火炬松自由授粉子代生长、形质性状和产脂量的 遗传变异分析*

李赛楠 杜澄举 周晓煦 蒋开彬 黄少伟 刘天颐

（1.华南农业大学/广东省森林植物种质资源创新与利用重点实验室，广东 广州 510642；2. 广州草木蕃环境科技有限公司，广东 广州 510510）

火炬松Pinus taeda 原产美国东南部，是美国南方松中最重要的速生针叶用材树种。它生长迅速，适应性广，容易育苗造林，已成为全球最重要的速生建筑用材和纸浆材针叶树种之一[1-2]；它自然整枝能力强，富含树脂，松脂产量高，质量好，是优良的采脂树种。我国在20 世纪30 年代开始引种火炬松，60 年代末营建了火炬松母树林，70 年代开始进行大批量引种和大面积生产性造林，80 年代初在长江以南的一些省份建立了种子园，90 年代在广东省英德市林业科学研究所建成国内第一个火炬松二代种子园，目前广东火炬松的良种遗传改良正处在第二代向第三代过渡阶段[3]。

国内外针对火炬松用材林及产脂林从遗传测定[4-6]、优树选择[7-10]、密度调控[11]、产脂量影响因素[3,12]和分子辅助育种[13-14]等方面开展了大量研究。但目前为止对火炬松产脂影响因子的研究和概况总结还较少，鲜有对高世代火炬松产脂量与生长（胸径、树高、单株材积）、形质性状（轮枝数、分枝粗、分枝角）相关关系及利用近红外光谱技术预测火炬松产脂量的研究。许建忠[7]对19 年生火炬松第一代种子园的研究表明胸径、树高和材积3 个主要性状在家系间差异极显著，均具有较高的家系遗传力、受中高度遗传控制，说明各性状的差异主要由遗传因素所致，有较大的改良潜力。王金榜等[15]采用下降法“V”字型进行火炬松初级种子园无性系产脂量研究，参试无性系产脂量变异系数为4.81%～48.97%，受较强的遗传控制，存在选育出高产脂优良无性系的潜力。

在高产优质人工脂用原料林育种中，人工割脂法是测定松树产脂量的传统办法，但这一方法必须破坏树体或者样品本身，存在成本高、效率低、时间长、误差大、具破坏性、易产生污染和重复性差等缺点，难以满足生产和科研的需要。随着火炬松改良进程的发展，有必要对高世代材料研究其产脂量与生长、形质性状的相关关系，探索利用近红外光谱技术预测火炬松产脂量的方法，为进一步促进火炬松良种选育与繁育和高产优质人工脂用原料林的营建提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

火炬松第二代种子园自由授粉子代测定林包含参试家系9 个，2012 年造林，采用随机完全区组设计，设8 次重复，5 株单行小区，株行距3 m×3 m。

1.2 试验地概况

子代测定林位于广东省英德市林业科学研究所，距英德市区约50 km，属亚热带季风气候，气候温和，雨量充沛，年均气温20.7 ℃，绝对最高气温38.9 ℃，最低气温-3.6 ℃，年降水量 1 918 mm。土壤呈酸性，pH 值5.2～6.7 之间，为中黏土红壤。

1.3 子代测定林调查和木芯采集

2018 年对子代测定林进行每木调查，测量树高（H）、胸径（D1.3）、轮枝数、分枝粗及分枝角。轮枝数选择第三年所生的分枝进行调查统计；分枝粗测量时选取所测分枝最粗处（分枝基部）的直径，所有分枝的平均值作为单株分枝大小的指标；分枝角为分枝与主干之间的角度，以所测分枝与树干之间的角度平均值作为单株的分枝角。

对子代测定林每个单株钻取木芯，用于测定产脂量。钻取高度约在树高1.3 m 处，先刮去树干表皮，使用直径为12 mm 的生长锥从东至西（平行于地面，尽量避开树结）穿透树干，钻取全木芯。将采集到的木芯做好标记后用保鲜膜包好放入密封袋，待所有木芯样品钻取完毕后，在最短时间内放入-20 ℃冰箱内保存备用。

1.4 产脂量测定

采用黄少伟等[16]利用近红外光谱技术预测火炬松松脂产量的方法，利用采集到的木芯，预测火炬松6 年生子代测定林单株产脂量。使用瑞典Perter 公司的DA7200 型连续固定光栅分析仪和改进的样品杯进行光谱收集，在对样品进行扫描之前，为了减少温度对样品的影响，先将样品放置24 h，仪器使用前预热30 min，待光源稳定后开始采集光谱。

