木荷(Schima superba)为我国东部湿润亚热带常绿阔叶林的主要建群树种,其材性优良,抗逆性强,是我国南方各省区中主要的珍贵优质阔叶用材和高效生物防火树种。自2001年开展木荷良种选育以来,已在浙江、福建、江西、广东和重庆等营建了超过100ha的木荷无性系种子园。但对木荷的繁殖生物学特性和种子园的遗传管理缺乏系统研究,难以为种子园的经营管理及良种生产提供理论和实践指导。鉴于此,本文以进入正常开花结实期的木荷种子园为研究对象,对木荷开花综合特征、传粉机制、繁育系统等进行了深入研究,揭示木荷的繁殖生物学特性,为其种子生产、资源利用和杂交育种提供重要的实践指导和科学依据。同时,研究和揭示了种子园无性系花期同步性、遗传交配系统状况及传粉规律,为木荷种子园营建和高效的遗传管理提供了重要的科学理论依据。主要研究结果如下:1.通过定点观察,对木荷花部综合特征及繁育系统的研究结果表明,木荷5~7月份开花,单花期4~5天。花白色,常多朵排成总状花序,平均每个花序着生7朵花。开花当天柱头即具有可授性,且在整个单花期内均保持较高的可授性。花粉失活较快,花粉活性在花朵刚开放时最高(83.78%),至花朵凋谢时花粉活性仅为5.45%。花开后柱头快速伸长,直至略高于花药,形成柱头和花药在空间上的分离。木荷的杂交指数(OCI)值为4,花粉胚珠比(P/O)值约为6686.67,结合控制授粉试验显示,木荷繁育系统以异交为主,不存在无融合生殖,传粉过程需要传粉者。2.木荷为异花授粉植物,其种子生产必须依靠昆虫传粉。通过观察认为,中华蜜蜂(Apis cerana)、白星花金龟(Protaetia brevitarsis)和棉花弧丽金龟(Popillia mutans)是木荷的主要传粉昆虫。中华蜜蜂和棉花弧丽金龟的访花高峰均发生在10:00~11:00,白星花金龟则无明显的访花高峰。3种传粉昆虫体表均携带花粉,白星花金龟的携粉量显著高于棉花弧丽金龟(P<0.001)和中华蜜蜂(P<0.001),棉花弧丽金龟的携粉量显著高于中华蜜蜂(P<0.001)。体表不同部位携粉量不同,3种传粉昆虫主要的携粉部位为胸腹部,同时也是接触花药和柱头最为频繁和力度最大的部位,因此它们的传粉方式均为腹触式传粉。中华蜜蜂每次访花的花粉移出数、柱头花粉沉降数及传粉者效率均低于白星花金龟和棉花弧丽金龟,但不显著(P>0.05),而中华蜜蜂在访花频率上占有明显优势,分别为白星花金龟的29倍和棉花弧丽金龟的8.3倍。综合各项特征表明,中华蜜蜂是木荷最有效的传粉者。3.进一步对木荷自交与异交的亲和性进行比较研究。结果显示,自交与异交花粉均能在柱头上正常萌发,生长至花柱基部。异交花粉管能成功进入子房和胚囊,而自交花粉管不能进入,表明木荷为晚期自交不亲和(LSI)植物。自交和异交授粉均能引起子房SOD、POD和CAT活性的增加。自交和异交授粉48 h,氨基酸含量差异最大,其中自交授粉精氨酸(Arg)的含量显著高于异交(P<0.001),表明Arg含量的变化可能与木荷晚期自交不亲和有关。授粉后子房生长素(IAA)和玉米素(ZT)呈先升高后下降的趋势。授粉48 h,异交子房IAA和ZT含量均显著高于自交(P<0.05),表明子房中高水平的IAA和ZT有利于授粉受精正常进行。4.差异蛋白组学研究结果显示,自交和异交授粉48 h后的子房存在82个差异蛋白点,经质谱和数据库检索成功鉴定出58个蛋白点,其中自交授粉中表达丰度升高的蛋白点有15个,表达丰度降低的有43个。异交授粉后肌动蛋白和蛋白酶体表达量显著大于自交授粉,而过氧化物酶蛋白、蛋白质二硫键异构酶及植物凝集素蛋白的表达量显著低于自交授粉。