广西马尾松高世代育种策略研究

我国马尾松(Pinus massoniana)育种已进入高世代改良阶段,但因起步较晚,缺乏指导多世代改良的育种策略,存在育种体系不完善、育种材料管理不规范等问题。本研究基于广西马尾松第一代改良取得的研究成果与经验,将马尾松自身特点与改良现状相结合,制定出创新度高、计划周详、开放灵活、操作性强的多世代育种策略,创新育种群体的亚系结构划分方法,使之具有兼顾多性状改良、发挥优异育种材料优势、控制近交发生等优点,并对育种材料规划管理、高世代改良的遗传设计、测定方法、选择标准与方法、杂交育种园建立方法、生产性种子园建立策略等方面进行分析阐述,形成了广西马尾松高世代育种策略的主体构架,在有效管理马尾松育种资源、充分发挥优质育种材料优势、控制多世代育种近交水平、建立马尾松高世代杂交育种基地与高世代种子园、提供多用途高品质马尾松良种等方面,具有重要的指导价值。

广西马尾松第2代育种群体的组建

【目的】基于广西马尾松第1代育种群体的8片20年生及以上的子代测定林测定试验,在综合评价育种目标性状与遗传多样性的基础上,选择建立马尾松第2代育种群体,为马尾松高世代育种研究提供重要材料。【方法】采用SAS分析软件依据线性模型对子代生长量数据进行统计分析,并据此进行第2代优树选择。采用SSR分子标记对第2代优树进行遗传多样性分析、亲本分析及遗传距离估算,根据优树间遗传距离对第2代育种群体进行结构划分。【结果】在参试的子代测定林中,参试家系间在生长性状上均达到极显著差异;多数子代林的材积指标家系遗传力处于中等以上水平(h^2≥0.2),适于开展优良家系选择。基于此,采用配合选择与单株选择相结合的方法选择出第2代育种群体材料163株,平均遗传增益为21.95%。采用16对SSR引物对该第2代育种材料进行遗传多样性研究,16个位点共检测到45个等位变异。每个位点平均观察等位基因数(NA)为2.7,多态率为100%;平均有效等位基因数(Ne)为1.54;Shannon多样性指数(I)平均为0.49;平均观测杂合度(H_o)为0.32。采用Coancestry Version 1.0软件计算出第2代育种群体的平均共祖系数为0.042,育种群体状态数为11.9;根据16对SSR引物的扩增结果,采用CERVUS2.0软件对构建的第2代育种群体材料进行父本分析,发现在包含163个优树的第2代群体中,有57个个体在置信度95%的情况下可以确定父本,另有102个个体在置信度80%的情况下能够确定父本。为了有效避免高世代杂交育种过程中发生近交,以遗传距离为指标对第2代育种群体材料进行聚类,根据距离聚类结果将163个体划分为10个亚系,编号为桂GC2-A—桂GC2-J。在建立马尾松第2代种子园时,拟采用以下策略:从每个亚系中选择一定数量的最佳无性系作为精选群体建园;在进行下一代杂交育种时,进行亚系间的交配,使育种群体整体的近交程度保持在一个相对较低的水平。【结论】根据研究结果初步建立了由163株优树组成的广西马尾松第2代育种群体。该群体具有较高的遗传多样性,个体间的近交程度较低。根据遗传距离对第2代育种群体进行亚系划分,设计出"系间杂交、系内慎交"的高世代杂交育种策略,可有效避免近交,为有计划地开展马尾松高世代杂交育种奠定基础。

马尾松谷胱甘肽过氧化物酶PmGPX基因的克隆及表达分析

克隆获得马尾松Pinus massoniana PmGPX基因,进行生物信息学分析以及在不同抗虫材料表达模式分析。在前期马尾松转录组测序获得该基因片段基础上,用cDNA末端快速扩增(RACE)技术获得基因全长,实时荧光定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)技术分析该基因在不同抗虫材料中的表达模式。克隆获得基因cDNA全长序列,命名为PmGPX。该基因包含741 bp开放阅读框,编码246个氨基酸。序列分析表明:该基因具有GPX家族典型的保守结构域,等电点PI 8.29,蛋白分子量27.08 kDa,与针叶植物北美云杉Picea sitchensis的同源性较高,为91%。与单子叶和双子叶植物同源性较差,大部分在64%~80%,而在GPX家族典型保守结构域的同源性较高,为82%~100%。qRT-PCR技术分析表明:PmGPX在所有组织中均有表达,在针叶中表达量最高,嫩叶的表达量是根的33.45倍,在根、花和球果中的表达量较低,不同材料日表达模式相似,总体上随时间出现"升—降—升"模式。该基因在抗虫材料中启动较早,且表达量高于对照。推测该基因参与了马尾松抗虫防御体系。

