Quantitative Genetic Survey of Lodgepole Pine – Genetic variance and covariance matrices for commercial breeding objective and for climatic adaption

Abstract (Swedish)

Stamböjar, stambrott och dålig stabilitet i allmänhet har varit ett allvarligt problem för contortatall i norra Sverige. En orsak är stammens låga böjhållfasthet. Det övergripande målet för denna studie var att utvärdera möjligheten att inkorporera vedens kvalitetsegenskaper i förädlingsprogrammet för contortatall. För att ta fram selektionsindex för vedkaraktärer som påverkar konstruktionsvirkets egenskaper krävs beräkning av varianser och kovarianser för egenskaperna. Genetisk kontroll och korrelation mellan tillväxt och ved- och fiberegenskaper bestämdes genom beräkning av heritabilitet samt fenotypisk och genetisk korrelation i sex halvsyskonförsök med contortatall. För detta samlades 823 borrkärnor från 207 halvsyskon-familjer i två försök och den genetiskavariationen för veddensitet, mikrofibrillvinkel (MFA), elasticitetsmodul (böjhållfasthet; MOEs), radiell fiberbredd (RFW), tangentiell fiberbredd (TFW), fiberväggtjocklek(FWT), och fiberns vikt-längdrelation(FC) fastställdes.

För att kvantifiera genotyp-miljösamspelet (G × E) för tillväxt och böjhållfasthet och för att utvärdera hur olika provenienser av contortatall växer i tre förädlingszoner analyserades diameter i brösthöjd (DBH) och böjhållfasthet (MOEtof) i de sex 33-36 år gamla avkommeförsöken i norra Sverige.

För att utvärdera den genetiska vinsten vid urval för en tidig MFA-övergång från juvenilved till mogen ved anpassades för varje träd sex olika funktioner till MFA-profilen. Detta gav variationen i övergång från juvenil till mogen ved.

Heritabiliteten i snäv bemärkelse (ℎ2) varierade mellan 0.10 och0.32 för DBH och mellan 0.18 och0.76 för vedkvalitetsegenskaperna. Ogynnsam genetisk korrelation erhölls mellan tillväxt och böjhållfasthet. Sålunda skulle en minskning på 5.5% respektive 2.3% för MOEs och MOEtof erhållas vid en ökning av DBH med 1 %.

Resultatet av studien indikerar att samtidig ökning av DBH och böjhållfasthet kan erhållas när man implementerar ett optimalt selektionsindex som kombinerar egenskaperna. Det är dessutom möjligt att göra urval för en tidigare övergång från juvenil ved till mogen ved baserat på MFA-utvecklingen. Det är sålunda möjligt att i förädlingsprogram minska stockens andel av juvenilved. Slutligen visas att G × E-samspel inte är av så stor vikt för contortatall i  norra Sverige, med undantag av böjhållfasthet på i nordliga latituder. För att uppnå den bästa böjhållfastheten bör provenienser från Yukon planteras på låga latituder, medan provenienser från British Columbia (BC) bör planteras på förädlingszoner med låga altituder.

Detaljerade resultat återfinns i fyra separata manuskript varav ett är publicerat, ett accepterat och två är insända för publicering.

Abstract (English)

Stem bending, breakage, and general instability of lodgepole pine has been a major problem in northern Sweden due to low stem stiffness. The overall aim of this study was to evaluate the potential incorporation of wood quality traits into lodgepole pine advanced breeding programs. The development of multiple trait selection indices for solid (structure) wood production in the lodgepole pine () breeding program requires genetic variances and covariance estimated among wood quality traits including stiffness. Genetic control and relationships among lodgepole pine growth, fibre, and wood quality traits were assessed by estimating heritability, phenotypic and genetic correlation using six lodgepole pine half-sib family trials. To achieve this, 823 increment cores were sampled from 207 half-sib families at two progeny trials of lodgepole pine and the genetic variation in wood density, microfibril angle (MFA), modulus of elasticity (clearwood stiffness; MOEs), radial fibre width (RFW), tangential fibre width (TFW), fibre wall thickness (FWT), and fibre coarseness (FC) were characterised.

To quantify genotype by environment interactions (G × E) for growth and stiffness and to evaluate performance of lodgepole provenances within three breeding zones, diameter at breast height (DBH) and dynamic stiffness of standing trees (MOEtof) were studied, using six 33-36year-old progeny trials in northern Sweden.

To evaluate genetic gains in selection for an early MFA transition from juvenile to mature wood, six different regression functions were fitted to the MFA profile of each tree to delineate the age variation in transition.

Narrow-sense heritability estimates (ℎ2) ranged from 0.10 to 0.32 for DBH and from 0.18 to 0.76 for wood quality traits. Unfavourable genetic correlations between growth and stiffness were observed, resulting in 5.5% and 2.3% decreases in lodgepole pine MOEs and MOEtof, respectively if selection for a 1% increase in DBH was implemented.

Results of the studies indicate that simultaneous improvement of DBH and stiffness is achievable when an optimal selection index combining both traits is implemented. Additionally, it is possible to select for an earlier MFA transition from juvenile to mature wood, and thus, decreasing the proportion of the log containing juvenile wood in lodgepole pine selective breeding programs. Finally, G × E is not very important for lodgepole pine growth in northern Sweden, except for stiffness in higher latitude. To achieve the highest stiffness for lodgepole pine, provenances of Yukon origin should be planted at lower latitude, while those of British Colombia (BC) origin should be planted within low-altitude breeding zones.

Detailed results are attached with four separate manuscripts that one is published, one is accepted and two are submitted.