沙棘 “生态经济育种”研究Ⅱ——半干旱地区沙棘杂交亲本比较生态生物学研究

金争平,张吉科,温秀凤,李 亮

(1.水利部沙棘开发管理中心,北京 100038;2.山西大学生命科学学院,太原 030006;3.北京林业大学,北京100083)

杂交育种的首要任务是亲本的选择。水利部沙棘开发管理中心开展沙棘生态经济远缘杂交育种,前期的亲本选择工作开始于上世纪80年代中期到90年代中期。育种基地前后设在内蒙古的凉城、呼和浩特坝口子及鄂尔多斯的九成宫。在杂交亲本的收集、引种和选择方面,一是从天然分布的中国沙棘中选择优良类型和单株,引种到育种基地栽培,从中优选出 “蛮汗山雄”作为远缘杂交育种的父本;二是先后从国内引进了胁果沙棘、西藏沙棘、云南沙棘、江孜沙棘、中亚沙棘、柳叶沙棘等在育种基地进行引种试种,初步结果表明:西藏沙棘、云南沙棘、江孜沙棘、海滨沙棘不能存活;中亚沙棘生长不良;肋果沙棘不能正常开花结实;柳叶沙棘不能越冬,因为基地的低温干旱气候不适应它们的生长发育,都被自然淘汰掉。三是从俄罗斯引进蒙古沙棘亚种的优良品种,引种试种结果表明:“太阳”、“楚伊”、“橙色”、“浑金”、“优胜”、“霞光”等10多个品种,都能在育种基地正常生长发育,它们明显的优点是:在灌溉条件下,表现出果大、产量高的优良性状[1]。根据资料,我们统计了由利萨文科园艺研究所从蒙古沙棘亚种选育的18个沙棘良种的百果重和果产量,结果表明:楚伊沙棘百果重最大90g,油用沙棘最小37g,平均百果重68.3g。平均单株果产量13kg[2,3]。我国自上世纪90年代陆续从俄罗斯引种了一些沙棘良种在北方省市栽培,生长表现差异很大。在气候温凉湿润的黑龙江省,俄罗斯沙棘生长正常;在华北和西北半干旱气候区,营养生长和生殖生长都受到明显抑制,果实变小,产量锐减。例如,丘伊斯克沙棘在干旱环境的百果重仅17.7g,单株果产量仅0.09kg[4]。表明干旱胁迫是产量锐减的主要原因。

在青海、甘肃、陕西、山西、河北等省天然分布的中国沙棘,果实普遍较小。百果重最大44g,最小5.1g,平均 16.8g[5],仅为俄罗斯沙棘良种原产地平均百果重的24.6%,因而产量很低。在内蒙古东胜九成宫基地降水量超过500mm的湿润年,中国沙棘实生雌株群体的平均单株果产量也只有1.48kg[6],仅为俄罗斯沙棘良种在原产地平均果产量的11.4%。在内蒙古磴口充分灌溉条件下,中国沙棘优良单株的果产量可达 3.88～5.54kg,平均4.71kg[7],为俄罗斯沙棘良种原产地的果产量的36.2%。可见,在半干旱地区水是制约沙棘产量的主要因子。

我们的杂交实验开始于1996～1999年,在九成宫基地,采用套袋授粉方法得到杂交种子,播种育苗得到杂种实生苗,开展了杂交后代无性系选育的育种工作。我们选择利用大果、高产、高含油、少刺等优良经济性状的 “太阳”、“楚伊”和 “优胜”为母本;用适应性强的中国 “蛮汗山雄”沙棘为父本进行杂交,目的想获得遗传基因互补性强的杂种优势显性子代,筛选出能适应半干旱地区性状的优良杂种沙棘。

在实验中,我们不仅重视了表型性状的筛选和研究,而且还测定了部分材料叶的解剖和光合生理指标。把表型和生理结合起来研究,使我们对上述两种沙棘在半干旱环境的表型差异及产量形成机理有了一些深入的认识,这对于了解和分析杂种后代的表型变异、经济性状、生态适应机理和优选杂株,都有着指导性的意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

