小叶杨优良家系筛选与亲缘谱系重建

Screening of Superior Families and Reconstruction of Kinship Trees in Populus simonii

摘要

为选育谱系清晰的林木良种，该研究以20个小叶杨（Populus simonii）半同胞家系为材料，对其生长性状与叶片性状进行调查，并结合EST-SSR分子标记技术开展亲缘谱系重建，同时对重建前后的半同胞及全同胞家系进行评价与选择。结果表明：各调查指标在20个家系间存在极显著差异（P<0.01），且各指标的家系遗传力较高，群体遗传多样性丰富；以5%的入选率初步筛选出Ps14为最优家系，其苗高、地茎分别较总体均值提高55.45%、40.38%，其鲜叶质量、干叶质量、叶长、叶宽、叶柄长、叶面积及叶脉夹角分别较总体均值提高60.20%、39.29%、24.40%、41.66%、1.05%、14.73%和68.69%；利用15对多态性EST-SSR引物对Ps14子代进行父本鉴定，成功鉴定99%的子代，共确定32个有效父本，其中12个父本在自由授粉条件下表现出较高的繁殖贡献；对谱系重建后的全同胞家系进行评价，初步筛选出Ps14×M-PS243为优良家系，其子代在苗高与地径方面较群体均值分别提高76.64%和74.34%；同时，通过一般配合力（general combining ability，GCA）分析，初步筛选出M-PS243为优良父本。综上所述，该研究利用分子标记技术对杨树半同胞家系进行谱系重建与优良家系评价选择，显著提升了选择效率，为杨树及其他树种的遗传改良提供了新思路。

Abstract

To identify purebred tree varieties with well-defined pedigrees， this study examined growth and leaf traits across 20 half-sibling families of Populus simonii. By integrating EST-SSR molecular marker technology， the kinship pedigree was reconstructed， and evaluations and selections were performed for both half-sibling and full-sibling families before and after reconstruction. The results revealed highly significant differences（P<0.01） across all investigated indices among the 20 families. High heritability was observed for each index， and the population exhibited substantial genetic diversity. At a selection rate of 5%， Ps14 was identified as the optimal family； the seedling height and ground stem diameter increased by 55.45% and 40.38%， respectively， compared to the overall mean. Fresh leaf mass， dry leaf mass， leaf length， leaf width， petiole length， leaf area， and leaf vein angle increased by 60.20%， 39.29%， 24.40%， 41.66%， 1.05%， 14.73%， and 68.69%， respectively， compared to the overall mean. Paternity identification of Ps14 offspring was conducted using 15 polymorphic EST-SSR primer pairs， successfully identifying paternal parents for 99% of the offspring. A total of 32 effective paternal parents were identified， among which 12 had higher reproductive contributions under open-pollination conditions. Ps14×M-PS243 was identified through evaluation of the reconstructed full-sib families as an excellent family， with offspring exhibiting a 76.64% increase in height and a 74.34% increase in ground diameter compared to the population mean. Additionally， GCA analysis highlighted M-PS243 as a promising paternal parent. In conclusion， this study utilized molecular markers to reconstruct pedigrees of poplar half-sibling families and evaluate superior families with clear pedigrees， significantly enhancing selection efficiency and providing novel insights for the genetic improvement of poplar and other tree species.

Graphical abstract

关键词

小叶杨 / 家系选择 / 谱系重建

Key words

Populus simonii / family selection / phylogenetic reconstruction

小叶杨（Populus simonii）是我国广泛分布的乡土阔叶树种，主要分布于黑龙江、辽宁、内蒙古、河北、山西、陕西等地，是重要的生态基干树种之一^［1］。凭借其耐寒、耐旱、抗风沙等显著适应性，小叶杨在“三北”防护林体系、防风固沙、水土保持及生态屏障建设中发挥关键作用，对生态安全与区域环境稳定具有重要意义^［2］。近年来，围绕小叶杨的遗传多样性^［3］、生态适应性^［4］、抗逆机制^［5］和功能基因挖掘^［6］等方面已取得一定研究进展，为其资源保护与适应性利用提供了初步依据。然而，在气候变化、长期连栽和种质老化等因素影响下，小叶杨天然林和人工林均出现生长势下降、林分质量退化及“小老树”现象，这对其长期生态服务能力和资源可持续利用构成新的挑战。因此，亟需从遗传改良和种质创新层面推进对小叶杨的系统研究，为提升其生态适应性、保持林分稳定性和促进资源高效利用提供科学支撑。

