林木育种学试题及答案

林木育种学试题及答案一、名词解释（每题3分，共30分）1.配合力：指一个亲本（品种或无性系）与其他亲本杂交后，杂种后代在某个性状上表现的平均能力，分为一般配合力（GCA，亲本与其他多个亲本杂交的平均表现）和特殊配合力（SCA，特定亲本组合杂交后代的表现偏离一般配合力的部分）。2.杂种优势：两个遗传组成不同的亲本杂交产生的杂种第一代（F₁）在生长势、抗逆性、产量等性状上优于双亲的现象，是林木杂交育种的核心利用目标。3.遗传力：性状的遗传方差占表型方差的比例，分为广义遗传力（H²，总遗传方差/表型方差）和狭义遗传力（h²，加性遗传方差/表型方差），是选择育种中评估性状传递能力的关键参数。4.无性系选育：通过选择优良单株，经无性繁殖（如扦插、嫁接、组织培养）形成遗传上一致的群体（无性系），并通过比较试验筛选出综合性状优良的无性系用于生产的育种方法。5.多倍体育种：通过人工诱导（如秋水仙素处理）或自然变异获得染色体数目加倍的多倍体植株（如三倍体、四倍体），利用其器官巨大性、抗逆性增强等特点选育新品种的技术。6.分子标记辅助选择（MAS）：利用与目标性状紧密连锁的分子标记（如SSR、SNP）在早期对个体进行基因型筛选，加速育种进程的方法，尤其适用于低遗传力或难测性状的选择。7.基因编辑育种：通过CRISPR/Cas9等技术对目标基因进行定点编辑（如敲除、插入、替换），定向改良林木性状（如抗虫、抗逆、生长速度）的现代分子育种技术。8.选择响应（R）：指在一个世代中，通过选择所获得的性状遗传改进量，计算公式为R=h²×S（h²为狭义遗传力，S为选择差），是评估选择效果的核心指标。9.遗传增益：多世代育种中，每世代选择所获得的平均遗传改进量，通常用百分比表示，是衡量育种效率的重要参数。10.种子园：以生产遗传品质优良的种子为目的而建立的人工林，分为初级种子园（利用表型选择的亲本材料）和高级种子园（利用遗传测定后的改良材料），是林木良种繁育的核心基地。二、简答题（每题8分，共40分）1.简述林木有性杂交育种的主要步骤及关键技术要点。答：主要步骤包括：（1）杂交目标确定：明确改良性状（如速生、抗病）；（2）亲本选择与选配：选择具有目标性状且遗传互补的亲本，遵循“双亲优点多且互补，缺点少且不遗传”原则；（3）杂交技术：包括花粉采集与贮藏（干燥低温保存）、去雄（雌雄异花树种可省略）、授粉（选择适宜花期，多次授粉提高结实率）；（4）杂种后代培育：播种或嫁接培养杂种群体；（5）杂种鉴定与选择：早期（苗期）鉴定（如形态、分子标记）与晚期（成年期）鉴定（如生长量、抗性）结合，筛选优良单株；（6）区域试验与推广：在不同生态区测试稳定性，确认推广价值。关键技术要点：花期调控（如温光处理）解决亲本花期不遇，花粉活力检测（TTC染色法）保证授粉质量，杂种真实性鉴定（分子标记）避免伪杂种。2.无性系育种的主要优点和局限性有哪些？答：优点：（1）遗传一致性高：无性系后代与母株基因型完全相同，可固定优良性状（如杂种优势）；（2）缩短育种周期：无需通过有性过程，直接利用优良单株的无性繁殖材料；（3）利用难有性繁殖树种：如某些扦插易成活的杨树、桉树；（4）性状表达稳定：避免有性繁殖的基因分离，性状表现整齐。局限性：（1）遗传基础狭窄：单一无性系对病虫害或环境变化的适应性差（如松材线虫病对单一松无性系的威胁）；（2）繁殖技术限制：部分树种无性繁殖困难（如松树扦插生根率低）；（3）成本较高：无性繁殖（如组培）需专业设备，大规模生产难度大；（4）长期适应性风险：无性系可能因环境变化导致生长衰退（如桉树无性系在不同立地的稳定性差异）。3.影响林木选择育种效果的主要因素有哪些？