8个杨树品种（系）苗期抗寒性综合评价

尹 杰 ，彭儒胜，蔄胜军，李晓宇，纪纯阳，彭建东，任晓旭，赵洪波

（1.辽宁省杨树研究所，辽宁 营口 115213；2.杭州市林业科学研究院，浙江 杭州 310000；3.国有喀左县桃花池林场，辽宁 朝阳 122300）

低温是限制植物分布和地域生长重要的非生物胁迫因素[1]，许多植物生产常常因遭受低温伤害而造成巨大的经济损失。据统计，世界每年因此造成的损失达2 000 亿美元[2]。尽管优化栽培措施、改善栽培条件可提高植物的抗寒性，但抗寒遗传特性才是植物抗寒性中内在的、相对稳定地起决定作用的因素[3]。选用多抗的植物品种才是减少低温伤害的最根本措施[4]。因此，研究植物抗寒性，不仅在理论上具有重要意义，而且在实际生产过程中也具有广泛的应用价值，抗寒性研究已成为抗逆研究中的一个重要组成部分。关于植物的抗寒性评价，国内外学者已经提出了一些与抗寒性有关的生理生化指标，如：可溶性糖、脯氨酸、相对电导率等。在研究植物抗寒性时，需要考虑多种因素的影响，各种因素并不是孤立的，而是错综复杂地相互作用[5]。实际研究发现，影响植物抗寒性的各种因素之间存在交叉作用，单独使用某一个指标来评价植物的抗寒性常存在缺陷[6]。利用多指标综合评价能够获得更为准确的抗寒性评价结果。

杨树为杨柳科Salicaceae 杨属Populus 落叶乔木，是世界上重要的绿化和用材树种，中国杨树资源丰富，我国杨树人工林栽培面积达到700 多万hm2，居世界首位[7]。杨树是中国“三北”（东北、华北和西北）防护林体系、速生丰产林基地建设最主要的造林树种。近年来杨树产业迅猛发展，杨树杂交育种成果喜人，但在杂交育种硕果累累的同时，一些问题却不容忽视，杨树品种繁杂，品种的抗逆性不尽相同，部分生产者为了追求效益存在盲目引种及推广，从而导致一些杨树品种在遭遇极端天气时出现大规模灾害现象，其中尤以低温引起的冻害、病害最为突出，究其原因是对品种特性不了解，因此，对杨树的抗寒评价尤为重要，其对不同区域的杨树品种选择栽植有着重要的指导作用。

本试验研究了8个品种（系）杨树苗期枝条在变温处理过程中可溶性糖、丙二醛、脯氨酸、相对含水率、水分饱和亏缺、相对电导率等抗寒性相关指标的变化，通过分析和比较，研究各品种（系）间的差异性，并通过主成分分析结合隶属函数法对8个品种（系）抗寒性进行了综合评价，筛选出抗寒性较强的品种（系），为其在不同区域的生产推广提供理论依据｡

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以生长速度较快的黑杨派Section Aigeiros 树种和抗性较强的青杨派Section Tacamahaca 树种以及二者杂交种的一年生扦插苗枝条为试验材料，于2016年3 月和2017年3 月分两次取材于辽宁省凌海市的苗圃基地，分别用于各品种（系）变温处理后的生长恢复试验和生理生化指标测定。文中品种指已经审认定的无性系，品系指未经审认定的无性系(文中以数字加-连接的为品系，其他的为品种)，‘辽育3 号杨’P.×deltoides ‘Liaoyu 3’，K99，10-02-23 为黑杨派杂交种，辽河×中绥12 号，09-02-31，10-01-02，09-01-20 为黑杨派与青杨派杂交树种，‘小青杨’P.pseudo-simonii 为青杨派树种。

1.2 试验方法

1.2.1 生长恢复试验 每个品种（系）选取长势一致的一年生扦插苗整株枝条，将其分为4 组，每组3 株，进行变温处理，变温幅度40℃至室温（20℃），处理4 次。具体做法是将枝条置于40℃冰箱中24 h，然后移至室温（20℃）放置24 h，每次处理后取出1 组材料进行生长恢复试验直至完成4 次处理。将每次试验处理后的整株枝条，剪成18 cm 长的枝段放入光照培养箱进行水培养，每3 d 换1 次水，温度（25±2）℃，光照14 h，黑暗10 h，28 d 后统计萌芽情况并对各品种（系）不同处理后的萌芽率进行差异性分析。

