楊樹(shù)抗寒性研究進(jìn)展

王劍峰

(國(guó)有黑山縣機(jī)械林場(chǎng)，遼寧黑山 121400)

楊樹(shù)(Populusspp.)是世界上分布最廣、適應(yīng)性最強(qiáng)的樹(shù)種。楊樹(shù)分為黑楊派、白楊派、青楊派、大葉楊派和胡楊派。我國(guó)楊樹(shù)資源豐富，5大派在我國(guó)均有分布，從新疆到東部沿海，北起黑龍江、內(nèi)蒙古南到長(zhǎng)江流域共53種，特有種35種[1]。楊樹(shù)用途廣泛，是建立速生豐產(chǎn)林的主要樹(shù)種，是調(diào)節(jié)水分、防風(fēng)固沙、減少水土流失的理想樹(shù)種。但是，在我國(guó)北方地區(qū)，隨著林業(yè)科技成果的廣泛應(yīng)用，楊樹(shù)新品種的大力推廣，樹(shù)木在生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到低溫脅迫，尤其是在晚秋和早春時(shí)期，氣溫的驟然下降和凍融循環(huán)會(huì)對(duì)樹(shù)木產(chǎn)生極大傷害。因此，研究楊樹(shù)抗寒性機(jī)制，選育不同抗寒能力的楊樹(shù)品種，以解決我國(guó)北方不同地區(qū)楊樹(shù)生產(chǎn)上缺乏速生、抗逆性又強(qiáng)的更新?lián)Q代品種的問(wèn)題，對(duì)楊樹(shù)速生豐產(chǎn)林的發(fā)展具有重要意義。

1 抗寒生理生化機(jī)制

低溫傷害是楊樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的一個(gè)主要限制因素，嚴(yán)重影響植株生長(zhǎng)甚至造成植株死亡，是較為常見(jiàn)的自然災(zāi)害。20世紀(jì)以來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到細(xì)胞內(nèi)結(jié)冰、生物膜系統(tǒng)機(jī)構(gòu)破壞是低溫引起植物受害的原因。植物遭受低溫傷害時(shí)，生物膜發(fā)生膜脂的物相變化，膜脂從液晶相變成凝膠相，膜上產(chǎn)生龜裂，膜透性增大，細(xì)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(guān)[3]，植物可提高不飽和脂肪酸的含量和比例來(lái)提高抗寒性[4-6]。植物細(xì)胞內(nèi)自由水、束縛水含量也會(huì)影響植物抗寒性，植物在遭受低溫脅迫時(shí)，會(huì)降低組織細(xì)胞內(nèi)的含水量，以提高抗寒性[7]。在低溫逆境下，植物體內(nèi)常常積累大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，包括甜菜堿、脯氨酸和可溶性糖等來(lái)提高細(xì)胞滲透勢(shì)，降低細(xì)胞水勢(shì)，減少水分流失，以提高植物抗寒性[8-10]。研究證實(shí)，植物體內(nèi)存在酶保護(hù)系統(tǒng)，包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)等以清除低溫脅迫時(shí)植物體內(nèi)過(guò)剩的O2[11]。楊樹(shù)的抗寒性受多種因素影響，抗寒生理過(guò)程錯(cuò)綜復(fù)雜，楊成超研究認(rèn)為，低溫并非楊樹(shù)越冬死亡的充分條件，負(fù)積溫與楊樹(shù)越冬死亡無(wú)明確因果關(guān)系，凍融循環(huán)比持續(xù)低溫對(duì)楊樹(shù)造成的傷害更大，同時(shí)提出楊樹(shù)越冬死亡相關(guān)的抗凍度、有效凍融和抗凍融度3個(gè)概念及有效凍融傷害累積效應(yīng)假說(shuō)[12]。

2 抗寒性綜合評(píng)價(jià)

