采用有性杂交方式, 选择对干旱寒冷具有较强适应能力的白杨派树种和杂种, 与毛白杨杂交, 培育抗旱速生新品种, 是充分发挥毛白杨生产潜力, 提高其抗旱和抗寒能力, 扩大适生范围的有效途径。经过多年的杂交试验和杂种选择、测定, 证明用毛白杨(Populus tomehtosa)、新疆杨(P.bolleana)、银白杨(P.alba)和欧洲山杨(P.tremula)进行双杂交, 杂种后代变异大、遗传基础广, 有希望能够选育出综合各个亲本优良特性的抗旱、抗寒、速生新品种。目前, 经过初选的双交无性系已在宁夏、内蒙古、黑龙江等地进行区域试验, 均不同程度表现出抗旱、速生等特性, 对这些无性系抗旱性的鉴定方法及抗旱无性系的准确筛选, 是抗旱品种选育中必须解决的问题。因此, 本项研究是在对初选的杂种无性系的抗旱性生理基础进行研究, 比较各无性系在干旱条件下生理和生长差异的基础上, 建立抗旱性筛选的指标体系, 对无性系抗旱能力进行准确鉴定, 为毛白杨抗旱品种选育提供理论依据和方法, 以期能够在区域实验的基础上, 最终培育出抗旱、速生、适应性广的新品种, 同时为其他相关研究提供借鉴。

1 材料与方法

选用35个白杨双杂交杂种新无性系为主要试验材料, 杂交组合为(毛白杨×新疆杨) × (银白杨×欧洲山杨), 另有2个为毛白杨×新疆杨单杂交无性系(MX1和MX2)。这些无性系均经过初选, 具有较明显的杂种优势。以毛白杨和新疆杨为对照。参试的无性系按3种方法培养, 用于各种指标测定。

1.1 田间栽植

将参试各无性系1 a生苗木截干, 3月下旬栽于条件一致的苗圃地中。苗圃地土壤为轻壤土, 肥力中等, 栽后苗木正常管理。这部分试验材料用于测定正常供水条件下生理指标的日变化、水分参数的季节变化、叶片失水率、叶解剖构造等。

1.2 盆栽Ⅰ

将各无性系嫩枝于4月下旬扦插于塑料盆中, 苗木生根后每盆保留2株苗木, 7月上旬, 苗高达到40~60 cm时, 试验开始。这部分试验材料用于测定土壤自然干旱胁迫条件下, 无性系各生理指标及水分参数的变化。试验开始时, 苗木充足灌水5 d, 以后不再供应水分, 使其自然干燥, 每隔1~2 d测定土壤含水量并进行指标测定。

1.3 盆栽Ⅱ

将无性系嫩枝扦插小苗于3月下旬栽于塑料盆中, 塑料盆及土壤条件与盆栽Ⅰ相同。各无性系苗木大小和质量尽可能保持一致, 栽后将苗木平茬, 在充足水分条件下培养, 5月下旬苗高达30 cm左右时, 试验开始。这部分试验材料用于测定人工控水干旱处理条件下无性系生理和生长指标的测定。将10个无性系在4个供水处理条件下培养。每个无性系每个处理重复3盆, 每个供水处理按完全随机区组排列。4个水分处理盆中土壤含水量分别为田间持水量的100%、80%、60%和40%。试验开始后, 每天18:00称取盆重, 补充当天失去的水分, 使各处理保持设定的含水量。控水30 d后测定各项生长及生理指标。

1.4 指标测定

叶片解剖构造采用石蜡切片法测定, 叶片失水率采用万分之一电子天平称重法测定, 离体叶片质膜透性采用DDS-11A型电导仪测定, 叶水势及P-V曲线应用压力室法测定, 净光合速率等采用ADC-LA3便携式CO₂分析仪测定, 生物量测定采用烘干称重法。具体测定方法参见文献(杨敏生等1996;1997a;1997b;1997c;1997d;1997e;1999;Yang, 1996)。

每个无性系各指标综合评判主要采用模糊数学隶属函数计算公式进行定量转换后, 再将各指标隶属函数值取平均, 进行无性系比较。隶属函数公式为:

式中, U (X_i)为隶属函数值; X_i为无性系某指标测定值; X_min、X_max为所有参试无性系中某一指标内的最小值和最大值。

如果某一指标与综合评判结果为负相关, 则用反隶属函数进行定量转换。计算公式为:

