杨树良种培育技术研究现状

郝再明

(山西省林业调查规划院)

杨树属杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)，共分为白杨派(Leuce)、青杨派(Tacamahaca)、黑杨派(Aigeiros)、胡杨派(Turanga)、大叶杨派(Leucoides)等五大派。杨树具有早期速生、适应性强、分布广、种类和品种多、容易杂交、容易改良遗传性、容易无性繁殖等特点，广泛应用于生态防护林、三北防护林、农田防护林和工业用材林，同时也是道路绿化、园林景观的优秀树种。杨树是北半球温带、亚热带分布最广、品种最多、适应性最强的速生用材树种之一。世界各国对杨树的研究非常重视，从良种选育、栽培、材性及开发应用等方面都作了大量工作。我国20世纪80年代培育出不同材性需求的杨树新品种很多，主要以纸浆材、胶合板材的应用品种为多，并对新品种进行了生态适宜区的栽培区划［1］。在栽培技术确定上取得了定向培育(抗性、材性)、集约栽培、施肥、灌水、病虫害防治等研究成果，并在生产中大面积推广应用。随着科技水平的不断提高，杨树品种培育向细胞和分子水平发展。体细胞胚胎发生扩繁技术和转基因技术在杨树快速繁殖与抗性提高方面发挥了重要作用。

1 杨树良种培育研究现状

1.1 杂交育种

杂交育种是杨树等无性系育种的常规方法，利用种和种内各个层次的遗传变异，通过控制授粉、杂种测定和筛选，最终获得优良品种的重要育种途径。1912年，英国学者Henry A首次进行杨树人工杂交试验，1929年意大利杨树育种专家Jacomettii C在欧美杨无性系选育中选育了I－214杨、I－154杨、I－262杨。1946年，叶培忠在甘肃天水首次进行了河北杨(P.hopeiensis)与山杨(P.davidana)，河北杨与毛白杨(P.tomentosa Carr)杂交试验［2］。中国林科院林业研究所徐维英、黄东森等人对白杨派、青杨派与黑杨派进行了有性杂交，其中美杨×加杨杂种在适应性上有很大提高［3］。杨树派间和派内种间杂交组合约有400个，其中用小叶杨和美杨正反交组合中选出的优良杂种如小叶杨、小意杨、合作杨和美小杨等，已在“三北”防护林工程和国家造林项目中推广应用［4］。胡杨派、大叶杨派与其他派间杂交都有很大的难度，但也有成功。中国林科院林业科学研究所董天慈用120 a胡杨大树作父本，以10 a生小叶杨为母本进行杂交，得到一批具有双亲性状的杂种苗木［2，5］;中国林科院选育的“中林 46”等杨树新品种与欧美杨I－72杨相比材积生长量提高9.60%［6，7］;南京林业大学从美洲黑杨 × 小叶杨 F1中选育出具有明显杂种优势的NL－80105，NL－80106和NL－80121共3个新品种，与亲本I－69杨相比，7 a生材积生长量的超亲优势率达8.73%－13.86%［8］;南京林业大学从美洲黑杨 I－69/55杨×欧业黑杨F1无性系中选出了生长形质抗性和适应性均较理想的两个无性系NL－80205和NL－80213，表现出干形圆满通直、分枝细、材质好等特性，是理想的胶合板材新品种［9］;北京林业大学选育出的5个毛白杨纸浆材新品种具有早期速生的特性，抄纸耐折度强［10］。

1.2 无性系育种

无性繁殖是林木育种和良种推广的重要手段，主要用于保存优良个体，建立无性系种子园和采穗圃。组织培养在树木上进行过最早的研究，是在60 a以前法国学者Gautherct进行的，之后30 a，英国人Wolter改良了培养基，在基础培养基中加入质量浓度为0.12－0.15 mg·L－1BA，诱导出美洲山杨的茎，最后又在茎上成功地生长出根［11］。20世纪70年代以来，中国开展了这方面的研究。自从1983年国家实施“六五”林业科技攻关计划以来，中国的林木组织培养已从实验室走向工厂化生产。在华北地区建立了具有国际先进水平的年产杨树组织培养苗150万株的全自动控制育苗工厂［12］。河北林学院林科所通过对组织培养苗的研究摸索出了一套较为成熟的组织培养苗移至田间的栽培技术，并进行了大面积的造林。北京林业大学在常规育种的基础上，建立了“毛白杨多圃配套系列育苗”的新方法，从1株苗木开始，连续繁殖3 a可获100万幼株;南京林业大学成功地进行了美洲黑杨与小叶杨原生质体(体细胞胚胎)分离，为进行美洲黑杨与胡杨及青杨的原生质体融合和细胞杂交研究、林木远缘杂交和新品种培育展示了广阔的前景［13］。

