Segregation of Seed Vigor and Leaf Traits in Hybrid Progenies of Betula pendula 'Purple Rain' and Betula pendula 'Dplecprlicp'

2015年春，以紫叶桦、裂叶桦、欧洲白桦(Betula pendula)及白桦(Betula plptyphylla Suk.)为亲本，开展了杂交试验，确定了紫叶和裂叶性状会在子代中出现。为此，2016年4月进行了交配设计试验。包括：以4株紫叶桦(Z1、Z2、Z3、Z4)及1株欧洲白桦(LCK，与裂叶桦同属一个半同胞)为亲本，设置了正、反杂交试验；以1株开花较多的紫叶桦(Z4)为母本，以白桦、欧洲白桦、杂种白桦(1-28)以及另外的雄花序较多的紫叶桦为父本，进行了测交系杂交试验；以仅有雌花序的裂叶桦为母本，分别以紫叶桦、欧洲白桦、白桦为父本进行了单杂交试验；以1株裂叶桦及1株欧洲白桦(LCK)的自由授粉种子为对照(表 1、图 1)。

Figure 1.  Foliage of hybrid parents

2016年7月下旬，采集各杂交组合成熟种子并测定种子千粒质量及发芽性状。种子千粒质量：分别取各杂交组合种子800粒，每100粒为1个重复，设置8个重复，每个重复分别称质量，计算种子千粒质量。种子发芽性状：将上述进行质量测定的种子分别放入铺有滤纸并加有足量蒸馏水的8个培养皿中，前2 d足量水浸泡，待种子泡胀后，吸去多余水分，并保持培养皿湿润，置于(30±2)℃温度条件下培养，第3~4 d发现出芽时开始统计发芽率和发芽势等指标。当连续7 d发芽种子数的平均值不足供试种子总数的1%时，结束发芽实验^[9]。分别求算发芽率、发芽势和发芽指数。

发芽率(GB)=(发芽的种子数/供检测的种子数)×100%

发芽势(GPT)＝(达到发芽高峰期的累计发芽数/种子总数)×100%

发芽指数(GI)＝∑(Gt/Dt)

式中：Gt为发芽试验终期内每日发芽数，Dt为发芽日数，∑为总和。

在进行上述种子千粒质量及发芽性状测定的同时，及时进行播种育苗。播种1个月后苗木长出2~3片叶时，在紫叶桦的杂种子代中可清楚分辨出绿叶和紫叶2种类型，在裂叶桦杂种子代中的个别杂交组合中发现有裂叶和正常叶2种类型，分别调查不同叶色及叶形在各杂交组合中的苗木数量，计算2种类型的比例，推测亲本基因型，并对其进行卡方检验。

卡方公式：

式中：X²为卡方值，O_i为实际值，E_i为理论值。

2017年对各杂交组合苗木进行了全年观察，子代中的裂叶、紫色性状保持稳定，10月中旬，苗木落叶进入休眠期，调查各杂交组合子代的苗高和地径。

针对种子发芽率、发芽势等百分数首先进行反正弦数据转换。运用Excel进行数据处理，用SPSSv19.0软件进行各性状方差分析、多重比较及遗传力估算。

表型变异系数(PCV)：

式中：σ为性状标准差；X为性状平均值。

性状广义遗传力(H²)：

式中：F为方差分析中的F值。

以紫叶桦为亲本的正反杂交、测交系杂交和以裂叶桦为母本的单杂交等各交配设计均获得了杂种苗木。所有以紫叶桦为亲本的子代苗木其叶色呈现紫色叶和绿色叶2种颜色，说明紫色为显性性状，绿色为隐性性状，2种颜色的产生表明紫叶桦杂交亲本为杂合基因型(图 2)。以裂叶桦为母本的3个单杂交及对照中，其子代产生了3种苗木表型，第一种叶型、叶色全部正常；第二种叶型正常，但叶色出现了紫色和绿色，该杂交组合的父本是紫叶桦，进一步证明紫色性状为显性；第三种是叶色为正常绿色，但出现了裂叶和非裂叶2种叶型，该杂交组合的父本是LCK，与裂叶桦为同一家系，说明裂叶性状为隐性，裂叶桦为隐性纯合基因型，LCK为携带隐性基因的杂合基因型，因此，他们的子代中产生了裂叶与正常叶的子代类型。

Figure 2.  Betula pendula 'Purple Rain' and Betula pendula 'Dplecprlicp' of hybrid offspring

