Genetic Variation and Early Selection Analysis of Open-pollinated Families of Pinus kesiya var. langbianensis

思茅松自由授粉子代测试林位于云南省西南部的资源昆虫研究所景东试验站内，地处无量山和哀牢山两山之间，坡度18°，坡向西偏北。地处24°26′8.82″ N，100°50′22.73″ E，海拔1 300 m，属亚热带季风气候，干湿季分明，年平均气温18.3℃，极端最高气温37℃，极端最低气温-12℃，年平均降水量1 087 mm，降水多集中于7—8月^[15]。试验林周边森林主要为思茅松天然林。

思茅松自由授粉子代测试林于2012年9月营造林，共计4 hm²，林龄为4 a。造林地的坡向、坡度和土层基本一致，种子来源于思茅松天然分布区域经过优树选择的个体植株，其中，包括普洱、澜沧、景谷、镇沅、景东、景洪、勐海、耿马、云县、昌宁和梁河等11个县市，包括了云南省思茅松天然林分布的大部分区域，然后按不同群体分不同家系进行制种、育苗与造林。每个家系试验采用完全随机区组设计，3次重复，10株单列小区，株行距2 m×2 m，带状整地，穴规40 cm×40 cm×30 cm。试验林土壤pH值为5.18，有机质为26.16 g·kg^-1，全氮含量为1.35 g·kg^-1，全磷含量为0. 26 g·kg^-1，全钾含量为20.1 g·kg^-1，水解性氮含量为79.1 mg·kg^-1，有效磷含量为6.5 mg·kg^-1，有效钾含量为52 mg·kg^-1。

试验林于2016年10月进行调查，选择与生长性状有关的指标进行测定，去除存活率较低的家系，选择单列小区株数存活在3株以上的家系进行调查，共计思茅松214个家系4 796株，胸径、地径、树高、活枝下高和轮盘数采用常规方法进行调查，通直度根据树干最弯处的切线与水平线的偏离程度进行评价，按优、良、中、差分1~4级，1级最好，4级最差，通直度用log(x+1)对数据进行转化^[2]；树干圆满度采用胸径与地径的比值；树冠圆满度采用冠幅与树冠长度的比值，冠幅一般分东西冠幅和南北冠幅^[20]，由于思茅松树形呈近圆形，因此，统计冠幅则用东西冠幅与南北冠幅的均值，树冠长度为树冠顶部到树冠底部的垂直长度，本研究中树冠长度为树高与活枝下高之间的长度。思茅松木材生长轮为1年1轮，但其树干枝条1年生长2轮^[14]，通过计数思茅松主干上的枝条轮数确定轮盘数，体现其较高的生产力。根据测定的树高和胸径估算单株材积(V)：V=0.000 064 053D^{1.957 161 83}H^{0.871 635 66}(相关系数R=0.991 6，剩余方差和Q=0.322 79，剩余标准差S=0.023 6)^[21]；此外，在试验林中采伐不同径级的思茅松个体120株建立地上生物量模型，利用地径和树高拟合地上生物量的异速生长方程(W)：

W=0.029(D²H)^0.96(校正决定系数R²=0.906，剩余标准差S=0.269 2，P＜0.001)。

本研究的性状方差分析采用混合线性模型，公式为：

式中: Y_ijk为第i重复第j家系第k单株的观测值; u为总体平均值; B_i为第i重复的固定效应; F_i为第j家系的随机效应; F_bij为第i重复第j家系的互作效应; E_ijk为小区内的随机误差。

性状的家系遗传力(h_f²)采用以下公式计算：

式中：δ_f²、δ_fb²、δ_e²分别为家系、区组×家系和环境的方差分量；b和n分别表示重复数和小区调查株数。

遗传变异系数和表型变异系数采用下列公式计算：

式中: δ_f²表示家系方差；δ_p²表示表型方差；X表示性状总平均值。

家系选择遗传增益(ΔG)计算公式：

式中：x为入选家系性状平均值；X表示性状总平均值；h²为性状遗传力^{[4, 10, 22-23]}。

由于各家系均有不同程度的缺株，方差分析使用R语言HalfsibMS软件包^{[8, 23]}。

本研究利用家系/家系内选择对子代测定林进行优良家系选择，目的是获得入选群体具有最大的遗传值^[22]。分别把材积和地上生物量作为选择优树的培育目标，依据相应的性状值做为育种值和简单t检验在子代测试林中进行评价，选出性状值得分显著(t值大于P＜0.05的临界值)高于对照(所有家系的性状平均值)的家系，并从入选家系中选择最优的3个单株作为优良单株，同时采用Pearson相关性分析对各测定参数进行相关性及显著性分析。

