采用11个杨树无性系的1年生枝条为试验材料,通过低温和冻融处理,确定以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,用相关性分析筛选出与抗寒性极显著或显著相关的5个指标——相对电导率、相对含水率、水分饱和亏缺、丙二醛和可溶性糖,用主成分分析法将5个指标转化为综合的主成分,确定各指标权重,建立评价体系,再结合隶属度函数值求得各无性系抗寒性的综合指数。依照综合指数,抗寒性由强到弱的排序为: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,其结果与参试无性系苗期野外抗寒性表现相符。通过聚类分析,将杨树抗寒性划分为4类:小黑杨、小美旱、中绥12和小叶杨为一类,其抗寒性最强;3016杨、108杨和沙兰杨为一类,抗寒性较强;辽育3、97杨和中辽1号为一类,抗寒性较弱;L35为一类,其抗寒性最差。评价体系的建立为准确判断不同杨树无性系苗期抗寒能力提供技术支持,进而为抗寒品种选育、品种区划等提供参考。
The germination rate of annual branches of 11 poplar (Populus) clones were used as a judging indicator to investigate the cold resistance after cold hardiness treatment with low-temperature and freezing-thawing at-40℃ for 24 hours and then transferred to 20℃ for 24 hours repeatedly four times. Five parameters, such as relative electric conductivity, relative water content, water saturation deficit, MDA and soluble sugar, were selected by using correlation analysis for studying physiological and biochemical substances, physical characters, growth traits and phenological phases etc. The parameters were highly significantly or significantly correlated to the hardiness. The five parameters were further converted to integrated index by principle component analysis, with the combination of their subordinate functions to establish an assessment system. Integrated index value of cold resistance of each variety was obtained by measuring the weight and its function value. According to composite index, the sequence of cold resistance from strong to weak was P.×xiaohei, P. ×xiaozhuanica ‘Poplar’, P. deltoides ×(P. nigra var. thevestina ×P. nigra), P. simonii, P. ×canadensis ‘N3016’, P. ×canadensis ‘Guariento’, P. ×canadensis ‘Sacran-79’, P. ×deltoides ‘Liaoyu3’, P. ×euramericana ‘97’, P. ×euramericana ‘Zhongliao1’, P. ×euramericana ‘L35’. The result was consistent with the performance in cold resistance of the clones in field. These clones of poplars could be divided into four groups by cluster analysis. The first group, the first 4 clones in the resistance sequence, had the strongest cold resistance. The second group, including the 5-7th in the sequence, had medium cold resistance. The third group, including the 8-10th in the sequence, had relative weak resistance. The last one in the sequence was the worst. The evaluation system provided a technical support to judge the ability of cold resistance of seedlings of different clones, and would be beneficial to others such as breeding for cold resistance, varieties classification.
全 文 :第 50 卷 第 7 期
2 0 1 4 年 7 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 50,No. 7
Jul.,2 0 1 4
doi:10.11707 / j.1001-7488.20140707
收稿日期: 2013 - 08 - 16; 修回日期: 2013 - 11 - 06。
基金项目: 辽宁省科学事业公益研究基金(2011005008)。
* 杨成超为通讯作者。
杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建*
李晓宇 杨成超 彭建东 杨志岩 张 妍
(辽宁省杨树研究所 盖州 115200)
摘 要: 采用 11 个杨树无性系的 1 年生枝条为试验材料,通过低温和冻融处理,确定以 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,用相关性分析筛选出与抗寒性极显著或显著相关的 5 个指标———相对电导率、相对含水
率、水分饱和亏缺、丙二醛和可溶性糖,用主成分分析法将 5 个指标转化为综合的主成分,确定各指标权重,建立评
价体系,再结合隶属度函数值求得各无性系抗寒性的综合指数。依照综合指数,抗寒性由强到弱的排序为: 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,其结果与参试无性系苗期野外
抗寒性表现相符。通过聚类分析,将杨树抗寒性划分为 4 类: 小黑杨、小美旱、中绥 12 和小叶杨为一类,其抗寒性
最强; 3016 杨、108 杨和沙兰杨为一类,抗寒性较强; 辽育 3、97 杨和中辽 1 号为一类,抗寒性较弱; L35 为一类,其
抗寒性最差。评价体系的建立为准确判断不同杨树无性系苗期抗寒能力提供技术支持,进而为抗寒品种选育、品
种区划等提供参考。
关键词: 杨树; 抗寒性; 冻融处理; 综合评价; 生理生化指标
中图分类号: S718. 43 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 7488(2014)07 - 0044 - 08
Establishment of an Integrated Assessment System on Cold Resistance of
Poplars at the Seedling Stage
Li Xiaoyu Yang Chengchao Peng Jiandong Yang Zhiyan Zhang Yan
( Liaoning Provincial Research Institute of Poplar Gaizhou115200)
Abstract: The germination rate of annual branches of 11 poplar (Populus) clones were used as a judging indicator to
investigate the cold resistance after cold hardiness treatment with low-temperature and freezing-thawing at - 40 ℃ for 24
hours and then transferred to 20 ℃ for 24 hours repeatedly four times. Five parameters, such as relative electric
conductivity,relative water content,water saturation deficit,MDA and soluble sugar,were selected by using correlation
analysis for studying physiological and biochemical substances,physical characters,growth traits and phenological phases
etc. The parameters were highly significantly or significantly correlated to the hardiness. The five parameters were further
converted to integrated index by principle component analysis,with the combination of their subordinate functions to
establish an assessment system. Integrated index value of cold resistance of each variety was obtained by measuring the
weight and its function value. According to composite index,the sequence of cold resistance from strong to weak was
P. × xiaohei,P. × xiaozhuanica‘Poplar’,P. deltoides × ( P. nigra var. thevestina × P. nigra),P. simonii,
P. × canadensis‘N3016’,P. × canadensis‘Guariento’,P. × canadensis‘Sacran-79’,P. × deltoides‘Liaoyu3’,
P. × euramericana‘97’,P. × euramericana‘Zhongliao1’,P. × euramericana‘L35’. The result was consistent
with the performance in cold resistance of the clones in field. These clones of poplars could be divided into four groups by
cluster analysis. The first group,the first 4 clones in the resistance sequence,had the strongest cold resistance. The
second group,including the 5 - 7 th in the sequence,had medium cold resistance. The third group,including the 8 - 10 th
in the sequence,had relative weak resistance. The last one in the sequence was the worst. The evaluation system provided
a technical support to judge the ability of cold resistance of seedlings of different clones,and would be beneficial to others
such as breeding for cold resistance,varieties classification.
