杉木播种品质的遗传分析与空瘪涩粒成因探讨

翁春媚，齐 明，华朝晖，李正翔，包小梅，罗修宝

(1.浙江省遂昌县林业技术推广总站，浙江 遂昌 323300；2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳311400)

杉木播种品质的遗传分析与空瘪涩粒成因探讨

翁春媚1，齐 明2，华朝晖1，李正翔2，包小梅1，罗修宝1

(1.浙江省遂昌县林业技术推广总站，浙江 遂昌 323300；2.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳311400)

为了重建杉木种子园提供建园双优材料和经营管理好已建成的杉木种子园，本研究以遂昌杉木种子园中亲本无性系种子为研究材料，采用数量遗传学理论，研究播种品质性状的遗传变异性和遗传相关。与此同时，设计了检验空瘪涩粒成因的一小试，对杉木空瘪涩粒成因的“生态假说”进行检验，并采用数量遗传学中的线性模型理论，对空瘪涩粒成因的“生态假说”进行完善。试验结果是：杉木播种品质受强度遗传控制，并具有较大的变异性；同时播种品质性状间存明显负相关。据此得出结论：选育出播种品质性状优良的品种是可能的，直接降低种子的空瘪涩粒率，就可以间接地提高种子的发芽率。小试的分析结果是：空瘪涩粒率是受多因子综合作用和最低因子限制原则，既可从控制遗传的角度，又可从改善环境、利用遗传与环境互作的角度，来提高杉木种子的产量和质量。

杉木种子园；种子；播种品质；数量遗传学

杉木(CunninghamialanceolataHook.)是我国南方十分重要的造林树种。自20世纪70年代以来，在杉木良种选育和种子园营建管理方面做了大量的工作，选育大量的优良品种，建立了1800 hm2的种子园，在种子园的生产经营过程中发现不少问题，种子空瘪涩粒高就是其中之一。

研究种子园空瘪涩粒的成因，从而有效地降低败育种子的比率，提高种子的播种品质，是众多林业工作者的梦想。到目前为止，人们已从雌配子体的内部结构，外部环境，发生、发展及变化过程进行了大量研究[1-10]，得出了许多有价值的结论。本研究从数量遗传学全新的角度，研究遂昌杉木种子园种子播种品质性状的遗传变异性和遗传相关，并对杉木空瘪涩粒形成原因加以验证，在此基础上，提出应对策略，以期为生产单位建立和经营杉木种子园提供参考。

1 材料与方法

2014年10月下旬，在遂昌多系种子园中随机选择20个亲本无性系(表1)，每系在种子园的中心区域挑选1株生长发育完好的样株，从上、中、下3个层次，东、南、西、北4个方位采集球果，种子充分混合，采用直径为15 cm的大培养皿进行发芽试验，重复4次，每个培养皿放随机抽取的种子450～500粒，发芽温度为24 ℃，每天换水。发芽试验结束后，计算每个亲本家系每个培养皿中发芽种子、涩粒种子和空瘪种子的数目，进而计算发芽率、涩粒率和空瘪种子比率。在此基础上，采用原始数据研究3个性状的大小和变异；同时对原始数据进行转化sin-1(x)1/2，采用随机模型进行方差分析，研究播种品质的遗传变异性和遗传相关。

另外，为了检验“涩粒成因的生态假说”，2014年在遂昌杉木双系种子园的第4小区(由龙15和闽33组成，种子园密度4 m×4 m，向阳已郁闭)设置一小试验：①于种子园中心挑选生长发育正常的龙15和闽33样株各1株，进行标号；同时在小区的向阳林缘(风口处)挑选生长发育正常的龙15和闽33样株各1株，进行标号。在种子园完成传粉授精后，于4月底，将全树罩上遮荫率50%的遮荫网。②在林缘风口处，挑选生长发育正常的龙15和闽33样株各1株作对照。于10月下旬分样株采种，种子少的亲本，采用4个培养皿进行发芽试验，种子多的亲本采用8个培养皿进行发芽试验。采用T检验方法来检验处理与对照间的差异。

数据处理在Excel和MATLAB 7.0平台上完成。

2 结果与分析

2.1 杉木多系种子园播种品质分析

2.1.1 杉木家系间播种品质性状的大小与变异 杉木多系种子园20个优亲资料播种品质的大小与变异分析结果见表1。由表1可见，参试亲本家系的播种品质差异显著：发芽率最高的是1269(55.8%)，最低的是阳11(28.4%)，群体平均值为37.5%；涩粒率最高的是C21(54.2%)，最低的是高37(24.5%)，群体平均值为37.8%；空瘪率最高的是阳15(46.4%)，最低的是B13(9.3%)，群体平均值为24.6%。亲本播种品质差异大，供选择的余地很大。

表1 参试亲本家系的播种品质信息

表1(续)

随机模型条件下杉木多系种子园家系播种品质的方差分析结果见表2。由表2可知，参试品种在播种品质间存在极显著的差异，性状表达受到强烈的遗传控制，但也受到环境的影响。由于参试性状具有较高遗传变异性，在生长和适应性改良的基础上，再进行种子品质性状的选择改良，可获得良好的效果，是行得通的一条途径[11，19]。

