Wu2019克隆林业概述家庭林业
克隆林业；遗传增益；无性繁殖；风险；利益
中国杉木无性繁殖的优势在很早以前就被证实了(1500)(黄兰1988)，日本杉木无性繁殖的优势在800年前就被证实了(户田1974)。因为这些树种的无性繁殖相对容易，所以采用生根扦插繁殖具有理想性状的优良树种。当地农民通常看不到这种风险，也没有意识到这一点，因为他们会用根茎插条种植相当小的地块。杨树无性繁殖在欧洲也有悠久的历史。有组织的克隆林业始于20世纪初，单一人工林已成为南欧常见的土地利用形式。尽管历史悠久，但大规模工业人工林的无性繁殖和无性繁殖仅在上世纪七八十年代在杨树、热带和亚热带桉树上进行过(Libby和Ahuia，1993)。克隆林业的风险在同一时期被普遍认识(Libby 1982)。
克隆林业的发展和实施在一些阔叶树种中比较成功，特别是热带和亚热带的桉树(Rezende et al. 2013)和温带的大众树种和柳树(zsuffa et al. 1993)，因为它们相对容易进行无性繁殖和短周期轮伐。目前，巴西近50%的桉树林是无性系。通过遗传改良、造林改良和无性繁殖选择相结合，桉树人工林平均生产力从25-30立方米/公顷/年提高到35-45立方米/公顷/年。某些地区的生产率可能超过60立方米/公顷/年。Rezende等人(2013)和Griffin(2014)最近对桉树的益处、风险和技术要求进行了综述。我们将主要关注针叶树。
对于针叶树种来说，在SE(体细胞胚胎发生)发育和采用之前，优良树种由于成熟而大规模无性繁殖是一个很大的挑战(Hakman et al . 1985；公园2002).最近对欧洲林业中SE的综述表明，在欧洲使用克隆林业主要面临两个挑战(lelu water et al . 2013):(1)成本；(2)公众接受度。虽然目前它不是一个重要的因素，但如果使用克隆林业不能完全解决对遗传变异的长期影响，公众的接受可能会变得非常重要。为了评估克隆林业的成本，有必要证明一个关键的遗传优势，包括与目前的家庭林业相比，使用幼苗或无性繁殖插条进行生长和其他性状。为了获得经济效益，需要用现金流量贴现法综合评估使用无性系相对于家庭林业的成本结构。如果这种评估可以证明使用克隆林业的经济优势，那么相应的分析应该解决与家庭林业相关的克隆部署的潜在风险，包括长期种植成活率和生产力，以及生态和社会问题。
这一风险分析是在为针叶树种开发SE之前进行的。我们将回顾和总结世界上几个成功的克隆林业计划中的遗传增益(益处)、克隆种植发展的潜在风险、实际遗传增益和部署的克隆数量。
对于瑞典林业无性系的分配，景观、区域和物种水平的长期遗传多样性是重要的，因为瑞典林业没有建立纯粹的人工林，而是将人工林再生与生产和保护的混合目标相结合。因此，从多样性的角度量化相对于家庭林业的克隆林业是非常重要的。
随着世代的进步和选择强度的增加，树木改良的遗传效益也在增加。在同一代中，较高的遗传增益通常伴随着选择和繁殖方法的强度。遗传增益通常进展如下:
在林业中使用无性系的感知风险有三种:(1)种植失败的风险；(2)森林和景观层面多样性丧失的风险；(3)与繁殖成功率相关的遗传获得风险。克隆种植材料的严重风险评估始于1980，问题是“每个人工林有多少个克隆是安全的”(Libby 1982)。风险也与遗传增益有关。一个无性系将获得最大的收益，但风险也最大，而来自天然林的混合苗将没有收益，但风险最低。为了平衡这两个因素，我们必须妥协。
用三个理论基础估算了降低风险所需的克隆数:(1)单基因和种植失败风险法；(2)遗传抽样理论、适应性遗传多样性损失和遗传增益方法；以及(3)害虫攻击和遗传多样性的建模和计算机模拟。