1.5 统计分析

单株材积（V）按公式V=0.3750×H×D1.32/ 10 000 估算[17]，式中H 为树高，D1.3为胸径。以测量的单株数据为单元，采用SAS 软件对火炬松子代测定林测定数据进行遗传参数估算，调用GLM 过程进行遗传效应显著性分析，调用VARCOMP 过程并采用限制性最大似然估计法（residual maximum likelihood，REML）[18]估算方差成分。统计分析时，轮枝数、分枝粗、分枝角和树干通直度经X1/2转化[19]。

混合线性模型如下:

其中，Yijk表示第i 个区组第j 个家系的第 k 个观察值，μ 为总体平均值，Bi为第i 个区组的区组效应，Fj为第j 个家系的家系效应，（BF）ij为第j 个家系和第i 个区组的交互作用，εijk为机误。Bi为固定效应，Fj和（BF）ij为随机效应。

其中，b 表示区组数，n 表示每小区的单株数，由于数据不平衡，采用小区调和平均株数。

2 结果与分析

2.1 各性状遗传变异分析

6 年生子代测定林各生长性状（胸径、树高、单株材积）均存在极显著的家系效应，且性状变异较丰富。胸径、树高、单株材积平均值分别为13.87 cm、6.13 m、0.046 5 m3，变异系数分别为16.33%、13.62%、37.77%，单株遗传力分别为0.25、0.30、0.19，家系遗传力分别为0.66、0.65、0.60。家系遗传力均大于0.5，受中等偏上的遗传影响。其中胸径个体间变异幅度为5.00～19.40 cm，胸径生长最快个体的生长量是最慢个体的3.88 倍，家系遗传力达0.66，受到中高度的遗传控制（表1）。火炬松6 年生子代测定林具有较大的家系选择潜力，以胸径生长作为主要选择性状即可取得较好的遗传增益。

形质性状（轮枝数、分枝角）存在极显著的家系效应，分枝角还存在极显著的区组效应，但分支粗在区组、家系间及区组×家系互作效应均不显著。从变异系数看，单株材积（37.77%）变异较大，轮枝数（34.61%）、树干通直度（30.94%）次之。

利用近红外光谱技术预测的火炬松平均单株产脂量为5.97 kg，变异幅度为2.79～8.79 kg，变异系数为16.39%。产脂量具有显著的家系效应，家系遗传力为0.58，受到中度的遗传控制。

表1 火炬松生长、形质形状和产脂量的遗传变异Table 1 Genetic variation of growth, shape traits and resin yield of Pinus taeda

表2 家系各性状Ducan’s 多重比较分析结果Table 2 Duncan’s multiple comparison of traits among families

2.2 家系间生长、形质性状和产脂量的多重比较分析

采用Ducan 检验对家系间产脂量、胸径、树高、单株材积、轮枝数和分枝角等性状进行多重比较分析（表2），分析结果显示，家系26-3-4 和44-12-5 胸径显著高于最后两个家系，平均值分别为14.71 cm、14.66 cm，家系26-3-4 的胸径是最小家系44-2-6 的117.96%，是平均胸径的106.06%。家 系26-3-4， 西2-1-1，44-12-5，19-11-44 和44-2-6 的树高显著高于最后1 个家系，平均值分别为6.43、6.42、6.37、6.32 和6.13，家系26-3-4 的树高是最小家系7-15-14 的114.01%，是平均树高的104.89%。家系26-3-4 和44-12-5 的单株材积显著高于最后2 个家系，平均值分别为0.0538 m3、0.0519，家系26-3-4 的单株材积是最小家系44-2-6 的140.10%，是平均单株材积的115.70%。家系15-4-15 和44-2-6 的产脂量显著高于最后2 个家系，平均值分别为6.42、6.33 kg，家系15-4-15 的产脂量是最小家系28-7-43 的116.30%，是平均产脂量的107.54%（表2）。

表3 产脂量和生长、形质性状的遗传相关Table 3 Genetic correlation of resin yield and with growth and shape traits

2.3 产脂量和生长、形质性状的遗传相关

产脂量和胸径、树高、单株材积、轮枝数、分枝角等性状遗传相关结果见表3，火炬松产脂量与轮枝数呈遗传正相关（rG=0.528 7），而与胸径、单株材积、分枝角和树高呈遗传负相关（rG分别为-0.735 0，-0.432 5，-0.178 0，-0.009 6）。

