利用混合线性模型对青海云杉无性系生长性状进行早期评价1)

许娜 王军辉 安三平 王丽芳

(甘肃省次生林培育重点实验室(甘肃省小陇山林业科学研究所),天水,741022) (国家林业局林木培育重点实验室(中国林业科学研究院林业研究所))(甘肃省次生林培育重点实验室(甘肃省小陇山林业科学研究所))

青海云杉(Piceacrassifolia)为松科云杉属植物,是我国西北特有树种,也是我国西北地区造林和绿化的主要树种,主要分布在我国青海、甘肃、宁夏、内蒙古等地,对黄河流域水土保持及生态平衡具有不可替代的作用[1-2]。青海云杉是祁连山区水源涵养林的主要组成群系,具有较强的抗旱、抗寒、抗病虫害、耐贫瘠土壤等特性,主要生长在1 600～3 800 m的海拔地带[3-4]。20世纪70年代,我国学者已开始对青海云杉进行研究,主要为树种立木资源调查、林分类型划分,间伐等宏观方面,对青海云杉家系优良性状遗传改良选择的研究较多,对单独以亲本无性系为材料进行遗传改良的研究较少[5]。目前,优良性状遗传改良已远远不能满足当前生态环境、无性繁殖材料、种子园营建等对青海云杉良种升级换代的迫切需求[6-7]。育种者在很早就意识到无性系林业可以在短时间获得较大效益,同时,其具有集约经营、目的性强、生产周期短等技术上的特点。因此,对各树种无性系的选育试验较多。针叶树种中无性系发展最快的是杉木树种,大批优良杉木无性系人工林已成为南方主要用材林基地[8-9]。

选育获得较高经济性状的优质新品种是林木育种的最终目的[10]。有研究表明,不同欧洲云杉种群能够适应特定的生长环境[11]。具有不同生长性状是林木生长优良评判中最直观的表现,而生长性状主要受遗传因素与环境因素共同影响[12]。育种值是性状表型值中遗传效应的加性效应,反映遗传效应的大小,其剔除了环境的影响[13]。目前,最佳线性无偏预测(BLUP)法被广泛运用,其采用混合模型对遗传参数进行无偏估计育种值,该方法得出的育种值与实际值的相关系数大且能够有效消除非遗传因素的影响[14-15]。最佳线性无偏预测法能够对林业上待测群体数量规模大且因测定林建立时间不同、亲本数量不统一、试验林保存数量不同而导致观测数据结构复杂的不平衡数据进行统计分析,可以有效消除遗传因素的误差,提高遗传评价和选择的准确性[16]。

本研究以青海云杉无性系7、9、13、14 a时期的树高进行育种值选择,以期筛选出适合甘肃周边地区速生优质且具有稳定遗传的无性系,为建立青海云杉优良种子园及多时代轮回选择提供优良繁殖材料。

1 研究区概况

试验林位于甘肃省小陇山林业科学研究所沙坝国家云杉种质资源库。地理中心坐标为105°54′E、34°34′N,海拔1560 m,年平均降水量800 mm,年平均气温7.2 ℃,极端最高温32 ℃,极端最低温-27 ℃,年积温2 480 ℃,无霜期154 d。土壤为山地棕壤。自然植被类型为针阔混交林及落叶阔叶林,现存植被以天然次生林和人工林为主,森林覆盖率98%。

2 材料与方法

参试的100个青海云杉无性系来源于小陇山林业科学研究所沙坝种子园。2007年从青海大通东峡林场种子园采集接穗,2008年在沙坝试验基地嫁接,2011年营建无性系试验林。田间试验采用完全随机区组试验设计,2株小区,5次重复,株行距2.0 m×2.0 m,面积0.413 hm2。

2.1 测定指标及方法

100个青海云杉无性系各性状遗传变异评价：2015年测定无性系的树高及新梢生长量。2017年、2021年、2022年分别测定青海云杉100个无性系树高、胸径、冠幅、新梢等指标(实测963株,缺47株)。