分别对各交配设计的杂交组合种子特性及苗木性状进行调查及方差分析，由表 2可见：各交配设计内杂交组合间，种子特性、苗高及地径等的差异均达极显著(P < 0.01)。以紫叶桦为亲本的正反交及测交系的不同杂交组合间种子发芽率、发芽势及发芽指数等性状的变异均较大，变异系数大多为66.48%~78.69%；在杂交子代中，绿色苗木变异较小，其苗高、地径的变异系数为19.22%~28.46%，而紫叶苗木苗高、地径的变异在所有性状中处于中间水平，变异系数为32.24%~47.06%，杂交种子及子代性状丰富的变异为进一步选择奠定了基础。遗传力分析显示：种子质量、种子发芽性状及部分苗木性状的广义遗传力大于90%，说明这些性状均存在较强遗传能力，可依据这些性状进行优良个体的选择。

在各性状达到差异显著的基础上，进一步开展多重比较分析(表 3、4)。紫叶桦杂交结果(表 3)显示：正交与反交对其子代种子千粒质量、发芽率、发芽势、发芽指数以及子代苗木性状的影响差异明显，综合考虑正、反交杂交子代的种子千粒质量、发芽率及苗木生长量等表现，本研究确定LCK×Z1为紫叶桦种子园营建的优良杂交亲本，其种子千粒质量、发芽率、发芽势、发芽指数以及子代紫叶桦苗高、地径等较正反交配设计群体均值分别提高了71.6%、62.5%、84.8%、92.6%、6.6%和1.5%。

以紫叶桦(Z4)为母本的4个测交系杂交组合的多重比较可见，以白桦杂种1-28为父本的子代家系，虽然种子千粒质量、种子发芽率较LCK略低，但其发芽势及子代中紫叶、绿叶苗木的高生长、地径生长量等均较高，故确认Z4×1-28为紫叶桦种子园营建的另外一组优良亲本。该组合的种子发芽率、发芽势、发芽指数以及子代紫叶桦苗高、地径等较测交系群体均值分别高出46.0%、48.3%、49.6%、34.6%和21.7%。

由于裂叶桦仅孕育雌花序，本研究以裂叶桦为母本进行了单杂交(表 4)。在3个单杂交及2个对照子代中，均产生了正常叶子代，其中，仅有LY×LCK杂交组合产生了裂叶子代。因此，在裂叶桦种子园营建时，只能采用LY×LCK为杂交亲本。

以紫叶桦为亲本的11个杂交组合，育苗后均出现了紫色叶和正常绿色叶2种表型(表 5)，证明紫叶性状为显性，紫叶桦双亲均为杂合基因型，控制紫叶和绿叶的2个杂合基因在配子形成过程中产生了分离。根据子代中紫叶与绿叶的比例存在9:7、1:1、1:3及3:5类型，推测紫色性状由2对基因控制，属于基因互补效应。例如，在Z1×Z2的杂交子代家系中，推测Z1、Z2的基因型为PpBb，其杂交子代会产生P_B_、P_bb、ppB_、ppbb四类基因型，其理论比例为9:3:3:1，紫叶性状与绿叶性状比例为9:7(表 5)。以裂叶桦为母本的3个杂交子代中，仅与来自同一家系正常叶的半同胞个体(LCK)杂交才产生裂叶子代，表明裂叶为隐性性状，该子代群体裂叶与正常叶的个体比例为1:3.6，推测裂叶与正常叶基因型比例为1:3，裂叶性状应受2对基因以叠加效应控制的隐性性状，基因型为ddbb，半同胞白桦(LCK)的基因型为DdBb(表 5)。

为了验证上述推测的亲本基因型，针对杂交子代实际调查的紫叶与绿叶个体数、裂叶与正常叶个体数，分别按照9:7、1:1、1:3、3:5以及1:3的比例推测的理论数据进行了卡方检测，结果见表 5。

由表 5看见：以紫叶桦为亲本的11个杂交组合中，有9个组合的卡方检测符合推测，其中，Z1×Z2、Z2×Z1、Z4×Z1、Z4×Z3、Z3×Z4等5个组合符合9:7比例，Z4×LCK和LCK×Z1等杂交组合符合1:1的比例，Z4×白桦杂交组合符合1:3的比例，Z4×1-28杂交组合符合3:5的比例。以裂叶桦(LY)为母本与对照(LCK)为父本的杂种子代的卡方检测也符合1:3的比例推测。故此说明，推测的紫叶桦、裂叶桦杂交亲本基因型正确。

在以裂叶桦(L12)为母本、紫叶桦为父本的杂种子代中，仅出现了紫叶及正常绿叶2种类型，没有裂叶表型，更没有出现期待的叶片分裂、紫色的个体。这进一步说明裂叶为隐性性状，紫叶为显性性状，在紫叶桦中没有控制裂叶性状的隐性基因。

