Early Variations of Wood Property of Catalpa fargesii f. duclouxii Clone and Their Evaluation

试验地点位于滇楸的中心分布区贵州省兴仁市，104°54′~105°34′ E，25°16′~25°47′ N，海拔600~1 400 m，年平均气温15.2℃，1月平均气温6.1℃，7月平均气温22.1℃，无霜期273 d，有效积温4 526.3℃，年均降水量1 320.5 mm，年均日照时长1 553.2 h。试验地为苗圃地，土壤类型为轻黏土，肥力中等，土层厚度大于50 cm。

试验所需的20个滇楸无性系材料来源于贵州不同气候区的13个种源的151个家系无性系化后的优良无性系，选择方法为初步的家系评比试验选择出超级苗，其次对超级苗进行无性系后，开展三级筛选，选育办法详见文献[19]。滇楸种质无性系采用2年生梓树作砧木以芽接的嫁接方式进行扩繁^[20]。

试验设计采用完全随机区组设计，共4次重复，每小区10株，株行距为50 cm ×50 cm。

植株生长指标测定：于2012年10月对试验地1年生植株每木检尺，测定其树高(精确到1.00 cm)和胸径(精确到0.10 cm)。

材性指标测定：每个无性系随机选择4个单株作为材性检测的样木，截取胸高处2 cm高木块用于材性指标测定。

木材基本密度按照GB-T1931-1991《木材含水率的测定方法》测定。

纤维长度采用硝酸和铬酸混合液离析法测定，木材离析试样取自髓心边缘向外约1 mm至树皮处向内约0.5 mm的木质部。通过Tayler染色法对切片进行染色，置于显微镜下在10×4的倍数下测定完整纤维长度(精确到0.1 μm)。随机选取纤维细胞至少50根，取其平均值作为样品的纤维细胞长度。

采用滑走切片机切取滇楸茎段横切面，厚度设置为15 μm。经乙醇梯度脱水，二甲苯透明，树脂胶封存。利用日本Nikon 80i显微镜、美国Pixera的显微图像检测系统在10×40的倍数下测定滇楸木材细胞胞壁率、双壁厚、管孔率及胞腔直径(精确到0.1 μm)等解剖性状。每个有效纤维细胞数量不低于50个。测定工作由东北林业大学材料科学与工程学院完成。

采用R语言中的ANOVA和ASReml-R程序包根据各性状指标的线性模型进行方差分析和遗传参数估算。

树高和胸径分析以单株调查值为统计值，采用的线性模型为：

式中:y_ijk为第i无性系第j区组第k单株的观察值；μ为群体平均效应；C_i为第i无性系效应(随机)；B_j为第j区组效应(固定)；BC_ij为第i无性系与第j区组的交互效应(随机)；e_ijk为小区内。

纤维细胞长度、胞壁率、双壁厚、管孔率及胞腔直径等材性性状分析以单株调查均值为统计值，采用的线性模型为：

式中:y_ik为第i无性系第k单株的观察值；μ为群体平均效应；C_i为第i无性系效应(随机)；e_ik为剩余项。

性状指标间的聚类分析^[21]以无性系为单位，性状数据统一进行“Z得分”的标准化。通过SPSS 22.0估算相应线性模型的随机效应的F值。聚类分析采用层次聚类法，以欧氏距离为划分标准。回归分析和作图采用Graphpad prism-6.02完成。其余的图表制作和数据分析通过Excel 2013软件处理。

表型变异系数：

式中:PCV为表型变异系数；S为各性状的标准差；X各性状均值。

遗传变异系数：

式中:GCV为遗传变异系数；σ_g²为各性状的无性系方差；X各性状均值。

重复力：

树高和胸径的无性系重复力公式：

材性性状的无性系重复力公式：

式中:R为无性系性状重复力；σ_c²为无性系效应的方差；σ_b²为区组效应方差；σ_e²为剩余(或小区内)；N为试验单株数；B为区组数；K为材性测定单株数。

遗传相关系数和表型相关系数采用无性系单株均值进行分析，分析方法参考Becker的方法^[22]。

表 1结果显示：滇楸无性系生长和材性性状中纤维长度表型变异系数最小(6.21%)，管孔率表型变异系数最大(21.29%)，说明滇楸无性系不同性状变异程度差异较大。生长性状中无性系胸径均值达1.97 cm，表型变异系数较高(18.78%)，树高表型变异系数相对较低(10.42%)。方差分析结果显示：滇楸1年生植株的树高在无性系间存在极显著差异，而胸径在无性系间差异不显著，其无性系的重复力分别为0.77和0.47(表 2)，表明无性系间的遗传与固定环境效应对性状表现有较大影响，其中树高受遗传影响较大，胸径主要受环境效应影响。

