5種引進(jìn)意大利黑楊無性系幼苗抗旱性研究

俞永瑋，程瑋哲，高建社，周永學(xué)，樊軍鋒

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

楊樹(Populus)因其種類繁多、生長快、抗逆性強(qiáng)、能無性繁殖等特點(diǎn)，在我國干旱、半干旱地區(qū)均有栽種，是我國北方常見的造林樹種，也是較好的商業(yè)用材樹種[1]。由于我國大部分地區(qū)降水不均衡，林木生長受干旱脅迫的影響較大[2]。因此，對(duì)楊樹抗旱性進(jìn)行深入研究，選育出較強(qiáng)抗旱性楊樹樹種，對(duì)我國楊木生產(chǎn)加工需求和生態(tài)保護(hù)方面均有重要意義[3]。本研究所選用La、Pa、Ta、Ti和Qg為引進(jìn)的意大利優(yōu)良黑楊無性系，中林46楊系我國林科院雜交選育的優(yōu)良黑楊無性系，107楊是我國分布較廣的重要產(chǎn)材樹種，其中La、Ta、Ti、107楊和中林46楊為歐美楊(Populus×euramericana)，Qg、Pa為美洲黑楊(Populusdelloides)。7種黑楊無性系均有易扦插、生長快等特點(diǎn)。本次試驗(yàn)通過用人工盆栽控水方法，測(cè)定各無性系幼苗生理生長指標(biāo)，探究干旱脅迫對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響，結(jié)合主成分分析法并聚類，比較篩選出強(qiáng)抗旱性品種，以便后期合理選擇雜交育種親本組合，為黑楊的抗旱品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)材料系新引進(jìn)意大利優(yōu)良黑楊無性系品種La、Pa、Ta、Ti、Qg，以107楊和中林46楊為對(duì)照。經(jīng)西北農(nóng)林科技大學(xué)渭河試驗(yàn)站擴(kuò)繁，選取1年生地徑在1.5～2.0 cm的各無性系幼苗，截取15 cm的插穗作為扦插材料。

1.2 試驗(yàn)方法

將截取的各無性系插穗于2019年3月14日扦插于直徑為30 cm的花盆中，土壤為田間持水量25%的關(guān)中平原塿土[4]。每盆裝土10 kg，放置在西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院試驗(yàn)大棚，通風(fēng)良好，避免降雨影響試驗(yàn)結(jié)果。在保持充分的水分條件下使其正常生長，并于6月15日進(jìn)行控水處理。設(shè)置3種干旱脅迫梯度：正常水分(CK)100%(占扦插土壤田間持水量的百分比)；輕度干旱脅迫(處理Ⅰ)60%；重度干旱脅迫(處理Ⅱ)30%。每個(gè)梯度3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3盆，共計(jì)27盆，采用完全隨機(jī)區(qū)組排列。通過人工稱重控水方法，于每天8:00和18:00對(duì)扦插幼苗補(bǔ)水，使其保持在梯度標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。控水45 d后測(cè)定各無性系相關(guān)指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

用測(cè)量、稱重法測(cè)定各無性系幼苗生長指標(biāo)[5]；飽和含水量法測(cè)定葉片相對(duì)含水量[6]；葉面積儀測(cè)定總?cè)~面積，進(jìn)而求得單葉面積(總?cè)~面積/葉片數(shù)量)[7]。凈光合速率使用Li-6400型的光合測(cè)定儀測(cè)定；茚三酮顯色法測(cè)定葉片游離脯氨酸含量[8]。細(xì)胞膜透性可用葉片細(xì)胞相對(duì)電導(dǎo)率來表示[9]。水分利用效率(WUE)以單株地上部分干質(zhì)量與其同期蒸騰耗水量(等同條件下的空盆對(duì)照稱重可得)之比來表示[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理分析使用Excel，用SPSS軟件對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析、主成分分析、聚類分析，并結(jié)合隸屬函數(shù)法進(jìn)行各無性系抗旱性評(píng)價(jià)[11]。相關(guān)公式如下：