思茅松自由授粉子代测定林地径、胸径、树高、枝下高、冠幅、轮盘数、通直度、树干圆满度、树冠圆满度、材积及地上生物量等11个生长与形质性状的方差分析结果(表 1)表明：11个生长与形质性状在家系间均存在极显著差异，说明各性状在家系间存在丰富的变异，其中，材积、枝下高和地上生物量的遗传变异系数是所有形质性状中最大的，分别为53.61%、40.66%和38.74%；表型变异系数最大的是树冠圆满度(78.86%)，其次是地上生物量(63.04%)。除树冠圆满度外，各性状的家系遗传力都较高，均高于0.5，地径的家系遗传力最大，胸径、树高、材积和地上生物量的家系遗传力分别是0.925、0.949、0.925和0.916。

根据前述遗传变异分析可以看出，思茅松试验林生长性状在家系间的差异极显著，性状的家系遗传力也普遍较高，因此，进行优良家系选择对于生长性状的改良可以取得较理想的效果。本研究选择树高、胸径以及材积和地上生物量育种值为选择指标，以试验林可能获得的期望遗传增益的高低且总的遗传增益的10%、20%和30%设定为不同入选率进行家系选择，结果见表 2。本研究以全部家系的平均值为选择基准计算遗传增益，材积和地上生物量在20%和30%的入选率时，预期遗传增益最大，与此对应的是，家系间的性状遗传变异幅度也较大，反映其家系选择的效果最好。

在进行优良家系选择时，综合优良单株表现及其所在家系同胞的遗传表现，为获得较高的遗传增益，根据材积计算结果，共有60个不同家系入选，家系入选率为28.04%，入选单株为180株，入选率为3.75%；根据地上生物量的计算结果，共有66个不同家系入选，家系入选率为30.84%，入选单株为198株，入选率为4.13%。以材积为选择目标的胸径、树高的遗传增益高于以地上生物量为选择目标的遗传增益，且材积的遗传增益比地上生物量的高。以材积以及地上生物量选择为依据，种源的家系优良单株入选率最高的都为景谷，其种子来源采集于威远江省级自然保护区，平均胸径达7.36 cm，平均树高达4.63 m，平均单株材积为0.013 m³，表现良好的家系还有景洪、勐海等地。单株表现最优的前3个全部来自景谷，单株最大材积和地上生物量分别为0.016 m³和11.05 kg。

生长量和形质等作为林木常规育种的重要性状指标，研究其相互间的相关性，可以间接为林木常规育种提供一定的依据^[2]。从表 4可以看出: 4年生思茅松自由授粉家系植株的树高、枝下高、地径、胸径、轮盘数、东西冠幅、南北冠幅、通直度、树干圆满度与材积及地上生物量间极显著相关，树冠圆满度与材积和地上生物量间极显著相关，但与地径、胸径和轮盘数相关不显著，材积与地上生物量极显著正相关(r=0.936)。材积和地上生物量作为本文中优良单株选择的主要目标，其它形质性状均与其有显著或极显著的正相关或负相关，其中，胸径与材积的相关系数最大(r=0.94)，其次是树高(r=0.836)；地径与生物量的相关系数最大(r=0.923)，其次是胸径(r=0.889)和树高(r=0.824)，而轮盘数及通直度与材积和地上生物量的相关关系小于其它形质性状。

本文通过对云南省思茅松自由授粉子代测定林11个生长与形质性状的遗传参数估计、优良家系及单株的选择及各性状之间的相互关系，结果表明，4年生的思茅松自由授粉子代测定林中各性状均表现出丰富的遗传和表型变异，并具有较高的家系和单株遗传力，可以在早期选择中为思茅松无性系的发展提供优良家系和单株。由于以大径级木材为培育目标的思茅松的主伐林龄大概为30 a，人工林培育周期较长，思茅松自由授粉优良家系的早期选择时期对经营者显得十分重要，如5年生马尾松生长性状的遗传变异可以为短轮伐期纸浆人工林筛选优良家系^[2]，而思茅松具有更高的生产力，其子代测定林的生长与形质性状对优良家系的早期选择具有重要参考^[17-19]。本研究表明，4年生子代测定林已经完全具备早期选择条件，对缩短育种周期和无性系育种有积极的作用。