Key words: poplar; cold resistance; freezing and thawing; integrated assessment; physiological and biochemical indexes
第 7 期 李晓宇等: 杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建
杨树为杨柳科( Salicaceae) 杨属 ( Populus)植
物,落叶乔木,具有适应性强、生长迅速、轮伐期短等
优点,是我国平原地区造林的重要树种。近年来,我
国杨树育种领域成果丰硕(苏晓华等,2010),不断
推出黑杨派(Sect. Aigeiros)新品种。随着黑杨派速
生品种的推广应用,生产中出现超出适生范围栽培
速生品种的现象,加之低温、寒潮等异常气候的影
响,使得我国北方地区杨树冻害、腐烂病等问题频繁
发生。以辽宁省为例,仅 2006 年春季受害面积就达
到 6 万 hm2,其中死亡面积 0. 59 万 hm2,直接经济损
失超 10 亿元(杨志岩等,2010)。因此,准确评价杨
树无性系抗寒性、做好品种栽培区划,对促进杨树速
生丰产林的发展意义重大。
关于植物抗寒性的研究,国内外学者做了大量
的工作,取得了一定成果。目前对木本植物抗寒性
测定的方法有电解质渗出率法(Deans et al.,1995;
Azzarello et al.,2009)、全株冰冻测试法 ( Tanaka et
al.,1997; 李国华等,2009)、叶绿素荧光法( Lin et
al.,2007; 庞磊等,2011)和电阻抗图谱法(Li et al.,
2009; 张军等,2011)等。提出了一些与抗寒性有
关的指标,如相对电导率(Kim et al.,2011; 李小琴
等,2012)、半致死温度(张倩等,2013)、可溶性糖
(Wanner et al.,1999; Uemura et al.,2003; Zhang et
al.,2005)、可溶性蛋白 (高京草等,2010)、丙二醛
(Qin et al.,2011)、脯氨酸(Xin et al.,1993; Gleeson
et al.,2005)。抗氧化酶系统( SOD,POD,PPO,CAT
和 AsA)作为植物保护自身的应答机制,近年来其活
性也被广泛用来分析抗寒性 ( 杨向娜等,2006;
Wang et al.,2008)。关于杨树抗寒性测定及评价的
研究起步较晚,多数只是用单一指标衡量抗寒性。
但植物的抗寒性是受诸多方面控制的复合遗传性
状,单一的抗寒性鉴定指标难以真实反映出植物的
抗寒性,只有采用多项指标的综合评价才能比较准
确地反映植物的抗寒水平。偶有综合评价杨树抗寒
性的文献,但抗寒指标选择较少,对各指标权重也只
是简单的赋值法,且未将评价结果与野外冻害调查
结合,使得抗寒性评价结果可靠性较差(杨敏生等,
1997)。本文从生理生化物质、物理性状、生长性
状、物候期等方面进行系统研究,利用相关性分析,
筛选出适宜的抗寒性评价指标,采用主成分分析确
定指标权重,建立杨树抗寒性评价体系,并结合试验
无性系野外冻害调查,为准确判断不同无性系抗寒
能力提供技术支持,进而为抗寒品种选育、品种区划
等提供参考。
1 材料与方法
1. 1 试验材料与试验地点
选取辽宁省杨树栽培中抗寒性表现较强和较差
的无性系以及当地主栽品种为试验材料,包括小黑
杨(P. × xiaohei)、小叶杨( P. simonii)、中辽 1 号
(P. × euramericana ‘Zhongliao1’)、中绥 12[P.
