楊樹抗寒性研究進展

王劍峰

(國有黑山縣機械林場，遼寧黑山 121400)

楊樹(Populusspp.)是世界上分布最廣、適應性最強的樹種。楊樹分為黑楊派、白楊派、青楊派、大葉楊派和胡楊派。我國楊樹資源豐富，5大派在我國均有分布，從新疆到東部沿海，北起黑龍江、內蒙古南到長江流域共53種，特有種35種[1]。楊樹用途廣泛，是建立速生豐產林的主要樹種，是調節水分、防風固沙、減少水土流失的理想樹種。但是，在我國北方地區，隨著林業科技成果的廣泛應用，楊樹新品種的大力推廣，樹木在生長過程中經常會遇到低溫脅迫，尤其是在晚秋和早春時期，氣溫的驟然下降和凍融循環會對樹木產生極大傷害。因此，研究楊樹抗寒性機制，選育不同抗寒能力的楊樹品種，以解決我國北方不同地區楊樹生產上缺乏速生、抗逆性又強的更新換代品種的問題，對楊樹速生豐產林的發展具有重要意義。

1 抗寒生理生化機制

低溫傷害是楊樹生長發育過程中的一個主要限制因素，嚴重影響植株生長甚至造成植株死亡，是較為常見的自然災害。20世紀以來，人們逐漸認識到細胞內結冰、生物膜系統機構破壞是低溫引起植物受害的原因。植物遭受低溫傷害時，生物膜發生膜脂的物相變化，膜脂從液晶相變成凝膠相，膜上產生龜裂，膜透性增大，細胞生理代謝功能紊亂[2]。膜脂中的類脂和脂肪酸成分明顯影響著膜脂的相變溫度，增加膜脂中不飽和脂肪酸的含量能降低膜脂的相變溫度，因此，不飽和脂肪酸的含量與植物抗寒性有關[3]，植物可提高不飽和脂肪酸的含量和比例來提高抗寒性[4-6]。植物細胞內自由水、束縛水含量也會影響植物抗寒性，植物在遭受低溫脅迫時，會降低組織細胞內的含水量，以提高抗寒性[7]。在低溫逆境下，植物體內常常積累大量滲透調節物質，包括甜菜堿、脯氨酸和可溶性糖等來提高細胞滲透勢，降低細胞水勢，減少水分流失，以提高植物抗寒性[8-10]。研究證實，植物體內存在酶保護系統，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)等以清除低溫脅迫時植物體內過剩的O2[11]。楊樹的抗寒性受多種因素影響，抗寒生理過程錯綜復雜，楊成超研究認為，低溫并非楊樹越冬死亡的充分條件，負積溫與楊樹越冬死亡無明確因果關系，凍融循環比持續低溫對楊樹造成的傷害更大，同時提出楊樹越冬死亡相關的抗凍度、有效凍融和抗凍融度3個概念及有效凍融傷害累積效應假說[12]。