楊樹(shù)是一個(gè)比較抗寒的樹(shù)種，但隨著林業(yè)科技成果的廣泛應(yīng)用，楊樹(shù)新品種的抗寒能力在實(shí)際栽培種存在較大差異，對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)性表現(xiàn)極為不同。鄭強(qiáng)卿等測(cè)定楊樹(shù)8個(gè)抗寒指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法對(duì)不同品種抗寒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出銀×新抗寒性較強(qiáng)[13]。李曉宇等采用11個(gè)楊樹(shù)無(wú)性系的1年生枝條為試驗(yàn)材料，以4次凍融處理后(-40 ℃放置24 h然后轉(zhuǎn)入20 ℃放置24 h)的枝條萌芽率為抗寒性的衡量指標(biāo)，從生理生化物質(zhì)、物理性狀、生長(zhǎng)性狀、物候期等方面進(jìn)行研究，篩選出與抗寒性極顯著或顯著相關(guān)的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出11個(gè)品種抗寒性的順序?yàn)樾『跅?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(hào)>L35，并將其抗寒性劃分為4類[14]。史清華等采用電導(dǎo)法和原子吸收分光光度法，分別測(cè)定了5個(gè)楊樹(shù)無(wú)性系一年生休眠苗不同低溫處理后的電導(dǎo)率及K+滲出率，測(cè)算出各無(wú)性系組織半致死溫度在-25 ℃～-32 ℃，并對(duì)各無(wú)性系抗寒性進(jìn)行了綜合評(píng)定，結(jié)果表明，無(wú)性系間抗寒性差異較大，5個(gè)無(wú)性系抗寒性排序是：57×新>84K>意101楊、新疆楊>毛白楊30號(hào)[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(duì)不同楊樹(shù)品種1年生休眠苗木和離體材料進(jìn)行脅迫，認(rèn)為持續(xù)的低溫對(duì)不同楊樹(shù)具有一定的傷害，但高溫和低溫的變溫對(duì)不同楊樹(shù)傷害更大，而且變化幅度越劇烈，造成傷害越嚴(yán)重；試驗(yàn)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(chǎn)應(yīng)用結(jié)果基本一致[16]。楊素平采用自然越冬凍害調(diào)查及電導(dǎo)率測(cè)定法對(duì)黑龍江主要速生楊樹(shù)品種抗凍性進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)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(cè)了胡楊愈傷組織在低溫鍛煉過(guò)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(jié)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(qiáng)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(shù)無(wú)性系I-69楊和I-45楊體內(nèi)過(guò)冷水相變時(shí)的溫度圖譜，并對(duì)圖譜進(jìn)行了分析，認(rèn)為3種方法測(cè)定植物的過(guò)冷溫度中，NMR法所測(cè)得的較準(zhǔn)確；I-45楊的抗寒性優(yōu)于I-69楊，I-69楊的過(guò)冷溫度是-14 ℃左右，I-45楊的過(guò)冷溫度是-20 ℃左右[19]。李晶等對(duì)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)林內(nèi)表現(xiàn)較好的8個(gè)無(wú)性系進(jìn)行低溫冷凍和生長(zhǎng)恢復(fù)試驗(yàn)，得出8個(gè)無(wú)性系抗寒能力順序?yàn)锳5-10(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(hào)、抗蟲楊、抗鹽堿楊4種楊樹(shù)一年生扦插苗為試驗(yàn)材料，探討不同楊樹(shù)品種抗寒生理、生化指標(biāo)的變化及與抗寒性的關(guān)系，結(jié)果表明，不同品種楊樹(shù)的抗寒生理指標(biāo)表現(xiàn)出明顯差異，各楊樹(shù)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(shù)凍害發(fā)生的根本途徑，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)育種專家已經(jīng)選育出很多抗寒性較強(qiáng)的楊樹(shù)新品種，為減少楊樹(shù)凍害損失起到重要作用。通過(guò)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(shù)新無(wú)性系是可能的[22]，采用人工雜交進(jìn)行基因重組仍然是當(dāng)前楊樹(shù)抗寒育種的主要手段。

我國(guó)早期從楊樹(shù)天然雜交種中先后選育出赤峰楊(17號(hào)、34號(hào)、36號(hào))、白城楊、麻皮二白楊、山海關(guān)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(lái)，吳祥云等從阜新蒙古族自治縣化石戈鄉(xiāng)歐洲黑楊與當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土樹(shù)種天然雜交種中選育出速生耐寒的化石戈楊[23]。沈陽(yáng)新民機(jī)械化林場(chǎng)從黑楊派與青楊派的天然雜交種中選育出新林1號(hào)楊，具有速生、抗寒、易繁殖等特點(diǎn)[24]。

