我国杨树种质资源研究进展

刘 巍，蔄胜军，侯 庚

(辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115213)

杨树是杨柳科Salicaceae杨属Populus植物的统称，具有生长快、适应性广、易繁殖等特点，被世界许多国家和地区广泛引种栽培[1-2]。杨树是我国主要的栽植树种，尤其在北方地区的工业用材林、防护林中具有不可替代的作用，不仅肩负着产业建设的重任，还承担着生态文明建设的使命。杨树天然种类丰富，全属共有100余种，多分布于北半球温带，我国是世界杨树集中分布区之一，种质资源十分丰富，包含5个派53种[3]。植物种质资源是发展农业生产和培育新品种的物质基础，近年来，我国关于杨树种质资源的研究取得了许多关键性进展，为杨树种质资源的科学保护和创新利用奠定了基础。

1 种质资源收集保存现状

种质资源又称遗传资源，包括植物野生种和栽培种[4]，是培育高质量新品种的物质基础。20世纪80年代起，我国开始重视杨树种质资源的收集、引进及保存利用研究。1983年，北京林业大学从北京、河北、山东、江苏、山西、陕西、河南、安徽、甘肃和宁夏10个省(自治区)选择收集毛白杨Populustomentosa优树，通过挖根沙培促萌、嫩枝扦插方式育苗，共繁育1 047个无性系，在山东冠县建立毛白杨基因库[5]。1992年，国家林业局三北防护林建设局执行的中国“三北”009项目对我国北方的小叶杨P.simonii进行了全面系统的调查和收集，并在科尔沁沙地建立了第一个以小叶杨为主基因库，其中包括天然小叶杨优树插条基因库(T-库)，天然小叶杨杂种基因库(S-库)和杨树无性系基因库(C-库)[6-7]。1994年，黑龙江带岭林科所收集黑龙江、吉林和辽宁等省份22个产地的大青杨P.ussuriensis基因资源400多份，并在带岭林区建立了大青杨基因库，经综合评价选出5个优良群体、44个优良单株，为该地区营建大青杨人工林奠定了一定的基础，为杨树抗性育种等提供了育种材料和信息[8]。1999年，张绮纹等从17个国家引进331个黑杨派无性系在山东省长清县营建我国第一个黑杨派无性系基因库[9]。随后，南京林业大学杨树研究和开发中心与湖北林科院石首杨树研究所收集大量的美洲黑杨P.deltoides种质资源，分别在江苏省泗洪县陈圩林场和湖北省石首市东升镇建立美洲黑杨种质资源库[10-11]。20世纪90年代，山西省杨树局与德国技术合作有限公司开展了杨树育种合作项目，陆续引进国外杨树及新品种900多个，在怀仁县金沙滩建成了杨树无性系档案库和基因库。2000年，中国林业科学院林业研究所从16个国家引进收集欧洲黑杨P.nigra基因资源118份，在内蒙古自治区包头黄河奶牛场扦插育苗，然后用一根一干苗营建基因库并进行造林试验[12]。2002年，泰格林纸集团通过与湖南省林业科学院、南京林业大学合作，收集国内主要杨树品种，建立了杨树种质资源基因库，保存杨树品(家)系1 445个，成为全国最大杨树种质资源基因库。从2006年起，中国林科院林业研究所分别从美国艾奥瓦州、华盛顿州和加拿大魁北克省等美洲黑杨天然分布区收集引进302份北方型美洲黑杨种质资源[13]。万雪琴等[14]对四川省31个县的乡土杨树种质资源进行调查，共收集包括18个种的1 560份单株材料，并在五株大树选优法的基础上制定了适合于异龄林的选优方法。近年来，吉林白城林科院收集吉林、内蒙古、辽宁等地的小叶杨乡土资源并在着手建立小叶杨基因库。辽宁省杨树研究所收集国内外优良的杨树品系300多个，并在辽宁凌海市和黑山县建立杨树基因资源保存圃。

2 种质资源遗传多样性研究

遗传多样性(genetic diversity)一般是指种内不同种群之间或一个种群内不同个体之间的遗传变异，表现在分子、细胞、个体等多个水平，是生物多样性的重要组成部分[15-16]。遗传多样性能够反映一个物种对环境的适应能力及其生存能力[17]。因此，对物种遗传多样性的研究可对物种现有的生存方式及状态进行有效的评估[18]。

2.1 表型遗传多样性

表型是植物各种形态特征的组合，是生物遗传多样性的外部表现，因此，表型变异是遗传多样性研究的重要内容[19]。杨树表型多样性主要体现在不同水平形态特征、生长和物候期等方面。

