林业科学  2013, Vol. 49 Issue (9): 72-78   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130910
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文章信息

黄秦军, 黄国伟, 苏晓华, 张新叶
Huang Qinjun, Huang Guowei, Su Xiaohua, Zhang Xinye
蒙古栎生长及生理特征的种源间差异
Provenance Differences in Growth and Physiological Characteristics of Quercus mongolica
林业科学, 2013, 49(9): 72-78
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(9): 72-78.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130910

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收稿日期：2013-04-02
修回日期：2013-06-30

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黄秦军, 黄国伟, 苏晓华, 张新叶. 2013. 蒙古栎生长及生理特征的种源间差异[J]. 林业科学, 49(9): 72-78.
Huang Qinjun, Huang Guowei, Su Xiaohua, Zhang Xinye. 2013. Provenance Differences in Growth and Physiological Characteristics of Quercus mongolica. Scientia Silvae Sinicae, 49(9): 72-78.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130910
蒙古栎生长及生理特征的种源间差异
黄秦军1, 黄国伟2, 苏晓华1, 张新叶2    
1. 中国林业科学研究院林业研究所国家林业局林木培育重点实验室 北京 100091;
2. 湖北省林业科学研究院 武汉 430079
收稿日期：2013-04-02；修回日期：2013-06-30
基金项目：国家科技支撑项目(2012BAD01B05)。
通讯作者：苏晓华
摘要：以5个蒙古栎种源的当年生幼苗为试验材料,对其生长和生理特征进行测量和分析比较。结果表明:江密峰种源生物量最大,其根质量和总质量与其他4个种源差异都达到显著水平,同时单叶面积、栅栏组织厚度、光合色素含量及净光合速率(Pn)等相对于其他种源也具有一定的优势;不同种源间有机物分配规律一致,根质量所占比例均最大,超过70%,其次是叶质量,储存有机物的茎质量比例最小,均不到总质量10%;蒙古栎叶肉结构简单,5个种源栅栏组织厚度为41.99~56.89μm,不同种源间单叶面积和栅栏组织厚度存在显著差异(P<0.05);江密峰叶片的光合色素含量与其余4个种源均存在着显著差异(P<0.05),各种源Pn在6.25~8.94μmol·m-2s-1之间,差异不显著;生物量与光合色素、Pn、根质量、叶质量及栅栏组织厚度均达到了极显著正相关(P<0.01),与单叶面积显著正相关(P<0.05)。综上所述,不同种源生长生理特征均存在差异,蒙古栎遗传资源变异丰富,江密峰种源表现最好,应用潜力大。
关键词： 蒙古栎    种源    生物量    生理特征    
Provenance Differences in Growth and Physiological Characteristics of Quercus mongolica
Huang Qinjun1, Huang Guowei2, Su Xiaohua1, Zhang Xinye2     
1. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration Research Institute of Forestry, CAF Beijing 100091;
2. Hubei Academy of Forestry Wuhan 430079
Abstract: In this study, the differences in the growth and physiological characteristics of one-year seedlings of five Quercus mongolica provenances were compared to provide a theoretical basis for the excellent provenance selection. The results showed that the biomass of Jiangmifeng provenances was the maximum, and the difference of its total weight and root weight was significant from the others (P <0.05). The provenance also had certain advantages in leaf area, palisade tissue thickness, photosynthetic pigment content and net photosynthetic rate (Pn) to the other provenances. Distribution of organic matter was similar among different provenances, and the proportion of root weight was biggest, accounted for more than 70% of the total, followed by the leaf weight, and then stem weight. The latter two were both less than 10% of the total weight. Q. mongolica had simple leaf structure, and the thickness of palisade tissue was from 41.99 μm to 56.89 μm. There were significant differences in leaf area, palisade tissue thickness among different provenances (P <0.05). The photosynthetic pigment content of Jiangmifeng provenances was significant differences from the others (P <0.05). The Pn was from 6.25 to 8.94 μmol·m-2s-1 in five provenances, and there were no significant differences between provenances. Correlation analysis showed that biomass was very significantly correlated to the photosynthetic pigment, Pn, root weight, leaf weight, palisade tissue thickness (P <0.01), and was significantly correlated to the leaf area. In a word, there were significant or very significant differences in growth and physiological characteristics, the genetic resources of Q. mongolica were very rich and Jiangmifeng provenances had a greater potential value than the others.
Key words: Quercus mongolica    provenances    biomass    physiological characteristics    