优良无性系选择：采用青海云杉试验林树高育种值开展优良无性系选择。

2.2 数据处理

采用SPSS20.0软件的GLM模块进行方差分析和Pearson相关分析。采用R语言ASReml-R程序估算青海云杉无性系树高遗传值。

使用混合线性模型对试验林的树高方差分析、无性系重复力、亲本无性系进行育种值估算。以单株调查值为单位,对无性系树高进行双因素方差分析。混合线性模型为：

Xijk=μ+Bi+Fj+BFij+eijk。

式中：X为第i区组第j个无形系第k棵树单株观测值;μ为试验均值;Bi为第i区组处理(固定);Fj为第j个无形系效应(随机);BFij为第i区组×第j个无性系的互作效应(随机);eijk为第i区组第j个无形系第k棵树的残差项。

试验林的树高育种值估算采用模型为：

y=Xβ+Zu+e。

式中：y为一个维的观察向量;β为固定效应向量(区组);u为随机效应向量(家系内单株);e为随机误差向量;X和Z分别为固定效应和随机效应的设计矩阵。将随机效应预测简称为最佳线性无偏预测估计[17]。

无性系树高重复力计算公式如下：

R=1-1/F。

式中：R为无性系重复力;F为方差分析中F值。

遗传增益计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 青海云杉无性系方差分析

对100个青海云杉无性系不同树龄(7、9、13、14 a)时期生长性状进行分析,可以看出,青海云杉无性系平均保存率为95%。由表1可知,7、9、13、14年生无性系树高、新梢、胸径、冠幅间均呈极显著差异(P<0.01),说明无性系间各性状存在丰富的遗传变异。新梢在不同树龄各区组间均呈显著或无显著差异。各性状在不同树龄各区组×无性系间呈显著或极显著差异,这表明各性状受到遗传和环境的共同影响较大。

表1 青海云杉无性系不同树龄性状方差分析结果

综合不同树龄无性系树高的方差分析可以看出,树龄、区组、无性系、树龄×无性系互作效应、区组×无性系互作效应间差异显著。由表2可知,树高主要受树龄效应的影响,树龄效应方差分量占比为77.5%;其次为无性系、无性系×树龄×区组互作效应、无性系×区组互作效应;树龄×区组互作效应的影响最小,方差分量占比仅为0.05%。

表2 青海云杉无性系连年树高方差结果

3.2 青海云杉不同树龄各性状遗传参数估计

对青海云杉连续几年的生长性状方差分量分析见表3。可以看出,7年生无性系树高、新梢间方差分量占比均小于无性系×区组、误差,表明7年生无性系树高及新梢受环境影响较大。9年生无性系树高、新梢、胸径方差分量占比均小于无性系×区组,说明树高、新梢、胸径受遗传基因和环境共同影响较大。无性系冠幅方差分量占比大于无性系×区组,表明冠幅受无性系遗传基因影响较大。13年生无性系树高、胸径、冠幅方差分量占比均大于无性系×区组,表明树高、胸径、冠幅受无性系遗传基因与环境共同影响较大。14年生无性系树高、新梢、胸径、冠幅方差分量占比均大于无性系×区组,表明各性状均受无性系遗传基因的较大影响。青海云杉无性系不同树龄时各性状方差分量占比误差最大,表明不同树龄时各性状生长受环境影响最大。不同树龄时各性状表型变异系数为22.07%～60.37%,遗传变异系数为7.55%～29.78%,树高、新梢、胸径、冠幅表型变异系数均大于遗传变异系数。无性系各性状重复力为0.36～0.86,试验各树龄的树高重复力较其他性状均较大,说明树高具有较大及较稳定的选择潜力,也表明各性状受无性系遗传基因影响较强,遗传基因稳定性较高,进行遗传筛选改良的潜力较大。

表3 青海云杉无性系各性状方差分量和遗传参数

3.3 14年生无性系育种值初步选择

利用最佳线性无偏估计法预测混合线性模型,获得100个14年生青海云杉无性系的育种值,按照育种值大小排序,选择排序前30名的优良无性系(表4)。14年生无性系入选率为30%,树高遗传增益6.25%～22.26%。入选无性系实际平均树高为406.5～478.0 cm、选择差为27.9～99.4 cm、新梢为19.25～62.00 cm、胸径为6.54～8.09 cm、冠幅为187.2～268.5 cm。

表4 入选优良无性系及树高遗传增益

3.4 无性系遗传值估算及优良无性系选择

使用最佳线性无偏估计法估算出100个无性系14 a树高遗传值在-125.04～82.97,其中,遗传值大于0的无性系有51个。树高遗传值与树高实际值之间呈线性关系,相关系数为0.984,为极显著正相关关系(图1,P<0.01)。