李新国等[20]对9年生毛白杨无性系各种形态性状进行变异分析和方差分析，结果表明，毛白杨叶形、皮孔排列、皮孔大小和皮色4种形态指标中，河南和陕西种源多样性指数大于山西和甘肃种源；优树间在通直度和枝下高性状上具有丰富的遗传多样性，而叶片性状和物候期的变异较小。白卉[21]对6个种源的山杨P.davidiana种质资源表型多样性研究表明，山杨表型性状变异丰富，21个表型性状变异系数变幅为7.2%～90.85%；种源间树高、胸径、皮孔长等性状差异极显著；种群表型性状频率多样度为0.664，Shannon信息指数为1.469。

杨自湘等[22]利用16个叶片特征值研究不同产地不同单株青杨P.cathayana间的差异，结果表明，不同产地间叶长、叶长/叶宽、叶最宽处系数等9个性状差异极显著，而叶宽/叶中宽、第2对侧脉左夹角及右夹角差异达到显著水平。李金花等[23]利用7个叶片性状研究不同种源青杨的遗传变异，发现除叶基形状外，其它叶片性状在种源间及种源内单株间均达到极显著差异，具有丰富的遗传多样性；F1代无性系存在丰富的遗传变异，选择潜力较大。研究表明，小叶杨的叶片性状和生长性状在种源间和种源内均存在显著变异，种源内的遗传多样性程度高于种源间的多样性，且群体内表型变异呈梯度规律性，高海拔的种源表现为苗高、叶大，而低海拔的种源表现则相反[24]。东北林区不同种源的大青杨封顶期和落叶期相差很大，表现出一定的地理规律性，2个观察性状都是从北向南逐渐延迟，封顶期可相差1个月之多，产地偏南的种源甚至不自动落叶，只在霜冻后才出现枯落现象；不同种源大青杨生长量差异极为显著[8]。王德新等[25]观察41株滇杨P.yunnanensis优树物候期指标，分析发现芽开放期的变异系数最大，前期物候期差异大于后期物候期差异，各无性系生长期长短主要取决于前期物候期差异；并将滇杨优树无性系划分为总体物候出现较晚型、总体物候出现较早型、生长期较短型、生长期较长型和生物长期中间型5种物候类型。

从20世纪80年代开始，我国开始有计划地引进黑杨派种质资源并对其进行研究，这些丰富的种质资源为我国杨树新品种培育奠定了种质基础。我国学者对美洲黑杨和欧洲黑杨种质资源表型多样性进行了系统的研究。黄国伟等[26]对不同区域引种的美洲黑杨物候期和生长调查发现，南方型美洲黑杨遗传多样性丰富，不同系号落叶期最多相差60 d；叶片长、宽、叶宽基距等指标与树木生长量呈负相关，甚至达到显著或极显著水平，单个叶片越大对材积增长不利。研究表明，美洲黑杨不同物候期表现出不同的时序特征，叶变色始期变异最大，变异系数达到52.74%，其次是叶全部变色期和芽膨大始期；影响无性系生长期长短的主要因素是生长后期与变色落叶相关的诸物候期的早晚差异[27]。杨艳等[28]选取地径、苗高、叶面积等13个性状指标对62份南方型黑杨种质资源进行遗传多样性分析，结果表明，可将62份黑杨资源分成7个类群，各类群材料具有较高的分化强度；各性状多样性指数平均值为1.098，叶片相关性状和生长期遗传多样性较丰富。周永学等[29]研究表明，欧洲黑杨无性系间苗期苗高和地径差异极显著，具有丰富的遗传变异基础。丁明明[30]研究表明，欧洲黑杨基因资源的叶片形态和生长性状具有丰富的多样性，叶片基部形态分为心形、截形和楔形三种类型，且基部为心形的叶片具有较大的叶面积，根据叶片基部形态可初步判断叶面积和生长量的大小。

2.2 分子遗传多样性

传统的形态学鉴定方法不能系统地对种质资源进行遗传多样性研究和亲缘关系鉴定。随着分子生物学技术的不断发展，分子标记技术不受组织、发育时期、季节环境限制，可较短时间内精确、有效地对大量材料进行鉴定、系统分类和遗传多样性研究，在杨树遗传学研究中广泛应用[31-32]。

