2017, Vol. 25
黑木相思(Acacia melanoxylon)是含羞草科(Mimosaceae)金合欢属树种，为相思类最高大乔木之一，原产于澳大利亚、巴布亚新几内亚和印度尼西亚等地。黑木相思木纹美丽，材质好，具有固氮根瘤，枯落物丰富，改土性能好，20世纪90年代引进我国后在广东、福建、广西、海南等地成功种植[1-2]。本世纪以来，中国林业科学研究院热带林业研究所与嘉汉林业合作，通过无性系选育，克服了分枝多，主干不明显的问题，黑木相思已成为我国华南地区速生丰产、珍贵用材和生态公益等多用途树种[3-4]。据不完全统计，2015年起，黑木相思无性系造林面积以每年超过666.7 hm2的速度发展。在育种实践中，选育的无性系由于具有较多的符合生产要求的性状，因而被作为重要的育种资源[5]。对选育的优良无性系开展重要性状评价，深入研究其种质基础和遗传变异特性，有利于扩大种质资源的利用，明确育种目标，培育适应性强的新品种及以后有针对性的进一步引进种质资源，这也是黑木相思育种发展的必要途径。
种质资源评价中，在兼顾生长表现的同时，还应注重植物对环境的适应性和资源利用效率。在生长方面，许多研究表明，生长性状在种源、家系及无性系间等多个水平存在广泛的遗传变异，为选育高产种质资源提供了可能[6-7]。叶片是植物进行同化作用的重要场所，直接影响着植物的功能，在遗传改良中占有举足轻重的地位，利用叶形态特征开展遗传变异研究已有很多报道[8-9]，但从叶结构性状(比叶面积、干物质量)和化学性状(碳、氮、磷含量)研究遗传变异及其与生长的关系较少。比叶面积和干物质量是叶结构性状的2个重要指标，可以解释90%以上植物叶片性状随环境不同而发生的变异，比叶面积在一定程度上反映了叶片截获光的能力，干物质量反映植物获取资源的能力[10]。叶片中C元素是结构性物质，能够反映植物的C积累状态，N、P元素是植物生长的限制元素，叶经济谱[11]指出:具有叶氮含量高、光合速率大、呼吸速率快和寿命短、比叶重小的物种，为“快速投资-收益”型物种，反之“缓慢投资-收益”型物种的特点为寿命长、比叶重大、含氮量、光合速率和呼吸速率都偏低。黑木相思原产地约在南纬16°~43°，垂直分布从海平面附近直至1500 m，年降雨量750~1500 mm，原生境分布区内海拔、降雨、地形等生态条件差异大, 导致黑木相思具有丰富叶形和生长差异，为选育生长快、资源利用率高和适应性强的种质资源提供可能。
前期黑木相思的研究主要以应用研究为主[1-4], 基础研究相对薄弱。本研究通过对叶形、叶结构、化学性状和生长性状遗传变异规律的研究，对9个黑木相思无性系种质资源开展初步评价，为深入了解现有育种资源特性，进一步开展分子标记及功能基因分析研究打下良好的基础。
1 材料和方法 1.1 研究地概况黑木相思无性系试验林在广东省紫金县中坝镇，位于东经115°20′，北纬23°42′，海拔230 m, 土壤类型为山地赤红壤，年降雨量为1760 mm，年平均气温为20.6℃。试验林定植于2011年5月，株行距3 m×2 m，采用随机完全区组设计，3个区组, 每区组每无性系10株。
1.2 叶片样品采集在黑木相思无性系试验林中，选取SR3、SR9、SR14、SR17、SR18、SR25、SR38、SR41和F1共9个无性系进行评价，其中SR编号为参试无性系, F1为对照无性系。每个无性系测定树高(H)和胸径(DBH)后利用高枝剪在林冠南向采集6枝长度适中、强壮、无病虫害的枝条，每枝上摘取成熟的完整叶片10~20片，即每个无性系获取叶片60片, 装入密封袋冷藏带回实验室。
1.3 测定指标和方法把60片叶随机分为6组，每组10片。用直尺测量叶片的长度(LL)和最宽处宽度(LW)，精确到0.01 cm。用型号为Yaxin-1242叶面积仪对鲜叶进行扫描，测定叶面积(LA)，精确到0.01 cm2。之后把叶片用蒸馏水浸泡，放入低温冷藏24 h，取出叶片迅速用吸水纸吸干表面水分，用电子分析天平称量饱和鲜重(FW)，再将叶片先在105℃烘箱下烘30 min，然后在60℃下烘至恒重，取出称量干重(DW)。比叶面积(SLA)=LA/DW，以cm2 g-1表示，干物质量LDMC=DW/FW，以g g-1表示。叶片烘干粉碎后测量C、N、P含量，分别采用重铬酸钾-硫酸氧化法、凯氏定氮法和钼锑抗比色法测定, 以mg g-1表示。
1.4 统计分析试验数据采用Excel 2007进行统计，用SPSS 19.0软件进行方差和相关性分析，变异系数CV= (标准偏差SD/平均值M)×100%。综合评定依模糊数学中隶属函数法[6]，求取各指标的隶属函数值后进行平均，得到综合评定值。隶属值=(X-Xmin)/ (Xmax-Xmin)×100%, 式中，X为测定值，Xmax为最大值，Xmin为最小值。若某指标与综合评定呈反向关系，用反隶属函数计算：隶属值=[1-(X-Xmin)/ (Xmax-Xmin)]×100%。
