不同种源蒙古栎生长和生理特征研究

不同种源蒙古栎生长和生理特征研究

蒙古阿尔特罗夫。ex绿茶。这是地壳最耐寒、最干燥的树种。在中国北方广泛分布。同时，它也是最重要的工业材料之一，具有很高的生态意义和经济优势。蒙古栎分布区内生态环境差异大,经过长期的自然选择种内变异丰富,不同种源在生长性状和生理特征等方面存在着显著差异,这为优良品种选育提供了丰富的遗传资源。蒙古栎的研究涉及自然群落特征的较多,如蒙古栎群落相似性的研究,长白山地区蒙古栎光合特性,环境梯度下蒙古栎群落的物种多样性特征,落叶阔叶树种蒙古栎对林缘不同光环境光能和水分的利用,蒙古栎地理种源遗传多样性的研究等,这些研究为蒙古栎遗传资源的开发奠定了良好的基础。但关于蒙古栎不同种源生理特征的差异及在不同生长条件的适应性研究相对不足,不利于蒙古栎优良种源的选择和丰富的遗传资源的开发利用。其中张杰等对东北地区7个蒙古栎种源的荧光诱导动力学参数研究表明,叶绿素荧光特性与生长量及叶绿素含量之间具有相关的趋势;曾伟等以东北地区蒙古栎为研究对象,证明水分胁迫严重影响蒙古栎叶片的光合参数;赵甍的研究证明,倍增CO2浓度和相对高温的交互作用下,光合速率和呼吸速率都有所提升。蒙古栎不同种源间生长差异显著,且易受外界环境的影响,进行种源对比试验,并研究不同种源在不同条件下的适应性,对蒙古栎遗传资源开发意义重大。基于此,本研究选用5个种源,在3种培养条件下,对其生长和生理特征进行差异性比较,并利用隶属函数法对5个种源进行综合评价,旨在比较所选5个种源的差异及在不同条件下的生长情况,为蒙古栎遗传资源开发和优良种源的选育提供理论和技术支持。1材料和方法1.1泥炭土质2010年3月4日,在中国林业科学研究院温室播种,种子播在15cm×10cm的塑料钵中,用泥炭土∶蛭石∶珍珠岩(1∶1∶1)的基质培养。所选5个种源分别为吉林省白石山(B)、磐石(P)、江密峰(J)、桦甸(H)和松花湖(S)种源,所选蒙古栎种源地理气候状况见表1。1.2试验设计共设3个处理,每处理均含5个种源,每个种源7株幼苗,试验设计见表2。1.3测量项目1.3.1苗木生长和生物量测定于试验结束时(8月22日)每个种源选取6株苗木测量苗高、地径、叶片数及生物量,5个种源3个处理共测量90株,生物量即根、茎、叶的鲜质量之和。1.3.2净光合速率的测定、光合速率和叶室温度的确定采用LI-6400XT便携式光合作用测定系统(美国LI-COR公司),在8月下旬晴朗无云的9:00—11:00测定植物功能叶片的净光合速率(Pn),控制CO2浓度为400μmol/mol左右,光合有效辐射(PAR)为1200μmol/(m2·s),叶室温度设为28℃,每种处理的每个种源3次重复,每株系取第一轮完整健康的3片功能叶测定,等读数稳定后每片叶子记录3次数据。1.3.3光适应下稳态荧光ft采用德国Walz公司生产的PAM-2000便携式调制荧光仪,选择晴朗无云的9:00—11:00,测定光适应下稳态荧光Ft,最大荧光Fm′和PSⅡ实际量子产量(Yield),17:00左右将幼苗放在完全黑暗的地下车库暗适应5h到22:00,测量充分暗适应后的初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm),每个处理的每个种源重复3次,每株测3片叶,取平均值。1.3.4气孔密度和主轴长气孔的观察采用指甲油法,即在叶片上下表皮各均匀涂一层指甲油,晾干后揭下制成临时切片,使用蔡司AXIOIMAGERA1光学显微镜观察并照相,利用Image-ProPlus6.0软件测量气孔密度和主轴长。1.3.5单段表面每个系号选3株平均株,每株苗木从第一轮完全展开叶算起,选3片叶子测单叶面积,采用纸样称重法测定,共9次重复。