表2 随机模型条件下杉木多系种子园优亲间的播种品质分析结果

2.1.2 播种品质性状间的相关分析 以亲本家系性状平均值为基础，研究播种品质性状间的简单相关，结果见表3。由表3可见，发芽率与空瘪率呈显著负相关，达到5%的统计水平；空瘪率与涩粒含量呈极显著负相关，达到1%的统计水平；发芽率与涩粒含量有一定负相关，达到10%的统计水平，这一结果与马常耕[4]的研究结果相一致。

表3 杉木播种品质性状间的相关分析

*：*为0.05水平上差异显著；**为0.01水平上差异显著。下同。

从以上结果可以看出，杉木播种品质性状存在较高的遗传控制，同时播种品质彼此间存在负相关，这对种子品质性状的遗传改良极为有利：可以通过提高品种的发芽率来降低涩粒含量，降低空瘪率；相反也可采取某些措施来降低涩粒含量或空瘪率来间接地提高种子的发芽率。

2.2 不同处理种子园播种品质性状的大小与变异

2.2.1 杉木小试试验结果的一般情况 参试龙15和闽33不同处理的播种品质性状大小和变异见表4。由表4可知，同一亲本家系，不同处理，其播种品质有差异；同时同一性状，不同的亲本家系间存在差异。这一结果与表1相同。与林缘风口的样树相比，龙15遮荫发芽率提高1.4%，涩粒率两者基本接近，空瘪率下降1.4%；而闽33遮荫发芽率提高4.7%，涩粒率下降3.6%，空瘪率下降6.0%。与小区中心的样树相比，龙15林缘的发芽率提高7.4%，涩粒率下降达2.3%，空瘪率下降5.2%；闽33林缘的发芽率降低6.8%，涩粒率上升4.3%，但空瘪率下降6.6%。由此可见，同一处理在不同的研究材料间略有差异，这可能与小区中心闽33样树所处的微环境条件有关(如样树周围有缺株等)。

2.2.2 林缘遮荫与不遮荫样树的播种品质比较 林缘风口处遮荫与不遮荫样树在播种品质间的差异见表5。由表5可见，遮荫可显著提高闽33的发芽率，而对龙15的发芽率作用不显著；在涩粒率上龙15和闽33表现一致的结果：差异没有达到统计上显著水平；在空瘪率性状上，遮荫在一定程度上(T10%)可以降低其大小，这在龙15和闽33中是一致的。这是由于对照龙15和闽33位于林缘风口的第1排，而遮荫样树位于风口的第2排，遮荫样树的传粉授精条件要优于非遮荫的样树造成的。

表4 4小区参试龙15和闽33的播种品质性状大小和变异

2.2.3 林缘风口与林分中心样树的播种品质比较 林缘风口与林分中心样树的播种品质间的差异见表6。从表6可见，林缘风口与林分中心样树的播种品质性状间，除了在涩粒率上存在一定差异外，在发芽率和空瘪率上，一致地显示出林缘木显著优越于林分中心木的播种品质。说明该种子园树体交接，林分郁闭已影响到了种子园种子的播种品质，对于4 m×4 m密度的种子园应进入了非遗传性疏伐阶段。这一结果与空瘪涩粒的生态假说是一致的：控制了种子园的结构，就把握了种子园的环境，从而控制了种子的品质。

表5 林缘遮荫与不遮荫样树的播种品质性状间

*：NS为差异不显著。

表6 林缘风口与林分中心样树的播种品质性状间

2.2.4 小试结果的补充说明 由表4～表6可知，“小试”的结果在一定范围内支持杉木涩粒率形成的“生态假说”的观点，但效果不明显。可能由于2014年遂昌夏天气候比较温和，因此推测如果存在一个漫长炎热的夏天，小试的试验结果会更明显。从表7可见，2014年遂昌夏天，不论是在最高气温、平均气温、晴天数等指标上，都显著低于2013年，而降雨量大于2013年。据此，在炎热的夏季，可实施人工增雨作业，通过降雨来降低紫外线辐射和林冠高温对种胚的灼伤。另外在6—7月间进行根外施肥，补充微量元素(如硼、锌等)也可降低涩种含量。

表7 2013—2014年遂昌夏天气候

3 结论与讨论

本试验结果表明，杉木种子园中各亲本家系均存在一定量的涩粒含量和空瘪率，这是一种自然现象。杉木种子品质性状与其它生长数量性状一样，既受环境影响，又受遗传控制，可通过人为措施来降低涩粒含量和空瘪率的大小，但不可能彻底地消灭涩粒含量和空瘪率。传统的观点认为，涩粒系自交产生，空瘪率则是由于亲本间花期不匹配，或传粉期间下雨。因此提出人工辅助授粉做法来降低涩粒含量和空瘪率[7，12-15]。但是关键的措施是通过控制种子园的结构，如在建园时降低杉木种子园密度，将密度4 m×4 m改为5 m×4 m或5 m×5 m，增加种子园内的通透性，增加种子园的授粉机率，从而可以降低涩粒和空瘪种子的比率；人工辅助授粉耗费人力物力和时间，效果有限。