蒙古栎(Quercus mongolica)属壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)树种，该属植物约450种(Jones，1974)，在地球陆地生态系统中占据着重要位置，国际林联(International Union of Forestry Research Organization，IUFRO)于1985年专门成立了栎树遗传学工作组(Kremer et al.，1993)。蒙古栎是我国北方落叶栎类代表树种，具有耐旱、抗寒、耐瘠薄、萌芽力强等特性，适应广泛，具有重要的生态和经济价值。长期以来，对栎属植物的认识着重于生态效应和功能研究，研究者更多关注其种群的发生、发展、演替和进化方向的生态学意义(Crepet et al.，1989; Bodénès et al.，l997; Lefort et al.，1998; 恽锐等，1998; 郭建平等，2005)，其遗传改良和良种选育研究却缺乏应有的重视。

经过长期的自然选择蒙古栎产生了丰富的种内变异，不论是种群间还是种群内，蒙古栎的遗传多样性(李文英，2003)、生长特性(于顺利等，2000)和生理性状(黄国伟等，2012b)均存在极其丰富的变异，具有不同的生态适应性。在影响蒙古栎地理分布的气候因子中降水量和温度占主导地位(殷晓洁等，2013)，蒙古栎幼苗在不同光照下可以通过形态上的一系列可塑性变化来适应不同的光环境以获取最大的生物量(许中旗等，2009)。目前蒙古栎研究领域主要集中于种源表型变异(李文文，2010)、分子标记(Ueno et al.，2008)、光合生理(张杰等，2005)和生态群落结构(Fujita et al.，2000; Shin et al.，2011)等方面，关于蒙古栎生物量和生长特征结合光合叶面积、叶片结构、叶绿素含量及气体交换特征等的综合研究则鲜有报道。生物量作为植物的重要性状特征，其大小和分配反映了植物的适应能力、光合效率及有机物积累速度等。针对蒙古栎研究中的空白，本研究选用5个种源的蒙古栎幼苗为试验材料，对它们的生物量分配、生长性状和光合特性等进行分析研究，旨在进一步比较不同种源蒙古栎生长生理特征差异和重要性状之间的相关性，为优良种源选择和评价提供理论基础和技术支持。

1 材料与方法 1.1 材料

所选5个蒙古栎种源分别来自于吉林省的白石山、磐石、江密峰、桦甸和松花湖(表 1)。2010年3月4日在中国林业科学研究院温室进行播种育苗，每个种源播种200粒，种子播在15 cm×10 cm 的塑料钵中，基质采用泥炭土蛭石珍珠岩(1: 1: 1)混合基质。出苗后，每个种源挑选7株生长一致的蒙古栎幼苗，按完全随机区组排列设计置于室外，按常规田间管理，于8月中下旬进行各参数和数据测量。

表 1 蒙古栎种源地理位置和气候特征 Tab.1 The geographical location and climatic characteristics of Quercus mongolica provenances
1.2 测量方法

每个种源挑选出6个生长良好的单株，分别编号为1，2，3，4，5，6。其中1，2，3用作气体交换特征、栅栏组织厚度和光合色素测定，4，5，6用作单叶面积和生物量测定。

1.2.1 叶片数量

从顶端第1片完全展开的叶片数起，直到基部最后1片保存叶片，总数即为叶片数量，每个种源测6株。

1.2.2 气体交换特征

采用LI-6400XT 便携式光合作用测定系统(美国LI-COR 公司)，在8月下旬晴朗无云的上午9: 00—11: 00测定植物功能叶片的净光合速率(Pn)，同时记录蒸腾速率(Tr，mmol·m-2 s-1)、胞间CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)和气孔导度(Gs，mol·m-2 s-1)等指标。控制CO2浓度为400 μmol·mol-1左右，光合有效辐射(PAR)为1 200 μmol·m-2 s-1，叶室温度设为28 ℃，每个种源测3株，每株取第1轮完整健康的3片功能叶测定，等读数稳定后每片叶子记录3次数据。

1.2.3 栅栏组织厚度

每个种源3株，每株取1片第1轮健康功能叶片，每个叶片用刀片割取中部同一部位无主脉的0.5 cm×0.5 cm块状材料，制成常规石蜡切片，使用蔡司AXIOIMAGER A1光学显微镜观察并照相，利用Image-Pro Plus 6.0软件测量栅栏组织厚度，每张切片测量3个视野，每个视野测量3处栅栏组织厚度。

1.2.4 光合色素含量

采用80% 丙酮浸提比色法测定。用美国贝克曼公司生产的DU800分光光度计分别在470，646，663 nm下测定吸光度，计算叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量。

