灰楸不同雜交組合雜種后代葉片特征與光合能力的關(guān)系

郭小龍 趙秋玲 張 晶

（1. 甘肅省小隴山林業(yè)實驗局林業(yè)科學研究所，甘肅 天水 741022；2. 甘肅省次生林培育重點實驗室，甘肅 天水 7410223；3. 甘肅省小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，甘肅 天水 741022）

灰楸（Catalpa fargesi）為紫葳科（Bignoniaceae）梓樹屬（Catalpa）樹種，和楸樹（Catalpa bungei）、滇楸（Catalpa fargesii）同為梓樹屬的姐妹種，常與楸樹混生，素有“北方杉木”之稱，與臭椿（Ailanthus altissima）、國槐（Styphnolobium japonicum）和白榆（Ulmus pumila）齊名，被譽為“四大金剛”。主要分布在我國西部渭河、涇河、汾河、黃河流域及秦嶺山地，生于坡麓、溝谷及溝沿地帶，具有適應性強、耐寒、耐旱、耐瘠薄、材質(zhì)優(yōu)良、用途廣泛、易加工和病蟲害少等特點，是重要的珍貴用材樹種和甘肅省西部的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種[1]。

雜交育種是利用種間和種內(nèi)的各個層次的遺傳變異，通過控制授粉、雜種測定與選育，獲得優(yōu)良新品種的主要途徑[2]。楸樹的雜交育種工作始于20世紀70年代，40多年來我國楸樹雜交育種在理論和實踐上取得的成就顯著，選育的雜種苗在生長、抗病性和適應性等方面雜種優(yōu)勢明顯[3-6]，如‘洛楸’‘宛楸’等楸樹雜交良種被大量應用于示范推廣[7-9]。鑒于此，2007年甘肅小隴山林科所開始與中國林業(yè)科學研究院林業(yè)科學研究所合作，以灰楸為母本，楸樹、滇楸、灰楸為父本，采用不完全雙列雜交，開展了灰楸人工控制雜交育種和親本配合力測定，并對雜種苗進行了初步選擇，為獲得灰楸種間新種質(zhì)奠定了基礎(chǔ)[10-11]。以上雜種的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在速生、材性、抗逆、適應性等方面，沒有把光合能力作為遺傳改良目標進行研究。林木雜種優(yōu)勢是生物界普遍存在的生物學現(xiàn)象，而在雜交種植物的生長、光合能力以及對逆境的適應性中又以光合作用的優(yōu)勢最重要[2]，光合性能優(yōu)勢的高低是林木品種選育和判斷逆境高光效雜種優(yōu)勢強弱的主要評價指標，光合能力的強弱與葉片的凈光合速率有關(guān)，也與光合作用的葉片質(zhì)量（面積、比葉質(zhì)量、葉綠素含量）、葉片結(jié)構(gòu)和葉齡相關(guān)[12-14]。過去也有對楸樹不同雜交組合的苗期性狀遺傳變異報道，但鮮有對其葉片特征與光合機構(gòu)性能關(guān)系的研究。本研究以灰楸為母本，楸樹、滇楸、灰楸為父本雜交組合的2年生實生苗為材料，研究了不同雜交組合苗木的葉片特征和光合特性差異，旨在明晰灰楸的種間和種內(nèi)雜種的光合能力差異，以及與葉片質(zhì)量存在怎樣的潛在關(guān)系，對于提高灰楸雜交育種光能利用效率和揭示雜交后代生長優(yōu)勢形成機理具有重要意義。同時生產(chǎn)者可根據(jù)培育目標，選擇雜交親本，減少雜交育種的盲目性。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點設(shè)在甘肅省小隴山林科所綜合實驗基地，位于秦嶺北坡；渭河支流川臺區(qū)，地處東經(jīng)105°54′37″，北緯34°28′50″，海拔1 160 m。年降雨量600～800 mm，年蒸發(fā)量1 290.0 mm，年平均氣溫10.7 ℃，≥10 ℃積溫3 359.0 ℃，年最高氣溫40 ℃，年最低氣溫-19.2 ℃。

