柚木無性系光合生理特征與生長綜合評價

劉炳妤 黃桂華 梁坤南 王西洋 陳天宇 周再知 楊 光

(中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣州 510520)

柚木(TectonagrandisL.f)為馬鞭草科(Verbenaceae)柚木屬(Tectona)高大喬木，天然分布于印度南部與中部、泰國北部、緬甸和老撾，是世界名貴的用材樹種，素有“萬木之王”的美稱，是制造軍艦、碼頭、橋梁、建筑、車廂、家具、雕刻等的高級用材[1～2]。柚木作為速生闊葉珍貴用材樹種，近十年來發(fā)展迅速，盡快選育出更加高效優(yōu)質(zhì)的柚木優(yōu)良新品系，是大力發(fā)展柚木種植業(yè)迫切需要解決的現(xiàn)實問題。

植物在生長過程中是通過光合作用生產(chǎn)有機(jī)物，并在植物體內(nèi)逐漸積累干物質(zhì)。植物光合作用的強(qiáng)弱是其生長快慢的主要衡量指標(biāo)之一[3～4]。研究植物光合生理特征及其與生長的關(guān)系，有助于了解植物生長過程及其對環(huán)境的適應(yīng)性，對植物育種具有重要的指導(dǎo)意義。以提高產(chǎn)量為目標(biāo)的高光效育種研究在作物中已有許多報道[5～7]，林木中相關(guān)的理論與實踐研究主要集中在楊樹上[8～10]。褚延廣等[8]系統(tǒng)地研究了歐洲黑楊基因資源光合作用氣體交換、葉綠素?zé)晒鈪?shù)及其與生長的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)起源于塞爾維亞及其他南歐、東歐的歐洲黑楊可作為楊樹高光效育種選擇的重點。柚木葉片十分寬大，屬強(qiáng)陽性樹種，喜溫好光，培育光能利用率高的柚木新品種也是柚木育種的重要目標(biāo)。當(dāng)前，雖然已開展了單個柚木無性系盆栽苗期對模擬酸雨脅迫的光合響應(yīng)[11]、柚木人工林中不同鄰體干擾強(qiáng)度下的光合生理特征[12]，以及柚木無性系盆栽苗期光合生理的日變化和季節(jié)性變化[13]，但從育種角度出發(fā)，關(guān)于柚木基因資源光合生理特征及其與生長關(guān)系的研究非常有限[14]。本文基于柚木無性系大田測定林，測定評價不同無性系的氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和生長性狀，分析各性狀遺傳變異規(guī)律，揭示柚木光合生理特征與生長的關(guān)系，并篩選出光合效率高的柚木優(yōu)良無性系。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

本研究材料是從印度和緬甸不同種源中選擇優(yōu)樹組培繁殖的19個柚木無性系，并以柚木嫁接種子園中優(yōu)良家系為對照(表1)。2016年3月29日采用1年生苗在廣東省英德市林業(yè)科學(xué)研究所(113°76′51″E，24°24′77″N)營建大田測定林，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，9株(3×3)小區(qū)，6次重復(fù)。帶狀造林，三行一帶，種植帶內(nèi)柚木株行距2 m×2 m，種植帶間距8 m，挖穴規(guī)格：60 cm×60 cm×50 cm，基肥：1.0 kg鈣鎂磷肥+1.5 kg有機(jī)肥。

表1 參試柚木無性系及其來源信息

Table 1 Information of teak clones and their original provenances

造林編號Code無性系Clone選自種源Provenance name16601國內(nèi)西雙版納植物園次生種源(緬甸6601)Domestic Banna botanical garden secondary provenance(Myanmar 6601)271-7印度種源3071India provenance 307137111印度種源3071India provenance 307147114印度種源3071India provenance 307157514國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)67544國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)77549國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)87552國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)97559國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)107663國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)117703國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)127765國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)137772國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)147773國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)157886國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)16CK種子園家系Seed orchard pedigree177024印度種源3070India provenance 3070187551國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)197813國內(nèi)尖峰嶺次生種源(緬甸83044)Domestic Jianfengling secondary provenance (Myanmar 83044)20FS3國內(nèi)尖峰嶺次生種源(印度FS3)Domestic Jianfengling secondary provenance (India FS3)

