杂交育种是植物遗传改良的一种有效手段和主要途径, 是目前最有成效的育种方法之一(李周岐等, 2001a), 在植物改良实践中得到广泛应用(李善文等, 2004; 马常耕, 1995; Huber et al., 1991; King et al., 1997)。通过杂交育种可以创制新的种质(赵志立等, 1995; 王明庥, 2001), 而亲本选配则影响杂交育种的成效(张爱民, 1994)。自从1942年Sprague和Tatum(1942)在玉米(Zea mays)杂交育种研究中首次提出2类配合力的概念以来, 配合力分析在植物杂交育种研究中得到了普遍应用(张向群, 1987; 李周岐等, 2001b), 已成为选择亲本和评价杂交组合的重要依据(张爱民, 1994)。通过杂交子代遗传测定, 可以估算亲本无性系的育种值, 用于后向选择, 即作为对原建种子园无性系留优去劣的依据, 或用于前向选择, 即在全同胞优良家系中优选个体为高世代遗传改良提供育种材料(王明庥, 2001)。此外还可了解该树种重要性状的基因作用方式, 制订出有效的遗传改良方案等(齐明, 1996)。开展不同遗传交配设计的杂交育种, 旨在根据某一树种不同的培育目标, 创制高产优质高抗新品种。在用于亲本配合力分析的交配设计中, 双列杂交在杉木(Cunninghamia lanceolata)等树种中应用较广(叶志宏等, 1991; 李周岐等, 2001a), 而测交系设计应用较少(耿继斌, 2001)。马尾松(Pinus massoniana)杂交育种研究起步较迟, 目前只有作者所在研究组对马尾松纸浆材重要经济性状配合力及杂种优势进行了分析(周志春等, 2004), 报道了马尾松不同种源优良无性系6×6全双列交配的7年生遗传测定林的分析结果, 发现树高、胸径和材积生长、干物质积累及木材基本密度等纸浆材主要经济性状的一般配合力和特殊配合力效应极为显著, 生长性状普遍存在自交衰退现象, 一般配合力小的亲本自交衰退程度有增加的倾向, 不同交配组合间的杂种优势差异巨大, 正反交杂种优势在总体上大致相似。

自1992年以来, 根据地理上远距离杂交可能产生杂种优势的理论, 作者所在研究组利用浙江省淳安县姥山林场马尾松育种园收集保存的不同产地无性系, 采用全双列、分组不连续半双列、测交系、巢式等多种交配设计进行杂交制种, 并获得相应杂交组合种子, 分别在浙江省淳安县姥山林场、富溪林场, 建德市建德林场, 桐庐县分水镇和福建省建瓯市等地共营造各种双亲子代测定林10批20多片。不同的交配设计各有优缺点与特定用途, 测交系既能估算杂交亲本的一般配合力与特殊配合力, 又能提供部分没有亲缘关系的子代。本文利用设在浙江省淳安县姥山林场的2份测交系遗传测定林材料, 以估算亲本的配合力, 分析性状的遗传方式, 评价杂交亲本和组合, 为马尾松高世代育种和种内杂种优势利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

浙江省淳安县姥山林场马尾松育种园共收集来自南方11个省区1 000多个优树无性系。1986—1988年嫁接, 1992年起有大量的无性系开花结实。分别于1992年和1993年开展测交系交配设计杂交制种。其中1992年随机选择生长正常的4个父本(测交无性系)和12个母本(待测无性系)进行测交, 1993年则基于优树子代测定结果, 选择4个生长优良的无性系为父本, 15个生长良好的无性系为母本开展侧交设计的杂交制种。随后3年分别育苗, 并在姥山林场营造测交系子代测定林2片, 具体情况详见表 1。造林试验采用完全随机区组设计, 8株小区, 5次重复。试验林位于119°03′E, 29°37′N, 海拔250~300 m, 年平均气温17 ℃, ≥10 ℃的年积温为5 410 ℃, 年降水量1 430 mm, 年日照1 951 h。在育苗与造林时, 用浙江省淳安县当地天然优良采种林分子代作对照(CK), 2片试验林10年与11年生时进行每木调查。

1.2 统计分析

依据测定的树高、胸径与按公式V=0.000 062 341 803×D_1.3^{1.855 149 7}×H^{0.956 824 92}估算的单株材积数据进行统计分析。在统计分析前, 采用拉依达准则(±3σ准则)剔除异常数据(李力等, 2000a; 2000b)。缺区值则用该处理平均数替代, 如缺组合则用该组合双亲平均数替代(洪昌端等, 1992)。以试验小区平均值为单元, 采用SAS软件包中的GLM程序进行方差分析以检验不同杂交组合间的遗传差异显著性。若杂交组合效应显著, 按NCⅡ方法进行配合力分析, 以组合平均数进行配合力方差分析, 按模型Ⅰ(固定模型)估算一般配合力(GCA)和特殊配合力(SCA)效应值等, 按模型Ⅱ(随机模型)估算遗传方差分量和遗传力等(沈熙环, 1990; 朱军, 1997; 续九如, 2006)。

