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Volume 34 Issue 5
Sep.  2021
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Growth Difference and Early Evaluation and Selection of Young Picea abies Clones in Western Hubei

  • Objective To select and breed elite trees for local quality reforestation by evaluating the genetic architecture of growth and branch relevant traits from 378 9-year-old Picea abies clones. Method P. abies clones were established using a completely random block design. The genetic variation of height, diameter at breast height, crown width, stem increment of the current year, number of branch in the first round were analyzed to select elite clones using EXCEL and package lme4. Result The results showed that the clones and the interaction effects between clones and block significantly affected the height, diameter at breast height, crown width, stem increment, and branch of P. abies. The genetic and phenotypic variation coefficient were 10.02%~20.38% and 31.36% ~48.36%. The repeatablilty of height, diameter at breast height, crown width, stem increment, branch and volume were 0.59~0.71. The phenotypic correlation and genetic correlation coefficients of height, stem increment, diameter at breast height, and crown width were 0.72 to 0.95, which were all significantly correlated to each other. 30 elite clones were chosen by tree height genetic value with the selected ratio 7.94%. The genetic gain of the height were 26.38%. Conclusion The height, stem increment, diameter at breast height, branches, and crown width of 378 P. abies clones have significant variation among clones, and are affected by the interactive effect between clones and environment. The clones also have obvious interaction with site, indicating that the most suitable clones should be selected according to site when implementing clonal forestry. 30 elite clones with good growth performance are chosen by their genetic values of tree height which may be used in the promotion and application of P. abies asexual reproduction.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Growth Difference and Early Evaluation and Selection of Young Picea abies Clones in Western Hubei

    Corresponding author: OUYANG Fang-qun, fangqun163@163.com
    Corresponding author: WANG Jun-hui, wangjh@forestry.ac.cn
  • 1. Yichang Forest Research Institute, Yichang 443111, Hubei, China
  • 2. Beijing Botanical Garden, Beijing Floriculture Engineering Technology Research Centre, Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment, Beijing 100093, China
  • 3. Yiling Zhangcunping State-Owned Forestry Farm, Yichang 443145, Hubei, China
  • 4. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breedling, Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of National Forestry and Grassland Administration, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China

Abstract:  Objective To select and breed elite trees for local quality reforestation by evaluating the genetic architecture of growth and branch relevant traits from 378 9-year-old Picea abies clones. Method P. abies clones were established using a completely random block design. The genetic variation of height, diameter at breast height, crown width, stem increment of the current year, number of branch in the first round were analyzed to select elite clones using EXCEL and package lme4. Result The results showed that the clones and the interaction effects between clones and block significantly affected the height, diameter at breast height, crown width, stem increment, and branch of P. abies. The genetic and phenotypic variation coefficient were 10.02%~20.38% and 31.36% ~48.36%. The repeatablilty of height, diameter at breast height, crown width, stem increment, branch and volume were 0.59~0.71. The phenotypic correlation and genetic correlation coefficients of height, stem increment, diameter at breast height, and crown width were 0.72 to 0.95, which were all significantly correlated to each other. 30 elite clones were chosen by tree height genetic value with the selected ratio 7.94%. The genetic gain of the height were 26.38%. Conclusion The height, stem increment, diameter at breast height, branches, and crown width of 378 P. abies clones have significant variation among clones, and are affected by the interactive effect between clones and environment. The clones also have obvious interaction with site, indicating that the most suitable clones should be selected according to site when implementing clonal forestry. 30 elite clones with good growth performance are chosen by their genetic values of tree height which may be used in the promotion and application of P. abies asexual reproduction.

