郭小龍 趙秋玲 張 晶

（1. 甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局林業(yè)科學(xué)研究所，甘肅 天水 741022；2. 甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)屬（Catalpa）樹(shù)種，和楸樹(shù)（Catalpa bungei）、滇楸（Catalpa fargesii）同為梓樹(shù)屬的姐妹種，常與楸樹(shù)混生，素有“北方杉木”之稱(chēng)，與臭椿（Ailanthus altissima）、國(guó)槐（Styphnolobium japonicum）和白榆（Ulmus pumila）齊名，被譽(yù)為“四大金剛”。主要分布在我國(guó)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(yīng)性強(qiáng)、耐寒、耐旱、耐瘠薄、材質(zhì)優(yōu)良、用途廣泛、易加工和病蟲(chóng)害少等特點(diǎn)，是重要的珍貴用材樹(shù)種和甘肅省西部的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹(shù)種[1]。

雜交育種是利用種間和種內(nèi)的各個(gè)層次的遺傳變異，通過(guò)控制授粉、雜種測(cè)定與選育，獲得優(yōu)良新品種的主要途徑[2]。楸樹(shù)的雜交育種工作始于20世紀(jì)70年代，40多年來(lái)我國(guó)楸樹(shù)雜交育種在理論和實(shí)踐上取得的成就顯著，選育的雜種苗在生長(zhǎng)、抗病性和適應(yīng)性等方面雜種優(yōu)勢(shì)明顯[3-6]，如‘洛楸’‘宛楸’等楸樹(shù)雜交良種被大量應(yīng)用于示范推廣[7-9]。鑒于此，2007年甘肅小隴山林科所開(kāi)始與中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科學(xué)研究所合作，以灰楸為母本，楸樹(shù)、滇楸、灰楸為父本，采用不完全雙列雜交，開(kāi)展了灰楸人工控制雜交育種和親本配合力測(cè)定，并對(duì)雜種苗進(jìn)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(shì)主要體現(xiàn)在速生、材性、抗逆、適應(yīng)性等方面，沒(méi)有把光合能力作為遺傳改良目標(biāo)進(jìn)行研究。林木雜種優(yōu)勢(shì)是生物界普遍存在的生物學(xué)現(xiàn)象，而在雜交種植物的生長(zhǎng)、光合能力以及對(duì)逆境的適應(yīng)性中又以光合作用的優(yōu)勢(shì)最重要[2]，光合性能優(yōu)勢(shì)的高低是林木品種選育和判斷逆境高光效雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)弱的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，光合能力的強(qiáng)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(guò)去也有對(duì)楸樹(shù)不同雜交組合的苗期性狀遺傳變異報(bào)道，但鮮有對(duì)其葉片特征與光合機(jī)構(gòu)性能關(guān)系的研究。本研究以灰楸為母本，楸樹(shù)、滇楸、灰楸為父本雜交組合的2年生實(shí)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(duì)于提高灰楸雜交育種光能利用效率和揭示雜交后代生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)形成機(jī)理具有重要意義。同時(shí)生產(chǎn)者可根據(jù)培育目標(biāo)，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(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在甘肅省小隴山林科所綜合實(shí)驗(yàn)基地，位于秦嶺北坡；渭河支流川臺(tái)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(wú)性系的來(lái)源及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2008年中國(guó)林科院與小隴山林業(yè)科學(xué)研究所采用雜交制種的方法，進(jìn)行了以灰楸為母本，滇楸、楸樹(shù)和灰楸為父本的雜交育種研究，共獲得29個(gè)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(shí)生苗中選擇超級(jí)苗，每個(gè)組合選出36株進(jìn)行移栽。每個(gè)小區(qū)9株，4次重復(fù)，株行距為50 cm×50 cm。

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

1.3 測(cè)定方法

1.3.1葉片特征指標(biāo)及比葉質(zhì)量測(cè)定

2010年8月上旬，從每個(gè)組合的每個(gè)重復(fù)中選擇3個(gè)實(shí)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(cè)量葉片長(zhǎng)、葉片寬、葉柄長(zhǎng)，葉面積和比葉質(zhì)量。

1.3.2光合指標(biāo)測(cè)定

使用Li-6400XT便攜式光合作用分析系統(tǒng)（Li-COR，美國(guó)），于2010年8月上旬9：00—11：00對(duì)29個(gè)灰楸不同雜交組合苗木進(jìn)行光合指標(biāo)測(cè)定。每個(gè)組合各取3株健康、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株（株高、基徑和冠幅基本相似），每株測(cè)定3～5片葉。測(cè)定時(shí)使用紅藍(lán)光源葉室光強(qiáng)設(shè)置為1 200 μmol/(m2·s)，葉溫設(shè)定為25 ℃，相對(duì)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(cè)定

葉綠素測(cè)定方法采用張玉玉等[15]丙酮法。樣品采用每個(gè)雜交組合每個(gè)分生株葉片特征測(cè)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(cè)定指標(biāo)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(jìn)行分析。按公式（1）和（2）計(jì)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(zhǎng)、葉寬、葉柄長(zhǎng)、葉長(zhǎng)/葉寬、葉面積、比葉質(zhì)量6個(gè)葉片性狀差異顯著（P<0.05）?；议彪s葉片的葉長(zhǎng)、葉寬、葉面積的變異系數(shù)大于灰滇雜和灰灰雜，葉柄長(zhǎng)、葉長(zhǎng)/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(shuō)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(biāo)。

