榧樹半同胞子代幼苗生長性狀的遺傳參數估算

葉淑媛，董雷鳴，董 昂，喻衛武，戴文圣，曾燕如

（1. 浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所，浙江 杭州 311400；3. 中國林業科學研究院 林業研究所，北京 100091）

榧樹Torreya grandis多雌雄異株，因天然雜交而群體內遺傳多樣性豐富[1]。此外，榧樹分布范圍廣，地理環境復雜，極大地增加了榧樹種內的性狀變異[1?3]。豐富的自然變異為榧樹優良種質的選育提供了物質基礎。迄今為止，唯一進行人工大面積栽培的香榧T. grandis‘Merrillii’是榧樹優良變異類型經無性繁殖培育而成的優良栽培類型[4?5]。除香榧外，近年來在榧樹中發現了許多優良自然變異類型，包括以種子生產為目的種質[6]及種子營養成分含量高[7]或生長性狀優良的種質[8]，一些優株的綜合性狀品質甚至超過香榧[6?7]。嫁接是經濟樹種無性繁殖的方式之一，可以保持嫁接品種的優良性狀。生產上榧樹優良種質的擴繁以嫁接繁殖為主，而嫁接用的砧木均以榧樹種子實生繁殖而成。目前生產上提倡香榧大苗造林，培養的嫁接苗至少為2+2(砧木培養2 a后嫁接，嫁接苗至少再培養2 a才能造林)。研究表明：砧木顯著影響接穗生長勢[9]、嫁接植株的抗旱性[10]、果實化學成分的積累[11]。香榧嫁接時發現，直徑越粗的砧苗往往根系更強壯，有利于嫁接苗的快速生長，并促進開花結實，這對童期長且生命周期達上千年的香榧及其他優良種質而言尤其重要。此外，砧苗的分枝數越少，表皮越光滑，嫁接時越方便，越有利于接口的愈合。榧樹優良砧木育種資源的選育目前尚未見相關報道。對林木而言，子代測定中包括各方差分量及由其計算的遺傳力、遺傳相關系數和遺傳增益，以及加性效應值等遺傳參數的估計來自線性混合模型(linear mixed model, LMM)，且林木中的目標改良性狀多為數量性狀，即連續性狀，服從高斯分布，采用普通的線性混合模型即可估算遺傳參數。對于諸如存活、干形、顏色、分枝數等非連續性狀，早期研究多數采用原始數據或通過轉換使數據呈正態和方差齊次后，再采用普通的線性混合模型建模。然而，廣義線性混合模型(generalized linear mixed model, GLMM)可以直接對這類表型數據進行分析，無需進行額外處理。盡管常規轉換數據的線性混合模型和廣義線性混合模型的結果差異不大，但利用廣義線性混合模型更合理，且無需擔心常規方法數據轉換失敗等問題[12]，此類方法已在動物及林木育種中得到發展，并逐漸普及[13?15]。本研究對天然榧樹群體半同胞子代1年生和2年生幼苗生長性狀(苗高、地徑)和分枝數，分別采用常規線性混合模型和廣義線性混合模型擬合并估算相關的遺傳參數，以期為天然優良嫁接砧木用榧樹種質的選育及利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

榧樹在自然分布區內資源分布不均，以浙江省最多，安徽黃山市也有較多分布[6]。黃山市徽州區呈坎鎮小容村(29°57′N，118°14′E)分布有大量百年以上的野生榧樹。2010年10月待榧樹種子開始開裂并脫落時，在小容村隨機選擇50株彼此至少相距50 m以上，生長健壯、正常結實的雌株，每株分別采集不少于50顆種子。種子帶回浙江農林大學國家林業與草原局林木良種基地(30°26′N，119°73′E)后，采用雙層薄膜結合濕沙儲藏催芽法進行種子處理。種子萌發出土后除去稻草及薄膜，按時進行澆水、除草及病害防治等日常管理。2012年3月將培養1 a的幼苗單株移栽至培養缽內。培養缽規格為18 cm×16 cm(直徑×高度)；培養基質由黃土、泥炭、蛭石和珍珠巖按6∶1∶1∶1(V∶V)混合而成。培養缽按編號擺放于開闊的水平地面上。

