黄心梓木优良无性系评价与初选

薛惠芬,于晓池,付鹏跃,肖 遥,刘冰洋,杨桂娟,王军辉,赵曦阳,麻文俊*

(1.林木遗传育种国家重点实验室，东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国林业科学研究院 林业研究所，林木遗传育种国家重点实验室，国家林业和草原局林木培育重点实验室，楸树国家创新联盟，北京 100091)

滇楸(Catalpafargesiif.duclouxii)属紫葳科(Bignoniaceae)梓属(Catapla)落叶大乔木，喜光，适宜温暖湿润气候[1]，广泛分布于我国西南地区，是重要的乡土珍贵用材和园林观赏树种[2]。黄心梓木是滇楸的特殊类型，分布范围极小，仅在贵州省黔南州和黔东南州部分区域，常与滇楸混生，由于其生长速度略慢于滇楸，而木材呈黄色，因此更受青睐，在当地常用来制作高档家具和装饰用材。近年来，由于对黄心梓木资源的过度利用，导致资源存量骤减，基因资源严重流失，2018年的立木数量仅为2013年的1/2。由于重视程度不够、相关研究起步晚，所以针对黄心梓木这一地方特有珍贵用材树种的培育却无较大的进展。

植物表型性状具有观察直观、调查简便的优点，被广泛应用于资源评价和良种选育[3]。叶片是植物的重要器官，与光合作用、养分合成和水分利用等过程密切相关[4]，同时，叶片大小、形态、结构与植物生长量和生理生态因子也密切相关[5-6]。常用的叶片观察性状有叶长、叶宽、叶面积、叶片质量和比叶质量等，由于其相对稳定且易于测定，对辅助品种评价和优良无性系选择有较高的指导意义。

目前，对梓属树种的研究主要集中在无性系表型特征、生长特性、光合生理和组培技术等方面[7-11]。由于原来对黄心梓木的认识不足，与滇楸合并对待，因此并未系统性开展黄心梓木的资源评价与优良无性系选择。鉴于此，本研究对营建于河南南阳的2年生黄心梓木无性系对比试验林进行表型性状测定与分析，旨在为选择速生优良无性系提供物质基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省南阳市卧龙区香铺村，地处亚热带向温暖带过渡地带，属季风大陆半湿润气候。土壤为灰潮土或黄棕壤，自然肥力中等。年平均气温14.4～15.8 ℃，极端最高气温42.6 ℃，极端最低气温-13.2 ℃，年平均日照时数2 121 h，年平均无霜期225～240 d，年降水量800 mm。

1.2 试验材料与设计

参试无性系共计252个，收集于贵州省黔南州和黔东南州，2019年3月20日在南阳市宛城区造林。采用完全随机区组设计，2株小区，4次重复，株行距3 m×3 m。苗木为1年生嫁接苗，苗高2.0～3.0 m，地径1.5～3.0 cm。苗木定植5 d后平茬，以提高成活率。

1.3 试验方法

2020年8月进行叶部性状调查，10月进行生长性状调查。调查性状包括：树高(tree height，H)、胸径(diameter at breast height，DBH)、叶长(leaf length，LL)、叶宽(leaf width，LW)、叶长宽比(ratio of leaf length and width，LWR)、叶片质量(leaf mass，LM)、皮孔数量(number of lenticels，LN)和比叶质量(leaf mass per unit area，LMA)。其中，采用塔尺和游标卡尺测量其树高和胸径。每个无性系随机选取生长正常、无严重缺陷、无明显病虫害的3株单株测定其叶片性状。叶片性状测定：试验林共4次重复，选择第1～第3重复，每个重复中每个无性系随机选择1株用于叶片性状测定，每株选取苗干中部3个生长正常的功能叶片。用直尺测量叶长和叶宽，并将叶片进行拍照，然后进行装袋，于105 ℃杀青20 min，70 ℃烘干至恒重，称量叶片质量，利用image J软件矢量化处理照片并计算叶面积，叶片干重与叶面积的比值为比叶质量[12]。在苗干1.3 m处南向，用2 cm×2 cm的方框卡在苗干上，统计区域内的皮孔数量。

1.4 数据处理

采用单因素方差分析设计无性系间方差分析，线性模型为[13]

xij=μ+Ci+eij

(1)

式中：μ为总体平均值；Ci为无性系效应；eij为环境误差。

重复力(R)的估算根据公式[14]

(2)

表型变异系数采用公式[15]

(3)

表型相关系数(r)采用公式[16]

(4)

采用布雷金多性状综合评定法[17]对无性系进行综合评定，具体公式为

(5)

式中：Qi为综合评价值；Xij为某一性状的平均值；Xjmax为某一性状的最优值；ai为平均值与最优值之比；n为评价性状的个数。

采用隶属函数法综合各项性状进行评价[18]，隶属函数值计算公式为

(6)

反隶属函数值计算公式为

(7)