1)隸屬函數(shù)值

(1)

(2)

式中，U(Xi)為隸屬函數(shù)值，Xi為無性系某項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定值；Xmax、Xmin為所有參試無性系中某一指標(biāo)的最大值和最小值。

2)主因子權(quán)重

(3)

式中，Wi表示第i個(gè)因子在所有公因子中的重要程度，Pi表示各無性系第i個(gè)因子的貢獻(xiàn)率。

3)綜合評(píng)價(jià)

(4)

式中，D為各無性系抗旱能力的綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗生長的影響

2.1.1 對(duì)根系生長的影響 根系是植物吸收水分、汲取營養(yǎng)的重要器官[12]。輕度脅迫下各無性系主根長降幅在4.66%～34.83%(表1)。La、Ta幼苗較對(duì)照下降幅度不顯著，其余5個(gè)品種較對(duì)照均差異顯著(P<0.05)。重度脅迫下7個(gè)無性系的主根長較對(duì)照均差異顯著(P<0.05)。Ta降幅最小，為32.09%；107楊降幅最大，為48.42%。2種干旱脅迫對(duì)各無性系側(cè)根數(shù)量均影響顯著(P<0.05)，隨脅迫程度加劇側(cè)根數(shù)量明顯減少。輕度脅迫下側(cè)根數(shù)量降幅最大的是107楊達(dá)37.50%，降幅最小的是Qg達(dá)21.74%；重度脅迫下，Ta側(cè)根數(shù)量降幅最大，為64.28%，而中林46降幅最小，為40.00%。

2.1.2 對(duì)苗高、地徑的影響 干旱脅迫對(duì)植株幼苗的影響，最直觀的反映在苗高地徑的變化上[13]。各無性系的株高較對(duì)照在輕、重度脅迫下均差異顯著(表2)。正常水分條件下，平均株高為85.21 cm，輕度脅迫下為63.86 cm，下降25.05%。Pa降幅最小，為16.21%；La降幅最大，為35.45%。重度脅迫下平均株高46.47 cm，較對(duì)照下降45.46%。107楊降幅最小，為25.36%；Ta降幅最大，為59.20%。除Pa之外的其余各無性系地徑生長量在2種干旱脅迫下呈差異顯著。輕度脅迫下差異最明顯的是La，降幅為27.04%；差異最小的是107楊，降幅為7.00%。重度脅迫下差異最明顯的是La，降幅為50.47%；差異最小的是Qg，降幅為22.86%。

表1 干旱脅迫對(duì)主根長、側(cè)根數(shù)量(≥2 mm)的影響Table 1 Influences of taproot length and lateral root number under drought stress

表2 干旱脅迫對(duì)株高、地徑的影響Table 2 Influence of plant height and ground diameter under drought stress

2.1.3 對(duì)單株生物量的影響 干旱脅迫對(duì)植物影響直觀反映最終表現(xiàn)在生物量的積累上[14]。在2種脅迫梯度下，各無性系單株生物量較對(duì)照均差異顯著(圖1)。正常水分供給下各無性系幼苗的生物量均>25 g；隨著脅迫加劇，各無性系幼苗生物量積累顯著減少，在重度脅迫下各無性系幼苗降幅均>50%，說明7種無性系幼苗均通過調(diào)節(jié)伸長生長速率形成御旱機(jī)制。

圖1 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗生物量的影響Fig.1 Influence of drought stress on the seedling biomass

2.1.4 對(duì)單葉面積的影響 各無性系幼苗還通過調(diào)整單葉面積大小來響應(yīng)干旱脅迫(圖2)。在輕、重度脅迫下，單葉面積降幅最大的是中林46，較之對(duì)照分別下降47.74%和68.76%；降幅最小的是Pa，分別較對(duì)照下降6.61%和47.89%。且根據(jù)控水期間觀察記錄，各無性系幼苗葉片受到脅迫均出現(xiàn)顏色加深，葉片質(zhì)地硬化現(xiàn)象。