萌芽率（%）=（发芽枝段数/供试枝段数）×100

1.2.2 生理生化指标测定 根据生长恢复试验萌芽率差异性分析结果，选择变温4 次的处理方式，对各品种（系）进行变温处理，并对处理后各品种（系）进行生理生化指标测定。相对电导率采用DDS-ⅡC 型数显电导率仪进行测定[8]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[9]；丙二醛含量采用硫代巴比妥酸显色法测定[10]；脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法测定[11]；相对含水率采用常压加热干燥法测定[12]；水分饱和亏缺采用水分饱和法测定｡

1.3 数据处理

采用Microsoft excel 2003 进行数据计算，采用SPSS 19.0 进行主成分、聚类等相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对各品种（系）萌芽率的影响及处理选择

各品种（系）平均萌芽率如表1。从表中可以看出，第1 次处理对各品种（系）的影响不大，有6个品种（系）萌芽率仍大于或接近90%，其中10-01-02 平均萌芽率最高为98%，10-02-23 平均萌芽率最低为75%，只有10-02-23 萌芽率与其它品种（系）的萌芽率差异达到显著水平（P<0.05），说明1 次低温处理对其它7个品种（系）的影响不大，7个品种（系）之间差异不显著。第2、第3 次处理后，个别品种（系）萌芽率明显下降，但仍有部分品种（系）萌芽率大于90%，‘小青杨’、10-01-02 的萌芽率在第2 次处理后仍高于94%；第4 次处理后部分品种（系）萌芽率出现明显下降，大部分品种（系）之间差异较大，经Duncan 多重比较得出第4次处理后各品种之间存在最大差异个数，差异显著（P<0.05）。为了使抗寒性评价更加准确及考虑试验的目的与要求，使各品种（系）之间在不同的处理后存在一定的伤害与差异，因此选择4 次处理作为8个品种（系）抗寒性评价的处理的条件。

表1 8个杨树品种（系）变温处理后的萌芽率Table 1 The germination rate after the poikilothermic treatments of 8 Populusstrains

2.2 各指标相关性分析及抗寒指标选取

对各品种（系）进行4 次变温处理，抗寒指标数据如表2。

表2 8个杨树品种（系）4 次变温处理后的生理生化指标平均值Table 2 Average indexes of physiological and biochemical deal with 4 times poikilothermic treatment of 8 Populus strains

从表2 中可以发现，以单一指标对各品种（系）抗寒性进行排序，结果不尽相同，故采用相关分析法计算各指标（可溶性糖、脯氨酸、丙二醛、相对电导率、水分饱和亏缺、相对含水率）与萌芽率的相关性，结果如表3。

表3 8个杨树品种（系）4 次变温处理后各项指标与萌芽率相关性Table 3 Correlation between germination rate and index of 8 Populus strains after 4 times of poikilothermic treatment

从表3 可以看出，可溶性糖、相对含水率、水分饱和亏缺与萌芽率间均显著相关（P<0.05），脯氨酸、相对电导率和萌芽率有一定的相关性但未达到显著水平，而丙二醛与萌芽率的相关性不大。根据相关分析结果，选取与萌芽率显著相关的可溶性糖、相对含水率、水分饱和亏缺作为8个杨树品种（系）苗期抗寒性综合评价的指标。在这3个指标中，可溶性糖随着温度降低含量逐渐积累，可以提高植物细胞的渗透浓度，缓冲细胞质过度脱水，保护细胞质胶体不致遇冷凝固，减少细胞内失水和结冰；相对含水率反映了植物在低温胁迫下的保水能力，同种处理条件下，植物抗寒性越好其相对含水率越高；水分饱和亏缺是表示植物体内含水率的一个指标，其数值越低，体内水分越稳定，水分逆境的影响较小，抗寒性较强[13]。

2.3 抗寒指标权重确定

植物的抗寒性是多指标综合作用的结果，许多理化指标间存在一定的相关性，其代表信息发生重叠，使评价结果不准确[14]。由于不同指标之间的关系复杂，对抗寒性状的重要性不同，因此本研究采用主成分分析法。基于方差贡献率考虑进行主成分分析时，将特征根设定大于0.75 进行因子筛选，结果见表4。由表4 可以看出，第1 主成分和第2 主成分特征根大于0.75，累计贡献率达97.768%，因此提取第1 和第2 主成分，并通过第1与第2 主成分中各指标负荷量与贡献值计算各指标对一年生杨树各品种（系）抗寒性的作用大小，从而确定权重Wi。从表5 可以看出，相对含水率权重为0.7481 90，水分饱和亏缺权重为0.745 929，可溶性糖权重为0.631 657，对一年生杨树品种（系）抗寒性影响最大的指标是相对含水率，然后依次为水分饱和亏缺和可溶性糖。

