美洲黑楊與小青楊雜交子代苗期性狀評價*

劉巍，蔄勝軍，彭儒勝，尹杰，周興宇，李曉宇

(1.遼寧省楊樹研究所，遼寧 蓋州 115213；2.國有凌海市大凌河林場，遼寧 凌海 121200)

楊樹(Populus)具有適應性強、生長迅速、輪伐期短等特性，是世界上栽培面積最大、木材產(chǎn)量較高的樹種，也是我國重要的工業(yè)用材林和生態(tài)防護林樹種，在固氮、生態(tài)綠化和生物能源等方面也有重要作用[1-2]。雜交育種是楊樹育種的重要途徑，目前，我國林業(yè)生產(chǎn)中推廣應用的楊樹良種主要是通過雜交育種途徑培育的無性系[3-4]。美洲黑楊(P.deltoides)原產(chǎn)于北美洲密西西比河流域，是黑楊派(SectionAigeiros)中最具有栽培利用價值的樹種[5-7]，自20世紀70年代引入我國以來，已成為楊樹雜交育種的重要親本[8-9]。我國育種學家利用美洲黑楊速生、干直、適應性廣等特性，開展多個與鄉(xiāng)土青楊派(SectionTacamahaca)樹種的雜交試驗，選育出一批兼具速生和抗逆性強等優(yōu)良特性的無性系[10-16]。林木生長周期長，使得育種周期延長，育種效率受到限制。林木早期選擇是根據(jù)林木苗期的相關性狀對未達到經(jīng)濟成熟期目的性狀作出預測的選擇方式[17]，早期選擇可以有效地縮短林木育種周期，加速育種進程，在林木育種工作中是可行的[18-19]。

隨著社會發(fā)展的現(xiàn)實需求，楊樹新品種選育對高產(chǎn)、低耗、高效的育種目標更加重視，在兼顧生長、抗逆性的同時，也要注重其對光能、水分、養(yǎng)分等重要資源的利用效率[20]。本研究選用北方型美洲黑楊和鄉(xiāng)土青楊派樹種小青楊為親本開展遠緣雜交育種，以雜交子代無性系1 a生苗木為試驗材料，在相同立地條件和栽培措施下，開展苗期重要性狀的聯(lián)合選擇研究，通過比較不同無性系生長性狀、葉片相關性狀、光合作用、養(yǎng)分利用效率等指標方面存在的差異以及這些指標與生長量之間的相關性研究，選擇優(yōu)良無性系。為篩選高產(chǎn)、高資源利用效率的優(yōu)良無性系奠定基礎，為楊樹雜交育種早期選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

苗木測試苗圃位于遼寧省黑山縣新興鎮(zhèn)，地處122°41′45″E，41°61′00″N，處于溫帶半濕潤區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候，海拔38 m，年平均氣溫7.9 ℃，最高氣溫為35.0 ℃，最低氣溫為-27.6 ℃，無霜期165 d左右，年平均降水量為568.4 mm，降水主要集中在7—8月。土壤類型為沙壤土。

1.2 試驗材料

以遼育3號楊(P.×deltoidescl.‘liaoyu 3’)、遼寧楊(P.×liaoningensis)為母本、小青楊(P.pseudo-simonii)為父本人工雜交獲得的雜交種及親本無性系為試驗材料。其詳情為：遼育3號楊×小青楊(編號：DX-08-5、DX-08-8、09-01-20、09-01-42、10-01-73、10-01-54、10-01-26)；遼寧楊×小青楊(編號：LX-6)。2021年4月，將11個無性系的條材剪成插穗在黑山縣新興鎮(zhèn)苗圃扦插育苗，完全隨機區(qū)組設計，3個區(qū)組，每個無性系每區(qū)組扦插30株，株行距為30 cm×60 cm。

1.3 試驗方法

1.3.1 生長指標測定

2021年10月中旬，在苗木停止生長后，測量苗木株高生長量和地徑生長量。

1.3.2 葉片相關指標測定

每個無性系以苗高的±3%為誤差范圍選取標準株3株，掛牌標記，進行葉片相關指標測量和計算。在苗木速生期內(2021年7月中旬至8月末)，每間隔15 d記數(shù)植株總葉片數(shù)，共計3次，計算平均值。在苗木停止生長后(2021年9月中旬)，記數(shù)植株的總葉片(葉痕)數(shù)。在苗木速生期內(2021年8月中上旬)，選取植株中上部正常生長的成熟葉片10片，采用紙樣稱重法計算葉面積[21]。

成葉速率(d/片)=生長時間(d)/葉片數(shù)(片)

