2014, Vol. 50
文章信息
- 李晓宇, 杨成超, 彭建东, 杨志岩, 张妍
- Li Xiaoyu, Yang Chengchao, Peng Jiandong, Yang Zhiyan, Zhang Yan
- 杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建
- Establishment of an Integrated Assessment System on Cold Resistance of Poplars at the Seedling Stage
- 林业科学, 2014, 50(7): 44-51
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(7): 44-51.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20140707
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文章历史
- 收稿日期：2013-08-16
- 修回日期：2013-11-06
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作者相关文章
杨树为杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)植物，落叶乔木，具有适应性强、生长迅速、轮伐期短等优点，是我国平原地区造林的重要树种。近年来，我国杨树育种领域成果丰硕(苏晓华等，2010)，不断推出黑杨派(Sect. Aigeiros)新品种。随着黑杨派速生品种的推广应用，生产中出现超出适生范围栽培速生品种的现象，加之低温、寒潮等异常气候的影响，使得我国北方地区杨树冻害、腐烂病等问题频繁发生。以辽宁省为例，仅2006年春季受害面积就达到6万hm2，其中死亡面积0.59万hm2，直接经济损失超10亿元(杨志岩等，2010)。因此，准确评价杨树无性系抗寒性、做好品种栽培区划，对促进杨树速生丰产林的发展意义重大。
关于植物抗寒性的研究，国内外学者做了大量的工作，取得了一定成果。目前对木本植物抗寒性测定的方法有电解质渗出率法(Deans et al., 1995； Azzarello et al., 2009)、全株冰冻测试法(Tanaka et al., 1997； 李国华等，2009)、叶绿素荧光法(Lin et al., 2007； 庞磊等，2011)和电阻抗图谱法(Li et al., 2009； 张军等，2011)等。提出了一些与抗寒性有关的指标，如相对电导率(Kim et al., 2011； 李小琴等，2012)、半致死温度(张倩等，2013)、可溶性糖(Wanner et al., 1999； Uemura et al., 2003； Zhang et al., 2005)、可溶性蛋白(高京草等，2010)、丙二醛(Qin et al., 2011)、脯氨酸(Xin et al., 1993； Gleeson et al., 2005)。抗氧化酶系统(SOD，POD，PPO，CAT和AsA)作为植物保护自身的应答机制，近年来其活性也被广泛用来分析抗寒性(杨向娜等，2006； Wang et al., 2008)。关于杨树抗寒性测定及评价的研究起步较晚，多数只是用单一指标衡量抗寒性。但植物的抗寒性是受诸多方面控制的复合遗传性状，单一的抗寒性鉴定指标难以真实反映出植物的抗寒性，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寒水平。偶有综合评价杨树抗寒性的文献，但抗寒指标选择较少，对各指标权重也只是简单的赋值法，且未将评价结果与野外冻害调查结合，使得抗寒性评价结果可靠性较差(杨敏生等，1997)。本文从生理生化物质、物理性状、生长性状、物候期等方面进行系统研究，利用相关性分析，筛选出适宜的抗寒性评价指标，采用主成分分析确定指标权重，建立杨树抗寒性评价体系，并结合试验无性系野外冻害调查，为准确判断不同无性系抗寒能力提供技术支持，进而为抗寒品种选育、品种区划等提供参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料与试验地点选取辽宁省杨树栽培中抗寒性表现较强和较差的无性系以及当地主栽品种为试验材料，包括小黑杨(P. × xiaohei)、小叶杨(P. simonii)、中辽1号(P. × euramericana ‘Zhongliao1’)、中绥12[P. deltoides ×(P. nigra var. thevestina × P. nigra)]、108杨(P. × canadensis ‘Guariento’)、辽育3(P. × deltoides ‘Liaoyu3’)、97杨(P. × euramericana ‘97’)、L35(P. × euramericana ‘L35’)、小美旱(P. × xiaozhuanica ‘Poplar’)、3016杨(P. × canadensis ‘N3016’)、沙兰杨(P. × canadensis ‘Sacran-79’)，共11个无性系。
