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      杉木雙系和三系雜交種子園近交衰退的比較研究

      時間:2022年07月20日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

      摘要:通過研究杉木 Cunninghamia lanceolata 雙系和三系雜交種子園后代的表現,評價雙系和三系杉木雜交種子園中親本的自交衰退大小,根據自交衰退效應最小原則,選配建園材料,以期為利用杉木雜交育種成果提供最佳途徑。以杉木雙系和三系雜交種子園中的親本

        摘要:通過研究杉木 Cunninghamia lanceolata 雙系和三系雜交種子園后代的表現,評價雙系和三系杉木雜交種子園中親本的自交衰退大小,根據自交衰退效應最小原則,選配建園材料,以期為利用杉木雜交育種成果提供最佳途徑。以杉木雙系和三系雜交種子園中的親本后代表現為目標,以多系種子園中親本后代表現、親本異交后代等表現為參比對象,評價其自交衰退的大小。對杉木雙系種子園的研究結果表明:杉木雙系種子園親本后代的自交衰退程度隨組配親本材料、研究性狀變化而變化,并與異系雌雄花期匹配程度有很大的關系;而對杉木三系種子園的研究結果表明:在確;ㄆ谄ヅ涞那疤嵯,杉木三系種子園的親本后代,通常沒有自交衰退,與多系種子園中的后代相比,表現出一定的雜交優勢。以上結論表明,對于利用杉木雜交育種成果而言,今后要對杉木高世代育種園中的親本進行花期匹配研究,在此基礎上挑選組配后代表現好的組合,采用建立寡系(3 ~ 5 系)的雜交種子園途徑,來利用杉木雜交育種成果為佳。

        關鍵詞:杉木;寡系;雜交種子園;近交衰退

      林業生產

        根據杉木 Cunninghamia lanceolata 數量遺傳學的研究結果[1-3],我們制定了杉木高世代雜交育種新方案。目前,全國的杉木高世代遺傳改良中仍普遍采用多系種子園途徑來利用杉木遺傳育種成果,只有湖南和浙江兩省推崇建立杉木雙系雜交種子園來利用杉木育種成果[4-6]。陳益泰于 1988 年從近百個雜交組合中,評選出若干對表現突出的雜交組合,選擇了其中的 6 對在浙江省遂昌縣建立了 7 個小區的雙系種子園,但多點區試的結果表明,杉木雙系種子園中親本的自由授粉后代表現比人工控制雜交后代的表現要差,即存在一定程度的自交衰退(來自陳益泰等沒有發表的資料);等位酶的分析結果揭示出杉木雙系種子園中存在一定的自交比率,并且這種自交比率大小與雙系親本雌雄花期匹配密切相關[7-8]。

        顯然雙系種子園中自由授粉后代表型的衰退是由于建園親本存在一定的自交所致。為此,我們對遂昌縣杉木雙系種子園中的親本進行了花期(花量和花程)觀察,在雌雄花期匹配的基礎上,于 2000 年又重建了 2 hm2的三系雜交種子園,目前該杉木三系雜交種子園已經投產。與雙系種子園相比,杉木三系雜交種子園是否仍存在自交衰退?在雜交組合測定評選的基礎上,建三(寡)系雜交種子園解決雙系種子園自交衰退的辦法是否有效?這些問題都值得研究。近親繁殖是指親緣關系相近(或相同)的兩個個體間的交配。一般來講,在自然界中異花授粉的植物其近交(包括自交)是有害的,據已有的研究,近交后代群體平均值出現以下變化[9-22]:

        (1)生活力下降,生長量減少或發育不良;(2)結實量降低,繁殖力下降,種子產量減少,空粒多;(3)出現畸形,即近交會導致近交衰退。因此,在建立的林木種子園中,要盡量地避免有親緣關系的樹木彼此相互授粉。陳益泰等[23]的研究表明,杉木的自交會引起座果率、種子質量、健全種子的比率和苗木生長量的顯著降低,并且種子性狀的衰退比苗木生長量的衰退更甚。杉木雙系種子園是在杉木全同胞子代測定的基礎上,采用評選出的優良雜交組合建立由父母本兩個無性系組成的種子園。

        由于群體大小急劇降低以及花期匹配等方面的原因,浙江省遂昌縣建立的杉木雙系種子園中存在一定比率的自交[8],并表現出一定的近交衰退,而杉木多系種子園的近交比率很小[7]。有鑒于此,在杉木雙系種子園自交衰退效應研究的基礎上,于 2019 年又對遂昌三系(龍 15+1 339+1 366)雜交種子園進行了三個組合的人工控制雜交,并以三系雜交組合和多系種子園中這三系的自由授粉后代平均效應為參照物,評價杉木三系雜交種子園中自交衰退的變化情況,為解決雙系雜交種子園中存在一定自交衰退提供一條途徑。本研究分別于 2000—2002 年和 2019—2021 年進行人工雜交制種,以雜交組合和多系種子園中同系自由授粉后代平均表現為參比對照,對雙系和三系種子園的親本后代表現進行了衰退效應評價,以期為采用合適的途徑利用杉木高世代雜交育種成果提供科學依據。

