杨树抗寒性研究进展

王剑峰

(国有黑山县机械林场，辽宁黑山 121400)

杨树(Populusspp.)是世界上分布最广、适应性最强的树种。杨树分为黑杨派、白杨派、青杨派、大叶杨派和胡杨派。我国杨树资源丰富，5大派在我国均有分布，从新疆到东部沿海，北起黑龙江、内蒙古南到长江流域共53种，特有种35种[1]。杨树用途广泛，是建立速生丰产林的主要树种，是调节水分、防风固沙、减少水土流失的理想树种。但是，在我国北方地区，随着林业科技成果的广泛应用，杨树新品种的大力推广，树木在生长过程中经常会遇到低温胁迫，尤其是在晚秋和早春时期，气温的骤然下降和冻融循环会对树木产生极大伤害。因此，研究杨树抗寒性机制，选育不同抗寒能力的杨树品种，以解决我国北方不同地区杨树生产上缺乏速生、抗逆性又强的更新换代品种的问题，对杨树速生丰产林的发展具有重要意义。

1 抗寒生理生化机制

低温伤害是杨树生长发育过程中的一个主要限制因素，严重影响植株生长甚至造成植株死亡，是较为常见的自然灾害。20世纪以来，人们逐渐认识到细胞内结冰、生物膜系统机构破坏是低温引起植物受害的原因。植物遭受低温伤害时，生物膜发生膜脂的物相变化，膜脂从液晶相变成凝胶相，膜上产生龟裂，膜透性增大，细胞生理代谢功能紊乱[2]。膜脂中的类脂和脂肪酸成分明显影响着膜脂的相变温度，增加膜脂中不饱和脂肪酸的含量能降低膜脂的相变温度，因此，不饱和脂肪酸的含量与植物抗寒性有关[3]，植物可提高不饱和脂肪酸的含量和比例来提高抗寒性[4-6]。植物细胞内自由水、束缚水含量也会影响植物抗寒性，植物在遭受低温胁迫时，会降低组织细胞内的含水量，以提高抗寒性[7]。在低温逆境下，植物体内常常积累大量渗透调节物质，包括甜菜碱、脯氨酸和可溶性糖等来提高细胞渗透势，降低细胞水势，减少水分流失，以提高植物抗寒性[8-10]。研究证实，植物体内存在酶保护系统，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和多酚氧化酶(PPO)等以清除低温胁迫时植物体内过剩的O2[11]。杨树的抗寒性受多种因素影响，抗寒生理过程错综复杂，杨成超研究认为，低温并非杨树越冬死亡的充分条件，负积温与杨树越冬死亡无明确因果关系，冻融循环比持续低温对杨树造成的伤害更大，同时提出杨树越冬死亡相关的抗冻度、有效冻融和抗冻融度3个概念及有效冻融伤害累积效应假说[12]。