deltoides × (P. nigra var. thevestina × P. nigra)]、
108 杨 ( P. × canadensis ‘Guariento’)、辽 育 3
(P. × deltoides ‘ Liaoyu3 ’)、 97 杨 ( P. ×
euramericana ‘97 ’)、L35 ( P. × euramericana
‘L35’)、小美旱 ( P. × xiaozhuanica ‘Poplar’)、
3016 杨(P. × canadensis‘N3016’)、沙兰杨(P. ×
canadensis‘Sacran-79’),共 11 个无性系。
冻害调查和指标测定试验材料的试验地选在辽
宁省锦州市金城苗圃,年平均气温 8. 7 ℃,降水量
610 mm,无霜期 180 天。2010 和 2011 年春季对材
料进行常规扦插繁殖,每个无性系繁殖 1 000 株。
物候期观测试验地选在辽宁省盖州市,年平均
气温 9. 5 ℃,降水量 630 mm,无霜期 189 天。2011
年春,将材料进行常规扦插栽植,15 株为一小区,3
次重复,完全随机区组设计,株行距 30 cm × 60 cm。
周围设置保护行。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 野外冻害调查 在辽宁省锦州市金城苗圃,
对上述 11 个杨树无性系 1 年生苗进行冻害情况调
查。将冻害分为 5 级,分级标准如表 1 所示。按下
式 分 别 计 算 各 无 性 系 冻 害 指 数:
X = ∑
4
i = 0
niPi / NP( )max 。式中:X 为冻害指数;n i为受
冻害级数为 i 的苗木数;P i为受冻害级数为 i 的级
值;N 为调查总株数;P max为受冻害最严重一级的
级值。
表 1 冻害分级标准
Tab. 1 Grades of frozen injury
冻害等级
Freezing
injury
grade
症状
Symptom
代表值
Representative
value
Ⅰ 无冻害 No frozen injury 0
Ⅱ
1 /4 以下枝条干梢
Less than 1 /4 dead branch
1
Ⅲ
1 /2 以下枝条干梢
Less than 1 /2 dead branch
2
Ⅳ
3 /4 以下枝条干梢
Less than 3 /4 dead branch
3
Ⅴ 整株死亡 Wholly dead 4
54
林 业 科 学 50 卷
1. 2. 2 抗寒性综合评价体系构建 1) 材料处理
处理方法一是梯度降温冷冻处理: 每个无性系选取
生长一致的 33 个 1 年生整株苗干及 66 个 50 cm 长
的顶梢,洗净擦干。将其分为 11 组,每组包括 3 个
整株苗干及 6 个 50 cm 长顶梢。将材料置于超低温
冰箱(三洋 MDF-192AT)中进行低温处理,从 0 ℃至
- 50 ℃,每 5 ℃为 1 个梯度,共 11 个处理,以 0 ℃
为对照(CK)。降温速度为 2 ℃·h - 1。降至所需温
度后维持 24 h,取出 1 组材料进行生长恢复试验,其
余枝条继续进行降温处理。
处理方法二是冻融处理: 每个无性系取生长一
致的 15 个 1 年生整株苗干及 30 个 50 cm 长顶梢,
洗净擦干。将其分为 5 组,每组包括 3 个整株苗干
及 6 个 50 cm 长顶梢,进行冻融处理。变温幅度为
- 40 ℃至室温(20 ℃ ),处理次数为 5 次。具体做
法是将材料置于 - 40 ℃冰箱中 24 h,然后移至室温
(20 ℃ )放置 24 h,取出 1 组材料进行生长恢复试
验,其余枝条继续冻融处理。
生长恢复试验: 将试验处理后的 3 个整株苗
干,剪成 15 ~ 20 cm 长的枝段放入光照培养箱进行
水培养,每 3 天换水 1 次,温度 (25 ± 2 )℃,光照
14 h /黑暗 10 h,28 天后统计萌芽情况,计算各无性
系的总萌芽率作为衡量指标(杨敏生等,1997)。
2) 指标测定 生理生化指标测定: 根据 2011
年 3 月 2 种试验材料处理后的萌芽情况,2012 年 3
月选择各无性系萌芽率差异较大的冻融处理的枝条
进行测定。将处理后的枝条顶梢剪成 0. 2 ~ 0. 3 cm
小段(避开芽眼),混合均匀后用于各项指标测定,
每个指标 3 次重复,采用 DDS-IIC 型数显电导率仪
测定电导率值 ( relative electric conductivity,REC)
(王晶英等,2003); 硫代巴比妥酸(TBA)显色法测
定丙二醛(MDA)含量(李合生等,2000); 酸性茚三
酮显色法测定脯氨酸含量(中国科学院上海植物生
理研究所等,1999); 蒽酮比色法测定可溶性糖含
量(王晶英等,2003)。
物理性状指标测定: 每个无性系随机选取 15
株生长正常的 1 年生苗木,运回实验室,洗净,按照
GB /T 1933—2009《木材密度测定方法》测定基本密
度,用常压加热干燥法测定枝条含水率。
生长性状指标测定: 每个无性系随机选取 15
株生长正常的 1 年生苗木,游标卡尺测量地径,塔尺
测量苗高,烘干称质量法测定枝条生物量。
3) 物候期观测 从各区组中分别抽取 3 株生
长发育正常的苗木为标准株,定株观测各无性系的
物候期,封顶期、落叶初期、落叶盛期、落叶末期是
2011 年秋季观测,芽萌动期为 2012 年春季观测。
其中,落叶初期以标准株出现明显的物候相为准,落
叶盛期以开始超过标准株物候相的 1 /2 作为标志,
落叶末期指叶片基本落净(李守勇等,2003)。
1. 3 试验数据处理
以各物候期距 4 月 1 日的天数对物候期进行数
据转换,再进行统计分析(李守勇等,2003)。采用
DPS10. 5 版本及 EXCEL2003 对数据进行相关性、主
成分、聚类等分析。
2 结果与分析
2. 1 野外冻害调查结果
2011 年 4 月 7 日,在辽宁省锦州市金城苗圃,
对参试的 11 个杨树无性系 1 年生苗进行了冻害情
况调查(表 2)。从表中可以看出,小黑杨、小叶杨、
中绥 12 的冻害指数较低,抗寒性较好; L35 杨的冻
害指数最大,达到 1,冻害严重。
表 2 杨树各无性系冻害指数
Tab. 2 Freezing index of poplar clones in field
无性系
Clones
冻害指数
Freezing index
无性系
Clones
冻害指数
Freezing index
