美洲黑杨(Populus deltoides)原产于北美洲密西西比河流域，因其适应性强、生长快、材质好、抗性强等特点，逐渐成为当今世界中纬度地区最重要的短轮伐期工业用材集约经营树种之一(赵凤君等，2005; 江锡兵等，2009)。利用杂交育种技术培育适合我国环境条件的黑杨优良无性系，对我国杨树速生丰产林培育及生态环境建设均有重要意义。

植物的干物质积累主要来自于叶片的光合作用，以提高光合效率为目标的林木杂交育种逐渐受到重视。近年来的研究表明，杨树无性系间、转基因无性系与天无性系间在气体交换特性方面存在显著差异(赵凤君等，2005; 江锡兵等，2009; 苏晓华等，2010; 赵曦阳，2010; 赵燕等，2010; 张守仁等，2004; Zhuang et al., 2007; Marron et al., 2006;Su et al., 2011)。在对欧洲黑杨(P. nigra)的研究中发现: 转基因欧洲黑杨和非转基因欧洲黑杨的净光合速率日变化均为双峰曲线，其中转基因欧洲黑杨的净光合速率与胞间CO₂浓度、气孔导度及蒸腾速率呈极显著正相关(P ＜0.01)(陈明涛等，2011)，赵曦阳等(2011)研究了30 个毛白杨(P.tomentosa)无性系光合指标的变化，发现不同无性系间光补偿点和二氧化碳补偿点存在差异。美洲黑杨与大青杨(P. ussuriensis)杂种无性系苗期的光合特性和规律表现为净光合速率和蒸腾速率日变化均呈不对称的双峰曲线，不同无性系间适应光强的能力存在明显的差异(江锡兵等，2009)。伍维模等(2007)对胡杨(P. euphratica)和灰叶胡杨(P.pruinosa)2 年生幼苗光合作用-光响应特性的研究证明，胡杨表现出更高的光合能力，不过二者之间光补偿点无显著差异，在同样的生长条件下胡杨对有效光辐射、土壤水分的生态适应能力优于灰叶胡杨。这些研究说明杨树无性系间在光合特性方面存在丰富的遗传变异，利用光合生理指标迅速有效的评价和选择优良杨树无性系是可行的。笔者课题组通过杂交育种先后培育出大批黑杨优良无性系(苏晓华等，2010)。从中选择光合效率高、生长速度快的无性系用于生产是迫切需要解决的问题。

虽然关于杨树光合特性的研究较多，但对于重要造林树种美洲黑杨杂交同一组合子代高生长势杂交无性系杂种优势的光合生理基础的研究并不多，有关黑杨杂交无性系早期选优的生理指标的研究则尚未见报道。在生长测定的基础上，本研究选用美洲黑杨中驻杨(P. deltoides cl.‘Zhongzhu’)(母本)和南杨(P. deltoides cl.‘Nan’)(父本)杂交的子1代2 个明显不同生长势无性系为试验材料，同时以父本作为对照，对不同生长势无性系的光合速率日变化、光合-光强(P_n-P_AR)响应特征及光合-CO₂(P_n-C_a)响应特征等进行分析探讨，旨在阐述高生长势无性系生长优于低生长势无性系及父本的光合生理基础，为杂交育种、生产应用和优良无性系的早期评价选择提供必要的理论基础和技术支持。

2008 年选择美洲黑杨中的中驻杨(母本)和南杨(父本)进行杂交育苗，2009年秋根据杂交无性系苗木地径和树高大小区分出高生长势(H)和低生长势(L)的2 个群体，并取穗条埋藏。高生长势无性系选择的标准为: 苗高和地径大于高亲本(母本)，且差异达到极显著; 低生长势无性系选择标准为: 苗高和地径小于低亲本(父本)，且差异达到极显著。从高、低生长势群体中各随机选出1 个无性系作为试验材料，分别编号为H4和L3，同时选择父本F作为对照，试验在中国林业科学研究院现代化温室内进行。2010 年3 月挑选长度为20cm，取穗位置和粗细一致的试验系号插于塑料盆中，深度为完全没入，每盆插1 株，盆高30cm，内径25cm，每个无性系扦插20 盆; 培养土持水量为20.20%，土壤密度为1.274g·cm ^-3。2011 年7 月中旬-8 月中旬进行测量，采集试验数据。