1.2 指標(biāo)測定

2016年9月21日，測量了試驗林0.5 a生樹高(H)。在天氣晴朗的2016年9月22、23、24日(重復(fù)測定3天)上午8：30～11：30，每個無性系和對照隨機(jī)選擇4株，每株選擇植株頂芽向下數(shù)的第2對同齡向陽功能葉片，采用美國LI-COR公司Li-6400型便攜式光合儀測定瞬時氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)等。測定時利用葉室自動可調(diào)光源1 000 μmol·m-2·s-1，在自然CO2濃度400±15 μmol·mol-1的條件下進(jìn)行，記錄測定葉室溫度為33～38℃。每次測定時，每葉片測定3次穩(wěn)定值取平均值。

同時，采用美國OPTI-sciences公司生產(chǎn)的OS-30P+測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)[15～16]。各參試無性系植株測定葉片同上，測定前用葉片夾進(jìn)行20 min遮光處理，以保證葉片完全進(jìn)入暗適應(yīng)狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

水分利用效率(WUE)按公式WUE=Pn/Tr計算[17]。變異系數(shù)按公式C=S/X計算，式中S為標(biāo)準(zhǔn)差，X為某一指標(biāo)的總體平均值。采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較分析，并對光合參數(shù)、生長指標(biāo)、水分利用率進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 柚木不同無性系氣體交換、葉綠素?zé)晒馀c生長特征

柚木不同無性系氣體交換、葉綠素?zé)晒饧吧L性狀的方差分析結(jié)果見表2，各參數(shù)以及水分利用效率在無性系間都存在極顯著差異。柚木不同無性系氣體交換參數(shù)和水分利用效率鄧肯多重比較見表3，主要參數(shù)Pn、Gs和Tr的平均值范圍為9.61±4.54～19.53±3.40、0.02±0.01～0.09±0.05和1.25±0.76～3.39±1.51 mmol·m-2·s-1；計算出水分利用效率(WUE)在4.69±1.69～15.26±7.15 μmol·mmol-1。葉綠素?zé)晒鈪?shù)(表4)主要參數(shù)ΦPSⅡ、Fv/Fm和NPQ的平均值范圍為0.50±0.05～0.63±0.02、0.77±0.04～0.81±0.01和0.38±0.19～0.85±0.44；0.5 a生樹高平均值范圍為0.43±0.26～0.92±0.36 m。氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、非光化學(xué)淬滅系數(shù)(NPQ)和水分利用效率(WUE)變異系數(shù)較大，在0.511～0.670；PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)變異系數(shù)較小，僅為0.033。以CK為參照，同時控制20%的入選率，篩選出早期生長好的柚木無性系FS3，光合速率高的柚木無性系為71-7和FS3；水分利用效率高的柚木無性系為7703、7024、7552和7813。

表2 柚木不同無性系氣體交換、葉綠素?zé)晒?、水分利用率及生長參數(shù)的方差分析

Table 2 Variance analysis of gas exchange,chlorophyll fluorescence,water use effciency and growth parameters among teak clones

指標(biāo)類別Category指標(biāo)ParameterF值F valueP值P value變異系數(shù)Variation coeffcient氣體交換Gas exchange凈光合速率Pn40.523<0.0001??0.318氣孔導(dǎo)度Gs32.508<0.0001??0.670蒸騰速率Tr34.729<0.0001??0.511葉綠素?zé)晒釩hlorophyⅡ fluoresencePSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm 12.668<0.0001??0.033PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量ΦPSⅡ11.829<0.0001??0.115非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ4.413<0.0001??0.612水分利用效率Water use efficiencyWUE24.082<0.0001??0.548生長Growth樹高H4.446<0.0001??0.335

注：*表示差異顯著(0.05水平)；**表示差異極顯著(0.01水平)。下同。

Note:*indicates a significant difference(0.05 level);**indicates a very significant difference(0.01 level).The same as below.