植物叶色性状的遗传具有多样性，有的显性或为隐性，控制的基因有1对或2~3对。例如，籼型紫叶稻(CN-Pl)分别与正常绿叶籼稻(Oryza sativa subsp. indica.)、粳稻(Oryza sativa subsp. japonica Kato)杂交，其F1全部呈绿色，F2群体中绿叶与紫叶之比为13:3或55:9，符合2~3对基因的分离模式^[10]。水稻核不育系8902-393S和KS-14分别与2个紫色叶水稻杂交，F1代也均为绿色，F2代绿叶与紫叶的比例为3:1或13:3^[11]。本研究中的紫叶性状表现为隐性，但因品种不同紫叶性状也表现出显性。如有人利用紫色稻与5个其它水稻品种杂交，紫色性状在5个杂交F1代均表现不同程度的显性，F2代抽穗期叶片紫色基因的遗传遵从9(紫):7(绿)的2对互补基因的分离模式^[12]。林木具有基因杂合度高，生长周期长、自交不育性的特点，因此，开展林木性状遗传研究不能像作物那样通过自交获得纯合基因型，大多依据F1代的性状表现推测双亲基因型。本研究就是根据杂种F1代的表型性状及比例推测紫叶桦和裂叶桦亲本基因型的。

植物叶型的遗传也同样具有多样性。有人在研究羽衣甘蓝(Brassica oleracea var. acephala f. tric olor Hort.)裂叶相关性状遗传时，发现裂叶对圆叶的遗传表现为显性或不完全显性^[13-14]，也有人发现裂叶对圆叶的遗传还受到微效多基因控制，即表现为数量性状遗传特点^[15]。有人在研究绿豆(Vigna radiate Wilczek)裂叶的遗传时发现，以正常卵圆形叶品种与2个裂叶品种进行了正反交，并针对6个杂交组合进行了回交，在F2代和分离的回交组合中，卵圆形叶和裂叶能够清楚地鉴别，表明其裂叶性状呈质量遗传。如果利用裂叶型×裂叶型的F2代分离(15:1)意味着裂叶的表现涉及到2个基因，表明2个裂叶品种具有不同的控制叶片分裂特性的显性基因^[16]。本研究以裂叶桦为母本的各杂交组合子代中，仅在LY×LCK组合中产生了裂叶性状，这个杂交父本与裂叶桦同属于一个半同胞家系，推测其拥有裂叶性状的基因，在与裂叶桦杂交时，该性状在子代中得以表现，故此确定裂叶性状为隐性，同时推断控制叶片分裂与否为2对基因的叠加效应，裂叶桦的基因型为ddbb。初步确定LY×LCK为种子园营建时的杂交亲本组合。

杂交是创制植物新品种最常用且效果显著的途径，目前在生产上应用的林木及花卉新品种绝大部分是经杂交育成。在我国不同年代及不同区域分别选育出白杨派(Sect. Leuce)、黑杨派(Sect. Aegeiros)和青杨派(Sect. Tacamahaca)等派间及种间系列杂交品种^[17-19]。在园林上广泛栽培的月季(Rosa chinensis)、杜鹃(Rhododendron simsii Planch.)、玉兰(Magnolia denudata Desr.)、梅(Armeniaca mume Sieb.)、金花茶(Camellia nitidissima Chi)、杂交鹅掌楸(Liriodendron chinense×tulipifera)、中山杉(Taxodium hybrida)、紫丁香(Syringa oblata Lindl.)等优良品种绝大部分也是通过杂交育成^[20]。本项目发现紫叶桦的紫色性状为显性，这为营建以生产大量紫叶桦为目标的杂交种子园提供了基础理论，未来可选择花期一致、种子活力高的紫叶桦及紫叶桦与其它白桦的优良杂交组合，建立紫叶桦杂交种子园。本项目根据紫叶桦正反交及测交系杂种子代种子活力及子代中紫叶桦的苗高、地径生长性状等确定LCK×Z1和Z4×1-28为紫叶桦种子园营建的优良杂交亲本，这2个组合的杂交子代种子发芽率分别高于正反交及测交系子代均值的62.5%、84.8%和46.0%、48.3%。

开展了紫叶桦的正反交、测交系杂交及裂叶桦的单杂交等交配设计，成功培育出杂种苗木。根据各杂交组合子代叶片目标性状表现，确定紫叶性状为显性性状，推断由2对互补基因互作控制，基因型为P_B_；裂叶性状为隐性性状，推断为2对基因的叠加效应，裂叶桦的基因型为ddbb。根据各杂交组合间种子千粒质量、发芽率、发芽势、发芽指数及苗木生长性状等综合表现，结合目标性状出现与否，选出LCK×Z1、Z4×1-28为紫叶桦种子园营建的优良杂交亲本组合，LY×LCK为裂叶桦种子园营建时的优良杂交亲本组合。