很多学者对涩粒的成因进行了大量的研究，其结果存在学术争议。有的学者认为：自交不亲和[5，16]，营养组织发育异常，败育籽粒在发育早期生物膜结构被破坏，种子败育系控制种子发育的基因(特异蛋白质)在种类、数量和存在的时间上不尽相同，因而导致了特异蛋白的出现及消失[7，17-18]，Tollenaar等提出了种子败育的环境机制：温度、干旱缺水、光照条件(紫外线)、土壤缺乏矿质元素或微量元素等都会造成种子败育。在浙江，7月中旬的高温多雨会影响原胚的发育，而7月下旬的高温干旱和强烈的紫外线会导致大量的胚中途夭折。据此马常耕[4]和迟健[6]提出了杉木涩粒种子形成的生态假说：杉木种子败育是由于受精和幼胚发育期间不适宜的气候因子造成的。但这一假说缺乏试验结果的佐证。为此本研究对这一假说进行验证。结果印证了迟健等[6]的理论推测。

杉木空瘪涩粒是一种自然现象。从数量遗传学的角度看来，任何一个数量性状可表述为：P(表型值)=G(遗传效应)+GE(遗传与环境互作)+E(环境效应)，因此空瘪涩粒形成的生态假说还要发展。不同的种源、林分(包括种子园)和家系间的播种品质性状存在差异，以及多次进行人工控制授粉也不能消灭杉木空瘪涩粒现象，这是遗传因子在发生作用：如孙鸿有等[11]和马常耕[4]研究种子园家系间播种品质性状存在差异便是这一理论的佐证；相同的材料(亲本无性系)在不同的地域建园，表现出不同的播种品质，如何福基[5，12]对西天目山海拔1000 m与400 m的地带以及种子园同一无性系阴坡与阳坡的杉木涩粒进行比较研究，结果均是前者高于后者，这便是这一环境因子影响的佐证；相同的研究材料在不同的地域有截然不同的表现，这是遗传与环境互作的结果(这里的环境包括气候因素和土壤因素)，如何东进等[8]、林思祖等[9]发现不同地域是造成杉木涩粒差异的重要因子，吴承祯等[10]发现杉木种子涩粒存在空间变异性便是这一理论的佐证。数量遗传学理论的模型揭示出，杉木种子空瘪涩粒率大小及变异是由遗传因素、环境因素和遗传与环境互作造成的。这一观点与生态学原理：空瘪涩粒成因是受多因子综合作用，以及最低因子限制原则造成的观点是一致的。对于遂昌县提高杉木种子园播种品质的关键措施是对于树体较小、土地贫瘠的种子园上坡，要注重施肥；而对于种子园土地肥沃的下坡进行非遗传性疏伐，调节种子园的内部结构，改善传粉授精的通气条件，从而达到提高种子品质的目的。

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Genetic Analysis on Seed Sowing Quality Traits of Chinese-fir and Causes Study for their Hollow，Kernel and Woody Seeds

WENG Chun-mei1，QI Ming2，HUA Chao-hui1，LI Zheng-xiang2，BAO Xiao-mei1，LUO Xiu-bao1

(1.ForestryTechnologyExtensionStationofSuichangCounty，Zhejiangprovince，Suichang323300，Zhejiang，China；2.ResearchInstituteofSubtropicalForestryChineseAcademyofForestry，Fuyang311400，Zhejiang，China)

In order to provide good strains with superior growth and better sowing quality for reconstruction of Chinese-fir seed orchard and better operation-management on seed orchard of Chinese-fir to have been built，here，using seed orchards of Chinese-fir in suichang as research materials，by means of quantitative genetic theory，genetic variability and genetic correlations among seed sowing quality traits had been studied.Meanwhile，one little test has been designed for inspection causes about hollow，kernel and woody seed，namely，“ecological hypotheses” to be tested，and the theory of linear models in quantitative genetics had been used，cause theories of hollow，kernel and woody seed of Chinese-fir had been perfected.The research results were that Chinese-fir seed sowing qualities were in a high degree of the genetic control；obvious negative correlation among seed sowing quality traits had been found.It can be concluded that selection and breeding excellent varieties of seed quality traits are possible，secondly，directly reducing the rate of empty，kernel and woody seeds means indirectly raising germination rate of the seed.The results of little test were that cause of hollow，kernel and woody seed rate were affected by a multiple factors and followed the principle of minimum factor limits.This results show that the seed traits improvement will be from genetic perspective，environmental perspective,also from the interaction between genetics and environments.

orchard of Chinese-fir；seed；sowing quality；quantitative genetic theory

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.02.031

2015-06-15；

2015-07-19

浙江省自然科学基金项目(Y306046)

翁春媚(1965—)，女，浙江遂昌人，浙江省遂昌县林业技术推广总站工程师，从事良种推广工作。E-mail：923150374@qq.com。

齐明。E-mail：youqingyi1962@163.com。

S791.27；S722

A

1002-7351(2016)02-0160-06