冻害调查和指标测定试验材料的试验地选在辽宁省锦州市金城苗圃，年平均气温8.7 ℃，降水量610 mm，无霜期180天。2010和2011年春季对材料进行常规扦插繁殖，每个无性系繁殖1 000株。
物候期观测试验地选在辽宁省盖州市，年平均气温9.5 ℃，降水量630 mm，无霜期189天。2011年春，将材料进行常规扦插栽植，15株为一小区，3次重复，完全随机区组设计，株行距30 cm×60 cm。周围设置保护行。
1.2 试验方法 1.2.1 野外冻害调查在辽宁省锦州市金城苗圃，对上述11个杨树无性系1年生苗进行冻害情况调查。将冻害分为5级，分级标准如表 1所示。按下式分别计算各无性系冻害指数：$X = \sum\limits_{t = 0}^4 {{n_i}{P_i}/\left({N{P_{\max }}} \right)} $ 。 式中：X为冻害指数；ni为受冻害级数为i的苗木数；Pi为受冻害级数为i的级值；N为调查总株数；Pmax为受冻害最严重一级的级值。
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1)材料处理处理方法一是梯度降温冷冻处理： 每个无性系选取生长一致的33个1年生整株苗干及66个50 cm长的顶梢，洗净擦干。将其分为11组，每组包括3个整株苗干及6个50 cm长顶梢。将材料置于超低温冰箱(三洋MDF-192AT)中进行低温处理，从0 ℃至-50 ℃，每5 ℃为1个梯度，共11个处理，以0 ℃为对照(CK)。降温速度为2 ℃·h-1。降至所需温度后维持24 h，取出1组材料进行生长恢复试验，其余枝条继续进行降温处理。
处理方法二是冻融处理： 每个无性系取生长一致的15个1年生整株苗干及30个50 cm长顶梢，洗净擦干。将其分为5组，每组包括3个整株苗干及6个50 cm长顶梢，进行冻融处理。变温幅度为-40 ℃至室温(20 ℃)，处理次数为5次。具体做法是将材料置于-40 ℃冰箱中24 h，然后移至室温(20 ℃)放置24 h，取出1组材料进行生长恢复试验，其余枝条继续冻融处理。
生长恢复试验： 将试验处理后的3个整株苗干，剪成15～20 cm长的枝段放入光照培养箱进行水培养，每3天换水1次，温度(25±2)℃，光照14 h/黑暗10 h，28天后统计萌芽情况，计算各无性系的总萌芽率作为衡量指标(杨敏生等，1997)。
2)指标测定生理生化指标测定： 根据2011年3月2种试验材料处理后的萌芽情况，2012年3月选择各无性系萌芽率差异较大的冻融处理的枝条进行测定。将处理后的枝条顶梢剪成0.2～0.3 cm小段(避开芽眼)，混合均匀后用于各项指标测定，每个指标3次重复，采用DDS-IIC型数显电导率仪测定电导率值(relative electric conductivity，REC)(王晶英等，2003)； 硫代巴比妥酸(TBA)显色法测定丙二醛(MDA)含量(李合生等，2000)； 酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量(中国科学院上海植物生理研究所等，1999)； 蒽酮比色法测定可溶性糖含量(王晶英等，2003)。
物理性状指标测定： 每个无性系随机选取15株生长正常的1年生苗木，运回实验室，洗净，按照GB/T 1933—2009 《木材密度测定方法》测定基本密度，用常压加热干燥法测定枝条含水率。
生长性状指标测定： 每个无性系随机选取15株生长正常的1年生苗木，游标卡尺测量地径，塔尺测量苗高，烘干称质量法测定枝条生物量。
3)物候期观测从各区组中分别抽取3株生长发育正常的苗木为标准株，定株观测各无性系的物候期，封顶期、落叶初期、落叶盛期、落叶末期是2011年秋季观测，芽萌动期为2012年春季观测。其中，落叶初期以标准株出现明显的物候相为准，落叶盛期以开始超过标准株物候相的1/2作为标志，落叶末期指叶片基本落净(李守勇等，2003)。
1.3 试验数据处理以各物候期距4月1日的天数对物候期进行数据转换，再进行统计分析(李守勇等，2003)。采用DPS10.5版本及EXCEL2003对数据进行相关性、主成分、聚类等分析。
