杉木第三代无性系种子园建园材料选择福建光泽华桥国有林场国家.docx

1、杉木第三代无性系种子园建园材料选择福建光泽华桥国有林场国家杉木第三代无性系种子园建园材料选择和建园技术研究福建省杉木种苗科技攻关项目组摘要：我国从上世纪六十年代初开始对杉木进行了系统的遗传改良研究，截止“八五”攻关结束，已经完成了第二代的遗传改良工作，目前第三代遗传改良和第三代种子园建设的任务摆在了我们面前。项目组通过对杉木第二代子代测定林、两水平双列杂交试验林、分组群状多系杂交试验林和全国优良家系区域试验林等四种类型基本群体的总结，分析了杉木第二代选择的成效、亲本群体起源对选择效果的影响、第三代育种的选择系统等问题，对第三代遗传改良和种子园建设的下一步工作提出了建议。主要结果和结论如下：1

2、杉木主要生长性状受显著的加性效应控制，通过多世代的轮回选择，可以达到改良的目的。2 杉木分布区域广泛，生态环境多样，家系和地点间存在着显著的交互作用，采取分亚区的育种策略是杉木改良的合理途径。3 第二代选择具有较高的增产效果，材积生长量比第一代种子园后代平均增产11.83%。4 疏伐第二代种子园中最差的20%无性系，选择最好的10%无性系采种，是提高种子园遗传增益的有效遗传管理措施，既可以维持该种子园较广的遗传多样性，又能保证有较大的遗传增益。5 亲本群体的起源对选择效果影响不大。在杉木的多世代选育中，除了要加强杂交测定外，还应从各种起源的群体中选择优树，包括超级苗试验林、种源试验林、优树子代

3、测定林、种子园自由授粉子代林。6 在杉木的育种程序中，对于已经过一般配合力测定的材料，应进一步做杂交试验，以发现特殊配合力强的组合；而对于未经过一般配合力评定的材料，一般配合力的评选比特殊配合力的评选更重要。7 在杉木的后代测定中，采用分组不连续全双列交配设计，既能减少工作量又能同时估计一般配合力效应、特殊配合力效应、正反交效应和自交效应的大小，还有利于高级世代的选择。8 开展了第三代育种从生长量和适应性方面进行了选择。选出的263个优树中，逆向选择（backward selection）有70个，占26.6%，平均入选率为13%；前向选择(forward selection)的家系有193个

4、，占73.4%，平均入选率变动在1/1001/1000间，预期第三代的材积平均遗传增益为7.65%以上。9 选择出的第三代育种群体中的优树在洋口国有林场进行嫁接，并连续多年对嫁接植株进行生长、结实等性状的调查、观测，从中选择生长、结实性状兼优的第三代种子园建园材料，提出了第三代种子园的建园技术。关键词： 杉木，第三代，遗传改良，育种群体，子代测定，遗传增益，选择，种子园杉木Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook是我国特有的重要用材树种之一，生长快，材质好，产量高，广泛分布于长江流域，秦岭以南的广大地区。我国从上世纪六十年代初开始对杉木进行了系统的遗传改良研究。19

5、65年，在福建省洋口林场建立了我国第一个杉木初级种子园，至1986年第第一代杉木遗传改良结束，改良种子比普通林分材积增益大10%25%以上。1986年，又在福建省官庄国有林场建成了我国第一个第二代杉木种子园。截止“八五”攻关结束，已经定砧嫁接第二代示范性种子园11处，共100公顷，其中投产26公顷，营建第二代种子园测定林212公顷。1996年开始，着手进行第三代改良的工作，为了迎接这一新的建设任务的到来，必须做好技术、物质等各方面的准备。本项目在总结杉木现有的遗传改良基础上，借鉴国外多世代育种的方法和经验，试图对杉木的第三代遗传改良技术和第三代种子园的建设技术展开系统研究。一 多世代遗传改良研