        1 材料與方法

        1.1 遂昌縣杉木種子園研究區概況本研究的試驗區設置在浙江省遂昌縣妙高鎮郊區的杉木種子園(包括雙系、三系和多系種子園),其地理坐標為 119°09'37" ~ 119°11'24" E,28°28'25" ~ 28°30'47" N;屬中亞熱帶季風氣候,冬冷夏熱,四季分明,雨量充沛,空氣濕潤,全年平均氣溫為 16.8℃,年降水量為 1 510 mm,年太陽總輻射量為 422.584 kJ·cm-2。杉木種子園的海拔約為 385 m,平均土壤厚度在 65 cm,杉木種子園的總面積為 15 hm2,其中三系種子園為 2 hm2,種子園周邊 100 m 范圍內無杉木林,不存在花粉污染的情況。杉木雙系和杉木多系種子園于 1988 年定砧,1989 年成園;杉木三系種子園是 1998 年基于雙系后代區試驗的結果,對雙系種子園的八、九和十區加以改造重建的。

        1.2 遂昌縣杉木雙系種子園建園來源浙江省遂昌縣杉木雙系種子園的建園材料,是以杭州市余杭區長樂杉木初級種子園(1980 年嫁接成園)的待測親本無性系為對象,展開以測交設計為主,結合單交設計,產生的近百個人工控制雜交組合,近 30 個雜交親本選配的根據是基于杉木的葉色,按青枝杉、灰枝杉和黃枝杉的親本互補組配而來。杉木雙親子代試驗林建立在杭州市富陽區東敘村,根據 6 年生試驗林的測定結果,采用綜合指數(包括對一般配合力和特殊配合力效應的利用)評選出生長形質均優的若干個雜交組合(來自陳益泰等沒有發表的資料)。

        1.3 杉木雙系種子園建園材料的花期特性和自交率我們在余杭長樂杉木初級種子園進行雜交試驗時,沒有考慮進行反交試驗,由于是多系種子園,也沒有進行花期觀察和異系雌雄花期匹配研究,僅僅考慮雜交后代的綜合表現,所以沒有預料到異系雌雄花期差異會導致遂昌杉木雙系種子園在利用雜種優勢時出現“異化”現象。但后續的研究卻發現,雙系種子園因同一親本無性系雌雄花期重疊而產生自交。

        1.4 杉木雙系和三系種子園的結構組成和研究對象介紹

        遂昌縣杉木雙系種子園結實投產以后,已對其后代進行了區域化試驗,其結果揭示雙一區(1 244+1 236)、雙三區(1 419+1 391)和雙六區(陽 11+陽 15)的自由授粉后代與人工控制授粉雜交后代相比,表現太差;而雙五區人畜破壞太嚴重,因此這 4 個區的材料不在本研究之列。本研究僅以杉木雙二區(1 419+1 269)、雙四區(龍 15+閩 33)和雙七區(1 366+1 339)共 6 個親本無性系為重要的研究對象;而三系雜交種子園有三個小區,其中八小區的建園材料為龍 15+1 419+1 339,而九小區和十小區的建園材料均為龍 15+1 339+1 366,抽取九小區和十小區的三個親本無性系為研究對象。

        1.5 杉木雙系和三系種子園自交衰退的研究方法

        1.5.1 杉木雙系種子園材料測試

        2000—2002 年,抽取遂昌縣杉木雙系種子園中的 3 個小區材料進行了測試,研究材料是雙二區的 1 419(建園材料選自正交組合 1 419×1 269);雙四區的龍 15(建園材料選自正交組合龍15×閩 33);雙七區的 1 366 和 1 339(建園材料選自正交組合 1 366×1 339)。研究方法是對建園親本進行人工控制雜交制種(以正交組合為主)、自交制種,并對測試親本采集雙系和多系種子園中自由授粉的分系種子,外加多個對照共 28 份種質,在遂昌進行育苗試驗(條狀小區,條播 230 粒),年終和 18 個月時調查苗高、地徑等性狀,在固定模型的方差分析[24]基礎上,利用建園材料的正交組合、自交組合和其在多系種子園的自由授粉后代平均表現為參比對象,評估雙系種子園中的龍 15、1 339、1 366 和 1 419 的自由授粉后代的表型衰退效應的相對大小,并提出解決辦法。