2 结果与分析 2.1 野外冻害调查结果2011年4月7日，在辽宁省锦州市金城苗圃，对参试的11个杨树无性系1年生苗进行了冻害情况调查(表 2)。从表中可以看出，小黑杨、小叶杨、中绥12的冻害指数较低，抗寒性较好； L35杨的冻害指数最大，达到1，冻害严重。
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通过对材料梯度降温处理发现，同一低温处理下不同无性系间萌芽率未出现明显差别，同一无性系在各低温阶段萌芽率也未发生明显变化，-50 ℃处理24 h后，平均萌芽率仍达到90%，未发生明显冻害，因此此种处理的萌芽率不适合作为评价依据。冻融处理结果发现，第1次冻融处理后，试验材料萌芽情况良好(表 3)，各无性系间萌芽率差异不显著(P>0.05)； 第2次和第3次冻融处理后，试验材料萌芽率下降，方差分析结果差异显著，但用Duncan法进行多重比较发现，有些无性系间萌芽率差异不显著，例如第2次冻融处理后的108杨、3016杨和沙兰杨，第3次冻融处理后的3016杨和沙兰杨； 第4次和第5次冻融处理后，各无性系间萌芽率出现较大差别，有些无性系萌芽情况仍然很好，例如第4次冻融处理后小黑杨萌芽率仍高达91%，有些无性系则出现死亡的现象，经方差分析及多重比较发现各个无性系间均差异显著。从试验效果和试验时间2方面考虑，选择第4次冻融处理后的枝条萌芽率作为杨树抗寒性的评价依据，并选这一处理条件下的材料测定生理生化指标。
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对各无性系进行了抗寒生理指标(相对电导率、可溶性糖、脯氨酸、丙二醛)、物理指标(相对含水率、基本密度)、生长性状指标(地径、苗高、生物量)的测定及物候期的观测(表 4、表 5、表 6)，用相关分析法计算各指标与总萌芽率的相关系数(表 7)。
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从表 7可以看出，生理生化指标中相对电导率与抗寒性极显著相关，丙二醛和可溶性糖与抗寒性显著相关； 物理性状中相对含水率和水分饱和亏缺均与抗寒性极显著相关； 生长指标中，各测定指标均与抗寒性不相关； 物候期指标中，落叶末期与抗寒性的相关系数最高，但未达到显著水平(α=0.05时，r=0.602 1)。
根据相关性分析结果，选取与杨树抗寒性极显著或显著相关的相对电导率、相对含水率、水分饱和亏缺、丙二醛、可溶性糖作为抗寒性综合评价的指标。
2.2.3 杨树抗寒指标权重的确定植物遭受冻害后，生理变化是极其复杂的，单独用某一指标表示这一过程很难真实反映植物的抗寒性，故采用多个指标进行综合评价才比较可靠。但各个指标之间的关系错综复杂，且各指标对无性系抗寒性的影响不同，因此需对指标进行主成分分析(谢吉荣等，2002)，结果见表 8。从表 8可以看出，第1主成分提取特征值贡献率为81.66%，一般认为累计贡献率达到70%以上的这几个主成分就可以代表原始指标的绝大部分信息，因此，提取第1主成分，并以第1主成分中各指标的负荷量计算各指标对杨树抗寒性作用的大小，确定指标权重Wi，结果见表 9。从表 9可以看出，各指标对杨树抗寒性的影响由大到小依次是相对含水率、水分饱和亏缺、相对电导率、丙二醛、可溶性糖。
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由于各指标的单位、性质和数量不同，故采用模糊数学隶属度函数对各项指标测定值进行定量转换，隶属度函数的升降顺序由相关性的正负确定。相对含水率、可溶性糖采用升型分布函数，即$f\left( {{x_i}} \right) = \left( {{x_{ij}} - {x_{\min }}} \right)/\left( {{x_{\max }} - {x_{i\min }}} \right)$； 相对电导率、丙二醛和水分饱和亏缺采用降型分布函数，即$f\left( {{x_i}} \right) = \left( {{x_{i\max }} - {x_{ij}}} \right)/\left( {{x_{i\max }} - {x_{i\min }}} \right)$，其中$f\left( {{x_i}} \right)$为各指标隶属度，${{x_{ij}}}$表示各指标值，${{x_{i\max }}}$和${{x_{i\min }}}$分别表示第i项指标的最大值和最小值。结果见表 10。