表3 柚木不同無性系氣體交換參數(shù)和水分利用效率特征值

Table 3 Mean values of gas exchange and water use effciency among teak clones

無性系Clone凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)氣孔導(dǎo)度Gs(μmol·m-2·s-1)蒸騰速率Tr(μmol·m-2·s-1)水分利用效率WUE660115.55±4.36e0.05±0.02def2.28±0.89cde7.43±2.54fjh71-719.53±3.40a0.05±0.01bcd2.64±0.67b7.67±1.45efjh711116.95±3.33cd0.05±0.01bcd2.74±0.72b6.37±1.39h711417.15±4.77cd0.04±0.02efg2.10±0.90e8.96±2.54cde751414.90±3.00e0.04±0.01gh1.79±0.64fg9.32±3.29cd754412.87±4.76fg0.03±0.02gh1.76±0.90fg9.05±4.36cde754915.45±4.86e0.06±0.03bc2.61±1.13b6.81±3.07jh75529.61±4.54i0.02±0.01i1.25±0.76h10.31±8.57c755912.79±3.72fg0.05±0.03def2.12±1.07e6.79±2.03jh766317.89±3.01bc0.05±0.02de2.48±0.88bcd9.06±8.18cde770314.97±3.51e0.03±0.02gh1.35±0.79h15.26±7.15a776511.23±2.99h0.03±0.01hi1.45±0.62h8.93±3.61cde777211.75±4.54gh0.03±0.02gh1.81±0.84f7.27±2.84fjh777317.14±3.76cd0.05±0.01bcd2.18±0.52de8.25±2.07defj788613.26±4.41f0.08±0.06a3.11±1.38a4.69±1.69iCK18.89±4.75ab0.06±0.04b2.53±1.12bc8.47±2.61def702415.88±2.89de0.04±0.02fg1.49±0.71gh12.78±4.6b755115.46±2.64e0.05±0.03cd2.24±1.11cde8.34±3.59def781311.95±4.02fgh0.03±0.01hi1.38±0.58h10.30±4.70cFS318.89±4.84ab0.09±0.05a3.39±1.51a6.59±2.91h

注：表中字母相同說明差異不顯著，字母不同表示差異顯著(0.05水平)，下同。

Note:Same letters indicate that the difference is not significant, and different letters indicate a significant difference(0.05 level).The same as below.

表4 柚木不同無性系葉綠素?zé)晒鈪?shù)和樹高特征值

Table 4 Mean values of chlorophyll fluorescence and tree height among teak clones

無性系ClonePSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率ΦPSⅡPSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ樹高H(m)66010.51±0.05ghi0.79±0.01b0.53±0.29cdef0.67±0.37bcd71-70.54±0.04defg0.81±0.01a0.50±0.21ef0.62±0.43dce71110.54±0.03def0.78±0.02bcd0.45±0.16ef0.43±0.26e71140.54±0.04defgh0.81±0.01a0.54±0.36cdef0.85±0.44ab75140.52±0.05efghi0.8±0.02a0.56±0.31cdef0.67±0.41bcd75440.50±0.08hi0.78±0.02bcd0.73±0.47abc0.88±0.44ab75490.58±0.04bc0.78±0.03bcd0.41±0.21ef0.53±0.37cde75520.50±0.05i0.76±0.02f0.53±0.31def0.66±0.37bcd75590.53±0.09defgh0.77±0.03def0.57±0.35bcdef0.68±0.35bcd76630.54±0.04def0.80±0.01a0.45±0.22ef0.46±0.24de77030.60±0.04ab0.77±0.04f0.70±0.32abcd0.62±0.31cde77650.51±0.04fghi0.79±0.03b0.43±0.21ef0.60±0.31cde77720.55±0.06cde0.78±0.01bc0.46±0.34ef0.55±0.33cde77730.63±0.02a0.77±0.03cdef0.38±0.19f0.58±0.36cde78860.56±0.06cd0.77±0.02def0.45±0.33ef0.53±0.39cdeCK0.58±0.06bc0.77±0.02ef0.41±0.28ef0.86±0.45ab70240.59±0.07b0.78±0.02bcde0.76±0.5ab0.70±0.33abc75510.53±0.07defghi0.77±0.03def0.85±0.44a0.84±0.46ab78130.51±0.06ghi0.79±0.02b0.61±0.34bcde0.72±0.38abcFS30.56±0.03cd0.79±0.01b0.55±0.14cdef0.92±0.36a

2.2 柚木不同種源氣體交換、葉綠素?zé)晒馀c生長特征

如表5顯示，氣體交換、葉綠素?zé)晒饧吧L參數(shù)在柚木不同種源間都存在極顯著差異。如表6～7顯示，尖峰國內(nèi)次生種源(印度FS3)和CK的凈光合速率Pn最高，其次是種源3071，三者差異不顯著；尖峰國內(nèi)次生種源(印度FS3)的Gs和Tr值也最高，而印度種源3070的水分利用效率、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率最高，印度種源3071的PSⅡ最大光化學(xué)效率最高，尖峰國內(nèi)次生種源(印度FS3)樹高生長最優(yōu)。從種源水平來看，尖峰國內(nèi)次生種源(印度FS3)、印度種源3071和3070為光合效率高的柚木種源；從不同國家的柚木種質(zhì)資源來看，來自印度的柚木資源光合效率優(yōu)于來自緬甸的柚木資源。

