第八章遗传测定

第八章遗传测定,陈晓阳,本章讲述内容,一、交配设计1、不完全谱系设计2、完全谱系设计二、环境设计与试验观测1、提高试验精确性的主要措施2、试验地选择3、常用试验设计4、区组和小区设计5、测定林建立6、试验观测三、试验数据处理1、数据转换2、缺失数据弥补四、遗传参数估算1、无性系对比试验2、半同胞子代测定3、全同胞子代测定五、遗传型与环境交互作用,遗传测定,定义：对选育出来的表现型通过无性繁殖得到的植株，和通过各种交配设计获得的子代所进行的田间对比实验，并根据它们的性状表现作出的评价，称遗传测定(genetictest)。由于测定的方法和繁殖方式不同，遗传测定可以分为无性系测定和子代测定:前者是通过扦插或嫁接等无性繁殖产生苗木进行测定；后者是通过交配设计产生种子进行测定。一般而言，无性系测定不能确切地提供该材料在有性繁殖下的遗传表现。,遗传测定,意义：表现型优良的母树并不一定产生优良的子代或无性系，没有遗传测定，就无法对母树遗传品质进行评定。因此，遗传测定是解决林木良种选育中的质量问题，是林木育种的核心。,遗传测定,任务：（1）估算树木的育种值。通过遗传测定，估算母树的育种值，从而可对母树遗传品质优良程度进行评定，其结果可用于优良无性系选择、种子园的入园亲本的选择和种子园去劣疏伐等方面；（2）估算各种遗传参数。（3）通过田间对比试验，估算入选群体的遗传增益；（4）为多世代育种提供没有亲缘关系的繁殖材料。,一、交配设计,为了解被测树木的遗传品质，根据试验具体要求和工作条件，对亲本的交配组合或制种所作的安排，称为交配设计。交配设计很多，各有其优点和特定的用途。为方便起见，将交配设计分成两类：即不完全谱系设计和完全谱系设计。现将常用的交配设计介绍如下：,1、不完全谱系设计(incompletepedigreedesign),（1）自由授粉(openpollination)直接从选择的优树上，或从种子园嫁接植株上，按单株或无性系采籽、育苗、造林，对各种性状进行鉴定。这是只知母本，不知父本的子代，属于谱系不完全清楚的交配设计。,1、不完全谱系设计(incompletepedigreedesign),（1）自由授粉(openpollination)这种设计具有组合少，不需要人工控制授粉，如从优树上直接采种，可于选择当年或翌年采种布置试验，可尽早得到一般配合力的估量。但是，自由授粉子代的父本是未知的，特别是从优树上直接采种时，由于各林分的花粉遗传品质可能有较大的差别，从这类子代评定中得出的一般配合力估量会产生偏差。同时，自由授粉花粉组成会因树冠方位不同而有差异，也会因年份不同有差异，由此，采种部位或采种年份不同，子代也常出现差异。为了可靠地评定自由授粉子代，需要在时间、空间上多次重复。这需要花费较多的人力、物力和时间。此外，从同一林分或种子园中取得自由授粉种子，因有亲缘关系，不宜进一步选育。,1、不完全谱系设计(incompletepedigreedesign),（2）多系授粉（polycross）多系授粉，又称混合授粉(pollenmix?)，就是对待测的每个无性系用本系以外的许多无性系的混合花粉授粉。用这种测定方式，组合少，工作较方便。同时，测定结果较自由授粉更符合于筛选无性系的实际需要，遗传增益也较高。,1、不完全谱系设计(incompletepedigreedesign),（2）多系授粉（polycross）多系授粉法缺点：首先，混合授粉产生的子代，同样不能判断其父本。因此，只能得到一般配合力估量，不能估算特殊配合力；第二，混合花粉的组成，实际上是难以测定的。不论按重量，或按体积比例混合花粉，都不能表示其生物学特性。混合授粉产生的子代中，有相当一部分苗木具有共同的父本。因此，子代不宜作进一步选育；第三，混合花粉需要等待无性系植株开花，或上树授粉，比较困难；第四，对花期不一致的无性系，存在催花和花粉储藏等问题。,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（1）单交（singlepairmating）单交就是在一个育种群体中，一个亲本只与另一个亲本交配，而不再与第二个亲本交配。由这种交配方式得到的子代，双亲都是知道的，交配组合之间没有亲缘关系。这种设计能用最少数量的交配组合，生产最大数量的没有亲缘关系的子代，因此，有利于改良代育种，这是单交最大的优点。此外，两个亲本只作一次交配，无需如多系交配那样要从许多植株上采集花粉进行授粉，因而，操作比较方便。