葉面積(cm2)=平均葉狀紙質量(g)×標準紙面積(cm2)/標準紙質量(g)

總葉面積(cm2)=葉面積(cm2)×葉片總數(shù)(片)

1.3.3 光合指標測定

在苗木速生期內(2021年7月中旬至8月末)，每個無性系以苗高的±3%為誤差范圍選取標準株3株，掛牌標記，選擇晴朗無云的天氣，采用Li-6400光合儀(LI-COR公司，美國)測定苗木凈光合速率〔Pn，μmol/(m2·s)〕和蒸騰速率〔Tr，mmol/(m2·s)〕。每隔15 d測定1次，共計測定3次，測定時間選擇在上午10:00—11:00，測定時選擇植株向南伸展的由頂端下數(shù)第8～10片健康葉片，每株測定3個葉片，計算平均值。在氣路開放條件下，光強設定為1 200 μmol/(m2·s)，CO2濃度設定為400 μmol/mol。

光合作用水分利用效率(WUEi，μmol/mmol)=速生期瞬時凈光合速率/蒸騰速率

1.3.4 葉片氮素含量測定

近年評書最開始是站在桌子后面，桌上放著折扇和醒木，表演者一襲長衫，“范兒”味十足。不知是否因為廣播評書的出現(xiàn)，切斷了傳統(tǒng)模式中表演者與觀眾之間的視覺聯(lián)系——表演形式被去繁化簡，桌子沒了，扇子沒了，長衫沒了，只是搞不懂，那個標志性的醒木怎會一同消失。

在苗木速生期結束前(2021年8月中旬)和樹葉變黃脫落前(2021年10下旬)分別采集苗木綠葉和黃葉測定葉片氮素含量，每個無性系選取3株，每株選取植株中上部方位、層次盡可能一致的健康葉片5片，剪去葉柄部分，擦拭干凈，混合制樣后置于105 ℃烘箱殺青0.5 h后在80 ℃條件下烘干48 h至恒重，粉碎后過60目篩。采用濃H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法測定葉片氮素含量，計算氮素轉移率[21]。

氮素轉移率=(速生期葉片氮素含量-黃葉期葉片氮素含量)/速生期葉片氮素含量×100%

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算均值、標準差、變異系數(shù)；利用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行隨機區(qū)組單因素方差分析和Tukey多重比較。

2 結果與分析

2.1 苗木生長

對8個雜種無性系和3個親本無性系的1 a生苗株高、地徑生長量進行測定，計算雜種無性系的生長變異系數(shù)和超親優(yōu)勢。由表1可知，各無性系株高和地徑生長量存在較大差異。各無性系中LX-6、DX-08-8和10-01-54的株高和地徑生長量較大，其中LX-6無性系的株高達到4.32 m，DX-08-8和10-01-54的地徑生長量分別達到2.50 cm和2.49 cm，09-01-20的株高和地徑生長量最小，分別為3.07 m和1.86 cm。各無性系株高變異系數(shù)超過5%的有7個，其中10-01-26和LX-6的株高變異系數(shù)均較小，分別為2.95%和4.40%；各無性系地徑變異系數(shù)超過5%的也是7個，其中10-01-26和LX-6的變異系數(shù)較小，分別為3.58%和4.28%，說明這兩個無性系個體間株高和地徑生長均勻，差異較小。LX-6株高超優(yōu)親優(yōu)勢為15.65%，其次是DX-08-8，為6.27%，09-01-20最小為-20.13%，各無性系株高生長量超優(yōu)親優(yōu)勢順序為LX-6﹥DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20。地徑生長量超親優(yōu)勢最大是DX-08-8為16.28%，其次是10-01-54為15.81%，各無性系地徑超優(yōu)親優(yōu)勢順序為DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥LX-6﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20。從雜交親本來看，除09-01-20外，其它無性系的株高和地徑生長量均遺傳了母本美洲黑楊速生的特性，具有一定的超親優(yōu)勢，雜交優(yōu)勢明顯。

