Zas R, Björklund N, Sampedro L, et al (2017) Genetic variation in resistance of Norway spruce seedlings to damage by the pine weevil Hylobius abietis. Tree Genet Genomes 13:111. doi: 10.1007/s11295-017-1193-1

摘要

北方针叶林的再生通常通过重新造林进行，其中遗传改良材料来自长期育种计划，重点是生产力和木材质量。然而，卫生威胁可能会影响预期遗传增益的实现。在育种计划中包括抗虫性特征可能有助于可持续保护。在这里，我们量化了挪威云杉对其主要害虫松树象鼻虫Hylobius abietis的不同抗性成分的变化。我们在两个大型后代试验中追踪昆虫损害（52个自由授粉家庭，每个家庭100-200个人和试验），自然受到松树象鼻虫的侵袭。根据试验和年份，松树象鼻虫在17％至48％的种植幼苗中受损，由于象鼻虫损害造成的死亡率高达11.4％。结果表明对松树象甲虫的抗性具有显着的遗传变异，并且重要的是，不论对比的发病水平如何，这些变异在试验中高度一致。对幼苗抗性不同成分的个体遗传力估计值始终较低，但家庭遗传力适中（0.53至0.81）。虽然向前选择和较高抗性的育种似乎不可行，但最佳亲本树的向后选择出现作为减少象鼻虫损害的推定替代品。早期生长潜力与象鼻虫攻击概率之间也存在正相关性，但这种关系较弱，仅出现在其中一项试验中。总体而言，此处提供的结果为减少这种有害害虫造成的损害开辟了一条新的吸引人的方式。
关键词：昆虫食草。植物 - 食草动物的相互作用。抗虫害育种。增长抵抗权衡。 Hylobius abietis。 Picea abies

空间分析

根据在有害生物自然侵染的遗传试验中收集的数据分析昆虫抗性的遗传变异，需要测试昆虫的发病率是否沿着实验区域均匀分布，或者至少是否遵循实验设计能够的考虑空间模式。否则，违反观测独立性的必要性，分析可能无法区分真正的遗传变异与空间或微观环境影响。为了辨别每个试验中松树象鼻虫损伤发生率的空间模式，我们使用类似于Zas等人描述的方法（2006年）。基于每个图的GPS坐标和每个小区中每个幼苗的相对位置估计每个幼苗的坐标。在调整遗传效应（参见下面描述的混合模型）之后，我们首先计算了象鼻虫损伤残差的半变异函数，以探索小规模（即块内）的空间依赖性。通过单向ANOVA获得残余物，其中家族作为独特的固定因子。半变异函数表示位置之间的差异作为分离它们的距离的函数（Cressie 1993）。平半变异函数表示空间随机性，而半变异趋于随距离增加的半变异函数表示数据的空间依赖性。半变异函数的形状反映了空间结构（Cressie 1993）。我们还研究了大尺度的空间趋势，构建了块均值的半变异函数和空间模式的克里格估计。使用SAS系统进行变异和克里金法。

统计分析 【和空间是分开做的，能否结合起来？】

首先通过混合模型独立地分析来自每个试验的生长（幼苗高度）和损伤（去皮区域）数据，其中块作为固定因子，而开放的家庭作为随机因子。使用SAS系统的MIXED程序拟合混合模型，并通过REML方法估计方差分量。通过似然比检验检验了家庭因素的显着性，其中我们比较了包括和排除该随机因子的模型的对数似然。包括和排除随机因子的模型的对数似然的两倍的差异被分布为具有一个自由度的one-tailed卡方。
使用广义线性模型分析二元数据（受损概率，茎环剥和由象鼻虫引起的死亡率），假设二元分布和logit连接函数。混合逻辑模型假设具有多基因的表型的潜在连续分布，其导致两种可能的观察结果（是/否）。在负债量表上工作可以估算二分类变量的遗传参数，并直接比较特征和实验的估计值（Aparicio等，2012）。这些统计模型等同于上述混合模型，并配有SAS系统的GLIMMIX程序。
根据相应的估计方差分量估计个体（hi2）和家族（hf2）遗传度，假设家族为真正的半同胞（即，加性方差等于家庭方差的四倍）：