采用美国Li-COR公司生产的LI ^-6400XT便携式光合测定系统，选择晴朗无风的天气进行净光合速率(net photosynthesis rate，P_n)测定，同时记录光合有效辐射(photosynthetically active radition，PAR)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr，mmol·m ^-2 s ^-1)、胞间CO₂浓度(concentration ofintercellular CO₂，Ci，μmol·mol ^-1)和气孔导度(stomatal conductance，Gs，mol·m ^-2 s ^-1)等指标。测量叶片均为植株顶端完全展开叶向下数的第5，6，7共3 片叶，记录3 次，取其平均值，每个系号3 株，即3 次重复。

苗高以塑料盆的沿口边为基准线至植株最高点，地径指苗木土痕处的直径，每个系号测6 个平均株。

2011 年8 月11日，天气晴朗，从6:00-18:00 对3 个无性系每隔2 个小时测量1 次P_n，采用透明叶室，不进行任何人工条件控制。

测定时间为2011 年7 月30 日-8 月2 日的上午9:00-11:30。采用仪器自带的红蓝光源，PAR在0 ~2000μmol·m ^-2 s ^-1 范围内设定16 个梯度，值从高到低分别为2000，1800，1600，1400，1200，1000，800，600，400，200，150，100，80，50，20，0 μmol·m ^-2 s ^-1，测量前进行一定时间的光诱导，CO₂浓度控制在400μmol·mol ^-1，叶室温度控制在28 ℃。通过系统自动测量程序测定相应的P_n。

测量时间为2011 年8 月8 日-8 月10 日的上午9:00-11:30，天气晴朗，CO₂浓度值的设置顺序为400，300，200，150，100，80，60，50，0，400，600，800，1000，1200，1400，1500 μmol·mol ^-1，共16 个梯度。PAR设为1400 μmol·m ^-2 s ^-1，叶室温度控制在28 ℃。通过系统自动测量程序测定相应的P_n。

方法采用SPSS19.0 对数据进行方差分析和响应曲线的拟合，拟合模型选用非直角双曲线即Farquhar模型(伍维模等，2007; Farquhar et al., 1980):

进行P_n-CO₂曲线拟合时，式中P_n为净光合速率，P_nmax为最大净光合速率，Φ 为CO₂响应曲线的初始斜率，即羧化效率; I 为CO₂浓度，R_d为光呼吸速率。当P_n =0 时，计算出CO₂补偿点(carbon dioxidecompensation point，CCP)(许晨璐等，2011)。

植物的光合作用是一个持续的过程，对植株白天的光合参数进行连续的测定，可以研究植物对环境的适应性和对各种环境因子的利用能力。由图 1A中可以看出: H4，L3，F的P_n日变化曲线并没有出现非常明显的双峰现象，峰值均出现在10:00 左右，从变化趋势上看，P_n上午随着光强的增大迅速增加，10:00-14:00 时受到强光抑制下降，然后随着光强变弱净光合速率有1 个平稳期甚至小幅度上扬，16:00 之后P_n迅速变小。从图中可以看出:12:00之前H4 的P_n均大于L3和F，干物质的合成速率相对较大。L3和F的Gs变化则呈明显的双峰型，但H4 在早上6:00 天亮时Gs已达到峰值(图 1B)。在图 1C中，3个无性系的Ci变化呈现“V”型曲线，主要是因为随着光合作用的增强，CO₂消耗增加，浓度降低，下午P_n明显减小，浓度有所上升，其中H4 的Ci浓度全天低于L3和F，说明其CO₂利用率高，合成有机物相对较多。如图 1D所示: Tr随着PAR和气温的增加而增加，12:00 时L3和H4 的Tr达到最大，F的Tr在14:00达到极值，而L3 的Tr在14:00出现了1 个波谷。

	图1 Pn及各气体交换参数的日变化 Fig.1 The diurnal changes of Pn and gas exchange parameters A: 净光合速率日变化Diurnal change of the Pn; B: 气孔导度日变化Diurnal change of the Gs;C: 胞间二氧化碳浓度日变化Diurnal change of the Ci; D: 蒸腾速率日变化Diurnal change of the Tr．