水利部沙棘管理中心九成宫基地,位于内蒙古鄂尔多斯市东胜区,北纬 39°47′,东经 109°48′,沙棘园海拔1420m左右;属半干旱气候,年均气温7.4℃,近10年的平均降水量321mm,其中有5年的降水量不足300mm;定植沙棘的试验地块为风积沙土,沙棘根系集中分布的1m土层内土壤含水量很低,在生长季节降水少的时段,土壤含水量多为3%～5%,只有在雨季降水后的短时间可上升到5%以上,因此沙棘受水分胁迫的时间较长,而地下水又多在3m以下,沙棘难以利用。

1.2 材料与方法

光合生理指标测定,部分资料是2010年7月,使用 LI-6400光合仪测定了俄罗斯沙棘、中国沙棘和杂交沙棘在自然光照下的叶光合速率、气孔导度、蒸腾速率等指标。选择晴朗天气,测定时间从上午6:00～18:00,每次间隔为2h;每指标设3个重复,每重复读数5次。各样本植株在每个时区段的测定时间不超过30min,以尽量减少光合辐射变化引起的光合、蒸腾间差异。在测定前24h,对受试样本株进行了充分灌溉。另一部分资料,是为了研究土壤水分含量对沙棘叶光合生理指标的影响,2006年测定俄罗斯沙棘和中国沙棘2年龄苗在不同土壤含水量 (2%～20%)条件下的光合生理指标获得的。

2 结果与分析

2.1 俄罗斯沙棘和中国沙棘果实发育的比较研究

由于基因型、生态型和俄罗斯沙棘种植南移的差异原故,俄罗斯沙棘和中国沙棘果实大小(果径)的绝对值及相对生长速率的差异很大。由表1资料看到,“楚伊”与”蛮汗山雌”的果纵径比较,在5月中旬,前者是后者的1.67倍,到8月初,前者是后者 2.68倍,平均为 2.36倍。“楚伊”与”蛮汗山雌”果实生长速率比较,在果实发育最快的6月初,前者是后者的6.81倍,在最慢时段的7月中旬,前者是后者的1.98倍,平均为4.03倍。

表1 楚伊和蛮汗山雌果纵径和果实相对生长速率的变化

比较 “楚伊”和”蛮汗山雌”的果实累加生长曲线和生长速率曲线还看到:两者的共同特点,是在果实生长发育过程中,都出现了 “双S”形曲线的生长高峰。“楚伊”第1个果实生长高峰出现在 6月 2日,生长速率达到 0.209 mm/d,第2个生长高峰出现在果实接近成熟的8月4日,生长速率1.151mm/d;而蛮汗山雌第1个果实生长高峰出现在6月16日,生长速率达到 0.062mm/d,比 “楚伊”推迟了半个月,第2个生长速率高峰也出现在8月4日,生长速率达到0.058mm/d。可见,“楚伊”果实加快生长时间明显早于蛮汗山雌,而且生长速率明显快于蛮汗山雌,这是形成它们之间百果重相差很大的重要原因之一。

图1 俄罗斯沙棘和中国沙棘果实累加膨大曲线

表2资料进一步表明,俄罗斯沙棘百果重大于中国沙棘2.07倍的主要原因,除俄罗斯沙棘遗传本性外,果实的前期生长发育速率快,整个果实生长速率大于中国沙棘3.47倍,果实成熟时间 (d)又提前了73d,大大减少了干旱胁迫的长期危害是其另一个重要原因。

图2 俄罗斯沙棘和中国沙棘果实生长速率曲线

表2 九成宫基地俄罗斯沙棘和中国沙棘果实表型指标比较

2.2 干旱对俄罗斯沙棘和中国沙棘的果实发育和产量的影响

表3资料表明,由于同一品种在不同纬度、气温、降水量的差异下,反映了楚伊沙棘在原产地和中国不同地区表型的巨大变化。在降水量超过700mm的巴尔脑尔,楚伊沙棘百果重90g,单株果产量为10kg。而引种到中国,随着纬度降低,气温升高,降水量减少,蒸发量增强,干旱加重,楚伊沙棘的果实变小,产量锐减。在半湿润气候的黑龙江绥棱,降水量减少18.4%,百果重减轻27.6%;果产量减产43%[8]。在半干旱气候的呼和浩特,降水量减少45.4%,百果重减轻31.7%,果产量减产80.0%;在气候更加干旱的九成宫基地,降水量减少一半(54.1%),而百果重减轻80.3%,果产量减产99%。几乎没有产量。可见,对俄罗斯沙棘来说,它很不抗旱,水分胁迫程度大小是影响沙棘果实生长发育,更造成大量花果脱落的重要因子,对严重水分胁迫的不适应,远大于遗传基因的属性。