2 结果和分析 2.1 叶片性状的比较以叶长、叶宽和叶面积为代表的叶形指标，在黑木相思9个无性系间都达到显著差异(FLL= 138.897、FLW=116.211、FLA=55.066，P < 0.001), 多重比较表明(表 1)，SR38号无性系的叶长、叶宽和叶面积显著最大，属于大叶型，SR14、SR17、SR18号无性系的叶宽和叶面积最小，属于窄小叶型。不同的叶形特征为无性系直观区别提供重要参考。3个叶形性状的变异系数以LA > LW > LL，变异系数越大，表型性状的离散程度越大，表明叶面积和叶宽可作为直观区别无性系可靠指标。
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表 1 黑木相思无性系的叶片性状 Table 1 Leaf traits of 9 Acacia melanoxylon clones |
比叶面积和干物质量为叶结构特征的2个重要指标，黑木相思9个无性系间的比叶面积和干物质量差异显著(FSLA=36.976、FLDMC=38.130，P < 0.001)，多重比较(表 1) 表明，比叶面积以SR41无性系显著最大, 而SR3显著最小，干物质含量以SR3、SR14、SR17、SR18无性系显著最大，而F1无性系最小。9个无性系的比叶面积为76.18~133.51 cm2 g-1，干物质量为0.30~0.41 g g-1，干物质量的变异系数小于比叶面积。
方差分析表明，黑木相思叶片C、N、P含量在9个无性系间达到极显著差异(FLC=180.147、FLN=29.669、FLP=26.714，P < 0.001)，多重比较(表 1) 表明，F1、SR17无性系叶片的C含量显著最大，而SR3、SR38的显著最小；F1、SR41无性系叶片的N含量显著最大，而SR3的显著最小；SR9无性系叶片的P含量显著最大，而SR3、SR17、SR18、SR41的显著最小。C和N含量的变异系数较小，P含量的变异系数略大。
经多重比较，黑木相思9个无性系叶片的C/N和N/P达到显著差异(P < 0.05)(图 1)，叶片C/N的平均值为20.39，SR3、SR14、SR17、SR25等4个无性系叶片的C/N高于平均值，SR9、SR18与平均值相近，F1、SR41、SR38等3个无性系的小于平均值。N/P的平均值为19.62，SR3、SR17、SR18、SR41等4个无性系叶片的N/P高于平均值，F1、SR38与平均值相近，SR9、SR14、SR25等3个无性系小于平均值。
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图 1 黑木相思9个无性系叶片的C/N和N/P Fig. 1 C/N and N/P in leaves of 9 Acacia melanoxylon clones |
5年生黑木相思9个无性系的平均树高为12.2 m，平均胸径为10.6 cm。方差分析表明，树高和胸径在无性系间存在显著差异，树高F值为30.04 (P < 0.001)，胸径F值为26.15 (P < 0.001)，9个无性系中树高生长较快的是SR17和SR18，胸径生长较快的是SR14、SR17和SR18，而F1无性系的树高生长最慢，F1和SR38无性系的胸径生长最小(图 2)。
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图 2 黑木相思9个无性系的树高和胸径生长量 Fig. 2 Height and diameter at breast heigh of 9 Acacia melanoxylon clones |
叶片性状与树高和胸径具有一定的线性相关性，比叶面积、叶片C含量、C/N和N/P与树高和胸径呈正相关关系，而叶长、叶宽、叶面积、干物质量、N和P含量与树高和胸径呈负相关关系。从表 2可见，叶宽与树高，叶宽、叶面积和比叶面积与胸径均呈显著相关，其他性状与树高和胸径的相关性不显著。叶片的形态性状与树高、胸径相关性更突出，结构性状其次，而化学性状的相关性小，这可能与叶片的C、N、P含量随着季节和不同的生长阶段变化有关[12]。
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表 2 黑木相思无性系叶片性状与生长性状的相关性 Table 2 Correlation between leaf and growth traits of 9 Acacia melanoxylon clones |