通过使用单基因方法，已经证明种植失败的概率对基因作用(显性或隐性)和病害或害虫中毒性基因的频率非常敏感(Roberts et al . 1990；罗伯兹和比希尔2007年)。当使用13到25个克隆时，风险等级之间的失败概率差异很小。事实上，无止境的克隆数量与有效种群规模相当一致(ne=25个克隆)。重要的是要认识到，在林业的大多数情况下，对于未来可能威胁林分的遗传系统(即抗性基因的基因功能或基因频率)，我们不知道未知生物威胁的未来风险是什么。这种方法的有趣结果是包括超过20-40个克隆不会提供任何更大的风险降低(Bihir和Roberts 1995，1997)。一个是害虫毒性的基因频率，一个是树木抗性的基因频率；当达到阈值时，增加无性系数并不安全。
根据遗传抽样理论，杂合性丢失或加性遗传变异是有效群体大小ne的函数，可描述为1-(1/(2ne))。约10个体的有效大小提供了第一代群体中95%的原始遗传变异。20的有效群体大小在10代后可以维持约80%的变异(Roberds等1990)。为了在瑞典条件下维持单个林分的适宜性，建议必须认识到林分活力的两个不同要求:(1)基因多样性的临界水平；(2)抑制选择性破坏因子的扩散，完全抑制基因型的临界数目。利用网站资源。有人建议，25个克隆应在一个混合物中使用，用国家有效数ns=4表示遗传多样性最小(Lindgren，2008)。这类似于两个无限完全同胞家庭的遗传多样性，有四个不相关的父母或一个大的半同胞家庭，即一个母亲和无限多个父亲。在长期育种过程中，Ns=4的克隆混合物保持了原始基因多样性的87.5%。
遗传变异的小损失主要是由于纯合子的增加和低频等位基因的损失。低频等位基因对野生种群的保护作用不大，但对保护进化潜力有重要作用。这些低频基因的保护是遗传保护计划的重要组成部分，因此随着大规模克隆林业的实施，非克隆和天然林的管理仍然非常重要。
目前已知或未知的未来害虫的更复杂抗性(受多个基因影响的多重抗性)的最新模型为单基因模型的结果提供了重要的改进和证实(Yanchuk等人，2006年)。即使对于不同类型的克隆混合物(如随机混合、单克隆块和克隆块的镶嵌)，结果也是一致的。大约18基因型接近一个“最佳”或安全的数字，以减少一些未知的未来生物威胁的风险，尽管6，18和30基因型之间的差异相对较小。作者的结论是，这些数据对于许多没有详细信息的物种或那些轮换年龄长的物种来说可能足够常见。
这三项理论研究都指向了Libby博士30年前得出的相同的一般性结论——增加基因型数量超过一定数量对降低损失风险的作用不大:5-30个克隆提供了一个无限的种群(如野生森林)，最佳多样性水平可能存在于18个有效基因型左右，最小值可能在6左右。
克隆林业有遗传增益的风险。理论上，只有通过扦插或体细胞胚胎发生实现100%繁殖，才能获得根据遗传参数计算的遗传增益(Haynes和Wollaston，1991年)。随着繁殖成功率的降低，克隆的遗传增益下降。例如，育种成功率为50%，选择强度为1%(从一组200棵树中选择最好的两棵)，只能获得85%的潜在总附加增益。因此，无论树木生长、适应和木材性质如何，除非能够经济繁殖，否则都不能作为可操作的无性系(Griffin，2014)。
估算无性系林业的遗传增益高于家系林业，这对评价无性系林业的经济效益非常重要。以下是除挪威云杉外，瑞典几种主要人工林树种普查的一些实例。
新西兰每年销售辐射松无性系约250-500万株，2008-13年苗木市场总量为4568万株，约4-11%为无性系。在澳大利亚，已经生产了大约2000万棵辐射松，其中大部分是从捐赠者的树篱上生根的树枝。这些分支是从精英全同胞家系中培育出来的，现在有数百个无性系正在田间进行试验(find et al. 2014，Mike Carson 2013，personal communication)。
克隆林业主要由新西兰和澳大利亚的两家公司推广:Forest Genetics (www。森林genetics.com)和澳大利亚乔木(www.arborgen.co.nz)。这两家公司每年通过野外实验生产大约20个新的克隆体。森林遗传学估计，对照授粉家系中供试无性系的遗传增益在15-20%之间，声速(刚度)25%，平均木材密度10-15%。与对照组相比，克隆的子集增加了40%的对dothistroma的抗性(叶保留率)。