1.2.5 单叶面积

每个种源选测3株，选幼苗第1轮完全展开的3片功能叶，采用纸样称质量法测定单叶面积，共9次重复。

1.2.6 生物量

每个种源选择3株，分根、茎、叶称量其鲜质量，根、茎、叶的质量和即为总生物量。

1.3 数据分析

数据初步处理在Excel 2007中进行，通过SPSS 19.0统计软件进行多重比较(采用Duncan新复极差法)及相关性分析。

2 结果与分析 2.1 各种源生物量及其分配的差异

从表 2和表 3可以看出: 5个种源里J的根质量和总质量与其他4个种源差异达到了显著水平，根质量最大值为J的12.83 g，最小值为S的8.65 g，总质量最大值同样是种源J，达到了17.50 g，是最小值种源S的1.50倍; 叶质量5个种源间差异最丰富，种源J值最大，为3.44 g，最小值为种源B，仅为J的50%。总的来说，不同种源间有机物合成和积累速率存在显著差异，反映了生产力的差异，生产力高则应用潜力大，生物量大是优良种源选择的重要指标之一。

表 2 根、茎、叶及总质量的方差分析 Tab.2 The ANOVA of root，stem，leaf and total mass
表 3 各种源不同器官生物量及多重比较① Tab.3 The weight of roots, stems, leaves and multiple comparisons

不同器官的有机物分配比重是植物对外界环境响应和自身调节的结果，往往会根据环境改变处于动态变化之中，以使自身处于最佳的生理生命状态，提高适应能力(Magnani et al.，2000)。计算结果: 所有种源根质量所占比例均最大，超过了70%，其次是叶质量，最后是储存有机物的茎质量，全部都不到总质量10%，这说明幼苗可能没有处在最佳生长环境中，生长可能受到了抑制，有机物通过向根和叶倾斜，使根叶发达，以吸取充足的养分同时合成更多有机物维持生命生长需要。正因为根质量比例过大，因此不同种源间的苗高和地茎差异表现不明显，这与速生树种如美洲黑杨(Populus deltoides)的研究结果(黄国伟等，2012a)存在差异。不同种源间各器官分配比并没有表现出明显的差异，仅有B种源根质量比例为77%，叶质量比例为14%，而P种源根质量比例为70%，叶质量比例为21%，2个种源之间有机物分配有些差异，在一定程度上反映了吸收、运输及合成能力的差别。

2.2 各种源的叶片结构差异

进行方差分析和多重比较(表 4，表 5)发现: 不同种源间叶片数没有明显差异，幼苗叶片数平均在7片左右，而单叶面积和栅栏组织厚度存在显著差异，其中J种源单叶面积与B、H、P的单叶面积差异达到显著水平，其均值最大，为41.22 cm2，超过最小值P种源的单叶面积30.11%。栅栏组织作为光能的主要吸收场所，同一树种其厚度与光能吸收效率有一定的相关性(Mendes et al.，2001)。如图 1所示，蒙古栎叶片上下表皮都仅有1层细胞，海绵组织细胞呈稀松不规则排列，栅栏组织有一层排列紧密的柱状细胞构成，5个种源栅栏组织厚度为41.99～56.89 μm，方差分析和多重比较发现J和P与B、H及S的栅栏组织厚度差异显著，P的栅栏组织厚度是H的1.35倍，有利于其对光能的拦截和吸收，提高光能利用效率(Chartzoulakis et al.，2002; Mendes et al.，2001)。

表 4 叶片数、单叶面积及栅栏组织厚度方差分析 Tab.4 The ANOVA of leaf number, leaf area, and palisade tissue
表 5 生长性状和叶肉栅栏组织厚度差异及多重比较 Tab.5 The multiple comparisons of growth characteristics and palisade tissue
图 1 蒙古栎叶肉结构 Fig. 1 Leaf blade structure of Quercus mongolica
2.3 不同种源光合特性的差异

绿叶素a和叶绿素b是光能吸收和转化的主要色素，类胡萝卜素也吸收和传递光能，同时还可以起到保护叶绿素的作用，是对叶绿素捕获光能的补充。不同种源光合生理特征值多重比较结果(表 6，表 7): J叶片的叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量均与其余4个种源存在着显著差异，其含量都是最高，分别是试验种源中叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量最低值的1.85，1.87和1.76倍; Pn在6.25～8.94 μmol·m-2 s-1之间，各种源差异不明显，但最小值为种源S，同时其Gs、Ci和Tr特征值在5个种源中均最小，且与其余种源基本都存在显著差异，分别是5个种源中最大值的43%，68%和47%。光合生理特征值小，生理活性相对弱，有机物生产力也较低，则植物生物量也相对较小。