表3 俄罗斯良种沙棘“丘伊斯克”在中国不同引种地的生长表现

表4的资料反映,由于长期生长在半干旱气候区的中国沙棘,其生态适应性远大于俄罗斯沙棘。在九成宫基地,2003年,降水量超过500mm时,平均百果重 14.11g,果产量1.48kg。2004年降水量减少17.9%,平均百果重减轻33.2%,果产量减少54.7%。最干旱的2005～2008年,平均降水量减少50.6%,百果重比2003年减轻39.8%,果产量减产67.4%。虽然,中国沙棘在严重水分胁迫下果实发育和果实产量都受到显著影响。但中国沙棘具有较好的抗旱能力,用它来作为杂交父本,是理想的。

表4 中国沙棘在在九成宫基地不同降水年的百果重和果实产量

2.3 俄罗斯沙棘和中国沙棘光合生理特性比较

干旱对俄罗斯沙棘的影响明显重于中国沙棘的原因是什么,又是如何形成的呢,我们试图从他们叶的光合生理特性寻找原因。因为,叶是干物质的制造器官。叶的光合生理特性与沙棘的果实发育、产量高低以及对干旱的适应能力都密切相关。反映叶的光合生理特性的指标很多,我们重点研究了叶的光合速率、气孔导度、蒸腾速率及水分利用效率。

表5的数据表明,俄罗斯沙棘的光合速率、气孔导度、蒸腾速率都大于中国沙棘的1.51倍,1.87倍和1.72倍,而叶的水分利用效率只相当中国沙棘的86.6%。俄罗斯沙棘光合速率大的原因除气孔导度 (张开度)大,增加了CO2吸收量与速率外,可预测其光系统Ⅱ及其羧化酶的活力大于中国沙棘。但蒸腾速率大,单位时间和单位叶面积耗水量增加,因此,水分利用效率就低于中国沙棘。

采用SPSS 15.0软件对数据进行分析处理，计量资料以（均数±标准差）表示，采用t检验；计数资料以（n，%）表示，采用χ2检验，以P＜0.05表示差异具有统计学意义。

表5 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶光合生理指标比较

图3两种沙棘叶光合速率日进程曲线表明,在沙棘生长最旺盛的7月,俄罗斯沙棘在日间大部分时间的光合速率明显高于中国沙棘。二者的光合速率高峰期都出现在上午10:00左右。但俄罗斯沙棘没有 “光合午休”现象,而中国沙棘在强光、高温、干燥的14:00出现了 “光合午休”现象,这意味着产生了光抑制,增加了光呼吸,从而使已积累的光合产物损失30%左右。可见,“光合午休”虽然具有自我保护作用,但损失严重。

图4叶气孔导度日进程曲线进一步说明,俄罗斯沙棘在日间大部分时间的气孔导度都明显高于中国沙棘,因此相对失水较多。中国沙棘16:00发生 “光合午休”现象以后,气孔一直处于关闭状态,CO2的交换量继续下降,导致了光合速率从16:00降低到18:00(图3),而俄罗斯沙棘从16:00以后气孔导度、光合速率都表现出回复过程 (图3、图4),可见,俄罗斯沙棘在光合速率、气孔导度、没有 “光合午休”现象的结果,必然是光合产物的积累远大于中国沙棘。因此,用俄罗斯沙棘作为杂交母本具有提高产量的生理学潜力基础。