1.3 抗性育种

1.3.1 抗逆境育种

我国地域辽阔，区域气候差异较大。对杨树进行抗寒、抗旱等性状锻炼和选择来提高杨树的适应能力很有必要。1933年，前苏联开始进行杨树杂交育种工作，在品种的抗寒、抗旱性等方面取得了显著成绩，先后从银白杨×新疆杨中选育出抗寒、抗旱的莫斯科杨、苏维埃塔型杨和乌克兰银毛杨［6，14］。我国在这方面的研究上也取得了一些成果:1961年，内蒙古昭盟林科所在赤峰地区从小叶杨(P.simonii)与钻天杨(P.pyramidalis)的天然杂种中经过长期栽培试验，选育出赤峰杨3个优良无性系34号、36号和17号，不但速生而且具有抗寒、抗旱性，在年平均气温15℃，极端最低气温－31.4℃条件下均能正常生长和越冬，小苗和大树均无枯梢等冻害现象［12］。1974年，刘榕在甘肃张掖从小叶杨与箭杆杨的天然杂种中选育出“麻皮二白杨”，成为甘肃河西走廊半干旱地区的主栽品种;李树人在河北秦皇岛地区选育出速生、抗寒、抗旱、适应性强的山海关杨，辽宁锦县林业工作者选育出抗寒、抗旱、耐瘠薄的“锦县小钻杨”。1956年，徐纬英、黄东森等人针对我国华北北部及西北地区高寒的生态环境，以生长快、适应性较广的钻天杨为父本，以青杨为母本，在北京西山常规杂交，选育出北京杨杂种系列，其中以北京杨3号、0567号和8000号表现突出，北京杨3号在黑龙江的哈尔滨及绥化地区区域试验中，其抗寒性、生长量均超过当地原有品种;北京杨8000适应山西雁北地区及甘肃临夏地区环境，生长量均超过当地原有品种。1957年以小叶杨(P.simonii Carr)为母本，以钻天杨(P.prymidalis Borkh)和旱柳(Salix matsudana Koids)混合花粉为父本，成功地选育出速生、耐寒和耐盐碱的群众杨杂种系列，通过同功酶、免疫化学等测定，证明其含有旱柳的遗传物质。1964年，鹿学程等人以赤峰杨为母本，以欧美杨、钻天杨和青杨的混合花粉为父本，杂交选育出速生、耐寒、抗旱和抗病的“昭林6号”，抗寒、抗旱及速生性均超过赤峰杨，成为内蒙古主要推广的优良品种之一［5，14］。1964 年，金志明等人用白城杨与欧洲黑杨杂交，选育出“白城杨1号”，在耐旱、耐瘠薄、速生方面超过了白城小黑杨。1985年，中国林科院林业研究所在辽宁省寒冷半干旱地区进行了耐寒良种无性系的引种试验，经过苗期和幼林期抗寒、抗病筛选和半个轮伐期的生长测试，选出5个抗寒速生无性系30、46、64、48和51号杨，并于1989年在辽宁省林业厅主持下通过了鉴定［3，11］。

1.3.2 抗病虫害育种

解决杨树的病虫害问题是一个有着深远意义的大事。杨树速生性强，栽植面积广，随之病害和虫害也比较严重。病害常见于幼林和超速生型杨树。害虫防治多采用化学农药，虽起到了一定的效果，但化学药品易造成环境污染，对人畜不利，实施上在山区不现实，经济上也不划算，并易使次要害虫变成主要害虫，使主要害虫更加猖獗等弊端，导致了20世纪70年代生物防治的兴起。杨树抗虫、抗病育种主要体现在基因工程和细胞工程上。Septoria musiva(壳针孢)引起多种杨树病害，为了诱导杨树对Septoria musiva的抗性，Skilling等人从杨树愈伤组织中诱导出试管苗，然后用Septoria musiva的分生孢子对其进行接种，结果从3个感病品系的2个品系中获得了抗Septoria musiva的植株，很多再生植株对Septoria musiva的抗性明显高于其母树，其中大多数植株经过4 a的大田栽植后，仍表现出稳定的抗性［4，14］。中国林科院通过常规育种和大田测试，选育出抗云斑天牛的南方型美洲黑杨—珍珠杨、扬子杨和南抗杨等品种。银中杨(Poplusalba×P.berolinensis)是银白杨和中东杨的杂交种，是我国防护林研究所于20世纪80年代初选育成功的杨树良种［15］。经多年各地引种栽培实践证明，银中杨具有抗寒、耐干旱瘠薄、抗病虫害、生长快、树姿优美等优良特性，近几年推广面迅速扩大。

