毛白杨雄花发育特征及少粉型种质选择与成因分析

刘春鹏，张晓华，徐振华，杜克久，李计达，李向军，李新利

（1.河北省林业和草原科学研究院，河北省林木良种技术创新中心，河北 石家庄 050061；2.武安市林业局，河北 武安 056300；3.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000）

毛白杨Populus tomentosa是我国特有的乡土树种[1]，具有高大挺拔、速生、材质优良等特点，是我国北方用材、防护、景观林营建的主要树种之一。近年来，为了避免毛白杨雌株“飞絮”造成的环境污染，在各种造林工程和林业生产过程中，大多选择雄株替代雌株。然而，雄株毛白杨却能产生大量花粉，成为过敏人群的巨大隐患。花粉过敏已成为世界上普遍存在的季节性流行病[2]，而且发病率呈现逐年上升的趋势，预计将有35%左右的人患花粉症[3]。在我国，花粉过敏的发病率为0.5%～ 1.0%，高发病区的发病率甚至达5%，患者数量达到几千万之多[4-5]。为了避免或减少由于毛白杨种植造成的花粉危害，本研究基于毛白杨优良雄株筛选的基础上，监测了其花序的发育进程，并对筛选的10 份优良种质的花序形态、产粉量进行了测定，初步筛选出了无花粉或少粉型优良种质；同时，利用显微技术，从花药发育及花药开裂方面，初步探索了毛白杨种质不产粉或少产粉的原因，以期为无花粉或少粉型雄株毛白杨的选育提供技术和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采集于河北省林业和草原科学研究院内。该地地理坐标为114°28′ E，38°08′ N，隶属于河北省石家庄市新华区，北依滹沱河，西临太行山。气候属于暖温带大陆性季风气候，四季差异分明，降水多集中于夏季，分布不均，年均降水量为552.8 mm。年均气温为12.9℃，7 月气温最高，最高气温为41.5℃，1 月气温最低，最低气温为－19.3℃，无霜期约200 d。土壤为砂壤土，pH值约为7.5，富含有机质。

选择健壮、优良的成年毛白杨雄性单株种质（所选种质资源大多为20 世纪70—80 年代于河北省内各地市搜集而来的毛白杨优良种质），以花粉散播量为指标，于2018—2019 年连续2 年对毛白杨1316、84K 杨、新疆杨、窄冠1 号、窄冠3 号、金白杨、1601、1602、1603、LE01、毛白杨雄株1～ 15 号共25 份种质进行了初步筛选，筛选出了9 份花粉散播量相对较少的种质，分别为1601、1602、1603、15 号、5 号、7 号、11 号、14号、LE01（这9 份毛白杨种质为编号）。2020 年，本试验以这9 份种质资源为试验材料，毛白杨1316 为对照（CK，该种质于2010 年通过了河北省良种审定，良种编号：S-SC-PT-019-2010，且为河北省范围内广泛种植的毛白杨良种，具有一定的代表性和普遍性），开展了相关试验研究。

1.2 试验方法

1.2.1 雄花花序发育进程观察 以毛白杨1316 为观察对象，利用forsafe H805 定时相机高清4K 延时摄影机，于2020 年2 月10 日至4 月10 日（2019 年6 月花芽开始分化至2020 年4 月试验结束期间，未出现极寒、极热等反常气候），选取毛白杨1316（树龄为46 年，胸径为86 cm）树冠中部花枝上的20 个花序，对其发育情况进行定时监测，设置每24 h 拍照并记录一次，于花序败落后取下摄影机，导出照片，并进行观察和分析，依据花序发育的不同表现特征划分其物候期。结合室内水培，选取典型花序照片记录物候期。

1.2.2 花序形状及散粉情况调查 在花药成熟未散粉前（2020 年3 月7 日），利用升降梯在各种质的中部按照上、中、下位置分别选取20 个花序，将其中10 个花序取下，在实验室内测量其长度及中部的直径；另外10 个花序保留在树体上，加装纸袋收集花粉，待其散粉完全后，取下纸袋，收取花粉，称其鲜质量，105℃烘干后称其干质量，并计算每个种质的每个花序的花粉鲜质量和干质量的平均值。

1.2.3 花药发育解剖观察 2020 年2 月中旬，集中采集各种质的花枝10 个，室内水培，待其花序开始伸长后，每隔12 h 用镊子摘取花序中的花药，去除苞片，置于体式显微镜下进行观察，观察花药的发育状态以及开裂情况。