图3 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶光合速率日进程曲线

图4 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶气孔导度日进程曲线

图5叶的蒸腾速率日进程曲线反映,两种沙棘的蒸腾速率日进程并不同步,俄罗斯沙棘蒸腾速率最高出现在日照强度和温度最高的14:00,而中国沙棘提前到 12:00,并延长到16:00,但两者绝对值相差较多,仍然是俄罗斯沙棘耗水较大,但光合速率也较高,有利于干物质的积累。

从图6叶水分利用效率曲线看到,中国沙棘和俄罗斯沙棘水分利用效率最高峰都出现在上午10:00以前,中国沙棘的峰值又显著高于俄罗斯沙棘,10:00以后逐渐接近,但总的水分利用效率仍然是中国沙棘大于俄罗斯沙棘。叶水分利用效率的差异是俄罗斯沙棘具有较高的蒸腾速率而形成的,因为,叶水分利用效率是指单位叶面积同化CO2量,或生产的经济学产量与该面积同时期耗水量的比值。因此,中国沙棘比俄罗斯沙棘节水能力强,耐旱能力大。

图5 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶蒸腾速率日进程曲线

图6 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶水分利用效率日进程曲线

从两种沙棘叶的光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率比较结果来看,中国沙棘的优点是水分利用效率高,耐旱,但光合效率低,制造干物质量少,产量低;俄罗斯沙棘的优点是光合速率高,制造干物质能力大,但耗水多,耐旱性差;两者杂交,有希望得到既能相对高产,又能相对耐旱的新组合杂种,比单纯以表型指标育种更具有理论和应用上价值。

2.4 土壤含水量变化对俄罗斯沙棘和中国沙棘光合生理指标的影响

俄罗斯沙棘的光合速率高于中国沙棘,但为何其果实发育和产量受干旱的影响却比中国沙棘更为严重呢。我们试验了土壤干旱对两种沙棘叶光合生理指标的影响。结果表明,当土壤水分由湿润转为干旱时,俄罗斯沙棘和中国沙棘的叶光合生理活动都明显减弱。但两种沙棘的光合速率

图7 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶光合速率随土壤含水量变化曲线

图8 俄罗斯沙棘和中国沙棘不同土壤含水量的叶光合速率平均值比较

图9叶蒸腾速率曲线反映和图7光合速率基本一致,但含水量在5.93%时,他们的蒸腾速率都下降超过75%,可见,水分亏缺影响蒸腾速率进一步影响了光合速率。当土壤含水量高于6%时,俄罗斯沙棘的叶蒸腾速率明显大于中国沙棘,当土壤含水量低于6%时,两种沙棘叶蒸腾速率几乎一致,再一次表明,严重水分亏缺使两种沙棘叶的水分代谢结构与功能都受到同样对土壤水分变化的敏感响应过程不同。图7曲线反映,土壤含水量由20.25%下降到2.30%时,俄罗斯沙棘和中国沙棘的叶光合速率分别下降96.1%和91.9%,也看到他们最佳需求的土壤含水量是12%,低于这个数值,他们的光合速率都迅速下降;当土壤含水量下降到5.9%时,他们的光合速率都迅速下降一半。表明这两种沙棘在生理耐旱性上是近似的。图8材料表明,在土壤含水量大于6%时,俄罗斯沙棘的叶光合速率相对大于中国沙棘,前者为16.312,比后者的14.318高13.9%;而在土壤含水量小于6%时,中国沙棘叶光合速率反而大于俄罗斯沙棘,前者为2.519,比后者的1.766高42.6%。表明中国沙棘叶光合速率的这种特性是长期干旱生态适应的结果。的伤害。

图9 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶蒸腾速率随土壤含水量变化曲线

图10 俄罗斯沙棘和中国沙棘不同土壤含水量的叶蒸腾速率平均值比较

图11反映,土壤含水量在5.93%以前,两种沙棘叶的水分利用效率都随土壤含水量降低而提升,中国沙棘高于俄罗斯沙棘。当土壤含水量在5.93%以下时,两种沙棘叶的水分利用效率都随土壤含水量下降而下降,仍然是中国沙棘高于俄罗斯沙棘,俄罗斯沙棘的叶水分利用效率始终低于中国沙棘。图12具有类似的特点。

