無性繁殖在林業中的應用歷史悠久。在本專題的這壹章中，對無性系林業相對於家系林業的遺傳收益進行了綜述。理論研究和來自後代和克隆試驗的實驗數據都表明，相對於家系林業的部署，從克隆試驗和部署中獲得的 額外遺傳增益（5-25%） 在針葉樹中是可能的，有效地使同壹代家系林業的可獲得的遺傳增益翻倍。在林業中使用無性系有 三種可感知的風險 ：（1）種植失敗的風險；（2）森林和景觀水平的多樣性喪失風險；（3）與無性繁殖（或SE）成功率相關的風險。回顧和描述了三個理論模型，以評估風險並確定降低這些風險所需的克隆數量。所有的研究都支持 “安全”的克隆數量在5到30個之間 。報道了個別物種，特別是針葉樹和案樹的遺傳收獲和經驗。 基因組選擇與體細胞胚胎發生相結合，有可能通過縮短克隆試驗或完全省略長期克隆試驗來加速克隆林業的發展。
無性系林業；遺傳增益；無性繁殖；風險；效益
中國杉木（杉木）的無性繁殖優勢在很久以前（1500年）就已得到確認（黃蘭1988年），日本的杉（柳杉）的無性繁殖優勢在800年前就已得到確認（Toda 1974年）。由於這些樹種的無性繁殖相對容易，所以用生根插條繁殖具有理想特性的優良樹種。當地農民通常看不到這種風險，也不認識到這種風險，因為他們會用根莖插條種植相當小的小塊地。楊樹無性繁殖在歐洲也有悠久的歷史。有組織的無性系林業始於20世紀初，單株人工林已成為南歐常見的土地利用形式。盡管有著悠久的歷史，大規模工業種植園的無性繁殖和無性繁殖只在70年代和80年代在楊樹、熱帶和亞熱帶案樹上進行（Libby和Ahuia，1993年）。無性系林業的風險在同壹時期得到普遍認可（Libby 1982）。
無性系林業的開發和實施在壹些硬木物種中更為成功，特別是在熱帶和亞熱帶案樹（Rezende等人2013）和溫帶流行樹種和柳樹（zsuffa等人1993）中，因為它們相對容易進行無性繁殖和短周期輪作。目前巴西近50%的案樹森林是無性系的。通過遺傳改良與造林改良、無性繁殖選擇相結合，案樹人工林平均生產力由25-30立方米/公頃/年提高到35-45立方米/公頃/年。某些地區的生產率可能超過60立方米/公頃/年。Rezende等人（2013年）和Griffin（2014年）最近審查了案樹的效益、風險和技術要求。我們將主要關註針葉樹。
對於針葉樹物種來說，在SE（體細胞胚胎發生）發展和采用之前，由於成熟，大規模利用優等樹種的無性繁殖是壹個巨大的挑戰（Hakman等人1985；Park 2002）。最近對歐洲林業中SE的審查表明，歐洲利用無性系林業面臨兩個主要挑戰（Leluwater等人2013年）：（1）成本；（2）公眾接受。雖然目前不是壹個重要因素，但如果使用無性系林業不能充分解決對遺傳變異的長期影響，公眾的接受可能會變得非常重要。為了評估無性系林業的成本問題，需要有壹個關鍵的遺傳優勢的證明，包括生長和其他性狀相對於當前家系林業使用幼苗或營養繁殖插條。為了獲得經濟效益，還需要通過現金流折現法，對使用無性系相對於家系林業的成本結構進行全面評估。如果這種評估能夠證明使用無性系林業的經濟優勢，那麽壹個相應的分析應該解決與家系林業相關的無性系部署的潛在風險，包括長期種植存活率和生產力，以及生態和社會問題。
在為針葉樹物種開發SE之前，已經進行了這種風險分析。我們將回顧和總結全球幾項成功的無性系林業計劃中的遺傳增益（效益）、無性系種植發展的潛在風險、現實遺傳增益和已部署的無性系數量。