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根据各指标权重与隶属度值，运用加乘法则： I=Wi×f(xi)(式中： Wi为抗寒性指标的权重； f(xi)为各指标的隶属度)，计算杨树各无性系抗寒性综合指数I(表 10)。
从表 10可以得出，杨树各无性系抗寒性由强到弱的排序为： 小黑杨、小美旱、中绥12、小叶杨、3016、108杨、沙兰杨、辽育3、97杨、中辽1号、L35。将试验得出的抗寒性综合指数与野外调查的冻害指数进行相关性分析，计算得相关系数为-0.849 7，为极显著相关(α=0.01时， r=0.734 8)，说明评价体系对杨树苗期抗寒性的评价与野外实际情况相符。
2.3 杨树抗寒性聚类分析对杨树各无性系的抗寒性综合指数进行聚类分析(图 1)，结果将杨树各无性系抗寒性分为4类： 小黑杨、小美旱、中绥12和小叶杨为一类，其抗寒性最强； 3016杨、108杨和沙兰杨为一类，抗寒性较强； 辽育3、97杨和中辽1号为一类，抗寒性较弱； L35为一类，其抗寒性最差。
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图 1 不同抗寒性的杨树无性系聚类 Fig.1 Cluster of poplar clones with different cold resistance |
冻害对树木的影响是多方面的，但最终体现在生长发育上。芽是树木对温度变化最敏感的部位，树木遭受冻害后，用来评估树木伤害或生存最直观的方法主要是通过芽对冻害的敏感性反映出来(杨敏生等，1997)。因此，采用人工低温和冻融处理后，对苗木进行恢复性培养，将萌芽率作为评价体系构建的衡量指标是可取的。抗寒性衡量指标一般选择低温处理后的萌芽率(柳新红等，2007； 吕跃东等，2008)，而以冻融处理后的枝条萌芽率为抗寒性衡量指标则未见文献报道。本研究在对材料分别进行低温和冻融处理后发现，在试验年份冻融处理4次后，各无性系萌芽率差异显著，并以此萌芽率作为抗寒性衡量指标。萌芽率与采样时间和越冬材料本身的受害程度有关。在不同地区对不同品种进行类似研究时，可以采用本方法，但冻融次数的确定要重新进行试验摸索，筛选出不同品种差异显著的萌芽率作为衡量指标。
本文用相关性分析筛选出评价杨树单项抗寒能力的5个指标。其中，电导率的变化反映出细胞膜透性的改变，当植物受到逆境影响时，细胞膜透性增大，细胞内的物质(尤其是电解质)大量外渗，电导率也随之增大，从而反映出所测材料抗寒性的强弱。相对含水率是植物组织中实际含水量占组织鲜质量的百分比，其高低反映了苗木保水能力的强弱；在相同胁迫下，抗寒性强的无性系往往比抗寒性弱的无性系含水量下降要迟缓，以维持植物体生理生化的正常运转。水分饱和亏缺是植物组织的实际含水量与其饱和含水量的差值相对于饱和含水量的百分率，其值越大说明水分亏缺越严重，该指标能较好地比较植物保水能力的强弱。丙二醛是细胞膜脂过氧化的产物之一，通常作为反映植物对逆境条件反应强弱的指标，在正常情况下含量极少，在遭到寒害后，其含量随着植物伤害程度加大而升高；在相同的胁迫条件下，MDA含量高的品种抗寒性弱，反之则强。可溶性糖作为一种渗透调节物质，在植物遭受逆境条件后，会主动积累以提高细胞的渗透浓度，增加保水能力，从而使冰点下降。以上5个指标从膜系统稳定性、水分及渗透调节物质等方面反映植物抗寒性的大小。在物候期观测中落叶末期与抗寒性的相关性接近显著水平，可以作为苗期抗寒性评价的田间参考指标。
本文将筛选出的指标转化为综合的主成分，确定各指标的权重，再结合隶属度函数值求得杨树各无性系抗寒性的综合指数。依照综合指数的大小抗寒性由强到弱的排序为： 小黑杨、小美旱、中绥12、小叶杨、3016杨、108杨、沙兰杨、辽育3、97杨、中辽1号、L35，这与11个无性系苗期在野外的抗寒性表现相符，与大树抗寒性顺序基本一致。并通过聚类分析，将杨树无性系抗寒性划分为4类。作为对杨树苗期抗寒性的评价，对于筛选出的抗寒性差的无性系可以直接确定其不适宜该地区，对于筛选出的抗寒性较强的无性系，在实际生产中有可能出现大树越冬伤害的情况。例如，本文将108杨与3016杨和沙兰杨归为一类，苗期108杨可以在3016杨和沙兰杨的适生区(如辽宁省中西部)安全越冬，但在特殊年份108杨大树在辽宁省出现越冬伤害，甚至死亡的现象。杨树幼苗和大树的抗寒性表现不一致的原因很复杂，枝条风干失水、日灼伤、营养不足和冰核细菌等因素都会对杨树的抗寒性造成影响，而幼苗和大树对以上因素反应不同。越冬死亡现象是冻害、病害等越冬伤害综合作用的结果。因此，在具体评价杨树无性系抗寒性时，应从各个方面综合考虑，并结合田间栽培试验结果得出科学的结论。
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