授粉类型对小种群黑杨后代活力的影响

《Tree Genetics & Genomes》：The effect of pollination type on offspring vitality in small population of black poplar

　　

黑杨（Populus nigra L.）是生态上重要的河漫滩树种，其种群数量下降且日益碎片化，面临近交风险增加。本研究旨在探讨此类种群中可能发生的交配过程。研究人员对不同近交水平的母树及三种授粉类型（近交、异交及开放授粉）的后代活力进行了比较，通过连续三年的种子萌发和生长特性进行评估。近交杂交产生的后代在大多数研究性状和所有观察年份中表现最差，表明存在近交衰退。在大多数情况下，近交系数与研究性状之间呈负相关。利用八个微卫星位点（SSR）对开放授粉幼苗进行亲本分析，鉴定出多达49%的幼苗源自不同水平的自发性近交。此外，花粉流以短距离为主，66%的幼苗在母树100米范围内完成授粉。这些发现强调了维持遗传连通性对黑杨种群更新和长期生存能力的重要性。

论文解读：授粉类型对小种群黑杨后代活力的影响

黑杨（Populus nigra L.）是欧洲、亚洲及北非地区重要的先锋木本树种，广泛分布于河漫滩和洪泛区生态系统。然而，由于水利工程、农业开垦和城市化导致栖息地丧失，该物种种群数量急剧下降且日趋碎片化。碎片化形成的孤立小种群面临遗传漂变和近交风险增加，进而可能导致近交衰退，表现为种子萌发率降低、幼苗生长受阻和存活率下降。已有关于近交衰退的研究多集中于草本植物，而针对木本植物尤其是雌雄异株树种的研究相对匮乏。黑杨虽为风媒传粉的严格雌雄异株植物，自交在很大程度上被阻止，但在空间结构明显的小种群中，来自邻近亲缘个体的花粉仍可能造成近缘交配。早期研究已在黑杨中检测到一定比例的自发近交，并证实其对后代生长和健康性状存在负面影响。本研究旨在评估小种群黑杨中近交对后代活力的影响，检验无关个体杂交能否改善后代表现，并利用DNA亲本分析量化开放授粉后代中自发近交的发生比例。

研究人员选取了一处由亲缘关系密切的黑杨无性系构成的田间试验林，该试验林建立于2016年，位于海拔约320米的平坦农业区。样地内包含亲本树、第一代和第二代近交个体及半同胞后代。共选择7株处于不同近交水平的开花母树，另选1株近缘雄树作为近交杂交（IC）授粉源，并选取2株无关雄树作为异交杂交（OC）授粉源（其中P-064用于2022和2023年，P-059因花粉量限制用于2024年）；同时设置开放授粉（OP）处理。控制授粉采用切枝温室法，连续三年（2022—2024年）开展。种子性状测定包括千粒重（TSW）、发芽势（GE）、发芽率（GC）和发芽速度（SG）；幼苗性状测定包括株高、根颈直径及存活率。分子标记分析基于八个高多态性微卫星（SSR）位点，对144株开放授粉幼苗及62株候选亲本进行基因分型，并运用COLONY和Cervus软件开展亲本分析。统计建模使用线性混合效应模型和广义线性混合效应模型，近交系数根据谱系计算。

### 亲本分析（Parentage analysis）

DNA分析发现，试验林中标记为880030的母树并非原始设计中的个体，故将其重新命名为N10，并将涉及该母树的控制杂交全部归入异交组；同时确认母树11/551实为5×4/10 5的开放授粉后代而非第二代近交个体，据此修订了育种方案。所选八个多态性基因座共检测到72个等位基因，平均期望杂合度（He）为0.771，平均多态信息含量（PIC）为0.739，累计第二亲本排除概率达99.92%，表明标记信息量充分。候选亲本群体的平均多位点近交系数（F_IS）为-0.0035，不显著；而开放授粉后代群体的F_IS为-0.1411，呈显著负值，提示存活后代中杂合子过量。通过两种亲本分析程序的联合使用，46%的子代成功分配至具体父本，另有19%的子代可通过模拟基因型推断最可能父本。授粉距离分析显示，66%的子代源自母树100米范围内的花粉，自发近交比例最高达49%（母树11/551），总体自发近交占比为28%。

### 种子表现（Seed performance）

在三个连续年份中，共完成14组控制杂交（IC和OC）及7个开放授粉家系，分别获得5,113粒（2022年）、3,490粒（2023年）和6,241粒（2024年）种子。千粒重在IC与OC间相近，而OP显著更高。发芽势和发芽率在三年中呈现稳定一致的模式：IC最低、OC居中、OP最高；而发芽速度在三种授粉类型间差异不大。年份间存在明显波动，2023年各项发芽指标普遍最低，而千粒重反而最高。

### 幼苗表现（Seedling performance）

2022年共产出近1,100株可供移栽的幼苗，2024年则超过1,300株。2022年家系总体存活率较高（第一生长季93%以上），但IC群体在第二生长季存活率降至60%，而OP群体仍保持约80%。2024年存活率整体偏低（45.5%～96.2%），其中IC群体显著较低。生长性状方面，IC幼苗在各年份中始终小于其他授粉类型；OP幼苗在第一年表现最优，而OC幼苗在2022年家系的第二生长季后根颈直径达到最大。

### 近交评估（Inbreeding evaluation）

根据谱系计算的近交系数显示，母树2×4/9 5、5×4/10 5和11/743的F值分别为0.25、0.25和0.375，其余母树为0。IC后代的近交系数介于0.185至0.4375之间，自发近交子代的系数为0.03125至0.25。除2022和2024年的发芽速度外，近交系数与大部分种子、萌发及幼苗生长性状呈显著负向线性关系，线性趋势解释的性状变异比例介于7.2%至97.8%之间，进一步证实近交衰退的存在。

讨论部分指出，近交对黑杨后代的影响在种子和萌发阶段即已显现，且与以往研究一致；母体遗传背景和环境年份效应同样对性状产生重要影响。研究中所有来源的开放授粉家系（除N10外）均检测到自发近交个体，但比例低于早期报道，可能与更强的后代选择或母树开花物候差异有关。短距离授粉（<100米）占三分之二，暗示局域亲缘关系和空间遗传结构可能加剧，而偶发的远距离花粉流仍能在较大空间尺度上维持遗传连通。从保护角度出发，研究结果强调维持种群间花粉流动和遗传连通性对于缓解近交衰退、保护黑杨遗传资源具有关键意义，具体措施包括设计基因多样化的混交种植、恢复河岸廊道以及支持自然更新。但也需注意，试验材料来源于同龄人工种植的近缘系谱，且授粉与萌发在温室条件下完成，结果外推至天然异龄林分时应保持谨慎。

结论：黑杨面临的主要威胁之一是人类活动导致的种群减少与碎片化，这一过程可能损害其基因库并提高近交概率。本研究证明，近交对大多数种子性状、萌发性状和幼苗生长性状均产生负面影响，直接关系后代个体的活力和生存力。来自无关亲本的后代在全部观测性状中表现更优，显示出无关个体间的基因流可有效缓解近交衰退。亲本分析进一步证实，开放授粉后代中近三分之二来自100米以内的授粉，且多达一半可能源于自发近交，尽管当时环境中存在无关花粉。上述发现表明，黑杨种群的长期存续可能取决于参与繁殖的亲本个体亲缘关系，并可通过增强来自无关个体的基因流入和合理的种群管理来加以促进。该研究为异花授粉物种濒危种群的保护遗传学提供了重要见解，相关成果发表于《Tree Genetics 》。