對於瑞典林業無性系的配置，景觀、區域和物種層面的長期遺傳多樣性是重要的，因為瑞典林業並未建立純人工林，而是將人工林再生作業與生產和保護的混合目標相結合。因此，從多樣性的角度對無性系林業相對於家系林業的量化至關重要。
隨著世代的進步和選擇強度的增加，樹木改良的遺傳收益也在增加。在同壹代中， 較高的遺傳增益通常伴隨著選擇和繁殖方法的強度 。遺傳增益通常進展為：
在林業中使用無性系存在三種可感知的風險：（1）種植失敗的風險；（2）森林和景觀水平的多樣性喪失風險；（3）與繁殖成功率相關的遺傳增益風險。無性系種植材料在種植失敗時的嚴重風險評估始於1980年，問題是“ 每個種植園的安全無性系數量是多少 ”（Libby 1982）。風險也與遺傳增益有關。 壹個克隆將獲得最大的收益，但風險最大，而來自天然林的混合苗將沒有收益，但風險最低。為了平衡這兩個因素，必須妥協 。
三個理論基礎被用來估計降低風險所需的克隆數量：（1）單基因和種植失敗風險法；（2）遺傳抽樣理論、適應性遺傳多樣性喪失和遺傳增益法；以及（3）建模和計算機模擬害蟲的攻擊和遺傳多樣性方法。
通過使用單基因方法，已經證明 種植失敗的概率對基因作用（顯性或隱性）和疾病或害蟲中的毒性基因頻率非常敏感 （Roberds等人1990；Roberds和Bishir 2007）。 使用13到25個克隆時，風險水平之間的失敗概率差異非常小 。實際上， 無窮無盡的克隆數與有效種群大小（ne=25個克隆）相當吻合 。重要的是要認識到，在林業的大多數情況下，對於未來可能威脅林分的遺傳系統（即抗性基因的基因作用或基因頻率），我們不知道未知生物威脅的未來風險是什麽。這種方法的有趣結果是，包括 超過20-40個克隆不會提供任何更大的風險降低 （Bihir和Roberds 1995、1997）。壹個是病蟲害毒性基因頻率，壹個是樹木抗性基因頻率；當達到閾值後，增加無性系數不會更安全
利用 遺傳抽樣理論 ， 雜合性或加性遺傳變異的損失是有效種群大小ne的函數 ，可描述為1–(1/(2Ne))。大約10個個體的有效大小提供了第壹代人群中原始遺傳變異的95%。有效種群大小為20的在10代之後可以保持大約80%的變異（Roberds等人1990）。為了在瑞典條件下保持個體林分的適宜性，有壹項建議必須認識到林分活力的兩個不同要求：（1）基因多樣性的臨界水平；（2）抑制選擇性破壞因子擴散和完全抑制基因型的臨界數量。使用網站資源。建議在以狀態有效數ns=4表示的最小基因多樣性的混合物中使用25個克隆（Lindgren，2008年）。這 類似於兩個無限大的完整同胞家系的基因多樣性，有四個不相關的父母或壹個很大的半同胞家系，即壹個母親和無限多的父親 。在長期的育種過程中， Ns=4的克隆混合物保持了原始基因多樣性的87.5% 。
遺傳變異的小損失主要是由於純合子的增加和低頻率等位基因的丟失。 低頻等位基因對野生種群的保護作用不大，但對保護進化潛能有重要作用 。這些低頻基因的保育是遺傳保育計劃的重要組成部分，因此，隨著大規模無性系林業的實施，對非克隆和天然林的管理仍然十分重要。
對目前已知或未知未來害蟲的更復雜抗性（受多基因影響的多重抗性）情況的最新建模為單基因模型的結果提供了重要的改進和確認（Yanchuk等人2006）。即使對於不同類型的克隆混合物（例如隨機混合、單個克隆塊和克隆塊的鑲嵌），結果也是壹致的。 約有18個基因型接近壹個“最佳”或安全數 ，以降低某些未知未來生物威脅的風險，盡管6、18和30個基因型之間的差異相對較小。作者得出的結論是，這些數據對於許多沒有詳細信息的物種或那些旋轉年齡較長的物種來說可能足夠普遍。
