王 芳，孙 彬，杨雨春，王 君，刘 旭，陆志民，杨 玲，张嘉峰，许经华
（1.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130000；
2.吉林农业大学，吉林 长春 130000；
3.吉林省永吉县林木种子站，吉林 吉林 132000）
水曲柳Fraxinus mandshuricaRupr.属木犀科Oleaceae梣属Fraxinus植物，高大落叶乔木，树高可达30 m，胸径可达1 m，是我国东北地区主要造林树种之一，与胡桃楸、黄菠萝并称为“东北三大硬阔”[1]。水曲柳主要分布于我国的东北、华北、陕西、甘肃、湖北等地，朝鲜半岛北部、俄罗斯远东以及日本北部也有分布[2]。水曲柳树干端直，材质坚硬致密，纹理美观，可用于建筑、家具、飞机、造船、运动器材及土木工程等，是重要的用材树种，同时由于其树形优美，高大挺拔，树干通直度好，适应性强，也是优良的绿化和观赏树种[3]。目前对水曲柳的研究有很多，主要集中在其生理学[4-6]生态学[7-9]和繁育技术[10-12]等方面，水曲柳遗传改良方面的研究主要是通过种源试验来确定优良种源[13]，通过子代测定来选择优良家系及在优良家系中选择优良单株目前报道较少。
育种目标是育种工作的依据和指南，指导遗传改良工作的进行。林木树种大多是用材树种，因此多以生长性状为育种目标，研究生长性状的遗传变异是筛选优良群体及个体的重要内容，对林木生长性状研究较多，国内外均有报道。Liang[14]等对50个32年生红松无性系的16个生长性状进行研究，以树高、胸径、材积和平均冠宽为综合评价指标，筛选出5个生长性状优良的无性系。Doran[15]等对重要的用材树种白木Endospermum medullosum的生长性状遗传变异参数进行分析，用以指导后期根据育种目标通过循环选择获得生长性状的经济收益。目前，随着科技的发展及实际生产的需要，林木育种已从注重生长过渡到多目标育种[16]。本研究以吉林省吉林市永吉县西洋镇水曲柳试验林内的67个11年生水曲柳半同胞家系为材料，对其8个性状的遗传变异进行分析，分别从生长和绿化2个育种方向选出优良家系并在优良家系中选出优良单株，以期为造林生产或园林绿化提供优质材料。
1.1 试验地点与材料
试验地位于吉林省吉林市永吉县西阳镇（125°51′40″E，43°20′37″N），海拔487 m，温带大陆季风气候，暗棕壤，年平均降水量464.5 mm，年平均气温4.8℃，年平均有效积温2 700℃，无霜期120～130 d。试验材料共67个家系，其中1个家系为当地种子，作为对照，编号为FM1；
其余66个家系来源于辉南榆树岔林场天然林中水曲柳优树的种子，编号为FM2～FM67。所有种子于2010年春季育苗，2012年营建幼龄林，试验地采用完全随机区组设计，30株小区，3个区组，株行距为2 m×2 m，周边设置保护行。
1.2 试验方法
2021年9月，对67个11年生水曲柳半同胞家系的树高、胸径、当年高生长量、冠幅、枝下高、分枝角和分枝数等性状进行单株调查。树高、枝下高和当年高生长量测量参照文献[17]；
胸径和分枝角测量参照文献[18]，冠幅测量参照文献[19]，分枝数测量参照文献[20]。水曲柳立木材积计算公式[21]：
式中：f∍= 0.40，H为树高，DBH为胸径，f∍为水曲柳平均实验形数。
1.3 数据处理
采用Excel 2016软件对所有数据进行整理并利用相应公式进行综合评价，采用SPSS 19.0软件进行方差分析、变异系数分析、相关分析及主成分分析。各性状的方差分析模型[19]为：
式中：Xijk表示家系i在区组j中水曲柳单株k的表型，μ表示总体平均值，ai表示家系效应，bj表示区组效应，abij表示家系和区组互作的效应，eijk表示误差。
表型变异系数（PCV）公式[22]为：
式中：Pcv表示某一性状的表型变异系数，表示某一性状的方差分量，表示某一性状的总体平均值。
一般配合力公式[24]为：
式中：GCA为亲本的一般配合力，为亲本的某个交配组合在某个性状的子代平均值，μ为这个性状所有组合的子代总平均值。
对这些性状进行主成分分析，得出各主成分特征值，λ1≥λ2≥λ3……≥λp≥0，提取特征值大于1的前m个主成分[25]，相应成分载荷系数与其特征值的平方根的比值为特征向量ej，即可得到主成分第j个主成分的方差贡献率为，累计方差贡献率为[26]。
表型相关分析的公式[27]为：
式中：rp12表示性状1与性状2的表型相关系数，Covp12表示性状1与性状2的协方差，分别表示性状1与性状2的表型方差。
采用布雷金多性状综合评定法对各家系和单株进行综合评定，公式[23]为：
