美洲黑杨与小青杨杂交子代苗期性状评价*

刘巍，蔄胜军，彭儒胜，尹杰，周兴宇，李晓宇

(1.辽宁省杨树研究所，辽宁 盖州 115213；2.国有凌海市大凌河林场，辽宁 凌海 121200)

杨树(Populus)具有适应性强、生长迅速、轮伐期短等特性，是世界上栽培面积最大、木材产量较高的树种，也是我国重要的工业用材林和生态防护林树种，在固氮、生态绿化和生物能源等方面也有重要作用[1-2]。杂交育种是杨树育种的重要途径，目前，我国林业生产中推广应用的杨树良种主要是通过杂交育种途径培育的无性系[3-4]。美洲黑杨(P.deltoides)原产于北美洲密西西比河流域，是黑杨派(SectionAigeiros)中最具有栽培利用价值的树种[5-7]，自20世纪70年代引入我国以来，已成为杨树杂交育种的重要亲本[8-9]。我国育种学家利用美洲黑杨速生、干直、适应性广等特性，开展多个与乡土青杨派(SectionTacamahaca)树种的杂交试验，选育出一批兼具速生和抗逆性强等优良特性的无性系[10-16]。林木生长周期长，使得育种周期延长，育种效率受到限制。林木早期选择是根据林木苗期的相关性状对未达到经济成熟期目的性状作出预测的选择方式[17]，早期选择可以有效地缩短林木育种周期，加速育种进程，在林木育种工作中是可行的[18-19]。

随着社会发展的现实需求，杨树新品种选育对高产、低耗、高效的育种目标更加重视，在兼顾生长、抗逆性的同时，也要注重其对光能、水分、养分等重要资源的利用效率[20]。本研究选用北方型美洲黑杨和乡土青杨派树种小青杨为亲本开展远缘杂交育种，以杂交子代无性系1 a生苗木为试验材料，在相同立地条件和栽培措施下，开展苗期重要性状的联合选择研究，通过比较不同无性系生长性状、叶片相关性状、光合作用、养分利用效率等指标方面存在的差异以及这些指标与生长量之间的相关性研究，选择优良无性系。为筛选高产、高资源利用效率的优良无性系奠定基础，为杨树杂交育种早期选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

苗木测试苗圃位于辽宁省黑山县新兴镇，地处122°41′45″E，41°61′00″N，处于温带半湿润区，属温带大陆性季风气候，海拔38 m，年平均气温7.9 ℃，最高气温为35.0 ℃，最低气温为-27.6 ℃，无霜期165 d左右，年平均降水量为568.4 mm，降水主要集中在7—8月。土壤类型为沙壤土。

1.2 试验材料

以辽育3号杨(P.×deltoidescl.‘liaoyu 3’)、辽宁杨(P.×liaoningensis)为母本、小青杨(P.pseudo-simonii)为父本人工杂交获得的杂交种及亲本无性系为试验材料。其详情为：辽育3号杨×小青杨(编号：DX-08-5、DX-08-8、09-01-20、09-01-42、10-01-73、10-01-54、10-01-26)；辽宁杨×小青杨(编号：LX-6)。2021年4月，将11个无性系的条材剪成插穗在黑山县新兴镇苗圃扦插育苗，完全随机区组设计，3个区组，每个无性系每区组扦插30株，株行距为30 cm×60 cm。

1.3 试验方法

1.3.1 生长指标测定

2021年10月中旬，在苗木停止生长后，测量苗木株高生长量和地径生长量。

1.3.2 叶片相关指标测定

每个无性系以苗高的±3%为误差范围选取标准株3株，挂牌标记，进行叶片相关指标测量和计算。在苗木速生期内(2021年7月中旬至8月末)，每间隔15 d记数植株总叶片数，共计3次，计算平均值。在苗木停止生长后(2021年9月中旬)，记数植株的总叶片(叶痕)数。在苗木速生期内(2021年8月中上旬)，选取植株中上部正常生长的成熟叶片10片，采用纸样称重法计算叶面积[21]。

成叶速率(d/片)=生长时间(d)/叶片数(片)

叶面积(cm2)=平均叶状纸质量(g)×标准纸面积(cm2)/标准纸质量(g)

总叶面积(cm2)=叶面积(cm2)×叶片总数(片)