圖2 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗單葉面積的影響Fig.2 Influence of drought stress on the seedling leaf area

2.2 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗生理的影響

2.2.1 對(duì)凈光合速率的影響 各無性系幼苗的凈光合速率隨脅迫加劇也逐漸呈下降趨勢(shì)(圖3)。在輕度脅迫下，各無性系凈光合速率較對(duì)照變幅在2.31～4.34 μmol/m2/s，降幅最大的是Qg，達(dá)39.78%；降幅最小的是Pa，為18.73%。在重度脅迫下，各無性系幼苗凈光合速率變幅在5.26～7.62 μmol/m2/s，降幅最大的是Qg，達(dá)69.84%；降幅最小的是La，達(dá)46.84%。

圖3 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗凈光合速率的影響Fig.3 Influence of drought stress on the seedling net photosynthetic rate

2.2.2 對(duì)葉片相對(duì)含水量的影響 植物也通過調(diào)節(jié)葉片中的相對(duì)含水量來應(yīng)對(duì)干旱脅迫，隨著干旱脅迫的加劇，各無性系幼苗葉片相對(duì)含水量均呈下降態(tài)勢(shì)(圖4)。正常水分供應(yīng)下，各無性系幼苗平均葉片相對(duì)含水量為88.36%，在輕度脅迫下平均值為77.08%，平均降幅12.76%。其中Pa降幅最大，107楊降幅最小；在重度脅迫下各無性系幼苗葉片相對(duì)含水量均值為64.92%，平均降幅26.53%。其中Pa降幅最為明顯，107楊降幅最小。

圖4 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗葉片相對(duì)含水量的影響Fig.4 Influence of drought stress on the seedling leaf relative water content

2.2.3 對(duì)葉片游離脯氨酸含量的影響 隨著干旱脅迫加劇，各無性系幼苗葉片中游離脯氨酸的含量也隨之增加(圖5)。在輕度脅迫下，Pa葉片游離脯氨酸含量增幅最大，高達(dá)51.06%，Qg葉片游離脯氨酸含量增幅最小，達(dá)20.15%。在重度脅迫下，各無性系幼苗除Ta之外脯氨酸含量顯著升高。La的增幅最高，達(dá)71.05%。Ta增幅最小，為29.62%。

圖5 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗葉片游離脯氨酸的影響Fig.5 Influence of drought stress on the seedling free proline content

2.2.4 對(duì)細(xì)胞膜透性的影響 2種干旱脅迫下，各無性系幼苗的葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨脅迫加劇也逐漸升高，差異顯著(圖6)。在輕度脅迫下，Qg受脅迫影響最小，增幅為2.66%。而中林46受脅迫影響最大，為21.52%。在重度脅迫下，107楊受脅迫影響增幅最小，為9.87%，而中林46受脅迫影響最大，增幅為31.33%。

圖6 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.6 Influence of drought stress on the seedling cell membrane permeability

2.2.5 對(duì)水分利用效率的影響 隨脅迫程度加深，各無性系幼苗水分利用效率均有不同程度的提高(圖7)。在輕度脅迫下，Pa水分利用效率提升最明顯，達(dá)35.21%。Ta水分利用效率增幅最小，為18.35%。重度脅迫下，Pa水分利用效率增幅最大，為51.29%，水分利用效率增幅最小的是La，為30.03%。

圖7 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗水分利用效率的影響Fig.7 Influence of drought stress on the seedling water use efficiency

