赤皮青岡不同家系苗期生長和葉片性狀遺傳變異*

周燕，黃盛怡，楊孟晴，王斌，王秀花，張東北，吳小林，周志春

(1.浙江省建德市林業總場，浙江 杭州 311400；2.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所， 浙江省林木育種技術研究重點實驗室，國家林業局馬尾松工程技術研究中心，浙江 杭州 311400；3.浙江省慶元縣實驗林場，浙江 慶元 323800)

林木遺傳變異是遺傳改良的基礎，多層次豐富的遺傳變異決定了遺傳改良的潛力[1-2]。林木性狀的遺傳變異大量存在于家系間及個體間，深入研究家系性狀的遺傳變異規律，有助于制定科學的育種策略[3-4]，為親本選擇、雜交組合配制以及遺傳改良提供有效的信息[5]。研究林木遺傳變異最簡單和直觀的方法是分析林木生長性狀的差異性，苗高和地徑是林木苗期最直觀的質量指標，通過苗木質量指標可在一定程度上預測其造林后的生長表現[6]；葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的主要器官，葉片的數量和大小與植株的生長有著直接的關系，常作為衡量植物生長發育的主要觀測指標[7]。鑒于苗高、地徑和葉片性狀對植株生長發育的重要意義，很多研究將其用于林木苗期遺傳變異分析與選擇[8-10]。

赤皮青岡〔Cyclobalanopsisgilva(Blume)Oerst〕為殼斗科(Fagaceae)青岡屬常綠闊葉大喬木，是我國亞熱帶地區重要的珍貴用材和生態修復樹種。不同學者對赤皮青岡的地理分布[11-12]、群落結構[13]和遺傳多樣性[12-13]進行研究，探討赤皮青岡容器苗培育[14]、組織培養相關技術[15]，揭示幼苗在光照、干旱和水淹脅迫條件下的生理特性[16-17]和葉片解剖結構[18]。然而關于赤皮青岡種質資源收集評價和良種選育的工作才剛剛起步，其生長和葉片性狀遺傳變異規律尚不清楚，這制約赤皮青岡遺傳改良研究深度。本研究以來自福建、湖南和江西等地的52個赤皮青岡優樹自由授粉家系1 a生容器苗為材料，研究不同種源和家系生長和葉片性狀的遺傳變異規律，估算各性狀遺傳參數和遺傳相關性。在此基礎上，對不同家系進行聚類分析并評價各類群特點，以期為赤皮青岡優良家系的選擇提供參考，為其遺傳改良的推進提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和設計

試驗在浙江省慶元縣實驗林場(119°01′25″E，27°38′48″N)上坑良種基地苗圃地鋼構大棚內進行，該地海拔510 m，屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，四季分明，年平均氣溫17.6 ℃，年降水量1 721.3 mm，無霜期245 d。

試驗材料為1 a生赤皮青岡優樹自由授粉家系容器苗。2018年在福建建甌(FJJO)，湖南城步(HNCB)、會同(HNHT)、永順(HNYS)和江西婺源(JXWY)等地的赤皮青岡優良天然林中，選擇樹干通直圓滿，無病蟲害，高徑生長明顯大于周圍3～5株對比木的優樹，采集其成熟種子。不同種源家系數量分別為：FJJO 32個、HNCB 8個、HNHT 6個、HNYS 3個、JXWY 3個，共52個家系。2019年3月在慶元縣實驗林場采用隨機完全區組設計進行育苗，每個家系每小區育苗20株，3次重復。育苗容器規格4.5 cm×10 cm，基質為泥炭+谷殼+珍珠巖(體積比為5︰3︰2)，苗木培育按一般生產性常規水肥管理進行。

1.2 試驗方法

2019年11月對所有赤皮青岡家系容器苗生長和葉片性狀進行測定，生長性狀包括苗高(H)和地徑(D)，葉片性狀包括葉片數(N)、最大葉片長(L)和最大葉片寬(W)。苗高為從苗干基部的土印處到主干頂芽基部的長度，采用卷尺測量；地徑采用十字交叉法，用游標卡尺測量土印處的直徑作為地徑；葉片數為全株葉片數量；最大葉片長和最大葉片寬分別為全株最大葉片的長度和寬度，采用鋼尺測量。

1.3 數據分析

性狀分析使用混合線性模型，其表達式如下。

Yijk=μ+Bi+Fj+BFij+Eijk

式中：Yijk為第i區組第j家系第k單株的觀測值；μ為群體平均值；Bi為第i區組效應；Fj為第j家系的效應；BFij為第i家系和第j區組的互作效應；Eijk為機誤。此外，μ和Bi為固定效應，其余為隨機效應。采用SAS 8.0軟件的MEANS過程進行描述性統計，GLM過程進行性狀方差分析，CORR過程計算表型相關，PROC VARCOMP過程中的TYPE1方法計算各方差分量，進而估算赤皮青岡不同家系各性狀遺傳參數[6]。聚類分析通過R 3.6 軟件完成。