灰楸雜、灰滇雜的葉型（葉長(zhǎng)/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(zhǎng)最大的為灰楸雜，葉寬最大的為灰滇雜，葉柄長(zhǎng)和比葉質(zhì)量差異不大。從29個(gè)雜種后代葉片性狀的多重比較（表3）看，4個(gè)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(hào)的葉長(zhǎng)最長(zhǎng)，比平均值長(zhǎng)22.34%，21號(hào)的葉寬最寬，比平均值寬19.59%，11號(hào)的葉柄最長(zhǎng)，比平均值長(zhǎng)18.52%，葉面積最大的為15號(hào)組合，比平均值大25.06%，比葉質(zhì)量最大的為2號(hào)。葉面積和比葉質(zhì)量都較大的雜交后代有1號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、17號(hào)?？傊副静煌碾s交組合，葉片性狀的變異趨勢(shì)為滇楸>楸樹(shù)>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(shù)、灰楸×滇楸、灰楸×灰楸5個(gè)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(biāo)，灰灰雜大于灰楸雜和灰滇雜。從不同雜交類(lèi)型看，以滇楸為父本的雜交組合的最大凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率3個(gè)光合參數(shù)均顯著大于以楸樹(shù)、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(gè)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(biāo)參數(shù)變異趨勢(shì)為滇楸>楸樹(shù)>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(gè)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(hào)的最大凈光合速率最高（22.84 μmol/(m2·s)），29號(hào) 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(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、17號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)?？傮w來(lái)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(lái)源地日照時(shí)間短的光合能力高于日照時(shí)間長(zhǎng)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(lái)看，滇楸對(duì)秦嶺山地（渭河流域）具有更強(qiáng)適應(yīng)性，致使其合能力顯著優(yōu)于楸樹(shù)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(gè)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(shù)為父本的雜交組合的葉綠素含量3個(gè)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(hào)、2號(hào)、3號(hào)的葉綠素含量（葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b）大于9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)和28號(hào)（圖1b、圖1c、圖1d），葉綠素含量變異趨勢(shì)為楸樹(shù)>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(hào)和3號(hào)的葉綠素含量高于7號(hào)，5號(hào)高于8號(hào)，灰滇雜組合中，14號(hào)高于9號(hào)，灰灰雜中，28號(hào)高于21號(hào)，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(gè)雜交組合雜交后代中，葉綠素含量大4.0 g/L的有1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)。

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(zhǎng)、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(zhǎng)呈顯著正相關(guān)（P<0.05），氣孔導(dǎo)度與葉長(zhǎng)、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(fù)相關(guān)（P<0.05）；水分利用效率與葉綠素a+b，葉長(zhǎng)、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(wú)關(guān)。由表7來(lái)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(dāng)比葉質(zhì)量小于38 g/cm2和大于50 g/cm2時(shí)，葉綠素含量小于3.5 g/L和大于5.0 g/L時(shí)，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(shuō)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(qiáng)。

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(shì)是指2個(gè)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(shì)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(shì)現(xiàn)象，林木中的雜交鵝掌 楸（L. chinense×L. tulipifera）[21]、日 本 落葉松×長(zhǎng)白落葉松（L. kaempferi×L. olgensis）[22]、鄉(xiāng)土風(fēng)箱果×紫葉風(fēng)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(shì)。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(shì)。不同父本與同一母本的雜交組合，日照時(shí)間短的光合能力高于日照時(shí)間長(zhǎng)的，從父本楸樹(shù)、滇楸和灰楸分布區(qū)的氣候條件看，楸樹(shù)分布于中原地區(qū)（年均日照時(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)1 916.5 h，年均降雨量700 mm），三者具有完全不同的生長(zhǎng)環(huán)境，灰滇雜對(duì)本地環(huán)境（渭河流域）具有更強(qiáng)適應(yīng)性致使其光合能力顯著優(yōu)于灰楸雜和灰灰雜，相對(duì)于云貴高原，渭河流域更長(zhǎng)的日照時(shí)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(duì)楸樹(shù)種內(nèi)雜種、周連杰等[26]對(duì)小麥及其雜交后代的研究結(jié)果相類(lèi)似，說(shuō)明只有適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件才能發(fā)揮光合能力的雜種優(yōu)勢(shì)。在水分和陽(yáng)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(zhǎng)[27-28]。因此在考慮灰楸遠(yuǎn)緣雜交育種和光合雜種優(yōu)勢(shì)的利用時(shí)，雜交類(lèi)型選用適宜當(dāng)?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(yīng)性，將楸樹(shù)和滇楸的速生性融入灰楸，提高育種的預(yù)見(jiàn)性和雜種優(yōu)勢(shì)。

灰楸作為一種優(yōu)質(zhì)珍貴闊葉樹(shù)種，對(duì)其雜交親本的選擇不僅要考慮其生長(zhǎng)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(shì)為育種路線(xiàn)，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(zhǎng)白落葉松雜種[23]、巴西橡膠樹(shù)（Hevea brasiliensis）[31]等的高光效選育中，都通過(guò)篩選相關(guān)指標(biāo)作為高光效育種的形態(tài)指標(biāo)，從而獲得高光效育種新品種。本實(shí)驗(yàn)中，葉面積、比葉質(zhì)量能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)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(xué)特性，結(jié)合葉面積性狀雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，初步對(duì)29個(gè)雜種后代進(jìn)行葉片質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，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(gè)優(yōu)良雜種后代（1號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、17號(hào)），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(hào)、10號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、15號(hào)，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(jìn)行栽培，通過(guò)苗期潛在生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)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(duì)秦嶺山地（渭河流域）具有更強(qiáng)適應(yīng)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(duì)來(lái)說(shuō)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(píng)價(jià)，初選出5個(gè)（9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、15號(hào)）具有雜種優(yōu)勢(shì)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(gè)雜種后代平均值的增益分別為14.91%、5.71%，23.8%。