材性性状中管孔率、胞壁率、双壁厚和基本密度表型变异系数大于10%(表 1)。方差分析的结果显示：以上性状中除管孔率在无性系间均存在显著差异外，其他性状均存在极显著差异，其中，胞壁率和基本密度无性系重复力较高，分别达0.87±0.05和0.88±0.04，误差均较小(表 3)，表明滇楸无性系材性性状中胞壁率和基本密度具有较大的变异，且遗传因素是变异的主要来源。相反的径向胞腔直径、弦向胞腔直径等纤维腔径的表型变异系均小于10%，无性系重复力范围为0.32~0.54(表 3)，表明滇楸无性系纤维细胞的大小变异程度较小，且受遗传控制程度较弱，遗传效应较低，固定环境效应对其影响明显。木材基本密度是决定材性优良与否的关键指标，上述结果意味着以改良木材密度为目的滇楸无性系选育具有极大的潜力和可行性。

相关分析结果(表 4)显示：滇楸无性系H、DBH与各木材的细胞性状均呈较弱的表型相关(-0.056~0.276)。材性性状相关分析结果显示：木材密度与管孔率呈显著的正遗传相关(0.542)，其与胞壁率和双壁厚均具有极显著正遗传相关，相关系数分别为0.908和0.747。就表型相关程度看，木材基本密度主要与胞壁率(0.862)和双壁厚(0.477)有中偏上的正相关；而木材基本密度与弦向胞腔直径呈极显著的负遗传相关(-0.899)，其表型相关的也呈显著负相关(-0.274)。木材密度与纤维长度的遗传相关和表型相关均较弱，相关系数分别为0.131和0.165，表明滇楸1年生无性系纤维长度的改变对木材基本密度影响较小。对比遗传相关和表型相关可见，木材密度与其他性状遗传相关系数绝对值分别均大于表型相关系数，这说明性状与性状的相互关系主要是由遗传因素决定。

为明确木材基本密度与解剖性状的具体关系，对其构建了线性回归方程。由图 1可知：4组回归方程P值均小于0.05，说明拟合效果显著，其中，胞壁率和双壁厚与基本密度的回归方程拟合效果极显著(P < 0.01)。从决定系数R²可以看出：4组模型分别可以解释基本密度79.67%、39.32%、30.35%和20.56%的方差。胞壁率与基本密度的决定系数R²达0.796 7，表明其与基本密度有明显的线性相关关系，因此，可初步通过该性状来进一步预测木材基本密度。从回归系数可知：每增加10%的胞壁率，木材基本密度大约将增加0.074 g·cm^-3；双壁厚每增加1 μm，基本密度大约将增加0.066 g·cm^-3；而弦向胞腔直径和弦向中央直径分别增加1 μm，基本密度可能下降0.014 g·cm^-3或0.012 g·cm^-3。弦向胞腔直径和中央直径虽与基本密度线性关系较弱，但也可通过这2个性状来大致判断基本密度。

Figure 1.  Linear regression of basic density and wood anatomical traits

依据20个滇楸无性系的2个生长性状和10个木材的纤维解剖性状的相似性，将20个滇楸无性系聚为4类(表 5)，A、B两类无性系数量较多，分别包含了30%和35%的无性系；C类无性系数量最少，仅包含43、48和60。由图 2可知：A类群体树高、基本密度、胞壁率、双壁厚和管孔率均最大，胞腔直径各项指标均最小。由此可见，A类属于高密度用材的优良类群。B类虽然胞腔直径较小，但并不具有高密度的木材特性，该类群胸径较为突出，纤维长度最小。D类与B类情况相反，虽胞腔直径各项指标较大，但仍保持了较高的基本密度、胞壁率和双壁厚，且纤维长度最大。C类无性系胞腔直径各项指标均最大，而生长和木材密度等特性最差，属于劣势的类群。

Figure 2.  The difference of growth and wood properties of different groups

通过隶属函数法计算了20个无性系各性状的隶属函数值(与基本密度有显著负相关的性状计算其反隶属函数值)，通过各项函数值相加得到综合隶属函数值来初步评价无性系性状优良与否。评价结果(表 6)显示：77号无性系树高和胸径隶属函数值最大，表明生长最优，其基本密度排第5；15号无性系胞壁率最大，细胞腔径各项指标均最佳，其树高和胸径均排名倒数，表明该无性系特点是材性突出，生长欠缺。7号无性系胸径较大，纤维细胞长，但木材基本密度较小；120号无性系和1号无性系基本密度均较高；43号无性系木材基本密度和双壁厚隶属函数值均为0，这意味着该无性系材性较差；48号无性系木材基本密度排名倒数第二，胞腔腔径各指标反隶属函数值均为0，表明其纤维细胞腔径较大，这可能是木材密度较低的主要原因。