  • 自20世纪80年代开始,我国就已开展主要用材林及经济林树种无性系选育及改良工作,以开拓集约人工林发展无性系林业的道路。各树种如杨树(Populus L.)、杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.)、落叶松(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)、白榆(Ulmus pumila L.)、刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、油茶(Camellia oleifera Abel.)、板栗(Castanea mollissima Blume)和核桃(Juglans regia L.)等都已筛选出一批遗传增益达30%以上的无性系种质资源,成为这些树良种化的支柱品种[1]。欧洲云杉(Picea abies (L.)Karsten.)为松科(Pinaceae)云杉属(Picea),是我国北方成功引种的外来用材树种,它比各乡土云杉具有极高生产力,胸径可达150 cm[2-3]。中国林业科学研究院林业研究所云杉课题组自20世纪80年代开始从全世界欧洲云杉主要分布区的法国、德国、英国和捷克等地引进不同种源、家系等种质,在全国多地点开展引种对比试验,从繁殖育苗[4-6]、引种适应性[7-10]、遗传多样性[11-12]等方面逐步对引进的云杉进行了研究分析及优选,初步已确定其适应地区和增益优势。

    林木育种最终目的是选育优良种质资源。Kliz等研究指出,不同欧洲云杉种群在特定的环境中具有不同的适应能力[12]。最佳线性无偏预测(BLUP)利用混合模型对育种值等遗传参数进行无偏估计,其得出育种值与实际值相关系数大,且能够有效消除除遗传因素的其它影响得出育种值与实际值相关系数大,且能够有效消除其它除遗传因素的影响[13-14]。R语言中lme4、nme、MCMCglmm、ASReml等程序包都可进行混合线性模型的数据分析,其中,lme4包中的lmer函数是BLUP分析常用的方法之一。笔者以9年生378个欧洲云杉无性系试验林为试材,研究其表型性的遗传变异,探讨其进行材质改良的潜力,并通过树高基因型值/遗传值优选30个无性系,可为欧洲云杉无性繁殖推广应用提供优质种质材料。

1.   材料与方法
  • 试验点地处湖北省宜昌市夷陵区北部樟村坪林场(31°09′50″ N、110°03′43″ E),海拔1502 m,坡度22°,坡向东,坡位中上,年平均降水量1 100 mm以上,年平均气温7.4~17.6℃,湿度82%。

  • 参试的378个欧洲云杉捷克种源无性系来源于中国林业科学研究院林业研究所云杉遗传改良课题组与甘肃天水小陇山林业科学研究所协作苗圃开展生产性育苗。通过播种繁殖后,于2008年选超级苗扦插,单株无性系化并进行多次选择比较, 2011年3月,选择出378个欧洲云杉无性系苗(3年生)在宜昌市夷陵区樟村坪镇樟村坪林场三岔垭分场宰金坪造林,田间试验采用随机完全区组试验设计,5次重复,4株方块小区,株行距为2 m × 2 m,挖穴规格40 cm × 40 cm × 40 cm,不施基肥,营造无性系测试林3 hm2

  • (1)378个欧洲云杉无性系各性状遗传变异评价。2019年底至2020年初全面调查378个无性系树高、胸径、冠幅、新梢长及分枝数等指标(实测6 597株,缺963株)。

    (2)优良无性系选择。利用无性系试验林树高遗传值对试验林开展优良无性系选择。

  • (1) 2019年在欧洲云杉生长休眠期进行9年生长量指标调查,调查指标包括树高(H/ m)、胸径(D/cm)、新梢长(I/cm)、冠幅(C/cm)、分枝数(B/个)。

    (2)对欧洲云杉无性系间生长性状进行有关遗传参数估算,采用线性模型如下:

    式中:${X_{ijk}}$为单株观测值,$\mu $为试验均值,${C_j}$为无性系效应(随机),${B_i}$为区组处理(固定),$B{C_{ij}}$为区组与无性系互作效应 (随机),${e_{ijk}}$为剩余项。

    (3)无性系遗传变异系数(CVc)和表型变异系数(CVp):

    式中: $ \sigma _c^2 $为无性系方差分量, $\sigma _p^2 $为表型方差, $\bar X $表示性状总平均值。

    (4)无性系重复力()计算公式:

    式中:$\sigma _c^2$无性系方差分量,$\sigma _{bc}^2$区组与无性系交互作用下方差分量,$\sigma _e^2$误差方差分量,$k$为试验区组数,$n$为小区内个体数。

    (5)相关系数:

    表型相关系数:${r_{{P_{12}}}} = \dfrac{{Co{v_{{P_{12}}}}}}{{\sqrt {\sigma _{{P_1}}^2\sigma _{{P_2}}^2} }}$

    遗传相关系数:${r_{{c_{12}}}} = \dfrac{{Co{v_{{c_{12}}}}}}{{\sqrt {\sigma _{{c_1}}^2\sigma _{c2}^2} }}$