小黑杨 P. × xiaohei 0. 290 97 杨 P. × euramericana‘97’ 0. 626
小叶杨 P. simonii 0. 295 L35 P. × euramericana‘L35’ 1. 000
中辽 1 号 P. × euramericana‘Zhongliao1’ 0. 523 小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 0. 325
108 杨 P. × canadensis‘Guariento’ 0. 384 3016 杨 P. × canadensis‘N3016’ 0. 331
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 0. 665 沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 0. 354
中绥 12 P. deltoides × (P. nigra var. thevestina × P. nigra) 0. 295
2. 2 抗寒性综合评价体系构建
2. 2. 1 不同处理对杨树冻害发生的影响 通过对
材料梯度降温处理发现,同一低温处理下不同无性
系间萌芽率未出现明显差别,同一无性系在各低温
阶段萌芽率也未发生明显变化,- 50 ℃处理 24 h
后,平均萌芽率仍达到 90%,未发生明显冻害,因此
此种处理的萌芽率不适合作为评价依据。冻融处理
结果发现,第 1 次冻融处理后,试验材料萌芽情况良
好(表 3 ),各无性系间萌芽率差异不显著 ( P >
0. 05); 第 2 次和第 3 次冻融处理后,试验材料萌芽
64
第 7 期 李晓宇等: 杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建
率下降,方差分析结果差异显著,但用 Duncan 法进
行多重比较发现,有些无性系间萌芽率差异不显著,
例如第 2 次冻融处理后的 108 杨、3016 杨和沙兰
杨,第 3 次冻融处理后的 3016 杨和沙兰杨; 第 4 次
和第 5 次冻融处理后,各无性系间萌芽率出现较大
差别,有些无性系萌芽情况仍然很好,例如第 4 次冻
融处理后小黑杨萌芽率仍高达 91%,有些无性系则
出现死亡的现象,经方差分析及多重比较发现各个
无性系间均差异显著。从试验效果和试验时间 2 方
面考虑,选择第 4 次冻融处理后的枝条萌芽率作为
杨树抗寒性的评价依据,并选这一处理条件下的材
料测定生理生化指标。
表 3 冻融处理后杨树各无性系萌芽率①
Tab. 3 Germination rate of poplar clones after freezing and thawing
无性系
Clones
冻融处理萌芽率 Germination rate after freezing and thawing (% )
第 1 次
The first time
第 2 次
The second time
第 3 次
The third time
第 4 次
The fourth time
第 5 次
The fifth time
小黑杨 P. × xiaohei 100. 00 ± 0. 000 98. 61 ± 0. 006a 95. 43 ± 0. 014a 91. 67 ± 0. 009a 60. 88 ± 0. 015a
小叶杨 P. simonii 97. 26 ± 0. 032 88. 10 ± 0. 026b 69. 79 ± 0. 028c 42. 22 ± 0. 015d 20. 68 ± 0. 014d
中辽 1 号
P. × euramericana‘Zhongliao1’
94. 41 ± 0. 024 79. 33 ± 0. 018e 50. 98 ± 0. 027f 6. 12 ± 0. 003h 0. 00 ± 0. 000h
中绥 12 P. deltoides × (P. nigra var.
thevestina × P. nigra)
98. 45 ± 0. 019 96. 09 ± 0. 019a 91. 37 ± 0. 022a 84. 44 ± 0. 012b 52. 90 ± 0. 012b
108 杨 P. × canadensis‘Guariento’ 95. 05 ± 0. 026 86. 11 ± 0. 020bc 67. 97 ± 0. 024c 40. 91 ± 0. 022d 19. 78 ± 0. 015d
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 94. 19 ± 0. 028 80. 61 ± 0. 025e 51. 43 ± 0. 017f 10. 81 ± 0. 016g 2. 88 ± 0. 012g
97 杨 P. × euramericana‘97’ 93. 85 ± 0. 019 81. 57 ± 0. 021de 55. 31 ± 0. 022ef 16. 28 ± 0. 006f 3. 86 ± 0. 010g
L35 P. × euramericana‘L35’ 90. 61 ± 0. 029 54. 77 ± 0. 015f 17. 48 ± 0. 030g 0. 00 ± 0. 000i 0. 00 ± 0. 000h
小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 100. 00 ± 0. 000 95. 03 ± 0. 014a 85. 29 ± 0. 013b 70. 37 ± 0. 008c 47. 86 ± 0. 002c
3016 杨 P. × canadensis‘N3016’ 96. 43 ± 0. 019 84. 60 ± 0. 022bcd 60. 95 ± 0. 018d 25. 49 ± 0. 012e 13. 75 ± 0. 015e
沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 94. 69 ± 0. 031 82. 91 ± 0. 018cde 59. 53 ± 0. 028de 24. 44 ± 0. 012e 10. 13 ± 0. 009f
①数据后不同字母表示差异显著(P < 0. 05)。下同。Different letters indicate significant difference at 0. 05 level. The same below.