木材的物理力学属性是决定木材用途的主要依据，研究木材的物理力学属性及其影响因素，可为合理应用木材、科学开展林木选育等提供必要参考^[23]。木材密度是反映木材性能的关键物理学指标，常用来评估木材的质量^[24]。本研究结果表明，滇楸无性系间树高、胸径、木材基本密度及木材解剖性状具有显著或极显著差异。本研究的无性系来源于嫁接繁殖，嫁接作为无性系繁殖的一种有效方式，不同于扦插，除所需繁殖的材料本身外还具有外源的砧木参与。在大多数研究已经发现，不同的砧木对繁殖材料成活率和生长均有显著影响^[25-26]。此外，砧木与接穗的互作效应也是嫁接繁殖的重要考虑因素，特定的组合可较大程度改善无性材料的生长状态^[27-28]。考虑到这些情况，本研究选择了最适合楸树嫁接繁殖的梓树作为砧木，以确保植株嫁接的成活率与良好生长^{[20, 25]}。另一方面，有研究证实了嫁接后无性材料生长差异主要是来自于无性系间，无性系内变异不显著^[29]。这一进步证实了滇楸无性系的生长和材性变异来源主要为遗传效应，而嫁接繁殖效应和无性系与砧木互作效应对其的影响较小。

滇楸基本密度、管孔率、胞壁率及双壁厚表型变异系数均大于树高，这不同于挪威云杉(Picea abies)木材密度表型变异系数低于生长性状和产量性状的结果^[30]。可能原因是本研究参试的无性系已经过2次生长优选，降低了其变异大小。滇楸无性系材性性状中基本密度、胞壁率和双壁厚受较强的遗传控制，其无性系重复力分别高达0.88、0.87和0.73。这与黑杨派无性系^[6]、楸树(Catalpa bungei)^[31]无性系、青海云杉(Picea crassifolia)^[32]无性系木材密度具有高重复力(0.745~0.983)的研究结果类似。以上结果均表明木材密度具有高度遗传控制的特性，这为材性改良提供了良好的遗传基础。除具有较高遗传控制的特点，木材密度早晚相关也较密切^[4-5]，如亮果桉(Eucalyptus nitens)边材密度和心材密度的早晚遗传相关高达0.9^[33]。这表明以木材密度为主要性状的早期选择具有较高的可行性，同时这也意味着本研究对滇楸无性系进行早期材性评价具有实际意义，能为后续的人工选育提供依据。

材性性状遗传相关和表型相关分析发现，无论是遗传相关还是表型相关，木材基本密度均与胞壁率和双壁厚呈极显著的正相关，而与弦向胞腔直径呈显著负相关。在青海云杉的材性研究中也发现，基本密度与胞腔直径相关性状呈显著负相关^[32]；而马建伟^[31]研究发现，楸树木材基本密度与胞壁率、胞腔直径并没有显著的相关性，可能原因在于统计的数量差异，导致相关性结果不同。相关分析还发现，滇楸无性系树高、胸径与木材密度及解剖性状相关程度均较弱，这与李斌等^[34]研究发现鹅掌楸木材密度与树高和胸径均呈微弱相关的结果一致。暗示了滇楸无性系生长性状和材性性状相对独立，材性的优选对生长性状的影响较小。因此，生长和材性性状的联合选择可以获得速生和优质木材兼并的优良品种。然而，多数研究认为，木材材性性状，特别是木材密度与生长性状存在显著的负相关，过度追求速生会制约木材的品质^{[30, 32, 35-37]}。考虑到参试滇楸树龄尚小，遗传参数稳定性较弱，为了更准确的达到育种目的，有待后期进一步实验验证其生长和材质性状的相关性。

滇楸1年生无性系木材基本密度、管孔率和双壁厚具有较高的无性系重复力，这些性状受较强的遗传控制；滇楸1年生无性系生长性状差异不显著，但木材基本密度、双壁厚、管孔率和纤维长度等材性性状在无性系间存在显著或极显著差异；木材密度与胞壁率和双壁厚具有极显著且较大的遗传相关，而与胞腔直径呈较大的负相关。综合生长性状和材性性状，滇楸20个无性系可初步分为4大类，分别为A高木材密度型；B短纤维型；C低木材密度型；D长纤维型。评价结果显示：15、120和1号无性系苗期木材密度较高，43和48号等无性系苗期材性较差。滇楸无性系苗期的材性性状遗传变量规律及评价结果能为后续的优良材性无性系选择提供有利的参考依据。