李宽钰等[33]利用RAPD分子标记研究毛白杨的起源，分析表明毛白杨的亲缘关系与银白杨和响叶杨较近，而与山杨和欧洲山杨的亲缘关系则较远。张金然等[34]利用5对SSR引物对52个山杨杂种无性系的分析表明，山杨杂种不同位点间等位基因数和等位基因频率变化较大，5个位点上多态位点比率为100%，平均等位基因数为4.4个，欧美山杨P.tremula杂种的遗传多样性最丰富，中美山杨杂种P.davidiana×P.tremuloides遗传变异最低；聚类分析显示，欧美山杨杂种P.tremula×P.tremuloides和欧洲山杨在遗传组成上最为相似，与中国山杨相比，欧洲山杨和美洲山杨P.tremuloides在遗传基础上更接近。韩志校等[35]利用SSR标记对来自白杨派、黑杨派和青杨派的32个杨树无性系进行亲缘关系和遗传多样性分析，结果表明，13对引物扩增多态性条带比率为100.00%，表明各样品之间具有较丰富的遗传多样性，聚类分析结果与传统分类学的结果一致。杜淑辉等[36]利用6个单拷贝核基因标记，对分布于我国的中国山杨14个自然居群191个样本的遗传多样性和遗传结构进行研究，结果表明，中国山杨表现出较高的遗传多样性水平，居群内变异大于居群间变异；居群遗传距离和地理距离间没有相关性，种群历史动态、高度异交和较高的碱基突变速率是中国山杨遗传多样性水平较高的原因。

苏晓华等[37]对青杨派主要树种大青杨、甜杨P.suaveolens、香杨P.koreana和马氏杨P.maximowiczii种间及种内遗传变异进行了RAPD检测，建立的系统树说明了4树种可能的亲缘关系及系统发育史，各树种内也均存在着遗传多样性，分子水平分类的结果与经典分类一致。张亚红等[38]采用SSR和cpDNA两种分子标记相结合的方法对云南和四川共6个种群(64个个体)的滇杨进行遗传多样性和遗传结构分析，将6个种群划分为3个亚类，分子方差分析显示种群内的遗传变异大于种群间变异，滇杨不同种群的遗传分化具有地域性，应采取就地保存方式。而颜璐茜等[39]研究则表明滇杨居群间的遗传变异大于居群内，居群间的遗传距离与地理距离没有相关性。纵丹等[40]采用SSR技术对中国西南地区的7种15个群体共226株杨树古树的遗传多样性进行分析，结果显示，西南地区杨树古树具有较为丰富的遗传多样性，且其遗传变异主要存在于群体内不同个体之间，任何个体的丧失均会导致杨树古树遗传多样性的降低或丧失；7个树种可以分为3个大组，即川杨P.szechuanica与康定杨P.kangdingensis聚为一组，乡城杨P.xiangchengensis与西南杨聚为一组，藏川杨P.szechuanicavar.tibetica、德钦杨P.haoana和昌都杨聚为第3组。郑书星等[41]应用SSR标记技术对新疆额尔齐斯河流域河谷分布的苦杨P.laurifolia和欧洲黑杨天然居群的遗传多样性和遗传分化进行研究，结果表明苦杨和欧洲黑杨的天然居群具有较高的遗传多样性，且苦杨明显高于欧洲黑杨；欧洲黑杨居群间基因流较高，居群间的遗传分化程度相比苦杨较小，变异主要源于居群内。

张香华等[42]利用13对SSR引物对120份欧洲黑杨基因资源进行遗传多态性分析，共检测出171个等位基因，每个多态性位点检测到7～19个等位基因，平均为13.2，平均多态信息指数为0.808，说明欧洲黑杨基因种源具有丰富的遗传多样性。李世峰等[10]利用12对SSR引物对11个半同胞家系的137个美洲黑杨子代进行遗传分析，结果表明11个家系具有较高的遗传多样性，总的遗传变异中有22%来自于家系之间，绝大部分存在于家系内，聚类结果符合家系间的地理变异趋势。徐金光等[43]采用AFLP分子标记技术对63份美洲黑杨及其杂种进行遗传多样性分析，8对引物扩增多态带比例为99.92%，表明在实验材料DNA水平上具有丰富的遗传多样性。

张玲等[44]利用12个引物对新疆灰叶胡杨P.pruinosa的9个居群的135个个体进行SSR分析，共扩增出136个条带，平均每个引物11个条带，居群的平均多态位点比率平均为0.972，平均Shannon指数(I)和平均Nei指数(h)分别为1.185和0.541，表明灰叶胡杨的遗传多样性水平较丰富。