优良家系筛选是林木遗传改良的重要环节，而多目标性状的整合评价则是提升育种效率的关键手段^［7-8］。传统的小叶杨选育多聚焦于树高、胸径等单一生长性状或部分材性指标^［9-10］，虽然能够在一定程度上反映材料的生长表现，但未充分考虑叶片表型、生理生态特征等重要性状，导致评价体系较为单一，筛选结果的稳定性和准确性受到限制。近年来，多性状综合评价方法在林木育种中的应用逐渐增多，尤其是在叶片表型研究中，越来越多的育种工作开始认识到其重要性。叶性状作为植物生长的关键性状，直接影响其光合作用效率和水分利用效率，成为评价家系优劣的重要指标之一。具体而言，叶片的长宽、面积和叶脉夹角等因素决定了植物的光合面积，而鲜叶质量和干叶质量则反映了植物物质积累的能力^［11］。此外，叶柄长度与叶片的抗风折能力相关，叶片形态性状对植物的生长和适应性具有重要意义^［12］。因此，结合生长性状和叶片表型的综合评价体系，可以更全面地评价家系的优劣，帮助筛选出具有更好生长潜力的家系^［13］。例如，基于FAI-BLUP指数的耐低氮杨树评价体系通过整合生长和叶片形态等多类关键性状，实现了优良无性系的精准鉴定^［14］。此外，小叶杨×欧洲黑杨（P. nigra）杂交子代研究^［15］表明，将生长性状与叶片解剖结构等抗旱相关特征联合分析，可有效识别兼具速生与抗逆能力的优良材料。雄性毛白杨（P. tomentosa）无性系多性状综合选择研究^［16］表明，联合生长和生理等性状可初步评选出生长优良、侧枝多而平展、皮孔大且不易飞絮的优质无性系。对美洲黑杨（P. deltoides）无性系的多性状综合评价研究^［17］也显示，通过在不同地点对生长表现与抗病虫性等关键性状进行系统评估，可遴选出既具区域适应性，又具广泛适应性的优良无性系。这些成果表明，多性状协同分析能够构建更加全面和科学的材料评价体系，为小叶杨优良基因型的筛选与遗传改良提供重要方法支持。

亲缘谱系重建是解析物种遗传结构、识别优良基因型并指导亲本科学选配的重要基础^［18］。由于杨属树种多为雌雄异株，天然杂交频繁，易形成复杂的网状进化关系，传统基于形态学的分类方法难以准确厘清种间与种内的亲缘联系^［19］。随着分子标记技术的发展，谱系解析的精度和效率显著提升。例如，SRAP标记已应用于杨属派间亲缘关系研究^［20］，结果表明青杨派与黑杨派、胡杨派之间的亲缘距离更为接近；RSAP标记对白杨派无性系指纹图谱构建研究^［21］结果表明，10个白杨无性系间具有较高的遗传多样性，遗传变异丰富；南方型黑杨主栽无性系鉴定及亲缘关系分析研究^［22］显示，EST-SSR标记可对南方型黑杨主栽无性系进行有效鉴定并建立无性系鉴定的指纹图谱；SSR标记在红松（Pinus koraiensis）等树种中的使用也显示，利用分子数据进行谱系重建能够显著提高优良家系筛选的准确性及遗传增益^［23］。针对小叶杨，自然群体尺度的亲缘谱系尚未得到系统构建，其家系结构、遗传分化格局及与重要性状的关联性仍不清晰。这种情况使得育种亲本的科学组合与遗传潜力预测受到限制，不利于优良家系的有效筛选与定向改良。

基于上述研究背景，本研究以20个小叶杨半同胞家系为试验材料，通过整合生长指标与叶片形态特征构建多目标综合评价体系，采用多性状综合评价方法筛选表现优异的家系。同时，利用SSR分子标记开展父本鉴定，重建家系亲缘谱系，并在此基础上对重建后的全同胞家系特征进行深入分析。研究结果将为小叶杨半同胞家系谱系重建方面的研究提供一定参考，为其种质资源保护、分子标记辅助育种和优良品系选育提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1　试验地点

试验在内蒙古自治区通辽市林业与草原科学研究所科研试验中心开展（44°1′5.300″N，121°59′3.300″E）。该区位于中纬度温带大陆性气候区，海拔120~320 m，年平均气温5~6 ℃，年降水量350~450 mm，无霜期90~150 d，年日照时间2 868~3 111 h。试验地土壤类型为草甸土，适宜开展林木生长与表型调查相关研究。