1.2 雜種無性系的來源及試驗設(shè)計

2008年中國林科院與小隴山林業(yè)科學研究所采用雜交制種的方法，進行了以灰楸為母本，滇楸、楸樹和灰楸為父本的雜交育種研究，共獲得29個雜交組合（表1）。2009年播種，2010年3月5日從播種獲得的雜種實生苗中選擇超級苗，每個組合選出36株進行移栽。每個小區(qū)9株，4次重復，株行距為50 cm×50 cm。

表 1 雜交組合設(shè)計Table 1 Hybrid combination design

1.3 測定方法

1.3.1葉片特征指標及比葉質(zhì)量測定

2010年8月上旬，從每個組合的每個重復中選擇3個實生苗，采集倒數(shù)第4～6輪的每輪3片葉，參考趙秋玲等[1]方法測量葉片長、葉片寬、葉柄長，葉面積和比葉質(zhì)量。

1.3.2光合指標測定

使用Li-6400XT便攜式光合作用分析系統(tǒng)（Li-COR，美國），于2010年8月上旬9：00—11：00對29個灰楸不同雜交組合苗木進行光合指標測定。每個組合各取3株健康、長勢一致的植株（株高、基徑和冠幅基本相似），每株測定3～5片葉。測定時使用紅藍光源葉室光強設(shè)置為1 200 μmol/(m2·s)，葉溫設(shè)定為25 ℃，相對濕度為 (44.5±5.0)%，大氣CO2濃度為(370±10) mmol/mol。

1.3.3葉綠素含量測定

葉綠素測定方法采用張玉玉等[15]丙酮法。樣品采用每個雜交組合每個分生株葉片特征測定完的葉片。

1.4 分析方法

采用單因素方差分析比較不同雜交組合雜種后代某一測定指標的差異顯著性，多重比較采用LSD法，所有數(shù)據(jù)用SPSS 20.0軟件進行分析。按公式（1）和（2）計算遺傳力（H2）和變異系數(shù)（C）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雜交組合雜種后代葉片性狀差異分析

由表2可知，葉長、葉寬、葉柄長、葉長/葉寬、葉面積、比葉質(zhì)量6個葉片性狀差異顯著（P<0.05）?；议彪s葉片的葉長、葉寬、葉面積的變異系數(shù)大于灰滇雜和灰灰雜，葉柄長、葉長/葉寬的變異系數(shù)小于灰滇雜和灰灰雜，比葉質(zhì)量的變異系數(shù)最小，差異不大。遺傳力最大的為葉面積，最小的為葉寬，這說明灰楸種間、種內(nèi)雜交的葉片性狀遺傳變異豐富，葉面積遺傳變異豐富高于其他指標。

灰楸雜、灰滇雜的葉型（葉長/葉寬）平均值分別為1.30和1.22（表2），比灰灰雜高16.07%和8.93%，表明灰楸雜、灰滇雜葉片為橢圓型，灰灰雜為近圓形。不同雜交組合雜種后代灰滇雜的葉面積分別顯著大于灰楸雜10.6%和灰灰雜35.5%（P<0.05）。葉長最大的為灰楸雜，葉寬最大的為灰滇雜，葉柄長和比葉質(zhì)量差異不大。從29個雜種后代葉片性狀的多重比較（表3）看，4個母本中，董水黃莊為母本的雜交組合后代的葉面積分別大于石家莊2.54%、高家莊8.21%、廖家莊19.19%。雜交組合6號的葉長最長，比平均值長22.34%，21號的葉寬最寬，比平均值寬19.59%，11號的葉柄最長，比平均值長18.52%，葉面積最大的為15號組合，比平均值大25.06%，比葉質(zhì)量最大的為2號。葉面積和比葉質(zhì)量都較大的雜交后代有1號、6號、9號、10號、11號、13號、14號、15號、17號?？傊?，父本不同的雜交組合，葉片性狀的變異趨勢為滇楸>楸樹>灰楸。從母本起源看，以董水黃莊和石家莊為母本的雜交組合葉面積、比葉質(zhì)量高于以高家莊和廖家莊為地理起源的母本雜交組合。

