白桦(Betula platyphylla)是喜光、耐寒、耐贫瘠的阳性树种，具有更新好、生长较快、适应性强、分布面积广、材质细致和颜色洁白等特点，是培育单板类人造板材速生丰产林的首选树种之一。但由于长期的掠夺式经营，目前天然状态下的白桦种质资源严重退化，无法满足生产单位对白桦良种的需求。因此，如何在相对较短的时间内培育出符合生产单位要求的白桦良种便是林木遗传改良工作者亟待解决的难题。

世界范围内的桦树强化育种研究起步较早，1959年，美国的Longman和Wareing(1959)对桦树幼苗开始了一项试验性尝试，发现桦树在幼龄时经过10~12个月连续性生长可刺激开花，并证明成花行为并不要求一定的生长和休眠期，而取决于一定的树体结构。1967年，芬兰树木育种基金会根据Longman和Wareing的思路，于春季建立了一个无人工加热的塑料大棚，并定植了1年生疣枝桦(B.verrucosa)实生苗，1969年夏季获得了一批种子。随后，芬兰在塑料大棚内又进行了燃烧丙烷增加室内CO₂、照明和施加催花素等促使欧洲白桦(B. pendula)早开花结实的研究工作，并形成了一整套促进欧洲白桦提早开花结实的措施。在此基础上，1972年建立了第一座生产性欧洲白桦塑料大棚种子园，以满足芬兰中南部欧洲白桦栽培的良种需求(Hannu, 1991)。我国的桦树研究起步较晚，“八五”以前，只有育苗、造林、经营利用研究方面的报道。“八五”期间白桦被列入国家科技攻关树种，开展了白桦种源试验、优树选择和扦插繁殖等以胶合板材、纸浆材为目标的良种选育，但白桦强化条件下提早开花结实的研究工作尚属空白。

本项研究以白桦精选树种子培育的1年生超级苗为材料，在消化吸收芬兰欧洲白桦(Anneli et al., 1991; Martti, 1973; Martin, 1991)、国内外其他树种和农作物(Buban et al., 1982；王修兰, 1996；王忠等, 1987；许大全, 1986)提早开花结实技术基础上，进行了白桦强化促进提早开花结实的研究。

1 强化设施系统与繁殖材料 1.1 试验设施与控制系统 1.1.1 强化育种园的建立

如图版Ⅰ-1，2所示，白桦强化育种园的主体框架来自芬兰Tuhtor公司，塑料薄膜来自于芬兰Tuota公司，遮荫装置来自芬兰树木育种基金会。

1.1.2 人工生态因子的自动控制、监测和显示系统

温度控制系统：白桦强化育种园的冬春两季温度由集中供热系统完成。由于温室效应，夏秋两季育种园里的温度远远高于园外温度。因此，白桦强化育种园的温度控制主要是控制高温，保持强化育种园内的温度在22~30 ℃。整个过程实行自动控制，即通过温度传感器来检验室内温度：当温度高于其设定值，温度传感器发出打开通风窗的信号，通过相应的控制装置自动打开通风窗，以达到降温目的；当温度低于其设定值时，温度传感器发出关闭通风窗的信号，也通过相应的控制装置将通风窗关闭。这样系统就完成了对温度的自动控制及与其他措施的有机配合。湿度控制系统：主要装置有湿度传感器、VA60-8变频器、可编程控制器等。系统采用MSR-5型电容式高分子湿敏元件，它与温度传感器一样都接到WSY-Ⅱ型数字式温湿度显示控制器，并通过WSY-Ⅱ型设置系统相对湿度(RH)70%~95%，当湿度超出此范围后，系统将启动或关闭实施喷水过程，直至湿度符合要求。光照控制系统：采用硅光电池来检测室内的光辐射强度，当室内光照强度低于下限40 000 lx (白桦正常光合作用所需的最低光辐射量)，或高于辐射感应器设置的上限100 000 lx时，分别在其上限或下限输出端输出一触点信号，通过可编程控制器的内部逻辑控制实现自动打开或关闭室内灯控制开关，以满足白桦最大光合效率时的光源要求。CO₂控制系统：通过GMW120型CO₂传感器来检测CO₂浓度，其检测范围为0 ~ 4.57×10^-2 mol·L^-1。本系统将CO₂浓度范围设置为1.45×10^-2 ~ 2.18×10^-2 mol·L^-1。当室内CO₂低于浓度下限或高于浓度上限时系统自动打开或关闭CO₂发生装置(丙烷燃烧器)，以达到自动控制的目的。自控系统数据的显示及处理：采集的数据通过可编程控制器和PPI电缆传输给一台计算机(微机)，通过计算机对数据进行处理和存储，同时利用相应软件对数据进行分析和处理。同时，白桦强化育种园内的采集数据和温、光、湿、水、CO₂及通风装置的瞬时状态以及过程，通过显示屏幕全部实现自动显示和监测。防止温、光、湿、水系统发生故障(或停电使系统失灵)，以上所有各部控制系统都设置了备用的手动控制装置。