        1.5.2 杉木三系種子園材料測試

        在 2019—2021 年進行,抽取三系種子園的建園材料一致的九、十兩個小區,展開了三系雜交種子園(龍 15+1 339+1 366)自由授粉后代的衰退效應評價,其研究方案和技術路線與第一個小試基本相同。兩個自交衰退的試驗均在遂昌進行育苗試驗,由于苗圃地的地力環境條件比較一致,因而除成苗數外,育苗試驗資料一律按單因素組內觀察株數不等的模式[24]進行方差分析,然后以各品種的平均值為基礎,分析雙系種子園中小量近交引起的衰退效應。

        2 結果與分析

        2.1 杉木雙系種子園研究結果

        2.1.1 不同種質間的差異性

        6 個親本無性系共 28 份種質材料在成苗數、1 年生苗的苗高、18 個月生苗的苗高和地徑這 4 個性狀的方差分析結果。28 份種質材料在成苗數、1 年生苗苗高 H1、18 個月生苗的苗高 H2和地徑 D2這 4 個研究性狀上都存在著顯著的差異,這說明選擇不同組合的親本無性系來建立雙系種子園大有必要,F根據固定模型的方差分析結果,來評價現有的雙系種子園內無性系的近交衰退效應大小。

        2.1.2 雙系種子園親本無性系自由授粉子代近交衰退效應的評價

        從(OP1-PO2)/OP2看,杉木雙系種子園龍 15 無性系苗的地徑沒有衰退,龍 15 雙系苗高等性狀均表現出一定程度的衰退;從(OP1-O)/O 可以看出,雙系種子園龍 15 的后代表現要優于龍 15×1 366,但不及龍 15×1 339;而(OP1-S)/S 表明,雙系種子園龍 15 苗的地徑不及自交組合苗的地徑,這說明龍 15可能是個雜合子,自交衰退不明顯。綜合以上結果可以發現,雙系龍 15 存在一定的自交衰退,并且這種衰退效應隨著研究性狀的變化而變化。采用龍 15 與 1 339 進行組配成雙系種子園,比龍 15 與閩 33 組配要優越。

        雙系種子園中 1 339 自由授粉的子代表現,在成苗數上要優于多系種子園的后代表現,在苗高性狀上超過多系種子園后代表現,但在地徑性狀上則表現出一定的自交衰退;杉木雙系種子園親本后代除成苗數外,其它性狀表現都優于控制雜交(1 339×1 366)后代的表現,1 366 不是 1 339 的最佳父本,雙系種子園 1 339 自由授粉后代的自交衰退隨著研究性狀變化而變化。

        根據(OP1-OP2)/OP2的計算結果可以看出,雙系種子園中的 1 419 自由授粉后代的成苗數和地徑性狀要略優于多系種子園中的 1 419 后代的表現,而在苗高性狀上與多系后代表現相比,則表明雙二區的 1 419 有一定的自交衰退,杉木雙系種子園親本后代的自交衰退隨著研究性狀變化而變化。在現有的雙二區中,1 419 的自交后代表現出嚴重的自交衰退。這說明 1 419 無性系自交絕對有害,防止近交的措施十分必要。其次,1 419×1 339 控制雜交后代的表現要優于雙二區中 1 419 的自由授粉后代的表現,今后再建有關 1 419 的雙系種子園時應該考慮 1 419 與 1 339 進行組配。

        2.2 杉木三系

        雜交種子園中親本家系近交衰退的評價杉木三系雜交種子園的研究材料和研究方案:由于在實施杉木三系雜交種子園自交比率的測試時,已經明了在杉木雙系種子園試驗中,除雙四區的龍 15 外,其它的幾個參試無性系(1 339、1 366 和 1 419)的雜交優勢都不明顯,表現出輕度的自交衰退,因此,于 2019—2021 年對三系雜交種子園中龍 15、1 339、1 366 這幾個無性系展開自交衰退評估時,但沒有進行自交研究,僅展開了三系間的三個反交組合的人工控制雜交制種,以三個雜交組合和多系種子園中這三系的自由授粉后代為參照物,評價三系雜交種子園的近交衰退究竟有多大。

        三系種子園中龍 15 自由授粉后代的生長性狀要優于多系種子園中龍 15 自由授粉后代的表現,也優于三個雜交組合的平均結果,但不及 1 366×龍 15 后代的表現。與雙系種子園相比,三系種子園由于增加了建園親本數,擴大了同一無性系不同分株間的對視距離,降低了自交比率,提高了后代的雜種優勢。三系種子園中的 1 339 自由授粉后代的生長性狀要優于多系種子園中 1 339 自由授粉后代的表現,也優于三個雜交組合的平均結果,但不及 1 366×龍 15 后代的表現。與雙系種子園相比,三系種子園由于增加了建園親本數,促進了花期匹配,擴大了同一無性系間的對視距離,降低了自交比率,從而提高了雜種優勢。這一結果與第一個小試中雙四區中龍 15 的結果一致。