2.2 不同雜交組合雜種后代光合參數(shù)的比較

由表4可知，灰楸×楸樹、灰楸×滇楸、灰楸×灰楸5個光合參數(shù)具有顯著差異（P<0.05）。最大凈光合速率的變異系數(shù)大于其他光合指標，灰灰雜大于灰楸雜和灰滇雜。從不同雜交類型看，以滇楸為父本的雜交組合的最大凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率3個光合參數(shù)均顯著大于以楸樹、灰楸為父本的雜交組合（P<0.05），分別高于灰楸雜3.99%、6.85%、3.91%，灰灰雜49.37%、15.24%、6.41%。胞間CO2濃度和水分利用效率2個光合參數(shù)灰灰雜分別高于灰楸雜10.98%、12.17%，灰滇雜91.23%、31.27%。同一母本，不同父本的雜交組合，光合指標參數(shù)變異趨勢為滇楸>楸樹>灰楸。同一父本，不同母本的雜交組合，石家莊母本雜交的組合高于其他的母本。29個不同雜交組合中董水黃莊、高家莊選擇的母本雜交組合的光合參數(shù)高于廖家莊及石家莊（除6、7、13、14、15）選擇的母本（表5）。雜交組合9號的最大凈光合速率最高（22.84 μmol/(m2·s)），29號 最 低（10.39 μmol/(m2·s)），光 合能力較好（最大凈光合速率大于18.0 μmol/(m2·s)）的雜交組合后代有1號、3號、5號、6號、17號、8號、9號、10號、11號、12號、13號、14號、15號、16號。總體來看，灰楸種間雜交的光合能力高于種內(nèi)雜交，母本相同，其父本來源地日照時間短的光合能力高于日照時間長的，同一父本，董水黃莊和高家莊母本的光合能力高于石家莊和廖家莊，因此，從灰楸雜交父本來看，滇楸對秦嶺山地（渭河流域）具有更強適應性，致使其合能力顯著優(yōu)于楸樹和灰楸（P<0.05）。

表 3 不同雜交組合雜種后代葉片性狀的多重比較Table 3 Multiple comparison of leaf traits in hybrid progenies of different hybrid combinations

表 4 不同雜交組合雜種后代光合參數(shù)分析Table 4 Analysis of photosynthetic parameters of hybrid progenies of different hybrid combinations

表 5 29個雜種后代光合參數(shù)的多重比較Table 5 Multiple comparisons of photosynthetic parameters among 29 hybrid progenyies

2.3 不同雜交組合雜種后代葉綠素含量比較

由圖1a可知，以楸樹為父本的雜交組合的葉綠素含量3個參數(shù)都高于以滇楸和灰楸為父本的雜交組合?；议彪s的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b分別大于灰滇雜28.57%、23.02%、26.61%和灰灰雜33.33%、35.71%、34.15%。同一母本，不同父本的雜交組合中，1號、2號、3號的葉綠素含量（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b）大于9號、10號、11號和28號（圖1b、圖1c、圖1d），葉綠素含量變異趨勢為楸樹>滇楸>灰楸。同一父本，母本不同的雜交組合，灰楸雜組合中，2號和3號的葉綠素含量高于7號，5號高于8號，灰滇雜組合中，14號高于9號，灰灰雜中，28號高于21號，即董水黃莊、高家莊選擇的母本雜交組合的葉綠素含量高于石家莊、廖家莊選擇的母本雜交組合，但其差異不顯著。29個雜交組合雜交后代中，葉綠素含量大4.0 g/L的有1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號、9號、10號、11號、12號、14號、15號、16號。