,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（1）单交（singlepairmating）单交的最大缺点是一个亲本只作一次交配，不能提供一般配合力的估计，也不能用来估计加性方差和非加性方差。因此，对疏伐种子园不适用。比较理想的做法是，先作亲本一般配合力测定，再用已证明遗传上优良的亲本作单交，生产供下一世代选择的群体。这样做，虽然评定时间增加了一个世代，但工作量减少了。,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（2）完全双列杂交（fulldiallel）每个亲本既做父本，又作母本，包括了所有可能的交配组合。这种设计的试验可以估算一般配合力，也可以估算特殊配合力。由于子代亲缘关系清楚，可供改良代育种选择。这种设计最为精密，如果亲本数量不多，特别是为了研究自交和正反交效应，可选用这种设计。但是，亲本多，这种设计实施起来非常困难。例如，100个亲本的试验，则需要作n2=1002个交配组合。如果每个交配组合套10个袋，则需要对10万个袋的雌花进行授粉，如此大规模的交配试验，无论在树上授粉，还是在室内授粉，都很难完成。,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（3）半双列杂交（halfdiallel）与完全双列杂交相类似，只是不包括反交和自交。由此，工作量减少了一半多。但是杂交工作量仍然很大。例如，对100个亲本开展半双列杂交，则杂交组合数量为：n(n1)/2=4950。,双列杂交与半双列杂交设计图示,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（4）部分双列杂交(partialdiallel)为了改进完全双列杂交和半双列杂交工作量大的缺点，采用部分双列杂交。部分双列杂交形式多样。这一设计可以提供一般配合力和特殊配合力估量，也可以提供没有亲缘关系的子代。,部分双列杂交图式,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（5）不连续双列杂交（disconnecteddiallel）这也是一种部分双列杂交。把所有亲本进行分组，在每一组内进行杂交。这种设计保留了所有亲本，杂交工作量减少很多，可以提供大量没有亲缘关系的子代。这是美国北卡罗来纳州树木改良协作组推荐应用于改良代育种的交配方案，目前在林木育种中应用较多。,不连续双列杂交图式,2完全谱系设计(completepedigreedesign),（6）、测交系设计（testerdesign）所谓测交系，是指用来与待测无性系交配的少量无性系。测交系可以作父本，也可以作母本，但目前多用作父本，测交系测定的一般图示如图84。测交系的选定，按理事先应经过遗传学鉴定。由于林木世代长，在实践中完全做到这一点有一定困难，所以，在多数情况下不得不采取随机选出测交系的办法。随机选择测交系的育种值如果低于平均值，则测定结果偏低，反之，会偏高。因此，测交系的数目以多为好，以便较可靠的估量遗传力，并可以避免个别特殊组合对测定结果的影响。但测交系越多，工作量越大，目前规定的测交系为46个。,2完全谱系设计(completepedigreedesign),（6）、测交系设计（testerdesign）测交系可以提供加性和非加性方差两方面的估量，而且设计和统计分析简单，这是优点。但是，由于这一设计所产生的子代中，没有亲缘关系的杂交数目不会多于所利用的测交系数目；其次，测定的无性系较多，工作量也较大。为了克服上述缺点，可把待测无性系划分成几组，再在组内进行测交。如图83，把18个无性系分成三个组，各含6个亲本，作9个组合的交配。这种交配设计称为不连续的测交。这种设计的优点是能够产生最大量的没有亲缘关系的家系，同时，又保证了必须测定的组合数目。所以，如果测定的目的是家系选择，这种设计很适用。但是，由于不同的组中亲本不同，所得到一般配合力估量可能会有偏差。只有当每个组内有较多的亲本时，这个问题可以缓解。,测交系设计图,2、完全谱系设计(completepedigreedesign),（7）巢式设计（nesteddesign）由一个亲本与另一个性别组交配（图86）。子代由其两个共同亲本的全同胞和具有一个亲本的半同胞组成。巢式设计在林木上应用得最好的例子是火炬松遗传力的研究。该研究是由国际造纸公司等与美国北卡罗来纳州立大学合作开展的，目的是确定一个未经改良的火炬松群体的遗传方式。巢式设计能估计一般配合力和特殊配合力，但是也存在一些缺陷。如一个亲本与异性组成员交配，由于组员数量少，估算一般配合力有一定偏差。