表1 11個無性系1年生苗的生長量比較分析

對不同無性系株高和地徑進行方差分析，結果(表2)表明：11個無性系株高和地徑差異極顯著，說明雜交子代及親本在株高和地徑生長量上存在廣泛的遺傳變異。

表2 11個無性系株高與地徑方差分析

2.2 葉片性狀

對雜交無性系的成葉速率、平均葉面積和單株總葉面積進行測定分析(表3)，結果顯示：各無性系成葉速率從大到小排序為LX-6﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20，無性系間成葉速率差異極顯著，說明雜交子代及親本葉片生長快慢存在較大差異。葉面積大小及分布直接影響林分對光能的利用效率，進而影響林分的生產(chǎn)力[22]，葉面積大有助于增加葉片葉綠素含量，有利于植物進行光合作用。各無性系葉面積排序為遼育3號楊﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥遼寧楊﹥10-01-26﹥DX-08-5﹥10-01-73﹥10-01-42﹥LX-6﹥09-01-20﹥小青楊。由表3可知，DX-08-8的總葉面積最大，為2.36 m2，超過平均值(2.13 m2)19.5%，其次是10-01-54，為2.35 m2，09-01-20的總葉面積最小，為1.43 m2。各無性系總葉面積排序為DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥LX-6﹥DX-08-5﹥遼育3號楊﹥遼寧楊﹥小青楊﹥09-01-20，11個無性系總葉面積方差分析達到極顯著。多重比較顯示，DX-08-5、DX-08-8、LX-6、09-01-42、10-01-73、10-01-54和10-01-26之間總葉面積無顯著差異。

表3 11個無性系的葉片性狀

2.3 凈光合速率與水分利用效率

光合作用對植物生長至關重要，其能力強弱在一定程度上決定植物生長快慢[23]。凈光合速率是表示光合作用強弱變化的核心指標之一[24]。WUEi是指苗木速生期內光合作用水分利用效率。

對11個無性系的凈光合速率、蒸騰速率和WUEi方差分析結果(表4)顯示：無性系間凈光合速率和蒸騰速率差異極顯著，WUEi差異顯著，除LX-6和遼育3號楊外，其余無性系間的WUEi差異不顯著。苗木速生期內LX-6的平均凈光合速率最高，達到25.04 μmol/(m2·s)，其次是10-01-54，為24.69 μmol/(m2·s)，小青楊的平均光合速率最低，為21.50 μmol/(m2·s)。各無性系在速生期內平均凈光合速率排序為LX-6﹥10-01-54﹥遼寧楊﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-8﹥09-01-20﹥遼育3號楊﹥DX-08-5﹥小青楊。從水分利用效率看，LX-6、DX-08-8和10-01-54的WUEi最高，分別為3.31 μmol/mmol、3.24 μmol/mmol和3.15 μmol/mmol，遼育3號楊的WUEi最低，為2.83 μmol/mmol。各無性系的WUEi排序為LX-6﹥DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥DX-08-5﹥09-01-42﹥遼寧楊﹥09-01-20﹥小青楊﹥遼育3號楊。

表4 11個無性系凈光合速率與水分利用效率

2.4 養(yǎng)分利用效率

對8個雜種無性系和3個親本無性系的1年生苗葉片氮素含量和枯葉氮素含量進行測定。結果(表5)顯示：LX-6、10-01-54和DX-08-8在苗木速生期內葉片氮素含量較高，分別為4.57%、4.56%和4.52%。各無性系葉片氮素含量排序為LX-6﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥遼育3號楊﹥10-01-26﹥遼寧楊﹥10-01-73﹥DX-08-5﹥09-01-42﹥小青楊﹥09-01-20。養(yǎng)分轉移能提高植物體內養(yǎng)分的利用效率[25]，各無性系氮素轉移率排序為DX-08-8﹥LX-6﹥10-01-54﹥10-01-26﹥DX-08-5﹥10-01-73﹥09-01-42﹥遼寧楊﹥遼育3號楊﹥小青楊﹥09-01-20。方差分析結果顯示，11個無性系葉片N含量、枯葉N含量和N轉移率均達到極顯著差異，在N轉移率方面，DX-08-8、LX-6和10-01-54之間無顯著差異，DX-08-5、09-01-42和10-01-73之間無顯著差異，遼育3號楊、遼寧楊和小青楊之間無顯著差異。

表5 11個無性系養(yǎng)分利用效率

2.5 雜交子代生長量、光合產(chǎn)量、水分利用、養(yǎng)分利用指標的相關性

以在相同立地條件下生長的美洲黑楊與小青楊雜交子代8個無性系的生長指標(株高、地徑)、成葉速率、葉面積、總葉面積、凈光合速率、WUEi、速生期葉片N素含量和N素轉移率進行相關性分析。結果(表6)顯示：成葉速率、總葉面積、N素轉移率與株高呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.929 1、0.895 3和0.872 8；地徑、WUEi、葉片N素含量與株高呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.808 8、0.816 5和0.771 3；其它指標與株高呈不顯著正相關。成葉速率、總葉面積、N素轉移率與地徑呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.858 6、0.952 9和0.846 2；葉面積、葉片N素含量與地徑呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.827 4和0.802 2；其它指標與地徑呈不顯著正相關。在本研究的7項指標中，成葉速率、總葉面積、N素轉移率與株高和地徑均達到極顯著關系，相關系數(shù)較大，說明這3項指標對苗木生長量影響較大。