1.4 现代生物技术育种

1.4.1 基因工程

通过生物技术将外源基因(目的基因)导入杨树细胞，其目的是应用遗传工程将有经济价值的外源基因整合进入受体细胞的基因组内，并得到有效地表达，以实现定向改良杨树性状、创造新品种、增强抗遗传能力，提高林木的产量和质量。林业上利用生物方法转导基因的研究报道始见于1986年，科学家Parsons利用农杆菌对杨树杂种无性系进行基因转化，并证明确实有外源基因导入，只是未获得转基因植株。1987年，Fillatti从沙门氏杆菌中提取了抗除草剂的DNA，用根癌农杆菌转移到杨树无性系中，获得了能抗除草剂草甘膦的品种。1987年，美国首次报道成功地将抗除草剂基因导入杂种无性系中，随后又成功地将抗除草剂的基因转入到美洲黑杨。1993年，Klopfenstein等将马铃薯PINⅡ(蛋白酶抑制剂Ⅱ)用农杆菌方法导入银白杨×大齿杨，检测表明，转基因植株表达了PINⅡ蛋白，并能明显抑制幼虫的生长［2，8，12］;1997 年，山东农业大学温尚昆等由根癌农杆菌介导向毛白杨，导入激素合成基因建立转化系统，获得再生植株。1993－1997年，中国林科院与中国科学院合作将Bt(苏云金芽胞杆菌)基因导入欧洲黑杨、欧美杨和美洲黑杨，获得了对舞毒蛾有毒杀作用的杨树转化再生植株，以舞毒蛾幼虫进行生物测定，杀虫率分别为55%、55%和80%，经PCR分析，PCR产物杂交和Southern Blot分析表明，Bt毒蛋白基因已整合进入抗虫植株的细胞DNA中，并表达出杀虫活性。中国科学院、中国林科院、南京林业大学、中国农科院等单位先后单独或合作研究获得了转抗虫基因的黑杨、欧美杨杂种，毛白杨、美洲黑杨与小叶杨杂种 NL－80106［9，16］。中国科学院正试图发现控制杨树纤维的基因片段，为以后培养速生、材质好的新型杨树品种而努力着。

1.4.2 细胞工程

利用细胞的全能性，1980年，中国林科院早期进行了杨树14个树种的花粉植株的诱导，获得了苗木900余株。组织培养过程中，在一定的诱导条件下，离体组织和细胞可产生远远高于自然突变的体细胞无性系突变频率，为林木的遗传改良提供选择来源［17］。1986年，美国Eostry M教授利用体细胞突变体成功地筛选出杨树抗病新品种。1987年，加拿大国家林业研究所Celiak W.M教授利用体细胞无性系变异体成功地筛选出杨树抗除草剂新无性系。从1990年开始，对杨树、毛白杨、小叶杨等树种进行了原生质体培养并获得了再生植株，为体细胞杂交和外源基因的导入创造了良好的条件。南京林业大学获得了小叶杨和美洲黑杨×小叶杨新品种原生质培养再生植株，开展了再生植株遗传变异研究，为杨树细胞工程育种开辟了一条新的途径［2，3，15］。1990年，李玲等采用不同杨树和品种的嫩叶和幼茎产生的愈伤组织诱导耐盐突变体，筛选出了完整的耐盐植株。1993年，李周崎等以河北杨1 a生枝条为外殖体诱导愈伤组织，得到7个抗盐性变异系，并分化出完整的植株。1993－1995年，中国林科院首次建立杨树悬浮细胞系，利用逐步加大培养基中的NaCl浓度的方法，获得了耐盐体细胞变异体植株，直至1997年经有盐、无盐的4代培养，已经形成群众杨、加拿大杨12个无性系800多株，这是林木细胞育种的一大突破，现在已进入大田试验，并在进行DNA 分子标记的检测［18］。