表5 柚木不同種源氣體交換、葉綠素?zé)晒?、水分利用率及生長參數(shù)的方差分析

Table 5 Variance analysis of gas exchange, chlorophyll fluorescence, water use effciency and growth parameters among teak provenances

指標(biāo)類別Category指標(biāo)ParameterF值F valueP值P value氣體交換Gas exchange凈光合速率Pn63.772<0.0001??氣孔導(dǎo)度Gs38.207<0.0001??蒸騰速率Tr45.012<0.0001??葉綠素?zé)晒釩hlorophyⅡ fluoresencePSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm13.598<0.0001??PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量ΦPSⅡ7.379<0.0001??非光化學(xué)淬滅系數(shù)NPQ3.3310.006??水分利用效率Water use efficiencyWUE19.520<0.0001??生長Growth樹高H3.6360.003??

表6 柚木不同種源氣體交換參數(shù)和水分利用效率特征值

表7 柚木不同種源葉綠素?zé)晒鈪?shù)和樹高特征值

表8 柚木無性系氣體交換、葉綠素?zé)晒?、水分利用效率與生長參數(shù)的相關(guān)性分析

Table 8 Correlation analysis among gas exchange,chlorophyⅡ fluorescence,WUE and growth parameters of teak clones

指標(biāo)類別Category指標(biāo)Index氣體交換Gas exchange葉綠素?zé)晒釩hlorophyⅡ fluoresence水分利用效率Water use efficiency生長GrowthPnGsTrΦPSⅡFv/FmNPQWUEH氣體交換Gas exchangePnGs0.604??Tr0.641??0.947??葉綠素?zé)晒釩hlorophyⅡ fluoresenceΦPSⅡ0.482?0.4160.234Fv/Fm0.394-0.0630.15-0.268NPQ-0.144-0.29-0.383-0.185-0.135水分利用效率Water use efficiencyWUE-0.123 -0.617??-0.748?? 0.172-0.1030.522?生長GrowthH0.1210.047-0.042-0.161-0.0270.513?0.144

2.3 柚木無性系光合特征、水分利用效率與生長的相關(guān)性

柚木無性系各參數(shù)的相關(guān)性分析表明(表8)，凈光合速率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)，與PSⅡ?qū)嶋H量子產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，但與樹高沒有顯著正相關(guān)。

柚木無性系氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)，說明氣孔導(dǎo)度大，有利于蒸騰作用。但是，水分利用效率與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明氣孔導(dǎo)度大，蒸騰作用強(qiáng)的柚木資源，其水分利用效率低。另外，柚木無性系水分利用效率、樹高與非光化學(xué)淬滅系數(shù)呈顯著正相關(guān)。

2.4 柚木無性系凈光合速率和樹高的聚類分析

用 SPSS軟件以歐氏距離尺度對20個柚木無性系的凈光合速率和樹高均值進(jìn)行聚類分析。根據(jù)分析結(jié)果將20個柚木無性系分為5類(圖1)。第一類是CK、FS3、71-7，第二類是7114、7663、7111、7773，第三類是7514、7703、7551、6601、7549、7024，第四類是7544、7559、7886、7772、7813、7765，第五類是7552。由表9可以看出，第一類柚木無性系的凈光合速率與樹高均為最高。

表9 柚木無性系凈光合速率與樹高聚類分析結(jié)果

Table 9 The result ofPnand tree height Cluster analysis among teak clones

類型Category凈光合速率Pn(μmol·m-2·s-1)樹高H(m)119.1060.803217.2830.585315.3680.677412.3110.66759.6100.669

圖1 柚木無性系凈光合速率與樹高的系統(tǒng)聚類圖Fig.1 Cluster analysis of Pn and tree height among teak clones

3 討論

植物的生長、產(chǎn)量與光合生理密切相關(guān)[3～4]，植物的光合生理受遺傳控制和立地因子的影響，正是遺傳與立地的相互作用影響著植物的生理和生長[19]。目前，已有較多關(guān)于脅迫環(huán)境對林木光合生理影響的研究[20～23]。從育種角度出發(fā)，前期對柚木無性系多點大田測定生長性狀進(jìn)行了分析評價[24]，本研究重點研究柚木基因資源的光合生理特征及其與生長的關(guān)系，為柚木育種的早期快速評價提供了借鑒和參考，對今后柚木資源的引種、改良和利用具有重要的理論意義和實踐意義。