2 抗寒性综合评价

杨树是一个比较抗寒的树种，但随着林业科技成果的广泛应用，杨树新品种的抗寒能力在实际栽培种存在较大差异，对各种环境的适应性表现极为不同。郑强卿等测定杨树8个抗寒指标，采用模糊数学隶属函数值法对不同品种抗寒性进行综合评价，得出银×新抗寒性较强[13]。李晓宇等采用11个杨树无性系的1年生枝条为试验材料，以4次冻融处理后(-40 ℃放置24 h然后转入20 ℃放置24 h)的枝条萌芽率为抗寒性的衡量指标，从生理生化物质、物理性状、生长性状、物候期等方面进行研究，筛选出与抗寒性极显著或显著相关的5个指标进行综合评价，得出11个品种抗寒性的顺序为小黑杨>小美旱>中绥12>小叶杨>3016杨>108杨>沙兰杨>辽育3>97杨>中辽1号>L35，并将其抗寒性划分为4类[14]。史清华等采用电导法和原子吸收分光光度法，分别测定了5个杨树无性系一年生休眠苗不同低温处理后的电导率及K+渗出率，测算出各无性系组织半致死温度在-25 ℃～-32 ℃，并对各无性系抗寒性进行了综合评定，结果表明，无性系间抗寒性差异较大，5个无性系抗寒性排序是：57×新>84K>意101杨、新疆杨>毛白杨30号[15]。杨志岩等采用模拟自然界冬季温度变化的某些特征，用不同的低温和变温条件对不同杨树品种1年生休眠苗木和离体材料进行胁迫，认为持续的低温对不同杨树具有一定的伤害，但高温和低温的变温对不同杨树伤害更大，而且变化幅度越剧烈，造成伤害越严重；试验得出马氏杨、小叶杨、小黑杨、辽胡杨、小美旱杨、青山杨抗寒性较好，中绥12杨、辽宁杨、荷兰3016杨、沙兰杨抗寒性中等，欧美108杨、丹红杨抗寒性最差，与生产应用结果基本一致[16]。杨素平采用自然越冬冻害调查及电导率测定法对黑龙江主要速生杨树品种抗冻性进行评价，认为A5、A100、小黑杨和荷兰3930具有一定的抗寒能力[17]。陈奕吟等以胡杨愈伤组织作为材料，检测了胡杨愈伤组织在低温锻炼过程中抗寒性、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量以及SOD、CAT、POD活性的变化，结果显示低温锻炼(2 ℃)不仅提高了胡杨愈伤组织的抗寒性及脯氨酸、可溶性蛋白的含量，且增强了SOD、CAT等抗氧化酶的活性[18]。余观夏等利用差热分析法(DTA法)、核磁共振法(NMR法)和顺磁共振法(ESR法)分别获得杨树无性系I-69杨和I-45杨体内过冷水相变时的温度图谱，并对图谱进行了分析，认为3种方法测定植物的过冷温度中，NMR法所测得的较准确；I-45杨的抗寒性优于I-69杨，I-69杨的过冷温度是-14 ℃左右，I-45杨的过冷温度是-20 ℃左右[19]。李晶等对当地试验林内表现较好的8个无性系进行低温冷冻和生长恢复试验，得出8个无性系抗寒能力顺序为A5-10(美黑×甜杨)>98-68-200(美黑×小叶)>2111(DN113×小黑)>黑青杨(中荷64×大青杨)>031950(欧黑×小黑)>030703(欧黑×青山杨)>小黑杨(小叶×欧黑)>10(欧美杨)[20]。吴飞等以银×新、北美速生杨1号、抗虫杨、抗盐碱杨4种杨树一年生扦插苗为试验材料，探讨不同杨树品种抗寒生理、生化指标的变化及与抗寒性的关系，结果表明，不同品种杨树的抗寒生理指标表现出明显差异，各杨树品种的抗寒性差异显著[21]。

3 抗寒良种选育

抗寒育种是减少杨树冻害发生的根本途径，长期以来，我国育种专家已经选育出很多抗寒性较强的杨树新品种，为减少杨树冻害损失起到重要作用。通过正确的选择杂交亲本和杂交方式，选育出既抗寒又速生的杨树新无性系是可能的[22]，采用人工杂交进行基因重组仍然是当前杨树抗寒育种的主要手段。

我国早期从杨树天然杂交种中先后选育出赤峰杨(17号、34号、36号)、白城杨、麻皮二白杨、山海关杨和锦县小钻杨等，这些品种具有速生、抗寒、耐旱等特性。近年来，吴祥云等从阜新蒙古族自治县化石戈乡欧洲黑杨与当地乡土树种天然杂交种中选育出速生耐寒的化石戈杨[23]。沈阳新民机械化林场从黑杨派与青杨派的天然杂交种中选育出新林1号杨，具有速生、抗寒、易繁殖等特点[24]。