2.3 黑楊幼苗無性系所選指標(biāo)的主成分分析

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表3)，結(jié)果表明，C1～C4因子的累積貢獻(xiàn)率高達(dá)95.78%，因此其他因子的貢獻(xiàn)率可忽略不計(jì)。故而可將之前的11個(gè)相關(guān)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為4個(gè)新的獨(dú)立的綜合指標(biāo)，代替原來11個(gè)指標(biāo)95.78%的抗旱信息。地徑生長量在主成分C1上有較高載荷；主成分C2中，葉片相對(duì)電導(dǎo)率表現(xiàn)出較高載荷；主成分C3中，葉片相對(duì)含水量表現(xiàn)出較高的荷載量；主成分C4中，側(cè)根數(shù)量表現(xiàn)出較高載荷。因此，地徑生長量、葉片相對(duì)電導(dǎo)率、葉片相對(duì)含水量和側(cè)根數(shù)量可作為評(píng)價(jià)各無性系抗旱性的鑒定指標(biāo)。

表3 品種各項(xiàng)綜合指標(biāo)的主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Table 3 The characteristic vectors and contribution rates of the principal components of various comprehensive indexes

2.4 黑楊幼苗無性系綜合評(píng)價(jià)及聚類分析

根據(jù)主成分分析中篩選出來的4個(gè)鑒定指標(biāo)，運(yùn)用隸屬函數(shù)法計(jì)算出各黑楊無性系幼苗4個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，并結(jié)合主成分權(quán)重計(jì)算出能代表各無性系抗旱能力強(qiáng)弱的綜合評(píng)價(jià)值D值，D值所在范圍為0.300 6～0.881 8。其中，無性系Qg和107楊的D值最大，說明這2種無性系抗旱能力最強(qiáng)；無性系中林46和Ta的D值最小，說明這2種無性系抗旱能力最弱。采用歐氏距離平方法對(duì)D值進(jìn)行系統(tǒng)聚類(圖8)。在歐氏距離5處將7個(gè)無性系劃分為2類：第Ⅰ類為強(qiáng)抗旱品種，包括Qg和107楊；第Ⅱ類為弱抗旱品種，包括Ta、La、Ti、中林46和Pa。

圖8 7個(gè)無性系聚類樹狀圖Fig.8 Cluster tree diagram of 7 clones

3 討論

3.1 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗生長特性的影響

植株在受到干旱脅迫時(shí)，會(huì)通過調(diào)整地上部分與地下部分的生物量積累來適應(yīng)環(huán)境[15]。地上部分主要表現(xiàn)為株高、地徑、葉片數(shù)量和葉面積等變化[16]。本研究結(jié)果表明,各無性系幼苗的株高、地徑生物量均表現(xiàn)出對(duì)照>輕度脅迫>重度脅迫。但較正常水分下的對(duì)照，各無性系幼苗的葉片數(shù)量隨脅迫加劇并未明顯減少，但葉片表面顏色明顯加深。說明各黑楊幼苗在干旱脅迫下，地上部分莖的生物量明顯降低，將更多的生物量均集中到葉上，進(jìn)而提高光合效率，促進(jìn)根系對(duì)同化物的吸收轉(zhuǎn)化，從而增強(qiáng)幼苗的抗旱能力。

表4 各品種抗旱性綜合評(píng)價(jià)的D值Table 4 D values of comprehensive evaluation on drought resistance of each variety

地下部分則表現(xiàn)為根系積累生物量變化、根尖數(shù)、側(cè)根數(shù)量、根系表面積等來響應(yīng)[17]。諸多學(xué)者關(guān)于干旱脅迫對(duì)植物根系的影響主要分為2個(gè)派系。一部分學(xué)者認(rèn)為，干旱脅迫會(huì)促進(jìn)根系的伸長生長，孫三杰等[18]、李金航等[19]在研究番茄幼苗、黃櫨受干旱脅迫時(shí)證實(shí)干旱脅迫對(duì)根系有促進(jìn)作用；而另一部分學(xué)者則認(rèn)為干旱脅迫會(huì)抑制根系生長，慕自新等[20]、丁紅等[21]、馬富舉等[22]在對(duì)紫花苜蓿、花生和小麥的研究中得出類似結(jié)論。本次試驗(yàn)中，各無性系根系生物量、主根長和側(cè)根數(shù)量(≥2 mm)均隨著脅迫程度加劇表現(xiàn)出顯著差異，降幅明顯。說明干旱脅迫抑制了7個(gè)黑楊無性系幼苗根系的伸長生長，也說明了這7個(gè)黑楊無性系并不是通過增加根系生物量來形成御旱機(jī)制，而是通過改變其根系的外部形態(tài)來汲取幼苗存活所需的水分。

