灰楸不同杂交组合杂种后代叶片特征与光合能力的关系

郭小龙 赵秋玲 张 晶

（1. 甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所，甘肃 天水 741022；2. 甘肃省次生林培育重点实验室，甘肃 天水 7410223；3. 甘肃省小陇山森林生态系统定位研究站，甘肃 天水 741022）

灰楸（Catalpa fargesi）为紫葳科（Bignoniaceae）梓树属（Catalpa）树种，和楸树（Catalpa bungei）、滇楸（Catalpa fargesii）同为梓树属的姐妹种，常与楸树混生，素有“北方杉木”之称，与臭椿（Ailanthus altissima）、国槐（Styphnolobium japonicum）和白榆（Ulmus pumila）齐名，被誉为“四大金刚”。主要分布在我国西部渭河、泾河、汾河、黄河流域及秦岭山地，生于坡麓、沟谷及沟沿地带，具有适应性强、耐寒、耐旱、耐瘠薄、材质优良、用途广泛、易加工和病虫害少等特点，是重要的珍贵用材树种和甘肃省西部的优良乡土树种[1]。

杂交育种是利用种间和种内的各个层次的遗传变异，通过控制授粉、杂种测定与选育，获得优良新品种的主要途径[2]。楸树的杂交育种工作始于20世纪70年代，40多年来我国楸树杂交育种在理论和实践上取得的成就显著，选育的杂种苗在生长、抗病性和适应性等方面杂种优势明显[3-6]，如‘洛楸’‘宛楸’等楸树杂交良种被大量应用于示范推广[7-9]。鉴于此，2007年甘肃小陇山林科所开始与中国林业科学研究院林业科学研究所合作，以灰楸为母本，楸树、滇楸、灰楸为父本，采用不完全双列杂交，开展了灰楸人工控制杂交育种和亲本配合力测定，并对杂种苗进行了初步选择，为获得灰楸种间新种质奠定了基础[10-11]。以上杂种的优势主要体现在速生、材性、抗逆、适应性等方面，没有把光合能力作为遗传改良目标进行研究。林木杂种优势是生物界普遍存在的生物学现象，而在杂交种植物的生长、光合能力以及对逆境的适应性中又以光合作用的优势最重要[2]，光合性能优势的高低是林木品种选育和判断逆境高光效杂种优势强弱的主要评价指标，光合能力的强弱与叶片的净光合速率有关，也与光合作用的叶片质量（面积、比叶质量、叶绿素含量）、叶片结构和叶龄相关[12-14]。过去也有对楸树不同杂交组合的苗期性状遗传变异报道，但鲜有对其叶片特征与光合机构性能关系的研究。本研究以灰楸为母本，楸树、滇楸、灰楸为父本杂交组合的2年生实生苗为材料，研究了不同杂交组合苗木的叶片特征和光合特性差异，旨在明晰灰楸的种间和种内杂种的光合能力差异，以及与叶片质量存在怎样的潜在关系，对于提高灰楸杂交育种光能利用效率和揭示杂交后代生长优势形成机理具有重要意义。同时生产者可根据培育目标，选择杂交亲本，减少杂交育种的盲目性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在甘肃省小陇山林科所综合实验基地，位于秦岭北坡；渭河支流川台区，地处东经105°54′37″，北纬34°28′50″，海拔1 160 m。年降雨量600～800 mm，年蒸发量1 290.0 mm，年平均气温10.7 ℃，≥10 ℃积温3 359.0 ℃，年最高气温40 ℃，年最低气温-19.2 ℃。

1.2 杂种无性系的来源及试验设计

2008年中国林科院与小陇山林业科学研究所采用杂交制种的方法，进行了以灰楸为母本，滇楸、楸树和灰楸为父本的杂交育种研究，共获得29个杂交组合（表1）。2009年播种，2010年3月5日从播种获得的杂种实生苗中选择超级苗，每个组合选出36株进行移栽。每个小区9株，4次重复，株行距为50 cm×50 cm。

