转基因741杨与非转基因741杨木材物理力学性质差异*



转基因741杨与非转基因741杨木材物理力学性质差异*

张德健1，2，孙照斌1，张晓燕1，范丽颖1，李娟2，杨敏生1

(1.河北农业大学林学院,河北保定071000；2.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古呼和浩特010021)

摘要：本研究对田间试验林中8年生转基因741杨与非转基因741杨木材物理力学性质进行了对比分析。结果表明，转基因741杨的横纹抗压比例极限应力除了全部弦向略低于非转基因741杨外，干缩性、抗弯强度、顺纹抗压强度转基因741杨均高于非转基因741杨。除了干缩性差异不显著外，大部分性质差异显著，均达0.01极显著水平。抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度和木材横纹全部径向抗压极限应力差异达0.01极显著水平。绝干密度、弦面握钉力和冲击韧性差异达0.05显著水平。其余性质的差异并不显著。

关键词：转基因741杨 ； 非转基因741杨；物理性质 ； 力学性质

杨树(Populusspp.)是中国重要的速生造林树种，具有生长快、成材早、产量高和易于更新等优点，对改善生态环境和木材生产起着重要作用[1～2]。木材的物理力学性质是决定其利用特性的重要因素，对杨树木材性质研究已有很多[3～13]。对I-214杨树木材的物理力学性质研究表明，抗弯弹性模量从髓心到树皮逐渐增加，而其他物理力学性质最小值在从髓心到树皮的过渡区，最大值在近树皮处，从髓心到树皮，物理力学性质有极显著的差异[14]；环境因素可影响杨树物理力学性质，对I-69杨研究结果表明，施肥处理可使木材年轮宽度、静态抗弯弹性模量和顺纹抗压强度增大；季节性淹水对I-69杨木材密度、木材干缩率和力学性质的影响较大，木材密度、干缩率和力学性质都降低或显著降低[15]。

杨树抗虫转基因研究方面国内外已经做了大量工作，中国培育的转BtCry1A基因欧洲黑杨和转双抗虫基因(Cry1Ac+API) 741杨[Populusalba×(P.davidiana+P.simonii) ×P.tomentosa]已在可控区域商品化种植。抗虫基因转入杨树后，木材性质是否发生改变；在转基因杨树种植过程中，随着杨树抗虫性提高，对木材性质是否会产生影响，这些都是需要关注的问题，对于转基因杨树的利用具有重要参考[16～21]。本研究以转基因741杨和非转基因741杨为试验材料，对其木材物理力学性质进行了对比分析，以期为转基因杨树木材加工和应用提供依据。

1材料和方法

1.1试验地概况

试验地设在河北省涿州市。该地属暖温带半湿润季风区，大陆性季风气候特点显著，温差变化大，四季分明。年平均气温11.6℃，气温年较差31.5℃。地面温度累年平均为14.2℃，累年平均冻土深度为40 cm，年日照时数为2 569 h，年平均降水量617 mm，无霜期178天。

1.2材料

立木采集于涿州市林家乡国家务村的转基因杨树8年生对比试验林，参试品种为转基因741杨高抗株系Pb29和对照非转基因741杨。Pb29和对照各种植10排，每排45株，间隔种植，重复3次，株行距3 m×4 m。在试验林中2个无性系各随机抽取5株生长正常、无病虫害的立木为样本株，样本株平均胸径≥15 cm。

1.3仪器设备

(1) 高精度木工圆锯机；(2) 砂光机；(3) 电子天平(0.001 g)；(4) 游标卡尺(0.02 mm)；(5) 电子式人造板万能试验机(MND-10B)；(6) 微机控制电子式木材万能试验机；(7) 冲击韧性试验机；(8) 10l-3AB型干燥箱。