马尾松改良种子园早期评价与选择

对马尾松(Pinus massoniana)改良代种子园8年生子代测定林进行早期选择与评价。结果表明,35个半同胞家系的胸径、树高和材积性状差异达到显著或极显著水平,家系平均材积比初级种子园混系(对照)高52.55%,大于该对照材积10%以上的家系有34个,占参试家系个数的97.11%;采用独立淘汰法进行选择,按材积超过对照材积40%进行家系选择,选择出14个优良家系平均胸径、树高和材积分别为14.21 cm、8.12 m和0.074 1 m^3,比对照分别高18.25%、6.46%和55.55%,材积遗传增益3.90%,并结合优良家系和材积排名,选出34株候选优树。

马尾松叶绿体基因组测序及特征分析

马尾松(Pinus massoniana)是我国南方重要的用材树种。为丰富马尾松基因组信息,弄清松属植物内部亲缘关系,本研究通过高通量测序技术对马尾松叶绿体基因组进行测序和组装,并对其进行特征分析和聚类关系研究。生物信息学分析结果表明,马尾松叶绿体基因组序列全长119 743 bp,GC含量为38.54%;共注释得到126个基因,包括84个蛋白编码基因,38个tRNA基因和4个r RNA基因,其结构无典型的反向重复序列;共检测到15个散在重复序列和26个串联重复序列;蛋白编码基因对应的密码子偏好使用A/T碱基,并且编码亮氨酸的密码子使用频率最高,编码半胱氨酸的密码子数最少。系统发育研究表明,马尾松与拉雅松(Pinus crassicorticea)亲缘关系最近,与湿地松(Pinus elliottii)和两个南亚松(Pinus latteri)亲缘关系较远。研究结果建立了适于松属植物完整叶绿体基因组组装及其特征分析的方法,对叶绿体基因组工程研究及松属种间的分子标记开发具有一定的参考价值,为松属植物的进化和系统发育提供方法指导。

马尾松改良代种子园不同家系苗期生长差异分析

以马尾松(Pinus massoniana)桐棉种源改良代种子园15个优良家系苗木为材料,研究不同家系在9个月培育期间,苗高、地径、根系以及生物量之间的生长规律及差异,以及营养杯对苗木生长的影响。结果表明,所有家系苗期生长均表现为"慢-快"趋势的生长规律,家系间种子发芽率、苗高、地上干鲜重、总干鲜重、地上干重达到极显著差异水平,家系间地径未达到显著差异,营养杯大小对苗木高度和长根系影响较大,综合选择20、28、31、40、42、49号为生长最优家系。

马尾松优良家系入选率对遗传增益的影响

马尾松(Pinus massoniana)优良家系选择是选育马尾松良种的重要环节。该研究以马尾松初级种子园的10组自由授粉子代测定试验为研究材料,根据家系材积均值和家系内材积变异系数设置不同的选择强度,以研究不同选择策略对家系选择效果的影响。研究结果表明:随着入选率的扩大,家系选择所得到的遗传增益逐渐降低,但入选的家系数量明显增加。为保证获得足够的遗传增益,家系入选率应不大于20%。变异系数40%的入选率与30%的入选率相比,遗传增益下降0.57%,变异系数增加2.82%,而入选家系数目增加了9.8%～15.5%。说明适当放宽变异系数的入选率可以大量增加入选家系量,而在遗传增益和变异稳定性上的损失却不大。

牛大力种源在马尾松林下套种的生长评价

以种植于马尾松(Pinus massoniana)林下的牛大力(Millettia specisoa)种源为研究对象,通过对2年生的生长数据进行统计分析,评价马尾松林下牛大力的生长情况,并初选适于南宁地区种植的优良种源。研究结果表明,马尾松林下2年生牛大力地上部分蔓长平均值为445.82 cm,地径平均值为1.06 cm,蔓重平均值为1.31 kg;地下部分平均根数为5.91根,平均根长为85.02 cm,单株最大根径平均为1.80 cm,单株总根重量平均为440.22 g,单根平均重量的均值为79.58 g,牛大力在马尾松林下生长良好,牛大力不同种源间生长差异显著。通过主成分降维分析,将9个生长指标综合为地下部分生长量、蔓长生长指标、器官分生能力指标、水分及干物质积累指标4个主成分。基于此初选出上林种源、浦北种源为优良种源。