圖 1 不同雜交組合雜種后代葉綠素含量Fig. 1 Chlorophyll content of hybrid progenies of different hybrid combinations

2.4 不同雜交組合雜種后代葉片性狀與光合能力的相關(guān)性分析

由表6可知，光合氣體交換參數(shù)看，最大凈光合速率與葉綠素a+b，葉長、葉面積及比葉質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（P<0.05）；與葉寬、葉柄長呈顯著正相關(guān)（P<0.05），氣孔導度與葉長、比葉質(zhì)量呈極顯著相關(guān)性（P<0.01）；與葉面積呈顯著正相關(guān)（P<0.05），胞間CO2濃度與葉綠素a+b、葉型、比葉質(zhì)量呈顯著負相關(guān)（P<0.05）；水分利用效率與葉綠素a+b，葉長、葉型、葉面積和比葉質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。蒸騰速率均與葉片性狀無關(guān)。由表7來看，最大凈光合速率與葉面積呈一元二次回歸相關(guān)，比葉質(zhì)量呈冪函數(shù)回歸相關(guān)，葉綠素含量呈指數(shù)相關(guān)，回歸相關(guān)方程不一致。即最大凈光合速率隨著葉面積、比葉質(zhì)量、葉綠素含量的增加而增加，但是當比葉質(zhì)量小于38 g/cm2和大于50 g/cm2時，葉綠素含量小于3.5 g/L和大于5.0 g/L時，最大凈光合速率與比葉質(zhì)量、葉綠素含量之間不存在這種關(guān)系，說明在一定范圍內(nèi)，比葉質(zhì)量越大，葉綠素含量越多，最大凈光合速率越強。

表 6 葉片性狀和葉綠素含量與光合參數(shù)相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of leaf characters with photosynthetic parameters and chlorophyll content

表 7 最大凈光合速率與葉面積、比葉質(zhì)量、葉綠素含量的回歸方程Table 7 Regression equation of maximum net photosynthetic rate with leaf area, specific leaf weight and chlorophyll content

3 結(jié)論與討論

雜種優(yōu)勢是指2個遺傳組成不同的親本雜交產(chǎn)生的F1代植株在一種或多種性狀上優(yōu)于雙親的現(xiàn)象[16]。在現(xiàn)代育種中雜種優(yōu)勢的利用在農(nóng)作物和林木中成果顯著，且前大多研究成果表明，雜交種的光合能力明顯高于親本[17]。如農(nóng)作物中的水稻（Oryza sativa）F1雜種[18]、玉米（Zea mays）雜種[19]、大豆（Glycine max）雜種[20]光合能力存在廣泛的雜種優(yōu)勢現(xiàn)象，林木中的雜交鵝掌 楸（L. chinense×L. tulipifera）[21]、日 本 落葉松×長白落葉松（L. kaempferi×L. olgensis）[22]、鄉(xiāng)土風箱果×紫葉風箱果（Physocarpus amurensis×Physocarpus opulifolius）[23]、毛泡桐×白花泡桐（P. tomentosa×P. fortunei）[24]等雜交后代的光合能力具有高于親本的雜種優(yōu)勢。本研究所創(chuàng)制的灰滇雜、灰楸雜雜種在光合能力上具有顯著的差異，其光合速率都高于其母本灰楸，雜種后代遺傳了其父本的高光合速率特性，種間雜種比種內(nèi)雜種更能體現(xiàn)高光和的能力，具有明顯的雜種優(yōu)勢。不同父本與同一母本的雜交組合，日照時間短的光合能力高于日照時間長的，從父本楸樹、滇楸和灰楸分布區(qū)的氣候條件看，楸樹分布于中原地區(qū)（年均日照時長2 009.4 h，年均降雨量798 mm），滇楸分布于西南地區(qū)（年均日照時長1 148.3 h，年均降雨量1 128 mm）[25]，灰楸分布于渭河流域（年均日照時長1 916.5 h，年均降雨量700 mm），三者具有完全不同的生長環(huán)境，灰滇雜對本地環(huán)境（渭河流域）具有更強適應性致使其光合能力顯著優(yōu)于灰楸雜和灰灰雜，相對于云貴高原，渭河流域更長的日照時間可能是促使灰楸×滇楸形成高光合能力的原因，這一結(jié)果與肖遙等[25]對楸樹種內(nèi)雜種、周連杰等[26]對小麥及其雜交后代的研究結(jié)果相類似，說明只有適合當?shù)貧夂驐l件才能發(fā)揮光合能力的雜種優(yōu)勢。在水分和陽光充足，溫度適宜的良好條件下，植物常具有較高的光合速率，能夠快速生長[27-28]。因此在考慮灰楸遠緣雜交育種和光合雜種優(yōu)勢的利用時，雜交類型選用適宜當?shù)氐姆N間雜交（灰滇雜交）。以減少灰楸基因重組（雜交）育種親本選配的盲目性，充分利用灰楸的適應性，將楸樹和滇楸的速生性融入灰楸，提高育種的預見性和雜種優(yōu)勢。