n是相应试验中每个家庭的平均植物数。 在二进制变量的情况下，假设残差方差为2/(3) = 3.28987。

联合分析，结合两个后代试验中24个共同家庭的数据，假设试验和试验中作为固定因素和家庭和家庭通过试验互动作为随机因素阻断。假设第一年试验1中的象鼻虫发病率太低，我们将试验2中的这些分析数据与试验1中第二个生长季结束时的累积损伤相结合。具有非结构化家族协方差结构的完整模型（ G矩阵）首先拟合。为了探索和解释GxE相互作用，然后拟合约束家庭协方差结构的不同元素的不同简化模型，并与相应的完整模型进行比较（de la Mata和Zas 2010）。测试了两个主要的相互作用来源：跨试验的家庭方差的异质性（即，将完整模型与假设两个试验的共同家庭方差的简化模型进行比较）和试验之间的完美相关性的偏差（即，比较具有简化模型的完整模型，其中试验之间的遗传相关性被约束为1）。关于GxE相互作用来源的假设检验是通过比较受约束和无约束模型的受限对数似然（RLL）来完成的。在完全模型与简化模型没有不同的零假设下，对数似然比LLR = -2？RLL减小模型 - RLLfull模型）近似分布为2，其自由度等于数量之间的差异。完全模型和简化模型的协方差参数（Fry 2004）。
从每个家庭和试验的单点分析估计最佳线性无偏预测因子（BLUP），并用于基于不同强度的家族选择的遗传增益估计。选择最佳j家族（Gj）的遗传增益估计为

使用每个性状和试验的家庭BLUP之间的Pearson相关性分别估计每个试验的性状之间的遗传相关性。

讨论

抗性育种是抵御本地生物威胁的有力工具，这是与全球变化相关的主要且迅速发展的问题（Telford等，2015）。在这里，我们探索了培育挪威云杉的潜力，以抵抗北欧管理针叶林再生的最重要的害虫，松树象鼻虫H. abietis（L铼gstr鳇和Day 2004）。为此，我们探讨了从瑞典南部的挪威云杉繁殖种群中选择的开放授粉家庭中对昆虫易感性的遗传变异，分析了昆虫在自然感染害虫的两个后代试验中的发生率。结果表明，对松树象甲虫的抗性具有显着的遗传变异，重要的是，不论对象的象鼻虫发病率水平如何，这些变异在试验中都是高度一致的。总体而言，结果表明，最佳亲本树的向后选择成为减少象鼻虫损害的推定替代方案。我们还发现两个试验之一的早期生长潜力与象鼻虫攻击概率之间存在正相关的证据。

不同抗性成分的显着遗传变异

结果表明，在两项试验中，试验的开放授粉的挪威云杉家系在对松树象甲的抗性方面存在显着的遗传变异，尽管在两项试验中，象鼻抗性的不同成分是造成这种变异的原因。在试验1中，总体象鼻虫损害发生率相对较低，观察到受损概率的遗传变异，但未观察到幼苗遭受的损害量。被破坏的可能性（即反映幼虫是否受到象鼻虫侵袭的二元变量）可以解释为幼苗对昆虫的吸引力的结果（Nordlander 1991）。当象鼻虫压力低时，象鼻虫似乎选择攻击特定的云杉变种，但象鼻虫的压力可能太低，无法检测家庭中去皮区域的差异。松树象鼻虫吸引的关键挥发性萜烯或其他幼苗散发的气味的遗传变异，如α-pine烯（Björklund等人2005; Nordlander等人1986），其在温带和北方针叶树中通常较大（例如，Sampedro等人） 2010），可能解释了受损概率的这种变化（Kennedy等2006; Tomlin等1997）。相反，当象鼻虫的压力很高时，例如在试验2中，云杉家庭的去皮区域的数量显着不同，而受损概率的变化明显较低。这些结果表明，在高象鼻虫压力下，象鼻虫最初选择最佳寄主的机会很少，但幼苗抗性性状的变化最终反映在象鼻虫造成的损害量的变化上。去皮区域的遗传变异可能与化学物质的遗传变异（例如，树皮和皮质中的萜烯和酚类含量和分布）和/或针对这种食草动物的物理防御（例如，树皮厚度和硬度和皮质树脂运河）有关，已知其在不同针叶树物种中显示出大的种群内遗传变异（Moreira等人2013; Moreira等2015），包括挪威云杉（Axelsson等2015; Danielsson等2011; Rosner和Hannrup 2004）。
象鼻虫抗性的不同成分的相对相关性（即，象鼻虫摄食的吸引力与障碍物）可能对通过育种改善抗性的效率和持久性具有重要影响（Namkoong 1991）。如果松树象鼻虫偏好占优势，那么当单独种植时没有更有吸引力的邻近幼苗可能会攻击抗性遗传变异（Barbosa等，2009）。然而，由于松树象鼻虫是一种多食性食草动物，有许多替代食物来源 - 如成熟树木的根和枝（Å着陆等2000; Wallertz等2006） - 对不太有吸引力的幼苗的压力不太可能如果没有更有吸引力的邻近幼苗种植，它们会显着增加。另一方面，如果抵抗力主要是由于化学或物理抗性特征，那么通过种植抗性材料就会出现对象鼻虫群体施加压力的压力增大（Brown 2015）。同样，松树象鼻虫的多食性行为可以稀释这种不希望的效果。

