林木种子园是生产遗传和播种品质优良种子的繁育基地, 是林木育种系统的重要组成部分。林木种子园种子的遗传增益不仅取决于建园亲本的遗传特性, 而且还与整个种子园交配系统有密切关系。因此, 对育种材料的生殖生物学特性的研究, 在种子园研究中占有重要位置, 也是种子园经营管理的基础工作。只有深入系统地了解亲本生殖生物学特性, 通过优化种子园配子的遗传组成, 才能从整体上充分发挥种子园的功能。

Adams和El-Kassaby对种子园的遗传效率下过如下定义:种子具有较高的遗传品质(来自选择的亲本)、宽广的遗传基础和丰富的遗传多样性(来自亲本间的随机交配)。但目前多数种子园由于组成亲本开花物候不同步、雌雄配子产量不相等, 导致种子遗传多样性和遗传增益不高, 不能充分发挥种子园的遗传效率(Adams, 1983; El-Kassaby et al., 1984)。几十年来, 围绕如何提高种子园遗传效率作了大量研究和探索, 取得了一定进展。

1 开花物候和配子贡献

在种子园研究中开花习性研究开展最早, 内容包括开花物候、配子产量及配子平衡对种子产量和子代遗传组成及遗传多样性的影响等。亲本雌雄球花产量相等、开花物候同步、亲本之间随机交配是确保种子园种子遗传多样性的前提条件。但由于种子园亲本间开花不同步、雌雄球花产量差异悬殊、自交、交配不亲和及外源花粉污染等因素, 事实上种子园遗传效率无法充分实现。

1.1 开花物候

开花物候差异是影响种子园遗传效率的重要因素。种子园因组成亲本开花物候不同步, 限制了亲本间的基因交流, 使异交组合锐减(El-Kassaby et al., 1984)。据对欧洲云杉(Picea abies)种子园的估计, 190个可能的交配组合中, 有66个组合(35%)因亲本间花期不遇, 很少或从未生产过子代。对花旗松(Pseudotsuga menziesii)种子园早、中、晚三种花期互不重叠的无性系种子的同工酶多态性研究发现, 中花类型无性系异交率比早、晚花期无性系都要高, 早花类型最小。Erickson等研究了花旗松种子园无性系间距离、开花物候与交配成功率的关系, 证实开花物候对交配系统的干扰最大, 亲本间开花物候的差异, 使种子园潜在的异交效率只能达到58%~87%。由于亲本开花不同步, 种子园交配系统实际上形成了若干由开花物候相近的亲本亚群体, 而且因历年无性系雌雄球花开放顺序和花期长短的变化, 不同年份亚群体都不同(Donald, 1991)。

在种子园管理中, 已提出了不少缩小亲本间开花物候的方法, 即冷水喷雾处理、辅助授粉、栽培措施和激素处理以及把不同年份种子混合使用等(El-Kassaby et al., 1984; Fashler et al., 1987; Ross et al., 1985; Brix, 1981)。但根本的解决方法是选择开花同步性基本一致的无性系来组建新种子园。此外, 辅助授粉是提高种子产量和改善种子品质的捷径和实用技术, 在种子园内花粉云密度较低时, 辅助授粉能显著提高种子产量, 当花粉供应充足时, 辅助授粉对提高种子产量作用不大, 但对改善遗传效率仍是有效的(Colangeli et al., 1990; Greenwood, 1986)。