在新西兰，辐射松无性系以生根插条的形式出售，价格从每1000株650-720新西兰元(SEK 3700-4200)不等，相比之下，CP生产的幼苗为340-450新西兰元(SEK 1950-2600)，种子园生产的树木为280新西兰元。初步经济分析表明，每公顷2180新西兰元(SEK 12500)的改良无性系林业苗木净现值(30年，8%)约为300新西兰元(SEK 1700)(迈克·卡森，2013，个人通讯)。
根据最近对美国东南部三棵松树的调查，大约有8.435亿株树苗(比本世纪第一个十年衰退前的6543.8+亿株有所下降)由32个合作社成员种植，其中87.1%由火炬松组成。美国东南部的教育合作社(McKeand等人2015)。大约95%的种植园是用转基因材料建造的。绝大多数林分有OP家系(84%)，约8%有特定的杂种或完全同胞家系，约2%有实验克隆品种。先进的幼苗分配可以为特定的家庭提供比未改良的火炬松多40-60%的产量。对所有同胞家系进行杂交，已成为火炬松更新的重要组成部分。从2000年开始，全同胞苗年产量增加到2013年的6320万株，全同胞苗总种植量在过去的14年超过3.25亿株(Steve McKeand，2014，个人交流)。在一系列生产力和造林管理系统中，预计每公顷净现值为124美元至741美元(1000-6000瑞典克朗)，用于种植家庭林业中的最佳基因型(McKeand et al. 2003)。克隆林业的经济效益很少被记录。根据Arborgen公布的目录数据，一个克隆品种(agv var)的净现值约为每公顷3，346美元(SEK 27，500)。相比之下，根据他们的计算，他们从部署最佳质量控制授粉家系(MCPE)中获得2，865，438+09美元(SEK 23，000)。克隆品种的苗木价格为每1000株320美元(SEK 2600)，而MCPE(2004-2005年超级苗木)的苗木价格为每1000株205美元(SEK 1700)。
苏格兰云杉锡特卡是人工林的主要针叶树，苏格兰林业委员会对克隆繁殖和克隆林业有长期的兴趣(http://www . Forestry . gov . uk/fr/ggae-548 g6t)，虽然目前没有克隆林业和试验克隆来实践。对于新的人工林，75%的幼苗来自开放授粉的种子园，25%来自控制授粉的全同胞家系。生根插条用于无性繁殖，即无性繁殖的家庭林业。据估计，每年大约部署800万个钻屑(李家鼎，2015，个人通信)。在爱尔兰，每年有多达300万的插条来自东南部的植物，也就是利用家庭林业和植物繁殖的概念(Thompson，2013)。
在不列颠哥伦比亚省(https://www . for . gov . BC . ca/hre/forgen/)，还没有对针叶树种实施克隆林业，但已经克隆了几个种，包括杉木、铁杉和室内云杉(Michael Stoehr 2015，个人通讯)。
在新不伦瑞克省进行了白云杉和黑云杉的无性系试验，但在冠地尚未实施无性系林业(翁云辉，2015，个人通讯)。在私人领域，JD Irving有限公司自1995以来一直活跃在东南地区，致力于生产多条冷冻和初试生产线。该公司在田间试验中测试了2000多个品种(无性系)，主要是云杉和云杉。在同一个全同胞家系中，品种间差异很大。选择20%的品种，与传统种子园相比，种子量可增加10-15%。枝径、茎直度和对白松象的抗性也有显著提高。在每年65，438+0，500-2000万株树苗中，大约有250，000个来自东南部的树种被生产出来(Greg Adams，2065，438+05，个人通讯)。在10岁时，来自27个家系的233个无性系用于无性系试验，该试验在三个地点种植。当选出最好的10-30无性系时，比种子园的种子增产48%左右(http://treebreedex . eu/img/pdf/vegprop-0409-pres-park-ys . pdf)。