1.2 白桦强化繁殖材料的选取

试验材料是经过种源、林分和家系选择后选出的54株精选树的种子培育的1年生超级苗。育苗工作于1998年4月进行，种子采用混沙催芽(图版Ⅰ-3)。当幼苗长到1~2 cm后，于5月中旬移栽到营养杯育苗，9月中旬从中选出平均高为1.5 m以上、地径为0.5 cm以上、干形通直、生长健壮的超级苗木80株(来自34个家系)。1999年3月，按株行距3 m×3 m栽植(图版Ⅰ-4)于东北林业大学(校园内)白桦强化育种园中。

2 白桦强化促进开花结实的措施与效果 2.1 增施CO₂加速营养生长向生殖生长的转化

芬兰强化育种研究证明CO₂是促进欧洲白桦提早开花结实的关键。此外，1992—1999年的试验结果¹⁾²⁾³⁾发现，早6：00以前，由于大棚内温度低、光线弱，光合作用较弱；而9：00以后，太阳光照强度增大，大棚内温度过高，白桦不仅不能正常地进行光合作用，相反，由于过于强烈的蒸腾作用造成光合作用下降。所以，早6：00以前不施放CO₂；6：00—9：00施放CO₂，使其浓度保持在1.59×10^-2 mol·L^-1(为空气中正常CO₂浓度的2倍)；9：00以后将大棚的门窗都打开通风，控制温度在24 ℃左右。这些处理措施可使白桦日光合速率达到最高水平。本次试验中，在1999—2000年2年内，采取相同的处理措施后，强化大棚内的白桦日平均净光合速率分别为对照白桦的2.5倍、3倍CO₂浓度处理白桦的1.5倍。

1) 姜英淑.白桦强化育种研究.东北林业大学硕士学位论文, 1996：35-40

2) 周玉梅.东北白桦促进开花结实技术的研究.东北林业大学硕士学位论文, 1999：28-35

3) 吴月亮.白桦强化育种——花期诱导及成花机理的研究.东北林业大学硕士学位论文, 1999：13-20

2.2 催花素增施促进花芽的分化

通过对白桦成年大树开花前期及盛期内源激素的含量与比例的动态变化²⁾³⁾过程的研究，研制出促使白桦提早开花结实的催花素配方：D₁、D₂、D₃、D₄。此外，发现不同催花素种类(D₁、D₂、D₃、D₄)在不同CO₂浓度(其他措施一定)条件下效果不尽相同。如在4—5月份，CO₂浓度分别为1.59×10^-2、3.18×10^-2和4.77×10^-2 mol·L^-1条件下，催花素D₁效果最为明显；而6月，在1.59×10^-2 mol·L^-1 CO₂处理条件下，以增施催花素D₂为最好，其次为催花素D₃；而在3.18×10^-2和4.77×10^-2 mol·L^-1 CO₂处理条件下，则以催花素D₄效果更佳。本次试验从1999年春季开始，以每株10 L 10 mol·L^-1的催花素D₁施于幼苗(幼树)根部。从2000年5月初开始，在施放催花素D₁的基础上，以每株10 L 10 mol·L^-1催花素D₂、D₃和D₄的混合液对幼苗(幼树)的叶表面每周喷雾2次，至7月中旬为止。结果表明，在CO₂浓度等其他条件相同的情况下，经过这种处理措施后的白桦雌、雄花平均数是根部分别施用D₁、D₂、D₃和D₄平均值的4.8倍。

2.3 物理措施——绞缢促进花芽的分化

前期试验³⁾发现，用铁丝绞缢处理能显著提高白桦提早开花结实的比例。因此，从1999—2000年，每年4月15日—5月15日，用4号铁丝绞缢处理白桦实生苗根部，深及木质部，使其产生瘤状突起。结果表明，在其他措施(CO₂浓度、催花素处理等)相同的条件下，经过绞缢处理后的同一无性系不同分株和同一家系不同分株雌、雄花分化率是对照的2.1倍。

2.4 连续光照促进花芽的分化与开花

由于白桦是长日照植物，所以可以利用全光照进行光周期诱导，促进白桦营养生长及提早开花。因此，根据以往的试验结果¹⁾²⁾³⁾，从1999年开始，每天从晚上6：00至第二天早上6：00，打开全部光源；而在阴天光照不足的情况下，不仅要拉开遮阴网，而且要打开部分光源。这种措施保证大棚内光强绐终保持在60 000 lx以上。结果表明，经过处理后的白桦树高生长为对照的2.5倍，从而加速了白桦花芽的分化。