图11 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶水分利用效率随土壤含水量变化曲线

图12 俄罗斯沙棘和中国沙棘不同土壤含水量的叶水分利用效率平均值比较

造成这种差异的原因,除生理差异外,与叶的形态和解剖结构有着密切的关系。表6、表7的数据表明,俄罗斯沙棘在叶长、叶宽、叶面积、叶绿素含量、中脉直径都大于中国沙棘,因而光合效率高,蒸腾耗水量大。但中国沙棘叶厚度、叶上表皮厚度又大于俄罗斯沙棘,这意味着中国沙棘叶表面覆盖着较厚的角质层和蜡质层的保护组织,因而失水较少,提高了水分利用效率。此外,中国沙棘叶的栅栏组织厚于俄罗斯沙棘表明,中国沙棘叶肉组织内水汽循环环境优于俄罗斯沙棘。因此,叶厚度、叶上表皮厚度、栅栏组织厚度,都反映了中国沙棘叶结构近于阳生植物,而俄罗斯沙棘叶片大、叶厚度薄、上表皮厚度薄、栅栏组织薄等都近于湿生植物。因此,中国沙棘适于旱生,而俄罗斯沙棘适于湿生。

表6 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶表型和解剖结构比较

表7 俄罗斯沙棘和中国沙棘叶表型和解剖结构比较

九成宫基地的常年土壤干旱是由气候干旱决定的。图13显示了东胜近40年的年降水量分布情况,由季风气候形成的半干旱气候的降水特征,一是年际降水量少,年均降水量369mm;二是降水变幅大,年际和年内的分配很不均匀。在近40年中,年平均降水量小于300mm的年份有12a,占30%,小于400mm的年份有25年,占62.5%,干旱年占多数。这就导致降水补给土壤的总水量是长期亏缺的。

在九成宫基地,地下潜水深,沙棘能利用的土壤水完全依赖于大气降水。由干旱年2007～2010年平均各月降水分配图 (图14)看到,在沙棘开花、坐果、新梢和叶片开始加快生长、果实开始膨大增重的4月、5月、6月,降水量不足100mm,仅占生长季降水量的9.8%,严重影响了沙棘生长和发育。当果实膨大和新梢旺盛生长的7～9月,虽然降水量占生长季降水量的70%左右,但降水总量少不足200mm,沙棘仍然处于水分亏缺期。

图13 内蒙古东胜年降水量年际分布

图14 九成宫基地干旱年(2007～2010年)各月平均降水量(mm)

从九成宫基地沙棘园6月中旬的土壤含水量垂直分布 (图15)反映,0～200cm土层的平均含水量是3.81%,仅为该园风沙土饱和含水量6.4%的59.5%。沙棘根系集中分布的100cm土层,含水量2.96%,仅为饱和含水量的46.3%。接近200cm土层,土壤含水量有所升高,也只有6%～8%。8月的降水增加,但沙棘生长的耗水量也增加,还由于沙质土壤渗透性强而保水性差,0～200cm土层平均含水量也只有3.95%,0～100cm的平均土壤含水量也只升高到4.74%(图16)。可见,研究半干旱地区沙棘育种要重视降水季节、次数、雨量与沙棘生育期之间的对应关系是非常重要的。

图15 九成宫沙棘园6月19日土壤含水量垂直分布

图16 九成宫沙棘园8月15日土壤含水量垂直分布

3 结论与讨论

在半干旱地区,杂交育种的首要任务是双亲的比较生态生物学研究与筛选,就是供实验的双亲个体在育种基地生长发育全过程中,对其表型、生理生化特点的全面观察和分析。重点是生长势,即在育种基地营养生长和生殖生长的旺盛程度;对生境、特别是对逆境的适应能力;与产量形成有关的叶面积、新梢数、结果枝数、百果重、脱落率和产量;经济学性状与品质等。观察与研究的总目的是,预测双亲杂交组配后遗传与生境适应力的优良性状的互补性、加成效应以及显性遗传潜力的大小。