答：（1）性状遗传力（h²）：h²越高，选择响应（R=h²×S）越大，速生、树高等数量性状h²较低（0.20.4），而木材密度等h²较高（0.50.7），选择效果差异显著；（2）选择强度（i）：选择比例越小（如选前5%），i越大，但需平衡群体大小（避免近交衰退）；（3）群体遗传变异（σg²）：群体内遗传变异越丰富，选择潜力越大（如天然林群体比人工林变异大）；（4）环境方差（σe²）：环境误差越小（如控制试验条件），表型值越能反映基因型值，选择准确性越高；（5）选择方法：家系选择（利用家系均值）、单株选择（利用个体值）、配合选择（结合家系与个体）的效率不同，多性状选择（如指数选择）需考虑性状间遗传相关；（6）选择世代数：多世代选择可累积遗传增益，但需避免遗传基础窄化。4.简述多倍体育种在林木改良中的应用价值及主要诱导方法。答：应用价值：（1）器官巨大性：多倍体（如三倍体毛白杨）叶片、木材产量显著高于二倍体；（2）抗逆性增强：染色体加倍可能提高抗旱、抗寒、抗病能力（如四倍体刺槐耐盐性提升）；（3）不育性利用：三倍体因减数分裂异常高度不育，可减少种子消耗，集中养分促进营养生长（如三倍体泡桐）；（4）创造新变异：多倍化过程可能诱发基因突变或表观遗传变异，拓宽遗传基础。主要诱导方法：（1）物理诱导：高温（3840℃）或低温（04℃）处理分生组织（如种子、芽），抑制纺锤体形成；（2）化学诱导：秋水仙素（0.01%0.5%溶液）处理（浸泡种子、涂抹芽尖），是最常用方法；（3）生物诱导：通过未减数配子杂交（如二倍体×四倍体获得三倍体），自然产生多倍体（如天然三倍体欧洲山杨）；（4）细胞工程：通过体细胞融合（如原生质体融合）获得异源多倍体。5.种子园建设中，如何通过配置设计降低近交衰退风险？答：（1）亲本选择：避免使用亲缘关系近的个体（如同一家系、同一无性系），需通过谱系记录或分子标记确认亲本遗传关系；（2）无性系数量：初级种子园至少配置3050个无性系，高级种子园50100个，保证足够遗传多样性；（3）种植设计：采用随机排列（完全随机或区组随机），避免同一无性系集中种植，减少自交或近交授粉概率；（4）隔离措施：种子园周围设置隔离带（宽度≥500m），防止外来花粉（尤其是近缘种或低遗传品质花粉）污染；（5）去劣疏伐：在种子园经营中，及时伐除生长差、结实少或遗传品质低的植株，保留遗传优良且无亲缘关系的个体；（6）辅助授粉：人工补充优良亲本花粉，提高目标组合的杂交概率，降低自交率；（7）分子检测：定期通过SSR等标记检测种子的父本来源，评估近交水平，调整配置策略。三、论述题（每题15分，共45分）1.结合具体案例，论述现代分子育种技术（如MAS、基因编辑）在林木抗逆育种中的应用策略与优势。答：现代分子育种技术为林木抗逆育种（如抗旱、抗盐、抗病）提供了精准、高效的解决方案。以杨树抗盐育种为例：（1）MAS的应用：首先通过QTL定位（利用抗盐亲本与敏感亲本杂交的F₂群体），筛选出与抗盐性状紧密连锁的SNP标记（如位于液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白基因附近的标记）；然后在早期（苗期）利用该标记对杂交群体进行筛选，保留携带抗盐等位基因的个体，避免传统方法需多年田间盐胁迫试验的耗时问题。如中国林科院在胡杨（抗盐）与毛白杨（敏感）的杂交后代中，通过MAS筛选出10个抗盐无性系，比传统选择提前35年。（2）基因编辑的应用：针对杨树的盐敏感基因（如PtoSOS1，编码质膜Na⁺外排蛋白），利用CRISPR/Cas9技术敲除其负调控因子（如PtoWRKY40），增强PtoSOS1的表达，提高植株排Na⁺能力。例如，南京林业大学团队通过编辑杨树PtoHKT1（高亲和K⁺转运蛋白基因），使转基因植株在0.5%NaCl胁迫下的存活率从30%提升至75%。