    式中: $ {Co{v_{{p_{12}}}}}$表示性状1和性状2的表型协方差, ${\sigma _{{p_1}}^2}$表示性状1表型方差, ${\sigma _{{p_2}}^2 }$表示性状2的表型方差;$ {Co{v_{{c_{12}}}}}$表示性状1和性状2的遗传型协方差,$\sigma _{{c_1}}^2 $性状1无性系方差分量,$\sigma _{{c_2}}^2 $表示性状2的无性系方差分量。

    (6)各性状遗传值估算采用混合线性模型如下:

    式中:y观察向量,β为固定效应向量,u为随机效应向量,e为误差向量;XZ分别为设计矩阵。

    假定$E(u) = 0$$E(e) = 0$${\rm{var}} \left( {{array}{*{20}{l}} u \\ e {array}} \right) = \left( {{array}{*{20}{l}} G&0 \\ 0&R {array}} \right)$$G$$R$均为已知的正定矩阵,通过混合模型方程组$\left[ {{array}{*{20}{c}} {{X^\prime }{R^{ - 1}}X}&{{X^\prime }{R^{ - 1}}Z} \\ {{Z^\prime }{R^{ - 1}}X}&{{Z^\prime }{R^{ - 1}}Z + {G^{ - 1}}} {array}} \right]\left[ {{array}{*{20}{c}} {\hat \beta } \\ {\hat u} {array}} \right] = \left[ {{array}{*{20}{c}} {{X^\prime }{R^{ - 1}}y} \\ {{Z^\prime }{R^{ - 1}}y} {array}} \right]$进一步求解得出$\left\{ {{array}{*{20}{l}} {\hat \beta = {{\left( {{X^\prime }{V^{ - 1}}X} \right)}^{ - 1}}{X^\prime }{V^{ - 1}}y} \\ {\hat u = G{Z^\prime }{V^{ - 1}}(y - X\hat \beta )} {array}} \right.$

    (7)遗传增益(G):

      式中:S 表示选择差;R表示无性系重复力。

  • 方差分析采用R软件GLM模块计算,遗传参数及遗传值采用R软件lme4程序包计算[15]。遗传相关系数采用软件HalfsibSS 1.0[16],表型相关系数采用软件SAS 9.1 CORR模块计算Pearson表型相关系数[17]

2.   结果与分析
  • 对378个9年生欧洲云杉无性系表型性状进行调查分析,欧洲云杉各无性系苗平均保存率达88.8%,最大值达100%,最小值为25%。由表1可知:378个9年生欧洲云杉无性系(不含苗期3年)树高均值为2.62 m,当年新梢长度均值为36.80 cm,胸径均值为2.80 cm。当年生长轮每轮平均4.47个分枝,冠幅大小均值为125.30 cm,各表型变异系数平均为31.38%~48.24%,说明无性系之间不同表型性状差异较大。

    性状 Trait性状均值 Mean标准差 Standard Deviation 最小值 Min最大值 Max变异系数 Coefficient of variation/%
    树高 Height/m 2.62 0.93 0.30 6.50 35.50
    新梢长 Stem increment/cm 36.80 17.75 1.00 110.00 48.24
    胸径 Diameter at breast height/cm 2.75 1.24 0.20 8.90 45.21
    分枝数 Branches/个 4.47 1.40 1.00 15.00 31.38
    冠幅 Crown width/cm 125.30 40.66 20.00 355.00 32.45

    Table 1.  Phenotype average values of Picea abies clones

    对欧洲云杉无性系各性状进行方差分析,由表2可知:性状无性系间均差异极显著,说明从无性系水平进行筛选及遗传改良的可行性极大,即同一种源内基因型间有极大生长和适应性差异;分枝数在区组间差异显著或极显著,其它性状在区组间差异表现为显著。各性状在无性系与区组间交互作用极显著,受遗传和环境交互影响较大。