3 种质资源指纹图谱构建

指纹图谱(fingerprint)是能够反映生物个体间的遗传差异，具有高度特异性和稳定可靠性，是鉴别杨树不同种质的有力工具。指纹图谱的构建在品种鉴定、亲缘关系分析等方面具有重要作用，能够解决杨树种质同种异名、同名异种等实际问题，对于有效保护、利用我国杨树种质资源和育种成果具有重要意义。关于杨树指纹图谱的构建，以前常用AFLP标记技术，如胡晓丽等[45]利用3个引物组合的8条多态性条带对12个三倍体毛白杨和二倍体毛白杨无性系构建指纹图谱，为三倍体毛白杨无性系的鉴别和品种保护提供了依据。SSR标记具有多态性高、重复性好、共显性等优点，近年来逐渐成为杨树DNA指纹图谱构建的理想技术[46]。李薇[47]利用10对SSR特异性引物构建了包括钻天杨和69杨在内的6个黑杨无性系的指纹图谱。贾会霞等[48]从200对SSR引物中筛选出条带清晰、多态性高、重复性好的19对引物对24份杨树种质进行扩增，共扩增出102条条带，多态性条带97条，占95.10%，每个位点的等位基因数2～11个，构建的指纹图谱与其系谱关系基本一致，证实利用SSR标记能够有效地检测亲子代的系谱关系。巫明会等[49]从25对SSR引物中筛选出5对构建12个美洲黑杨无性系的指纹图谱，5对引物共扩增出条带24条，其中多态性条带占95.8%，SSR引物多态性条带数4～8条，平均4.8条，构建的图谱可以区分12份种质。

4 种质资源核心种质构建

遗传资源丰富多样性为遗传育种提供了物质基础，同时也给种质资源的保存、研究和利用带来了困难。核心种质(core collection)是指采用一定的方法，选择整个种质资源的一部分，以最小的资源数量和遗传重复最大程度地代表整个遗传资源的多样性，从而方便种质资源的保存、评价和利用[50]。核心种质具有代表性、实用性、动态性和有效性，其目的是去除种质中的遗传重复，提高种质资源的研究和利用效率[51]。DNA标记技术可在较短时间内获得大量的遗传信息，能够很好地分析种质资源的遗传多样性和遗传关系，在物种核心种质构建上已得到广泛应用。白卉[22]利用SSR分子标记对6个种源的208份山杨种质以UPGMA进行聚类，采取逐步聚类随机取样法、逐步聚类优先取样法和分组聚类法，设定30%、25%、20%、15%、10%抽样比率构建核心种质，初步筛选出逐步聚类优先取样法20%抽样比率下的核心库T3的42份山杨核心种质资源为最佳核心种质，经分子多样性评价核心库有39种基因型；核心库表型性状均值差异百分率MD%为15.42%，极差符合率CR为79.09%，变异系数变化率VR为90.00%，达到了核心库构建的标准。彭婵等[52]基于SSR分子数据采用逐步聚类随机取样法(7个取样比例)对收集的363份南方型美洲黑杨无性系构建初级核心种质，最终确定15%为最佳取样比例，得到54份核心种质和309份保留种质，构建的初级种质与原始种质的平均Na、I、H经t检验不显著，且初级核心种质与原始种质分布相似，分散均匀覆盖较全面，能全面代表原始种质的遗传多样性。曾宪君等[53]在对159份欧洲黑杨种质生长、材性、生理特征、育种值等性状评价的基础上，构建欧洲黑杨优质核心种质。文靓[54]收集湖北乡土树种大叶杨P.lasiocarpa、响叶杨P.adenopoda、山杨、毛白杨、小叶杨、汉白杨P.ningshanica和银白杨P.alba，运用ISSR分树种构建湖北乡土杨树核心种质。

5 小 结

优良新品种的培育需要丰富的种质资源作为物质基础，因此，对种质资源的收集、保存及研究利用应予以高度重视。近年来由于商业行为炒作，生产上盲目追求速生和经济效益，使乡土杨树种质资源未被广泛的认识，对其保护和利用重视也不够。同时，特别在我国北方盲目引种栽植外来品种，没有做到适地适树，可能会造成杨树人工林出现大面积灾害，不仅生产力较低，而且还存在较大的经济和生态风险。随着生态文明建设的发展，社会对速生、抗逆性强的杨树良种的需求日益增长。我国拥有丰富的乡土杨树种质资源，自然界中存在许多天然杂种，种内和种间遗传变异明显，遗传多样性丰富。因此，应分地区加强乡土杨树种质资源调查收集，并对其开展表型及分子遗传学研究，充分了解其生物学特性及遗传特点，在此基础上构建乡土杨树种质资源核心种质库，促进种质资源的长期科学保存、深入研究和创新利用。同时，充分利用乡土杨树种质资源优质抗逆基因，加速优良乡土杨树培育步伐，解决目前栽培品种存在的林分稳定性差等问题，更好地发挥杨树林分的生态功能和社会效益。