1.成果內(nèi)容概述
　　該成果屬于國家攻關(guān)專題“三北地區(qū)抗逆性植物材料選育和培育技術(shù)”中獨立子專題“刺槐杭逆性選育和改良技術(shù)研究”的初試成果，由北京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院和三北防護林建設(shè)局北方荒漠林業(yè)實驗研究中心等單位經(jīng)4年努力共同完成。河南省經(jīng)濟林和林木種苗站、山東省林業(yè)科學(xué)研究院、寧夏林業(yè)科學(xué)研究所、甘肅省種苗站、遼寧省種苗站和遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院等單位曾給予該項研究以大力支持，該成果亦匯聚了他們的貢獻。
　　(一)刺槐抗逆性遺傳材料的選擇、收集和保存
　　(1)優(yōu)良遺傳材料的篩選、收集和優(yōu)樹選擇
　　在對干旱地區(qū)刺槐資源狀況進行了實地考察和調(diào)研相關(guān)科技成果基礎(chǔ)上，根據(jù)表現(xiàn)型選擇了16個無性系；根據(jù)早期遺傳測定結(jié)果，在甘肅天水優(yōu)良種源中選擇了50個生長超過對照10%以上的優(yōu)良半同胞家系；選擇集了山東費縣刺槐改良種子園生長超過當?shù)貙φ?5%以上的27個優(yōu)良家系；選擇收集遼寧錦縣11個優(yōu)良家系。
　　在干旱、鹽堿立地條件下表現(xiàn)較好的刺槐植株，有枝下高較高，側(cè)枝數(shù)多，側(cè)枝長且粗，小枝密度、皮否則密度、皮孔密度等較大等特征。以生長和參考其他相關(guān)性狀表現(xiàn)，在干旱地區(qū)的刺槐子代測定林中，選擇了15個第二代優(yōu)良單株；在干旱貧瘠逆境下，采用優(yōu)勢木對比法和主觀對比法選擇優(yōu)樹40株。
　　(2)遺傳材料的保存
　　總共收集優(yōu)良家系88個，無性系15個；選擇優(yōu)樹40株，第二代優(yōu)樹15株。收集了家系種子和種根，在三北防護林建設(shè)局北方荒漠林業(yè)試驗研究中心、北京林業(yè)大學(xué)苗圃建立收集圃育苗保存，現(xiàn)保存家系和無性系93份。
　　(二)田間對比試驗和初選抗逆性系
　　半同胞家系和無性系在三北防護林建設(shè)局北方荒漠林業(yè)試驗研究中心、北京林業(yè)大學(xué)苗圃開展苗期抗逆性和生長表現(xiàn)的對比試驗。
　　(1)苗期家系生長狀況對比
　　試驗了不同來源家系138個，方差分析表明家系間極顯著的遺傳差異，苗高的家系遺傳率為0.83左右，遺傳選擇有效。3年生試驗家系中有8個的苗高超過當?shù)貎?yōu)樹子代，平均優(yōu)勢比為8%；地徑優(yōu)勢比為15%。2年生中有9個家系苗高超過對照達15%以上；地徑超過對照15%以上的家系有14個，T94超過對照達90%，表現(xiàn)非常突出。優(yōu)良家系地徑的較大生長優(yōu)勢，反映了其生長潛力。從家系來源看，山東費縣家系表現(xiàn)最好，遼寧次之，甘肅天水第三。
　　(2)苗期家系生長與試驗地點的交互作用
　　家系與試驗地點間有顯著交互作用，按兩試驗地點家系苗高生長表現(xiàn)排序，根據(jù)超過家系平鏡一個標準差分級比較各家系生長的相對表，多數(shù)在全年干旱和鹽堿較高的寧夏試驗地表現(xiàn)好和較好的家系，在北京亦有好或較好有現(xiàn)，僅有家系T176除外，說明生長好的家系苗期在較差立地也可以有較好的生長表現(xiàn)。
　　(3)各家系苗木耐逆境能力田間對比