广西细叶云南松森林资源动态分析

利用1956年至2013年近60年间广西森林资源连续调查监测数据,对细叶云南松(Pinus yunnanensis var.tenuifolia)资源的数量、质量变化进行动态分析,结果表明:在1956~2013年近60年间,细叶云南松林资源总体呈下降趋势,且减少趋势随时间推移愈发明显,面积从1.48万hm^2下降到不足0.3万hm^2,年均递减0.046万hm^2,蓄积量从227.64万m^3下降到28.75万m^3,年均递减3.55万m^3。大径组和特大径组林木蓄积所占比例急剧减少。受连年持续干旱及松小蠹虫危害,损失面积由占总面积的8.55%升高到77.89%。次生幼林是现阶段细叶云南松林分的主要组成形式,表明细叶云南松林的数量和质量在总体上结构低质化倾向愈加显著。人为过度干预、森林火灾、虫害及连年干旱是细叶云南松林资源的数量持续减少、林分质量下降、资源濒临枯竭的主要原因。

基于主成分分析法的广西人工林土壤肥力评价

针对土壤类型和气候类型,将广西全区林地分为7个区域,根据1983~2020年全区人工林土壤数据库中的土壤调查数据,研究了不同区域土壤pH值、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾以及微量元素有效铜、有效锌、有效锰、有效铁和有效硼的含量,对比近5年和以往30年历史数据,采用主成分分析法评价了各分区土壤肥力等级。结果表明:35年来,全区人工林土壤肥力有效提升,红壤东、西区和南亚热带赤红壤区土壤肥力排前3,精准施肥、测土配方施肥技术是确保林业高质量发展的有效手段。

林分密度及立地条件对湿加松生长与产脂的影响

通过对广西国有博白林场14年生湿加松进行采脂密度试验,分析林分密度及立地条件对湿加松生长和产脂量的影响。结果表明:湿加松不同密度之间生长和产脂量存在较大差异,立地条件对生长及产脂量也呈现出显著的差异性。在不同的保留密度试验中,胸径和枝下高的密度效应最明显,树高次之;林分平均胸径随林分密度增加而减小,枝下高与树高则是随林分密度增加而升高,保留密度为1 125株/hm2林分蓄积最大;5种不同林分密度下产脂量的差异显著,单株产脂量随胸径增加而增加,林分产脂量随密度增加呈先升后降趋势,以900株/hm2密度产脂量最大;综合单位面积蓄积量与松脂产量,林分密度900~1 125株/hm2为宜。

加勒比松松脂组分分析及高特征组分无性系选择

【目的】分析加勒比松松脂组分特点,选育松脂中高含高附加值组分的加勒比松无性系材料,为松脂原料林营建、松脂高特征组分定向培育及松脂组分改良提供依据。【方法】通过钻孔法收集加勒比松松脂,使用气相色谱—质谱联用(GC—MS)、气相色谱(GC)分析松脂的组分和相对含量。根据独立样本t检验、Pearson相关性分析等方法分析松脂组成及含量特点。采用聚类分析对加勒比松无性系分类并选择高含高附加值组分无性系材料。【结果】根据松脂组分不同将加勒比松无性系分为两大类,第1类加勒比松无性系松脂中共检测和鉴定出18种组分,其中单萜8种(α-蒎烯、莰烯、香桧烯、β-蒎烯、月桂烯、α-水芹烯、β-水芹烯和萜品油烯),树脂酸组分8种(海松酸、湿地松酸、山达海松酸、异海松酸、长叶松酸/左旋海松酸、脱氢枞酸、枞酸和新枞酸)。第2类无性系的松脂中比第1类多出3-蒈烯这一组分。共筛选出松脂中高含α-蒎烯、β-蒎烯、β-水芹烯和单萜组分的无性系材料各8、7、6和5份。其中α-蒎烯高含量组的平均相对含量为33.158%,高出平均值30.605%;β-蒎烯高含量组的平均相对含量为11.148%,高出平均值187.913%;β-水芹烯高含量组的平均相对含量为23.768%,高出平均值57.990%;单萜高含量组的平均相对含量为53.312%,高出平均值15.366%。【结论】首次发现松脂中3-蒈烯组分含量较高的加勒比松无性系3个。筛选出的高含组无性系松脂中,高含组分的相对含量均显著高于其对应的平均值,对于松脂原料品质的提升具有一定的研究潜力和应用价值,对松脂组分定向培育和松脂组分改良有较好的指导意义。

巴哈马加勒比松种源间产脂能力变异

以26年生加勒比松巴哈马(Pinus caribaea var.bahamensis)变种种源试验林为材料,开展产脂能力评价研究。通过分析种源间产脂能力变异情况,研究该变种加勒比松的产脂改良潜力,并选择适于在广西南部种植的高产脂材料。研究结果表明,参试种源在产脂力及胸径指标上存在极显著差异,在树高上存在显著差异,具有较大的改良潜力。巴哈马变种产脂力平均值为8.82 g/d,高出马尾松(Pinus massoniana)对照47.63%,是一种优质的高产脂树种。根据分析结果,初步评价出材脂兼用优良种源By fields与优良家系Crdwell;并选择出3株高产脂优树,实际改良增益可达46.92%。