本研究結(jié)果表明，氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)以及樹高在柚木無性系間都存在極顯著差異，除了PSⅡ最大光化學(xué)效率Fv/Fm(0.033)變異系數(shù)較小外，其他各參數(shù)的變異系數(shù)(0.115～0.670)均較大，說明柚木不同基因型在這些性狀上存在廣泛的變異，這為柚木高光效新品種的培育提供了理論基礎(chǔ)與基因資源。早期初步篩選出無性系71-7和FS3具有較高的凈光合速率。進(jìn)一步分析表明：柚木不同種源氣體交換、葉綠素?zé)晒夂蜕L參數(shù)都具有豐富的變異。從柚木不同種源來看，尖峰國內(nèi)次生種源(印度FS3)、印度種源3071和3070為光合效率高的柚木種源；從不同國家來看，起源于印度的柚木種質(zhì)資源具有相對高的光合效率，這與黃桂華等[14]研究結(jié)果一致。但是，前期大田測定結(jié)果顯示，選自緬甸柚木種源的無性系耐寒性、適應(yīng)性和生長普遍優(yōu)于來自印度的無性系。印度與緬甸雖然均處于熱帶季風(fēng)氣候，但其地理位置相差較大，受不同洋流的影響，氣象條件不同，并且不同的立地條件、土壤性質(zhì)導(dǎo)致兩個種源的柚木生長特性差異明顯，其深層次的原因，有待收集更多的柚木種源、無性系，開展不同立地條件的多地點測定，從生長、光合生理和立地因子進(jìn)行綜合全面的解析。本研究與前期研究[14]一致發(fā)現(xiàn)，大田自然生長柚木的光合速率明顯高于盆栽柚木無性系光合速率，可見盆栽柚木在根系空間和水分利用上受到了一定程度的脅迫，抑制了光合作用和生長速度。另外，本研究柚木PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)遺傳變異系數(shù)相對其他光合生理指標(biāo)較小，這與歐洲黑楊無性系的光合生理特征相似[8]。

相關(guān)性分析表明，本研究大田柚木凈光合速率等光合參數(shù)與樹高沒有顯著正相關(guān)。黃桂華等[14]研究的苗圃盆栽柚木無性系光合速率與苗高顯著正相關(guān)，而和同批無性系大田的樹高沒有顯著正相關(guān)，二者結(jié)果也相互吻合。這點和歐洲黑楊基因資源光合與生長的研究結(jié)果相同[8]，其他樹種研究也得出了類似的結(jié)論[25～26]。因此，通過光合生理特征進(jìn)行柚木無性系早期選擇，需要結(jié)合柚木大田生長測定的結(jié)果。

相關(guān)性分析還表明，水分利用率和蒸騰速率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)達(dá)到一天蒸騰速率高值時，水分利用率可能會下降。這與黃桂華等[13]在廣州8月和10月測得柚木無性系凈光合速率的日變化為雙峰曲線而出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象相吻合，可知夏季晴天中午光照強(qiáng)，溫度高時，蒸騰過于旺盛，水分利用率由高降低，生長可能會受到影響。

本研究柚木凈光合速率和氣孔導(dǎo)度極顯著正相關(guān)，這也與前期研究[14]認(rèn)為柚木凈光合速率主要受氣孔因素控制的結(jié)果一致。但同時植物動態(tài)光合作用不僅受自身氣孔、葉綠素含量等遺傳因素的影響，還受到CO2濃度、光照、養(yǎng)分、溫度、水分等多因素綜合作用，是植物內(nèi)因和外因及其互作的復(fù)雜過程[27]。

本研究柚木無性系凈光合速率差異遠(yuǎn)大于歐洲黑楊無性系[8]和美洲黑楊無性系[9]，這是由柚木不同無性系光合生理遺傳差異所決定，還是由于其他原因所導(dǎo)致，需要深入研究。另外，樹木生長受光合效率和光合面積的共同制約[28～29]，下一步還需要測定柚木不同無性系的單株葉面積，才能評選出真正光能利用率高的優(yōu)良無性系。最后，有待進(jìn)一步開展更多種源、更多無性系的光合生理與大田生長性狀遺傳變異規(guī)律的研究，進(jìn)行多地點的光合生理和生長性狀相結(jié)合分析。