线面积(高海波，2011)，然后结合苗高和地径测量结果进行多重比较和相关分析(表 1)。不同生长势系号间苗高和地径及P_n，G_s，C_i，Tr等光合因子的日变化积分差异均达到了极显著。H4 的苗高超过L3 达43.65%，地径则超过31.02%。L3 的P_n日积分仅262.5 μmol·m ^-2 s ^-1，H4 的能够达到305.69 μmol·m ^-2 s ^-1，可见1 天的累积变化差异更大，生长优势主要是积累的结果。H4 的Gs和Tr日积分较低，有利于夏天水分的保存，而Ci日积分较低主要是因为H4 合成有机物多，消耗CO₂量相对较大。

表1 P_n，G_s，C_i，Tr 及苗高和地径的多重比较 Tab. 1 The multiple comparisons of P_n G_s，C_i，Tr ，seedling height and ground diameter

表 1Pn，Gs，Ci，Tr 及苗高和地径的多重比较 Tab.1The multiple comparisons of Pn Gs，Ci，Tr ，seedling height and ground diameter 系号 Pn/ Gs/ Ci/ Tr/ 苗高 地径 Clone (μmol·m-2s-1) (μmol·m-2s-1) (μmol·mol-1) (mmol·m-2s-1) Seedling height/cm Ground diameter/mm L3 262.50±10.11A 7.17±0.32C 9865.22±75.95C 186.5±7.18B 126±15.23A 9.09±0.92A F 231.05±14.07A 5.84±0.31B 9422.6±83.7B 154.34±5.67A 179±14.9B 11.42±1.09B H4 305.69±7.91B 4.74±0.4A 8071.84±70.84A 154.1±4.97A 181±6.03B 11.91±1.03B  ①不同大小写字母分别表示1% 和5% 差异显著水平。Different small and capital letters respectively indicate 5% and 1% significant level． 下同。The same below．

相关分析结果表明: 苗高与G_s，C_i，Tr负相关，其中与G_s和Tr的相关性达到显著和极显著; 地径与G_s，C_i，Tr达到显著或极显著负相关，与P_n为正相关。气孔导度日积分大，则叶片蒸腾速率大，不利于植株苗高和地径的增加(表 2)。

表2 P_n G_s，C_i，Tr 苗高和地径的相关分析^① Tab. 2 The correlations of P_n G_s，C_i，Tr ，Seedling height and ground diameter

表 2Pn Gs，Ci，Tr 苗高和地径的相关分析① Tab.2The correlations of Pn Gs，Ci，Tr ，Seedling height and ground diameter 指标Parameter Pn Gs Ci Tr 苗高 Seedling height 地径Ground diameter Pn 1 Gs -0.495 1 Ci -0.753* 0.926** 1 Tr -0.148 0.836** 0.665 1 苗高 Seedling height 0.091 -0.785* -0.659 -0.921** 1 地径 Ground diameter 0.172 -0.863** -0.720* -0.798* 0.838** 1 ①**: 在0. 01 水平上显著相关Significant linear correlation at the 0. 01 level; * : 在0. 05 水平上显著相关Significant linear correlation at the 0. 05 level．

利用非直角双曲线即Farquhar模型进行光曲线拟合，如上图所示(图 2)，各系号的P_n-PAR曲线拟合非常好，拟合系数均达到0.95 以上。当PAR小于200 μmol·m ^-2 s ^-1 时，H4，L3和F的P_n都随着光强的增加呈直线上升，PAR超过200 μmol·m ^-2 s ^-1 后，P_n增速变缓，之后随着光强增大，P_n逐渐趋于平缓，出现光饱和现象。其中H4 在PAR超过1300 μmol·m ^-2 s ^-1后，有1 个明显的小幅度下降，可能是自身对强光照的一种适应和保护。H4 的P_n基本上始终高于L3和F，表明其对外界环境条件适应性更强，光合效率较高，为较高的物质产量奠定良好的生理基础。