在研究中还发现，思茅松自由授粉子代测定林的生长及形质等性状在家系间存在显著差异，可以进行优良家系及二代优树的选择，从而得到生产力高且速生丰产的种质资源，并获得显著的遗传增益；同时214个参试家系有较多家系的生长性状低于全体家系的平均值，出现生长性状较差的现状，说明优树选择的思茅松种子育种的子代测定林的表型性状出现较明显的后代分化现象。思茅松自由授粉子代测定林性状普遍具有较高的家系遗传力，这与马尾松^[9]、日本落叶松^{[4, 10]}、杉木^[3]等其他造林树种的研究结论一致。研究表明，生长在较一致的环境条件下的材料估算出的遗传力高于环境条件差异较大的材料^[11]，遗传力只能应用在特定的环境下、特定的时间内生长的特殊群体，因此，遗传力和遗传增益在不同树种的试验中有较大差异，本次参试家系种源基本涵盖了思茅松在云南省天然分布的大部分区域，种源所在地的自然环境条件与子代测定林有较大差异，在均质环境条件下出现生长与形质性状分化较大的现象，从而导致思茅松自由授粉子代家系遗传力较大，在选择优良单株时，应首先对参试群体中表现优良的家系作为优树选择的候选，可以得到更大的附加遗传效益，在优良家系筛选的基础上，进行无性繁殖，其遗传增益幅度将更加显著。

由于森林培育目的不同，优良家系的早期选择标准有差异。以往研究中大多集中考虑以针对建筑、纸浆及高产脂等用途相关的树高、胸径和材积等性状^{[3-4, 10]}。随着全球气候变化研究的逐渐深入，造林和再造林成为增加碳汇的主要途径^[24]，选择造林树种首要考虑的是其固碳能力，以地上生物量为选择标准，筛选出固碳潜力表现优良的家系及单株，可以营造高储量的碳汇林。事实上，由于考虑到枝和叶的生物量大小，优良家系及单株的地上生物量的遗传增益小于材积，同时材积与地上生物量呈极显著正相关，因而，筛选的优良家系及单株往往重合度较高。较高的生长性状与地上生物量对森林碳储量的增强具有积极的促进作用^[25]，从而使通过树木生长性状的改良进而提高森林生物量和碳储量成为可能，为营建高储量碳汇林的生产实践提供参考。通过选择良好通直度的林木可间接改良材性，研究表明，通直度可以作为评价思茅松生长优劣的关键因子^[19]。在中龄林和成熟林中，树冠性状的变异可以影响树种材积和生产力^[3]，而在幼龄林中，由于试验地水热条件优越，思茅松自由授粉子代测定林生长较快，种内竞争开始出现，因而树冠圆满度对材积和地上生物量均有一定的负面影响。

思茅松自由授粉子代测定林生长与形质性状的方差分析表明，在家系之间存在丰富的遗传变异，家系遗传力都大于0.5，这表明参试家系数量的增多可以为优良家系和二代优良单株的选择提供较多的繁殖材料。在子代测定林的早期选择中，可以根据不同的培育目标进行相应的家系与优良单株的选择，而材积的预期遗传增益则高于单株地上生物量，具有更好的参考价值。同时应考虑通直度、轮盘数及树干圆满度等性质性状在遗传参数评估中的作用。

在林木遗传改良中，子代测定是鉴别表型优劣的主要方法，通过表型的子代测定，可以正确评估思茅松生长性状的遗传力和遗传增益，从而选育出优良的繁殖材料，实现林木优质高产。下一步应从思茅松自由授粉子代测定林中选择出优良家系和单株，一方面进行优良无性系的繁殖试验，另一方面对其进行控制授粉，选择优良单株进行杂交育种，为思茅松高世代种子园提供繁殖材料。本研究仅进行了单地点思茅松自由授粉家系子代测定林的试验，受试验面积、受测群体样本大小、土壤、试验地环境条件及估算方法的限制，生长性状的遗传参数估计往往有较大的变异，今后应开展思茅松子代测定林的多点试验。此外，尽管树高作为早期选择指标具有更高的遗传性，随着林龄的增加，树高测量难度和误差都将增大，其稳定性低于胸径，胸径作为早期选择因子也同样重要。