    树高
    Height
    自由度
    Df
    平方和
    Sum Sq
    均方
    Mean Sq
    FP新梢长
    Stem increment
    自由度
    Df
    平方和
    Sum Sq
    均方
    Mean Sq
    FP
    区组 Block 4 181940 45485 3.20 *** 区组 Block 4 3852 963 1.80 **
    无性系 Clone 377 16809528 44588 3.14 *** 无性系 Clone 377 495089 1313.2 2.46 ***
    交互 Interaction 1489 21134457 14194 3.46 *** 交互 Interaction 1488 794949 534.2 3.26 ***
    误差 Error 4755 19492239 4099 误差 Error 4660 763218 163.8
    胸径 DBH Df Sum Sq Mean Sq F P 分枝数 Branches Df Sum Sq Mean Sq F P
    区组 Block 4 18 4.584 1.91 *** 区组 Block 4 1 0.261 0.12
    无性系 Clone 377 3089 8.194 3.42 *** 无性系 Clone 377 2135 5.663 2.63 ***
    交互 Interaction 1488 3565 2.396 3.20 *** 交互 Interaction 1478 3178 2.150 1.33 ***
    误差 Error 4727 3536 0.748 误差 Error 4626 7458 1.612
    冠幅 Crown width Df Sum Sq Mean Sq F P 材积 Volume Df Sum Sq Mean Sq F P
    区组 Block 4 29511 7378 2.98 *** 区组 Block 4 4.2e-05 1.05e-05 2.17 ***
    无性系 Clone 377 3141615 8333 3.36 *** 无性系 Clone 377 5.7e-03 1.51e-05 3.12 ***
    交互 Interaction 1486 3681233 2477 2.90 *** 交互 Interaction 1488 7.2e-03 4.84e-06 2.17 ***
    误差 Error 4718 4032309 855 误差 Error 4728 6.6e-03 2.23e-06

    Table 2.  Variation analysis of growth traits of Picea abies clones

    表3方差分量看:树高、新梢长、胸径、分枝数、冠幅、材积无性系效应的方差分量占比为10.2%~20.42%,无性系与区组效应的方差分量占比为7.75%~ 34.29%,误差方差分量占比为47.25%~82.05%,除分枝性状外,其它生长性状无性系与区组互作效应均大于无性系效应,说明欧洲云杉无性系生长受遗传和环境互作影响较大,误差方差分量占比相对较高,说明无性系区组间及小区内个体间受环境影响效应较大。

    生长性状
    Trait
    方差分量(占比) Variance component(Proportion)变异系数 Coefficient of Variation/%无性系重复力
    Repeatability
    无性系
    Clone
    无性系与区组
    Clone × Block
    误差
    Error
    遗传变异系数
    Genetic variation
    表型变异系数
    Phenotypic variation
    树高Height/m 1682.00(19.34%) 2905.00(33.41%) 4108.00(47.25%) 15.67 35.62 0.68
    新梢长 Stem increment/cm 43.49(13.74%) 108.57(34.29%) 164.56(51.97%) 17.92 48.36 0.59
    胸径 DBH/cm 0.31(20.42%) 0.48(30.87%) 0.75(48.71%) 20.38 45.10 0.71
    分枝数 Branches/个 0.20(10.20%) 0.15(7.75%) 1.61(82.05%) 10.02 31.36 0.62
    冠幅 Crown width/cm 324.20(19.67%) 467.50(28.36%) 856.50(51.97%) 14.37 32.40 0.70

    Table 3.  Variance component and gene parameters of Picea abies clones

    表3中无性系重复力来看:各性状受无性系遗传因素控制程度较强,进行改良潜力较大,其中,无性系胸径和冠幅性状重复力达到0.70以上。无性系各性状遗传变异系数均小于表型变异系数,遗传变异系数为10.02%~20.38%,表型变异系数为31.36 %~48.36%。

  • 对9年生378个欧洲云杉无性系的各生长性状树高、新梢长、胸径、冠幅、分枝数、材积进行相关分析,其中,分枝数数据进行对数化(以10为底)后分析,结果(表4)表明:无性系树高、新梢长、胸径、冠幅表型相关和遗传相关系数较高(0.72~0.95),且都极显著相关。无性系材积与树高、胸径、新梢长和冠幅间有显著或极显著表型相关和遗传相关。分枝数与其他各性状表型及遗传相关系数均较低,且不显著相关。可能的原因是无性系分枝数测量的是顶轮分枝数,并不是整株的分枝数。