3 结论与讨论

火炬松第二代种子园建园亲本选自第一代育种群体的子代，入选时树龄为6 年。经过多年的观察，火炬松第二代种子园建园亲本普遍存在营养生长旺盛、开花结实率低的现象，这与亲本选择时年龄较小、选择重点为生长性状、单株还未达到开花结实期有关。因此，本次测定只针对第二代种子园中能正常开花结实并收获种子的9 个建园亲本，旨在对亲本进行遗传评价，为种子园改建或重建提供参考依据，同时对火炬松的良种选育策略、选育效果进行评估，为后续遗传改良奠定基础。

火炬松6 年生子代测定林参试的9 个家系，平均胸径、树高和单株材积分别为13.87 cm、6.13 m、0.046 5 m3，年均胸径、树高和单株材积分别为2.31 cm、1.02 m、0.007 8 m3。变异系数分别为16.33%、13.62%、37.77%，家系遗传力分别为0.66、0.65、0.60，均在0.5 以上，说明该环境条件下依据表型值分别对各性状进行直接选择是有效的。方差分析结果表明：不同家系间的平均胸径、树高、单株材积性状存在极显著差异（P 值分别为0.005 0、＜.000 1 和0.008 5），说明本子代测定林生长性状在家系间的差异较大，含有丰富的遗传变异；生长性状受较强的遗传控制，存在选育出材用优良家系的潜力。采用目前常规造林措施，6 年生子代测定林保存率为90%时，木材蓄积量为46.5 m3·hm-2，远高于《火炬松速生丰产林（LY/T 1824-2009）》行业标准的16.2 m3·hm-2[21]。本研究子代测定林的年平均生长性状均优于刘天颐等[17]对火炬松8 年生第二代核心育种群体的测定结果，其年均胸径、树高、单株材积分别为1.64 cm、0.88 m、0.006 0 m3，且本子代测定林的平均胸径高于8 年生第二代核心育种群体的测定结果（13.11 cm），表明火炬松第二代种子园遗传品质较优，应尽快解决种子园亲本开花结实问题，并开展多地点测定，加快良种的推广应用。

火炬松单株平均产脂量为5.97 kg，变异幅度为2.79～8.79 kg，变异系数为16.39%。家系15-4-15 和44-2-6 的产脂量显著高于最后2 个家系，平均值分别为6.42、6.33 kg。我国是松脂生产大国，产脂量一直是重点关注的性状之一，生产上常用的采脂方法为下降式割皮采脂法，但采用人工定期割脂方法测定产脂量受气候和时间的影响，且存在成本高、效率低、时间长、误差大和重复性差等缺点。本研究利用近红外光谱技术预测火炬松的单株产脂量，家系年平均产脂量为5.52～6.42 kg，预测值偏高，这可能与建模单株与本子代测定林单株存在年龄差异有关，但预测值基本符合正态分布，可对参试材料间的产脂量差异进行评估，实现对火炬松产脂种质资源的快速筛选。

火炬松6 年生子代测定林产脂量与轮枝数呈中度的遗传正相关（rG= 0.528 7），表明轮枝数较多的家系产脂量相对较多。这是因为轮枝数越多，树体的营养面积越大，光合作用就会增强，从而使得松脂产量增加。在今后的性状测定中，应对轮枝数等形质性状加以关注，作为选育高产脂优良品系的参考指标之一。产脂量与胸径、树高呈遗传负相关（rG分别为-0.735 0，-0.009 6），这与王金榜等[15]对23 年生火炬松初级种子园无性系产脂量与胸径、树高的关系研究结果相反，可能因本参试子代测定林年龄较小所致[22]。受测定林林龄的影响，幼林时期各性状的基因表达未能充分表现，林龄越大基因表达越充分，发育到一定阶段才能作出较可靠的结论[23-24]。

家系各性状Duncan's 多重比较分析结果显示胸径、树高、单株材积和产脂量高于家系平均值的家系分别有5、4、5、5 个。这9 个家系生长性状和形质性状各有优缺点，如家系26-3-4 的胸径、树高和单株材积3 个生长性状在9 个家系中均为最优，但产脂量较低；家系15-4-15 的生长性状在家系中并无显著优势，但分枝角最小、产脂量最高，应继续开展观察与测定，明确火炬松第三代的性状变异规律。虽然子代测定林家系内仍有个体分化，但家系的平均生长量远高于目前生产用种，对于目前还难以实现无性系化利用的火炬松的良种生产与推广具有积极意义。家系树高、胸径和材积的家系遗传力、单株遗传力等遗传参数有可能随着生长年限的延长而发生变化，因此，应在较长的生长年限再做遗传测定来验证家系性状表现。也可针对不同立地环境开展火炬松家系与环境互作分析，研究不同立地环境下的遗传变异规律。