2. 2. 2 抗寒指标相关性分析 对各无性系进行了
抗寒生理指标(相对电导率、可溶性糖、脯氨酸、丙
二醛)、物理指标(相对含水率、基本密度)、生长性
状指标(地径、苗高、生物量)的测定及物候期的观
测(表 4、表 5、表 6),用相关分析法计算各指标与总
萌芽率的相关系数(表 7)。
表 4 冻融处理后杨树各无性系生理生化指标值
Tab. 4 The physiological-biochemical indicators of poplar clones after freezing and thawing
无性系
Clones
相对电导率
Relative electric
conductivity (% )
丙二醛
MDA /
(μmol·g - 1 )
脯氨酸
Proline /
(μg·g - 1 )
可溶性糖
Soluble sugar /
(μg·g - 1 )
小黑杨 P. × xiaohei 25. 85 ± 0. 007d 0. 032 ± 0. 001e 70. 736 ± 2. 125d 13. 19 ± 0. 003bcde
小叶杨 P. simonii 28. 37 ± 0. 009cd 0. 040 ± 0. 001de 59. 991 ± 1. 200e 14. 82 ± 0. 002abc
中辽 1 号 P. × euramericana‘Zhongliao1’ 42. 64 ± 0. 014b 0. 059 ± 0. 001ab 69. 344 ± 1. 039d 11. 23 ± 0. 004f
中绥 12 P. deltoides × (P. nigra var. thevestina × P. nigra) 27. 38 ± 0. 005d 0. 050 ± 0. 007bcd 50. 033 ± 1. 043g 15. 02 ± 0. 004ab
108 杨 P. × canadensis‘Guariento’ 36. 02 ± 0. 085bc 0. 045 ± 0. 002cd 20. 882 ± 0. 891h 13. 57 ± 0. 003bcd
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 43. 21 ± 0. 007b 0. 052 ± 0. 003bcd 56. 134 ± 0. 875f 11. 94 ± 0. 002def
97 杨 P. × euramericana‘97’ 40. 94 ± 0. 014b 0. 054 ± 0. 001bc 83. 905 ± 0. 930b 11. 59 ± 0. 002ef
L35 P. × euramericana‘L35’ 52. 71 ± 0. 035a 0. 070 ± 0. 003a 69. 259 ± 2. 119d 12. 99 ± 0. 015cdef
小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 29. 81 ± 0. 064cd 0. 047 ± 0. 015bcd 57. 551 ± 1. 671ef 15. 58 ± 0. 015a
3016 杨 P. × canadensis‘N3016’ 42. 56 ± 0. 010b 0. 045 ± 0. 001cd 73. 524 ± 1. 414c 13. 80 ± 0. 011abcd
沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 38. 67 ± 0. 035b 0. 047 ± 0. 002bcd 107. 106 ± 2. 494a 13. 55 ± 0. 003bcd
从表 7 可以看出,生理生化指标中相对电导率
与抗寒性极显著相关,丙二醛和可溶性糖与抗寒性
显著相关; 物理性状中相对含水率和水分饱和亏缺
均与抗寒性极显著相关; 生长指标中,各测定指标
均与抗寒性不相关; 物候期指标中,落叶末期与抗
寒性的相关系数最高,但未达到显著水平(α = 0. 05
时,r = 0. 602 1)。
根据相关性分析结果,选取与杨树抗寒性极显
著或显著相关的相对电导率、相对含水率、水分饱和
亏缺、丙二醛、可溶性糖作为抗寒性综合评价的
指标。
74
林 业 科 学 50 卷
表 5 杨树各无性系物理性状和生长性状指标值
Tab. 5 Indicators of physical characters and growth traits of poplar clones
无性系
Clones
基本密度
Basic density /
( g·cm - 3 )
相对含水率
Relative water
content (% )
水分饱和亏缺
Water saturation
deficit(% )
1 年生苗地径
One-year-old
seedling ground
diameter / cm
1 年生苗高
One-year-old
seedling height /m
1 年生苗干生物量
One-year-old
seedling
biomass / g
小黑杨 P. × xiaohei 0. 342 ±0. 006ab 51. 63 ±0. 004a 16. 93 ±0. 006h 1. 91 ±0. 348b 2. 53 ±0. 241cd 169. 8 ±4. 712d
小叶杨 P. simonii 0. 338 ±0. 006b 51. 07 ±0. 003a 23. 95 ±0. 011f 1. 66 ±0. 158cd 2. 24 ±0. 107f 148. 6 ±6. 332e
中辽 1号
P. × euramericana‘Zhongliao1’
0. 323 ±0. 004c 38. 90 ±0. 003e 38. 81 ±0. 013b 1. 66 ±0. 201cd 2. 52 ±0. 169cd 168. 5 ±6. 501d
中绥 12 P. deltoides × (P. nigra
var. thevestina × P. nigra)
0. 322 ±0. 008c 51. 37 ±0. 003a 20. 21 ±0. 004g 1. 82 ±0. 187bcd 2. 46 ±0. 158de 249. 0 ±4. 082a
108杨 P. × canadensis‘Guariento’ 0. 287 ±0. 007e 43. 64 ±0. 005c 34. 77 ±0. 015c 1. 83 ±0. 298bcd 2. 24 ±0. 320f 229. 1 ±6. 409b
