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‘川早1号’子代遗传多样性及杂种优势早期预测

杨滨豪 杜国珍 何芝然

杨滨豪, 杜国珍, 何芝然. ‘川早1号’子代遗传多样性及杂种优势早期预测[J]. 四川林业科技, 2020, 41(5): 66−71 doi: 10.12172/202005120001
引用本文: 杨滨豪, 杜国珍, 何芝然. ‘川早1号’子代遗传多样性及杂种优势早期预测[J]. 四川林业科技, 2020, 41(5): 66−71 doi: 10.12172/202005120001
Yang B H, Du G Z, He Z R. Progeny genetic diversity and early prediction of heterosis from ‘Chuanzao 1’[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2020, 41(5): 66−71 doi: 10.12172/202005120001
Citation: Yang B H, Du G Z, He Z R. Progeny genetic diversity and early prediction of heterosis from ‘Chuanzao 1’[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2020, 41(5): 66−71 doi: 10.12172/202005120001

‘川早1号’子代遗传多样性及杂种优势早期预测


doi: 10.12172/202005120001
详细信息
    作者简介:

    杨滨豪(1995—),女,助理工程师,硕士,773925288@qq.com

Progeny Genetic Diversity and Early Prediction of Heterosis from ‘Chuanzao 1’

More Information
  • 摘要: 核桃(Juglans regia L.)是我国重要的经济树种,为了对杂交子代作出早期选择与生产效果预测,为丰富木本杂交育种理论和降低生产推广应用风险提供参考。本实验以‘川早1号’为母本进行控制授粉实验,对7个F1代的生长指标以及光合生理参数进行比较研究。F1代之间表型性状的变异系数广泛(3.25%~23.67%),尤其是单果重变异系数最大,达到了23.67%。叶绿素方差分析表明:21株子一代间有极显著差异(8.373**),且变异系数为29.66%。光合生理参数比较后:C1GC有极大的光合潜力。利用主成分分析法提取涵盖所有性状87.066%的信息的前3个主成分,选出分数在前3名优良F1代的C1GC(1.5650)、C1SL(0.9884)、C1ZF(0.4559),但是考虑到孤雌生殖带会来较低的出苗率,所以优选良种核桃苗为C1SL、C1ZF。
  • 图  1  生长性状的Duncan分析图

    Fig.  1  Duncan analysis of growth traits

    图  2  叶绿素Duncan分析图

    Fig.  2  Duncan analysis of Chlorophyll

    图  3  F1叶片光响应曲线

    Fig.  3  Light response curve of F1

    表  1  实验材料及代码

    Tab.  1  Experimental materials and codes

    授粉方式组合名称代码
    异花控制授粉川早1号×川早2号C1C2
    川早1号×蜀玲C1SL
    川早1号×早丰C1ZF
    川早1号×双早C1SZ
    孤雌生殖川早1号孤雌生殖C1GC
    自花授粉川早1号自花授粉C1ZH
    自然授粉川早1号自然授粉C1ZR
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    表  2  F1代坚果的经济性状多重比较分析

    Tab.  2  Duncan multiple comparison of economic traits of F1 Nuts

    F1性状腹径/mm缝径/mm果高/mm单果重/g果型指数发芽率/%
    C1ZR32.85±1.20 a30.39±0.80 a32.50±0.67 a12.14±0.76 ab0.99±0.02 ab87
    C1SZ33.99±1.07 ab31.44±0.71 ab34.82±0.44 a11.41±0.85 ab1.05±0.03 a66.7
    C1ZF35.65±1.75 b33.26±1.77 b35.33±1.77 b14.30±1.51 c0.99±0.01 b77.5
    C1GC33.97±0.96 a31.55±1.54 a34.45±0.91 ab11.56±2.03 ad1.01±0.02 a60.2
    C1ZH27.86±1.03 c25.60±1.03 c27.37±1.53 c7.27±0.6 d0.98±0.02 b54
    C1C234.33±0.69 a32.61±0.93 ab34.61±0.75 ab12.05±0.83 ab1.01±0.02 ab85.7
    平均值33.4431.1633.6011.841.0073.83
    变异系数/%6.496.176.5423.673.25-
    F值65.585**87.855**93.300**34.965**8.942**-
      注:表示在α=0.05水平上显著;**表示在α=0.01水平上显著,(下同)。
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    表  3  苗期生长性状统计特征和方差分析结果