1.3.3 光合指标测定

在苗木速生期内(2021年7月中旬至8月末)，每个无性系以苗高的±3%为误差范围选取标准株3株，挂牌标记，选择晴朗无云的天气，采用Li-6400光合仪(LI-COR公司，美国)测定苗木净光合速率〔Pn，μmol/(m2·s)〕和蒸腾速率〔Tr，mmol/(m2·s)〕。每隔15 d测定1次，共计测定3次，测定时间选择在上午10:00—11:00，测定时选择植株向南伸展的由顶端下数第8～10片健康叶片，每株测定3个叶片，计算平均值。在气路开放条件下，光强设定为1 200 μmol/(m2·s)，CO2浓度设定为400 μmol/mol。

光合作用水分利用效率(WUEi，μmol/mmol)=速生期瞬时净光合速率/蒸腾速率

1.3.4 叶片氮素含量测定

近年评书最开始是站在桌子后面，桌上放着折扇和醒木，表演者一袭长衫，“范儿”味十足。不知是否因为广播评书的出现，切断了传统模式中表演者与观众之间的视觉联系——表演形式被去繁化简，桌子没了，扇子没了，长衫没了，只是搞不懂，那个标志性的醒木怎会一同消失。

在苗木速生期结束前(2021年8月中旬)和树叶变黄脱落前(2021年10下旬)分别采集苗木绿叶和黄叶测定叶片氮素含量，每个无性系选取3株，每株选取植株中上部方位、层次尽可能一致的健康叶片5片，剪去叶柄部分，擦拭干净，混合制样后置于105 ℃烘箱杀青0.5 h后在80 ℃条件下烘干48 h至恒重，粉碎后过60目筛。采用浓H2SO4-H2O2消煮、凯氏定氮法测定叶片氮素含量，计算氮素转移率[21]。

氮素转移率=(速生期叶片氮素含量-黄叶期叶片氮素含量)/速生期叶片氮素含量×100%

1.3.5 数据分析

利用Excel进行数据统计，计算均值、标准差、变异系数；利用DPS数据处理软件对数据进行随机区组单因素方差分析和Tukey多重比较。

2 结果与分析

2.1 苗木生长

对8个杂种无性系和3个亲本无性系的1 a生苗株高、地径生长量进行测定，计算杂种无性系的生长变异系数和超亲优势。由表1可知，各无性系株高和地径生长量存在较大差异。各无性系中LX-6、DX-08-8和10-01-54的株高和地径生长量较大，其中LX-6无性系的株高达到4.32 m，DX-08-8和10-01-54的地径生长量分别达到2.50 cm和2.49 cm，09-01-20的株高和地径生长量最小，分别为3.07 m和1.86 cm。各无性系株高变异系数超过5%的有7个，其中10-01-26和LX-6的株高变异系数均较小，分别为2.95%和4.40%；各无性系地径变异系数超过5%的也是7个，其中10-01-26和LX-6的变异系数较小，分别为3.58%和4.28%，说明这两个无性系个体间株高和地径生长均匀，差异较小。LX-6株高超优亲优势为15.65%，其次是DX-08-8，为6.27%，09-01-20最小为-20.13%，各无性系株高生长量超优亲优势顺序为LX-6﹥DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20。地径生长量超亲优势最大是DX-08-8为16.28%，其次是10-01-54为15.81%，各无性系地径超优亲优势顺序为DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥LX-6﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20。从杂交亲本来看，除09-01-20外，其它无性系的株高和地径生长量均遗传了母本美洲黑杨速生的特性，具有一定的超亲优势，杂交优势明显。