表 1 杂交组合设计Table 1 Hybrid combination design

1.3 测定方法

1.3.1叶片特征指标及比叶质量测定

2010年8月上旬，从每个组合的每个重复中选择3个实生苗，采集倒数第4～6轮的每轮3片叶，参考赵秋玲等[1]方法测量叶片长、叶片宽、叶柄长，叶面积和比叶质量。

1.3.2光合指标测定

使用Li-6400XT便携式光合作用分析系统（Li-COR，美国），于2010年8月上旬9：00—11：00对29个灰楸不同杂交组合苗木进行光合指标测定。每个组合各取3株健康、长势一致的植株（株高、基径和冠幅基本相似），每株测定3～5片叶。测定时使用红蓝光源叶室光强设置为1 200 μmol/(m2·s)，叶温设定为25 ℃，相对湿度为 (44.5±5.0)%，大气CO2浓度为(370±10) mmol/mol。

1.3.3叶绿素含量测定

叶绿素测定方法采用张玉玉等[15]丙酮法。样品采用每个杂交组合每个分生株叶片特征测定完的叶片。

1.4 分析方法

采用单因素方差分析比较不同杂交组合杂种后代某一测定指标的差异显著性，多重比较采用LSD法，所有数据用SPSS 20.0软件进行分析。按公式（1）和（2）计算遗传力（H2）和变异系数（C）。

2 结果与分析

2.1 不同杂交组合杂种后代叶片性状差异分析

由表2可知，叶长、叶宽、叶柄长、叶长/叶宽、叶面积、比叶质量6个叶片性状差异显著（P<0.05）。灰楸杂叶片的叶长、叶宽、叶面积的变异系数大于灰滇杂和灰灰杂，叶柄长、叶长/叶宽的变异系数小于灰滇杂和灰灰杂，比叶质量的变异系数最小，差异不大。遗传力最大的为叶面积，最小的为叶宽，这说明灰楸种间、种内杂交的叶片性状遗传变异丰富，叶面积遗传变异丰富高于其他指标。

灰楸杂、灰滇杂的叶型（叶长/叶宽）平均值分别为1.30和1.22（表2），比灰灰杂高16.07%和8.93%，表明灰楸杂、灰滇杂叶片为椭圆型，灰灰杂为近圆形。不同杂交组合杂种后代灰滇杂的叶面积分别显著大于灰楸杂10.6%和灰灰杂35.5%（P<0.05）。叶长最大的为灰楸杂，叶宽最大的为灰滇杂，叶柄长和比叶质量差异不大。从29个杂种后代叶片性状的多重比较（表3）看，4个母本中，董水黄庄为母本的杂交组合后代的叶面积分别大于石家庄2.54%、高家庄8.21%、廖家庄19.19%。杂交组合6号的叶长最长，比平均值长22.34%，21号的叶宽最宽，比平均值宽19.59%，11号的叶柄最长，比平均值长18.52%，叶面积最大的为15号组合，比平均值大25.06%，比叶质量最大的为2号。叶面积和比叶质量都较大的杂交后代有1号、6号、9号、10号、11号、13号、14号、15号、17号。总之，父本不同的杂交组合，叶片性状的变异趋势为滇楸>楸树>灰楸。从母本起源看，以董水黄庄和石家庄为母本的杂交组合叶面积、比叶质量高于以高家庄和廖家庄为地理起源的母本杂交组合。

2.2 不同杂交组合杂种后代光合参数的比较

由表4可知，灰楸×楸树、灰楸×滇楸、灰楸×灰楸5个光合参数具有显著差异（P<0.05）。最大净光合速率的变异系数大于其他光合指标，灰灰杂大于灰楸杂和灰滇杂。从不同杂交类型看，以滇楸为父本的杂交组合的最大净光合速率、气孔导度、蒸腾速率3个光合参数均显著大于以楸树、灰楸为父本的杂交组合（P<0.05），分别高于灰楸杂3.99%、6.85%、3.91%，灰灰杂49.37%、15.24%、6.41%。胞间CO2浓度和水分利用效率2个光合参数灰灰杂分别高于灰楸杂10.98%、12.17%，灰滇杂91.23%、31.27%。同一母本，不同父本的杂交组合，光合指标参数变异趋势为滇楸>楸树>灰楸。同一父本，不同母本的杂交组合，石家庄母本杂交的组合高于其他的母本。29个不同杂交组合中董水黄庄、高家庄选择的母本杂交组合的光合参数高于廖家庄及石家庄（除6、7、13、14、15）选择的母本（表5）。杂交组合9号的最大净光合速率最高（22.84 μmol/(m2·s)），29号 最 低（10.39 μmol/(m2·s)），光 合能力较好（最大净光合速率大于18.0 μmol/(m2·s)）的杂交组合后代有1号、3号、5号、6号、17号、8号、9号、10号、11号、12号、13号、14号、15号、16号。总体来看，灰楸种间杂交的光合能力高于种内杂交，母本相同，其父本来源地日照时间短的光合能力高于日照时间长的，同一父本，董水黄庄和高家庄母本的光合能力高于石家庄和廖家庄，因此，从灰楸杂交父本来看，滇楸对秦岭山地（渭河流域）具有更强适应性，致使其合能力显著优于楸树和灰楸（P<0.05）。