1.2 配子贡献

种子园无性系配子贡献受多种因素影响, 开花物候、雌雄球花产量、授粉期风向、花粉有效传播距离、外源花粉污染等都会导致亲本配子贡献的变化。Schmidtling等估算了火炬松(Pinus taeda)种子园无性系间开花性状的方差分量, 其中雌球花产量、球果产量和种子产量的方差分量均大于50%, 雄球花量的方差分量大于40%, 雌球花量和花粉量无性系×年份的交互效应明显, 说明不同年份收获的种子遗传组成有很大差异, 并认为在子代多点测定中, 家系×地点和家系×年份的交互效应中包含了花粉量×年份的交互效应(Schmidtling, 1983)。在另一个由15个无性系组成的火炬松种子园中, 一半以上的种子由4个无性系生产。在湿地松(Pinus elliottii)种子园中20%的无性系生产了近56%的种子。欧洲赤松(Pinus sylvestris)种子园中25%的无性系生产了46%的花粉和35%的球果(Burczyk et al., 1997)。白云杉(Picea glauca)种子园中, 1/3的无性系生产了极大部分的雌雄球花(Schoen et al., 1986)。El-Kassaby连续8 a研究了花旗松种子园结实变异和对产量的影响, 建议按种子产量高低, 把同类型无性系组配在一起, 可缓解无性系配子贡献的差异。此外, 由于种子园内花粉有效传播距离的限制, 邻居间优先交配, 特别是当风向和开花物候有利时, 往往某个无性系1/3以上种子由来自邻居的花粉受精。解决办法是增加重复, 随机配置无性系, 并适当辅助授粉。

在种子园育种系统内, 子代测定是关键环节。由于种子园无性系间配子贡献存在差异, 因此根据子代测定所得到的遗传增益估计值, 与种子现实遗传增益存在一定偏差, 这种估计值常常影响种子园去劣疏伐和无性系再选择的效果。为确切评价无性系开花物候和雌雄配子产量差异, 以及对种子园子代遗传组成的影响, 弄清种子园亲本配子贡献的平衡性是必要的。关于种子园各无性系配子贡献的平衡性, 一般根据各无性系的花粉和种子产量占全园总产量的比例来表示, 很难准确反映种子园无性系配子贡献的平衡状况。El-Kassaby等建议种子园种子的育种值估算应该在雌雄配子贡献、开花物候同步性和配子平衡性的研究基础上再行计算(El-Kassaby et al., 1991)。Askew根据无性系雌雄配子贡献率和外源花粉侵染状况, 用方差比来评价无性系对子代贡献的一致程度, 但这种方法在实际应用中, 即使无性系贡献很不一致, 少数无性系占垄断地位的情况下, 计算出的平衡值仍在90%以上, 难以理解(Askew, 1985)。目前估算种子园亲本配子贡献平衡性多采用产量累积曲线法, 黄智慧等在此基础上提出了一种度量种子园配子贡献平衡性的方法, 用面积比来评价种子园配子产量的平衡状态(黄智慧等, 1993)。这一方法与Askew提出的针叶树种子园开花物候重叠指数的估算模型组合在一起(Askew et al., 1990), 可用于比较和评价不同种子园和同一种子园不同年份配子贡献及其交配组合频率的一致程度, 很好地解决种子园各亲本间开花物候的数量关系, 具有较强的可操作性, 有助于包括诸如疏伐和辅助授粉在内的经营活动的科学决策。Kang和Lindgren在红松种子园研究中, 用累积函数的反函数来计算种子园不同无性系对种子产量的期望贡献, 并提出状态数的新概念来评估种子园种子的遗传增益和遗传多样性的平衡性(Kang et al., 1998)。Kjaer讨论了用相对配子贡献来估算种子园的有效群体大小的数量分析方法, 并把有效群体数量分为近交有效群体数量和变异有效群体数量两种, 在结实小年和大年中欧洲云杉(Picea abies)种子园近交有效群体数量仅为实际无性系数目的50%, 在结实中等年份为78%;变异有效群体数量在结实小年为实际无性系数的37%, 结实大年为130%, 在结实中等年份则为90%(Kjaer, 1996)。但上述对种子园配子贡献的数量化描述是由估算得到的, 与实际有一定出入。要确切了解种子园交配系统的配子贡献状况, 用同工酶标记比较常见, 应用同工酶分析种子样品, 可了解具特异性标记无性系花粉对种子的遗传贡献, 也可用来测定外源花粉对种子园的污染水平(Joly et al., 1983; Moran et al., 1985)。