1.4隶属函数算的公式利用Excel2003和SPSS19.0统计软件对数据进行统计分析、绘图和制表。采用模糊数学中隶属函数法,对各种源进行综合评价,计算公式如下:U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)(1)U(Xj)′=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)(2)式中:Xj为某一指标的第j个测定值;Xmax为该指标的最大值;Xmin为该指标的最小值。若某一指标与生物量呈负相关,可通过反隶属函数(2)计算其隶属函数值。将各指标的具体隶属值累加求平均值,平均值越大,综合评价越高。2不同环境对材料育种的影响经过5个月的培养,不同种源的蒙古栎在3种处理下的生长情况见表3。由表3可知,在苗高、地径、叶片数、单叶面积、生物量方面均表现出明显的差异性,说明试验材料遗传变异丰富,且环境条件差异对其生长存在一定的影响,具备优良品种进一步选育和研究的潜力。2.1不同种源生长情况根据数据调查结果,对生长性状进行分析,结果见表4~5。不同种源和不同处理间蒙古栎生物量差异显著,其中不同种源间达到极显著水平,双因素交互作用影响不明显。3个处理中处理2生物量比处理3大22%,处理2的光照和温度最大,可见蒙古栎喜光且在相对较高的温度下生长更好。各种源中J种源生物量最大,达到16.37g;B种源最小,为11.46g;J种源超过B种源达43%,J种源的生产力和适应环境的能力都较高。不同处理对单叶面积影响不显著,但种源间单叶面积差异显著,最大值为J种源42.45cm2,最小值为P种源34.62cm2。各处理对地径和苗高的影响差异均不显著,但观察发现,处理3苗高均值最大,叶片数最多,不过地径较小,说明相对低温和弱光可能诱导了蒙古栎的高生长。不同种源间地径差异极显著,最大值为J种源3.72mm,最小值为P种源3.26mm。叶片数在不同种源和不同处理间差异均极显著,说明种源间存在遗传变异,不同的生长条件会影响植株叶片的数量。研究结果也证明了个体生长不仅受自身遗传物质控制,同时也受生长环境的影响,且两者存在互作。2.2蒙古栎干物质积累速率净光合速率反应了植物对光能的利用和干物质的积累能力,是优良品种的重要参考指标之一。5个种源间净光合速率差异极显著,且不同处理间净光合速率差异也达到极显著水平,说明采取不同的培养条件,会明显的影响蒙古栎的干物质积累速率(表6)。进一步作多重比较,结果显示(表9),B种源与其他4个种源差异极显著,其净光合速率最小,为4.40μmol/(m2·s),最大值为P种源6.90μmol/(m2·s),超过B种源56.8%;处理3与另外2个处理间净光合速率差异极显著,其中处理2的净光合速率比处理3大31.7%,处理2的设置温度为28℃,PAR均值仅为36.0μmol/(m2·s),而处理3的PAR日均达585.6μmol/(m2·s),8月份的白天平均室外温度也明显高于28℃,说明蒙古栎在光热良好的情况下能加快干物质的合成和积累。2.3光能利用率的提高植物体内发出的叶绿素荧光与光合作用中各反应过程紧密相关,叶绿素荧光作为植物体内的天然探针,能够探测许多有关植物光合作用的信息。Yield反映了植物的实际光合效率,从表7中可以看出,种源间Yield差异不显著,而不同处理却影响了实际光合效率,Yield差异达到显著水平,处理2Yield比处理3高8.96%(表9);PSⅡ的最大量子产量Fv/Fm反映了植物的潜在最大光能利用效率,一般植物的比值在0.80~0.85,当植物受到胁迫时,Fv/Fm往往会明显下降。