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选育鹅掌楸属良种 助力森林质量提升
2018-08-20
杂交鹅掌楸为新一代优良用材和绿化树种，对促进我国森林质量的提高和缓解木材短缺意义重大。江西省科学院生物资源研究所余发新研究员率领的团队在国家国际科技合作专项项目“北美鹅掌楸抗逆性种源试验及种间杂种新品种选育”（2005DFA30460）、国家自然基金“杂种鹅掌楸均一化cDNA文库构建及生根相关基因筛选”（31260188）和江西省重点支撑计划“中国马褂木×北美鹅掌楸新品种选育”(2004BNA06030)等项目的支持下，开展了“鹅掌楸属种质资源收集、保存与良种选育及应用推广”工作，历时14年，通过产学研合作，开展鹅掌楸属种质创新系统研究，在种质资源收集、保存、良种选育、造林技术以及生根基因克隆等关键技术和应用方面取得重大突破，实现了良好的生态、社会和经济效益。
一、种质资源研究
收集国内鹅掌楸全分布区种源31个，家系284个，育苗3万余株，建立种质资源库210亩。测定了种子生物学性状和苗期生长性状，发现鹅掌楸种子发芽率和1年生苗高生长量在种源、家系两个层次均有较大的变异。利用3个叶绿体片段对鹅掌楸谱系地理及遗传多样性研究表明，鹅掌楸遗传多样性丰富，在全分布区范围内遗传分化较大，形成多个遗传异质性区域及冰期避难地；核心居群遗传多样性较高，东西部居群遗传分化较大，在鹅掌楸分布区的西部，存在从西南到西北的潜在扩散路线，并在大娄山及武陵山区形成遗传多样性热点区域。引进收集北美鹅掌楸种源8个，并研究了其种子生物学特性和苗期生长特性及其地理变异规律。
二、北美鹅掌楸耐涝家系筛选及机理研究
（一）获得了两个耐涝北美鹅掌楸家系，为选育耐涝杂交鹅掌楸提供了宝贵的育种材料
随着淹水胁迫时间的延长，北美鹅掌楸不断死亡，其淹水抵抗有两个阶段，第1阶段是前8天，第2阶段是前16天。家系间的耐涝性存在明显差异，获得的两个耐涝家系Louis-1和Louis-2在淹水30天以上仍能存活。
（二）探讨了耐涝北美鹅掌楸淹水胁迫下表型变化、生理响应及分子机理
淹水胁迫后不耐涝家系叶缘出现水渍状灰斑、叶片发黄或发黑、叶片下垂等症状，植株死亡；耐涝家系大部分叶色正常。从叶夹角变化角度，不耐淹的家系随着淹水胁迫时间延长，叶夹角变大。从皮孔变化角度看，耐涝家系总皮孔数、白皮孔个数及白皮孔率均随淹水水位高度的增高呈升高趋势。从膝根变化角度看，在淹水胁迫下，幼苗局部器官或组织分裂分化形成膝根或皮孔，且耐涝家系膝根平均长度和粗度均最大。从穿孔根变化角度看，耐涝家系穿孔根发生最快，长度不断增长，不耐涝家系根长增速则大大减缓。从生理变化看，淹水4天时，耐淹无性系和敏感无性系均叶绿素含量减少，丙二醛（MDA）含量、相对电导率（EL）显著增加，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）等酶活性极显著增加；淹水6天后，敏感无性系MDA、EL持续增加，叶绿素含量极显著降低，SOD和POD总体呈下降趋势，而耐淹无性系叶绿素含量下降幅度较小，MDA和EL缓慢下降，SOD和POD持续升高。结果表明，耐涝北美鹅掌楸可通过形成不定根和肥大的皮孔、保持较高的抗氧化酶活性等方式增强其抗涝能力，EL、叶绿素含量、SOD活性可作为北美鹅掌楸耐淹无性系中期选育指标。转录组研究表明，淹水胁迫严重抑制了北美鹅掌楸整体基因表达水平，叶片乙烯和生长素相关基因表达差异明显，其他如赤霉素、脱落酸等变化不明显；KEGG富集分析显示，差异表达基因显著富集的通路包括光合作用、植物病原菌互作、苯丙氨酸合成代谢等过程。
三、良种选育研究