式中：i表示某个无性系；j表示某项性状；Tij表示i无性系j性状的隶属函数值；Xij表示i无性系j性状的测定值；Xjmin表示所有无性系j性状的最小值；Xjmax表示所有无性系性状的最大值。假如某项性状与材积呈负相关，则1减去正相关的隶属函数值就是它的隶属函数值。某一个体某一性状的隶属函数值或反隶属函数值越大，表明该性状越靠近最大值。

采用选择指数法对无性系进行综合评价[19]

(8)

现实增益(ΔG)估算[17]

(9)

2 结果与分析

2.1 黄心梓木无性系各性状方差分析和遗传参数估算

对252个无性系的树高、胸径等8个性状进行方差分析(表1)。结果表明，不同无性系的树高、胸径、叶长等7个性状差异极显著，而比叶质量差异不显著，说明无性系间存在较大的变异，具有较大的遗传改良潜力。

表1 252个2年生黄心梓木无性系各性状方差分析

对8个性状进一步计算平均值、标准差、表型变异系数和重复力。由表2可知，无性系树高的平均值为4.513 m，最大值(5.500 m)是最小值(3.158 m)的1.74倍；胸径的平均值是5.409 cm，最大值(6.953 cm)是最小值(3.289 cm)的2.10倍；叶长的平均值是20.481 cm，变幅为13.933～27.211 cm；叶宽的平均值为15.217 cm，变幅为9.622～25.944 cm；叶长宽比的平均值为1.378，变幅为1.110～1.782；叶片质量的平均值为4.117 g，变幅为1.993～7.043 g；皮孔数量的平均值为11.505，变幅为4.667～28.000，最大值为最小值的6.00倍；比叶质量的平均值为0.008，变幅为0.004～0.030，最大值为最小值的7.50倍，表明不同无性系间变化较大。各性状表型变异系数的变化范围为7.104%～40.818%，皮孔数量的表型变异系数最大，达40.818%，说明无性系各性状间存在丰富的遗传变异，在无性系水平上有较好的遗传改良潜力。树高、胸径和皮孔数量受较强的遗传控制，重复力分别为0.859、0.828和0.791；叶长宽比具有中偏上的重复力，达0.578；除比叶质量之外，其余性状的重复力均>0.3。

表2 252个2年生黄心梓木无性系各性状的遗传参数

2.2 黄心梓木无性系各性状相关性分析

对所有无性系各性状进行相关性分析(表3)，结果表明，不同无性系生长性状(树高和胸径)间达极显著正相关水平。对于叶片性状，叶长与叶宽之间呈极显著正相关水平；叶长、叶宽均与叶片质量呈极显著正相关关系，但叶长宽比则与叶片质量呈极显著负相关关系；比叶质量与叶宽之间呈(极)显著负相关关系，但与叶长宽比、叶片质量之间达(极)显著正相关水平。对于生长性状与叶片性状之间的相关性，树高与皮孔质量之间呈极显著正相关水平，胸径与叶长之间达(极)显著正相关关系，其余性状之间相关性均不显著。

表3 252个2年生黄心梓木无性系各性状相关系数

2.3 黄心梓木优良无性系的综合评价与选择

2.3.1 黄心梓木无性系多性状综合评价 采用多性状综合评定法，利用树高、胸径、叶长、叶宽、叶长宽比、叶片质量和皮孔数量7个性状，对黄心梓木无性系进行综合评价(表4)，以15%的入选率对无性系进行选择，无性系44、46、108、167、212、208、9、87、39、97、19、177、60、156、64、159、92、176、204、155、127、189、69、99、239、98、248、146、199、72、259、160、30、242、63、3和25共37个无性系入选。

表4 不同黄心梓木无性系的Qi

2.3.2 黄心梓木无性系隶属函数法评价 采用隶属函数法对无性系进行综合评价，将树高、胸径、叶长、叶宽、叶长宽比、叶片质量和皮孔数量等7个性状作为评价性状，平均隶属函数值见表5。无性系46的7个性状平均隶属函数值最高，为0.70；其次是无性系19和无性系167。以15%的入选率，无性系46、19、167、212、72、177、189、208、108、159、88、98、69、89、60、246、34、190、97、92、2、79、1、44、39、155、204、145、225、9、146、64、156、242、30、213和15等37个无性系的平均隶属函数值较高，因此初选为优良无性系。

表5 黄心梓木无性系隶属函数值

2.3.3 黄心梓木无性系指数选择法评价 楸树为珍贵用材树种，材积速生是其选择的主要目的，将树高、胸径、叶长、叶宽、叶长宽比、叶片质量、和皮孔数量对立木材积进行多元回归分析之后，F检验结果表明，叶长、叶宽、叶长宽比、叶片质量和皮孔数量对材积的偏回归平方和不显著，因此只选取对材积有决定意义的树高和胸径2个性状作为评价性状[19]。

权重的计算方法很多，这里将树高和胸径2个性状数据标准化，以材积为因变量，建立多元标准化回归式，将标准回归系数作为权重[20]，根据式(8)得出黄心梓木无性系指数选择的最优方程式：

I=4.987 1X1+11.687 6X2

(10)