1.4试验方法

将每株试材伐倒后，在距基部1.3 m以上截取1 m长的短圆材，锯取约50 mm厚通过髓心的中心板，在室温下干燥，平均含水率达到12 %左右时，按照 GB/T 1932-2009《木材干缩性测定方法》[22]、GB/T 1933-2009《木材密度测定方法》[23]、GB/T 1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》[24]、GB/T 1935-2009《木材顺纹抗压强度试验方法》[25]、GB/T 1936.1-2009《木材抗弯强度试验方法》[26]、GB/T 1936.2-2009《木材抗弯弹性模量测定方法》[27]、GB/T 1939-2009《木材横纹抗压试验方法》[28]、GB/T 1940-2009《木材冲击韧性试验方法》、GB/T14018-2009《木材握钉力试验方法》[29]等木材物理力学性质试验方法的有关规定,按从髓心到树皮的顺序,将试样加工成供测试物理力学性能用的无暇小试样。顺纹抗拉强度在电子式人造板万能试验机上测定,其他力学性质在微机控制电子式木材万能试验机上测定。试验结果按规定换算为含水率为12 %的基本数据,并取各项的平均值,用Excel软件进行数据整理，采用DPS软件进行方差分析。

2结果与分析

2.1转基因741杨与非转基因741杨的物理性质

转基因741杨与非转基因741杨的物理性质的测定结果见表1。

表1　转基因741杨株系Pb29和非转基因741杨的木材物理性质测定结果

注：同一行字母相同为差异不显著(p<0.05)。

表2　转基因741杨和非转基因741杨物理性质差异的方差分析

注：*为0.05水平显著；**为0.01水平显著。

转基因741杨与非转基因741杨的物理性质差异的方差分析见表2。

由表1～2可知，转基因741杨与非转基因741杨相比，无论体积干缩还是线性干缩都有所提高，差异相对值平均为12.42 %；除了径向气干干缩率的差异不显著，其他方向差异均达极显著水平，尤其是体积气干、弦向气干、体积全干、弦向全干几个参数，均达到了极显著差异水平，其F值分别为13.92、15.62、11.91和7.10。

转基因741杨气干试件的弦径向干缩率平均分别为5.76 %和 2.45 %，对应的干缩系数分别为0.32 %和0.136 %，弦径向差异干缩比值为 2.35 >2，为大[30]，说明其在气干干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势很大。转基因741杨全干试件弦径向干缩率平均为7.12 %和3.32 %，对应的干缩系数分别为0.395 %和0.184 %，弦径向差异干缩比值为2.14>2,也为大[30]，说明其在全干干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势也很大。非转基因741杨全干试件的弦径向干缩率平均分别为5.42 %和2.14 %，对应的干缩系数分别为0.301 %和0.118 %，弦径向差异干缩比值为2.53>2，为大[30]，说明其在气干干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势很大。非转基因全干试件741杨弦径向干缩率平均为6.57 %和2.86 %，对应的干缩系数分别为0.365 %和0.158 %，弦径向差异干缩比值为2.30>2,也为大[30]，说明其在全干干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势也很大。

转基因杨木材的干缩尺寸稳定性低于非转基因杨木材，转基因杨木材和非转基因杨木材干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势都很大，非转基因杨木材更大些。

转基因741杨的密度大于非转基因741杨，二者差异相对值平均为2.92 %。其中绝干密度差异达0.05水平显著，其余差异不显著。

木材密度是木材性质的一项重要指标，它反映木材细胞壁中物质含量的多少，根据它估计木材的实际重量，推断木材的工艺性质和木材的干缩、膨胀、硬度、强度等木材物理力学性质。木材密度与强度成正比，即在含水率相同条件下，密度大则强度高，是判定木材强度的最佳指标。在生产中，不同的用途，在选择材种时就要考虑木材密度，其对木材合理加工工艺的确定、林木材性育种与遗传改良和营林培育有着重要的指导意义。

所以，工业用途适宜的优良木材必须具有适宜的密度与干缩性。

2.2转基因741杨与非转基因741杨的力学性质

转基因741杨与非转基因741杨的力学性质的测定结果见表3。

转基因741杨与非转基因741杨的力学性质差异的方差分析见表4。

表3　转基因741杨和非转基因741杨的力学性质测定结果

由表3～4可知，转基因741杨木材力学性能各项指标普遍高于非转基因741杨木材，并且某些指标差异显著。

转基因741杨的冲击韧性高于非转基因741杨的冲击韧性，二者分别达到了51.5 KJ/m2和46.5 KJ/m2，两者差异相对值为10.23 %，达到显著差异水平。