    Tab.  3  Statistical characteristics and variance analysis results of growth traits at seedling stage

    均值/cm标准差变异系数/%F
    株高41.526.889174.545**
    地径1.460.34232.417
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    表  4  叶绿素方差分析

    Tab.  4  Variance analysis result of Chlorophyll

    均值标准差变异系数/%F
    叶绿素2.3990.71129.668.373**
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    表  5  F1的光合生理结果比较

    Tab.  5  Comparison of photosynthetic physiological results of F1

    杂交F1光补偿点/(μmol·m−2·s−1光饱和点/(μmol·m−2·s−1暗呼吸/(μmol·CO2·m−2·s−1Pnmax/(μmol·CO2·m−2·s1)
    C1ZR70.881306.351.4467.515
    C1SZ33.371244.331.3767.869
    C1ZF29.981191.191.3286.904
    C1SL38.251336.151.3867.399
    C1GC59.711644.710.43013.665
    C1ZH25.661328.231.3628.482
    C1C212.351097.100.5805.160
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    表  6  相关矩阵特征值及其相应的特征向量

    Tab.  6  Eigenvalues of correlation matrices and the corresponding eigenvectors

    性状主成分1主成分2主成分3
    特征值5.6223.6502.047
    贡献率%43.24528.07815.743
    累计贡献率43.77571.32387.066
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    表  7  F1主要性状相关阵的规格化特征向量

    Tab.  7  Normalized eigenvectors of correlation matrix of main characters in F1

    性状主成分1主成分2主成分3
    光补偿点(LCP)0.1150.3660.901
    光饱和点(LSP)−0.0130.9120.366
    暗呼吸−0.239−0.4730.231
    Pnmax−0.0330.9680.244
    叶绿素0.047−0.4990.725
    腹径0.989−0.102−0.017
    缝径0.984−0.144−0.064
    果高0.991−0.034−0.086
    单果重0.930−0.2430.157
    果型指数0.7000.190−0.349
    发芽率0.589−0.7090.287
    株高0.5750.702−0.359
    地径0.7660.3880.302
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    表  8  F1主成分得分与综合评析指数

    Tab.  8  Principal component score and comprehensive evaluation index of F1

    F1主成分1主成分2主成分3综合得分
    C1ZR−0.4919−0.50742.90180.1168
    C1SZ0.3435−0.1480−1.0860−0.0735
    C1ZF1.4626−0.8109−0.05020.4559
    C1SL2.1868−0.2666−0.06500.9884
    C1GC0.78443.7566−0.19931.5650
    C1ZH−5.01570.0428−0.5058−2.5689
    C1C20.7303−2.0666−0.9955−0.4838
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    [14] 陆光斌, 高洁, 贾晨, 辜云杰.  青钱柳20个半同胞家系子代苗期遗传测定评价 . 四川林业科技, 2017, 38(4): 87-89. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2017.04.018
    [15] 贾晨, 张时林, 段爱国, 罗建勋, 刘芙蓉, 杨马进.  杉木第3代种子园半同胞家系子代苗期测定与优良家系选择 . 四川林业科技, 2016, 37(6): 72-75. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.06.015
    [16] 宋鹏, 向晖, 董文渊, 罗建勋, 熊壮.  滇红椿表型性状遗传多样性研究进展 . 四川林业科技, 2016, 37(6): 17-21,53. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.06.004
    [17] 于雷.  1年生杨树不同无性系生长和生理指标的测定 . 四川林业科技, 2016, 37(2): 84-86. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.02.017
    [18] 刘芙蓉, 段爱国, 贾晨, 罗建勋.  陈山红心杉优树自由授粉子代苗木生长特性研究 . 四川林业科技, 2016, 37(5): 26-29. doi: 10.16779/j.cnki.1003-5508.2016.05.005
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    出版历程
    • 收稿日期:  2020-05-12
    • 网络出版日期:  2020-08-11
    • 刊出日期:  2020-10-12