2 无性系抗旱能力综合鉴定指标体系

植物的抗旱性是受许多形态、解剖和生理生化特性控制的复合遗传性状。植物通过多种途径来抵御或忍耐干旱胁迫的影响, 单一的抗旱性鉴定指标, 难以反映出植物对干旱适应的综合能力。因此, 只有采用多项指标的综合评价, 才能比较准确地反映植物的抗旱水平。根据Levitt (1980)和Turner (1983)对植物抗旱机理的分类思想及白杨无性系抗旱育种的实际需要, 我们建立了鉴定白杨杂种无性系抗旱性的指标体系, 见表 1。鉴定指标体系主要从植物对干旱的适应性和抗旱生产力两方面考虑。对干旱的适应性包括避旱能力和忍耐干旱能力。可以看出, 这一指标体系基本上概括了树木对干旱的适应性和抗旱生产力的主要方面, 用它来评判无性系的抗旱能力, 能够得到比较客观的结果。为了便于综合评价, 对各项指标均采用模糊数学隶属函数或反隶属函数公式将各指标函数值化。将各指标隶属函数值取平均, 得到综合评判结果。现将各指标计算方法简述如下。

2.1 适应性指标

保水力:由叶解剖构造、失水率和细胞质膜透性3项指标综合评价结果表示(杨敏生等, 1996; 1997a)。蒸腾速率:由40%供水处理与100%供水处理下各无性系的蒸腾速率比值得到。一般认为, 在水分胁迫条件下, 树木蒸腾速率迅速下降, 有利于减少水分丧失, 维持体内水分平衡。因此, 采用反隶属函数公式计算隶属函数值(杨敏生, 1999)。茎/根比:由40%供水处理下各无性系茎/根生物量比值与100%供水处理的茎/根比相比, 计算反隶属函数值(Yang, 1996)。渗透调节及保持膨压:由叶片充分膨胀和膨压为0时的渗透势(Ψ_π¹⁰⁰、Ψ_π⁰)、膨压为0时的相对含水量和相对渗透含水量(RWC°、ROWC°)、细胞最大弹性模量(ε_max)、膨压与水势直线方程中的b值6项水分参数在不同叶水势下综合评判结果表示。本项指标只测定了6个无性系(杨敏生等, 1997b)。耐干化能力:由无性系离体叶片细胞质膜透性综合评判结果表示(杨敏生, 1996; 1997a)。

2.2 抗旱生产力指标

包括净光合速率、水分利用效率、单片叶面积、单株叶片数、苗高和生物量指标, 分别以各指标在60%供水处理和40%供水处理得到的平均值与100%处理相比, 并计算隶属函数值(Yang, 1996)。根据表 1指标体系可对各无性系抗旱性作出综合评价。

2.3 无性系对干旱的适应能力

各无性系对干旱适应能力的综合评判结果列于表 2。表 2结果表明, 无性系间对干旱的适应能力不同, 且不同无性系表现出不同抗旱特征。B430、新疆杨抗旱能力最强, 但这两个无性系抗旱途径却有较大差异, B430在保水能力、吸水能力、渗透调节能力及耐干化能力上均表现较好。新疆杨主要在耐干化能力和吸水能力上表现较好。2个亲本新疆杨和毛白杨在供试无性系中排在第2位和第8位。其它8个无性系, 除了B430适应性较高外, 均略低于新疆杨, 大部分介于新疆杨和毛白杨之间, 这一结果符合杂交育种一般规律。

2.4 抗旱生产力

抗旱生产力是抗旱育种中最为关键的问题。由于植物对干旱胁迫的适应能力不同, 在不同干旱条件下表现出的生产力也不同, 因此, 我们在中度水分胁迫和严重水分胁迫条件下, 分别对无性系的抗旱生产力进行综合评价, 以期能更加客观地反映无性系的抗旱生产潜力。表 3为各无性系在60%供水处理和40%供水处理时的抗旱生产力评判结果。由表 3可见, 各无性系在中度胁迫和严重胁迫下, 抗旱生产力有所不同。土壤水量由60%降至40%, 随着水分胁迫的加强, 抗旱生产力变化最大的无性系是新疆杨和B429。新疆杨由第10位提高到第4位, 而B429则由第2位降至第7位。

根据无性系对干旱的适应性和抗旱生产力评判结果, 可对各无性系的抗旱能力作出综合评价。由表 1、表 2和表 3可见, B430、B432在适应性和抗旱生产力方面均表现较好, 表明其抗旱生产能力较强。B431抗旱生产力最高, 但适应性较差, 排在第9位, 分析其原因主要是由于该无性系特别不适合在水湿条件下生长, 在100%供水处理下, 苗木生长极弱, 而在水分胁迫下其生长与其它无性系无差异, 从而导致胁迫下生长量与非胁迫时生长量比值偏高。新疆杨对干旱的适应性和严重胁迫时抗旱生产力均比较高, 但在中度水分胁迫时, 抗旱生产力没有优势, 排在最后。另外6个无性系则在各方面均表现一般。