利用模糊数学隶属函数法对黑木相思生长性状和叶片形态、结构、化学性状指标进行隶属值计算，通过隶属值排名(表 3), SR17、SR18、SR41、SR14无性系分别排第1~4位，表明其具有生长和叶片性状优势，在实际生长中，SR17、SR18、SR14无性系表现出较强的长势，其树高和胸径显著高于其他无性系，而SR41无性系在单纯以生长性状为入选指标时，没有显著优势，然而由于其叶片形态小，比叶面积大，叶片P含量低等特点，可能是具有较大生长潜力的无性系。F1为早期选育的无性系，作为对照无性系，其分枝多，树高和胸径生长不理想，但叶片C含量高，干物质含量低，隶属值仍高于SR3、SR9、SR38无性系。
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表 3 黑木相思无性系叶片性状和生长性状的隶属评价值 Table 3 Membership function values of leaf and growth traits of 9 Acacia melanoxylon clones |
植物叶片性状常被认为是相对稳定的，其一方面受控于植物遗传特性，另一方面受生境和气候等综合因素影响，叶片性状常作为品种间、种源间及家系间的重要生理特性而加以研究[13]。何承忠等认为滇杨(Populus yunnanensis)的52株优树叶片差异主要表现在叶长与叶宽上，其次为叶片最宽处所处位置[8]。本研究表明，黑木相思9个无性系中，SR38的叶片长且宽，SR25的长而窄，SR3的短而宽, SR14、SR17、SR18的短且窄，叶片较小，可作为已选育优良无性系的初步区分和识别。对马大相思(Acacia mangium×A. auriculiformis)的研究表明，叶长、叶宽和叶面积等指标在无性系间差异不显著[14]。这可能是黑木相思在原产地分布范围广，无性系选育群体来源丰富，导致黑木相思无性系具有丰富的叶形变化。
3.2 叶片结构性状的变异特征比叶面积和干物质量反映了植物应对生存环境所采取的适应策略，植物的比叶面积与相对生长速率和资源利用有紧密关系，比叶面积大的树种具有较高的生产力，而相对比叶面积小的树种资源利用率低，生产力也较低[10]。桉树(Eucalyptus)的10个无性系的比叶面积为81.42~137.58 cm2 g-1[15]。本研究表明，黑木相思9个无性系的比叶面积为76.18~133.51cm2 g-1，表明黑木相思优良无性系与桉树无性系的生长速率相似。SR41无性系具有最大比叶面积，可作为具有生长潜力的无性系，考虑在立地条件好、水热资源丰富、经营措施到位的区域试种。叶干物质含量主要反映植物对养分的保有能力，黑木相思干物质量变异系数小，约为0.30~ 0.41 g g-1，属于比较稳定的叶性状指标，叶干物质量稳定、可靠与多穗柯(Lithocarpus polystachyus)的相似[16]。
3.3 叶片化学性状的变异特征叶片的长期N素利用效率可用C/N值表示, 反映出植物C的获取和同化率及N分配和利用率的相对强弱，美洲黑杨(Populus deltoid)超亲子代叶片的C/N显著低于低亲子代，反映超亲子代对N的利用速率大于对C的同化速率[17]。9个黑木相思无性系叶片的C/N与生长性状不呈线性相关，可能是不同无性系N的需求和利用率不同。通过叶片N/P来判断营养限制已经得到广泛认同，当叶片N/P < 14时，植物生长主要受N限制，N/P > 16时，植物生长主要受P限制；当14 < N/P < 16时，植物生长受N和P共同限制[18]。黑木相思9个无性系的叶片N/P都超过了16 (除SR9外)，说明我国黑木相思生长普遍受到P素营养的限制，在经营黑木相思人工林时应注重磷肥使用。
3.4 9个无性系的综合评价本研究表明，9个无性系间的生长性状、叶片数量性状都呈显著差异，在良种选育时，单纯采用生长指标容易遗漏种质资源的优良性状。以生长和光能、水分、养分利用为目标性状，筛选出高产高光，高产高养分、水分利用效率高的北方型美洲黑杨无性系[19]。本研究借鉴叶经济谱概念，定量分析了无性系叶片的结构性状(比叶面积、干物质量), 化学性状(C、N、P含量)，以后还可开展叶片生理性状(如光合能力、呼吸速率)的测试，这将为选育具有叶N含量高，光合速率大，呼吸速率快，比叶重小特征的快速投资-收益型无性系提供参考。
黑木相思无性系叶形的遗传变异丰富，其中叶面积和叶宽可作为直观区别无性系的可靠指标，结合生长性状和叶片数量性状指标评选出SR14、SR17、SR18、SR41无性系，可作为生产推广应用和后续育种的首选材料。本研究对于发掘利用引进的黑木相思资源，选育高效速生用材新品种有重要参考价值。今后对黑木相思资源还可以用分子标记手段更全面地了解遗传变异规律，为进一步针对性的引进和定向培育新品种提供理论基础。
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