    相关系数 correlation树高 Height新梢长 Stem increment胸径 DBH分枝数 Branches冠幅 Crown width材积 Volume
    树高 Height/m 0.84** 0.90** 0.08 0.83** 0.89**
    新梢长 Stem increment/cm 0.93* 0.79** 0.03 0.72** 0.76**
    胸径 DBH/cm 0.95** 0.91** 0.10 0.85** 0.97**
    分枝数 Branches/个 0.63 0.51 0.61 0.07 0.10
    冠幅 Crown width/cm 0.93** 0.86* 0.94** 0.62 0.83**
    材积 Volume/m3 0.93** 0.88* 0.98** 0.54 0.89*
      注:上三角为表型相关系数,下三角为遗传相关系数;“**”表示极显著相关(P<0.01),“*”表示显著相关(P<0.05)。
      Notes:The data in matrix above is phenotype correlation coefficient; below is genetic correlation coefficient. ** Indicates significant difference at 0.01,* Indicates significant difference at 0.05.

    Table 4.  Correlation coeffieient of growth traits in Picea abies clones

  • 运用BLUP方法得到378个欧洲云杉无性系树高遗传值范围为−81.16~108.59,大于0的无性系有167个。树高遗传值与树高实际值经检验,相关系数达0.997(图1),二者呈极显著正相关(p<2.2e−16)。

    Figure 1.  The pearson correlation between tree height of the clones and genetic value

    从中选择遗传值较高的30个无性系作为优良无性系,树高选择差为101.39 cm,入选无性系树高均值为363.18 cm,遗传增益为26.38%;入选无性系胸径、冠幅均值分别为4.06、162.37 cm。各无性系号及树高遗传增益见表5

    序号无性系树高均值/cm树高遗传值树高选择差/ cm树高遗传增益/%胸径均值/cm冠幅均值/cm
    1 pab08ts1476 420.25 108.59 158.46 41.22 4.90 170.80
    2 pab08ts1686 417.58 108.54 157.12 40.87 3.91 162.32
    3 pab08ts0774 417.11 103.25 156.52 40.72 3.79 141.28
    4 pab08ts1196 411.89 103.02 154.92 40.30 4.60 176.92
    5 pab08ts0681 406.65 99.32 152.91 39.78 4.28 177.38
    6 pab08ts0572 394.72 89.25 149.58 38.91 5.04 183.58
    7 pab08ts0339 385.74 85.05 145.92 37.96 4.84 181.95
    8 pab08ts0900 369.10 73.74 141.09 36.70 4.88 182.00
    9 pab08ts1599 368.90 73.60 137.31 35.72 3.41 149.78
    10 pab08ts1031 367.50 72.65 134.15 34.90 4.02 167.28
    11 pab08ts0716 365.47 67.99 131.38 34.18 3.65 156.63
    12 pab08ts1641 359.20 66.99 128.55 33.44 3.96 157.58
    13 pab08ts07054 355.78 65.85 125.89 32.75 4.13 168.30
    14 pab08ts0887 356.60 65.22 123.67 32.17 4.74 177.25
    15 pab08ts0556 352.22 63.14 121.46 31.59 4.39 179.28
    16 pab08ts0813 352.95 61.87 119.56 31.10 3.77 169.45
    17 pab08ts0729 350.30 60.93 117.74 30.63 4.20 164.23
    18 pab08ts0677 348.05 59.40 115.99 30.17 3.96 156.88
    19 pab08ts1492 345.95 59.16 114.31 29.74 4.16 163.08
    20 pab08ts0795 344.60 58.94 112.74 29.33 4.72 174.70
    21 pab08ts07037 339.47 57.19 111.07 28.89 3.23 137.76
    22 pab08ts0337 350.94 56.60 110.07 28.63 3.91 136.09
    23 pab08ts0902 342.15 55.38 108.78 28.30 3.65 153.78
    24 pab08ts1043 342.10 55.34 107.59 27.99 3.57 170.98
    25 pab08ts0900 339.85 53.81 106.41 27.68 4.02 166.75
    26 pab08ts1620 343.12 52.87 105.45 27.43 3.03 109.74
    27 pab08ts1574 338.15 52.65 104.37 27.15 3.82 138.88
    28 pab08ts0837 338.05 52.58 103.37 26.89 4.09 168.30
    29 pab08ts1291 337.95 52.51 102.43 26.64 3.52 150.58
    30 pab08ts0678 333.17 51.58 101.39 26.38 3.56 154.03
      注:以表中“pab08ts1476”为例, pab代表欧洲云杉;08代表2008年扦插;ts代表扦插地点甘肃天水小陇山;1467代表无性系扦插序号。
      Notes:Using the example of “pab08ts1467” in table 5. pab represens P. abies ;08 represens cuttage seedlings in 2008; ts represens Xiaolong mountain, tianshui city of Gansu province; 1467 represens cuttage serial number.