2 結果與分析

2.1 赤皮青岡優樹家系生長和葉片性狀的總體變異

赤皮青岡優樹家系1 a生苗高和地徑分別為33.67 cm和0.48 cm，葉片數、最大葉片長和最大葉片寬分別38.34片、7.53 cm和2.38 cm(表1)，不同家系間差異極顯著(P<0.01)，表明家系間存在著豐富的遺傳變異，這為優良家系的選擇提供足夠的空間。苗高、地徑、葉片數、最大葉片長和最大葉片寬最大的家系分別高出最小家系83.15%、55.56%、120.90%、29.14%和50.78%，葉片數的變幅最大，苗高次之，最大葉片長變幅最小，即葉片數和苗高變異空間相對較大。赤皮青岡優樹家系各性狀表型變異系數均大于遺傳變異系數，苗高和葉片數分別在生長和葉片性狀中變異最大，這為確定其優良家系發掘利用提供了依據。

赤皮青岡優樹生長和葉片性狀的家系和單株遺傳力均較高，除最大葉片長和最大葉片寬的單株遺傳力相對較低(0.22和0.38)，受中等遺傳控制外，其它性狀家系和單株遺傳力均高于0.4，受較強遺傳控制，意味著苗期生長和葉片性狀的潛在改良效果較好。比較發現，各性狀家系遺傳力和單株遺傳力均為葉片數>苗高>地徑>最大葉片寬>最大葉片長，且各性狀的家系遺傳力均大于單株遺傳力，說明苗期的赤皮青岡以家系選擇更有效。

2.2 赤皮青岡優樹的苗期生長和葉片性狀的種源差異

不同種源赤皮青岡1 a生容器苗生長和葉片性狀差異顯著(P<0.01或P<0.05)，見表2。

表1 赤皮青岡苗期生長和葉片性狀變異分析Tab.1 Variation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

表2 不同種源赤皮青岡苗期生長和葉片性狀差異Tab.2 Difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

從生長性狀來看，苗高和地徑最大的種源分別高出最小種源54.86%和30.00%，苗高的種源變異大于地徑。5個種源中HNCB的苗高最高(36.30 cm)，與HNHT和FJJO無顯著差異，但顯著高于HNYS和JXWY；HNYS的地徑最大(0.52 cm)，與HNCB和FJJO無顯著差異，但顯著高于HNHT和JXWY；JXWY的苗高(23.44 cm)和地徑(0.40 cm)均最低，顯著低于其他4個種源。從葉片性狀來看，葉片數、最大葉片長和最大葉片寬最大的種源分別高出最小種源74.08%、12.70%和17.29%，葉片數的種源變異較大。FJJO的葉片數最多(42.44片)，顯著高于其它4個種源；HNHT的最大葉片長(7.90 cm)和HNCB的最大葉片寬(2.51 cm)相對較高；JXWY的3個葉片性狀為5個種源中最低。

不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的表型變異系數總體差異不大，僅HNYS葉片數的表型變異系數(63.82%)明顯高于其他種源(圖1)。不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的遺傳變異系數差異均較大，以HNCB的苗高(10.98%)、葉片數(14.99%)和最大葉片長(7.86%)，JXWY的地徑(11.74%)和HNHT的最大葉片寬(15.09%)遺傳變異系數最大，是相應最小值的2～7倍，可見種源間存在著豐富的遺傳變異。

不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的家系遺傳力，除JXWY的苗高(0.13)和葉片數(0.26)、FJJO和HNYS的最大葉片長(分別為0.24和0.13)相對較低外，其余不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀的家系遺傳力均在0.4以上，受較強遺傳控制(圖1)。單株遺傳力的種源差異較家系遺傳力明顯，HNCB的苗高(0.72)、葉片數(0.52)和最大葉片長(0.64)，JXWY的地徑(0.75)和HNHT的最大葉片寬(0.98)單株遺傳力相對較高，遺傳改良潛力較大；JXWY的苗高(0.01)和葉片數(0.02)，FJJO、HNYS和HNHT的最大葉片長(分別為0.03、0.02和0.06)單株遺傳力較低，遺傳改良潛力相對較小。

圖1 不同種源赤皮青岡的苗期生長和葉片性狀遺傳差異Fig.1 Genetic difference of growth and leaf traits of C.gilva from different provenances at seeding stage

2.3 赤皮青岡優樹家系的苗期生長與葉片性狀間的相關性

赤皮青岡優樹家系的苗高與地徑之間呈極顯著的表型和遺傳正相關(P<0.01)(表3)，其表型和遺傳的相關系數分別為0.283和0.604。除地徑與最大葉片長遺傳相關不顯著外，苗高和地徑與葉片性狀之間均呈顯著或極顯著的表型與遺傳正相關(P<0.01或P<0.05)。葉片數與最大葉片長和最大葉片寬的表型和遺傳相關性均不顯著，最大葉片長與最大葉片寬的表型和遺傳相關性均呈極顯著正相關(P<0.01)，表明最大葉片長和最大葉片寬與葉片數量關系不大，但葉片的長和寬存在著緊密聯系，葉片越長相應地也越寬?？偟膩砜?，赤皮青岡的苗期生長性狀與葉片性狀關系密切，生長快的家系葉片數量多、葉片長和寬較大。