    ‘川早1号’子代遗传多样性及杂种优势早期预测

    doi: 10.12172/202005120001
      作者简介:

      杨滨豪(1995—),女,助理工程师,硕士,773925288@qq.com

    摘要: 核桃(Juglans regia L.)是我国重要的经济树种,为了对杂交子代作出早期选择与生产效果预测,为丰富木本杂交育种理论和降低生产推广应用风险提供参考。本实验以‘川早1号’为母本进行控制授粉实验,对7个F1代的生长指标以及光合生理参数进行比较研究。F1代之间表型性状的变异系数广泛(3.25%~23.67%),尤其是单果重变异系数最大,达到了23.67%。叶绿素方差分析表明:21株子一代间有极显著差异(8.373**),且变异系数为29.66%。光合生理参数比较后:C1GC有极大的光合潜力。利用主成分分析法提取涵盖所有性状87.066%的信息的前3个主成分,选出分数在前3名优良F1代的C1GC(1.5650)、C1SL(0.9884)、C1ZF(0.4559),但是考虑到孤雌生殖带会来较低的出苗率,所以优选良种核桃苗为C1SL、C1ZF。

    English Abstract

    • 核桃(Juglans regia L.)是世界著名的四大干果油料树种之一,以其用途广泛,营养价值高而著称于世,是我国乃至世界分布范围最广、面积最大的坚果类经济树种[1]。由于四川独特的气候环境,以及核桃雌雄同株异花的生物学特性,造成核桃品种雌雄花期不育,种质资源相当丰富[2]。‘川早1号’是四川近几年选育出的优良杂交早实品种[3],因其早实性强,丰产性能突出,能适应川渝地区亚热带湿润气候特征。先后在四川、重庆、甘肃、贵州、陕西5个省(直辖市)30余区县开展区域试验,备受广大种植户的青睐。为丰富核桃的种质资源,本文以‘川早1号’为母本杂交育种的F1代进行遗传多样性研究及杂种优势预测,以期为杂种后代的早期选择缩短选育年限,为提高选育的质量及速度提供依据。

      • 金堂县淮口镇和栖贤乡梨花沟村属四川盆地亚热带湿润季风气候区中的盆地西部区,在该地区进行授粉实验。主要气候特点:气候温和,雨水充沛,日照较丰富,四季分明,大陆性季风气候显著,春季气温回升早,无霜期长280 d。

        崇州属四川盆地亚热带湿润季风气候,四季分明,春秋短,冬夏长,雨量充沛,日照偏少,无霜期较长。年平均气温15.9 ℃,年平均日照时数为1 161.5 h,年平均降雨量1 012.4 mm,将成熟后的坚果移植于此栽培。

      • 于2014年4月初采用套袋的方法,在金堂县淮口镇和栖贤乡梨花沟村核桃良种基地对‘川早1号’为母本进行控制授粉实验,分为4大类(见表1):

        表 1  实验材料及代码

        Table 1.  Experimental materials and codes

        授粉方式组合名称代码
        异花控制授粉川早1号×川早2号C1C2
        川早1号×蜀玲C1SL
        川早1号×早丰C1ZF
        川早1号×双早C1SZ
        孤雌生殖川早1号孤雌生殖C1GC
        自花授粉川早1号自花授粉C1ZH
        自然授粉川早1号自然授粉C1ZR

        Ⅰ孤雌生殖(套袋,对即将成熟的雌花进行隔离处理,避免授粉);Ⅱ自然授粉(不套袋,进行自由授粉);Ⅲ自花授粉(套袋,川早1号品种进行授粉);Ⅳ异花授粉(套袋,以‘早丰’、‘双早’、‘蜀玲’、‘川早2号’为父本进行授粉);果实成熟前1个月,请专人看守,并于2015年5月定植于崇州基地,株行距3 m×3 m,于2016年4月采集叶片进行相关形态指标和生理指标。每个组合选择3株进行测定。