6、究综述多世代改良的主要目标是在单位时间获得最大增益。为了达到这样一个目标，林木育种工作一开始就要对改良林木群体进行管理，使每一世代都能得到最大增益，同时又保持丰富的遗传变异，保证继续实施长期改良计划。其主要技术关键是育种群体的划分和管理、选择适当的交配设计及加速育种世代。1 三个类型群体的划分在多世代育种中没有提到议事日程的时候，参与育种过程的所有群体都没有区划，当然也谈不上对不同群体功能和内涵的区分。采用统一的大群体，无疑有很多的缺点，诸如亲缘关系难于控制；选择强度受限制，增益小，群体大，育种进程慢，不能依据育种地区、生产目标的改变而作出相应的变动。因此多世代改良的最重要的一个概念是具有不同

7、功能群体的隔离，林木育种计划一般要包括三个类型的群体：基本群体、育种群体和生产群体。基本群体：特定世代的基本群体，由育种工作者选择出的可供下一育种世代所用的林木组成。在林木改良的第第一代，基本群体通常是由天然林或未经改良的人工林的林木组成。在后继世代中，基本群体往往是遗传测定林，由前第一代选择出的亲本产生的后代组成。遗传测定林中所有子代的亲本至少一个，通常是二个都是已知的。基本群体一般包括数百个至数千个基因型。对基本群体的遗传组成及其主要性状的变异幅度应进行深入地研究，只有充分掌握影响该群体的遗传组成与变异情况，才能进行有效的选择。育种群体：由从基本群体中选择出的具有所需特性的林木组成的亚群体

8、，它们作为下第一代育种的亲本，是育种工作的基础繁殖材料，作为育种群体，必须协调好这样一个矛盾:既要增加选择差满足遗传增益高而造成的个体数少的群体与为保证其遗传变异水平足够大以进行后继世代改良所需维持大的育种群体的矛盾。一般包括200或更多的入选树。对育种群体，要加强开花生物学和生殖系统的观察研究，为进一步开发利用创造条件，并在优良资源区域进行补充选优，扩大遗传基础。生产群体：是从育种群体强度选择出的大量繁殖生产用种子或穗条等的群体。当前主要的形式是种子园和采穗圃，一般由几十个优良基因型组成，育种群体和生产群体通常分园建立，育种园的管理应有利于在每个世代中的交配。例如，如果交配设计要求控制授粉，

9、同一无性系分株应挨着嫁接，以便育种者在分株间工作。而生产性种子园是必须长期地大量生产遗传品质优良的种子，同一无性系的不同分株应保持最大的距离。1.1 育种群体的组成在许多育种计划中对繁殖材料没有严格的世代界限，在高世代育种群体中可以包括优良的亲本和优良亲本的子代。这两种繁殖材料各有利弊。有学者认为，优良亲本是在子代测定基础上，依据亲本育种值的大小通过逆向选择挑选出来的,人们对其育种值、生殖力和开花等都有充分认识，而采用前向选择优树，却存在很大的不确定因素，所以，以利用原有亲本更有利。另一些学者认为，优良的子代个体是根据其双亲育种值及该单株在家系内育种值增量的大小，采用前向选择而确定的，其育种值

10、是家系及家系内个体联合选择所带来的育种值之和，将会有更大的增益，应更重视前进式选择优树的地位。而为了克服利用这种优树时涉及某些不确定因素的困难，加拿大尼托巴班克松育种项目提出，可对前向选择的优树先做一次多系交配子代的短期遗传测验，5年后最终确定前向选择优树。据佛罗里达州立大学对湿地松选择研究，在组建第二代育种群体中，前向选择和后向选择都没有固定的优越性。此外，在育种群体中还可以补充尚未经测定的，而认为性状特别优异的新选个体，以扩大遗传基础。基于此，它们在为高世代育种所选定的886株优树中，属于逆向选择的有404株，占总数的45%（选自2773株起始的第一代优树群体）；属于前向选择的有304株，

11、占总数的34%（选自2700个全同胞家系）；另有178株属扩大遗传基础性质的优树，占总数的20%（选自未经改良的天然林分）。1.2 育种群体的大小育种群体大小直接影响到其遗传基础的宽窄，是制定育种策略时必须考虑的一个重要因素。它不仅与树种的分布区、种的地理变异特征有关，也与选择强度、长期效益和短期效益的权衡、资源的改良程度、育种目标多样程度以及投入的资金和人力等因素密切相关。选择强度越大，群体就小，短期增益就越大；反之，选择强度中等，群体也大，长期增益就大。群体过小会通过遗传漂变而造成有利基因的丢失，尤其是对频率低的或非选择性状的等位基因更易丢失。Burly和Namkoong模拟了一个可以算出