正如前述, 抗旱性是由多个抗旱特征共同反映的, 上述指标体系从不同角度反映了无性系抗旱能力, 在实际育种和推广工作中, 应根据育种目标的不同, 有所侧重。如果所育的品种是应用于干旱较轻的地区或灌溉条件较好的地区, 则应主要根据中度水分胁迫下的抗旱生产力选择品种。如培育的品种应用于干旱地区或灌溉条件较差地区, 选择的指标应主要根据严重胁迫时的抗旱生产力、同时应考虑对干旱的适应能力。如培育的品种应用于立地条件比较恶劣, 造林难以成功的地区, 则树木对土壤干旱胁迫的适应能力应该成为主要的选种标准。

3 抗旱性鉴定指标分析

虽然应用上述指标体系鉴定无性系的抗旱性具有较高的客观性和科学性, 但这些评定指标有许多测定方法比较复杂, 在实际应用中具有一定的局限性, 难以在大量育种材料抗旱性筛选中的应用。因此, 在这一指标体系的基础上, 研究各指标之间的相互关系, 对各指标的代表性进行分析, 筛选具有代表性和测定方法比较简单的指标, 用于抗旱品种筛选, 具有重要意义。表 4为鉴定无性系对干旱适应性的5个指标之间的相关分析。

表 4分析结果表明, 上述5项指标间均未达到显著相关水平, 说明各指标之间是相互独立的。这5项指标中, 只有原生质膜透性与综合评判结果表现出显著正相关, 其它指标均未达到显著相关水平, 但均表现出正向相关的趋势。

用于评判无性系抗旱生产力的各项指标, 由于其所代表的意义基本相同, 指标间均表现出正的显著相关或弱相关关系, 特别是苗高、生物量、单片叶面积和叶片数之间, 均达到了显著或极显著正相关(表 5)。说明各指标均能较好地反映无性系抗旱生产力的差别。

根据我们的研究结果和选择指标的原则, 对所测定的指标进行了综合评价, 见表 6。形态指标测定方法比较简单直观, 但根据我们的观测, 这些指标一般变异都比较小, 对水分亏缺的反映也不甚敏感, 直接应用于抗旱选种有一定的风险。如叶背毛指标, 对于叶片保水能力有较重要的作用, 但我们观测的35个杂种无性系中, 除了亲本毛白杨和个别无性系叶背毛较少外, 其它无性系均比较接近, 难以测定出差别, 因此, 这些指标仅可作为参考指标应用。选择合适的生理指标能够较好地反映植物的抗旱特性。但生理指标的测定需要一定的设备和控制特定的条件, 因而限制了它们的广泛应用, 同时对鉴定大量育种材料, 存在着可比性问题。先进的设备和严格的试验条件能够提高指标的可信度和进行大量育种资源的鉴定。我们在试验中测定的生理指标, 一般对水分亏缺反映都比较敏感(杨敏生等, 1999; 1997c), 大部分指标可在鉴定中应用。但生理指标与生长指标相比, 遗传变异一般都比较小(杨敏生等, 1997c)。通过在干旱胁迫下直接研究树木生长和产量等指标的受害程度, 进而对无性系抗旱能力作出判断是应用最广泛的最直接的鉴定方法, 能取得较好效果。生长指标一般对水分比较敏感, 遗传变异较大, 选择的余地较大(Yang, 1996; 杨敏生, 1997c), 可在抗旱性鉴定中应用, 特别是在抗旱品种选育中, 用于鉴定育种材料抗旱生产力时, 效果较好。但值得注意的是, 树木是多年生植物, 用苗期进行抗旱生产力鉴定时, 应采用相对指标。同时, 苗期的抗旱性能够在多大程度上反映成年树木的抗旱能力, 还有待进一步研究。在我们测定的生长指标中, 生物量和根系指标测定工作比较困难, 在应用上受到一定限制。

根据指标的代表性和测定难易程度, 我们选出了叶片失水率, 渗透调节能力、蒸滕速率、净光合速率、苗高和单片叶面积为鉴定指标, 用于无性系对干旱适应性和抗旱生产力的综合鉴定指标。这6项指标, 代表了避旱性、耐旱性和抗旱生产力3方面的意义。用这6项指标对另外20个白杨双交杂种无性系进行了抗旱性鉴定, 取得了较好结果(杨敏生, 1997d)。