1.2　试验材料

试验材料为通辽市小叶杨种质资源保存库中自由授粉获得的半同胞家系，共计20个家系，编号为Ps1~Ps20。各家系种子均采集于2023年，并于同年完成育苗。2024年春季将育成苗木统一移栽至大田试验地，单行种植，株行距为2 m×2 m。每个家系选取生长状况一致的30株单株进行标记，用于后续的性状测定与分析。

1.3　试验方法

1.3.1　生长性状测定

于2024年10月，对所有标记家系单株进行苗高和地径测定。苗高采用塔尺测量，地径使用电子游标卡尺测定^［24］，所有测量均在统一生长阶段和一致操作规范下完成，以确保数据的准确性和可比性。

1.3.2　叶片表型测定

于2024年8月，采集各标记单株第3~5轮新鲜叶片作为测定材料。采样后将叶片分装于信封并标记编号，同时拍照用于后续叶片形态性状分析。使用1/1 000电子天平测定鲜叶质量；随后将样品置于烘箱中，先以105 ℃预烘20 min进行杀青，再将温度调整至85 ℃持续烘干，至连续3次称量均无质量变化，记录干叶质量。叶长、叶宽、叶脉夹角（叶片主叶脉与左侧第一叶脉的夹角）、叶面积和叶柄长度等形态指标通过ImageJ 1.54p软件进行图像测定与分析。

1.3.3　DNA提取与检测

采用改良CTAB法^［23］从新鲜小叶杨叶片中提取基因组DNA，包括Ps14家系101个子代样本、母树林中283个候选父本样本（M-PS1~M-PS283）及母树Ps14的DNA。提取流程如下：新鲜叶片经液氮研磨后与CTAB裂解液混匀并恒温水浴裂解，经氯仿抽提、无水乙醇沉淀获得DNA粗品，沉淀干燥溶解后，通过凝胶电泳与分光光度计完成质量鉴定，合格样品低温保存备用。

1.3.4　引物设计与筛选

基于小叶杨参考基因组序列，利用软件TBtools^［25］挖掘SSR位点，初步筛选得到144对EST-SSR引物，所有引物均由生工生物工程（上海）股份有限公司合成。

随机选取2份候选父本DNA、2份子代DNA及母树Ps14的DNA进行引物初筛，采用PCR扩增并通过1%琼脂糖凝胶电泳检测扩增条带的清晰度与稳定性。在此基础上，将扩增产物提交至生工生物工程（上海）股份有限公司进行毛细管电泳检测其多态性表现。最终共筛选获得15对多态性良好、扩增稳定的SSR引物（表1），用于后续家系亲缘关系分析。

1.3.5　SSR引物扩增与基因分型

利用筛选出的15对SSR引物对所有DNA样本进行扩增，扩增产物提交至生工生物工程（上海）股份有限公司进行毛细管电泳分析，以获取基因型数据。代表引物SSR8的毛细管电泳基因分型结果如图1所示。PCR反应程序与扩增程序详见表2和表3。

1.4　统计分析

1.4.1　生长及叶片性状数据统计分析

使用Excel 2019和SPSS 26.0软件对生长性状及叶片性状数据进行方差分析^［26］、相关性分析^［27］、变异分析^［28］及主成分分析^［29］。

家系广义遗传力（h²）计算公式^［30］为

h^{\mathrm{2}}=\mathrm{1}-\frac{\mathrm{1}}{F}（1）

式中：F为方差分析的F值。

1.4.2　优良家系选择方法

本研究采用布雷金（Breckin）多性状综合评价法对各家系的性状表现进行整合分析，并计算其综合评价指数Q_i，以筛选优良家系。其计算方法^［31］如下：

a_i={\overline{X}}_{ij}/{\overline{X}}_{j,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}（2）

Q_i=\sqrt[]{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{a}_i}（3）

式中：a_i表示某一性状的标准化值；{\overline{X}}_{ij}为某一性状的均值；{\overline{X}}_{j,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为该性状均值的最优值；Q_i为综合评价值；n为评价性状的数量。

1.4.3　引物多态性与父本鉴定

使用MS Tool软件^［32］对毛细管电泳获得的原始数据进行处理，并将其转换为Genepop格式。随后，通过GenAlEx 6.502^［33］对基因型数据进行群体遗传参数分析，计算观察等位基因数（N_a）、有效等位基因数（N_e）、观测杂合度（H_o）、期望杂合度（H_e）、非偏差期望杂合度（H_ue）、Shannon多样性指数（I）及固定指数（F_fix）。多态信息含量（PIC）通过软件PICcalc进行评估^［34］，以判定各引物的多态性水平。