表 6 各种源光合生理特征的方差分析 Tab.6 The ANOVA of physiological characteristics in provenances
表 7 各种源光合生理特征差异及多重比较 Tab.7 The multiple comparisons of physiological characteristics in provenances
2.4 各种源不同性状和特征的相关分析

净光合速率反映了植物单位时间和面积生产力的高低，生物量则综合反映了一定时间植物个体的生长和适应能力，二者作为植物的重要性状特征，与其他特征进行相关分析可以阐述彼此间内在关联性。对各种源不同性状和特征值相关分析结果(表 8)表明: 净光合速率与叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量及根鲜质量达到显著相关(P＜0.05)，与总鲜质量达到极显著正相关(P＜0.01)，与单叶面积、叶片数及栅栏组织厚度呈正相关，但相关性都没有达到显著水平，说明蒙古栎幼苗个体光合色素含量高，总光合面积(平均单叶面积和叶片数的乘积)大，更发达的栅栏组织和根系等，这些因素能够有效促进光合生产力的提高。总鲜质量与叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、净光合速率、根鲜质量、叶鲜质量及栅栏组织厚度均达到了极显著正相关(P＜0.01)，与单叶面积显著相关(P＜0.05)，光合色素含量、根鲜质量、叶鲜质量、单叶面积及栅栏组织厚度等因子都显著地影响着蒙古栎幼苗有机物的积累，鲜叶质量和茎质量占苗期生物量比例低，对生物量的影响权重降低。叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素彼此间极显著正相关(P＜0.01)，相关性都达到了0.95以上，即光合色素间变化趋势几乎一致。

表 8 各种源生长生理特征相关性分析 Tab.8 The linear correlation among charateristics of physiology and growth in proveancws
3 结论与讨论

5个种源在苗期生长速率相对于其他速生树种较慢，生物量积累小，但某些种源不同器官之间鲜质量仍存在着显著差异，如J种源的根和叶等与其他种源都达到了显著差异的水平。这也说明了J种源的推广价值和发展潜力。有机物分配上最显著的特点是根质量比例最大，占总质量比例超过了70%，不同种源表现规律近乎一致，这样的结果主要是由于蒙古栎幼苗期生长慢，总有机物生产量小，所以不同种源各器官生物量分配规律差异表现并不明显。总体上，有机物分配主要倾向于根和叶，茎比例较小，种源间茎质量差异不明显。

不同种源间苗期叶片数、地茎、苗高及净光合速率等性状虽然存在一定差异，但没有达到显著水平，而在单叶面积、栅栏组织厚度、叶片光合色素含量、Gs、Ci、Tr等性状特征上个别种源则存在着显著差异(P＜0.05)。生物量作为衡量蒙古栎幼苗生长好坏的最重要特征，与叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、净光合速率、根鲜质量、叶鲜质量及栅栏组织厚度均达到了极显著正相关(P＜0.01)，与单叶面积显著正相关(P＜0.05)，这说明蒙古栎幼苗的有机物主要积累在根和叶片中，根和叶对生物量的影响权重大，与有机物分配结果吻合。有研究表明苗期有机物根和叶比重高有助于提高其抗性和适应性(陈明涛，2011)。此外，主要光合色素与净光合速率都表现出显著的正相关，即光合色素含量显著影响有机物的合成能力。叶片切片表明蒙古栎叶片结构简单，有研究发现降雨量充沛的区域植物叶片海绵组织和栅栏组织往往发达(杨轶囡，2010;Chartzoulakis et al.，2002)，蒙古栎生于相对干旱的北方，单层的栅栏组织能够增加其适应性和抗逆性。

对5个种源苗期的生长生理特征研究发现，茎质量差异不大，即苗高和地茎差异相对不显著，这主要是因为生物量相对于其他速生树种较小，差异尚没有显现，但是种源间生理特征则存在着显著差异和广泛变异，说明不同种源发展潜力差异大。5个种源中，J种源生物量最大，同时其单叶面积、栅栏组织厚度、光合色素含量及净光合速率等相对于其他种源基本也都有一定的优势，是表现最好的一个种源。总体来说，蒙古栎遗传资源丰富，一些性状特征差异明显，有必要开展种源评价和筛选，推动蒙古栎优良种源的选育研究。

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