2 抗寒性綜合評價

楊樹是一個比較抗寒的樹種，但隨著林業科技成果的廣泛應用，楊樹新品種的抗寒能力在實際栽培種存在較大差異，對各種環境的適應性表現極為不同。鄭強卿等測定楊樹8個抗寒指標，采用模糊數學隸屬函數值法對不同品種抗寒性進行綜合評價，得出銀×新抗寒性較強[13]。李曉宇等采用11個楊樹無性系的1年生枝條為試驗材料，以4次凍融處理后(-40 ℃放置24 h然后轉入20 ℃放置24 h)的枝條萌芽率為抗寒性的衡量指標，從生理生化物質、物理性狀、生長性狀、物候期等方面進行研究，篩選出與抗寒性極顯著或顯著相關的5個指標進行綜合評價，得出11個品種抗寒性的順序為小黑楊>小美旱>中綏12>小葉楊>3016楊>108楊>沙蘭楊>遼育3>97楊>中遼1號>L35，并將其抗寒性劃分為4類[14]。史清華等采用電導法和原子吸收分光光度法，分別測定了5個楊樹無性系一年生休眠苗不同低溫處理后的電導率及K+滲出率，測算出各無性系組織半致死溫度在-25 ℃～-32 ℃，并對各無性系抗寒性進行了綜合評定，結果表明，無性系間抗寒性差異較大，5個無性系抗寒性排序是：57×新>84K>意101楊、新疆楊>毛白楊30號[15]。楊志巖等采用模擬自然界冬季溫度變化的某些特征，用不同的低溫和變溫條件對不同楊樹品種1年生休眠苗木和離體材料進行脅迫，認為持續的低溫對不同楊樹具有一定的傷害，但高溫和低溫的變溫對不同楊樹傷害更大，而且變化幅度越劇烈，造成傷害越嚴重；試驗得出馬氏楊、小葉楊、小黑楊、遼胡楊、小美旱楊、青山楊抗寒性較好，中綏12楊、遼寧楊、荷蘭3016楊、沙蘭楊抗寒性中等，歐美108楊、丹紅楊抗寒性最差，與生產應用結果基本一致[16]。楊素平采用自然越冬凍害調查及電導率測定法對黑龍江主要速生楊樹品種抗凍性進行評價，認為A5、A100、小黑楊和荷蘭3930具有一定的抗寒能力[17]。陳奕吟等以胡楊愈傷組織作為材料，檢測了胡楊愈傷組織在低溫鍛煉過程中抗寒性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量以及SOD、CAT、POD活性的變化，結果顯示低溫鍛煉(2 ℃)不僅提高了胡楊愈傷組織的抗寒性及脯氨酸、可溶性蛋白的含量，且增強了SOD、CAT等抗氧化酶的活性[18]。余觀夏等利用差熱分析法(DTA法)、核磁共振法(NMR法)和順磁共振法(ESR法)分別獲得楊樹無性系I-69楊和I-45楊體內過冷水相變時的溫度圖譜，并對圖譜進行了分析，認為3種方法測定植物的過冷溫度中，NMR法所測得的較準確；I-45楊的抗寒性優于I-69楊，I-69楊的過冷溫度是-14 ℃左右，I-45楊的過冷溫度是-20 ℃左右[19]。李晶等對當地試驗林內表現較好的8個無性系進行低溫冷凍和生長恢復試驗，得出8個無性系抗寒能力順序為A5-10(美黑×甜楊)>98-68-200(美黑×小葉)>2111(DN113×小黑)>黑青楊(中荷64×大青楊)>031950(歐黑×小黑)>030703(歐黑×青山楊)>小黑楊(小葉×歐黑)>10(歐美楊)[20]。吳飛等以銀×新、北美速生楊1號、抗蟲楊、抗鹽堿楊4種楊樹一年生扦插苗為試驗材料，探討不同楊樹品種抗寒生理、生化指標的變化及與抗寒性的關系，結果表明，不同品種楊樹的抗寒生理指標表現出明顯差異，各楊樹品種的抗寒性差異顯著[21]。

3 抗寒良種選育

抗寒育種是減少楊樹凍害發生的根本途徑，長期以來，我國育種專家已經選育出很多抗寒性較強的楊樹新品種，為減少楊樹凍害損失起到重要作用。通過正確的選擇雜交親本和雜交方式，選育出既抗寒又速生的楊樹新無性系是可能的[22]，采用人工雜交進行基因重組仍然是當前楊樹抗寒育種的主要手段。

我國早期從楊樹天然雜交種中先后選育出赤峰楊(17號、34號、36號)、白城楊、麻皮二白楊、山海關楊和錦縣小鉆楊等，這些品種具有速生、抗寒、耐旱等特性。近年來，吳祥云等從阜新蒙古族自治縣化石戈鄉歐洲黑楊與當地鄉土樹種天然雜交種中選育出速生耐寒的化石戈楊[23]。沈陽新民機械化林場從黑楊派與青楊派的天然雜交種中選育出新林1號楊，具有速生、抗寒、易繁殖等特點[24]。