父本鉴定采用CERVUS 3.0.7^［35］进行亲缘分析，使用基于已知性别信息的群体亲本鉴定模型对半同胞家系的子代进行父本推断，其核心依据为经典孟德尔遗传分离定律。参数设定：候选父本采样比例（Prop.sampled）为0.85，基因分型错误率（Prop.loci mistyped）为0.01，最少有效位点数为8。分别在严格（95%）和宽松（80%）置信水平下进行1 000次模拟，基于等位基因匹配度和多位点联合验证筛选亲本个体：首先从子代基因型中剔除母树Ps14提供的等位基因，然后在283个候选父本中筛选可完整提供剩余等位基因的个体，且仅当候选父本在≥8个SSR位点上均满足等位基因匹配时，方可纳入父本候选范围；95%置信水平对应“无其他候选父本可实现全位点匹配”的高确定性结果，80%置信水平对应“等位基因匹配概率显著高于其他候选个体”的最优匹配结果。

1.4.4　雄性亲本贡献率计算

雄性亲本贡献率计算公式^［36］为

R_i=\frac{N_i}{N_{\mathrm{t}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{l}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：R_i 表示第i个父本的繁殖贡献率；N_i 表示第i个父本成功匹配的子代个体数量；N_total表示所有成功鉴定父本的子代总数量。

1.4.5　一般配合力计算

一般配合力计算公式^［37］为

G_{\mathrm{C}\mathrm{A},i}={\overline{X}}_i-\overline{X}（5）

式中：G_{\mathrm{C}\mathrm{A},i}是第i个父本的一般配合力；{\overline{X}}_i是第i个父本子代的性状均值；\overline{X}是所有子代的总性状均值。

2 结果与分析

2.1　小叶杨半同胞家系表型性状变异及优良家系初筛

为筛选表型优良的小叶杨半同胞家系，本研究对20个家系的9项生长及叶片性状进行了变异、相关性及综合评价分析，结果如下。

2.1.1　各性状方差分析

20个小叶杨半同胞家系的各性状方差分析结果见表4。结果表明，所有测定性状在家系间均存在极显著差异，说明不同家系间的性状变异显著，适合进一步开展家系选择与综合评价。

2.1.2　各性状遗传变异分析

表5展示了20个小叶杨半同胞家系的性状遗传变异分析结果。在生长性状方面，苗高平均值为132.47 cm，变异范围为60.00~229.00 cm；地径平均值为13.25 mm，变异范围为5.89~24.51 mm。上述结果表明，家系间在生长潜力上存在显著差异，为筛选高生长性能的优良家系提供了重要依据。在叶片性状方面，鲜叶质量平均值为0.98 g，变异范围为0.40~1.98 g；干叶质量平均值为0.28 g，变异范围为0.11~0.55 g。这2个性状的最大值均达到最小值的4倍以上。此外，叶长、叶宽等形态性状也表现出较广的变异范围，这表明叶片功能与生物量性状在家系间具有较高的遗传差异。总体来看，各性状均表现出较大的家系间变异幅度，这一结果不仅反映了小叶杨半同胞群体的遗传分化水平，也为后续针对不同目标的优良家系定向筛选奠定了基础。

各性状的遗传变异系数范围为10.03%（叶面积）至51.91%（鲜叶质量），表型变异系数范围为17.20%（叶面积）至78.80%（叶柄长），说明各性状在家系间存在较高水平的遗传分化。家系遗传力分析显示，除叶面积（0.34）外，其余性状遗传力均高于0.80。其中，生长性状的家系遗传力最高（地径0.81、苗高0.88），叶片性状遗传力范围为0.34（叶面积）至0.92（鲜叶质量、叶宽、叶脉夹角）。这表明多数性状受遗传因素影响较大，可为后续优良家系的遗传选择提供支持。

2.1.3　各性状相关性分析

对20个小叶杨家系的9个性状进行相关性分析，结果见表6。在生长性状中，苗高与地径呈显著正相关，表明不同家系在整体生长强度上具有一致性。在叶片性状方面，鲜叶质量、干叶质量、叶长、叶宽、叶柄长、叶面积及叶脉夹角均与多项性状呈显著正相关。其中，鲜叶质量与干叶质量、鲜叶质量与叶宽、鲜叶质量与叶面积及叶宽与叶面积之间的相关性较高，相关系数均超过0.90，表明这些指标之间具有较强的协同变化关系。相比之下，叶脉夹角与其他叶片性状的相关性较弱。在生长性状与叶片性状的相关性中，苗高和地径除与叶脉夹角外，与其他叶片相关指标均呈显著正相关，说明生长优势往往伴随较好的叶片表型表现。总体而言，各性状间普遍存在显著的正相关关系，为后续开展多性状综合评价及优良家系筛选提供了依据。上述性状关联规律不仅验证了生长性状与叶片核心性状的协同变异特征，还明确了叶脉夹角的独立变异属性，为主成分分析的成分整合和综合评价的指标选择奠定了基础。