表3 赤皮青岡苗期生長和葉片性狀間的表型與遺傳相關Tab.3 Phenotypic and genetic correlation analysis of growth and leaf traits of C.gilva at seeding stage

2.4 赤皮青岡家系的苗期聚類分析

對52個赤皮青岡家系的苗期生長和葉片性狀進行聚類分析，在歐式距離為15處，可將其歸為3大類(圖2)。第Ⅰ類為來自HNCB(HNCB-5、HNCB-6、HNCB-7)、HNHT(HNHT-5)和FJJO(FJJO-5、FJJO-9、FJJO-18、FJJO-19)3個產地的8個家系，占比15.38%，其苗高、地徑、葉片數、最大葉片長和最大葉片寬分別高出整體均值的15.21%、10.43%、17.71%、2.96%和2.88%，為苗期速生性較強家系；第Ⅱ類為來自FJJO、HNCB、HNHT和HNYS等4個產地的41個家系，占比78.58%，苗高、地徑、葉片數和最大葉片長分別低于整體均值的0.74%、0.87%、0.79%和0.07%，僅最大葉片寬高出整體均值的0.16%，為苗期速生性較中等家系；第Ⅲ類僅有JXWY產地的3個家系，占比5.77%，其苗高、地徑、葉片數、最大葉片長和最大葉片寬分別低于整體均值的30.37%、15.86%、36.42%、6.86%和9.90%，為苗期生長較慢家系。對苗期進行優良家系選擇時，第Ⅰ類群中的8個家系均可選為苗木速生優良家系，第Ⅱ類群中部分表現突出的家系也可以入選。

圖2 赤皮青岡優樹家系的苗期聚類Fig.2 Cluster analysis of C.gilva families

3 討論與結論

林木遺傳變異是選擇育種的前提，因生長環境不同，長期的自然選擇會形成不同的變異，同一樹種在種源間、林分間、個體間及個體內均存在遺傳變異[19]。本研究赤皮青岡優樹的苗期生長和葉片性狀表型變異系數為17.68%～42.14%，遺傳變異系數為4.17%～18.13%，各性狀家系間差異均達極顯著水平，顯示種源/家系間存在廣泛的變異，遺傳改良選擇空間較大。研究表明，麻櫟(Quercusacutissima)不同種源苗高和地徑的變異系數(標準差/均值)分別為8.28%～17.75%和11.53%～34.27%，栓皮櫟(Q.variabilis)不同種源苗高和地徑的變異系數分別為9.36%～26.67%和12.43%～32.47%[20]。本研究赤皮青岡不同種源/家系苗高和地徑變異系數(標準差/均值)為11.22%和8.63%，與麻櫟和栓皮櫟相比，苗高的變異接近，地徑的變異要小。

遺傳力大小反映林木性狀變異受遺傳制約的程度，遺傳力的估算對于育種策略的制定具有重要的指導意義[21]。本研究赤皮青岡優樹的苗期生長和葉片性狀家系遺傳力在0.71～0.90之間，受較強遺傳控制，說明其苗高、地徑、葉片數、最大葉片長和最大葉片寬等性狀主要受自身遺傳條件制約，受培育條件和環境效應影響較小。長期的地理隔離，使赤皮青岡不同種源的遺傳結構及適應性發生了改變，從而具有較強的種源選擇能力[9]，這一結果與不同學者對刨花潤楠(Machiluspauhoi)[9]、火力楠(M.macclurei)[22]、杉木(Cunninghamialanceolata)[23]及落葉松(Larixgmelinii)[24]等樹種的研究結論一致。

以苗高和葉片數對赤皮青岡52個家系進行聚類，可將其分為苗期速生性較強家系、苗期速生性中等家系和苗期生長較慢家系3類，這為赤皮青岡苗期選擇提供了一定參考?？紤]到本研究采用的是1 a生容器苗，聚類結果有待同批次子代測定林試驗加以驗證。因此，后續需對赤皮青岡優樹家系進行多點多年跟蹤觀測，通過子代測定分析各生長性狀在苗期和幼成林間的早晚相關性和穩定性，以進一步分析赤皮青岡苗期選擇的實用性和可靠性。林木育種的長期目標是獲得可持續的遺傳增益，本研究僅僅是針對苗期生長和葉片性狀進行分析，后期可通過擴大種源及家系來源，結合區域化造林試驗和子代測定，為赤皮青岡造林選育出高產、優質、穩定和適宜的優良家系。此外，還應對赤皮青岡的其它性狀進行研究，掌握不同性狀的遺傳變異規律，為赤皮青岡的遺傳改良提供全面的理論依據。