桃楸各种源的综合得分以及排名情况见表10。各种源中，综合得分变化范围为12.362～13.319，按树高、树高年增长量和地径现实增益在2%以上，兼顾其他性状对种源进行评价选择，万人欢种源入选为优良种源，其树高、树高年均增长量、地径及冠幅现实增益分别为3.109%、5.014%、2.193%和1.040%。

表10 各种源综合得分和排名Table 10 Comprehensive score and ranking of provenances

表8 分枝角、通直度、侧枝数、尖削度的一般配合力Table 8 General combining ability values of branch angle,stem straightness degree,lateral branch number and taperingness

2.7 优良家系及单株综合得分

根据主成分分析的结果，对所有家系及单株进行综合得分计算，根据各家系及各单株综合得分情况，以10% 和1% 的入选率，分别对家系与单株进行筛选，共获得3 个优良家系（WRH3、WRH5、QTH2）与10 株优良单株，入选家系及单株综合得分及排名情况见表11、12。入选家系树高、树高年增长量、地径及冠幅的平均值分别为2.835 m、0.854 m、7.033 cm 和1.938 m，遗传增益分别为5.835%、5.410%、7.908%和6.069%；入选优良单株树高、树高年增长量、地径及冠幅平均值比总体平均值分别高1.068 m、0.250 m、2.225 cm 和1.312 m，单株遗传增益分别为26.74%、24.11%、23.91%和26.53%。

表11 优良家系综合得分和排名Table 11 Comprehensive score and ranking of excellent families

表12 优良单株综合得分和排名Table 12 Comprehensive score and ranking of excellent individual plants

3 讨论

遗传和变异是林木育种工作的主要研究内容[26]，对变异来源、特点以及规律的认识是进行林木良种选择工作的重要基础[27]。本研究通过对不同性状种源间及家系间差异分析发现，各性状在胡桃楸种源间以及家系间均存在丰富的遗传变异，这与褚宪丽等[28]对胡桃楸3 个种源、45 个家系的分析结果一致，表明不同种源、半同胞家系间各生长指标间存在较大差异，有利于优良家系与单株的选择。

变异系数的大小反映植物的变异程度，它能体现林木各性状的遗传变异能力，包括遗传变异系数和表型变异系数[21]。遗传变异系数越大，表明该家系在该性状中可被利用的改良潜力越大[29]。本研究中，各性状的表型变异系数变化范围为14.049%～41.519%，与袁显磊等[30]、周彦超[31]对胡桃楸的研究结果相近，变化幅度较大，说明胡桃楸各表型性状间存在丰富的变异。此外，冠幅与侧枝数的表型变异系数最高，表明以冠幅与侧枝数作为选优指标的潜力更大。树高、树高年增长量以及地径3 个性状的遗传变异系数占表型变异系数的比例较大，均超过了70%，与解懿妮等[32]对桉树（Eucalyptus S.T.Blake）的研究结果相似，说明胡桃楸家系间的变异受遗传因素的影响较大。遗传力表示亲本某一性状遗传给子代的能力，遗传力的高低表明该性状稳定遗传给后代受到环境影响的大小[33]。本研究中，28 个胡桃楸半同胞家系各性状遗传力变化范围为0.284～0.797，除通直度外，各性状遗传力均超过0.45，属于中等遗传力水平[34]，与翟文继等[35]对楸树（Catalpa bungeiC.A.Mey.）的研究结果相似，表明不同家系的胡桃楸生长性状受到了环境与遗传的综合控制；其中，侧枝数与分枝角的遗传力最高，说明侧枝数与分枝角在胡桃楸家系间的优良表现受环境影响较小，能够稳定遗传给子代。

相关性分析可以反映各性状之间存在的联系，对了解不同性状之间的关系具有重要作用[36-37]。本研究中，从各性状的相关性分析可以看出，胡桃楸各性状之间的相关性较高，其中，树高、树高年增长量、地径、冠幅以及分枝角等性状间均达极显著正相关；而树高与地径决定树木长势情况，树高与地径之间达极显著正相关，且相关系数较高，为0.827，与赵曦阳等[38]对白杨派杨树无性系的研究结果相似，研究结果为长势优良的胡桃楸综合评价选择提供依据。

一般配合力指在一个杂交群体中，某个亲本杂交组合的子代平均值与子代总平均值的离差[39]。一般配合力通常被认为是选择理想亲本和发展优良杂交的先决条件[40]。本研究对28 个半同胞家系各性状的一般配合力进行了分析，以20% 的入选率，各性状均筛选出6 个亲本，根据树高、树高年增长量与地径作为木材产量的指标，综合筛选出4 个优良亲本（WRH2、WRH3、WRH15 和QTH2）；根据冠幅、分枝角以及侧枝数（注，各指标取所得参数相反数进行筛选）作为种植密度的指标，综合筛选出2 个优良亲本（WRH、QTH3）；根据通直度与尖削度作为干形的指标，综合筛选出3 个优良亲本（QTH1、QTH2 和WRH6）。所选家系的亲本可以作为未来不同育种目标的杂交育种的首选亲本。

主成分分析法既能把握植株的综合性状表现，又能简化选优指标，简化选择程序，克服人为主观误差，选择结果准确、客观[41]。本研究对胡桃楸8 个生长性状进行了主成分分析，提取出3 个主成分，主成分Ⅰ 中树高、树高年均增长量、地径和冠幅特征值较高，可代表生长量相关信息；主成分Ⅱ 中尖削度特征值较高，可代表干形相关信息；主成分Ⅲ 中分枝角和侧枝数平均值特征值较高，可代表分枝相关信息。依据主成分分析结果，筛选出1 个优良种源（万人欢），其树高、树高年均增长量及冠幅现实增益分别为3.109%、5.014%、2.193%和1.040%；筛选出3 个优良家系（WRH3、WRH5、QTH2），入选家系树高、树高年增长量、地径及冠幅等性状遗传增益分别为5.835%、5.410%、7.908%和6.069%。与胡文杰等[42]对9 年生枫香（Liquidambar formosanaHance）的研究结果相似。其中，QTH2 既是优良家系所选材料，又是优良亲本所选材料，表明QTH2 性状表现优良，可进一步作为胡桃楸优良材料用于推广应用。在优良家系选择的同时，还筛选出优良单株，以1%的入选率，共获得10 株优良单株，入选优良单株在树高、树高年增长量、地径及冠幅的平均值比总体平均值分别高1.068 m、0.250 m、2.225 cm 和1.312 m，单株遗传增益分别为26.74%、24.11%、23.91%和26.53%。

4 结论

育种目标决定育种方法，胡桃楸主要作为果材兼用树种，对胡桃楸的评价应从多方面、多角度进行。但因其有性繁殖周期长、扦插和嫁接等无性繁殖成活率低等问题，使得胡桃楸研究进展仍较为缓慢。本研究以胡桃楸良种选育为目的，综合多个性状，结合主成分分析法，对胡桃楸种源、家系及单株进行评价与选择，共筛选出1 个优良种源、3 个优良家系和10 个优良单株，入选材料各性状之间相关性强，遗传力高，种源间以及家系间有较大的选择潜力，所选材料优势明显，在胡桃楸良种选育与推广应用中可重点考虑。