为什么抗性的遗传变异不大？

观察到的挪威云杉对松树象甲虫的抗性变异显着，但低于针对松树象鼻虫的松树物种（Zas等人2008; Zas等人2005）和挪威云杉对其他象鼻虫物种的抗性（Mottet等人2015）。特别相关的是挪威云杉对白松象甲P. strobi的抗性变异，这是一种原产于北美的严重害虫，它对引入的挪威云杉造成重大损害。对加拿大东部的遗传试验进行的评估显示，挪威云杉对这种昆虫的加性效应变化很大（Mottet等，2015）。挪威云杉在加拿大具有异国情调，并且没有与白松象鼻虫自然共存，因此观察到的变异可能是挪威云杉共同进化的其他本地害虫的抗性性状变异的副产物。因此，我们预计更大的种内变异也会发生在本地象鼻虫如H. abietis上，而不是我们记录的。
几个非排他性因素可以解释相对较低的抗性遗传变异。首先，生产力的育种可能会削弱其他功能性状的其余变异性，例如对害虫和病原体的抗性（Androsiuk等，2012）。以前对松树的研究表明，即使是关于生产力特征的单一选择事件也会在其他生命功能中引入可测量的变化（Santos-del-Blanco等2015）。我们不知道我们的挪威云杉种群是否会出现这种情况，但是有充分的证据表明这种繁殖种群保留了高度中性的遗传变异，涵盖了大部分现有的自然变异（Androsiuk等，2012）。此外，众所周知，挪威云杉繁殖种群对不同的害虫和病原体具有显着的遗传变异（Axelsson等2015; Karlsson和Swedjemark 2006; Skr鴓pa等2015; Swedjemark和Karlsson 2014），因此单向复发导致多样性减少选择和繁殖似乎不太可能是对松树象甲虫抗性变异性低的原因。
其次，对松树象甲抗性的低变异可能与特定的繁殖种群有关。根据其遗传背景，任何性状的变异可以在不同的群体中显着变化（Conner和Hartl 2004）。此外，抗性的变化可以限于单个斑点或群体。例如，不列颠哥伦比亚省Sitka云杉对白松象甲的抗性的遗传变异仅在一个种源中被发现，其余种群一致地高度敏感（Alfaro等人2013）。因此，相对较低（52）的测试家族数量可能太低而无法捕获全范围的遗传变异。有必要研究天然林分和/或其他具有不同遗传背景的育种材料的种群，以确定是否属于这种情况。
第三，试验中的损伤水平可能太低而不能最佳地检测遗传变异，这一事实表明，剥皮区域的遗传变异仅在试验2中观察到，其中损伤更大。在我们的研究中观察到的去皮区域略低于瑞典南部最近的明确区域（Å着陆和Nilsson 1999）。进一步的研究应该证实，当松树象鼻虫压力较大时，是否可以越来越多地表达对松树象甲的抗性变异。

环境互动没有基因型

尽管遗传变异较小，但两个试验结果之间的高度一致性有助于选择或育种举措以提高抗性。瑞典南部的挪威云杉的生长性状也观察到低到中等的G？E相互作用（Berlin等2015）。相比之下，此处显示的结果表明，对于生长性状的试验，遗传相关性降低。尽管这两项试验几乎位于同一地点，但两项试验之间的几项环境因素差别很大。首先，试验2的幼苗在种植时高得多（平均32对23厘米），因此根冠比较差。其次，这两项试验是在不同年份（2013年和2015年）种植的，具有完全不同的天气条件;例如，早春（直到4月）在2013年异常凉爽，但此后在2013年5月至7月比2015年更温暖。此外，如此早期的幼苗生长速度可能会受到影响，或者至少受到两个苗圃条件的高度影响和母体种子效应（Herman和Sultan 2011）。观察到高度增长的极高遗传力估计表明情况可能如此。因此，可以预期，当树木变老时，G？E相互作用对高度增长的相关性会降低。
尽管如此，与象鼻虫抗性相关的性状的极低G？E相互作用，至少对于试验中的交叉相互作用是重要的，并且表明家族之间对松树象甲的抗性的相对差异独立于非生物和生物环境。因此，当在常见的高松象鼻虫压力下种植时，没有相关的家系等级变化与象鼻虫抗性相关。另一方面，不同地点的家庭差异的差异表明，象鼻虫压力越高，家庭方差成分的相对相关性越高。
在先前的相关研究中，分析对害虫的抗性的遗传变异是否取决于环境条件，通过环境相互作用的基因型似乎也具有低相关性。例如，Mottet等（2015）发现挪威云杉对P. strobi的抗性试验点之间存在高B型遗传相关性。此外，不论其幼苗生长和象鼻虫损害的发生率如何，海洋松和辐射松对松树象甲的遗传抗性在不同施肥处理中变化不大（Zas等2008; Zas等2005）。