1) 姜英淑.白桦强化育种研究.东北林业大学硕士学位论文, 1996：35-40

2) 周玉梅.东北白桦促进开花结实技术的研究.东北林业大学硕士学位论文, 1999：28-35

3) 吴月亮.白桦强化育种——花期诱导及成花机理的研究.东北林业大学硕士学位论文, 1999：13-20

2.5 温湿度控制促进开花

前期试验³⁾发现，低温时，白桦就可积累干物质，而随着温度的升高，白桦的光合速率和呼吸速率都在提高，在24 ℃时，净光合速率达到最大值。此外，在光强与温度不变的条件下，相对湿度为80%以上时，白桦的净光合速率最大。因此，在本次试验中控制白桦强化育种园内温度为24 ℃左右，湿度在80%以上，加速了白桦的营养生长，从而为其生殖生长奠定物质基础。

3 结果与讨论 3.1 结果 3.1.1 设计并建立了白桦强化育种园人工生态因子全息时序监测、显示、调控集成配套系统

白桦强化育种园主体框架虽购自芬兰，但芬兰强化育种大棚内各种生态因子是半自动化监控。因此，本项研究突破了室外林木种子园的各种生态因子难以同时控制的制约，并实现了强化育种园内各种生态因子自动采集，从而为揭示白桦提早开花结实的机制提供第一手资料，也为其他林木良种生产的集约式经营和工厂化生产奠定理论基础。

3.1.2 实现了白桦提早开花结实

经过前述一系列的强化处理后，在白桦强化育种园内有17%的2年生白桦幼树少量开花(图版Ⅰ-5)，有70%的3年生白桦幼树大量开花结实(图版Ⅰ-6)。与芬兰目前的强化育种大量结实时间5年以上相比，提前了约2年。开花结实时间的缩短，是提高林木良种生产效益的关键。

3.1.3 研制出促使白桦提早开花结实的5项配套措施

通过试验，实现了白桦提早开花结实，并研究出促进白桦提早开花结实的5项配套措施，即适量CO₂浓度(1.59×10^-2 mol·L^-1)、适当光照强度(60 000~100 000 lx)、适时绞缢处理(4月15日—5月15日)、适宜催花素喷施(不同时期、不同部位的催花素)和适中的温湿度控制(24 ℃，80%相对湿度)，在我国白桦提早开花结实技术研究上有所突破。

3.2 讨论 3.2.1 白桦遗传基础对强化效果的影响

植物成花的早晚是遗传基础和外部环境共同作用的结果。如果植物的遗传背景相同，则处于有利的成花环境(如长日照、CO₂、激素和适宜的温湿度等)，植株成花时间较早；相反如果植株基因型属于晚花型，则即使处于有利的成花环境中，其成花时间也可能晚于基因型属于早花型而处于不利于成花环境中的植株。在前期及本次试验中均发现，即使在白桦强化种子园相同强化条件下，不同家系的强化材料成花结实时间也不相同。如有些家系植株经过强化处理，不到2年时间就有花芽分化，而有的家系(8%)经过3年强化措施处理后仍然没有开花结实，直到第4年才开花结实。这说明强化材料的遗传背景对诱导白桦提早开花结实有重要的影响。

3.2.2 白桦提早开花结实机理的推测

根据以往成花童性假说、激素平衡的理论和C/N比学说(白书农等, 1998)，在白桦强化育种过程中，最适光照、最适CO₂浓度、最适温度和最适湿度处理，其目的是为了积累碳水化合物和促使白桦个体在较短时间内营养物质的含量达到成花所需的水平，而强化措施中绞缢处理也是阻止顶端分生组织中的碳水化合物向下运输，从而使C/N比增加。这与在花芽发端期进行外源施糖和减少氮肥施用，增加C/N比，从而达到诱导开花的目的是一致的。而施加催花素则是直接改变白桦营养生长阶段内源激素的平衡，从而使白桦体内激素的含量变化向有利于花芽分化的方向转变。

随着分子生物学的飞速发展，对高等植物特别是模式植物拟南芥(Arabidopsis)的成花分子机理研究取得了极大的进展。如在拟南芥中克隆到一批决定花序分生组织形成和决定新形成的花原基发育方向的基因，如CONSTANS(Putterill, 1995)和LEAFY(LFY)，此类基因通过控制花序分生组织或花分生组织的形成而影响植物开花时间，因此也称此类基因为成花计时基因。而将拟南芥LEAFY基因以35S::LFY形式转到欧洲山杨(Populus tremula)中(Weigel et al., 1992)，使其成花时间由15年左右缩短到8个月，即转35S::LFY基因的欧洲山杨种子萌发后，经过极短时间的营养生长便转向生殖生长而开花。这与高等植物的成花需经过一段时间的营养积累其个体达到一定大小的假说、激素平衡的理论和C/N比学说等是不一致的，这说明高等植物的成花是一个非常复杂的过程，仅仅通过生理、生化现象的研究远远不能揭示其内在的机制。因此，对强化条件下白桦提早开花结实机制的研究，必须将生理、生化、当代分子生物学技术和模式植物的研究方法和结果相结合，从而有望揭示强化措施促进白桦提早开花结实的机制。