式中：Qi表示综合评定值，Xij表示某一性状的平均值，Xjmax表示某一性状的最优值，n表示所要评价的性状个数。
遗传增益的公式[28]为：
式中：ΔG表示某一性状的遗传增益，W表示选择差，R表示某一性状的遗传力，表示某一性状的平均值。
2.1 各性状方差分析
67个家系各性状的方差分析结果见表1。结果显示，各性状在不同家系间、不同区组间、不同家系与区组的互作间均达到极显著差异水平（P＜0.01）。
表1 各性状方差分析Table 1 Variance analysis of each trait
2.2 各性状遗传变异分析
67个水曲柳家系的树高、胸径、材积、当年高生长量，以及枝下高、冠幅、分枝角和分枝数等共8个性状的变异参数见表2。所有家系树高的平均值为4.31 m，变幅为3.81～4.81 m；
胸径的平均值为3.82 cm，变幅为3.25～4.48 cm；
材积的平均值为0.004 0 m3，变幅为0.002 8～0.005 5 m3；
当年高生长量的平均值为0.78 m，变幅为0.71～0.86 m；
枝下高的平均值为1.00 m，变幅为0.91～1.16 m；
冠幅的平均值为1.08 m，变幅为0.84～1.39 m；
分枝角的平均值为41.76°，变幅为38.52°～45.28°；
分枝数的平均值为7.31个，变幅为5.81～9.23个。
表2 各性状的平均值及遗传变异系数Table 2 Means and genetic variation coefficients of each trait
各性状表型变异系数变化范围为21.83%～80.03%，其中材积的表型变异系数最大，为80.03%；
其次为冠幅与分枝数，变异系数均在45%左右；
树高、胸径、当年高生长量、枝下高和分枝角的变异系数在20%～35%之间。各性状家系遗传力的变化范围为0.23～0.58，树高、胸径、材积和当年高生长量的家系遗传力分别为0.26、0.29、0.23和0.40，枝下高、冠幅、分枝角和分枝数的家系遗传力分别为0.29、0.39、0.35和0.58。各性状单株遗传力较家系遗传力小，变化范围为0.03～0.14，树高、胸径、材积和当年高生长量的单株遗传力分别为0.05、0.06、0.04和0.05，枝下高、冠幅、分枝角和分枝数的单株遗传力分别为0.03、0.09、0.05和0.14。
2.3 各性状的一般配合力分析
各性状的一般配合力见表3。树高的一般配合力变化范围为-0.50～0.49，胸径的一般配合力变化范围为-0.57～0.66，材积的一般配合力变化范围为-0.001 2～0.001 6，当年高生长量的一般配合力变化范围为-0.07～0.08，枝下高的一般配合力变化范围为-0.09～0.16，冠幅的一般配合力变化范围为-0.23～0.31，分枝角的一般配合力变化范围为-3.24～3.52，分枝数的一般配合力变化范围为-1.50～1.92。其中家系FM62、FM12、FM16和FM24的亲本树高、胸径、材积和当年高生长量的一般配合力较高，家系FM13、FM26的亲本冠幅、分枝角和分枝数的一般配合力较高，家系FM7的亲本枝下高的一般配合力最高。
表3 各家系亲本不同性状的一般配合力Table 3 General combining ability values of different traits in each family parent
续表3Continuation of table 3
2.4 主成分分析
各性状主成分分析结果见表4。特征值大于1.00的主成分有2个，即主成分I和主成分Ⅱ。主成分I特征值为4.22，贡献率为52.76%，树高、胸径、材积和当年高生长量的载荷量较高，分别为0.906、0.942、0.916和0.843；
主成分Ⅱ的特征值为1.01，贡献率为12.68%，枝下高、冠幅、分枝角和分枝数载荷量的绝对值较高，分别为0.412、0.729、0.504和0.172。2个主成分的累计贡献率为65.44%，主成分I包含了生长性状的主要信息，主成分Ⅱ包含了形质性状的主要信息。
表4 各性状主成分分析Table 4 Principal component analysis of each trait
2.5 相关分析