优势体现在：（1）精准性：分子标记直接关联目标基因，基因编辑可定点修饰，避免传统育种的“盲目性”；（2）高效性：MAS可在苗期筛选，缩短育种周期（从1015年缩短至58年）；基因编辑无需杂交，直接获得目标性状个体；（3）突破生殖隔离：基因编辑可改良木本植物自身基因（如同源基因编辑），避免转基因的生物安全争议；（4）多性状聚合：通过MAS同时筛选多个抗逆基因（如抗旱基因DREB1与抗盐基因SOS1的聚合），或通过基因编辑同时修饰多个靶点，实现多抗品种培育。2.从遗传与育种学角度，论述如何通过多世代育种策略提高林木良种的遗传增益。答：多世代育种是通过多轮选择、交配和测试，逐步累积遗传改进的系统工程，核心是平衡遗传增益与遗传多样性，具体策略如下：（1）基础群体构建：选择遗传多样性丰富的原始群体（如天然林、地方品种），通过表型选择（如树高、材积）或分子标记辅助选择（如筛选杂合度高的个体），建立育种群体（BasePopulation），确保后续世代有足够的遗传变异。例如，火炬松多世代育种中，基础群体包含1000个来自全分布区的优树，保证了10代以上的选择潜力。（2）第一轮（G₁）育种：对基础群体进行遗传测定（如子代测定、无性系测定），评估一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），选择GCA高的个体作为下一代亲本（育种群体规模保留3050个），通过控制授粉（如双列杂交）或自由授粉产生G₁代种子园种子，此时遗传增益约为5%10%。（3）第二轮（G₂）育种：利用G₁代的遗传测定数据（如生长量、抗性），结合分子标记（如SNP芯片）进行基因组选择（GS），预测个体的育种值，选择前10%15%的个体作为G₂亲本。同时，引入野生资源或诱变材料补充遗传变异（如辐射诱变产生的速生突变体），避免遗传基础窄化。G₂代遗传增益可提升至15%20%。（4）交配设计优化：采用轮回选择（如半同胞轮回选择、全同胞轮回选择），每轮选择后进行重组交配（如随机交配或最优线性无偏预测（BLUP）指导下的配对），促进有利基因的重组与累积。例如，桉树多世代育种中，通过BLUP模型选择GCA最高的20个亲本，按“最优配对”原则交配，使材积增益每代提高8%10%。（5）测试与推广结合：每代育种材料需进行区域试验（至少3个生态区），评估基因型×环境互作（G×E），筛选稳定性高的品种；同时，建立核心种子园（生产高世代种子）与采穗圃（繁殖优良无性系），实现遗传增益的快速转化。例如，杉木多世代育种中，G₃代种子园的材积比G₁代提高25%，且在南方10省推广后平均增产20%。（6）分子技术辅助：利用基因组学（如全基因组关联分析，GWAS）定位关键性状QTL，开发功能标记用于早期选择；通过基因编辑修复有害突变（如速生基因的沉默突变），或强化有利基因表达（如纤维素合成基因CesA的过表达），进一步提高选择效率。例如，松树多世代育种中，通过GWAS定位到与木材密度相关的10个主效QTL，结合MAS使该性状的选择效率提高40%。通过以上策略，多世代育种可实现遗传增益的持续累积（每代增益5%10%），同时保持群体遗传多样性（杂合度≥0.5），最终培育出高产、优质、多抗的林木良种。3.试述无性系测定中需要注意的关键问题及解决方法。答：无性系测定是筛选优良无性系的核心环节，需注意以下关键问题及解决方法：（1）无性系代表性：问题：若无性系数量过少（<30个）或来源单一（如同一林分），可能遗漏优良基因型，导致测定结果偏差。解决方法：扩大无性系收集范围（覆盖全分布区或不同生态型），至少包括50100个无性系；同时，保留一定数量的对照（如当地主栽品种），便于比较。（2）试验设计误差：问题：田间试验设计不合理（如区组划分不均、重复数少）会导致环境误差增大，影响无性系间差异的准确性。解决方法：采用随机完全区组设计（RCBD），重复数≥3，每个区组内无性系随机排列；对于地形复杂的试验地，采用拉丁方设计或裂区设计，减少土壤异质性影响。（3）无性系繁殖一致性：问题：无性繁殖（如扦插）时，穗条年龄（如幼龄穗条生根率高）、部位（如顶梢与侧枝差异）或处理（如激素浓度）不同，可能导致无性系初期生长不一致（“位置效应”）。