我们还联系了其他针叶树林业公司，包括爱尔兰的Coillte Limited、美国的Weyerhaeuser和澳大利亚的Hancock Queensland Plantation(HQP)。这些公司对克隆林业有长期和广泛的兴趣，其中一些公司有几个系列的克隆试验(如HQP)，尽管由于知识产权问题或商业秘密，目前的状况不可用。
限制无性系林业在针叶树上应用的主要问题是繁殖成本，特别是硒的使用。例如，在2008年，火炬松的枝条成本是同类幼苗的5至6倍，而云杉和松树的经验表明，这一差异实际上可能接近8至10倍(陆乐·沃特等，2013)。瑞典的这项技术表明，硒的使用成本比幼苗高一倍(Ola Rosvall 2015，个人通讯)。所有这些成本都需要与优势相平衡，包括缩短改进材料投入商业使用的时间。
许多阔叶树种经过一段时间的子代测定，都能保持年轻，使供试材料易于繁殖。这促进了该物种克隆林业的成功。以桉树为例，成功实现了阔叶树无性系造林。
巴西的桉树。巴西约有450万公顷桉树种植园，种植面积仍在扩大。巨桉×巨桉杂交组合的优越性和优良无性系的易繁殖性，使桉树杂交无性系林业成为育种和繁殖的成功教科书范例。有记录的基因获取很难找到。问题是，在七八十年代种植的商业林分中，仅仅通过选择大量的稀有重组体，就在前期获得了巨额利润(达里奥·格拉塔帕格利亚，2013，个人通讯)。这些种子是在早期的物种/种源/后代实验中收集的，包括20世纪初引入的著名的里约克拉拉林分。Bison等(2006)报道，与胸围生长特性相比，巨尾桉种间杂种的表现比种内杂种高38.7%。在克隆选择获得相似遗传增益的情况下，杂种结合克隆选择获得的总遗传增益可能是可观的。Aracruz第一次选择的无性系(他们获得了Wohlenberg奖)比当时的商业林分收获了65，438+000%以上，轻松产出约30-40 m3/ha/年，而极低产和可变林分的平均产量为65，438+00-65，438+05 m3/ha。未改良种子(达里奥·格拉塔帕利亚2013，个人通讯)。这样初步成功之后，收入就越来越多了。目前工业人工林的平均蓄积增长率约为45立方米/公顷/年，最好的地方高达65立方米。Fibria是一家大型上市公司，在2014年生产了大约500万公吨的桉树纸浆。通过从1980开始引进统一的优良无性系，种植生产力从70年代的每年6.4公吨提高到2000年的10.6公吨。2012年纸浆产量进一步增加到11.9吨，2025年将达到15吨(吴2015)。
在巴西，大多数企业每年种植10到14无性系，持续5-8年。Rezende等人(2013)报道，平均产量增长率比商业人工林的幼苗高25%。他们还建议每三到四年更换两到五个新的克隆体，每10-15年更换一次克隆体组合。关于疾病和非生物威胁，克隆被视为一种解决办法，而不是一个问题。出现了腐烂、锈病、干旱等新病害，但克隆被认为是最快的解决办法，主要是桉树资源的遗传变异，可以抵抗大多数病害。到目前为止，还没有专门归因于克隆技术的灾难记录。
桉树在中国。桉树在中国的种植是阔叶树无性系林业的又一成功案例。桉树人工林1970年只有30万公顷，1980年慢慢增加到40万公顷，90年代中期慢慢增加到70万公顷。我国桉树种植面积迅速增加，2005年约为654.38+0.5万公顷，2006年为370万公顷。估计东门无性系(以17无性系为主)种植面积超过260万公顷，估计约80%的种植面积有DH32家系的5个无性系(黄等2012)。在东门，主要的商业克隆试验始于1991，是从1988的一个杂交家系试验中选出的，其中发现了流行的杂交家系DH32(尾叶桉U16×巨桉G46)和DH33 (U16)。1992中90个无性系的专项克隆实验表明，杂种无性系(尤其是阔叶树和巨阔叶树之间的无性系)在生长上远优于纯系，也优于当地产生的无性系和巨阔叶树×巨阔叶树的无性系。从巴西Aracruz克隆(黄等2012)。