2 存在的问题与展望

2.1 杨树种质资源

种质资源是树木育种的基础，杨树新品种的来源、发展和保持遗传基础需要丰富的杨树群体。目前，杨树尚未建立一个与地区特点相适应的基因资源库，每次育种不得不重新研究其亲本的遗传性状。树木品种虽把种源研究列入计划，但还没有把它看作是提高我国杨树育种水平的重要环节。就我国杨树杂交无性系的研究发展基础而言，建立遗传基础丰富的杨树抗病虫无性系基因库，通过种源试验、栽培对比试验、子代测定和引种试验，为不断选育速生型、抗病虫能力强的杨树无性系创造条件。科学计划、目的性强地引进国外杨树资源，这些对我国杨树育种工作有着长远意义。所以，育种资源的保存、收集、开发、研究和利用普遍受到重视。未来杨树栽培区将向自然条件差的低质立地扩展，而这种地区的面积又很大，黑杨派适应性强、抗旱，是我国北方育种必不可少的资源，积极引入美洲黑杨的同时也应积极引入欧洲黑杨［3］。利用黑杨派杨树杂交育种具有明显的杂种优势。杨树优良乡土树种的挖掘能促进其育种工作，从乡土树种中挑选出优树，对其无性扩繁。白杨派树种具有材质优良、抗蛀干害虫的特点，因杂交和繁殖困难等原因，其抗寒、抗旱育种远远落后于青杨派和黑杨派树种，加强白杨派的抗寒、抗旱育种研究是一个重要方向。除进行现有的杂交种的再杂交外，积极开展白杨派与青杨派、黑杨派及其杂种的杂交育种，会使白杨派树种的抗寒、抗旱和扦插生根能力得到很大提高。胡杨是杨属最抗寒、抗旱的树种，加强胡杨与其他杨树的杂交技术研究，引入胡杨抗寒、抗旱基因，会使杨树抗寒、抗旱育种效果进一步提高。

2.2 杨树杂交育种方式

我国的杨树育种杂交组合已达几千个，但绝大多数为人工控制杂交，选育的是全同胞无性系，很少利用优树采收自然杂交种子育苗进行此项工作。从20世纪初开始杨树杂交育种以来，杨树育种是在天然林或人工林中通过直观的表型选择亲本进行杂交，作不同树种的亲合力研究和选育新品种，这比天然杂交的自由交配自然选择形成新种、新杂种有很大进步，可是表型不能完全表现深刻的遗传内涵，如优良的基因的表达条件等。杨树树种由于杂交方式简单，致使杨树的杂交研究远远落后于经济林树种，然而未来的发展趋势是高质量的纸张生产需要我们大力发展杨树品种，杨树品种就是“经济林”。杨树派系发展不平衡，白杨派研究进展远远落后于青杨及黑杨派树种，其主要原因在于其杂交方式简单。现代科学技术发展日新月异，遗传工程、生物技术蓬勃发展，但至目前为止，杂交育种方法仍然是杨树抗性育种最有效、最基本的手段。在已有的抗寒、抗旱种质资源基础上，采用杂种做亲本，进行更复杂的杂交方式是创造杨树抗寒、抗旱品种的一个重要方向。在杂交方式上，由简单到复杂，从单交到多交(三交、四交)，抗寒、抗旱改良和综合改良的效果随着杂交方式的不断复杂而越来越好［3，19］。

2.3 杨树转基因

基因工程树木大部分是单基因生物抗性的，Bt基因导入杨树为杨树抗虫育种打开了新局面，但由于Bt的抗虫谱较窄，虽已经分离出众多的Bt毒蛋白基因，抗虫谱几乎覆盖整个鞘翅目，但对每一种Bt毒蛋白基因的抗虫谱却有限，杀虫范围较小，选择性强。目前获得的转Bt基因树仅对鳞翅目的少数虫种有杀虫效果。转单价基因表达的产物结构简单，昆虫一旦对其产生抗性，就起不到杀虫作用了。转双价抗性基因后抗性范围广而效果好，或者联合Bt基因和其他抗虫基因，构建特异表达的启动因子，如Bt基因只在害虫侵害时高效表达或只在林木易受害虫攻击的部位表达。抗虫基因数目过少，限制了林木抗虫基因工程发展，如高效低毒的抗虫基因Bt毒蛋白就很缺乏，发展新型、高效的替代基因，是杨树抗虫遗传研究的重点方向。最近科学家从土壤微生物中分离出了一些新的抗虫基因，如胆固醇氧化酶基因和营养杀虫基因，其对某些害虫的抗杀作用优于Bt毒蛋白基因。今后若加强这方面的研究，一定会为抗虫基因工程提供一片广阔的天地。

对于杨树抗虫性育种，由于对杨树造成危害的害虫的多样性，一个抗虫基因是不能抵御所有害虫的，并且不同种类抗虫基因的抗虫机制及杀虫作用环节不同，杀虫谱也不尽相同，通过将两个或两个以上的抗虫基因转入同一植株，使受体植株获得多机制的抗虫性，进一步增强转基因植物的抗虫能力，拓宽其抗虫谱。所以，要建立多基因抗虫机制。常规育种仍是杨树遗传改良的基础，基因工程现在来看只能是常规育种的补充，通过基因的转移，对常规育种中难以解决的某一特定性状进行改良，然后再按常规育种程序进行选择，同时又可作为进一步改良的受体。这样，就能加快杨树遗传改良的步伐。

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