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 0. 347 ±0. 003ab 39. 92 ±0. 006e 40. 72 ±0. 011b 1. 86 ±0. 227bc 2. 68 ±0. 187bc 198. 3 ±5. 604c
97杨 P. × euramericana‘97’ 0. 278 ±0. 008e 39. 17 ±0. 005e 43. 10 ±0. 009a 2. 24 ±0. 241a 3. 07 ±0. 116a 259. 1 ±9. 050a
L35 P. × euramericana‘L35’ 0. 351 ±0. 003a 37. 31 ±0. 004f 43. 82 ±0. 010a 1. 85 ±0. 196bc 2. 54 ±0. 117cd 199. 2 ±5. 386c
小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 0. 349 ±0. 009ab 48. 88 ±0. 010b 17. 56 ±0. 008h 1. 62 ±0. 169d 2. 34 ±0. 117ef 204. 8 ±6. 245c
3016杨 P. × canadensis‘N3016’ 0. 305 ±0. 005d 43. 68 ±0. 005c 26. 34 ±0. 007e 1. 82 ±0. 169bcd 2. 80 ±0. 149b 208. 4 ±8. 345c
沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 0. 284 ±0. 010e 41. 6 ±0. 006d 31. 29 ±0. 009d 1. 73 ±0. 082bcd 2. 69 ±0. 110bc 161. 1 ±8. 043d
表 6 杨树各无性系物候期观测结果
Tab. 6 The phenological phases of poplar clones
无性系
Clones
封顶期
Top-cutting time
(Month-Day)
落叶初期
Deciduous initial
stage(Month-Day)
落叶盛期
Deciduous prime
stage(Month-Day)
落叶末期
Deciduous telophase
(Month-Day)
萌动期
Germination period
(Month-Day)
小黑杨 P. × xiaohei 09 - 26 10 - 06 10 - 25 11 - 20 04 - 15
小叶杨 P. simonii 09 - 27 10 - 09 10 - 24 11 - 21 04 - 13
中辽 1 号 P. × euramericana‘Zhongliao1’ 09 - 29 10 - 06 11 - 14 11 - 23 04 - 15
中绥 12 P. deltoides × ( P. nigra var.
thevestina × P. nigra)
09 - 27 10 - 09 10 - 24 11 - 10 04 - 13
108 杨 P. × canadensis‘Guariento’ 09 - 27 10 - 08 11 - 07 11 - 23 04 - 16
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 09 - 26 10 - 03 10 - 24 11 - 21 04 - 16
97 杨 P. × euramericana‘97’ 09 - 30 10 - 05 10 - 27 11 - 23 04 - 18
L35 P. × euramericana‘L35’ 09 - 25 10 - 05 10 - 26 11 - 23 04 - 17
小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 09 - 29 10 - 06 10 - 24 11 - 22 04 - 14
3016 杨 P. × canadensis‘N3016’ 09 - 25 10 - 08 10 - 24 11 - 21 04 - 19
沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 09 - 19 10 - 06 10 - 24 11 - 21 04 - 15
表 7 11 个杨树无性系各项指标与萌芽率的相关系数①
Tab. 7 Correlation coefficients of indicators and germination rate of 11 poplar clones
相关指标 Related indicators 相关系数 Correlation coefficient
生理生化指标
Physiological-biochemical indexes
物理性状
Physical characters
生长性状
Growth traits
物候期
Phenological phases
相对电导率 Relative electric conductivity - 0. 910 1**
丙二醛 MDA - 0. 699 5 *
脯氨酸 Proline - 0. 281 9
可溶性糖 Soluble sugar 0. 662 8 *
基本密度 Basic density 0. 200 8
相对含水率 Relative water content 0. 920 2**
水分饱和亏缺 Water saturation deficit - 0. 897 7**
1 年生苗地径 One-year-old seedling ground diameter - 0. 136 1
1 年生苗高 One-year-old seedling height - 0. 415 2
1 年生苗干生物量 One-year-old seedling biomass 0. 078 4
封顶期 Top-cutting time 0. 123 4
落叶初期 Deciduous initial stage 0. 466 3
落叶盛期 Deciduous prime stage - 0. 310 3
落叶末期 Deciduous telophase - 0. 601 2
萌动期 Germination period - 0. 568 0
①**表示差异极显著 ( P≤ 0. 01 ) ; * 表示差异显著 ( P≤ 0. 05 )。** and * indicate significant difference at 0. 01 and 0. 05 level,
respectively.
