毛白楊雄花發育特征及少粉型種質選擇與成因分析

劉春鵬，張曉華，徐振華，杜克久，李計達，李向軍，李新利

（1.河北省林業和草原科學研究院，河北省林木良種技術創新中心，河北 石家莊 050061；2.武安市林業局，河北 武安 056300；3.河北農業大學 林學院，河北 保定 071000）

毛白楊Populus tomentosa是我國特有的鄉土樹種[1]，具有高大挺拔、速生、材質優良等特點，是我國北方用材、防護、景觀林營建的主要樹種之一。近年來，為了避免毛白楊雌株“飛絮”造成的環境污染，在各種造林工程和林業生產過程中，大多選擇雄株替代雌株。然而，雄株毛白楊卻能產生大量花粉，成為過敏人群的巨大隱患。花粉過敏已成為世界上普遍存在的季節性流行病[2]，而且發病率呈現逐年上升的趨勢，預計將有35%左右的人患花粉癥[3]。在我國，花粉過敏的發病率為0.5%～ 1.0%，高發病區的發病率甚至達5%，患者數量達到幾千萬之多[4-5]。為了避免或減少由于毛白楊種植造成的花粉危害，本研究基于毛白楊優良雄株篩選的基礎上，監測了其花序的發育進程，并對篩選的10 份優良種質的花序形態、產粉量進行了測定，初步篩選出了無花粉或少粉型優良種質；同時，利用顯微技術，從花藥發育及花藥開裂方面，初步探索了毛白楊種質不產粉或少產粉的原因，以期為無花粉或少粉型雄株毛白楊的選育提供技術和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采集于河北省林業和草原科學研究院內。該地地理坐標為114°28′ E，38°08′ N，隸屬于河北省石家莊市新華區，北依滹沱河，西臨太行山。氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季差異分明，降水多集中于夏季，分布不均，年均降水量為552.8 mm。年均氣溫為12.9℃，7 月氣溫最高，最高氣溫為41.5℃，1 月氣溫最低，最低氣溫為－19.3℃，無霜期約200 d。土壤為砂壤土，pH值約為7.5，富含有機質。

選擇健壯、優良的成年毛白楊雄性單株種質（所選種質資源大多為20 世紀70—80 年代于河北省內各地市搜集而來的毛白楊優良種質），以花粉散播量為指標，于2018—2019 年連續2 年對毛白楊1316、84K 楊、新疆楊、窄冠1 號、窄冠3 號、金白楊、1601、1602、1603、LE01、毛白楊雄株1～ 15 號共25 份種質進行了初步篩選，篩選出了9 份花粉散播量相對較少的種質，分別為1601、1602、1603、15 號、5 號、7 號、11 號、14號、LE01（這9 份毛白楊種質為編號）。2020 年，本試驗以這9 份種質資源為試驗材料，毛白楊1316 為對照（CK，該種質于2010 年通過了河北省良種審定，良種編號：S-SC-PT-019-2010，且為河北省范圍內廣泛種植的毛白楊良種，具有一定的代表性和普遍性），開展了相關試驗研究。

1.2 試驗方法

1.2.1 雄花花序發育進程觀察 以毛白楊1316 為觀察對象，利用forsafe H805 定時相機高清4K 延時攝影機，于2020 年2 月10 日至4 月10 日（2019 年6 月花芽開始分化至2020 年4 月試驗結束期間，未出現極寒、極熱等反常氣候），選取毛白楊1316（樹齡為46 年，胸徑為86 cm）樹冠中部花枝上的20 個花序，對其發育情況進行定時監測，設置每24 h 拍照并記錄一次，于花序敗落后取下攝影機，導出照片，并進行觀察和分析，依據花序發育的不同表現特征劃分其物候期。結合室內水培，選取典型花序照片記錄物候期。

1.2.2 花序形狀及散粉情況調查 在花藥成熟未散粉前（2020 年3 月7 日），利用升降梯在各種質的中部按照上、中、下位置分別選取20 個花序，將其中10 個花序取下，在實驗室內測量其長度及中部的直徑；另外10 個花序保留在樹體上，加裝紙袋收集花粉，待其散粉完全后，取下紙袋，收取花粉，稱其鮮質量，105℃烘干后稱其干質量，并計算每個種質的每個花序的花粉鮮質量和干質量的平均值。

1.2.3 花藥發育解剖觀察 2020 年2 月中旬，集中采集各種質的花枝10 個，室內水培，待其花序開始伸長后，每隔12 h 用鑷子摘取花序中的花藥，去除苞片，置于體式顯微鏡下進行觀察，觀察花藥的發育狀態以及開裂情況。