转录组测序结果显示,自交与异交授粉48 h子房间筛选出509个差异表达基因,其中与信号转导(Ca2+信号、蛋白激酶与蛋白磷酸酶等)、防御(细胞色素P450与MLP31等)、氨基酸代谢(草酰乙酸脱羧酶等)等相关的基因在自交子房中的表达量显著高于异交,促进生长类激素代谢相关基因的表达量显著低于异交。另外,自交子房中还发现2个特异表达的转录因子:MYB和bHLH,两者共同参与调控木荷晚期自交不亲和反应。这些基因在转录组中表达结果与qRT-PCR分析结果一致。综合分析表明,木荷晚期自交不亲和反应发生时伴随着一系列的信号转导与防卫响应,是一个主动抑制自交花粉管在子房中生长的过程。5.连续2年对木荷种子园中19个无性系进行花期、花量调查,分析了各无性系的开花物候特征和花期同步指数。相关分析结果表明,花量与花期长度、座果数存在显著正相关关系,花期长度和座果数也存在显著正相关关系。无性系组合间花期同步指数存在极显著变异(P<0.01),2015年和2016年的变化范围分别为0.552~0.857和0.406~0.808,变异系数分别为12.016%~46.476%和15.375%~51.202%。2015年和2016年的平均花期同步指数分别为0.758和0.713,不存在显著变异(P>0.05)。年度间花期同步指数相关系数为0.229,表明年度间花期同步指数具有一定的相关性。种子园无性系年度间花期同步指数较为稳定,可根据花期同步指数对无性系进行筛选和优化,同时辅以人工授粉等措施弥补花期同步性差异,以提高种子园种子产量和质量。6.同时,以木荷种子园投产初期自由授粉子代为研究对象,运用13对SSR引物,对种子园内44个亲本及328个子代进行分析。结果显示,子代群体包含亲本群体所有的等位基因。亲本群体遗传多样性水平适中,子代群体遗传多样性较亲本略有降低,观测杂合度略高于亲本,说明子代群体中实际观察到的杂合单株的比例较亲本有所增加,但差异不大。子代群体的F值为-0.143,存在杂合子过剩。多位点交配系统分析结果表明:种子园异交率较高,亲本的近交现象不显著,但有效花粉供体数目较少。单位点和多位点父本相关性的差值(0.012)大于0,表明只有小部分花粉供体是近亲关系。11个家系间异交率差异不明显,少数存在近交现象。11个家系的父本相关性和有效花粉供体数目变化较大,分别为0.210~0.762和1.3~4.8,说明各家系的父本相关性程度不一致,其中31号最高,最低的是48号。整体而言,木荷种子园异交率高,近交现象不明显;无性系之间基因交流相对充分,遗传多样性丰富,子代能保持亲本所具有的较高的遗传多样性。7.13对SSR引物在木荷种子园中检测到亲本和子代群体总的多态性信息含量(PIC)、观测杂合度(Ho)和期望杂合度(He)分别为0.679、0.714和0.725。在95%的可信水平下总共鉴定得到203个全同胞家系,平均每个采种母树与18个父本产生子代。在自由授粉状态下,木荷无性系种子园自交率为1.5%,自交现象很弱,其交配方式以异交为主。父本繁殖贡献率在0.49%~7.77%之间,平均为2.44%。木荷种子园的主要传粉距离集中在0~60 m,检测到的最大传粉距离为120 m,其中0~60 m的传粉距离内产生的子代数量占已确定父本子代群体的80%以上。种子园存在一定的花粉污染,为7.01%。综合分析认为,木荷种子园花粉传播较为均匀,种子园与花粉污染源隔离距离应在60m以上,120 m以上最佳,以防止传粉昆虫的长距离传粉活动造成花粉污染。