2 球果和种子败育 2.1 球果败育

球果败育是造成种子园减产的主要原因, 因而研究球果败育的原因及解决办法成为种子园研究的重要内容之一(Owens et al., 1991)。在所有针叶树种中, 长叶松(Pinus palustris)种子园雌球果败育最严重, 败育率高达85%~100%, 目前仍未找到败育的真正原因, 但可确认冻害、球果害虫和花粉缺乏不是造成败育的主因。施用复合肥和氮肥对不同无性系效果不同, 甚至在施肥强度较高的地块一些无性系球果败育反而加重(White et al., 1977)。辐射松(Pinus radiata)雌球花的败育类型和败育原因与长叶松相似, 但欧洲赤松(Pinus sylvestris)和日本黑松(Pinus thunbergiana)的球果败育可能是花粉缺乏和授粉效率低造成的。支持花粉影响雌球花败育者认为, 胚珠能生产促进营养物质运输到发育球果的生长调节物质, 一个球果中只有少量胚珠受粉, 球果败育就不可避免。Mcwilliam和Hagman等在辐射松花粉中检出一种扩散性植物生长素, 并发现这种生长素能促进燕麦胚芽鞘的直立生长, 提高胚珠中激素水平, 促进发育。Sarvas在研究欧洲赤松时发现, 当未被授粉的胚珠超过20%时, 球果就会败育, 并发现授粉和不授粉的球果中生长素含量有很大差异。此外, 由于松树球果生长与营养枝生长同时进行, 对有限营养的竞争十分激烈, 常常导致较高的球果败育。一些研究认为, 球果败育是由于叶和枝生产过量乙烯造成的, 为此, Robert研制了减少长叶松球花败育的方法, 并指出在败育前喷施几次抗乙烯化合物或激动素, 能减少败育, 使种子增产6成以上, 抗乙烯化合物与硼酸配合使用有增效作用(Hare, 1983)。Owens等对影响花旗松种子产量的因素也作了研究。指出在授粉期或授粉后不久是球果败育的高峰期, 低温高湿和球果微生物是引起球果败育的原因, 证据是球果败育较高的年份, 球果周围有害细菌群落更多(Colangeli et al., 1990)。

目前减少球果败育的方法五花八门, 但问题的症迹仍未找到。Mcwilliam喷施或把生长素与新鲜的或热杀死花粉的提取物涂抹在欧洲黑松(Pinus nigra)的雌球花上, 只把胚珠败育延续了一个月。Hagman等在开花后第5天, 用10 mg·kg^-1GA₃、100 mg·kg^-1IAA喷洒马其顿松(Pinus peuce)的雌球花, 结果经处理后的球果不到4~5周都发生了败育。对日本黑松的试验也得到了相同的结果。Sweet等把30mg·kg^-1的2, 4, 5-T水溶液喷在未授粉的辐射松雌球花上, 起到了延长球果中轴和延缓芽鳞闭合的作用, 但2个月后许多球果仍然败育(Sweet et al., 1970)。Kragman把生长物质应用到可授球花上的方法, 证实高浓度GA₃对降低球果败育效果较好, 但在不同树种和不同年度应用效果又不一致。