12、在不同的基因频率下，为确保需保存的等位基因有较高概率的群体应有的株数的公式。许多模拟研究指出，有效群体大于50时，在育种群体可以维持低频率的有利基因，可能保证多个世代的遗传增益。但是多数改良工作者建议在育种群体中至少包含200株树木。从当今一些发展较快的育种计划中也可以看到，美国的湿地松、火炬松第二代育种群体，澳大利亚辐射松育种群体都由数百个优树基因型组成。1.3 育种群体的选择1.3.1 选择群体由于在种子园体系发展早期，多世代多群体概念还未确立，近期高世代种子园组建所用的遗传材料只能从早先营造的以遗传测验为主功能的非专性育种群体中选出。为进行全同胞遗传测验，早期的人工交配都是亲本的随机配对

13、，而不是同型交配，因此优质优质的组合的机率不多，并有多种性质的组合并存。而且，全同胞家系包括的子代数目往往比半同胞的少，不能靠提高家系内选择强度达到提高选择效果的目的。所以，在做前进式选择时要将半同胞和全同胞子代同等对待，不可顾此失彼。1.3.2 选择方法不同的选择方法在增益和多样性获得及维持上各不一样。为保证一个长期育种项目的顺利进行，有必要缓解增益和多样性间的冲突。在多世代改良计划之初，人们多从提高短期增益的角度出发，制定选择方法。其中最简单也是最常用的是两步骤选择方法，即对入选树进行排序，特别是对遗传力低的性状，这种选择方法将产生较大的期望遗传增益，而且还能使遗传测定信息得到充分利用。遗

14、传力高的性状，单株或混合选择所获得的增益几乎和家系及家系内单株选择一样。但根据魏润鹏等人研究发现，从维持基因多样性角度出发，这种两步骤选择方法产生增益很低。随着多世代改良理论的发展，提出了一个最重要的基本概念就是不同功能群体的隔离，每个育种计划必须包括基本群体、育种群体和生产群体，特别是育种群体和生产群体的分开，使人们对育种材料的选择观念也发生了变化。由于育种群体可以分亚组管理，在每一亚组内可以包括有亲缘关系的个体，因此在为育种群体选择繁殖材料时，可以同时入选家系及家系内的个体，但应考虑入选家系的数目和家系内选择的个体数目，以同时满足遗传增益最大化、防止近交和保持遗传基础多样性的要求。有些学者

15、从林木杂合性高、选择性状较少和林木有防止自交结实的特性出发，认为可以在少数最优家系中各选1株以上的优树，这样既不会有严重近交衰退，又能使增益最大化；另一些学者更多从保持遗传多样性方面考虑，认为要从较多达到选择标准的家系中各选1株优树，并用较多优树组建高世代种子园。而有些学者持折中态度，提出从少数最优家系中选较多优树，同时在育种值位于平均值以上的家系中选1株优树组建种子园，这样可同时达到增益最大和遗传多样性的的目的。美国西海湾林木改良协作组的做法是，按育种值对测试优树排队，把前15%的家系作为渐进式选择的对象。一般半同胞家系中可选1株以上新优树，对全同胞家系则限定每组合只选1株。南方松改良协作组

16、则认为，进入下代育种群体中的有亲缘关系的优树最多为5株，而且每家系允许选出的新优树数目与其育种值成正比。如某优树育种值特别高，除把它逆向选出外，还可以由它参与交配的2-4个全同胞组合中再各选1株优树。而育种值处各家系平均值以上的一些优树，只能由它参与交配的两个组合中各选1株。对只达平均值的那些家系，一般不再做选择，或只从它与最高育种值个体杂交的某一组合中选1株新优树。1.4 育种群体的管理自从林木改良开始以来，近交及其可能的效应，已成为林木育种工作者关心的主要因素，近交通常表现为生长量和种子产量的明显衰退。随着林木改良计划进入多世代阶段，近交事实上是不可避免。因此，林木改良工作者必须采用适当的