灰楸作為一種優(yōu)質(zhì)珍貴闊葉樹種，對其雜交親本的選擇不僅要考慮其生長和光合能力，葉片質(zhì)量同樣重要。目前，農(nóng)作物的超高產(chǎn)育種和林木育種是以高光效育種結(jié)合雜種優(yōu)勢為育種路線，如黑龍江農(nóng)科院大豆研究所獲得的黑農(nóng)39、黑農(nóng)40、黑農(nóng)41大豆雜交品種[29]、廣東省農(nóng)科院獲得的水稻高光效品種葉青倫56[30]、日本落葉松×長白落葉松雜種[23]、巴西橡膠樹（Hevea brasiliensis）[31]等的高光效選育中，都通過篩選相關(guān)指標作為高光效育種的形態(tài)指標，從而獲得高光效育種新品種。本實驗中，葉面積、比葉質(zhì)量能夠準確的反應灰楸種間和種內(nèi)雜種后代的葉片質(zhì)量，而葉片質(zhì)量能較好地反映不同雜交組合后代的基本生物學特性，結(jié)合葉面積性狀雜種優(yōu)勢表現(xiàn)，初步對29個雜種后代進行葉片質(zhì)量綜合評價，并根據(jù)葉面積、比葉質(zhì)量選育出葉面積大于300 cm2，比葉質(zhì)量大于40 g/L的9個優(yōu)良雜種后代（1號、6號、9號、10號、11號、13號、14號、15號、17號），與整體均值相比，初選的雜種后代葉片質(zhì)量都有不同程度的提高，其中葉面積的增益為17.12%，比葉質(zhì)量的增益為4.43%。為選育兼具光合能力和葉片質(zhì)量的雜交后代，以初選的優(yōu)良雜種后代結(jié)合光合能力前十的雜種后代選出的共有雜種后代為9號、10號、11號、14號、15號，其中葉面積的增益為14.91%，比葉質(zhì)量的增益為5.71%，光合能力的增益為23.8%，這些作為灰楸新品種進行栽培，通過苗期潛在生長優(yōu)勢的綜合選育，以提高育種效率。

灰楸雜和灰滇雜葉片形狀為橢圓型，灰灰雜為近圓形，灰楸種間雜交的光合能力、葉面積、葉綠素含量都大于其種內(nèi)雜交，母本相同，其父本滇楸對秦嶺山地（渭河流域）具有更強適應性。同一父本，母本不同的雜交組合，光合能力、葉面積、比葉質(zhì)量相對來說董水黃莊和石家莊的母本雜交的組合高于高家莊和廖家莊的母本。結(jié)合葉片質(zhì)量和光合能力綜合評價，初選出5個（9號、10號、11號、14號、15號）具有雜種優(yōu)勢的雜交后代，其葉面積、比葉質(zhì)量、光合能力的平均值與29個雜種后代平均值的增益分別為14.91%、5.71%，23.8%。