不同性状间的相关系数见表5。从生长性状来看，树高、胸径、材积和当年高生长量的各性状间均达极显著正相关水平（0.201～0.958），其中树高、胸径和材积3个性状间的相关性较高，相关系数均超过0.800。从形质性状来看，枝下高、冠幅、分枝角和分枝数各性状间也均达极显著正相关水平（0.066～0.603），其中冠幅和分枝数的相关性最大（0.603），接下来依次为分枝角与分枝数（0.409），分枝角与冠幅（0.255），枝下高与冠幅、分枝角和分枝数的相关性较小，相关系数均低于0.100。对比生长性状与形质性状，呈极显著正相关（0.035～0.756），其中形质性状中的冠幅与生长性状树高（0.705）、胸径（0.756）、材积（0.720）和当年高生长量（0.306）的相关性均较大。
表5 不同性状间的相关性分析†Table 5 Correlation analysis of different traits
2.6 优良家系选择
根据主成分分析结果与相关分析结果，以树高、胸径、材积和当年高生长量作为评价指标对67个水曲柳半同胞家系进行综合评价，选择生长性状优良的家系；
同理，以枝下高、冠幅、分枝角和分枝数作为评价指标进行综合评价，选择形质性状优良的家系。各家系的综合Qi值见表6，以10%的入选率进行选择，FM16、FM24、FM22、FM12、FM29、FM62和FM44被选为生长性状优良的家系，入选家系的树高、胸径、材积和当年高生长量的平均值分别为4.60 m、4.26 m、0.005 1 m3和0.79 m，分别比对照高出0.30 m、0.23 m、0.001 4 m3、0.04 m，遗传增益分别为1.74%、3.35%、6.48%和0.27%（表7）。FM16、FM4、FM12、FM24、FM17、FM33和FM26被选为形质性状优良的家系，入选家系的枝下高、冠幅、分枝角和分枝数的平均值分别为1.01 m、1.25 m、43.05°和8.49个，分别比对照高出0.08 m、0.07 m、1.61°和0.98个，遗传增益分别为0.30%、6.51%、1.08%和9.44%（表7）。FM16、FM12和FM24的生长性状和形质性状均优良。
表6 不同家系Qi值Table 6 Qi values of different families
表7 优良家系各性状的遗传增益Table 7 Genetic gain of each trait in superior families
2.7 优良单株选择
在选出的生长性状优良的7个家系和形质性状优良的7个家系中同样利用多性状综合评价方法进行优良单株选择，以1%的入选率分别选出6个优良单株。生长性状优良的单株为FM22-3-5、FM24-3-17、FM24-3-20、FM44-3-5、FM24-3-12和FM24-3-14（表8），入选单株的树高平均值为6.07 m，遗传增益为1.59%；
胸径的平均值为8.58 cm，遗传增益为6.09%；
材积的平均值为0.021 4 m3，遗传增益为12.73%；
当年高生长量的平均值为1.00 m，遗传增益为1.33%（表9）。形质性状优良的单株为FM16-1-3、FM12-1-3、FM4-1-7、FM12-1-13、FM4-1-15和FM4-1-1（表8），入选单株的枝下高的平均值为1.45 m，遗传增益为1.31%；
冠幅的平均值为2.42 m，遗传增益为8.36%；
分枝角平均值为61.67°，遗传增益为2.16%；
分枝数的平均值为15.33个，遗传增益为11.27%（表9）。
表8 优良家系中各单株的Qi值†Table 8 Qi values of individual plants in superior families
表9 优良单株各性状的遗传增益Table 9 Genetic gain of each character of superior individual plant
遗传和变异是林木良种选育研究的重要内容，对其变异来源、变异显著性的认识是进行树种改良的基础[29]。本研究以11年生水曲柳优树子代半同胞家系为材料进行方差分析，结果显示测得的所有性状均在不同家系间达到极显著差异水平，说明通过表型选择得到的优树后代仍分化明显，有必要通过遗传测定进一步选出生产力更高的优良家系[30]。各性状在不同区组间也达到极显著差异水平，说明植物表型不仅受遗传因素控制，也受环境影响，这与张秦徽等[18]对红松半同胞家系的变异分析结果相似。
变异系数和遗传力是遗传测定中2个重要的参数，其高低反映了样本的差异情况以及这种差异遗传给下一代的能力[16,28]。本研究中各性状表型变异系数为21.83%～80.03%，家系遗传力为0.23～0.58，变异系数及遗传力均较高，这与Xia等[31]对长白落叶松半同胞家系和王芳等[18]对红松半同胞子代的研究结果相似，高变异系数和高遗传力为优良家系的选择提供了基础。本研究中，水曲柳各性状单株遗传力为0.03～0.14，小于家系遗传力，这与沈乐等[32]对尾巨桉杂交种Eucalyptus urophylla×E.grandis、翟思万等[33]对华山松Pinus armandii、刘青华等[34]对马尾松Pinus massoniana的研究结果一致。