      • 通过对杂交F1代的各果实性状经济性状分析表明,腹径的范围27.86~35.65 mm;缝径25.69~33.30 mm;果高27.37~36.01 mm;单果重7.27~14.30 mm、果型指数0.98~1.02、发芽率54%~87%。除C1ZF的果型指数低于平均水平外,其余的经济指标均在平均水平之上。C1SL在各项指标高于平均水平,分别高出5.92%、6.87%、7.44%、19.42%、2.00%、16.08%;C1ZF分别超出平均水平为6.60%、5.21%、5.15%、20.78%、–1.00%、5.00%;C1GC分别超出平均水平2.70%、4.70%、3.00%、1.70%、1.00%、16.08%(见表2)。综上C1SL、C1ZF、C1GC的各项形质指标总体来表现较好,各项性状基本位于前三。C1ZH各项经济指标均排在最后,且都落后于平均水平。

        表 2  F1代坚果的经济性状多重比较分析

        Table 2.  Duncan multiple comparison of economic traits of F1 Nuts

        F1性状腹径/mm缝径/mm果高/mm单果重/g果型指数发芽率/%
        C1ZR32.85±1.20 a30.39±0.80 a32.50±0.67 a12.14±0.76 ab0.99±0.02 ab87
        C1SZ33.99±1.07 ab31.44±0.71 ab34.82±0.44 a11.41±0.85 ab1.05±0.03 a66.7
        C1ZF35.65±1.75 b33.26±1.77 b35.33±1.77 b14.30±1.51 c0.99±0.01 b77.5
        C1GC33.97±0.96 a31.55±1.54 a34.45±0.91 ab11.56±2.03 ad1.01±0.02 a60.2
        C1ZH27.86±1.03 c25.60±1.03 c27.37±1.53 c7.27±0.6 d0.98±0.02 b54
        C1C234.33±0.69 a32.61±0.93 ab34.61±0.75 ab12.05±0.83 ab1.01±0.02 ab85.7
        平均值33.4431.1633.6011.841.0073.83
        变异系数/%6.496.176.5423.673.25-
        F值65.585**87.855**93.300**34.965**8.942**-
          注:表示在α=0.05水平上显著;**表示在α=0.01水平上显著,(下同)。

        变异系数是表征变异性状程度的一项重要参数,变异幅度越大则表明对种质变异和创新贡献率越高。比较F1代经济性状的变异系数发现:经济指标的变异系数在3.25%~23.67%,其中单果重变异系数最大,表明单果重对种质变异和创新贡献率高。而腹径、缝径、果高的变异系数在6%~7%之间,且三者之间的变异系数相差不大,对种质的变异的创新贡献率也相差不大。

        方差分析显示F1代坚果经济性状存在很大差异,在0.05显著水平下,各经济性状达到最大差异的指标均来自C1ZH,可见C1ZH与其他杂交子代相比差异较大(见表2)。

        通过对的腹径、缝径、果高、单果重、果型指数5个指标进行方差分析,结果表明,各经济指标间的差异均达到了极显著水平,说明各性状之间的遗传基因存在极大差异,表明F1代有丰富的遗传多样性,可以为优良单株提供选择依据。

      • 以‘川早1号’为母本的F1代在同一生境下生长特征亦有不同。表3对21个杂交单株进行了方差分析,株高、地径的均值分别为41.52 cm、1.46 cm,株高之间有极显著差异,地径的变异系数大于株高。

        表 3  苗期生长性状统计特征和方差分析结果

        Table 3.  Statistical characteristics and variance analysis results of growth traits at seedling stage

        均值/cm标准差变异系数/%F
        株高41.526.889174.545**
        地径1.460.34232.417

        对7个杂交F1代的株高、地径进行方差分析,结果见图1:在0.05显著水平下:C1ZR的株高、地径与其他F1代有差异。C1GC株高、地径生长得最好分别为50.67±3.14 cm、1.74±0.20 cm;C1SL次之分别为46.33±2.33 cm、C1SL1.7±0.17 cm;C1ZH无论是在株高和地径生长情况排名来看均垫底。

        图  1  生长性状的Duncan分析图

        Figure 1.  Duncan analysis of growth traits

      • 叶绿素是衡量植物光合生产潜能的一项重要的生理指标,叶绿素含量高的F1其叶片的光合生理活动相对活跃。川早1号杂交F1代21个单株的叶绿素含量方差分析结果(见表4):不同F1代单株之间的叶绿素存在极显著差异,说明在川早1号F1代之间进行优良单株的选择可以获得叶绿素含量较高的遗传增益。图2中,7个F1代之间的叶绿素含量有所不同,C1ZR叶绿素含量最高达到了3.88 mg·g−1,其次是C1C2(2.743 mg·g−1);在0.05显著水平下,C1ZR与其他F1代之间达到了显著差异。