将黄心梓木各无性系树高和胸径测定值代入式(10)中，求出相应的值，并将值按顺序排列(表6)。252个无性系的平均选择指数值为0.857，大于平均选择指数值的有133个无性系。通过指数选择法，以15%的入选率，无性系177、236、239、242、94、149、256、99、178、46、112、15、64、243、119、6、172、104、166、145、110、92、41、201、220、130、233、174、173、246、63、223、170、159、39、101和65等37个优良无性系入选。

表6 黄心梓木无性系选择指数值比较

2.4 黄心梓木优良无性系遗传增益

利用多性状综合评价法、隶属函数法和指数选择法分别对黄心梓木进行评价选择(表7)，无性系39、46、64、92、159、177和242在不同的评价方法中均被筛选出来。树高的遗传增益为10.44%；胸径的现实增益为12.96%；叶长、叶宽、叶片质量和比叶质量的现实增益分别为4.71%、7.41%、8.46%和1.42%。

表7 基于不同评价方法筛选优良无性系的现实增益

3 结论与讨论

黄心梓木是滇楸的特殊类型，具有较高的研究和遗传改良价值。本研究对其性状进行分析，结果显示不同无性系各性状均存在较高的遗传变异，且生长性状受到较强的遗传控制，同时也发现其生长性状与叶片性状相关性较弱。利用多性状综合评价法、隶属函数法和指数选择法对不同无性系进行评价选择，共同筛选出7个优良无性系，初选的无性系可以为选择速生优良无性系提供物质基础。

遗传和变异是林木育种研究的主要内容，是林木遗传改良的基础[21]。本研究中，252个黄心梓木无性系间树高、胸径、叶长、叶宽、叶长宽比、叶面积、叶片质量、皮孔数量均达极显著差异，表明不同无性系间存在明显差异，可从中进行无性系初选，这与对灰楸[22]、滇楸[23]的研究结果一致，均具有较好的遗传改良基础，为选择优良种质提供可行性。

不同无性系间差异主要由遗传和环境因素引起，重复力大小可以在一定程度上解释无性系间存在的变异是由遗传与固定环境因素引起，还是由随机环境因素引起。某一性状重复力越大，说明该性状受遗传与固定环境因素控制较强，受随机环境影响较弱[24]。高变异、高重复力更有利于无性系的选择[25]。本试验中，树高、胸径、叶长宽比和皮孔数量等性状重复力均大于0.5，说明性状受遗传控制较强，能稳定遗传，有利于优良无性系选择。叶长宽比的表型变异系数为7.660%，重复力为0.578，说明该性状比较稳定，受遗传控制较强，这与凌娟娟等[22]的研究结果类似。贠慧玲等[26]研究发现皮孔性状的变异系数超过20%，重复力高达0.7，本试验中皮孔数量的重复力为0.791，表型变异系数为40.818%，与前人研究结果一致，表明皮孔数量的变异系数和重复力均较大，受遗传因素影响较大，对初步选择优良无性系有一定的帮助。

相关性分析可以表现出各性状间的相关程度。相关分析结果表明，叶长与叶宽之间呈极显著正相关水平，这与欧建德[27]对南方红豆杉研究结果一致，说明在叶片生长过程中，叶片长度与宽度增长速度相对一致，形状相对稳定。叶长、叶宽与叶片质量呈极显著正相关关系，这与金方伦等[28]对桑树的研究结果一致，表明叶长和叶宽越大，叶片内部吸收的营养成分也越多，叶片质量也越大。尽管相关性分析结果显示叶片性状与生长性状相关程度较弱，但也表现出一些规律：如皮孔数量与生长性状呈显著负相关，说明皮孔数量越多，越不利于其生长，类似的结果也出现在滇楸[23]、楸树[26]、小黑杨[25]中。郭从俭等[29]研究表明，叶片大小与树高、胸径存在一定相关性，叶片越大，胸径越大，生长越快。本试验中叶长与胸径达到显著正相关，与前人研究结果一致，说明叶片越大，光合作用面积大，净光合速率高，生长越快，以叶片性状作为辅助选择指标，对于优良无性系初选具有重要意义。

从多性状综合评价法、隶属函数法和指数选择法3种选择方法的初选结果来看，3种方法各有利弊。多性状综合评价法将各无性系的性状等权处理，可以直观简便地选出各性状最优的无性系，但若无性系仅个别性状较优良则可能无法被筛选出[30]。隶属函数法对多个性状进行相对评价，并综合这些评价值从而得出各无性系的整体评价值[31]。指数选择法将各性状赋予权重，是评价各性状兼优的无性系的一种较为理想的方法，更加客观综合[32]。任建中等[32]在选择杨树优良无性系时，同时应用选择指数法和多性状综合评价法，选择出生长性状和木材性质均优良的无性系。陆钊华等[30]在进行尾叶桉优良无性系选择时认为选择指数法从理论上讲是更加科学的。本研究基于3种不同的选择方法，共同筛选出的优良无性系，更具有代表性，可以作为楸树遗传改良的首选材料。