林木育种过程中，为生产遗传型最好的子代，需要利用一般配合力来确定优良亲本进行有性繁殖[35]。本研究对67个水曲柳半同胞家系的各性状进行一般配合力分析，树高、胸径、材积和当年高生长量一般配合力较高的家系为FM62、FM12、FM16和FM24，冠幅、分枝角、分枝数一般配合力较高的家系为FM13和FM26，枝下高一般配合力较高的家系为FM7，可以根据不同的育种目标选择合适的亲本[36]。赖佳等[37]发现自交系P4的蛋白质含量、维生素C含量、干物质和可溶性糖含量的一般配合力均较高，因此可选择该亲本作为其营养品质性状杂交改良的优良材料。
育种目标决定育种方法和选择手段[19]，水曲柳不仅木材材质优良，是重要的用材树种，也是优良的绿化和观赏树种[3]，因此可根据生长性状和园林绿化2个育种目标对水曲柳进行分开选择。主成分分析法可以简化选优指标、精简选择程序、克服人为的主观误差，使选择结果更准确[25]。相关分析可以反映各性状之间的联系，可与主成分分析法相结合为多性状联合控制育种提供参考[38]。本研究对水曲柳8个性状进行主成分分析，提取出2个主成分，主成分Ⅰ中的树高、胸径、材积和当年高生长量的特征值较大，贡献率较高，可代表生长量相关信息；
主成分Ⅱ中枝下高、冠幅、分枝角和分枝数特征值较大，贡献率较高，可代表形质性状相关信息。两个主成分中各性状之间呈极显著正相关关系，因此利用多性状综合评价法，分别以10%的入选率筛选出7个生长性状优良的家系和7个形质性状优良的家系，入选生长性状优良家系的树高、胸径、材积和当年高生长量的遗传增益分别1.74%、3.35%、6.48%和0.27%。与栾柯权[21]对水曲柳子代测定的研究结果相比，材积的遗传增益较小，这可能是由于2个研究选择的材料来源不同，同时材料的树龄也不同，本研究水曲柳子代测定株为11年生，栾柯权的研究材料为16年生。入选形质性状优良家系的枝下高、冠幅、分枝角和分枝数的遗传增益分别为0.30%、6.51%、1.08%和9.44%，这与芦贤博等[17]对6年生胡桃楸Juglans mandshuricaMaxim.的研究结果相似。其中，FM16、FM12和FM24的生长性状和形质性状均优良，既可用于培育出材量大的大径材林，也可用于培育树形优美用于园林绿化的苗木。筛选出的优良家系也可反映其亲本的优良特性，可根据育种目标，为1.5代种子园的营建提供理论支持。在选择优良家系的同时还筛选出优良单株，以1%的入选率分别筛选出6个生长性状优良单株和6个形质性状优良的单株。入选生长性状优良的单株树高、胸径、材积和当年高生长量的平均值分别为6.07 m、8.58 cm、0.021 4 m3和1.00 m，遗传增益分别为1.59%、6.09%、12.73%和1.33%；
入选形质性状优良的单株枝下高、冠幅、分枝角和分枝数的平均值分别为1.45 m、2.42 m、61.67°和15.33个，遗传增益分别为1.31%、8.36%、2.16%和11.27%。选出的优良家系和优良单株可作为水曲柳优良种质材料推广使用。
本研究存在一定的局限性，主要表现在两方面：1）树龄较小，研究所选的试验材料为11年生水曲柳苗木，树龄对优良家系和优良单株的选择有一定影响；
2）种源单一，本研究所选的材料均属于辉南榆树岔种源，选出的优良家系和优良单株具有局限性。
基于此，下一步的研究方向为：1）随着树龄的增长，继续对水曲柳的生长及形质性状进行调查分析，进行早期选择，确定其最佳的早期选择年龄，从而缩短选择时间与周期，加快改良进程；
2）增加种源数量，对现有的水曲柳种源试验林进行种源选择，选择优良种源，为不同地区确定造林用的适宜种源，同时在优良种源中选择优良家系和优良单株，优中选优，为实际生产提供更适合的良种。
水曲柳不仅是优良的用材树种，也是重要的园林绿化和观赏树种，因此对水曲柳的评价选择应从多方面、多角度进行。但由于水曲柳生长缓慢，有性繁殖周期长，扦插、嫁接和体胚等无性繁殖成活率低，因此研究进展较为缓慢。本研究以水曲柳良种选育为目的，通过主成分分析法将8个性状归类为分别代表生长性状和形质性状两类，最终结合相关性分析，利用多性状综合评价法，分别筛选出7个生长性状优良的家系和7个形质性状优良的家系，又从选出的优良家系中分别筛选出6个生长性状优良的单株和6个形质性状优良的单株。入选的材料优势明显，各性状遗传力较高，为水曲柳推广应用提供了基础；
通过筛选得到的一般配合较高的亲本，可通过杂交育种增加提高子代相应性状杂种优势的概率。