2 结果与分析 2.1 主要生长性状的遗传差异

表 2方差分析表明, 所测试的2份材料中组合间、母本间和母本×父本间在树高、胸径和材积各性状中均存在着极显著的差异, 父本间除材料Ⅱ的树高和材积性状差异达显著水平外, 材料Ⅰ的各性状和材料Ⅱ的胸径均达到极显著水平。这说明通过马尾松种内不同产地无性系间杂交, 可为下一世代的育种创造出变异丰富的基本群体, 使创制和筛选优良杂交组合成为可能。

2.2 一般配合力效应与亲本评价

亲本在育种上的利用价值与其GCA效应大小有关(罗俊等, 2004), GCA是指某一亲本在许多杂交后代中的平均表现。在分析的3个生长性状中, 与经济价值关系最为密切的是材积, 这里以材积性状来评价杂交亲本。表 3中GCA效应值显著性测验表明:材料Ⅰ中, 测试的9个母本中有4个亲本的树高、胸径和材积GCA效应值为正值; 其中5476亲本表现最突出, 树高、胸径和材积各性状均显著优于其他8个亲本; 其次5158亲本表现优良, 其材积的GCA明显高于3205等最差的5个亲本; 此外5910和1009这2个亲本的表现也较好, 其材积明显高于3411等4个最差的亲本。父本中表现最佳的亲本是1127, 其次为1134。在材料Ⅱ被测的11个母本中, 1145、1134、1325三个亲本的GCA明显地高于其他亲本, 父本中GCA最高的为1126, 其值明显高于其他亲本, 其次1121亲本表现较好。由此说明不同亲本无性系的GCA效应差异显著, 选择GCA效应大的优良亲本无性系建立种子园能明显提高子代的遗传增益。

根据表 3中GCA相对效应值及其差异显著性测验结果, 对参试亲本进行评选, 选出的优良亲本及其现实遗传增益列于表 4。在材料I中评选出5476、5158、5910和1009四个优良母本, 1127和1134二个优良父本。如以试验平均为对照, 优良母本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为2.23%~7.96%、1.84%~12.86%和5.40%~30.15%, 优良父本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为1.75%和2.39%、4.18%和3.98%及11.07%和8.59%。若以淳安县优良天然林子代(CK)为对照, 优良母本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为7.36%~13.38%、12.04%~23.06%和21.54%~50.08%, 优良父本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为6.86%和7.53%、14.39%和14.18%及28.08%和25.22%。在材料Ⅱ中评选出1145、1134、1325和5121四个优良母本, 1126和1121二个优良父本, 如以试验平均为对照, 优良母本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为-2.50%~5.56%、2.22%~6.83%和2.65%~25.97%, 优良父本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为2.36%和2.22%、3.82%和1.51%及9.55%和3.16%。若以CK为对照, 优良母本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为15.65%~25.21%、21.39%~26.87%和56.15%~91.63%, 优良父本的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为21.42%和21.25%、23.29%和20.55%及66.64%和56.92%。

2.3 特殊配合力效应与组合评价

在杂交育种实践中, 一般采用家系选择和单株选择相结合的方法, 根据杂交组合的平均表现进行家系选择。性状平均值是反映家系总体表现的参数, 而SCA效应则是某些特定组合后代偏离双亲GCA的表型偏差。平均值高且SCA效应大的组合可供选择的优良基因型多, 是理想的优良杂交组合。在杂交组合材积性状的SCA效应为正值的前提下, 根据材积平均值及其差异显著性测验结果, 两材料分别评选出优良杂交组合各10个。详见表 5。

2.4 杂交组合生长性状的配合力总效应

杂交组合的性状表现既受亲本GCA效应影响, 也受SCA效应制约, 将父本GCA、母本GCA和SCA 3种配合力效应值按线性累加为总配合力效应(TCA), 可更准确地判断其育种潜力(罗俊等, 2004)。根据TCA效应的大小, 材料Ⅰ选出10个优良组合, 如以试验平均为对照, 优良杂交组合的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为3.50%~17.20%、7.14%~30.82%和13.90%~81.46%。若以CK为对照, 优良杂交组合的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为8.70%~23.08%、19.32%~45.68%和31.35%~109.26%。根据TCA效应值评选的与根据SCA效应值和组合平均值选出的10个优良组合中有3个不同。同样材料Ⅱ中选出的10个优良组合, 如以试验平均为对照, 优良杂交组合的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为-1.94%~17.22%、10.74%~21.56%和22.92%~62.02%。若以CK为对照, 优良杂交组合的树高、胸径和材积现实遗传增益分别为16.31%~39.04%、31.51%~44.36%和86.99%~146.47%。这与根据SCA效应和组合平均值得出的10个优良组合中有1个优良组合不同。详见表 6。