表 3 不同杂交组合杂种后代叶片性状的多重比较Table 3 Multiple comparison of leaf traits in hybrid progenies of different hybrid combinations

表 4 不同杂交组合杂种后代光合参数分析Table 4 Analysis of photosynthetic parameters of hybrid progenies of different hybrid combinations

表 5 29个杂种后代光合参数的多重比较Table 5 Multiple comparisons of photosynthetic parameters among 29 hybrid progenyies

2.3 不同杂交组合杂种后代叶绿素含量比较

由图1a可知，以楸树为父本的杂交组合的叶绿素含量3个参数都高于以滇楸和灰楸为父本的杂交组合。灰楸杂的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b分别大于灰滇杂28.57%、23.02%、26.61%和灰灰杂33.33%、35.71%、34.15%。同一母本，不同父本的杂交组合中，1号、2号、3号的叶绿素含量（叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b）大于9号、10号、11号和28号（图1b、图1c、图1d），叶绿素含量变异趋势为楸树>滇楸>灰楸。同一父本，母本不同的杂交组合，灰楸杂组合中，2号和3号的叶绿素含量高于7号，5号高于8号，灰滇杂组合中，14号高于9号，灰灰杂中，28号高于21号，即董水黄庄、高家庄选择的母本杂交组合的叶绿素含量高于石家庄、廖家庄选择的母本杂交组合，但其差异不显著。29个杂交组合杂交后代中，叶绿素含量大4.0 g/L的有1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号、9号、10号、11号、12号、14号、15号、16号。

图 1 不同杂交组合杂种后代叶绿素含量Fig. 1 Chlorophyll content of hybrid progenies of different hybrid combinations

2.4 不同杂交组合杂种后代叶片性状与光合能力的相关性分析

由表6可知，光合气体交换参数看，最大净光合速率与叶绿素a+b，叶长、叶面积及比叶质量呈极显著正相关（P<0.05）；与叶宽、叶柄长呈显著正相关（P<0.05），气孔导度与叶长、比叶质量呈极显著相关性（P<0.01）；与叶面积呈显著正相关（P<0.05），胞间CO2浓度与叶绿素a+b、叶型、比叶质量呈显著负相关（P<0.05）；水分利用效率与叶绿素a+b，叶长、叶型、叶面积和比叶质量呈极显著正相关（P<0.01）。蒸腾速率均与叶片性状无关。由表7来看，最大净光合速率与叶面积呈一元二次回归相关，比叶质量呈幂函数回归相关，叶绿素含量呈指数相关，回归相关方程不一致。即最大净光合速率随着叶面积、比叶质量、叶绿素含量的增加而增加，但是当比叶质量小于38 g/cm2和大于50 g/cm2时，叶绿素含量小于3.5 g/L和大于5.0 g/L时，最大净光合速率与比叶质量、叶绿素含量之间不存在这种关系，说明在一定范围内，比叶质量越大，叶绿素含量越多，最大净光合速率越强。

表 6 叶片性状和叶绿素含量与光合参数相关性分析Table 6 Correlation analysis of leaf characters with photosynthetic parameters and chlorophyll content

表 7 最大净光合速率与叶面积、比叶质量、叶绿素含量的回归方程Table 7 Regression equation of maximum net photosynthetic rate with leaf area, specific leaf weight and chlorophyll content