1.2 生長性狀測量

移栽結束后，在每個半同胞家系內選擇20株生長良好的幼苗進行編號掛牌，然后用電子數顯卡尺和卷尺測定苗高(H1，999株)、地徑(D1，999株)。由于1年生幼苗多無分枝，所以到具有一定分枝能力的2年生苗時才觀察記錄分枝數。2013年1月，對掛牌幼苗進行第2次生長性狀測定，指標包括苗高 (H2，946株)、地徑 (D2，946株)、分枝數 (B2，944株)。

1.3 統計分析

連續性狀采用以下常規線性混合模型：

式(1)中：y為表型觀測值向量；β為固定效應向量(均值)；u為隨機家系效應向量，服從u～N，N表示正態分布，I表示單位矩陣，表示家系效應方差；X和Z分別表示固定和隨機效應的關聯矩陣；e表示隨機殘差向量，服從，表示殘差方差。

非連續性狀采用以下廣義線性混合模型：

式(2)～(3)中：η為線性預測值；I(μ)為鏈接函數；其余項與公式(1)相同。

統計分析主要由R語言計算平臺的ASReml-R包3.0版完成。模型參數由限制性最大似然估計法(REML)估計，隨機效應的效應值由最佳無偏線性預測法(BLUP)預測。各方差組分的統計顯著性檢驗由似然比檢驗(LRT)完成。利用泰勒級數展開法計算遺傳參數標準誤。

因為家系數少(50個)，每家系取樣量也少(20個)，采用常規遺傳力計算方法得到的遺傳力估計值大于1，超出其取值范圍(0～1)，因此采用CULLIS等[16]提出的方法計算遺傳力，公式為：

式(4)中：Hc為遺傳力；V為成對基因型最佳無偏線性預測差值的方差，。遺傳力的標準誤采用自主抽樣法估計。

采用下式計算擬合雙性狀模型連續性狀x和y間的遺傳相關()和表型相關()：

設定入選率為10%，采用WHITE等[17]提出的公式計算各性狀的遺傳增益ΔG：

2 結果與分析

2.1 幼苗生長性狀的表型變異

從表1可見：1年生榧樹幼苗苗高均值為(19.428±4.465) cm，地徑均值為(3.608±0.635) mm；2年生幼苗的平均苗高和地徑分別為(29.105±6.267) cm和(4.383±0.630) mm；分枝數為1～17條。苗高和地徑在年齡尺度上呈不同程度的變異，總體上苗高的變異系數大于地徑，且隨年齡的增加而降低；在2 a的觀測中，苗高的變異系數均大于20%，地徑的變異系數略小(表2)。

2.2 生長性狀的遺傳參數

表2表明：5個表型性狀家系間在統計學上存在極顯著差異(P＜0.01)，說明各性狀在家系間存在豐富的變異，具有在家系水平開展選擇的潛力。1年生苗高的遺傳變異系數最大，第2年分枝數的遺傳變異系數最??；遺傳變異系數苗高大于地徑。苗高和地徑表型變異系數與遺傳變異系數有相同的變化趨勢，且遺傳及表型變異系數隨年齡的增加而降低，但分枝數的遺傳變異系數很小，苗高和地徑變異系數則較大。5個表型性狀均有較大的遺傳力估計值(Hc＞0.7)，且標準誤不大(0.012～0.029)。在相同年齡水平上，苗高的遺傳力最高，變幅為0.857～0.943；地徑略低，變幅為0.808～0.866；分枝數的遺傳力最低，為0.734。在遺傳增益上幼苗苗高大于地徑及分枝數，1年生枝條的遺傳增益最高，達32.60%；苗高和地徑的遺傳增益第1年高于第2年。

表1 榧樹生長與分枝性狀的描述性統計Table 1 Descriptive statistics for growth and branching traits in T. grandis

表2 榧樹生長與分枝性狀的遺傳參數Table 2 Genetic parameters for growth and branching traits in T. grandis

2.3 表型性狀及遺傳相關性分析

由表3可見：同一批榧樹幼苗，無論生長年限多長，表型上苗高、地徑及分枝數兩兩間都具有極顯著的相關性(P＜0.01)，且以不同年份地徑間及苗高間的相關性較高，說明第1年的生長對第2年的生長有影響；此外，第1年的苗高與第2年的地徑，第2年的苗高與第2年的地徑及分枝數的相關性處于中等水平，說明苗高的影響比較大。遺傳相關表明：不同年份苗高間及地徑間相關性高，且相關極顯著(P＜0.01)；而分枝數與第1年的苗高及地徑相關不顯著，但與當年的苗高及地徑相關顯著(P＜0.05)(表3)，說明遺傳相關與表型相關格局基本一致，選擇第1年苗高及地徑數值大的幼苗，第2年苗高及地徑值也大?？梢?，當年的生長影響苗木的分枝。遺傳增益的分析結果也是第1年大于第2年(表2)。