2.5 配合力方差和遗传力估算

由表 7可见, 在不同无性系组成的测交系交配设计试验中其配合力方差分量大小完全不同。随机选择父母本的测交系(材料Ⅰ)中母本GCA方差〔σ_g²(f)〕与父本GCA方差〔σ_g²(m)〕在树高、胸径和材积各生长性状上表现比较接近, 对杂交组合的贡献率分别为35.68%、39.64%、34.63%与35.11%、31.98%、34.32%, 其GCA遗传方差〔σ_g²(f+m)〕明显大于SCA方差〔σ_s²(fm)〕, 对杂交组合的贡献率分别为70.79%、71.63%和68.95%, 说明各生长性状的遗传变异主要是由加性遗传基因控制。而亲本经过生长性状选择的测交系(材料Ⅱ)中情况则不同, GCA遗传方差〔σ_g²(f+m)〕远小于SCA方差〔σ_s²(fm)〕, 对杂交组合的贡献率分别仅为5.47%、8.15%、18.70%, 表明各生长性状变异主要是由显性基因效应引起。这是由于杂交亲本经过生长选择, 其加性效应可遗传给子代, 而显性效应则不能遗传所致。

2份测定材料遗传力估算结果显示, 树高、胸径和材积3个生长性状的全同胞家系遗传力都很高, 其值分别为0.881 9、0.917 3、0.920 4与0.561 4、0.664 3、0.676 9, 说明这些生长性状都受较强的遗传控制, 对全同胞家系的选择可望获得较高的遗传增益。而其他遗传力在2份不同的研究材料中相差甚远, 在材料Ⅰ中, 各生长性状的半同胞家系遗传力均很高, 其值在0.642 4~0.803 8之间; 单株遗传力中等, 其值在0.314 3~0.528 7之间。在材料Ⅱ中, 除材积母本半同胞家系具中等遗传力(0.374 1)外, 其他各生长性状半同胞家系遗传力和单株遗传力均很低, 其值在0.000 0~0.200 4之间。究其原因主要是一方面经过性状表型选择, 减小了加性遗传方差, 因而降低了相应的遗传力估算值; 另一方面对全同胞家系遗传力估算时, 既考虑到父、母本的遗传方差, 又顾及到双亲的互作方差。由此可见, 选择可改变性状的遗传力, 半同胞家系遗传力与单株遗传力的估算值会因不同的试验材料而存在很大的差别。

3 结论与讨论

不同树种或同一树种不同参试材料, 其遗传控制表达方式不一。2份马尾松不同产地优树无性系测交系交配设计遗传测定试验林材料配合力方差分析结果显示, 各亲本的GCA和SCA在树高、胸径和材积各生长性状上都表现出极显著的差异性, 说明这些性状的遗传是由加性和非加性基因共同控制, 对GCA和SCA的测定和选择都是有效的。

不同亲本材料杂交的子代, 其遗传基因控制方式会有较大差别。在材料Ⅰ中, 树高、胸径和材积各生长性状的GCA方差大于SCA方差, 说明对它进行GCA的选择与测定更为重要; 在材料Ⅱ中树高、胸径和材积各生长性状的GCA方差小于SCA方差, 在此SCA的选择与测定更为重要。虽然不同杂交材料中2种配合力的相对重要性会有较大差异, 但是, 无论GCA与SCA方差分量大小如何, 只要其相应的配合力效应显著, 对其进行测定与选择就是必要的。

根据GCA相对效应值大小及差异显著性测验结果, 分别在材料Ⅰ和材料Ⅱ中各筛选出优良母本4个和优良父本2个, 其中材料Ⅰ中材积现实遗传增益分别为CK的21.54%~50.08%和25.22%~28.08%, 材料Ⅱ中为56.15%~91.63%和56.92%~66.64%。选出的优良亲本, 可为种子园的留优去劣提供理论依据, 并为营建改良代种子园提供建园材料。为了获得更大的杂种优势, 在开展杂交育种时首先必须对杂交亲本进行选择。具有较高GCA效应的亲本间杂交, 从中选择具有明显杂种优势的优良杂交组合, 则可获得更大的增益。根据材积性状配合力总效应值的大小, 材料Ⅰ和材料Ⅱ各选出10个优良杂交组合的材积现实遗传增益分别为CK的31.35%~109.26%和86.99%~146.47%, 选出的这些优良杂交组合具有较强的杂种优势, 可推广应用。生产上应对优良杂交组合中的优株进行无性繁殖, 充分利用其杂种优势。

性状遗传力的大小直接关系到选择育种的遗传增益及改良效果。同一树种不同测定材料的性状遗传力可能会有较大差异, 但不管材料Ⅰ还是材料Ⅱ, 其各生长性状的全同胞家系遗传力均是最高的, 且较稳定, 其值分别为0.881 9~0.920 4与0.561 4~0.676 9;而半同胞家系遗传力和单株遗传力在2份不同的材料中相差甚远, 且同一材料不同性状间也有较大差异。材料Ⅰ中各生长性状的半同胞家系遗传力高(0.642 4~0.803 8), 单株遗传力中等(0.314 3~0.528 7);材料Ⅱ中除材积母本半同胞家系具中等遗传力(0.374 1)外, 其他各生长性状的半同胞家系遗传力和单株遗传力均很低(0.000 0~0.200 4)。由此可见, 对全同胞家系进行选择育种, 可望获得较高的遗传增益, 能够获得理想效果。