所有三項理論研究都指向30年前Libby博士得出的相同的壹般結論——將基因型的數量增加到壹定數量之外對減少損失的風險幾乎沒有作用： 5-30個克隆提供了與無限大種群（例如野生林）和最佳多樣性水平可能存在於18個有效基因型左右，最小值可能在6個左右 。
克隆林業存在遺傳增益風險。理論上根據遺傳參數計算的遺傳增益只有在利用扡插或體細胞胚胎發生實現100%繁殖成功的情況下才能實現（海恩斯和伍拉斯頓，1991年）。隨著 繁殖成功率的降低，克隆遺傳增益下降 。例如，有50%的繁殖成功率和1%的選擇強度（從200棵樹的群體中選擇最好的兩棵樹），只能獲得85%的潛在的完全額外增益。因此， 無論樹木的生長、適應和木材特性有多好，除非能夠經濟地繁殖，否則不能將其用作可操作的克隆 （Griffin，2014年）。
估算無性系林業的遺傳增益高於家系林業的遺傳增益，對於評估無性系林業的經濟效益至關重要 。以下是對瑞典除挪威雲杉以外的幾種主要人工林物種的普查的壹些例子。
每年在新西蘭售出約250-500萬株無性系輻射松，在2008年至13年間的總苗木市場為4568萬株，約4-11%為無性系。在澳大利亞，約有2000萬株輻射松被生產出來，其中大多數是從捐贈者樹籬中生根的枝條， 這些枝條是從精英的全同胞家系中培育出來的 ，現在有數百個克隆體正在進行田間試驗（find等人2014，Mike Carson 2013，個人交流）。
無性系林業主要由新西蘭和澳大利亞兩家公司推廣：森林遺傳（ www.forest genetics.com ）和澳大利亞喬木（ www.arborgen.co.nz ），兩家公司每年通過田間試驗生產約20個新無性系。森林遺傳學估計，對照授粉家系受試無性系的遺傳增益在體積增長15-20%、聲速（剛度）25%和平均木材密度10-15%之間。與對照組相比，克隆的壹個子集增加了對dothistroma的抗性（葉片保持率）達40%。
在新西蘭，輻射松無性系作為生根插條出售，價格範圍為每1000棵樹650-720新西蘭元（3700-4200瑞典克朗），相比之下，CP生產的幼苗為340-450新西蘭元（1950-2600瑞典克朗），種子園生產的樹木為280-320新西蘭元（1600-1830瑞典克朗）。初步經濟分析表明，無性系林業改良苗木每公頃2180新西蘭元（12500瑞典克朗）的凈現值（30年，8%）約為300新西蘭元（1700瑞典克朗）（Mike Carson，2013年，個人交流）。
根據最近對美國東南部三棵松樹的調查，每年約有8.435億棵（低於本世紀第壹個十年衰退前的10多億棵）的樹苗是由32個合作成員種植的，其中87.1%是由火炬松組成的。美國東南部的教育合作社（McKeand等人2015年）。大約95%的種植園是用基因改良材料建成的。絕大多數林分種植有OP家系（84%），約8%有特定雜交或完全同胞家系，約2%有試驗克隆品種。先進的苗木配置可以提供比未經改良的火炬松多產40-60%的特定家系。火炬松對照交全同胞家系已成為火炬松再生的重要組成部分。自2000年以來，全同胞種苗的年產量在2013年增加到6320萬株，在過去的14年中，全同胞家系種苗的總種植量超過3.25億株（Steve McKeand，2014年，個人交流）。在壹系列生產力和造林管理制度中，預計每公頃實現的凈現值為124美元至741美元（1000-6000瑞典克朗），用於在家系林業中種植最佳基因型（McKeand等人2003年）。