自1946年葉培忠首次開(kāi)展楊樹(shù)雜交試驗(yàn)以來(lái)，許多林木育種工作者針對(duì)我國(guó)東北、華北及西北北部高寒地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，開(kāi)展了楊樹(shù)抗寒雜交育種工作，培育出許多速生耐寒優(yōu)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(hào)、0567號(hào)和8000號(hào)[25]。鹿學(xué)程以赤峰楊為母本，美楊、加拿大楊、青楊為父本，進(jìn)行多父本授粉，選育出昭林6號(hào)楊，成為內(nèi)蒙古地區(qū)主要的栽培品種[26]。符毓秦等通過(guò)人工雜交選育出陜林1號(hào)(大關(guān)楊×鉆天楊)、陜林2號(hào)(日本白楊×北京楊)、陜林3號(hào)(I-69楊×美洲黑楊)和陜林4號(hào)(I-69楊×青楊)[27-28]。劉培林等選育出黑林1號(hào)(小黑×波)、黑林2號(hào)(小黑×黑小)、黑林3號(hào)(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(shù)新品種遼育1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，成為當(dāng)?shù)刂饕茝V品種[30-31]。王慶斌等1983年從中國(guó)林科院引進(jìn)的美黑×青楊雜種無(wú)性系，經(jīng)過(guò)20年試驗(yàn)研究，選育出抗寒速生楊樹(shù)新品種中牡1號(hào)楊[32]。近年來(lái)，關(guān)于楊樹(shù)抗寒方面的雜交試驗(yàn)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(zhǎng)，難于突破遠(yuǎn)緣雜交障礙等問(wèn)題，且受環(huán)境條件、季節(jié)、地域等因素影響。基因工程技術(shù)是在DNA分子水平上直接引入目的基因，然后經(jīng)過(guò)篩選與鑒定，達(dá)到改良目的，而且可以打破種間界限，縮短育種周期，使常規(guī)育種技術(shù)難以解決的一些問(wèn)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(dǎo)入山楊，獲得4株卡那霉素抗性苗，經(jīng)PCR檢測(cè)分析，其中1株呈陽(yáng)性，表明AFP基因已成功轉(zhuǎn)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(zhì)粒導(dǎo)入楊樹(shù)中，共獲得了52株轉(zhuǎn)化后代，經(jīng)PCR檢測(cè)，有5株擴(kuò)增出目的條帶，初步推斷目的基因已導(dǎo)入到楊樹(shù)中[39]。趙鑫聞利用花粉管通道技術(shù)將銀白楊總DNA導(dǎo)入遼寧楊×N001，發(fā)現(xiàn)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(yáng)性轉(zhuǎn)化植株[40]。目前楊樹(shù)抗寒基因工程育種雖然已成功導(dǎo)入一些抗性基因，但多為單一的功能基因，楊樹(shù)的抗寒性是受多基因控制的，通過(guò)導(dǎo)入這些功能基因在提高楊樹(shù)抗寒性方面可能還不夠理想。

5 小結(jié)

低溫脅迫引起的植物抗寒性反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的生理生化過(guò)程，關(guān)于楊樹(shù)抗寒性的研究中，根據(jù)楊樹(shù)越冬傷害原理，室內(nèi)模擬越冬傷害過(guò)程，從生理、生化方面對(duì)楊樹(shù)品種抗寒性進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)作為當(dāng)前研究的主要方面，也是比較科學(xué)的。從生理生化綜合評(píng)價(jià)出發(fā)，以此為依據(jù)進(jìn)行雜交親本選配進(jìn)而人工雜交，培育具有抗寒等優(yōu)良特性的楊樹(shù)新品種，或抗寒引種試驗(yàn)應(yīng)該為當(dāng)前乃至以后研究的主要內(nèi)容，具有很強(qiáng)的實(shí)際指導(dǎo)意義。我國(guó)在楊樹(shù)抗寒常規(guī)雜交育種取得了很大的成就，選育的抗寒速生良種在林業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。基因工程育種具有育種周期短、目的性強(qiáng)等特點(diǎn)，是常規(guī)育種無(wú)法比擬的。因此，兩種育種方法各有所長(zhǎng)，在楊樹(shù)抗寒遺傳改良研究中，將生物技術(shù)育種與傳統(tǒng)雜交育種有機(jī)結(jié)合起來(lái)，不斷改良現(xiàn)有的優(yōu)良品種，也是研究的主要方向。