2.1.4　主成分分析

对小叶杨20个家系的9个性状进行主成分分析，结果见表7。提取出2个主成分，累计贡献率达到77.553%，能够较好地反映原始性状的整体变异结构。主成分Ⅰ的特征值为5.968，贡献率为66.315%。其中，苗高、地径、鲜叶质量、干叶质量等指标的主成分绝对值较高，表明主成分Ⅰ主要反映与植株整体生长表现相关的性状信息，是决定家系间差异的主要因素。主成分Ⅱ的特征值为1.011，贡献率为11.238%。叶脉夹角在该主成分中的绝对值最高，表明主成分Ⅱ主要代表叶片形态变化特征，尤其是叶片结构方面的差异。总体而言，生长性状对家系间综合变异的贡献最大，而叶片形态特征在性状差异中起到一定的补充作用，为后续家系综合评价提供了有效的维度划分依据。

2.1.5　多性状综合评价与优良家系筛选

基于主成分分析的整合结果，本研究结合两大主要成分中的各重要指标，分别对生长性状、叶片性状及联合性状进行综合评价。其中，生长性状以苗高和地径为评价指标，叶片性状则选取鲜叶质量、干叶质量、叶长、叶宽、叶柄长、叶面积及叶脉夹角作为评价指标，分别对20个小叶杨半同胞家系开展生长性状评价、叶片性状评价及生长-叶片联合性状的综合评价。各家系的综合评价指数见表8。根据生长性状综合评价结果，并以5%的入选率筛选优良家系，结果显示家系Ps14成功入选。该家系的苗高和地径分别较总体均值（132.47 cm、13.25 mm）提高55.45%和40.38%，表现出显著的生长优势。

依据叶片性状综合评价结果，并按相同的入选率进行筛选，家系Ps14再次入选。其鲜叶质量、干叶质量、叶长、叶宽、叶柄长、叶面积及叶脉夹角分别较总体均值提升比例分别达到60.20%、39.29%、24.40%、41.66%、1.05%、14.73%和68.69%，表明Ps14在叶片生理形态方面同样具有显著优势。在生长与叶片联合性状的综合评价中，Ps14再次被列为优选家系。综合三类评价结果，Ps14在生长性状与叶片表型方面均表现优异，最终被确定为优良家系，并用于后续研究与育种工作。

2.2　家系Ps14亲缘谱系重建及候选亲本遗传多样性分析

以初筛优良家系Ps14为核心材料，利用15对多态性EST-SSR引物对其101个子代及283个候选父本进行遗传多样性分析与父本鉴定，明确谱系来源及亲本繁殖贡献，结果如下。

2.2.1　Ps14家系及候选亲本遗传多样性分析

利用筛选获得的15对SSR引物，对小叶杨283个候选父本及101个子代样本进行PCR扩增（图2），并对其遗传多态性进行分析，结果见表9。15个SSR位点共检测到367个观察等位基因（N_a），单个位点的等位基因数为11~50，平均值为24，表明这些标记具有较丰富的等位基因变异。有效等位基因数（N_e）为4.12~12.14，平均值为6.61，进一步反映出群体内较高的遗传分化程度。观测杂合度（H_o）为0.25~0.86，期望杂合度（H_e）和非偏差期望杂合度（H_ue）均在0.76~0.92，平均值为0.83，说明群体整体杂合度水平较高。Shannon多样性指数（I）为1.76~2.91，平均值为2.24，进一步体现了显著的遗传多样性。固定指数（F_fix）为0.02~0.70，平均值为0.31，体现了群体遗传分化程度的多样性。各位点的多态信息含量（PIC）为0.74~0.91，平均值为0.82，均远高于0.50，表明所有SSR引物均具有高度多态性，适用于后续的亲本鉴定与群体遗传分析。

2.2.2　Ps14半同胞子代父本鉴定

基于CERVUS 3.0软件对小叶杨半同胞家系的父本进行鉴定，共有15对SSR引物参与分析。结果显示（表10），在101个子代中成功鉴定出100个子代的父本，父本判定成功率达99%。在95%的置信水平下，共为28个子代准确匹配到父本，占全部子代的27.72%；在80%的置信水平下，可进一步为72个子代确定父本来源，占子代总数的71.29%。结果表明，大多数子代能够在候选父本集合中找到最可能的亲本，为谱系结构解析提供了可靠依据。