另外，子代中无亲缘关系的个体数目受较小性别组成员数量的限制。,巢式设计图式,交配设计,选择交配设计主要考虑的问题有：工作量的大小；能否立即开展子代测定，或需要等待开花结实后再制种测定；能否为改良代育种提供无亲缘关系的繁殖材料；能否提供一般配合力和特殊配合力的估量等等。下面将上述介绍的各种设计的优缺点列入表81。,林木育种常用交配设计比较,二、环境设计与试验观测,1、提高试验精确性的主要措施2、试验地选择3、常用试验设计4、区组和小区设计5、测定林建立6、试验观测,1、提高试验精确性的主要措施,（1）重复（replication）。是指在同一试验点的不同地段，或不同地区试验点上，或不同年份栽植同一批种子或无性系。重复是必须的，因为即使同一个地段，立地条件也有所不同，不同年份采集的同一个种源或优树的种子，遗传品质也不会完全相同，只有通过重复才能充分反映被测对象的遗传特性。,1、提高试验精确性的主要措施,（2）随机化。被测对象（家系或无性系）在不同的区组排列没有固定次序。这可以防止某些被测对象在试验地不同区组里总是处于好的或差的立地条件。,1、提高试验精确性的主要措施,（3）局部控制。林业试验用地的地形和土壤条件往往存在着差异，要把整个试验布置在同一地段往往比较困难。为此，设计中常把整个试验地按地形、土壤等条件的一致程度划分成不同的地段。同一地段内，条件基本一致，不同的地段间允许存在差异。试验地的局部控制主要通过区组和小区设计来实现。小区（plot）是由同一家系或无性系1若干植株组成的试验单元。在每个地段内，以同等机会安排试验小区，组成区组(block)。一个完全区组包括所有被测对象的小区，一个试验由若干区组组成。,2、试验地的选择,试验地的选择应考虑如下几个问题：(1)试验地要有代表性。考虑到试验结果的推广应用，试验地应能代表试验材料将来推广地区的土壤和气候等自然条件。(2)试验地的环境条件要一致。试验地土壤条件相差不能太大，至少在一个区组内是一致的。因此，试验地的面积至少要能容纳一个完全整的区组。(3)试验地应远离人畜要道，以免试验植株遭到破坏。(4)试验地要建在国营林场或大公司，以保证能永久使用。(5)试验地点交通方便，以便管理。,3、常用试验设计,试验设计方法有多种。在林木遗传测定中使用最为普遍的是完全随机区组设计和平衡不完全随机区组设计。,3、常用试验设计,（1）完全随机区组设计(randomizedcompleteblock)这种设计是把一个栽植点划分为若干面积相等的区组，每个区组包括所有处理（家系或无性系）和对照，每个处理和对照分别占据面积相等的小区，在区组内的小区排列是随机的。这种设计精确性高，易于统计分析，因此是最常用的试验设计。但是，随着供试的家系或无性系增加，小区数目增多，如果一个区组的面积太大，同一区组内土壤等环境条件难于保证一致，由此造成各家系或无性系在不同等的条件下比较，试验误差大，结果不可靠,3、常用试验设计,（2）平衡不完全区组设计(即BIB设计）当供试家系或无性系多时，采取这种设计是能够获得比完全随机区组设计更准确的结果。这种设计是把供试的家系或无性系分为若干组，组内试验条件一致，虽然组间有差异，但是每一个家系在每个组（区组）中只出现1次，任何两个家系在同一区组中出现的次数相等，这就可以得到合理的比较。该设计要查平衡不完全区组设计表,4、区组和小区的设计,（1）小区大小和区组数目小区可以是单株，也可以由多株多行组成，形成块状小区。小区越小，区组越小，区组内立地条件的变异越小。因此，一般而言，区组多而小区小的试验林统计精确性大于区组少而小区大的试验林。在统计上，单株小区效率最高。但是，采用单株小区时，一旦有1株死亡，统计分析就会很复杂。所以，在开展子代测定和无性系测定时，一般采用单行多株小区，或22、33、44块状小区。在美国，多采用810次重复、410株小区设计。,4、区组和小区的设计,（2）小区和区组的方向为了使每个区组内立地条件一致，区组的短轴和小区的长轴应与环境变化梯度平行。例如试验布置在坡上，家系采用行式小区布置时，每个小区内海拔高度变化应最小，那么家系小区的行就应沿山坡到山脚方向顺坡设置（图87），而区组应平行于山的等高线。,在山坡布置区组和小区示意图,5、测定林的建立,（1）苗木质量苗圃地必须满足供试苗木的健壮生长，并应尽可能地保持一致。如果受条件限制，不能将全部家系或无性系培育在同一块圃地时，应将全部家系或无性系分散播种在不同圃地，每个圃地含所有家系和无性系。育苗管理措施应一致，保证可比性。供试苗木的挖取、包装和运输过程，都必须保证相同。