無性系林業的經濟效益很少被記錄在案。根據Arborgen公布的目錄數據，壹個克隆品種（agv var）的凈現值約為每公頃3346美元（27500瑞典克朗），相比之下，根據他們的計算，從最佳質量控制授粉家族（MCPE）的部署中獲得2819美元（23000瑞典克朗）。無性系品種的苗木價格為每1000棵樹320美元（2600瑞典克朗），而MCPE（2004-2005年超級樹苗木）的苗木價格為每1000棵樹205美元（1700瑞典克朗）。
蘇格蘭的錫特卡雲杉是主要的人工林針葉樹，蘇格蘭林業委員會對無性繁殖和無性系林業有長期的興趣（ http://www.forestry.gov.uk/fr/ggae-548g6t ），盡管目前沒有無性系林業與測試的無性系進行實踐。對於新種植園，75%的苗木來自開放授粉的種子園，25%來自控制授粉的全同胞家系，采用生根插條進行無性繁殖，即進行無性繁殖的家系林業。據估計，每年大約部署了800萬個插枝（Steve Lee，2015年，個人通信）。在愛爾蘭，每年有多達300萬根插條來自東南部的植物，也就是說，利用家系林業和植物繁殖的概念（湯普森，2013年）。
在不列顛哥倫比亞省（ https://www.for.gov.bc.ca/hre/forgen/ ），針葉樹物種尚未實行無性系林業，但對幾種物種進行了克隆試驗，包括黃杉、西鐵杉和室內雲杉（Michael Stoehr 2015，個人交流）。
在新不倫瑞克省，對白雲杉和黑雲杉進行了克隆試驗評估，但皇冠地尚未實施無性系林業（Yunhui Weng，2015年，個人通信）。在私營部門，JD Irving有限公司自1995年以來壹直活躍在東南部，致力於生產許多用於冷凍和初始測試的生產線。公司已在野外試驗中試驗了2000多個品種（無性系），主要是白雲杉和挪威雲杉。在同壹個全同胞家系中，品種間存在較大的差異，通過選擇20%的品種，可獲得比傳統種子園種子體積增加10-15%的增量。在枝徑、莖直度、抗白松象甲等方面也有顯著改善。在每年1500-2000萬株幼苗中，約25萬株來自東南部的品種樹被生產出來（Greg Adams，2015年，個人交流）。10歲時，壹項白雲杉無性系試驗使用了27個家系的233個無性系，在3個地點種植，當選出最好的10-30個無性系時，與種子園種子相比，產量增加了約48%（ http://treebreedex.eu/img/pdf/vegprop-0409-pres-park-ys.pdf ）。
我們還聯系了其他針葉樹林業公司，包括愛爾蘭的Coillte有限公司、美國的Weyerhaeuser和澳大利亞的Hancock Queensland Plantation（HQP）。這些公司對無性系林業有長期和廣泛的興趣，其中壹些公司有幾個系列的無性系測試（如HQP），盡管由於知識產權問題或商業秘密，目前的狀態不可用。
限制無性系林業在針葉樹上應用的主要問題是繁殖成本，特別是利用硒。例如，2008年火炬松的枝條成本是同類幼苗的5至6倍，而歐洲雲杉和松樹的經驗表明，這種差異實際上可能接近8至10倍（Lelu Walter等人2013年）。瑞典的這項技術表明，與苗木相比，使用硒的成本翻了壹番（Ola Rosvall 2015，個人通信）。所有這些成本都需要與優勢相平衡，包括縮短將改進材料投入商業使用的時間。