生长潜力与易感性之间存在正相关关系

在试验1中发现了生长和易感性之间的低但正的遗传相关性，其中那些表现出较大早期生长的家庭（生长季节后的高度）是那些维持较高攻击概率的家庭。这种遗传关联可以被解释为育种对于具有提高的生产力的谱系的不期望的副作用的证据。据报道，对于其他针叶树种的繁殖种群，早期生长潜力与由松树象鼻虫引起的田间死亡率之间存在正相关性（Zas等2008; Zas等2005）。植物资源是有限的，不能同时分配给几个功能，这些生理冲突可能作为替代生命功能之间的权衡而出现，这是一种可能同时阻碍两种功能同时滋生的共同模式（Agrawal等，2010）。然而，被攻击的可能性应该谨慎解释为总体抵抗力和死亡率的代表，而此处评估的早期生长可能不是轮换年龄内遗传增长潜力的良好代表。攻击的可能性取决于多种因素，包括影响象鼻虫选择的复杂过程的植物特征（Bj鰎klund等2005）和昆虫种群水平。初始吸引力可以直接由植物大小和直径驱动，即，通过资源可用性，还通过外观（例如，通过挥发性花束）和食物质量（即营养物含量和幼苗防御表型）。另一方面，受攻击的幼苗的受损强度将取决于植物安装快速有效的诱导防御的能力，并且存活将受到与耐受相关的性状，受到一定程度的损害而不影响健康的能力的影响。所有这些抗性成分已被认为是针叶树中的遗传变异性状，更重要的是可能表现出它们之间的共变（Blanch等2012; Moreira等2015; Sampedro等2010; Sampedro等2011）。例如，白松象鼻虫更容易被内部云杉的活跃树木所吸引，但与此同时，生长较快的家庭具有较高水平的遗传抗性（King等1997）。
另一方面，非常早期的生长评估，例如这里的情况，可能不是成熟年龄后期生长的良好预测因子。这些早期测量的年龄与遗传相关性可能很低，因为种植后不久的生长评估可能受到许多混杂因素的严重影响，包括种植后压力（如Climent等人2008）和母体效应（如Bischoff和Mueller） -Schaerer 2010）。此外，生长和防御之间的妥协可能会在树的生命周期中发生巨大变化（de la Mata et al 2017）。因此，应仔细解释观察到的生长 - 抗性关系，并需要进一步研究以澄清对松树象鼻虫的早期抗性是否与成熟的遗传生长率相关，以及生产力的强化育种是否最终会导致总体减少。抵抗这种有害的害虫。

对育种的影响

从较低的个体遗传力估计来看，在这一群体中繁殖更高的松树象甲抗性似乎是不可行的。然而，从本文的结果中得出的一个有趣且易于应用的实践是从云杉育种计划中移除最易感家庭或使用具有更高抗性的家庭，其中需要加强针对松树象甲的保护对策损伤。中度家庭遗传力估计和环境相互作用的极低基因型都导致了这种选择策略的一致和相当大的遗传增益。此外，由于松树象鼻虫是一个主要的问题，相对较小的抗性差异可能是重要的（Wainhouse 2004），并非与其他损害抑制方法相结合（Nordlander等2011）。此外，与目前的部署人口分开，对松树象甲具有较高抗性的一个家庭子集在没有任何重要的经济和后勤投资的情况下直接应用。根据这项研究的结果，这种策略的遗传增益可以是适中的，很容易达到由于象鼻虫损害导致的死亡率降低10％~0％。然而，如前所述，在较高的象鼻虫压力和其他云杉种群中，遗传增益可能会大得多。

结论

这项研究的结果表明，挪威云杉对松树象甲的抗性表现出较小但显着的遗传变异，松树象甲是该物种的主要害虫。选择挪威云杉繁殖种群中最具抗性的家庭成为一种有效，简便和有效的措施，以加强目前的措施，将象鼻虫的伤害降低到可接受的水平。进一步的研究应该探讨这些结果是否在不同的挪威云杉种群中得到证实，寻找其他云杉种源的其他抗性来源，并解决非生物和生物环境条件如何影响有效抗性，包括高象鼻虫压力下的评估。