	图2 各系号Pn -PAR 曲线的拟合 Fig.2 The simulation of the light response curves

结合Farquhar模型和直线回归方程，可以得到各系号的P_nmax，R_d，LSP，LCP，AQY等相关光合生理参数，结果见表 3。3 个系号间除R_d外，P_nmax，LSP等差异均达到显著水平，H4 与F和L3 的AQY和LCP差异显著，而F与L3 的AQY和LCP差异没有达到显著，反映了不同生长势个体对外界环境的响应存在明显的差异性，其中H4 的P_nmax最大，为21.47 μmol·m ^-2 s ^-1，超过L3 达39.42%，说明其对光的利用能力较强; AQY反映了植物对光能的转化利用效率，L3和F较为接近，而H4 明显高于两者，达到0.0675。光补偿点LCP反映了植物对弱光的利用能力大小，而光饱和点LSP指植物利用强光能力的大小。具有较的高LSP，同时又具有较低LCP的植物，对光的生态适应能力强(伍维模等，2007)。表 2 中H4 的LCP最小，仅15.09μmol·m ^-2 s ^-1，L3是H4 的1.53 倍，同时H4 的LSP值又最大，分别超过L3和F值的17.03%和10.35%，说明高生长势无性系H4 利用弱光的能力较强，同时又能在一定的强光下进行相对高效的光合作用。各系号间Rd差异表现并不显著，但Rd排序为H4 ＜ F ＜ L3，说明高生长势无性系的呼吸速率小，有机物代谢效率高。

表3 各系号的P_nmax，AQY，LCP，LSP，R_d值 Tab. 3 The parameter analyses of the light response curves

表 3各系号的Pnmax，AQY，LCP，LSP，Rd值 Tab.3The parameter analyses of the light response curves 系号Clone Pnmax/(μmol·m-2 s-1) AQY/(μmolCO2·μmol-1 photons) LCP/(μmol·m-2 s-1) LSP/(μmol·m-2 s-1) Rd/ (μmol·m-2s-1) H4 21.47±0.46c 0.0675±0.0006b 15.09±0.44a 488.59±0.79c 1.22±0.01a L3 15.4±0.17a 0.0584±0.0046a 23.06±5.59b 417.5±4.27a 1.39±0.13a F 17.23±0.78b 0.0585±0.055a 24.36±3.79b 442.78±16.13b 1.3±0.19a

拟合结果显示: P_n-Ca响应曲线拟合度都在0.99以上，从图 3 可以看出: 当CO₂的浓度从50 μmol·mol ^-1 到300 μmol·mol ^-1 变化时，各系号P_n的增长成一条直线，快速增加，而CO₂的浓度达到400 μmol·mol ^-1 时，P_n增长变缓，CO₂的浓度超过600 μmol·mol ^-1 之后，P_n增加更加缓慢，逐渐趋于平缓，说明CO₂浓度的增加对植物的光合作用的促进作用是有一定限度的，同时植物在一定高浓度CO₂的环境下，也能保持较高的光合速率，即植物能够适应高浓度CO₂的外界环境。在不同CO₂的浓度条件下，L3的P_n都明显小于H4和F，说明低生长势植株对CO₂的利用能力相比较弱。同样结合Farquhar模型和直线回归方程，计算出P_n-Ca响应曲线的各个参数，包括P_nmax、羧化效率、CCP、光呼吸速率等指标，并进行方差分析和多重比较，结果见表 4。各系号间仅H4和L3 的P_nmax差异显著，羧化效率、CCP、光呼吸速率等差异均不显著，其中H4 的P_nmax最大，为23.46μmol·m ^-2 s ^-1，L3 最小，值为21.19 μmol·m ^-2 s ^-1。同时H4 的羧化效率略高于L3和F，而CCP则稍低于L3和F，表明高生长势植株在CO₂的转化效率和利用效率上略有优势，表现的并不明显。

	图3 各系号的Pn -CO2响应曲线的拟合 Fig.3 The simulation of the CO2 response curves

表4 各系号的P_n -Ca 响应曲线特征值 Tab. 4 The parameter analyses of the CO₂ response curves

表 4各系号的Pn -Ca 响应曲线特征值 Tab.4The parameter analyses of the CO2 response curves 系号Clone Pnmax / ( μmol·m-2 s-1 ) 羧化效率 Carboxylation efficiency CCP / ( μmol·mol-1 ) 光呼吸 Photorespiration rate / ( μmol·m-2 s-1 ) H4 23.46±1.27b 0.055±0.0095a 62.44±2.65a 3.42±0.45a L3 21.19±0.6a 0.0521±0.0089a 66.1±0.95a 3.42±0.55a F 22.48±0.74ab 0.0548±0.0103a 63.58±1.39a 3.46±0.59a