表4 8个杨树品种（系）抗寒性指标特征根及贡献率Table 4 The eigenvalue and contribution rate of cold resistance indicators of 8 Populus strains

表5 8个品种（系）抗寒性指标负荷量及权重Table 5 The capacity and weight of cold resistance indicator of 8 Populus strains

2.4 抗寒指标的隶属度

由于各指标的单位、性质和数量不同，需要进行标准数量化。各指标的变化具有连续性，采用隶属度函数进行标准数量化，并根据主成分因子负荷量的正负确定隶属度函数的升降顺序。可溶性糖、相对含水率采用升型分布函数，即：

水分饱和亏缺采用降型分布函数，即：

式中，f（xi）为各指标隶属度，xij表示第i个处理关于第j 项评价因素的指标值，ximax和ximin分别表示第i 项指标的最大值与最小值。8个一年生杨树品种（系）抗寒性隶属度值见表6。

表6 各品种（系）抗寒指标的隶属度值Table 6 Subordination value of cold resistance indicator of Populus strains

2.5 抗寒性综合评价

根据各指标隶属度值与各指标权重，通过加乘法则计算各品种（系）抗寒性综合指数（I）：

式中，Wi为抗寒指标的权重；f（xi）为各指标的隶属度值。

从表7 可以得出，一年生杨树不同品种（系）抗寒性强弱排序：‘小青杨’>09-02-31>10-01-02>09-01-20>辽河×中绥12 号>K99 >‘辽育3 号杨’>10-02-23。

表7 各品种（系）抗寒性综合指数Table 7 Integrated index of cold resistance indicator of Populus strains

2.6 抗寒性聚类分析

对各品种（系）的抗寒综合指数进行聚类分析，结果如图1。

从图1 中可以看出，将一年生不同杨树品种（系）抗寒性分为3 类：‘小青杨’、09-02-31 为一类，其抗寒性最强；10-01-02、09-01-20、辽河×中绥12 号、K99、‘辽育3 号杨’为一类，其抗寒性较强；10-02-23 单独为一类，其抗寒性最弱。

图1 不同抗寒性的杨树品种（系）聚类Figure 1 Cluster of Populus strains with different cold resistance

3 结论与讨论

植物抗性是由多因素控制的综合性状，对植物进行抗性评价应从结构形态、生理生化等指标中筛选出具有显著影响的若干主要指标[15]。通过对变温条件下不同杨树品种（系）抗寒生理指标测试研究发现，不同品种（系）杨树枝条可溶性糖、相对含水率、水分饱和亏缺等指标都有不同程度的变化，单一指标对各品种（系）的抗寒性进行排序，得出的评价结果不一致，验证说明单一指标很难反映和揭示植物的抗寒性，必须对各指标进行综合考虑才能得出相对准确的评价；本试验中变温处理4 次时，各品种（系）萌芽率差异最大，此结论与李晓宇[16]的观点一致，再次印证单独的一次变温不足以对杨树一年生枝条造成严重伤害，伤害往往是多次变温，反复累加的结果；通过相关性分析表明变温条件下，8个品种（系）一年生枝条的可溶性糖含量、相对含水率与抗寒性成显著正相关，水分饱和亏缺与抗寒性呈显著负相关，此结论与王情世[17]、张洁[18]观点相同，而游离脯氨酸含量、相对电导率与抗寒性有一定相关但未达到显著水平，有待进一步探究其原因；本试验利用综合评价法对8个品种（系）的一年生苗木进行了抗寒性排序：‘小青杨’>09-02-31>10-01-02>09-01-20>辽河×中绥12号>K99>‘辽育3 号杨’>10-02-23。从抗寒性排序及聚类分析可得出09-02-31、10-01-02、09-01-20、辽河×中绥12 号继承了父本特性，具有较好的抗寒性。

植物的抗寒性是选择抗逆性品种（系）的重要指标之一，当植物受到低温胁迫时，因受多种因素的综合影响其生理机理变得十分复杂，因此正确的抗寒性评价至关重要。本试验对多个杨树品种（系）抗寒性进行了综合评价，为杨树抗寒优良新品种的选育、推广以及确定适生栽培区域提供技术支撑与理论依据；初步探讨了人工变温对杨树一年生枝条的影响，得出了一些相关规律，但试验中还存在需要完善的地方，如变温设置幅度较大，下步会逐渐完善变温模拟，更加准确的模拟环境条件，进一步探究不同品种杨树受冻害的临界温度和变温幅度。