17、方法经营，使得近交有害效应降低到最小限度或使它变得有利。在林木改良计划中，可以采用一些控制近交的措施。一是“允许近交”在育种和生产群体中慢慢积累。玉米七十年代选育试验表明，在近交水平远远高于自交第一代的情况下，还有可能得到明显的增益。这种情况是否也适合于森林树木，尚有待证明。另一个重要措施就是对育种群体采用不同的管理。归纳起来有二类：其一，对一个育种群体划分成较小的几个或更多的亚群体（亚系），并在同一个亚群体中再划分不同的层次。在同一个亚群体内可以自由交配，但在不同亚群体间不能自由授粉，在每一个亚群体中，根据子代测定，按配合选择，选出最好的子代，组成相应的下第一代亚育种群体。在这个意义上说，亚

18、群体是封闭的，因此，近交仅发生在亚群体内，而不同亚群体个体间组配就可以不存在近交。为延缓近交在生产群体中的发展，提出复合群体交配设计即属这类。亚群体的数目可以根据育种目标和经济条件而定。一般可等于种子生产群体（种子园）所需要的无性系数目。而亚群体的大小，即每个亚群体所含的家系或无性系数目，不同学者有不同建议。有的学者认为2025个家系或无性系可以消除亚群体间的遗传偏离以及控制亚群体内近交水平在可以接受的程度以下。有的育种者赞成采纳含410家系或无性系的亚群体，可以增大保留小频度有利基因的机会。其二，把育种群体划分成大小不等的两个群体。由几十个基因型组成的小群体（称精选群体或核心群体），要比由几

19、百个基因型组成的大群体（称基本群体）周转要快，实现预期增益的时间要短；其次，由于小群体是由大群体中选择出来的，所以在尚未组配和再选择之前增加了一个选择周期，也就是增加了期望增益。第三，大群体可以不断给小群体补充新的育种资源，并延缓近交。P.P.Cotteriall于1988年为辐射松的长期改良提出了核心群体育种方案就属于此类。将选择优树组成的育种群体划分成大小不等的两个群体，主群体含300株优树，精选群体由最佳的40株优树组成。主群体为维持长远改良的需要，选择和组配强度都较低。核心群体要在短期内取得最大的增益，因此，用控制授粉，包括选型组配产生全同胞子代，并采用综合指数进行强度选择。由此取得的

20、增益可以通过营养繁殖或种子园转移到林业生产中去。2 交配设计交配设计是多世代改良的一个重要环节。没有周全的遗传测定方法，就不能完成长远的林木改良方案。其目的有：（1）、对亲本的一般配合力或特殊配合力作出正确的评价。为可靠地评定一般配合力，通常对每个亲本要用45个亲本组配；（2）、为下一世代的选择和育种提供可靠的材料，后继世代的改良是受前几个世代所采用交配设计的种类和测定方法的影响；（3）、了解亲本与子代之间相似程度，估计方差分量、遗传力以及其它的遗传参数；（4）、证实和估算遗传增益等。交配设计种类很多，各有其优缺点和用途。应根据具体要求和条件加以选择。现将常用的交配设计介绍如下：2.1 不完全

21、谱系设计包括自由授粉交配设计和多系交配设计。能用来估计亲本的一般配合力、加性遗传方差、遗传力，但不能区分出特殊配合力的估计值。另外，存在具有亲缘关系的后代，不适宜作为下一世代选择的育种群体，因此，在多世代育种中，不宜单独使用，但可以和其他设计配合使用。2.2 单交操作方便，工作量小，两个亲本只作一次交配，杂交组合数虽小，但没有亲缘关系的子代数量却多了，这是最大的优点。而其最大缺点是只能提供特殊配合力的估计值，不能提供一般配合力的估计值。因此，偶然组合的机会，可能会丧失优良亲本。由于单交存在这一缺点，不适宜单独作为测定子代的方法，往往和其它交配设计配合使用。如目前在多世代育种计划中使用正向选型交