随着新杂交品种的使用，中国桉树人工林的生产力从20世纪70年代中期之前的不到7 m3/ha/年增加到20世纪80年代后期的平均65，438+00-65，438+02 m3/ha/年。此后，无性系林业出现，改良造林方法得到改进。平均生产率约为20立方米/公顷/年(Arnold，2005年)。与此同时，作物轮作年限从65，438+00多年减少到6-7年，有些地区甚至更短，年回报率为每公顷65，438+0，548元(65，438+0，935瑞典克朗)。
在东门示范种植中，DH32和DH33家系的最佳无性系在7年生时收获，平均年产量为35.438+0 m3/ha。据报道，海南岛APP纸浆厂附近的东光林场，使用无性系DH32-29的人工林，在玄武岩土壤上5年生MAI为67立方米/公顷/年。在过去的15年中，17个最受欢迎的商业克隆中，有7个来自DH32家族，3个来自DH33。因此，我国大部分桉树人工林的遗传基础非常狭窄。由于对青枯病和溃疡病的敏感性，来自DH33家族的克隆的流行率下降，克隆DH201-2由于虫害已基本停止使用。因此，更频繁地更新无性系，增加不同无性系的数量，是今后种植的理想选择。
然而，并不是所有的桉树都适合克隆林业。对于一些生根能力较弱或边缘和环境有限的物种，无性繁殖或实生繁殖的家庭林业可能更经济和可持续(Griffin 2014)。
在奶牛中，基因组选择(GS)是通过使用全基因组密集标记启动的，但没有进行相关的实验(Meuwissen等人2001)。GS促进了优良基因型的快速选择，加快了育种周期。近年来，如果训练群体与选择群体密切相关，GS已成功引入树木育种(Resende et al . 2012；林等；Bartholome et al. 2016)，其效率类似于表型选择。利用GS进行无性系选择的优点是GS的选择可以在幼苗早期或新萌发的种子中进行。这可能消除对针叶树长期无性系测试的需要。因此，将GS与体细胞胚胎发生结合起来可能会促进克隆林业的发展。
(1)理论上，针叶树通过克隆实验和配置可以获得5-20%的额外遗传增益，而不是利用估计遗传参数计算的家庭林业可以获得的增益。额外增益的差异主要是由于群体的大小、被测家系的克隆数和后代检测的准确性，与不确定性无关。如果传播成功率小于100%，理论增益可能会降低。
(2)从试验结果来看，无性系林业试验中针叶树实现的遗传增益高于家庭林业试验，但有关商品人工林中配置的无性系数量和商品无性系人工林实现的遗传增益的资料很少。
(3)以桉树无性系林业为例，少数集中选择的无性系商品化时，阔叶树品种的遗传增益为25-50%。新桉树人工林通常使用约5-14个无性系。
(4)关于防止潜在生物威胁所需克隆数量的三项理论研究都表明，将基因型数量增加到一定数量以上，对降低损失风险的作用不大。在无限种群中，5-30个克隆似乎提供了相同的“安全性”，最佳多样性水平可能是18个克隆，至少有6个克隆。
(5)为了在挪威云杉和其他物种中实施无性繁殖的克隆林业和家庭林业，建议从现有的家庭/克隆实验中估计加性和非加性遗传变异，以证实克隆林业相对于家庭的效益预测。y林业。此外，建议采取适当的控制措施进行稳产试验。
(6)还建议估算不同繁殖类型(幼苗和切根对硒)的相对繁殖和种植成本，用贴现现金流分析挪威云杉和其他物种的整体轮伐成本/收益。
(7)应使用群体基因组工具(克隆和家庭林业和野生)调查景观和物种层面的潜在长期多样性损失。
(8)应用克隆林业技术，可以改进或调整现有的育种和实验方案。将苗期或萌发期的基因组选择与SE结合起来，可以极大地促进未来无性系林业的发展，特别是在针叶树上。