        3 討論

        以上研究表明,采用雙系種子園來利用杉木雜交育種成果的理念應發展,建立寡系(3 ~ 5 系)的雜交種子園來利用杉木雜交育種的成果更為合理。這與徐清乾等的做法稍有不同,這是由于使用的建園材料和雜交組合的篩選方法不同造成的[4-5]。許忠坤等提出了杉木育種策略,應采用 GriffingⅢ交配設計(包括正反交組合),大力開展雜交育種,篩選正反交均優的組合,建立兩個系的種子園來利用杉木雜交育種成果[4-5],并于 1983 年起,從湖南省 457 個雜交組合中評選出 5 組雙系種子園建園材料,該雙系種子園混合子代 14 年生時的單株材積大于生產對照 58.4%,雙系種子園增產效益十分明顯。

        1982 年,陳益泰等也是采用這一技術路線成功建立了雙系種子園(龍 15+閩 33),以此來利用杉木雜交育種成果[6]。鄭勇平等通過對杉木不同世代不同類型種子園遺傳改良效果的研究發現,由龍 15 與閩 33 組成的雙系種子園,其遺傳增益最大[25]。但是我們在篩選遂昌縣杉木雙系建園材料時,沒有像許忠坤等那樣采用 GriffingⅢ交配設計,這除了雜交試驗會花費大量的財力、地力和很長的時間外,雜交親本的雌花量限制也是其中的一個原因。另外,遂昌縣杉木雙系種子園的異系雌雄花期匹配存在一定的問題,并導致一定的自交。只要雙系種子園系內花期存在同步性,即使雙親異系花期匹配,也會因同一無性系同一分株內和不同分株間的雌雄花期重疊,產生自交。

        另外,雙系雜交種子園,同一無性系不同分株間的對視距離(杉木雙系種子園建園密度為 4 m×4 m 時,同一無性系不同分株的對視距離為 5.7 ~8.0 m)太近而產生自交。而建立寡系(3 ~ 5 系)的雜交種子園有兩個優勢:其一,增加了建園親本數,改變了種子園的結構;其二,可將同一無性系不同分株間的對視距離擴大到 12 m 左右,這對降低雜交種子園中的自交,促進種子園中的親本無性系花期匹配有好處。以上這些原因,很可能使得杉木三系種子園后代保持了人工控制雜交的優點,降低了三系種子園的自交率,使三系種子園后代表現出一定的雜交優勢。鑒于此,筆者主張建立寡系(3 ~ 5 系)雜交種子園,來利用杉木雜交育種的成果。

        4 結論

        4.1 杉木雙系種子園研究結論

        (1)就 28 份杉木種質材料的育苗試驗,比較分析苗期性狀間差異,結果表明,在所有研究性狀上均存在極顯著的差異,建立雙系種子園時材料選擇十分重要。(2)對于龍 15 而言,建立雙系種子園比建立多系種子園具有更多的優越性。由于龍 15×1 339 人工控制后代表現突出,因此該組配比龍 15 與閩 33 的組配更好。(3)對于雙七區(1 339 + 1 366),盡管 1 339 和 1 366 的花期基本是吻合的,但是同一無性系的雌雄花期也是匹配的,因此存在一定比率的自交,應采取一定的措施來降低自交比率。(4)1 419 的雙系后代優于多系后代,但是 1 419 與 1 339 的組配比 1 419 與 1 269 的組配要科學,效果更好。(5)通常雙系種子園存在一定的自交衰退,其衰退程度與無性系的基因型、成對無性系雌雄花期匹配的吻合程度有關;對于已建立的雙系種子園應有效地防止自交,并進行必要的人工輔助授粉。

        4.2 杉木三系雜交種子園研究結論研究發現,與雙系種子園相比,三系雜交種子園中的親本自由授粉后代自交衰退不明顯,且苗期表現要優于多系種子園后代的表現。杉木高世代育種,應以雜交育種為主,并以建立寡系(3 ~ 5 系)的雜交種子園來利用杉木雜交育種成果。

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        選自期刊:浙江林業科技,2022,42(4):1-8

        作者信息:葉金俊 1,齊明 2,3,張振 2,3,翁春媚 1,王海蓉 1,陳益泰 2,3(1. 浙江省遂昌縣生態林業發展中心,浙江 遂昌,323300;2. 中國林業科學研究院 亞熱帶林業研究所,浙江 杭州,311400;3. 浙江省林木育種技術研究重點實驗室,浙江 杭州,311400 )

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