表3 生長性狀間遺傳及表型相關Table 3 Genetic and phenotypic correlations between growth traits

3 討論

香榧產業發展迅猛，大量榧樹用作香榧嫁接的砧木，但用于選育的豐富榧樹遺傳資源沒有得到很好的利用，有必要制訂保護策略，對榧樹開展遺傳基礎研究。然而，相對于對香榧生產的重視程度，人們對榧樹的興趣主要在于采種生產砧木苗及采集花粉，僅對包括雌性榧樹[1,18]、雄性榧樹及物種水平榧樹的遺傳多樣性開展了研究，未涉及遺傳參數的研究。以混合線性模型估算遺傳參數和預測相關性狀的育種值是一種較為先進的遺傳評定方法，已得到了廣泛運用[19?20]。

目前，以結果為生產目的的經濟樹種往往要求樹冠開張，這樣不僅受光面大，且有利于枝條養分累積、生殖生長和果實的生長發育，可提高經濟產量。由于香榧嫁接使用的是2年生砧木，故本研究重點關注幼苗前2年的生長和遺傳變異情況。本研究中榧樹苗第1年基本沒有分枝，第2年絕大多數幼苗產生分枝，且表型變異系數大于遺傳變異系數，其遺傳力也不低，達0.734±0.029，說明分枝性狀受營養條件的影響較大。苗高與地徑生長都需要營養。作為砧木，嫁接前要截梢，苗高與地徑相比地徑更為重要。因此，培育砧木苗可考慮到1年生苗地徑比較粗短的雌株上去采種。育種群體的遺傳變異(遺傳力或加性遺傳變異系數)隨年齡變化的規律受多個因素影響，如群體組成、群體遺傳背景、樹種及測試地點的氣候及立地條件等。雖然多數研究表明：生長性狀的遺傳力隨年齡的增加先增加而后趨于穩定，但并不總是這樣，如杉木Cunninghamia lanceolata[21]、美國黑松Pinus contorta[22]等。此外，榧樹生產大粒種子，可食部位主要是胚乳，因而營養含量要遠高于其他樹種的種子，對幼苗的生長有更為顯著的影響。隨著幼苗的生長，營養物質逐漸消耗，作用逐漸減弱，可能使家系間差異縮小，加上家系內誤差逐漸增大，造成遺傳力估計值下降的現象。因此第2年的遺傳力小于第1年應該是榧樹的正?，F象。

經營管理中的培育措施往往會影響生長性狀表現，這在高度集約經營的經濟林生產中尤其如此。因此，從優良基因型入手的優良種質選育，結合經營管理中的良法，是促進經濟林生產的關鍵。從分析結果來看，生長性狀表型上兩兩間呈極顯著正相關(表3)，說明它們的遺傳改良可以同步進行[21]。在榧樹半同胞幼苗中，苗高與地徑性狀受較高的遺傳力(＞0.8)控制，這與黧蒴栲Castanopsis fissa[23]、麻瘋樹Jatropha curcas[24]等的研究較為一致。此外，各性狀的表型變異系數均大于遺傳變異系數，且各性狀在家系間均存在極顯著的差異，表明天然榧樹種內存在豐富的變異，具有極高的選育潛力。從年均生長量來看，2 a間地徑增量不大，而苗高生長增量較大(表1)，且苗高的遺傳力也較高(表2)，因此可以基于苗高生長尤其是1年生苗的苗高來選擇培育砧木的采種樹，因為1年生苗高的遺傳增益最大(32.60%)，基因型的變異系數也最大(16.25%)，在相同栽培條件下表型的變異系數最大(24.08%)，選擇相對容易。榧樹生產育苗過程確實發現生長量特別大的優良個體[8]。在育種實踐中，由于遺傳相關不包括環境因素的影響，因此性狀間的遺傳相關更為重要。從遺傳力相關來看，1年生苗高與2年生苗高及地徑均極顯著相關。因此，無論從生長性狀表型相關還是遺傳相關來講，兩者的結果比較一致。