84
第 7 期 李晓宇等: 杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建
2. 2. 3 杨树抗寒指标权重的确定 植物遭受冻害
后,生理变化是极其复杂的,单独用某一指标表示这
一过程很难真实反映植物的抗寒性,故采用多个指
标进行综合评价才比较可靠。但各个指标之间的关
系错综复杂,且各指标对无性系抗寒性的影响不同,
因此需对指标进行主成分分析 (谢吉荣等,2002),
结果见表 8。从表 8 可以看出,第 1 主成分提取特
征值贡献率为 81. 66%,一般认为累计贡献率达到
70%以上的这几个主成分就可以代表原始指标的绝
大部分信息,因此,提取第 1 主成分,并以第 1 主成
分中各指标的负荷量计算各指标对杨树抗寒性作用
的大小,确定指标权重 Wi,结果见表 9。从表 9 可以
看出,各指标对杨树抗寒性的影响由大到小依次是
相对含水率、水分饱和亏缺、相对电导率、丙二醛、可
溶性糖。
表 8 杨树各无性系抗寒性指标的特征根及贡献率
Tab. 8 The eigenvalue and contribution rate of cold
resistance indicators of poplar clones
主成分
Components
特征值
Eigen value
贡献率
Contribution
rate(% )
累计贡献率
Cumulative
contribution rate(% )
1 4. 083 1 81. 662 3 81. 662 3
2 0. 617 6 12. 351 2 94. 013 5
3 0. 175 7 3. 514 6 97. 528 1
4 0. 092 8 1. 855 1 99. 383 2
5 0. 030 8 0. 616 8 100
表 9 杨树各无性系抗寒性指标的负荷量和权重
Tab. 9 Capacity and weight of cold resistance
indicators of poplar clones
指标
Indicators
负荷量
Capacity
权重
Weight
相对电导率 Relative electric conductivity 0. 943 3 0. 209 5
丙二醛 MDA 0. 828 9 0. 184 1
可溶性糖 Soluble sugar 0. 787 9 0. 175 0
相对含水率 Relative water content 0. 979 4 0. 217 6
水分饱和亏缺 Water saturation deficit 0. 962 4 0. 213 8
2. 2. 4 杨树抗寒指标的隶属度 由于各指标的单
位、性质和数量不同,故采用模糊数学隶属度函数对
各项指标测定值进行定量转换,隶属度函数的升降
顺序由相关性的正负确定。相对含水率、可溶性糖
采用升型分布函数,即 f( xi ) = ( xij - ximin ) /( ximax -
ximin); 相对电导率、丙二醛和水分饱和亏缺采用降
型分布函数,即 f( xi) = ( ximax- xij) /( ximax - ximin),其
中 f( xi)为各指标隶属度,xij表示各指标值,xi max和
xi min分别表示第 i 项指标的最大值和最小值。结果
见表 10。
2. 2. 5 杨树各无性系抗寒性综合指数值 根据各
指标权重与隶属度值,运用加乘法则: I = Wi × f( xi)
(式中: Wi为抗寒性指标的权重; f( xi)为各指标的
隶属度),计算杨树各无性系抗寒性综合指数 I(表
10)。
表 10 杨树无性系抗寒性指标的隶属度及抗寒性综合指数
Tab. 10 Subordination value of indicators and integrated index of cold resistance of poplar clones
无性系
Clones
相对电导率
Relative electric
conductivity
丙二醛
MDA
可溶性糖
Soluble
sugar
相对含水率
Relative water
content
水分饱和亏缺
Water saturation
deficit
综合指数
Integrated
index
小黑杨 P. × xiaohei 1 1 0. 450 6 1 1 0. 903 8
小叶杨 P. simonii 0. 906 2 0. 789 5 0. 825 3 0. 960 9 0. 738 9 0. 846 7
中辽 1 号
P. × euramericana‘Zhongliao1’
0. 374 9 0. 289 5 0 0. 111 0 0. 186 3 0. 195 8
中绥 12 P. deltoides × (P. nigra var.