22、配（PAM）就是单交中的一种，它适用于增加期望遗传增益的控制授粉设计。如将排序为第一和第二的亲本组配，第三和第四的亲本组配，直至表现最差的两个亲本组配。这种交配设计可用于发展精选基因型的小群体或提高最佳基因型的频率，供进一步繁殖之用。当改良性状的遗传力大于0.3时，随遗传力增加，期望增益和优良基因型数量都呈增加趋势。2.3 测交系设计可提供亲本一般配合力和特殊配合力两方面的估计值，但没有亲缘关系的杂交数目不会多于所利用的测交系数目，为克服这个缺点，可以把待测定的无性系划分成几组，再在组内进行测交。2.4 双列交配设计双列交配设计包括全双列和半双列，可以提供所有参试亲本的一般配合力和所有组合的特

23、殊配合力的估计值。同时，它又可以提供最大量的无亲缘关系的子代，供后继世代选择。由于当亲本数目过大时，工作量太大，实际操作很困难，因此有人对双列交配作了一些修改，既保持了它的优点，又降低了工作量。其中有渐近式双列交配设计、分组不连续半双列交配设计等。这种设计在很多树种的多世代育种计划中都得到了应用。2.5 互补式交配设计它是在同一群体中，为达到不同的特定目的，而采用多种交配设计方法。最常用的是将半同胞测定和控制授粉组配相结合，如将多系授粉和部分双列杂交结合。这种方式目前在多世代育种实践中使用较多，如美国北卡火炬松第第三代育种中群体中就采用了这种交配设计。佛罗里达州第二代湿地松育种计划中也采用了这

24、种设计(沈熙环,1994)。其优点是：多系授粉，花费较小，能较精确地估算育种值，而控制授粉能产生谱系清楚的子代，可供下一轮选择之用。3 加速育种世代周期的进程林木生长周期长的特点一直阻碍着人们对它进行向农作物一样的更有效的改良。时间对于林木的多世代遗传改良来讲，更具重要意义。虽然在同一个世代内增益的大小是不会改变，但在多世代改良过程中，如能缩短世代间隔，将能增加单位时间内的遗传增益，从而提高改良的效率。由于世代间隔由从测定林中判断选择优树的间距和选择后优树间相互杂交所需的间距决定，因此缩短育种世代间隔就可以通过早期或幼年选择和促进林木早花早育两方面着手(叶志宏等,1993)。3.1 早期测定据

25、陈伯望等的综述，早期测定的材料，国外一般是子代试验林或种源试验林，国内除杉木之外，其它树种都主要以解析木、伐倒木或无性系为研究材料。研究内容主要包括各种性状（生长、形质和材性等）本身及性状之间的早晚相关，即年年相关；物候（如芽形成和萌动、形成层活动等）与生长性状间的相关；适应性及抗性的早晚期相关；种子性状（如千粒重）与生长性状的相关关系；早期生理和生化指标与生长速度相关关系；基因型与环境交互作用的幼龄表现及其与成龄表现的关系等。研究方法上，多采用表现型和遗传型的早晚相关和秩次相关。3.2 强化育种目前大部分有关林木强化育种方面的研究，重点集中在怎样促进幼年树开花上。主要技术是在可控温度、湿度或

26、光照的塑料大棚内盆栽接株；施行赤霉素（GAs）、生长素的叶面喷洒或进行树干和枝条的注射；控制水分的干旱胁迫；适时的增温，环束及增施N肥等。二 第二代选择的子代测定效果分析1983年，南京林业大学在福建省官庄国有林场建成了我国第一个第二代种子园。1987年种子园开始结实后，先后进行了六批无性系数量不一的单亲本子代测定工作。本研究是对几年来的子代测定工作做一次较为详细的总结，旨在以树高、胸径和材积为指标对第二代种子园的子代测定效果及第二代种子园内无性系的生产力进行全面评价，初步筛选一批速生优良家系，估算遗传力等遗传参数，为种子园的去劣疏伐、下一世代育种材料的选择及杉木遗传改良方案的进一步完善等提供

27、科学依据。1 材料与方法1.1 材料来源本研究所有参试材料均采集于1983年建立的第二代普通种子园的自由授粉种子，该种子园共含有345个无性系,选自六种不同性质的基本群体：（1）20世纪60年代选择的超级苗试验林；（2）从天然林中优树自由授粉子代测定林；（3）种子园自由授粉子代测定林；（4）各种杂交组合测定林；（5）种源试验林；（6）一般人工林。为了以示区别，每个无性系的编号由四位数组成，其中第一位数字从16分别代表以上所述的6个基本群体，其余数字为无性系号码。从1987年该种子园结实起至1994年（除1992年），每年按单系采集一定数量的自由授粉种子进行单点或多点的子代造林试验，由于每年无性