2.2 种子败育

球果中种子产量高低与受粉、花粉发芽伸长、受精和胚胎发育的整个过程密切相关。由于球果从花芽分化到成熟要经历漫长的发育过程, 因而容易受到不良气候、生态和生理等因素的影响, 并危及生殖器官的正常发育。据估计花旗松球果的种子生产潜力变幅在16%~45%, 平均29%, 其中胚珠败育引起的种子损失占15%~30%, 传粉不足和胚胎败育引起的种子损失占25%~35%, 昆虫引起的损失占20%~44%(Owens et al., 1985)。败育在种子发育的单倍体和二倍体阶段都可能发生, 前者发生在形成合子前, 在花粉发芽伸长时期由无性系间配子选择引起的, 后者主要是由自交引起的。Orr-Ewing研究了花旗松种子园的雌球花育性, 认为败育原因主要是雌雄配子不亲和性和遗传不育, 并把造成不亲和的原因归结于受精过程的生理障碍, 而遗传不育则主要是由于配子在分裂过程中染色体异常行为造成的(Orr-Ewing, 1977)。Jonsson在研究欧洲云杉发育过程时, 发现了花粉母细胞和大孢子母细胞减数分裂异常现象(Jonsson, 1973)。低温也可造成小孢子母细胞减数分裂异常, 降低花粉的育性。在异常气候年份, 多数无性系的花粉发芽率低于50%, 与正常年份相比, 饱满种子数显著减少。针叶树的许多研究都认同遗传因素对败育的影响, 目前研究认为, 针叶树在因自交引起的胚珠内和胚珠间的合子后胚胎选择是显著的, 如近交导致胚胎中致死等位基因的表达。落叶松种子败育主要是由于不能完成正常受精和雌雄配子隐性致死基因的表达。白云杉(Picea glauca)种子园无性系种子发芽率与自身雄球花量成负相关, 这可能与自交机率较高有关。

花粉不足或授粉无效也是引起种子败育的主要原因。Hall等报道在控制授粉后大约仍有1/5~1/3的胚珠没有捕获到授粉。虽然所有针叶树均生产大量花粉, 但球果中仍有未授粉的胚珠, 这是针叶树球果出籽率低的主要原因。最近研究发现, 大约81%的胚珠含有花粉, 虽然珠孔臂捕获的花粉粒高达15个, 但仅有3~4个被带进珠孔(Owens et al., 1985)。Regnolds和Mcauley连续4 a调查了4个花旗松种子园的种子产量, 饱满籽只有29%(Reynolds et al., 1990; McAuley, 1990)。

花粉生活力与种子败育关系密切。Kormutak等研究了欧洲冷杉(Abies alba)花粉生活力与种子产量间的关系(Kormutak et al., 1994)。在人工授粉时, 为获得较多的种子, 提高花粉生活力比单纯增加花粉量更有效(Matthews et al., 1986)。另一些研究表明, 增加花粉数量能提高种子产量, 而当花粉生活力较高时, 增加花粉数量对提高种子产量效果不大, 如生活力达到90%以上时, 用少量花粉(0.25 mL), 就能获得较高的种子产量。同样当花粉生活力低于50%时, 由于此时具生活力花粉的活力也有所降低, 因而单纯增加花粉量对提高种子产量也是无效的(Matthews et al., 1981)。

3 授粉机制

作为种子园技术的基础研究, 掌握建园树种的授粉机制, 可以更透彻地理解开花物候与种子园交配系统的关系, 对提高控制授粉和辅助授粉效率, 增加种子产量是必要的。有关种子园建园树种授粉机制的研究在1972年已见报道, 20世纪80年代初Owens等研究了花旗松种子园的授粉机制和最适授粉期, 结论是:(1)雌球花芽从芽鳞中露出1/2后4 d内授粉; (2)控制授粉时每个授粉袋中应用的花粉不少于0.2 g; (3)每个柱头至少捕获11粒花粉; (4)至少有3粒花粉进入珠孔室(Owens et al., 1981)。Webber等在1987年对花旗松也作过授粉试验, 证实了“首先到达的花粉优先进入”的假设(Webber et al., 1987), 即首先到达的花粉比晚到花粉有更多的受精机会。这一假说最早是由Frankling于1971年提出的, 当花芽绽开1/2时, 雌球花就进入最适可授期, 持续4 d, 在开花6 d后到达珠孔的花粉, 几乎没有可能进入花粉室与卵细胞受精(Webber et al., 1987; Ho, 1980;Owens et al., 1982; Owens et al., 1987)。在油松(Pinus tabulaeformis)种子园研究中也证实, 在油松雌花芽绽开后2~3 d为最适可授期, 在可授期内重复授粉对提高授粉效率和增加球果中饱满种子数效果不大。在油松控制授粉时, 一个授粉袋一次授粉用量以0.2 mL为宜, 球果产籽率可达50%左右(张华新等, 1999)。Jaroslaw等在花旗松中用遗传上有差异的不同无性系花粉作了授粉试验, 证明由于不同遗传特性的花粉在花粉管生长上的差异, 受精不是随机的, 花粉管生长快的无性系优先生产种子(Pasonen et al., 1999)。Runions等探讨了白云杉和恩氏云杉(Picea engelmannii)的授粉滴的作用和进化机制(Runions et al., 1996)。