1.3 数据处理

利用Excel 和DPS 数据处理软件进行作图和数据分析。

2 结果与分析

2.1 毛白杨1316 雄花序的发育进程

图1A 至图1D 为毛白杨1316 雄花序不同发育阶段的照片，展现了其不同发育阶段的形态特征。表1 统计了毛白杨1316 雄花序不同发育阶段的具体时间。如图1 和表1 所示，毛白杨1316 雄花序从花芽膨大、伸出到花序干枯脱落持续30 d 左右。2 月中旬，花芽开始逐渐膨大，花序轴缓慢伸长，历时11 d 左右，3 月初，花序开始伸长，花药由黄绿色渐变为红色，历时7 d 左右；3 月上旬末或中旬初，花药开裂开展、散粉，散粉时间为5 d 左右；3 月中下旬，花药失水收缩，变为褐色，体积缩小，逐渐干枯，历时4 d。

图1 不同时期毛白杨1316 雄花序的发育状态Figure 1 Inflorescence development of P.tomentosa ‘1316’

表1 毛白杨1316 雄花序发育进程及形态Table 1 Date and description of development of inflorescence in P.tomentosa ‘1316’

2.2 不同种质毛白杨雄花序的形态及散粉情况

对不同种质毛白杨雄花序的长度、直径以及散粉质量进行测定和统计分析，结果见表2。由表2 可知，就花序形态而言，毛白杨1316、11 号、1603、1601、7 号种质的花序长度较长，LE01、1601、1603、11 号、7 号种质的花序直径较大，因此，总体而言，11 号、1603、1601、7 号种质的花序体积较大；毛白杨1316、1602、11 号、7 号、1603 种质的花序的长度/直径值较大，说明其花序的形态发育比较完全，其余种质的花序较为短粗；就散粉量而言，1603、15 号、1602、5 号以及7 号种质的散粉鲜质量和干质量较低，其中，以1603 和15 号种质的最低。

表2 不同种质毛白杨的雄花序形态及散粉质量比较Table 2 Inflorescence morphology and pollen production from different germplasm of P.tomentosa

2.3 不同种质毛白杨雄株的花药发育进程

如图2 所示，通过体式显微镜观察发现，无粉或少粉毛白杨单株（1603）的花序在前期正常伸长，发育正常，花药正常开裂，在中后期发育迟滞，花药干瘪，花粉粒粘连，导致无法正常散粉，而CK 的花序发育正常，花药正常开裂、散粉。如图3 所示，除1603、15 号以及11 号3 个种质外，其他种质毛白杨花药的开裂率均为100%，而1603、15 号以及11 号种质的花药开裂率未达到100%，说明其有部分花药不开裂，即有部分花药不散粉。

图2 毛白杨雄株不同产粉类型种质花药发育进程比较Figure 2 Anther development of male P.tomentosa germplasm with different pollen production

图3 不同种质毛白杨雄株的花药开裂情况Figure 3 Anther cracking rate of different male P.tomentosa germplasm

3 讨论

目前，有关杨树Populussp.花粉发育的研究较多，许东等[6]对辽宁杨Populus×liaoningensis的雄花序及花粉萌发过程进行了研究，为更好地利用辽宁杨进行良种选育提供依据。郭英超等[7]、刘望舒等[8]以及常童洁等[9]、张文超等[10]分别从花粉败育的细胞学角度和淀粉、脂类、胼胝质等物质异常分布角度，对杨树雄株花粉败育的机理进行了研究。章小玲等[11]研究了不同杨树种质间花粉萌发和致敏蛋白的差异，为杨树低致敏新品种选育提供重要的参考。本研究从筛选少花粉型毛白杨雄株种质入手，并对其成因进行了初探，与其他研究角度均有所不同。

生物表型性状的表现一般是由基因与环境共同作用的结果。康向阳[1]认为毛白杨花粉败育是由异质性遗传基础与环境相互作用所造成的。本研究前期对败育毛白杨种质进行了广泛筛选，获得了5 个少粉型毛白杨种质，尚需进行多年连续观测，进一步探讨其形成原因（遗传或者环境因素），进而确定其遗传性状的稳定性。

本研究结果显示，毛白杨雄株无粉或少粉的原因，主要在于其花药在中后期发育迟滞，花药干瘪，花粉粒粘连，而且花药的开裂率低。这与郭英超等[7]、张媛[12]、刘望舒等[8]的研究结果一致。但本研究所得结论仅是从花药发育层面阐释其无花粉或少花粉的原因，更深层次的细胞组织学以及基因组学研究有待进一步研究。

4 结论

本研究显示，2 月中旬，毛白杨雄株的花序开始膨大、伸长，3 月上中旬，花药开裂并开始散粉，散粉时间为5 d 左右；毛白杨雄株花序从花芽膨大、伸出到花序干枯脱落持续30 d 左右。就花序形态及散粉情况而言，毛白杨雄株11 号、1603、1601、7 号种质的花序体积较大；1603、15 号、1602、5 号以及7 号种质的花序散粉鲜质量和干质量较低，其中以1603 和15 号种质的最低。就花药发育进程而言，无粉或少粉毛白杨种质的花药发育，在中后期出现迟滞，花药干瘪，花粉粒粘连，导致无法正常散粉。此外，花药开裂率低也是其少花粉的原因之一。