    Table 5.  Selected superior P. abies clones and genetic gain of tree height

3.   讨论
  • 无性系育种在林木遗传改良中具有很大的潜力和优势,繁殖的无性系不仅能够继承母株的加性效应,还继承了母株的显性和上位作用效应[18-19]。参试378个欧洲云杉无性系是苗期筛选出的优良单株扦插扩繁初步选出而来。通过无性系生长表型的测定可直接了解该无性系对区域的适应性及遗传变异情况。

    本研究通过对樟村坪林场378个欧洲云杉无性系树高、胸径、冠幅、分枝数、新梢长等表型性状的测定及变异分析发现,同一种源内欧洲云杉无性系间具有极显著差异,各性状无性系重复力较高,说明各性状在无性系间具有差异。各性状表型变异系数为31.36%~48.36%,遗传变异变异系数为10.02% ~ 20.38%。各性状的无性系、无性系与区组互作效应都显著,无性系与区组互作效应方差分量比无性系的方差分量大(分枝数除外),说明遗传因素及立地环境因素对欧洲云杉无性系的影响很大。在林木育种中,尤其具有重要商业价值的树种研究报告中,均显现出显著的遗传因素与环境因素的互作效应影响如火炬松(Pinus taeda L.)、落叶松、桉树(Eucalyptus robusta Smith.)、云杉等[20-22]

    欧洲云杉无性系各性状重复力范围为0.59~0.71,表明全部性状均中等程度以上的遗传调控,无性系间遗传效应与一般环境效应叠加所形成的表型性状具有较高的稳定性。在无性系性状遗传变异分析中,滇楸(Catalpa fargesii Bur.)[23]、香椿(Toona sinensis (A. Juss.) Roem.)[24]、桉树[25]等均表现出了大于0.50的重复力,并在无性系间进行了优选。欧洲云杉无性系生长性状重复力较高,在本地进行优良无性系的选择可以取得较好的改良效果。

    通过各性状遗传和环境相关性分析,胸径与树高遗传相关系数达到0.95,因此,利用树高遗传值大小进行优良无性系的选择具有一定的可行性。遗传值是林木选择育种中一项重要参数,代表遗传效应中的加性效应部分。BLUP法是Henderson针对不平衡资料提出的一种预测方法,能够应用线性方程进行固定效应和随机效应的估算。1988年White等[26]对BLUP方法的应用进行了详细的介绍,目前,BLUP方法已在泡桐(Paulownia fortunei (Seem.) Hemsl.)[27]、扭叶松(Pinus contorta ssp.latifolia[28]、火炬松[29]、青海云杉(Picea crassifolia Kom.)[14]育种中应用。孙晓梅等[30]也通过比较分析表示,通过BLUP方法估算在无性系选育中具有重要意义。

4.   结论
  • 目前,在鄂西地区湖北宜昌已建立云杉属种质基地110 hm2,包括欧洲云杉海拔区域对比试验林及推广示范林,通过本地区378个欧洲云杉优良无性系遗传变异分析,筛选出30个优良无性系,入选的无性系树高遗传增益达到26.38%,可扦插扩繁为本地提供优质种苗和优先推广利用,加速本地云杉人工林的发展。目前,已完成部分入选优良无性系再嫁接工作,嫁接成活率98%,以供建采穗圃和矮化处理做捷克种源育种群体亲本用。此外,通过仔细调查生长好的无性系和生长差的无性系有物候等生长和形质指标差别,以供选择参考。

Reference (30)

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