1.3 數據處理

利用Excel 和DPS 數據處理軟件進行作圖和數據分析。

2 結果與分析

2.1 毛白楊1316 雄花序的發育進程

圖1A 至圖1D 為毛白楊1316 雄花序不同發育階段的照片，展現了其不同發育階段的形態特征。表1 統計了毛白楊1316 雄花序不同發育階段的具體時間。如圖1 和表1 所示，毛白楊1316 雄花序從花芽膨大、伸出到花序干枯脫落持續30 d 左右。2 月中旬，花芽開始逐漸膨大，花序軸緩慢伸長，歷時11 d 左右，3 月初，花序開始伸長，花藥由黃綠色漸變為紅色，歷時7 d 左右；3 月上旬末或中旬初，花藥開裂開展、散粉，散粉時間為5 d 左右；3 月中下旬，花藥失水收縮，變為褐色，體積縮小，逐漸干枯，歷時4 d。

圖1 不同時期毛白楊1316 雄花序的發育狀態Figure 1 Inflorescence development of P.tomentosa ‘1316’

表1 毛白楊1316 雄花序發育進程及形態Table 1 Date and description of development of inflorescence in P.tomentosa ‘1316’

2.2 不同種質毛白楊雄花序的形態及散粉情況

對不同種質毛白楊雄花序的長度、直徑以及散粉質量進行測定和統計分析，結果見表2。由表2 可知，就花序形態而言，毛白楊1316、11 號、1603、1601、7 號種質的花序長度較長，LE01、1601、1603、11 號、7 號種質的花序直徑較大，因此，總體而言，11 號、1603、1601、7 號種質的花序體積較大；毛白楊1316、1602、11 號、7 號、1603 種質的花序的長度/直徑值較大，說明其花序的形態發育比較完全，其余種質的花序較為短粗；就散粉量而言，1603、15 號、1602、5 號以及7 號種質的散粉鮮質量和干質量較低，其中，以1603 和15 號種質的最低。

表2 不同種質毛白楊的雄花序形態及散粉質量比較Table 2 Inflorescence morphology and pollen production from different germplasm of P.tomentosa

2.3 不同種質毛白楊雄株的花藥發育進程

如圖2 所示，通過體式顯微鏡觀察發現，無粉或少粉毛白楊單株（1603）的花序在前期正常伸長，發育正常，花藥正常開裂，在中后期發育遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，導致無法正常散粉，而CK 的花序發育正常，花藥正常開裂、散粉。如圖3 所示，除1603、15 號以及11 號3 個種質外，其他種質毛白楊花藥的開裂率均為100%，而1603、15 號以及11 號種質的花藥開裂率未達到100%，說明其有部分花藥不開裂，即有部分花藥不散粉。

圖2 毛白楊雄株不同產粉類型種質花藥發育進程比較Figure 2 Anther development of male P.tomentosa germplasm with different pollen production

圖3 不同種質毛白楊雄株的花藥開裂情況Figure 3 Anther cracking rate of different male P.tomentosa germplasm

3 討論

目前，有關楊樹Populussp.花粉發育的研究較多，許東等[6]對遼寧楊Populus×liaoningensis的雄花序及花粉萌發過程進行了研究，為更好地利用遼寧楊進行良種選育提供依據。郭英超等[7]、劉望舒等[8]以及常童潔等[9]、張文超等[10]分別從花粉敗育的細胞學角度和淀粉、脂類、胼胝質等物質異常分布角度，對楊樹雄株花粉敗育的機理進行了研究。章小玲等[11]研究了不同楊樹種質間花粉萌發和致敏蛋白的差異，為楊樹低致敏新品種選育提供重要的參考。本研究從篩選少花粉型毛白楊雄株種質入手，并對其成因進行了初探，與其他研究角度均有所不同。

生物表型性狀的表現一般是由基因與環境共同作用的結果。康向陽[1]認為毛白楊花粉敗育是由異質性遺傳基礎與環境相互作用所造成的。本研究前期對敗育毛白楊種質進行了廣泛篩選，獲得了5 個少粉型毛白楊種質，尚需進行多年連續觀測，進一步探討其形成原因（遺傳或者環境因素），進而確定其遺傳性狀的穩定性。

本研究結果顯示，毛白楊雄株無粉或少粉的原因，主要在于其花藥在中后期發育遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，而且花藥的開裂率低。這與郭英超等[7]、張媛[12]、劉望舒等[8]的研究結果一致。但本研究所得結論僅是從花藥發育層面闡釋其無花粉或少花粉的原因，更深層次的細胞組織學以及基因組學研究有待進一步研究。

4 結論

本研究顯示，2 月中旬，毛白楊雄株的花序開始膨大、伸長，3 月上中旬，花藥開裂并開始散粉，散粉時間為5 d 左右；毛白楊雄株花序從花芽膨大、伸出到花序干枯脫落持續30 d 左右。就花序形態及散粉情況而言，毛白楊雄株11 號、1603、1601、7 號種質的花序體積較大；1603、15 號、1602、5 號以及7 號種質的花序散粉鮮質量和干質量較低，其中以1603 和15 號種質的最低。就花藥發育進程而言，無粉或少粉毛白楊種質的花藥發育，在中后期出現遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，導致無法正常散粉。此外，花藥開裂率低也是其少花粉的原因之一。