表6 8個雜交子代生長量、光合、水分、養(yǎng)分利用性狀相關性分析

2.6 雜交子代生長、葉片性狀、水分利用、養(yǎng)分利用指標的綜合評價

根據(jù)雜交子代生長量、葉片相關指標、光合速率、水分利用、養(yǎng)分利用指標的相關性分析結果，選取生長指標(株高、地徑)、成葉速率、總葉面積、WUEi、葉片N素含量和N素轉移率為性狀指標，對8個雜交子代無性系進行綜合評價。結果(表7)表明：除總葉面積外，其它6項性狀指標評價下，LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26排名均在前4位。這4個無性系不僅在光合產(chǎn)量、水分利用效率、養(yǎng)分利用效率方面表現(xiàn)優(yōu)異，而且兼具生長優(yōu)勢。

表7 8個雜交子代生長、葉片性狀、水分利用效率、養(yǎng)分利用效率的綜合排名

3 討論與結論

速生性一直是楊樹育種過程中第一要考慮的要素[20]，楊樹苗木的年生長量也是衡量苗木質量的重要指標之一[26]。本試驗的8個楊樹雜種無性系中，LX-6、DX-08-8、10-01-54和10-01-26的株高和地徑生長量均排在前4位，說明這4個無性系較好的遺傳了母本美洲黑楊速生的特性，且超親優(yōu)勢明顯，是較為理想的高產(chǎn)型候選優(yōu)良無性系。研究表明，同一雜交組合不同無性系間存在較大的遺傳變異[27]，本研究中，參試的無性系株高和地徑生長量方差分析達極顯著水平，說明雜交子代和親本無性系間生長量存在較為豐富的遺傳變異，這對優(yōu)良無性系的篩選非常有利。

葉片相關指標是楊樹利用光能的基礎，對楊樹生長的快慢起關鍵作用。成葉速率表征葉片生長的快慢[28]?？側~面積是植物進行光合作用的空間范圍，對光合作用能力有著直接影響，葉面積大對植物進行光合作用有利，是林木遺傳改良早期選擇的重要內容[29]。本試驗結果顯示：8個雜種無性系成葉速率排在前4位的為LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，總葉面積排在前4位的為DX-08-8、10-01-54、10-01-26和10-01-73。在本研究中，成葉速率與株高和地徑均呈極顯著正相關，丁昌俊等[20]研究表明，成葉速率與胸徑呈極顯著正相關，而與株高相關性不顯著，本研究結果與其有所不同?？側~面積對株高和地徑均有顯著影響，這與前人研究結果一致[20，30-31]。因此，成葉速率和總葉面積可作為美洲黑楊與小青楊雜種無性系高產(chǎn)高光效評選的重要參考指標。

水分利用效率和養(yǎng)分利用效率是植物利用水肥能力的關鍵和潛力[32]。植物水分利用效率是光合作用和蒸騰作用的綜合反映。本研究中，8個雜種無性系速生期內光合作用水分利用效率(WUEi)排在前4位的為LX-6、DX-08-8、10-01-54和10-01-26。WUEi與株高呈顯著正相關關系，與地徑相關性不夠顯著。氮素是影響楊樹生長的最重要營養(yǎng)因素[33]，本試驗結果顯示，8個雜種無性系速生期內葉片氮素含量排在前4位的為LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，氮素轉移率排在前4位的為DX-08-8、LX-6、10-01-54和10-01-26。速生期內葉片氮素含量與株高和地徑呈顯著正相關，而氮素轉移率與株高和地徑呈極顯著正相關關系，氮素轉移率比速生期內葉片氮素含量更能反映美洲黑楊與小青楊雜種無性系對氮素的吸收能力和利用效率，這與丁昌俊[20]等的研究結果相一致，二者均可作為美洲黑楊與小青楊雜種無性系高產(chǎn)高養(yǎng)分利用效率早期評選的重要參考指標。

綜上所述，通過對8個美洲黑楊與小青楊雜種無性系的生長性狀、葉片相關指標、光合能力、水分和養(yǎng)分利用效率的綜合評價，最終篩選出LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，這4個無性系在生長、光合產(chǎn)量、水分和養(yǎng)分利用效率方面表現(xiàn)優(yōu)秀，為后續(xù)高產(chǎn)、高水分利用效率、高養(yǎng)分利用效率型新種質的篩選提供有效資源，可經(jīng)過區(qū)域試驗測定后作為新品系推廣應用于生產(chǎn)。