在283个候选父本中，共有32个被鉴定为实际参与授粉的父本，占候选父本数量的11.35%。其中，有12个父本仅为1个子代提供花粉，8个父本为2个子代提供花粉，另有12个父本为3个以上子代提供花粉。父本M-PS189的贡献度最高，共产生18个子代，占全部子代的17.82%，显示其在自然授粉过程中的显著优势。

2.2.3　雄性亲本繁殖贡献率分析

对成功鉴定的父本进行繁殖贡献率统计，结果见表11。总体而言，所有候选父本的平均繁殖贡献率为3.13%。其中，8个父本的贡献率为2.00%，共产生16个子代；3个父本的贡献率为3.00%，共产生9个子代；另有5个父本的贡献率达到4.00%，产生20个子代。

部分父本的繁殖贡献率较高，M-PS55、M-PS86、M-PS134、M-PS189的贡献率分别为5.00%、6.00%、14.00%和18.00%。其中，M-PS189的贡献率最高，表明其在授粉过程中具有显著优势。与此同时，12个父本的贡献率仅为1.00%，各仅产生1个子代，显示其参与授粉的成功率较低。此外，M-PS59、M-PS279、M-PS259等9个父本均与母树PS14产生了3个以上的子代，表明这些父本与母树PS14具有较高的交配亲和性，可能在自然授粉过程中容易实现受精。

2.3　谱系重建后全同胞家系生长评价及优良父本筛选

2.3.1　全同胞家系生长表现评价

在基于SSR标记成功鉴定的32个有效父本中，12个父本的子代数量达到或超过3株。与其余父本相比，这些父本在自由授粉条件下产生的后代数量更多，表明其在自然授粉过程中具有较大的繁殖贡献，是母树后代构成的主要花粉来源。基于此，本研究对12个高贡献父本的子代开展了苗高与地径的综合生长表现评价（表12）。结果表明，父本M-PS243所产生的子代表现最为突出，其苗高与地径较群体均值分别提高了76.64%和74.34%，展现出显著的生长优势。由此确定M-PS243为综合表现最佳的优良父本，Ps14×M-PS243组合为最优家系，可作为后续小叶杨遗传改良的重要亲本资源。

2.3.2　小叶杨父本一般配合力分析

为评估不同父本在生长性状上的遗传贡献，本研究对子代数量在3个以上的高贡献父本开展了苗高和地径2项性状的一般配合力（GCA）分析。结果显示（表13），苗高GCA为-78.53~48.49 cm，父本间的遗传传递能力差异显著。其中，7个父本表现为正向GCA（占58.3%），表明其在提高子代苗高方面具有较强的遗传贡献；排名前3的父本分别为M-PS243、M-PS259和M-PS134。地径性状的GCA为-4.70~5.94 mm，同样表现出较大差异，正向GCA父本占41.67%，排名前3的父本为M-PS243、M-PS259和M-PS279。综上，父本M-PS243在苗高与地径2项性状上均表现出较高的正向GCA，表明其遗传增益稳定且遗传贡献突出，是小叶杨生长性状改良的优选父本。

3 讨论

生长性状和叶片性状是评价和筛选林木优良家系的关键表型指标，能够有效反映种质资源的遗传变异水平，对早期选择和目标性状育种具有重要意义^［38-40］。本研究对20个小叶杨半同胞家系的苗高、地径及多项叶片形态指标进行了系统测定，结果显示，各性状均存在较大的家系间变异。在生长性状方面，苗高和地径的变异范围分别为60.00~229.00 cm和5.89~24.51 mm，均略高于已有研究的相关报道^［41-42］。这一结果表明，本研究材料的遗传背景更加多样，可能与样本来源于不同母树且家系间遗传分化程度较高有关，从而扩大了生长性状的整体变异范围。在叶片性状方面，叶长、叶宽和叶面积的均值和变异范围与此前研究结果^［43-44］一致。这种一致性说明，小叶杨叶片形态指标在种内相对稳定，表现出受遗传背景强烈控制的保守变异特征。