表1 11个无性系1年生苗的生长量比较分析

对不同无性系株高和地径进行方差分析，结果(表2)表明：11个无性系株高和地径差异极显著，说明杂交子代及亲本在株高和地径生长量上存在广泛的遗传变异。

表2 11个无性系株高与地径方差分析

2.2 叶片性状

对杂交无性系的成叶速率、平均叶面积和单株总叶面积进行测定分析(表3)，结果显示：各无性系成叶速率从大到小排序为LX-6﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-5﹥09-01-20，无性系间成叶速率差异极显著，说明杂交子代及亲本叶片生长快慢存在较大差异。叶面积大小及分布直接影响林分对光能的利用效率，进而影响林分的生产力[22]，叶面积大有助于增加叶片叶绿素含量，有利于植物进行光合作用。各无性系叶面积排序为辽育3号杨﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥辽宁杨﹥10-01-26﹥DX-08-5﹥10-01-73﹥10-01-42﹥LX-6﹥09-01-20﹥小青杨。由表3可知，DX-08-8的总叶面积最大，为2.36 m2，超过平均值(2.13 m2)19.5%，其次是10-01-54，为2.35 m2，09-01-20的总叶面积最小，为1.43 m2。各无性系总叶面积排序为DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥LX-6﹥DX-08-5﹥辽育3号杨﹥辽宁杨﹥小青杨﹥09-01-20，11个无性系总叶面积方差分析达到极显著。多重比较显示，DX-08-5、DX-08-8、LX-6、09-01-42、10-01-73、10-01-54和10-01-26之间总叶面积无显著差异。

表3 11个无性系的叶片性状

2.3 净光合速率与水分利用效率

光合作用对植物生长至关重要，其能力强弱在一定程度上决定植物生长快慢[23]。净光合速率是表示光合作用强弱变化的核心指标之一[24]。WUEi是指苗木速生期内光合作用水分利用效率。

对11个无性系的净光合速率、蒸腾速率和WUEi方差分析结果(表4)显示：无性系间净光合速率和蒸腾速率差异极显著，WUEi差异显著，除LX-6和辽育3号杨外，其余无性系间的WUEi差异不显著。苗木速生期内LX-6的平均净光合速率最高，达到25.04 μmol/(m2·s)，其次是10-01-54，为24.69 μmol/(m2·s)，小青杨的平均光合速率最低，为21.50 μmol/(m2·s)。各无性系在速生期内平均净光合速率排序为LX-6﹥10-01-54﹥辽宁杨﹥10-01-26﹥10-01-73﹥09-01-42﹥DX-08-8﹥09-01-20﹥辽育3号杨﹥DX-08-5﹥小青杨。从水分利用效率看，LX-6、DX-08-8和10-01-54的WUEi最高，分别为3.31 μmol/mmol、3.24 μmol/mmol和3.15 μmol/mmol，辽育3号杨的WUEi最低，为2.83 μmol/mmol。各无性系的WUEi排序为LX-6﹥DX-08-8﹥10-01-54﹥10-01-26﹥10-01-73﹥DX-08-5﹥09-01-42﹥辽宁杨﹥09-01-20﹥小青杨﹥辽育3号杨。

表4 11个无性系净光合速率与水分利用效率

2.4 养分利用效率

对8个杂种无性系和3个亲本无性系的1年生苗叶片氮素含量和枯叶氮素含量进行测定。结果(表5)显示：LX-6、10-01-54和DX-08-8在苗木速生期内叶片氮素含量较高，分别为4.57%、4.56%和4.52%。各无性系叶片氮素含量排序为LX-6﹥10-01-54﹥DX-08-8﹥辽育3号杨﹥10-01-26﹥辽宁杨﹥10-01-73﹥DX-08-5﹥09-01-42﹥小青杨﹥09-01-20。养分转移能提高植物体内养分的利用效率[25]，各无性系氮素转移率排序为DX-08-8﹥LX-6﹥10-01-54﹥10-01-26﹥DX-08-5﹥10-01-73﹥09-01-42﹥辽宁杨﹥辽育3号杨﹥小青杨﹥09-01-20。方差分析结果显示，11个无性系叶片N含量、枯叶N含量和N转移率均达到极显著差异，在N转移率方面，DX-08-8、LX-6和10-01-54之间无显著差异，DX-08-5、09-01-42和10-01-73之间无显著差异，辽育3号杨、辽宁杨和小青杨之间无显著差异。

表5 11个无性系养分利用效率

2.5 杂交子代生长量、光合产量、水分利用、养分利用指标的相关性

以在相同立地条件下生长的美洲黑杨与小青杨杂交子代8个无性系的生长指标(株高、地径)、成叶速率、叶面积、总叶面积、净光合速率、WUEi、速生期叶片N素含量和N素转移率进行相关性分析。结果(表6)显示：成叶速率、总叶面积、N素转移率与株高呈极显著正相关，相关系数分别为0.929 1、0.895 3和0.872 8；地径、WUEi、叶片N素含量与株高呈显著正相关，相关系数分别为0.808 8、0.816 5和0.771 3；其它指标与株高呈不显著正相关。成叶速率、总叶面积、N素转移率与地径呈极显著正相关，相关系数分别为0.858 6、0.952 9和0.846 2；叶面积、叶片N素含量与地径呈显著正相关，相关系数分别为0.827 4和0.802 2；其它指标与地径呈不显著正相关。在本研究的7项指标中，成叶速率、总叶面积、N素转移率与株高和地径均达到极显著关系，相关系数较大，说明这3项指标对苗木生长量影响较大。