图1 无性系树高遗传值与树高实际值间的相关性回归结果

3.5 入选无性系各树龄树高育种值排序

采用最佳线性无偏估计法分别估算7、9、13、14年生无性系树高育种值,按育种值由大到小选择排序前30名的无性系。从表5可以看出,不同树龄无性系排名不同,但包含的无性系相同,这说明无性系间的育种值排名相似。当树龄为9 a时,共包含7年生无性系11个;树龄为13 a时,共包含7年生无性系19个;树龄为14 a时,共包含7年生无性系21个。不同树龄时无性系排名变化较大,原因是受当年环境气候的影响。在树龄为14 a时,排名前5名的无性系与树龄为7 a时一致。随着树龄增大,优良无性系的性状受遗传因素控制较多,在后期的生长中受立地环境的影响较少,这说明无性系受本身遗传基因影响较大。按照遗传增益不小于10%的原则,选择无性系08青大039、08青大035、08青大012、08青大018、08青大007为优良无性系进行改良扩繁。以上无性系优良性状保持较稳定,很大程度受遗传控制,后期选择有一定的可行性[3]。

表5 青海云杉各树龄无性系育种值排名

4 结论与讨论

林木在长期的生长演化过程中,为适应环境的变化逐渐产生遗传变异[18-20]。遗传变异是选择的基础,只有充分了解林木的遗传变异规律才能提高林木改良的准确性。通过无性系遗传测定选择优良无性系是加快林木遗传改良进程的重要途径[21-23]。遗传改良最基础的衡量指标是生长性状的变异,这也是无性系选择的前提条件[24-25]。本研究中,不同树龄的青海云杉无性系各生长性状差异均达到显著水平,无性系各性状的重复力普遍较高,均值达0.59,受中等遗传控制。随着树龄的增加,重复力逐年递增。7年生树高重复力为0.39,14年生树高重复力为0.85,受高等遗传调控。高本旺等[26]在欧洲云杉幼龄无性系生长差异研究中估算出欧洲云杉各性状重复力为0.59～0.71,全部受中等遗传调控。因此,进行优良无性系选择对生长性状的改良有较好效果。综合比较,从方差分量占比可以看出,树龄为7、9 a时,无性系×区组互作效应的树高、新梢、胸径方差分量占比大于无性系单一效应。树龄为13、14 a时,无性系×区组互作效应的树高、新梢、胸径、冠幅方差分量占比均小于无性系单一效应(13年生无性系新梢除外)。各树龄时,误差方差分量占比一直大于无性系单一效应及无性系×区组互作效应。该现象表明,遗传因素和立地环境对青海云杉无性系生长影响较大,且随着树龄增大,遗传因素影响逐渐占主要作用。因此,以树高作为目标性状进行无性系选择较为有利。不同树龄无性系各性状表型变异系数为22.07%～60.37%,遗传变异系数为7.55%～29.78%。青海云杉无性系树高受到树龄效应、区组效应、无性系效应、树龄×区组互作效应、树龄×无性系互作效应、区组×无性系互作效应、树龄×区组×无性系互作效应的显著影响(P<0.05),其中,受树龄效应的影响最大,方差分量占比为77.5%。遗传因素与环境因素的互作效应对青海云杉无性系的影响较显著。

以最佳线性无偏预测方法估算14年生无性系树高育种值,选择21个无性系,入选率为21%,树高遗传增益为15.65%。为保证基因型多样性,降低对未来未知生物威胁的风险,轮回期较长的林木选择应控制基因型在安全范围(5～30个)[27-28]。以无性系树高育种值为选择指标时,应依据无性系测定林可能获得的期望遗传增益的高低同时保证总遗传增益不低10%的原则进行。根据育种值对青海云杉7、9、13、14年生无性系进行排序,选出各树龄中排名前30的优良无性系,研究表明,该排名变化较大。在树龄为9 a时,排序在前30名的无性系有11个与树龄为7a时相同;树龄为13 a时,有19个无性系与树龄为7 a时相同;树龄为14 a时,有21个无性系与树龄为7 a时一致,且排名前5的无性系(08青大039、08青大035、08青大012、08青大018、08青大007)与树龄为7 a时的排名一致,遗传增益为18.13%。该现象说明,青海云杉无性系树龄越大,生长性状遗传因素相对较稳定,选择以上5个无性系可以作为优良无性繁殖材料并优先推广利用。