林木优良家系筛选的基础在于群体内部具有足够的遗传变异，而遗传变异系数和表型变异系数则是衡量性状变异程度的重要指标^［45］。本研究结果显示，20个小叶杨半同胞家系在苗高、地径、鲜叶质量等9个关键性状上均存在极显著差异（P<0.01），表明这些性状在家系间具有明显的遗传分化。进一步分析发现，各性状的遗传变异系数和表型变异系数均超过10%，表明试验群体具备较为丰富的遗传变异基础。这一结果与美洲黑杨半同胞家系的遗传多样性研究^［46］和白杨派树种半同胞家系的遗传变异研究^［47］结论相一致，均表明半同胞家系因其来自不同父本、基因重组程度更高，往往呈现出较大的性状分化和较高的遗传变异潜力。这不仅说明本研究材料适合开展优良家系筛选，也为后续遗传力估计和遗传改良提供了可靠的性状变异基础。

为更全面地分析数据并揭示性状之间的内在联系，本研究综合采用相关性分析、主成分分析（PCA）与Q_i 分析。相关性分析的核心目的是确定不同表型性状之间的线性关系，为后续研究奠定基础。本研究中相关性分析表明，苗高与地径之间存在极显著正相关（r=0.875），并且二者与叶长、叶宽、叶面积等叶片形态指标也均呈显著正相关。这一生长性状与叶片性状协同变异的规律与对寒地李（Prunus salicina）^［48］、锥栗（Castanea henryi）^［49］的研究结果一致，即生长旺盛的家系往往同时表现出更优的叶片形态特征。此类性状间的显著关联为联合选择提供了统计基础，也为综合评价明确了指标筛选方向，有助于提高优良家系筛选的效率与可靠性。基于相关性分析结果，采用PCA进一步对数据进行降维提炼，通过将多个相关性较强的性状整合为具有明确生物学意义的两大主成分，在简化数据结构的同时，保留了数据中最大的变异性。本研究中主成分Ⅰ的贡献率达到66.315%，主要反映苗高、地径及叶片核心性状等变化模式；主成分Ⅱ的贡献率为11.238%，由叶脉夹角主导，代表叶片结构方面的差异。两主成分累计贡献率达到77.553%，说明该分析有效整合并简化了复杂表型信息，为后续综合评价提供了清晰的性状结构框架。在此基础上，通过Q_i 分析进一步将两大主成分结合，开展更细致的分类与分群分析，为揭示不同家系具体差异、精准筛选表现优异家系提供了更深层次的信息，进一步优化了综合评价对数据的解释与利用。本研究结合与生长及叶片相关的9个关键性状，以5%的入选率筛选出Ps14为优良家系。这一筛选策略与对白杨（P. tomentosa）^［50］及新林1号杨（Populus cathayana×canadensis ‘Xin Lin 1’）^［51］的研究中采用的技术路径相一致，进一步验证了多性状综合评价方法在林木优良种质筛选中的适用性与有效性。

杨属植物由于雌雄异株且天然杂交频繁，常形成复杂的网状进化格局，传统形态性状难以准确识别亲缘关系^［52］。因此，高分辨率的分子标记是开展谱系重建与亲缘判定的关键工具。本研究基于小叶杨全基因组开发的15对EST-SSR引物表现出优异的多态性，其平均观察等位基因数（N_a）为24，平均多态信息含量（PIC）为0.82，均属高度多态水平（PIC>0.5）。这一多态性水平显著高于韩志强^［53］在研究毛白杨469份材料时所得的SSR标记结果，说明所筛选的引物具有更强的区分能力，更适合应用于小叶杨的遗传多样性评估与亲缘谱系重建。此外，本研究检测到的期望杂合度（H_e）平均值为0.83，Shannon多样性指数（I）平均值为2.24，表明供试群体等位基因组成丰富且分布均匀，具有较高的遗传多样性水平。这与Wei等^［54］对小叶杨的研究结论一致，进一步说明小叶杨群体具有良好的遗传基础，有利于遗传改良中亲本的科学选配及优势组合创造。

本研究利用高分辨率SSR分子标记体系，对小叶杨半同胞家系进行了系统的父本鉴定，结果显示99%的子代成功匹配到父本，体现了本研究构建的引物体系在谱系解析中的高准确性和适用性。与王雪来^［23］在红松半同胞家系研究中仅68%的父本鉴定率相比，本研究更高的匹配成功率充分说明SSR标记在小叶杨这一高度杂交的自然群体中具有更强的分辨能力。更为关键的是，本研究的父本鉴定突破了以往小叶杨育种中“父本来源不明”的长期限制。传统的小叶杨自由授粉家系中，父本通常无法确定，导致难以评估父本在生长、抗性等关键性状上的真实遗传贡献，从而制约了科学的亲本选配与高效育种策略的建立^［55］。本研究通过准确重建家系谱系，不仅为评估父本间的繁殖贡献差异和遗传潜力提供了可靠依据，也为构建优良杂交组合、筛选优势父母本及制定分子育种路线提供了坚实的技术基础。