表6 8个杂交子代生长量、光合、水分、养分利用性状相关性分析

2.6 杂交子代生长、叶片性状、水分利用、养分利用指标的综合评价

根据杂交子代生长量、叶片相关指标、光合速率、水分利用、养分利用指标的相关性分析结果，选取生长指标(株高、地径)、成叶速率、总叶面积、WUEi、叶片N素含量和N素转移率为性状指标，对8个杂交子代无性系进行综合评价。结果(表7)表明：除总叶面积外，其它6项性状指标评价下，LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26排名均在前4位。这4个无性系不仅在光合产量、水分利用效率、养分利用效率方面表现优异，而且兼具生长优势。

表7 8个杂交子代生长、叶片性状、水分利用效率、养分利用效率的综合排名

3 讨论与结论

速生性一直是杨树育种过程中第一要考虑的要素[20]，杨树苗木的年生长量也是衡量苗木质量的重要指标之一[26]。本试验的8个杨树杂种无性系中，LX-6、DX-08-8、10-01-54和10-01-26的株高和地径生长量均排在前4位，说明这4个无性系较好的遗传了母本美洲黑杨速生的特性，且超亲优势明显，是较为理想的高产型候选优良无性系。研究表明，同一杂交组合不同无性系间存在较大的遗传变异[27]，本研究中，参试的无性系株高和地径生长量方差分析达极显著水平，说明杂交子代和亲本无性系间生长量存在较为丰富的遗传变异，这对优良无性系的筛选非常有利。

叶片相关指标是杨树利用光能的基础，对杨树生长的快慢起关键作用。成叶速率表征叶片生长的快慢[28]。总叶面积是植物进行光合作用的空间范围，对光合作用能力有着直接影响，叶面积大对植物进行光合作用有利，是林木遗传改良早期选择的重要内容[29]。本试验结果显示：8个杂种无性系成叶速率排在前4位的为LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，总叶面积排在前4位的为DX-08-8、10-01-54、10-01-26和10-01-73。在本研究中，成叶速率与株高和地径均呈极显著正相关，丁昌俊等[20]研究表明，成叶速率与胸径呈极显著正相关，而与株高相关性不显著，本研究结果与其有所不同。总叶面积对株高和地径均有显著影响，这与前人研究结果一致[20，30-31]。因此，成叶速率和总叶面积可作为美洲黑杨与小青杨杂种无性系高产高光效评选的重要参考指标。

水分利用效率和养分利用效率是植物利用水肥能力的关键和潜力[32]。植物水分利用效率是光合作用和蒸腾作用的综合反映。本研究中，8个杂种无性系速生期内光合作用水分利用效率(WUEi)排在前4位的为LX-6、DX-08-8、10-01-54和10-01-26。WUEi与株高呈显著正相关关系，与地径相关性不够显著。氮素是影响杨树生长的最重要营养因素[33]，本试验结果显示，8个杂种无性系速生期内叶片氮素含量排在前4位的为LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，氮素转移率排在前4位的为DX-08-8、LX-6、10-01-54和10-01-26。速生期内叶片氮素含量与株高和地径呈显著正相关，而氮素转移率与株高和地径呈极显著正相关关系，氮素转移率比速生期内叶片氮素含量更能反映美洲黑杨与小青杨杂种无性系对氮素的吸收能力和利用效率，这与丁昌俊[20]等的研究结果相一致，二者均可作为美洲黑杨与小青杨杂种无性系高产高养分利用效率早期评选的重要参考指标。

综上所述，通过对8个美洲黑杨与小青杨杂种无性系的生长性状、叶片相关指标、光合能力、水分和养分利用效率的综合评价，最终筛选出LX-6、10-01-54、DX-08-8和10-01-26，这4个无性系在生长、光合产量、水分和养分利用效率方面表现优秀，为后续高产、高水分利用效率、高养分利用效率型新种质的筛选提供有效资源，可经过区域试验测定后作为新品系推广应用于生产。