（一）获得杂交鹅掌楸高生根率速生良种
选育获得3个高生根率速生良种，即杂交鹅掌楸优无1号、优无2号、优无3号（良种证号分别为：赣R-SC-LC-001-2014(5)、赣R-SC-LC-002-2014(5)、赣R-SC-LC-003-2014(5)）。3个良种具有生长快、生根率高、抗逆性强等特点，其生根率在80%以上。山地造林平均树高、胸径年均生长量分别为1.6米和2.4厘米，材积优势率达305%，庭院绿化胸径年均生长量在3厘米左右，且几乎没有病虫害发生。3个良种已被列入2018年重点推广成果名单。
（二）掌握了良种不定根发育过程，为利用激素诱导提高扦插生根率提供了解剖学依据
杂交鹅掌楸插穗未发现根原基，但激素处理后，高生根率无性系在维管形成层区域迅速出现多层薄壁细胞，并逐步发育形成根原基，穿过韧皮射线和皮层发育成根，而低生根率无性系薄壁细胞分裂慢且少，不易形成根原基。表明良种生根率高的原因是插穗经激素处理后其维管形成层薄壁细胞分生快而且多，这为进一步提高扦插生根率提供了解剖学依据。
（三）提出了利用生理指标辅助预测杂种优势的方法
对杂交鹅掌楸优无1号、优无2号、优无3号（树龄3～7年）不同长势个体的激素及酶的变化规律进行研究，发现不同激素在生长势不同的植株中的含量差异显著，其中，ZR和IAA无论在成龄树还是幼龄树中，长势好的植株其含量均高于长势差的植株，与树高、胸径生长量均呈显著正相关，GA含量与树高生长量显著正相关。其他几种酶的活性与生长量关系无明显规律。因此，可利用ZR、IAA和GA可作为杂交鹅掌楸杂种优势早期选择的辅助指标。
四、生长规律和造林技术研究
（一）集成了一套以整地方式、苗木大小、抚育管理和栽植密度为关键因子的高效实用造林技术
多地、多年的造林实践表明，杂交鹅掌楸优无1、2、3号适宜山地、丘陵和平原排水良好的立地栽培，山区气候更有利于其生长。杂交鹅掌楸喜疏松土壤，在粘重、石砾含量高的立地，需进行全面深翻整地。此外，在造林标准高、抚育管理强的情况下，可适当稀植，有利于长期发挥其速生性，可用3×4米或4×5米的株行距；在穴状整地的情况下，采用2×3米至3×4米株行距有利于造林存活和减少造林后的抚育工作量，但前3年砍杂是最基本的抚育管理要求。造林苗应为1年生壮苗。
（二）掌握了良种年内生长规律，为育苗和幼林精准管理提供了依据
对30株5年生杂交鹅掌楸无性系进行逐月生长量调查，结果表明年内速生的起始时间树高、胸径不完全一致，高生长速生期比胸径提早1个月。树高快速生长期主要集中在4～7月，这4个月的生长量占全年生长量的73.8%，而胸径快速生长期主要集中在5～7月，这3个月的生长量占全年生长量的74.4%。这一规律对育苗和幼林的管理有着重要的指导作用，即在速生期加强水肥管理可以起到事半功倍的效果。
（三）提出了树冠估算模型
利用SketchUp软件模拟构建的鹅掌楸单株不同分段树冠曲线旋转体3D建模具有较高的可信度，几种3D模型与树冠实际体积公式法偏差较小，与实际树冠体积估算值均小于9%，且能够获得较高精度的一维冠高和冠径数据。为满足小规模扦插实验需求，发明了简易可移动扦插箱，该装置可以控制温度、光照和水分，可满足周年少量扦插的需要。
五、杂交鹅掌楸生根基因及基因组SURVEY研究
利用改良Trizol法解决木本植物根系RNA提取难题，且质量高。将均一化技术成功应用于鹅掌楸cDNA文库，管家基因在文库中拷贝数下降为原来的1.17%～2.86%，大大节约了后续测序成本。成功克隆了LHFB1等5个生根相关全长基因，包括生长素诱导基因家族、根毛相关基因、PRP基因等，并分析了其性质与功能。预估了鹅掌楸基因组的大小约为1.6G，且为高杂合高重复基因组，为深入研究基因组提供了重要信息。