依据上述目标,我们研究了俄罗斯沙棘良种 (太阳、优胜、楚伊)和中国少刺优良类型“蛮汗山”雄和雌沙棘的表型与生理生化性状与品质表现。结果表明,俄罗斯沙棘的特点是:生长势强,叶面积大,叶绿素含量高,结果枝数量多,百果重大,果实生长发育曲线具有 “双 S”型,果实成熟期短干物质积累快,产量高;光合速率高,蒸腾强度大,气孔导度大,但水分利用效率低;叶片厚度薄,叶上表皮厚度薄,栅栏组织薄;土壤含水量12%时生长良好,6%时减产一半等。这些性状都显示了俄罗斯沙棘具有湿生植物属性,可能与较多的继承了祖先长期生活在古地中海沿岸湿生环境的遗传生态特性有关。

中国沙棘的特点是:生长势弱,叶面积小,叶绿素含量低,结果枝数量少,百果重小,果实成熟期长,果实生长发育曲线虽也具有 “双S”型,但干物质积累慢,产量低;光合速率低,蒸腾强度小,气孔导度小,具有 “光合午休”现象,已合成的光合产物损失大,但水分利用效率高;叶片厚度厚,叶上表皮厚度厚,栅栏组织厚;土壤含水量12%时生长旺盛,6%时减产相对较少等。这些性状都显示了中国沙棘具有旱生植物属性,与祖先长期经过黄土化运动后遗传生态适应性稳定变异遗传有关。

沙棘的果实包括种子和果肉,受精的胚珠发育成种子,子房发育成果肉。胚珠发育在前,子房发育稍后。种子和果肉的营养来源于叶光合产物的运输供应量。果实生长发育大体分4个阶段:细胞分裂—细胞生长与分化—物质合成与积累—物质转化与成熟。这4个阶段是受基因程序性表达而控制;受生长素、细胞分裂素/脱落酸、乙烯的比值而调节;受环境胁迫而表现[9]。果实“双S”形的 “快—慢—快”生长发育曲线[10]是这4个阶段的表型表达。基因的表达、激素的调节,又都受环境胁迫的制约。因此,环境条件是决定着沙棘叶面积指数、果实生长发育速度、果实饱满程度、百果重、果实脱落率和产量的重要生态因子。

在半干旱地区,俄罗斯沙棘和中国沙棘在整个生长季节都是在逆境条件,特别是在水分胁迫下度过的。尤其是开花—受精—果实成熟的5～8月份内,降雨量只占整个生育期的1/3,但此时果实生长发育已进行了2/3的时间,再加上果实膨大期也是新梢生长旺盛期,果实和新梢在严重缺水的情况下,发生着相互激烈的争夺水分和养分的竞争,因此,在这个时期内落叶、落果,甚至新梢干枯的现象都会发生。所以,在半干旱地区育种,亲本的选择,特别是如何研究调节生育期与降水期的配合是至关重要的。

[1] 金争平、蓝登明、周世权.中国沙棘优良类型选育和俄罗斯大果沙棘引种研究[J].沙棘,1998(4):10-18.

[2] 布克什特诺夫.沙棘.张哲民、邱德明、高凯等译.陕西沙棘开发利用科学研究中心,1987,42-162.

[3] 国家外国专家局培训中心.大果沙棘引种与栽培[M].北京:世界图书出版公司,2000,70-82.

[4] 金争平、温秀凤、张吉科等.干旱胁迫对不同种源沙棘产量因子影响分析[J].国际沙棘研究与开发,2008,6(2):33-36.

[5] 黄铨、于倬德.沙棘研究[M].北京:科学出版社,2006,254.

[6] 金争平、温秀凤、顾玉凯等.俄罗斯沙棘与中国沙棘杂交子代雌株遗传变异分析[J].国际沙棘研究与开发,2009,1(7):21-25.

[7] 张建国.沙棘新品种适应性研究 [M].北京:科学出版社,2009,57.

[8] 张建国.大果沙棘优良品种引进及适应性研究[M].北京:科学出版社,2006,43,65.

[9] 武维华主编.植物生理学 [M].科学出版社,2005,398.

[10] Bebbington,M.;Hall,A.J.;Lai,et al.Dynamics and phases of kiwifruit(Actinidia deliciosa)growth curves[J].New Zealand Journal of Crop and Horticultural Science.2009,37(3):179-188.