3 结论与讨论

杂种优势是指2个遗传组成不同的亲本杂交产生的F1代植株在一种或多种性状上优于双亲的现象[16]。在现代育种中杂种优势的利用在农作物和林木中成果显著，且前大多研究成果表明，杂交种的光合能力明显高于亲本[17]。如农作物中的水稻（Oryza sativa）F1杂种[18]、玉米（Zea mays）杂种[19]、大豆（Glycine max）杂种[20]光合能力存在广泛的杂种优势现象，林木中的杂交鹅掌 楸（L. chinense×L. tulipifera）[21]、日 本 落叶松×长白落叶松（L. kaempferi×L. olgensis）[22]、乡土风箱果×紫叶风箱果（Physocarpus amurensis×Physocarpus opulifolius）[23]、毛泡桐×白花泡桐（P. tomentosa×P. fortunei）[24]等杂交后代的光合能力具有高于亲本的杂种优势。本研究所创制的灰滇杂、灰楸杂杂种在光合能力上具有显著的差异，其光合速率都高于其母本灰楸，杂种后代遗传了其父本的高光合速率特性，种间杂种比种内杂种更能体现高光和的能力，具有明显的杂种优势。不同父本与同一母本的杂交组合，日照时间短的光合能力高于日照时间长的，从父本楸树、滇楸和灰楸分布区的气候条件看，楸树分布于中原地区（年均日照时长2 009.4 h，年均降雨量798 mm），滇楸分布于西南地区（年均日照时长1 148.3 h，年均降雨量1 128 mm）[25]，灰楸分布于渭河流域（年均日照时长1 916.5 h，年均降雨量700 mm），三者具有完全不同的生长环境，灰滇杂对本地环境（渭河流域）具有更强适应性致使其光合能力显著优于灰楸杂和灰灰杂，相对于云贵高原，渭河流域更长的日照时间可能是促使灰楸×滇楸形成高光合能力的原因，这一结果与肖遥等[25]对楸树种内杂种、周连杰等[26]对小麦及其杂交后代的研究结果相类似，说明只有适合当地气候条件才能发挥光合能力的杂种优势。在水分和阳光充足，温度适宜的良好条件下，植物常具有较高的光合速率，能够快速生长[27-28]。因此在考虑灰楸远缘杂交育种和光合杂种优势的利用时，杂交类型选用适宜当地的种间杂交（灰滇杂交）。以减少灰楸基因重组（杂交）育种亲本选配的盲目性，充分利用灰楸的适应性，将楸树和滇楸的速生性融入灰楸，提高育种的预见性和杂种优势。

灰楸作为一种优质珍贵阔叶树种，对其杂交亲本的选择不仅要考虑其生长和光合能力，叶片质量同样重要。目前，农作物的超高产育种和林木育种是以高光效育种结合杂种优势为育种路线，如黑龙江农科院大豆研究所获得的黑农39、黑农40、黑农41大豆杂交品种[29]、广东省农科院获得的水稻高光效品种叶青伦56[30]、日本落叶松×长白落叶松杂种[23]、巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）[31]等的高光效选育中，都通过筛选相关指标作为高光效育种的形态指标，从而获得高光效育种新品种。本实验中，叶面积、比叶质量能够准确的反应灰楸种间和种内杂种后代的叶片质量，而叶片质量能较好地反映不同杂交组合后代的基本生物学特性，结合叶面积性状杂种优势表现，初步对29个杂种后代进行叶片质量综合评价，并根据叶面积、比叶质量选育出叶面积大于300 cm2，比叶质量大于40 g/L的9个优良杂种后代（1号、6号、9号、10号、11号、13号、14号、15号、17号），与整体均值相比，初选的杂种后代叶片质量都有不同程度的提高，其中叶面积的增益为17.12%，比叶质量的增益为4.43%。为选育兼具光合能力和叶片质量的杂交后代，以初选的优良杂种后代结合光合能力前十的杂种后代选出的共有杂种后代为9号、10号、11号、14号、15号，其中叶面积的增益为14.91%，比叶质量的增益为5.71%，光合能力的增益为23.8%，这些作为灰楸新品种进行栽培，通过苗期潜在生长优势的综合选育，以提高育种效率。

灰楸杂和灰滇杂叶片形状为椭圆型，灰灰杂为近圆形，灰楸种间杂交的光合能力、叶面积、叶绿素含量都大于其种内杂交，母本相同，其父本滇楸对秦岭山地（渭河流域）具有更强适应性。同一父本，母本不同的杂交组合，光合能力、叶面积、比叶质量相对来说董水黄庄和石家庄的母本杂交的组合高于高家庄和廖家庄的母本。结合叶片质量和光合能力综合评价，初选出5个（9号、10号、11号、14号、15号）具有杂种优势的杂交后代，其叶面积、比叶质量、光合能力的平均值与29个杂种后代平均值的增益分别为14.91%、5.71%，23.8%。