經過壹段時間的後代試驗，許多闊葉樹種都能保持幼齡，使被試材料易於繁殖。這促進了這種物種的克隆林業的成功。本文以案樹為例，成功地實現了闊葉樹無性系造林。
巴西的案樹 。巴西大約有450萬公頃的案樹種植園，種植面積仍在擴大。大葉案×葉案雜交組合的優越性和優良無性系的易繁殖性，使案樹雜交無性系林業成為壹個成功的選育和繁殖的教科書範例。記錄在案的基因獲得很難找到。問題是，在70年代和80年代種植的商業林分中，通過簡單的大量選擇壹些罕見的重組劑，早期獲得了巨大的收益（Dario Grattapaglia，2013年，個人通信）。這些種子是在早期的物種/種源/後代試驗中收集的，包括20世紀初引進的著名的裏約克拉羅林分。Bison等人（2006年）報告，相對於乳腺高度周長（cbh）的生長特性，Grandis×E.urophylla之間的種間雜交後代的表現比種內雜交後代的平均值高38.7%。在克隆選擇獲得相似的遺傳增益的情況下，與克隆選擇相結合，雜交種獲得的總遺傳增益可能是可觀的。阿拉克魯斯（Aracruz）首次選擇的克隆（他們獲得了沃倫伯格獎）與當時的商業林分相比，獲得了100%以上的收益，很容易產生約30-40立方米/公頃/年的產量，而極低產量和可變林分的平均產量為10-15立方米/公頃/年。未改良種子（Dario Grattapaglia 2013，個人交流）。在這壹最初的成功之後，收益是遞增的，目前工業種植園的平均容積增長率約為45立方米/公頃/年，在最好的地點高達65立方米。在壹家大型上市公司Fibria，2014年生產了約500萬公噸案樹紙漿，通過自1980年以來引進統壹的和優良的無性系，種植業生產力從70年代的每年6.4公噸提高到2000年的10.6公噸。2012年，紙漿產量進壹步增加至11.9噸，到2025年將達到15噸（WU 2015年）。
在巴西，大多數企業每年種植10到14個無性系5-8年。Rezende等人（2013年）報告稱，與商業種植園的幼苗相比，實現的產量增長率平均高出25%。他們還建議每三到四年更換兩到五個新的克隆，每10-15年更換壹次克隆組合。關於疾病和非生物威脅，克隆被認為是壹個解決方案，而不是壹個問題。新的病害如腐爛病、銹菌和幹旱災害已經出現，但克隆被認為是最快的解決辦法，主要是由於案樹資源存在遺傳變異，對大多數病害具有抗性。到目前為止，還沒有專門歸因於克隆技術的災難記錄。
中國的案樹 。案樹在我國的種植是硬枝無性系林業的又壹成功案例。1970年案樹人工林僅30萬公頃，1980年緩慢增加到40萬公頃，90年代中期緩慢增加到70萬公頃。我國案樹種植面積迅速增加，2005年約為150萬公頃，2012年約為370萬公頃。據估計，東門無性系（主要是17個無性系）的種植面積超過260萬公頃，估計約80%的種植面積有5個來自DH32家族的無性系（Huang等人2012年）。在東門，主要的商業克隆試驗開始於1991年，從1988年的壹個雜交家系試驗中選擇，在那裏發現了流行的雜交家系dh32（e.urophylla U16×e.grandis G46）和dh33（u16×g33）。1992年利用90個無性系進行的壹項特殊克隆試驗表明，雜交無性系（尤其是烏葉樹和巨烏葉樹之間的無性系）在生長上遠優於純系無性系，而且也優於以前本地生產的無性系和巨烏葉樹×巨烏葉樹的無性系。來自巴西Aracruz的克隆（Huang等人2012）。