无论是种源间还是处理间Fv/Fm差异均不显著,说明不同种源并没有因培养条件的差异而造成相对的胁迫,从而影响植株生长导致种源间差异。qP(光化学淬灭系数)反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能用于光化学电子传递的份额,处理2最大,为0.96,仅比处理3和处理1高2.1%,处理和种源间差异均没达到显著水平,但光能用于光化学电子传递的份额普遍较高。qN(非光化学淬灭系数)反映的是PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而以热的形式耗散掉的光能部分,是一种自我保护机制。不同种源间qN差异较小,但处理间达到显著水平,处理3qN明显大于处理1和处理2,分别超过55.6%和87.5%,说明处理3的较强光照会产生光抑制,对光能利用效率低,可见蒙古栎长时间在弱光下生长会大大降低对光能的吸收和利用。2.4气孔密度和种源间的差异叶片气孔是CO2吸收同时也是植物水分蒸腾的主要通道。蒙古栎仅下表皮存在气孔,而上表皮没有气孔,且蒙古栎气孔相对其他树种较小,分布均匀(图1,表9)。方差分析结果表明,处理间气孔密度差异显著,种源间差异达到极显著水平,说明气孔密度既受遗传控制,又受外界光、热等因素的显著影响。处理2气孔密度最大,达到136个/mm2,比处理3高7.94%;种源间气孔密度最大值为140个/mm2,大小顺序依次为B>S>H>J>P;处理间气孔长轴差异不明显,但种源间差异显著,处理和种源对气孔长轴的影响则达到差异极显著水平,P种源气孔长轴最大,为17.81μm;H种源气孔长轴最小,为16.9μm(表8,表9)。2.5种源综合评价不同种源各指标与生物量的相关关系见图2。如图2所示,净光合速率、地径、单叶面积、苗高、Yield、Fv/Fm、qP等与生物量呈正相关关系,对生物量的增加为正向贡献;叶片数、气孔密度、气孔主轴长、qN等与生物量呈负相关关系,对生物量的增加为负向作用。根据各指标与生物量的正相关或负相关关系,选用隶属函数或反隶属函数进行5个种源的综合评价。从表10中可以看出,5个种源的综合评价排名为:J>P>S>B>H,其中综合得分最高的J种源比得分最低的H种源大17.84%。此外,不同指标间得分排名并非一致,种源间变异较大。综合得分最高的J种源在生物量、地径、苗高、叶片数、单叶面积、净光合速率等主要影响植株生长状况的因素上得分较高,在气孔密度、气孔主轴长、荧光参数等因子上表现适中;P种源气孔密度小,开口大,苗高和叶片数增加较快,且具有较高的Yield;S种源与P种源综合评价值较为接近,B种源与H评价得分差异较小。3蒙古栎抗旱性综合评价蒙古栎遗传资源丰富,不同种源间形态指标、生理特征差异显著。从本研究的结果可以看出,5个种源在同样的生长条件下,除苗高外,在生物量、地径、叶片数、单叶面积、气孔密度、气孔大小等形态指标方面差异显著或者极显著,净光合速率以及叶绿素荧光等生理特征也表现出一定的差异,这与李文英和张杰的研究结果一致,表明所选蒙古栎种源内变异丰富,具备优良品种选育的潜力和价值。气孔仅存在于下表皮,密度大同时气孔小说明植物抗旱能力相对较强。蒙古栎具备耐寒耐旱的优良品质,研究也表明其气孔相对较小,分布均匀,且仅在下表皮存在,既有利于与外界的气体交换,又有利于水分的保持。在3种处理中,处理2生物量最大,形态指标大小适中,净光合速率大于另外两个处理,Yield、Fv/Fm、qP也高于其他处理;8月份处理2的日均温度和光照分别可达31℃和585.6μmol/(m2.s),明显大于其余两个处理,表明蒙古栎在生长旺季需要较强的光照和相对高温,从而有利于其形态生长和干物质的快速积累。处理3培养温度较低,且光照最弱,平