转基因741杨的抗弯强度和顺纹抗压强度均高于非转基因741杨。转基因741杨的抗弯强度和抗弯弹性模量均高于非转基因741杨，二者抗弯强度分别为61.18 MPa和53.45 MPa，抗弯弹性模量分别为6 396 MPa和5 868 MPa，差异相对值分别为13.48 %和8.60 %，其差异达极显著水平。此外，顺纹抗压强度和全部径向也都达到了极显著差异水平。二者顺纹抗压强度分别为32.63 MPa和30.44 MPa，全部径向分别为4.34 MPa和3.93 MPa，差异相对值分别为6.89 %和9.91 %。

转基因741杨各个方向的握钉力均高于非转基因741杨。

转基因741杨的横纹抗压比例极限应力除了全部弦向略低于非转基因741杨外，其他的横纹抗压比例极限应力均高于非转基因741杨。木材局部横纹抗压比例极限应力高于全部抗压比例极限应力，且径向抗压高于弦向抗压。

转基因741杨与非转基因741杨的木材物理力学性质存在较大差异，可能是因为转Bt基因后，在直接提高树木抗虫性的基础上，间接提高了木材的抗性并改善了转基因杨树的生态环境，同样生态条件下，使得转基因741杨的生长受到影响，从而使得转基因741杨生长更旺盛，生长质量更好。李超丽等研究发现，当Bt杀虫蛋白基因(BtCry1Ac)和慈菇蛋白酶抑制基因(AHPI)导入741杨，它们本身的物理性状、营养物质、挥发性和非挥发性次生代谢物质可能发生非预期变化，有可能对741杨的群落结构、生物多样性乃至整个生态过程产生影响[31]，因此，转基因741杨树的生长必然会发生改变，但更深一步的机理还有待探究。

表4　转基因741杨和非转基因741杨力学性质差异的方差分析

注:*为0.05水平显著；**为0.01水平显著。

3结论

转基因741杨木体积干缩和线性干缩均高于非转基因741杨，转基因741杨木材的干缩尺寸稳定性低于非转基因741杨木材。转基因741杨气干试件的弦径向干缩率平均分别为5.76 %和2.45 %，非转基因741杨全试件的弦径向干缩率平均分别为5.42 %和2.14 %；两种木材弦径向差异干缩比值均大于2，其在干燥过程中产生翘曲和开裂的趋势都很大，非转基因杨木材更大些。

密度均是转基因741杨高于非转基因741杨，绝干密度的差异达0.05水平显著，而基本密度和气干密度差异均不显著。

转基因741杨木材力学性能各项指标普遍高于非转基因741杨木材，体积气干、弦向气干、体积全干、弦向全干指标差异显著。

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Physical and Mechanical Properties of the Transgenic Hybrid

Poplar 741 and Poplar 741

ZHANG De-jian1，2,SUN Zhao-bin1,ZHANG Xiao-yan1,FAN Li-ying1,LI Juan2,YANG Min-sheng1

(1.Agricultural University of Hebei,College of Forestry,Baoding Hebei 071000,P.R.China;

2.Inner Mongolia University,College of Life Science,Hohhot Inner Mongolia 010021,P.R.China)

Abstract:A comparative study on the physical and mechanical properties of the transgenic hybrid poplar 741 and poplar 741 with 8 years was made.The result shows that except the ultimate stress of chordwise anti-press ratio of transgenic hybrid poplar 741 is slightly lower than that of poplar 741,the dry-shrinkage property,flexural behavior,and compression along the grain are higher than that of poplar 741.Except of the dry-shrinkage property,there are significant differences among most other properties.The MOR,MOE,crushing strength and timber horizontal line complete radial anti-bending limiting stress are significant differences with the level of 0.01.The unique dry density,the strength of nail holding ability of string surface and the strength of the tenacity of striking are at significant differences with the level of 0.05.The differences of the other properties are not significant.

Key words:transgenic hybrid poplar 741;poplar 741;physical properties;mechanical properties

中图分类号：S 792.11

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)06-0005-06

作者简介：第一张德健(1972-)，男，副教授，博士，主要从事林木遗传育种研究。E-mail:zhangdejian00@163.com

基金项目：国家高技术研究发展计划“863”计划项目(2011AA100201)，国家自然科学基金项目(31370663)，内蒙古自然科学基金项目(2014MS0309)，河北省高等学校科学技术研究项目资助(Z2011170)。

收稿日期：*2015-05-13

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.002