3.2 干旱脅迫對(duì)黑楊幼苗生理生化特性的影響

在生理生化方面，表現(xiàn)在光合作用、脯氨酸含量、丙二醛含量、細(xì)胞膜透性、保護(hù)酶活性、水分利用效率等[23]。裴斌等[24]認(rèn)為，植株受到干旱脅迫時(shí)光合作用被抑制是由氣孔和非氣孔因素共同作用的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)，各無性系凈光合速率隨脅迫加劇呈顯著下降，說明脅迫抑制了各無性系的光合作用，葉面積減小致使光合有效面積降低。但各無性系幼苗單葉面積下降幅度不同，表現(xiàn)出明顯的生態(tài)型差異。各無性系幼苗的葉片相對(duì)含水量隨脅迫加劇明顯下降且差異顯著，但下降幅度各不一致，可能和各無性系的葉片組織還有根系吸水能力有關(guān)[25]。李詩琴等[26]在研究苜蓿抗旱性時(shí)表明通常植物體內(nèi)游離脯氨酸含量較低，但受到干旱脅迫則含量明顯上升，且上升幅度越高抗旱能力越強(qiáng)，本研究中各無性系葉片中游離脯氨酸含量隨脅迫加劇均顯著上升與其結(jié)論一致。熊偉等[27]研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱程度增加，樹種的水分利用效率會(huì)逐漸上升。本研究發(fā)現(xiàn)，隨脅迫加劇各無性系幼苗水分利用效率都有不同程度上升，與相關(guān)結(jié)論一致。細(xì)胞膜透性能反映植物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)變性或受損程度，可用相對(duì)電導(dǎo)率表示[28]。本研究發(fā)現(xiàn)各無性系相對(duì)電導(dǎo)率隨脅迫加劇均顯著增大，說明各無性系幼苗的細(xì)胞器官均受到了干旱脅迫不同程度的損害。

4 結(jié)論

輕度和重度干旱脅迫下，各無性系測(cè)定指標(biāo)均表現(xiàn)出差異顯著。在構(gòu)建的抗旱評(píng)價(jià)體系中，所選指標(biāo)中細(xì)胞膜透性與抗旱性表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，其余指標(biāo)均表現(xiàn)出與抗旱性呈正相關(guān)。運(yùn)用主成分分析結(jié)合隸屬函數(shù)法保證了各無性系幼苗原有信息的完整性，在此基礎(chǔ)上將多個(gè)相關(guān)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成相互獨(dú)立且具有代表性的少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)。篩選出地徑、葉片相對(duì)電導(dǎo)率、葉片相對(duì)含水量以及側(cè)根數(shù)量作為7個(gè)無性系苗期抗旱性的鑒定指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)后根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行聚類，最終將7個(gè)無性系劃分為2類：第Ⅰ類為強(qiáng)抗旱品種，包括Qg和107楊；第Ⅱ類為弱抗旱品種，包括La、Ti、Pa、中林46和Ta。綜上所述，各楊樹無性系抗旱性排序?yàn)镼g>107楊>La>Ti>Pa>中林46>Ta。本次試驗(yàn)初步對(duì)新引進(jìn)意大利黑楊進(jìn)行了抗旱能力強(qiáng)弱的篩選，可為其在后續(xù)雜交選育及國內(nèi)進(jìn)一步推廣種植提供一定的科學(xué)依據(jù)。但如何合理科學(xué)的對(duì)楊樹抗旱性進(jìn)行更加全面系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，仍是一個(gè)需要不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善及論證的漫長過程。