        图  2  叶绿素Duncan分析图

        Figure 2.  Duncan analysis of Chlorophyll

        表 4  叶绿素方差分析

        Table 4.  Variance analysis result of Chlorophyll

        均值标准差变异系数/%F
        叶绿素2.3990.71129.668.373**
      • 图3中可以看出7个F1代间光响应曲线的变化趋势相似,随着PAR的增强,Pn也响应的提高,低光照区(PAR≤200),Pn随着PAR的增加而呈现出直线变化;当到达一定光强后(PAR≥1000),叶片的Pn缓慢增加,呈现出曲线;当PAR达到某一点时,Pn则不再增加,此时达到光饱和点(LSP)。曲线与X轴交点处便可得到光补偿点。

        图  3  F1叶片光响应曲线

        Figure 3.  Light response curve of F1

        光合性状可以作为判定光合能力的高低的重要参考依据,光合参数可以用来比较杂交F1组合光合能力的强弱。LSP、LCP的大小可以反映植物对光强、光弱的利用能力。LSP越大,则表明利用强光能力高。Pnmax反映了在光饱和时植物的光合潜力。C1C2的光补偿点最小,为12.35(μmol·m−2·s−1)则它对弱光的利用能力最高。

        表5可以发现:不同F1代之间最大净光合速率表现出较大差异Pnmax大小排列为C1GC>C1ZH >C1SZ >C1ZR> C1SL >C1ZF> C1C2,C1GC的Pnmax比C1C2高出2.65倍。C1GC的光饱和点最大,为1644.71(μmol·m−2·s−1),子一代之间Rd参数差异较小,C1GC的呼吸作用消耗的能量低,光合潜力也最大。

        表 5  F1的光合生理结果比较

        Table 5.  Comparison of photosynthetic physiological results of F1

        杂交F1光补偿点/(μmol·m−2·s−1光饱和点/(μmol·m−2·s−1暗呼吸/(μmol·CO2·m−2·s−1Pnmax/(μmol·CO2·m−2·s1)
        C1ZR70.881306.351.4467.515
        C1SZ33.371244.331.3767.869
        C1ZF29.981191.191.3286.904
        C1SL38.251336.151.3867.399
        C1GC59.711644.710.43013.665
        C1ZH25.661328.231.3628.482
        C1C212.351097.100.5805.160
      • 对F1的表型性状8个指标和生理光合参数5个指标,共计13个指标转化为主成分进行主成分分析(见表7)。

        在分析过程中,根据特征值大于1的原则提取3个因子,这3因子所解释的方差占整个方差的87.066%,这表明,反映核桃杂种优势早期预测可以用前3主分量反映87.066%的信息。就杂交F1代的13项特征指标而言,从表6中看出:在第一主成分中,果高(0.991)、腹径(0.989)和缝径(0.984)具有较大的正系数,表明第一主成分反映了该优株具有果高、腹径和缝径均有较高的特征,因此,第一主成分可作为苗期坚果选育指标。第二、三主成分中,LSP、LCP、Pnmax、叶绿素有较高的正系数,反映了该株具有较高的光合潜能较高。

        表 6  相关矩阵特征值及其相应的特征向量

        Table 6.  Eigenvalues of correlation matrices and the corresponding eigenvectors

        性状主成分1主成分2主成分3
        特征值5.6223.6502.047
        贡献率%43.24528.07815.743
        累计贡献率43.77571.32387.066

        通过主成分分析,得出‘川早1号’杂交F1代综合性状的优劣,为早期选育提供理论依据。表8中,综合得分最高的是C1GC(1.5650)、其次是C1SL(0.9884)、C1ZF(0.4559)。C1GC在主成分二中占有较大的权重(3.7566)、表明G1GC的光合潜能较大,而C1SL、C1ZF在主成分1中所占的权重较大,说明C1SL、C1ZF在坚果时期表现较好。