28、系开花结实情况不完全一样，因此，每年参与造林试验的材料也不一致。1997年3月对其中的5批林龄较大的试验林进行了全面调查，测量了胸径(D)和树高(H)，并按公式V=0.0000872D1.785386H0.93139237计算单株的材积生长量。各片试验林的家系数、试验设计等基本情况见表1。1.2 统计分析方法为减少人为因素造成的误差，采用拉依达准则（3准则）对各试验点数据进行异常值剔除。1.2.1 方差分析单点方差分析模型：Yijk=+ Fi + Bj + (FB)ij +ijk式中：Yijk为第i家系第j重复的第k个观察值；Fi 为家系效应；B k为重复效应；(FB)ik 为家系重复效应；i

29、jk为机误。多重比较采用最小显著差数法(LSD法)(莫惠栋,1984)。1.2.2 秩次分析首先选取两个试验林中共有家系，分别试验林按生长量大小列出每个家系的排名，并应用Spearman公式求出秩次相关系数（rs），其公式如下(马育华,1992)：rs=1-6d2i/n(n2-1)秩次相关系数显著性测验公式如下：t=rs(n-2)/(1-rs)1/2式中：rs 为秩次相关系数；n为变量对数；di为成对变量之间差值；t为显著性测验的t值。1.2.4 遗传参数估计(W.赖特,1981;王明庥等,1989)家系遗传力: h2f =Vf/(Ve/NB+Vfb/N+Vf) 单株遗传力: h2i =4Vf

30、/(Ve+Vfb+Vf) 式中：Vf为家系间方差；Vfb为家系重复的交互作用方差；Ve为环境方差；N为小区调和均数；B为重复调和均数。遗传增益：G =iph2/X 式中：i为选择强度；p为表型标准差；h2为遗传力；X为群体均值。表1 各批次第二代种子园自由授粉家系子代测定林基本情况造林年份造林地点家系数 试验设计 对照来源 1988 洋口124分组随机区组（5组）CK1：洋口当地林分种子苗10重复，4株小区CK2：洋口第一代种子园子代苗 1989洋口238随机区组设计CK1：洋口第一代种子园子代苗8重复，4株小区CK2：官庄第一代半种子园子代苗 1989官庄211随机区组设计CK1：洋口第一代

31、种子园子代苗9重复，4株小区 1990洋口41随机区组设计CK1：商品种子苗3重复，20株小区单CK2：洋口第一代种子园子代苗行纵向排列CK3：洋口第一代半种子园子代苗 1991官庄231分组随机区组（9组）CK1：洋口第一代种子园子代苗 11重复，4株小区CK2：洋口第一代半种子园子代苗1992洋口207分组随机区组（10组）CK1：洋口第一代种子园子代苗 5重复，2株小区CK2：本地苗CK3：洋38 CK4：洋39 CK5：洋64212 结果与分析2.1 第二代种子园的生产力水平由表2列出的各试验林的群体平均及对照平均值可以看出，各片试验林（除1988年外）在参试家系数目很多的情况下仍有较

32、大的绝对生长量和增产效果。洋口和官庄两点8年生（1989年造）群体平均胸径、树高和材积分别达到11.17（cm）、8.27（m）和0.05132（m3），比洋口第一代种子园增产2.85%、3.63%和8.27%；官庄点6年生（1991年造）群体平均胸径、树高和材积分别达到8.05（cm）、6.09（m）和0.02351（m3），比洋口第一代种子园增产5.88%、3.92%和12.32%；洋口点5年生（1992年造）的群体平均的胸径、树高和材积分别达到9.57（cm）、6.35（m）和0.029322（m3）, 与在洋口表现始终特别突出的洋6421无性系子代的生长相差无几，比本地苗增产6.81%、4.27%和19.69%,；特别是1990年在洋口点造的那片试验林，由在第一次子代试验苗期表