4 雌雄球花空间分布和球果性状变异

研究雌雄球花在树冠中的分布规律是种子园树体管理的基础。湿地松和美洲落叶松(Larix laricina)的雌球花多数分布在树冠中上部长势旺、激素水平较高的枝条上, 雄球花则主要分布在树冠下部生长势较弱的枝条上(Tosh et al., 1991)。黑云杉(picea mariana)的雌球花则集中在树冠顶部十分狭窄的区域。光照是影响雌雄球花分布的重要因素, 松树的雌球花量与光照关系密切, Migita对日本柳杉(Cryptomeria japonica)遮荫效果作了调查, 发现当光强下降至自然光强的15%时, 雌球花芽就不能形成, 花量随光强增大而逐渐提高(Migita, 1978)。Matthews连续30 a对湿地松球果产量作跟踪调查后认为, 球果产量与夏季光强有关, 当树冠受光充分时, 在树冠东面能形成大量雌球花, 这与夏季雌球花芽分化时早晨的阳光有关(Smith et al., 1968)。张华新等研究了油松种子园无性系雌雄球花在树冠中的空间分布规律及着生特点, 以及植株间树冠交叠后的受光条件及对球花分布的影响。雌球花大部分集中在树冠中部偏下, 并以光照条件较好的南向枝居多。而雄球花的分布更靠近树冠基部, 花量在各个方位间无明显差异(张华新等, 1994)。雌雄球花在树冠中的空间分布也会引起球果性状的空间变异, 一般树冠中部球果饱籽数较多, 方位间球果饱籽数多少与花期主风方向有关, 花期迎风向的球果中饱满种子数较多(张华新等, 1996)。克服光照不足的有效办法是及时疏伐, 当日本落叶松(Larix leptolepis)种子园树冠郁闭后, 30%、40%、50%和70%的疏伐强度使球果产量分别提高1.2%~40.3%, 因此疏伐强度控制在50%~70%为宜(Yoo et al., 1995)。此外, 树体修剪也是提高种子产量和改善雌雄球花空间分布状况的有效措施, 红松种子园去顶后球果量增加了一倍, 每个球果中种子量达到148粒, 而未去顶的只有82粒种子(Lee et al., 1997)。由此可见, 当种子园树冠郁闭后去顶修剪对于提高种子产量的重要作用。

5 展望

当前在世界各国, 林木种子园仍是针叶树良种供应的主要形式。在西方一些发达国家, 主要造林树种已陆续营建了第二代或第三代种子园。在我国遗传改良起步较早的杉木和马尾松等树种也已营建和正着手营建第二代种子园。可以预见, 为确保种子园稳产高产, 生殖系统研究仍将是种子园经营中的重要课题之一。配子贡献对子代遗传组成和遗传多样性影响的定量化研究将更趋科学和完善; 在种子园交配系统研究中分子标记技术和等位酶结合应用将成必然; 通过亲本选择和化学控制等方法, 可望改善开花物候同步性和配子贡献差异; 研究球果败育、种子败育及花粉败育的遗传和生理机制和克服措施, 仍是种子园获得高产的关键技术; 考虑树体高大给采种和管理带来的困难, 树体控制技术将受到重视; 随着新型种子园的出现, 双亲和塑料大棚等种子园的亲本开花习性研究也将随之开展。