隨著新雜交種的部署，我國案樹人工林的生產力從70年代中期以前的不足7立方米/公頃/年提高到80年代後期的平均10-12立方米/公頃/年，從那時起，無性系林業的出現和改良的造林方式提高了。平均生產率約為20立方米/公頃/年（Arnold 2005年）。同時，輪作長度從10年以上下降到6-7年，有些地區甚至更短，年回報率為每公頃1548元人民幣（1935瑞典克朗）。
在東門示範種植中，DH32和DH33家系的最佳無性系在7歲時收獲時，平均年產量為35.31立方米/公頃。據報道，海南島APP紙漿廠附近的東光林場，壹個使用克隆DH32-29的種植園，在玄武巖土壤上，5歲時的MAI為67立方米/公頃/年。在過去15年中，17個最受歡迎的商業種植無性系中，有7個來自DH32家族，3個來自DH33。因此，目前大多數中國案樹種植園的遺傳基礎非常狹窄。由於對細菌性枯萎病和潰瘍病的易感性，來自DH33家族的無性系的流行率下降了，而且由於蟲害，克隆DH201-2的使用已基本停止。因此，更頻繁地更新無性系，增加不同無性系的數量，是今後種植的理想選擇。
但並非所有案樹物種都適合無性系林業，對於壹些生根能力較弱或邊緣和環境受限的物種，無性系繁殖或苗木繁殖的家族林業可能更經濟和可持續（Griffin 2014）。
在奶牛中，使用全基因組密集標記啟動了基因組選擇（GS），而沒有進行相關試驗（Meuwissen等人2001）。GS促進了優良基因型的快速選擇，加速了育種周期。近年來，如果訓練種群與選擇種群密切相關，則將GS成功引入樹木育種（Resende等人2012；Lin等人2014；Bartholome等人2016），其效率與表型選擇相似。利用GS進行無性系選擇的優勢在於，GS的選擇可以在幼苗或新發芽種子的早期進行。這可能會消除針葉樹長期無性系測試的需要。因此，將GS與體細胞胚胎發生結合，有可能促進無性系林業的發展。
（1）理論上，通過克隆試驗和部署，針葉樹可以獲得5-20%的額外遺傳增益，而不是使用估計的遺傳參數計算得出的家系林業可獲得的增益。額外增益的差異主要是由於種群的大小、被測家族內的無性系數量、子代檢測的準確性，與不確定性無關。如果傳播成功率小於100%，理論增益可能會降低。
（2）在試驗的基礎上觀察到，在無性系林業試驗中，針葉樹的已實現遺傳增益高於家系林業試驗中的已實現遺傳增益，但關於商業種植園中部署的無性系數量和商業無性系種植園的已實現遺傳增益的信息很少。
（3）以案樹無性系林業為例，對闊葉樹品種，在商業化配置少數集中選擇的無性系的情況下，實現了25-50%的遺傳增益。大約5-14個無性系通常用於新的案樹種植園。
（4）所有關於防止潛在生物威脅所需克隆數量的三項理論研究都表明，將基因型數量增加到壹定數量以上對降低損失風險幾乎沒有作用。在無限大的種群中，5-30個無性系提供的“安全性”似乎與之相當，最佳多樣性水平可能是18個無性系，最少6個。
（5）為了在挪威雲杉和其他物種中實施無性系林業和有營養繁殖的家族林業，建議從現有的家族/克隆試驗中估算加性和非加性遺傳變異，以確認無性系林業相對於家族的效益預測。Y林業。此外，還建議采用適當的控制措施進行穩產試驗。
（6）還建議估算不同繁殖類型（苗木和根切對硒）的相對繁殖和種植成本，並對挪威雲杉和其他物種進行折現現金流的整個輪作成本/效益分析。
（7）應使用種群基因組工具（克隆與家族林業與野生）調查景觀和物種水平上潛在的長期多樣性損失。
（8）現有的育種和試驗方案可通過采用SE技術實施無性系林業來改進或調整。將苗期或發芽期的基因組選擇與SE相結合，可以極大地促進未來無性系林業的發展，尤其是在針葉樹上。