如果定植苗木不是随机取样的，而是事先分级的，应分别记载各家系合格苗和淘汰苗的比率。供定植用的苗木入选率应保持一致。,5、测定林的建立,（1）苗木质量无性繁殖中插穗和接穗采集的部位，会在繁殖后的几年内对植株产生非遗传的影响。如杉木用树冠下部的枝条嫁接，嫁接苗会出现偏冠现象，表现出位置效应（topophysis）。在无性系测定中，应注意采集穗条的部位,如果发生位置效应，应采用平茬等措施矫正。采穗母树的年龄对无性繁殖以及无性系测定都有很大的影响。树龄增加，插条生根能力降低。这种现象称为年龄效应。北京林业大学在毛白杨优树对比试验中，采取室内埋根，用根萌嫩枝扦插，取得了好的效果。,5、测定林的建立,（2）对照的设置子代测定应选用当地造林使用的种子作为对照。为测定改良代种子园种子的遗传品质，可采用初级种子园种子作对照。无性系测定中，应采用当地常用的无性系作对照。,5、测定林的建立,（3）保护带的设置为了减少试验林分的边际作用，防治人畜践踏，造林试验时，应在试验林周围栽植一定宽度的苗木，采取与试验林相同的管理措施，称为保护带。保护带最好与试验林的树种相同,完全随机区组试验设计图示,5、测定林的建立,（5）林分管护造林后要加强幼林的抚育管理，及时除掉杂灌、草，以免影响苗木的生长。此外，还要注意防治老鼠、野兔、牲畜等危害和火灾的发生。造林后，对死亡的植株要及时补植。,5、测定林的建立,（6）档案建立试验林定植后，应及时绘制定植图，在试验林各处理间设立明显的标桩，并绘制配置图，做好各种记录，建立档案。记录的内容应包括下列各项：试验材料来源，如子代测定林，应说明亲本、制种方式、种子处理过程等。对无性系测定，应说明穗条来源，采集方法；育苗过程；造林地立地条件；试验设计；对照来源等等。,6、试验的观测,根据改良目标确定观测性状和指标。主要观测性状有：树高、胸径（地径）、材积、根系等生长性状；主干通直度、圆满度、树皮厚度、分枝角度、侧枝粗度、节疤大小、自然整枝状况等形质指标；抗病虫害、抗旱、抗寒、抗盐碱等适应性指标；木材比重和密度、纹理通直度、早材和晚材比率、纤维和管胞长度等木材性状；树胶、树脂等次生代谢产物的产量和品质。试验观测年限以能正确评定所需性状为度。如用材树种生长性状最终评定的年限一般为1/31/2轮伐期。在试验期间，每隔35年要作阶段总结。,三、试验数据处理,1、数据转换2、缺失数据弥补,1、数据转换,野外调查的数据是否可以直接进行方差分析呢？答案是：有时行，有时不行。因为在方差分析中，对试验误差有下列基本要求：（1）独立性，即互相独立；（2）无偏性，即的均值都为0；（3）等方差，即的方差都是；（4）正态性，即均遵从正态分布。独立性一般是可以满足的，只要各次试验之间没有互相牵扯。无偏性也容易满足，因为误差有正有负，正负相当。但是等方差和正态性在很多情况下不能满足。如果勉强直接对原始数据进行方差分析，可能会导致错误的结论。为此，应将原始数据转化为另一种数据，使满足正态、等方差条件后再作方差分析。,1、数据转换,2、缺区数据的弥补,在田间试验过程中，可能遭到意外的破还，使某个小区植株死亡，造成缺区。如果仍按组内观察值数目不等资料进行方差分析，会得出错误的结论。因此，必须首先估计缺区数据，加进估算值后，再作方差分析。但是缺区值的估计是一种不得已的补救办法，估计值也不可能完全准确。如果缺区过多，应视为试验失败，不要滥用缺区估计方法。,四、遗传参数估算,1、无性系对比试验2、半同胞子代测定3、全同胞子代测定,1、无性系对比试验,对一个地点无性系测定林某些性状，如树高、胸径、材积、形率等进行实测，并对数据进行整理，然后进行方差分析，可以了解供试无性系间的遗传差异是否显著，为无性系选择提供依据。同时，还能够估算出重复力（repeatability）。重复力是Lush(1937)年在动物育种计划一书中提出的一个概念，用来衡量一个数量性状在同样的个体多次度量值之间的相关程度。一个无性系不同分株（ramet）间遗传性是一致的，由于环境的影响，分株之间在生长等性状上有所差异。重复力反映同一无性系的分株之间某一性状上的一致性。,1、无性系对比试验,1、无性系对比试验,子代测定,根据授粉方式不同，可分为半同胞子代测定和全同胞子代测定两类。,2、半同胞子代测定,根据田间试验设计不同，又分为单株小区和多株小区试验,2、半同胞子代测定,（1）单株小区试验分析设有F个家系，每个家系定植R株，则共有FR个数据。方差分析模式如表85。,2、半同胞子代测定,（1）单株小区试验分析从期望均方结构可知，家系均方（MSF）既包括了家系遗传变量，又包括了环境变量。因此，如果按照家系平均值选