自1946年葉培忠首次開展楊樹雜交試驗以來，許多林木育種工作者針對我國東北、華北及西北北部高寒地區的生態環境，開展了楊樹抗寒雜交育種工作，培育出許多速生耐寒優良品種，其中以青楊派和黑楊派的抗寒雜交育種居多，雜交方式有單交、三交和多交。徐緯英以青楊為母本、鉆天楊為父本，選育出北京楊3號、0567號和8000號[25]。鹿學程以赤峰楊為母本，美楊、加拿大楊、青楊為父本，進行多父本授粉，選育出昭林6號楊，成為內蒙古地區主要的栽培品種[26]。符毓秦等通過人工雜交選育出陜林1號(大關楊×鉆天楊)、陜林2號(日本白楊×北京楊)、陜林3號(I-69楊×美洲黑楊)和陜林4號(I-69楊×青楊)[27-28]。劉培林等選育出黑林1號(小黑×波)、黑林2號(小黑×黑小)、黑林3號(青黑×黑)[29]。董雁等以遼河楊×鞍雜楊、遼河楊×荷蘭3930、遼寧楊×D189楊為雜交組合，選育出抗寒速生楊樹新品種遼育1號、2號、3號，成為當地主要推廣品種[30-31]。王慶斌等1983年從中國林科院引進的美黑×青楊雜種無性系，經過20年試驗研究，選育出抗寒速生楊樹新品種中牡1號楊[32]。近年來，關于楊樹抗寒方面的雜交試驗有： I-101×84K[33]、美洲黑楊×大青楊[34]、美洲黑楊×青楊[35]、銀白楊×毛白楊[36]、歐美楊107×大青楊[37]。

4 基因工程育種

人工雜交育種存在育種周期長，難于突破遠緣雜交障礙等問題，且受環境條件、季節、地域等因素影響。基因工程技術是在DNA分子水平上直接引入目的基因，然后經過篩選與鑒定，達到改良目的，而且可以打破種間界限，縮短育種周期，使常規育種技術難以解決的一些問題可能得到解決。李春霞從胡蘿卜中克隆出抗凍蛋白(AFP)，并將其導入山楊，獲得4株卡那霉素抗性苗，經PCR檢測分析，其中1株呈陽性，表明AFP基因已成功轉入山楊基因組中[38]。馮連榮等以美洲黑楊D189和遼寧楊為雜交親本，利用花粉管通道法，將攜帶山葡萄CBF3(VaCBF3)基因的質粒導入楊樹中，共獲得了52株轉化后代，經PCR檢測，有5株擴增出目的條帶，初步推斷目的基因已導入到楊樹中[39]。趙鑫聞利用花粉管通道技術將銀白楊總DNA導入遼寧楊×N001，發現4株明顯具有供體銀白楊的表型特征，AFLP分子鑒定表明，4株變異植株均為外源銀白楊DNA的陽性轉化植株[40]。目前楊樹抗寒基因工程育種雖然已成功導入一些抗性基因，但多為單一的功能基因，楊樹的抗寒性是受多基因控制的，通過導入這些功能基因在提高楊樹抗寒性方面可能還不夠理想。

5 小結

低溫脅迫引起的植物抗寒性反應是一個非常復雜的生理生化過程，關于楊樹抗寒性的研究中，根據楊樹越冬傷害原理，室內模擬越冬傷害過程，從生理、生化方面對楊樹品種抗寒性進行綜合分析評價作為當前研究的主要方面，也是比較科學的。從生理生化綜合評價出發，以此為依據進行雜交親本選配進而人工雜交，培育具有抗寒等優良特性的楊樹新品種，或抗寒引種試驗應該為當前乃至以后研究的主要內容，具有很強的實際指導意義。我國在楊樹抗寒常規雜交育種取得了很大的成就，選育的抗寒速生良種在林業生產中發揮了巨大作用。基因工程育種具有育種周期短、目的性強等特點，是常規育種無法比擬的。因此，兩種育種方法各有所長，在楊樹抗寒遺傳改良研究中，將生物技術育種與傳統雜交育種有機結合起來，不斷改良現有的優良品種，也是研究的主要方向。