解决方法：统一繁殖材料（如采用同一母树的半木质化穗条），预处理（如IBA1000mg/L速蘸）标准化；或通过组培繁殖（如茎尖培养）获得遗传与生理一致的无性系。（4）基因型×环境互作（G×E）：问题：无性系在不同环境中的表现可能差异显著（如某无性系在湿润地区速生，在干旱地区生长差），导致测定结果的区域局限性。解决方法：开展多地点联合测定（至少35个生态区），采用AMMI模型（加性主效应和乘性互作）分析G×E，筛选稳定性高（互作效应小）的无性系；或针对特定区域（如北方干旱区）筛选适应性强的无性系。（5）测定周期与性状选择：问题：早期测定（如12年生）可能无法反映无性系的长期表现（如材积、抗性需510年才稳定），导致误选。解决方法：采用“早期晚期联合选择”，早期（苗期）测定易测性状（如苗高、叶绿素含量），结合分子标记（如与材积相关的SNP标记）预测晚期表现；晚期（成年期）重点测定目标性状（如胸径、木材密度），确保选择准确性。（6）病虫害干扰：问题：试验林受病虫害（如松毛虫、溃疡病）侵袭，可能导致无性系生长差异由病虫害抗性而非遗传差异引起。解决方法：选择无病虫害历史的试验地，或提前进行土壤消毒（如福尔马林处理）；定期监测病虫害，采用生物防治（如释放赤眼蜂）或低毒农药（如苦参碱）控制，减少干扰；同时，将抗病性作为测定指标之一，筛选兼具速生和抗病的无性系。（7）数据统计分析：问题：忽视方差分析的前提（如正态性、方差齐性）或错误使用统计方法（如用t检验代替方差分析），可能得出错误结论。解决方法：采用SPSS、R等软件进行方差分析（ANOVA），检验无性系间差异显著性（P<0.05）；对数量性状（如树高）计算遗传力（h²）和重复力（r），评估性状稳定性；对多性状（如生长、抗性）采用主成分分析（PCA）或综合指数选择，筛选综合优良无性系。通过以上关键问题的解决，无性系测定可准确筛选出遗传品质优良、适应性强的无性系，为林木无性系林业的发展提供技术支撑。四、案例分析题（25分）某林业研究所开展杉木抗炭疽病育种项目，目标是培育5年内推广的高抗、速生杉木无性系。已知炭疽病由胶孢炭疽菌（Colletotrichumgloeosporioides）引起，主要危害杉木嫩叶和嫩梢，导致落叶和生长衰退；现有资源包括：（1）天然林中发现的1株高抗单株（A），树高15m，胸径25cm，15年生；（2）速生主栽品种（B），15年生树高18m，胸径30cm，但感病率达80%；（3）分子标记资源：已开发与抗炭疽病相关的SSR标记（CM12，与抗病基因连锁，遗传距离2cM）。请设计该育种项目的技术路线，并说明各环节的科学依据与关键技术。答：技术路线设计如下：1.亲本选择与杂交组合配置（第1年）科学依据：利用抗源（A）与速生品种（B）杂交，通过基因重组实现抗炭疽病与速生性状的聚合；SSR标记CM12可辅助筛选抗病后代。关键技术：（1）确认A的抗病稳定性：通过人工接种试验（用1×10⁶孢子/mL的胶孢炭疽菌悬浮液喷施嫩叶），重复3次，确认其感病指数（DI）≤10%（高抗标准）；（2）花期调控：杉木雌雄花花期相差57天，采用赤霉素（GA₃500mg/L）喷施A的雄球花母枝，提前雄花开放时间，与B的雌花花期同步；（3）杂交组合：配置A（♀）×B（♂）和B（♀）×A（♂），避免细胞质效应影响。2.杂种后代培育与早期筛选（第23年）科学依据：抗病性状可能由显性基因控制（假设为单基因或寡基因），早期利用SSR标记CM12筛选抗病基因型，结合苗期生长量选择速生个体。关键技术：（1）杂种种子处理：杉木种子需经层积处理（4℃，30天）打破休眠，播种于灭菌苗床（基质：泥炭土:珍珠岩=3:1）；（2）分子标记筛选：在杂种幼苗2叶期，提取叶片DNA，进行CM12标记PCR扩增，筛选携带抗病等位基因（