植物生长势与其光合生产力密切，光合速率日变化及净光合速率对光强和CO₂的响应，能够说明植株对外界环境变化的适应性以及对不同光强和浓度CO₂的利用效率等(Gu et al., 2010; Lestari et al., 2011)。

光合速率等生理指标日变化研究结果表明: H4，L3，kF的净光合速率日变化曲线基本为单峰型，第1个峰值都出现在10:00 左右，这与刘海涛(2011)、江锡兵等(2009)的研究结果存在一定的差异。高生长势植株H4 能够较早高效的开展光合作用，6:00 的P_n即可达到9.59 μmol·m ^-2 s ^-1，远大于同时间L3 的1.7 μmol·m ^-2 s ^-1和F的1.4 μmol·m ^-2 s ^-1，在光合作用较强的上午阶段，H4 的P_n均明显大于低生长势无性系L3 及父本F，有利于其有机物的迅速积累和植株快速生长(伍维模等，2007);12:00 之后H4并没有表现出明显的光合作用优势。所有无性系10:00 之前光合能力快速增加，10:00-14:00 之间光辐射强度大，表现为持续的光抑制，此时植株通过调节光的能量分配，达到光吸收和热耗散之间的平衡，从而保护自身不受光辐射和高温的灼伤，以此形成对外界环境的响应;14:00 之后光合速率有一个平稳期，甚至小幅度上扬，表明植株的自我保护机制使本身在强辐射下没有产生不可逆的光抑制，从而保持叶片健康的生理状态。强光下光能分配会更多的倾向于热耗散，更少的用作吸收转化，叶绿素荧光研究中证明了这一点(Brodribb et al., 2007;Zhang et al., 2009)。L3和F的G_s变化呈双峰型，H4 在早上6:00 时G_s即达到峰值，活跃的气体交换开始时间早，效率高。3 个无性系的Ci变化呈“V”型曲线，这与光合作用不断增强，CO₂的大量需求有关(赵曦阳等，2011)，午后光合速率明显减小，C_i碳浓度有所上升，H4 的C_i浓度全天低于L3和F，说明其二氧化碳利用率大，合成有机物相对较多。

P_n-PAR响应曲线特征分析认为，高生长势植株H4 的综合光能利用效率较高，对外界环境适应能力明显较强。除R_d外，H4和L3 的P_nmax，AQY，LCP，LSP等差异均达到显著，H4 的P_nmax超过L3 达39.42%，L3和F的光能的转化利用效率也明显低于H4，同时H4 的LCP最小，LSP值又最大，分别超过L3和F值的17.03%和10.35%，表明高生长势无性系H4 利用弱光的能力较强，并且又能在一定的强光下进行相对高效的光合作用(伍维模等，2007)。P_n-Ca响应曲线特征分析却发现，各系号间仅H4和L3 的P_nmax差异显著，羧化效率、CCP、光呼吸速率等差异均不显著，H4 在CO₂吸收及转化利用效率上不具有明显的优势，各无性系在一定高浓度的CO₂条件下，均保持稳定且较高的光合速率，表明都能适应高浓度CO₂下的环境(许晨璐等，2011)。

综上所述，高生长势植株在1 天的环境变化中适应能力强，在强光高温条件下有着敏感的自我保护机制，特别是上午时间段内始终保持着光合速率优势，无论是弱光还是强光条件下，对光能的吸收、转化、固定能力均优于低生长势无性系，且瞬间的优势往往不明显，日积累更加明显。而当保持PAR不变时，在CO₂浓度不同的条件下，并没有表现出明显的CO₂吸收利用效率优势，关于CO₂的吸收和利用对于高生长势个体的影响和作用有待进一步的研究论证。因此，综合光能利用效率高、光合日积累量大、水分利用效率高是优良杂交无性系杂种优势的基础，也可用于对黑杨无性系的早期评价和选优。