thevestina × P. nigra)
0. 943 0 0. 526 3 0. 871 3 0. 981 8 0. 878 0 0. 848 3
108 杨 P. × canadensis‘Guariento’ 0. 621 4 0. 657 9 0. 537 9 0. 442 0 0. 336 6 0. 513 6
辽育 3 P. × deltoides‘Liaoyu3’ 0. 353 7 0. 473 7 0. 163 2 0. 182 3 0. 115 3 0. 254 2
97 杨 P. × euramericana‘97’ 0. 438 2 0. 421 1 0. 082 8 0. 129 9 0. 026 8 0. 217 8
L35 P. × euramericana‘L35’ 0 0 0. 404 6 0 0 0. 070 8
小美旱 P. × xiaozhuanica‘Poplar’ 0. 852 6 0. 605 3 1 0. 808 0 0. 976 6 0. 849 6
3016 杨 P. × canadensis‘N3016’ 0. 377 9 0. 657 9 0. 590 8 0. 444 8 0. 650 1 0. 539 5
沙兰杨 P. × canadensis‘Sacran-79’ 0. 522 7 0. 605 3 0. 533 3 0. 299 6 0. 466 0 0. 479 1
从表 10 可以得出,杨树各无性系抗寒性由强到
弱的排序为: 小黑杨、小美旱、中绥 12、小叶杨、
3016、108 杨、沙兰杨、辽育 3、97 杨、中辽 1 号、L35。
将试验得出的抗寒性综合指数与野外调查的冻害指
数进行相关性分析,计算得相关系数为 - 0. 849 7,
为极显著相关(α = 0. 01 时,r = 0. 734 8),说明评价
体系对杨树苗期抗寒性的评价与野外实际情况
相符。
2. 3 杨树抗寒性聚类分析
对杨树各无性系的抗寒性综合指数进行聚类分
94
林 业 科 学 50 卷
析(图 1),结果将杨树各无性系抗寒性分为 4 类:
小黑杨、小美旱、中绥 12 和小叶杨为一类,其抗寒性
最强; 3016 杨、108 杨和沙兰杨为一类,抗寒性较
强; 辽育 3、97 杨和中辽 1 号为一类,抗寒性较弱;
L35 为一类,其抗寒性最差。
图 1 不同抗寒性的杨树无性系聚类
Fig. 1 Cluster of poplar clones with different cold resistance
3 结论与讨论
冻害对树木的影响是多方面的,但最终体现在
生长发育上。芽是树木对温度变化最敏感的部位,
树木遭受冻害后,用来评估树木伤害或生存最直观
的方法主要是通过芽对冻害的敏感性反映出来(杨
敏生等,1997)。因此,采用人工低温和冻融处理
后,对苗木进行恢复性培养,将萌芽率作为评价体系
构建的衡量指标是可取的。抗寒性衡量指标一般选
择低温处理后的萌芽率(柳新红等,2007; 吕跃东
等,2008),而以冻融处理后的枝条萌芽率为抗寒性
衡量指标则未见文献报道。本研究在对材料分别进
行低温和冻融处理后发现,在试验年份冻融处理 4
次后,各无性系萌芽率差异显著,并以此萌芽率作为
抗寒性衡量指标。萌芽率与采样时间和越冬材料本
身的受害程度有关。在不同地区对不同品种进行类
似研究时,可以采用本方法,但冻融次数的确定要重
新进行试验摸索,筛选出不同品种差异显著的萌芽
率作为衡量指标。
本文用相关性分析筛选出评价杨树单项抗寒能
力的 5 个指标。其中,电导率的变化反映出细胞膜
透性的改变,当植物受到逆境影响时,细胞膜透性增
大,细胞内的物质(尤其是电解质)大量外渗,电导
率也随之增大,从而反映出所测材料抗寒性的强弱。
相对含水率是植物组织中实际含水量占组织鲜质量
的百分比,其高低反映了苗木保水能力的强弱;在相
同胁迫下,抗寒性强的无性系往往比抗寒性弱的无
性系含水量下降要迟缓,以维持植物体生理生化的
正常运转。水分饱和亏缺是植物组织的实际含水量
与其饱和含水量的差值相对于饱和含水量的百分
率,其值越大说明水分亏缺越严重,该指标能较好
地比较植物保水能力的强弱。丙二醛是细胞膜脂过
氧化的产物之一,通常作为反映植物对逆境条件反
应强弱的指标,在正常情况下含量极少,在遭到寒害
后,其含量随着植物伤害程度加大而升高;在相同的
胁迫条件下,MDA 含量高的品种抗寒性弱,反之则
强。可溶性糖作为一种渗透调节物质,在植物遭受
逆境条件后,会主动积累以提高细胞的渗透浓度,增
加保水能力,从而使冰点下降。以上 5 个指标从膜
系统稳定性、水分及渗透调节物质等方面反映植物
抗寒性的大小。在物候期观测中落叶末期与抗寒性
的相关性接近显著水平,可以作为苗期抗寒性评价
的田间参考指标。
本文将筛选出的指标转化为综合的主成分,确
定各指标的权重,再结合隶属度函数值求得杨树各
无性系抗寒性的综合指数。依照综合指数的大小抗
寒性由强到弱的排序为: 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,这与 11 个无性系苗期在野外的抗寒性表
现相符,与大树抗寒性顺序基本一致。并通过聚类
分析,将杨树无性系抗寒性划分为 4 类。作为对杨
树苗期抗寒性的评价,对于筛选出的抗寒性差的无
性系可以直接确定其不适宜该地区,对于筛选出的
抗寒性较强的无性系,在实际生产中有可能出现大
树越冬伤害的情况。例如,本文将 108 杨与 3016 杨
和沙兰杨归为一类,苗期 108 杨可以在 3016 杨和沙
05
第 7 期 李晓宇等: 杨树苗期抗寒性综合评价体系的构建
兰杨的适生区(如辽宁省中西部)安全越冬,但在特
殊年份 108 杨大树在辽宁省出现越冬伤害,甚至死
亡的现象。杨树幼苗和大树的抗寒性表现不一致的
原因很复杂,枝条风干失水、日灼伤、营养不足和冰
核细菌等因素都会对杨树的抗寒性造成影响,而幼
苗和大树对以上因素反应不同。越冬死亡现象是冻
害、病害等越冬伤害综合作用的结果。因此,在具体
评价杨树无性系抗寒性时,应从各个方面综合考虑,
并结合田间栽培试验结果得出科学的结论。
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(责任编辑 徐 红)
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