自1946年叶培忠首次开展杨树杂交试验以来，许多林木育种工作者针对我国东北、华北及西北北部高寒地区的生态环境，开展了杨树抗寒杂交育种工作，培育出许多速生耐寒优良品种，其中以青杨派和黑杨派的抗寒杂交育种居多，杂交方式有单交、三交和多交。徐纬英以青杨为母本、钻天杨为父本，选育出北京杨3号、0567号和8000号[25]。鹿学程以赤峰杨为母本，美杨、加拿大杨、青杨为父本，进行多父本授粉，选育出昭林6号杨，成为内蒙古地区主要的栽培品种[26]。符毓秦等通过人工杂交选育出陕林1号(大关杨×钻天杨)、陕林2号(日本白杨×北京杨)、陕林3号(I-69杨×美洲黑杨)和陕林4号(I-69杨×青杨)[27-28]。刘培林等选育出黑林1号(小黑×波)、黑林2号(小黑×黑小)、黑林3号(青黑×黑)[29]。董雁等以辽河杨×鞍杂杨、辽河杨×荷兰3930、辽宁杨×D189杨为杂交组合，选育出抗寒速生杨树新品种辽育1号、2号、3号，成为当地主要推广品种[30-31]。王庆斌等1983年从中国林科院引进的美黑×青杨杂种无性系，经过20年试验研究，选育出抗寒速生杨树新品种中牡1号杨[32]。近年来，关于杨树抗寒方面的杂交试验有： I-101×84K[33]、美洲黑杨×大青杨[34]、美洲黑杨×青杨[35]、银白杨×毛白杨[36]、欧美杨107×大青杨[37]。

4 基因工程育种

人工杂交育种存在育种周期长，难于突破远缘杂交障碍等问题，且受环境条件、季节、地域等因素影响。基因工程技术是在DNA分子水平上直接引入目的基因，然后经过筛选与鉴定，达到改良目的，而且可以打破种间界限，缩短育种周期，使常规育种技术难以解决的一些问题可能得到解决。李春霞从胡萝卜中克隆出抗冻蛋白(AFP)，并将其导入山杨，获得4株卡那霉素抗性苗，经PCR检测分析，其中1株呈阳性，表明AFP基因已成功转入山杨基因组中[38]。冯连荣等以美洲黑杨D189和辽宁杨为杂交亲本，利用花粉管通道法，将携带山葡萄CBF3(VaCBF3)基因的质粒导入杨树中，共获得了52株转化后代，经PCR检测，有5株扩增出目的条带，初步推断目的基因已导入到杨树中[39]。赵鑫闻利用花粉管通道技术将银白杨总DNA导入辽宁杨×N001，发现4株明显具有供体银白杨的表型特征，AFLP分子鉴定表明，4株变异植株均为外源银白杨DNA的阳性转化植株[40]。目前杨树抗寒基因工程育种虽然已成功导入一些抗性基因，但多为单一的功能基因，杨树的抗寒性是受多基因控制的，通过导入这些功能基因在提高杨树抗寒性方面可能还不够理想。

5 小结

低温胁迫引起的植物抗寒性反应是一个非常复杂的生理生化过程，关于杨树抗寒性的研究中，根据杨树越冬伤害原理，室内模拟越冬伤害过程，从生理、生化方面对杨树品种抗寒性进行综合分析评价作为当前研究的主要方面，也是比较科学的。从生理生化综合评价出发，以此为依据进行杂交亲本选配进而人工杂交，培育具有抗寒等优良特性的杨树新品种，或抗寒引种试验应该为当前乃至以后研究的主要内容，具有很强的实际指导意义。我国在杨树抗寒常规杂交育种取得了很大的成就，选育的抗寒速生良种在林业生产中发挥了巨大作用。基因工程育种具有育种周期短、目的性强等特点，是常规育种无法比拟的。因此，两种育种方法各有所长，在杨树抗寒遗传改良研究中，将生物技术育种与传统杂交育种有机结合起来，不断改良现有的优良品种，也是研究的主要方向。