雄性亲本贡献率反映了不同父本在自然授粉过程中的繁殖成功率，是林木天然更新机制与生殖生态学研究的重要指标。本研究发现，不同父本对后代的贡献存在显著差异，呈现典型的“少数父本高贡献、多数父本低贡献”的偏态分布格局。此类模式在风媒授粉树种中较为常见，可能与授粉距离、花粉活力、开花同期性及冠层结构差异等因素共同作用有关。例如，父本M-PS189贡献率高达18.00%，远超其他父本，可能归因于其花粉产量高、花粉竞争力强或与母本的花期匹配度较高。此外，多个父本（如M-PS59、M-PS279、M-PS259）均与母本产生3个以上子代，提示这些父本与母本之间存在较高的交配亲和性。高亲和性组合在自然群体中往往具有更高的繁殖成功率，并可能在后代中形成优势基因组合，对群体遗传结构产生重要影响。

对谱系重建后的全同胞家系进行评价，Ps14×M-PS243的子代在苗高和地径上表现出显著优势，分别高于群体均值76.64%和74.34%。这种表型优势体现了其优良的遗传背景，鉴于苗高与地径是林木早期生长的重要指标，直接关系到造林成活率和后期生长潜力，家系Ps14×M-PS243在两者上的突出表现意味着其具备较强的遗传改良价值。谱系重建结合GCA分析为解决传统育种中“亲本选配盲目性”问题提供了有效途径。本研究的GCA结果表明，在成功鉴定的父本中，多数父本在苗高与地径性状上表现为正向GCA，说明其对生长性状具有稳定的遗传贡献，可在一定程度上提升子代的生长表现。其中，M-PS243在苗高、地径2项性状上同时表现出较高的正向GCA，是优良父本的重要候选材料。值得注意的是，本研究中表现最优的父本M-PS243仅产生3个子代，而子代数量较多的父本（如M-PS189）综合评价得分反而较低，这一现象并非由子代数量直接导致，而是遗传特性与生殖生态学特征共同导致的结果。子代数量的多少主要与父本的花粉传播能力相关，而非子代生长性状的决定因素，M-PS189等父本之所以产生更多子代，可能是由于与其花期与母树Ps14高度同步、花粉产量高或花粉活力强有关，体现了其在自然授粉过程中具有高成功繁殖率的优势，但这一优势并不能说明其具有遗传贡献优势；而M-PS243虽子代数量少，但其与母树Ps14的遗传互补性极强， GCA分析显示，M-PS243 在苗高和地径性状上均表现出最高正向GCA，表明其控制生长性状的优良基因传递效率高，即使子代样本量较小，仍能稳定呈现显著生长优势。

整体而言，通过将分子标记辅助的父本鉴定、繁殖贡献评估与子代表型及GCA分析相结合，本研究构建了一套更为精准的亲本选择路径。相较于传统依赖表型的育种模式，这种综合策略显著提升了优良父本筛选的准确性与效率，为小叶杨乃至其他林木树种的遗传改良提供了新的技术框架与实践依据。

4 结论

本研究以20个小叶杨半同胞家系为材料，通过生长性状和叶片表型的综合测定，并结合多性状综合评价与EST-SSR分子标记技术，完成了优良家系筛选与谱系重建。结果显示：各家系在9个核心性状上均存在极显著差异（P<0.01），且多数性状具有较高家系遗传力，表明群体遗传变异丰富，具备良好的育种潜力。通过多性状综合评价，家系Ps14在生长与叶片性状上均表现最优，被确定为最佳家系。分子标记分析方面，本研究成功筛选15对高多态性EST-SSR引物，并实现对子代99%的父本鉴定，共鉴定出32个有效父本，并揭示了显著的繁殖贡献差异及多组潜在优势杂交组合。进一步对谱系重建后的全同胞家系生长进行评价，初步筛选出优良家系Ps14×M-PS243，同时GCA分析表明，父本M-PS243在苗高和地径2个关键生长指标上具有稳定正向的遗传效应。本研究建立了小叶杨多性状联合评价与分子标记辅助谱系重建的综合技术体系，为小叶杨优良种质筛选、亲本科学选配及分子辅助育种提供了有效途径。

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基金资助

科技创新2030重大项目(2022ZD0401504)