        表 7  F1主要性状相关阵的规格化特征向量

        Table 7.  Normalized eigenvectors of correlation matrix of main characters in F1

        性状主成分1主成分2主成分3
        光补偿点(LCP)0.1150.3660.901
        光饱和点(LSP)−0.0130.9120.366
        暗呼吸−0.239−0.4730.231
        Pnmax−0.0330.9680.244
        叶绿素0.047−0.4990.725
        腹径0.989−0.102−0.017
        缝径0.984−0.144−0.064
        果高0.991−0.034−0.086
        单果重0.930−0.2430.157
        果型指数0.7000.190−0.349
        发芽率0.589−0.7090.287
        株高0.5750.702−0.359
        地径0.7660.3880.302

        表 8  F1主成分得分与综合评析指数

        Table 8.  Principal component score and comprehensive evaluation index of F1

        F1主成分1主成分2主成分3综合得分
        C1ZR−0.4919−0.50742.90180.1168
        C1SZ0.3435−0.1480−1.0860−0.0735
        C1ZF1.4626−0.8109−0.05020.4559
        C1SL2.1868−0.2666−0.06500.9884
        C1GC0.78443.7566−0.19931.5650
        C1ZH−5.01570.0428−0.5058−2.5689
        C1C20.7303−2.0666−0.9955−0.4838
      • 对F1代表型性状分析很大程度上反映植物对环境变化的适应情况,坚果的经济性状与苗期生长指标是选育优良杂交后代的基础,因杂交育种产生了不同的杂种优势,所以F1代之间的表型性状产生了不同的变异,研究变异情况这有助于丰富四川核桃的种质资源。

        F1代经济指标变异系数范围在3.25%~23.67%,其中单果重变异系数最大(23.67%),与夏国华,赵爽等人[4-5]研究得出核桃的单果重是变异程度最大的表型性状的结论一致,因其潜力较大,可以用来进行良种选育。所以在川早1号杂交F1代单果重对种质变异和创新贡献率高。腹径、缝径、果高的变异系数相对稳定(CV<7%),说明对种质的变异的创新贡献率也相差不大。在F1代之间进行了方差分析,发现各项经济性状均之间差异较大,说明F1代有丰富的遗传多样性,能为优良单株的选育提供依据。

      • 株高、地径是植物生长状况的直观反映,株高、地径的变异系数分别为17%、23%,这与李振均等人研究结论相反[6]。可能因品种不同,苗木之间生理、生长状况不相同,导致结论不相同。本实验的结论是地径优于株高更适合作为苗期选择的依据。F1代单株叶绿素之间的差异达到了极显著水平,变异系数为29.66%。在0.05显著水平下,C1ZR与其他F1代之间均达到了显著差异。

        LCP和LSP分别表征了光照强度与光合作用关系的临界值。LCP和LSP与之所处的地理环境的光照强度有关,因长期处于高光照状态,青海互助油松LSP高,而内蒙古呼市土默特种源LCP较低,是由于种源光照相对不足[7]。核桃的生长全年日照要在2 000 h以上,低于1 000 h核桃会发育不良[8]。杂交子一代的LSP均在1500(μmol·m−2·s−1)以下,其原因与所处的地理环境有关,崇州基地年平均日照在1161.5 h,在长期的低日照下,导致杂交子代LSP较低。

      • 对F1的13个指标进行主成分分析,提取了3个因子,可以解释的方差占了整个方差的87.066%。主成分一用作苗期坚果选育指标,主成分二、三用作苗期生长光合生理选育指标,通过计算综合得分得到:C1GC>C1SL>CIZF。以选育优株作为目标应当选择C1GC,孤雌生殖的核桃不仅能纯化核桃品种,丰富种质资源[8-9]。‘川早1号’是雌先行品种[5],雌先行品种的生殖能力虽然高于雄先行品种,但总体来说孤雌生殖核桃的播种出苗率低于自然杂交[10,11],从C1ZR的发芽率比C1GC高出20.5%的结果开看印证了上述研究结论。若考虑到孤雌生殖所带来较低的发芽率,则C1SL和C1ZF成为‘川早1号’杂交F1代杂种优势早期选育的优株。

    参考文献 (11)

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