　　抗逆性試驗地各家系苗木受害狀主要表現(xiàn)為枯梢和枯干，它是苗木受干旱、寒冷、風(fēng)害和鹽堿綜合影響的結(jié)果，亦是刺槐在西北地區(qū)發(fā)展的主要限制因子。采用加權(quán)法計算各家系枯梢率地平值，結(jié)果表明：苗木的適應(yīng)性表現(xiàn)了極顯著的遺傳差異，3年生12個家系的受害系低于當?shù)丶蚁担?年生29個家系中有9個的受害低于當?shù)貙φ?20%)。這為理一步的抗逆性選擇介供了參考。
　　(4)家系受害狀況與生長表現(xiàn)的相互關(guān)系
　　對家系生長與受害指數(shù)的相關(guān)分析結(jié)果表明，家系的苗高、地徑與枯梢狀況有顯著的負相關(guān)，苗木成活率無顯著耵關(guān)。相關(guān)分析結(jié)果使得選出抗逆性強且生長較好的優(yōu)良家系成為可能。
　　(5)綜合分析與優(yōu)良家系初選
　　根據(jù)各家系的地徑、苗高及枯梢率的相對表現(xiàn)，計算了選擇指數(shù)，根據(jù)各家系的選擇指數(shù)綜合排序。以家系綜合抗逆性能力高于當?shù)貙φ眨蚺c對照無顯著差異；樹高和地徑的現(xiàn)實遺傳增益平鏡超過對照15%以上為標準。初選了優(yōu)良家系14個，即T164、T94、B18、J11、T69、T176、74011、T169、J5、X207、T53、T108、T88和T82。其中家系T164、T94、B18和J11，不僅苗期的生長表現(xiàn)突出，而且受害率很低，表現(xiàn)了很好的早期綜合抗逆性和優(yōu)良的生長勢，可以作為優(yōu)良的抗逆性遺傳材料進行區(qū)域化試驗。
　　(三)刺槐抗旱、耐鹽堿能力的測定技術(shù)和指標建立
　　(1)刺槐家系抗旱能力測定技術(shù)的綜合研究 
　　用人工似態(tài)試驗方法對20個生長優(yōu)良的家系的干旱脅迫研究結(jié)果表明：
　?、俅袒本哂休^強的抗旱性，在土壤含水量達到10%時就可以保持基本的生長；在土壤含水量低于7%時出現(xiàn)脅迫；在土壤含水量低于7%時出現(xiàn)脅迫；在土壤含水量低于3%時出現(xiàn)嚴重脅迫。
　　②各家系間葉片的厚度、柵欄組織厚和柵欄組織/海綿組織都存在顯著遺傳差異，家系遺偉力分別大到了0.95、0.96和0.89，對這些指標的遺傳選擇有效，進行家系內(nèi)的選擇也有一定潛力。
　?、鄹骷蚁等~片的保水能力有顯著差異，不同家系離體葉片的失水率不同，離體葉片失水率在離體1～10h內(nèi)家系間變異最大，離體24h后葉片已基本達到恒重，因此，用失水率來鑒定刺槐家系葉片的保水力以離體1～10h內(nèi)測定為好。
　?、苋~綠素穩(wěn)定指數(shù)(CSI)是較好的耐熱性指標，經(jīng)過高溫處理后不同家系葉綠素穩(wěn)定指數(shù)下降的幅度不同，它與家系的抗旱能力存在明顯相關(guān)。
　?、莞鶕?jù)刺槐家系在干旱擬態(tài)條件下苗木活力狀態(tài)變化特點的研究，苗木活力與家系抗旱性有密切的正相關(guān)，苗木活力測定是反映苗木耐旱能力的較好方法，為進一步的家系和無性系耐旱能力評價打下了良好技術(shù)基礎(chǔ)。
　?、奕~組織含水量、葉飽和虧缺和葉水勢隨著水分脅迫強度下降，下降幅度在家系間有差異，下降的幅度越大，家系對水分脅迫反應(yīng)越敏感，抗旱能力越差。家系間在水分參數(shù)和生理生化指標上都存在著差異，從而為家系抗旱性篩選提供了可能。
　　⑦葉水勢、水分利用效率、凈光合帶率、蒸騰速率、電阻值在家系間有顯著遺傳差差異，家系遺傳力均比較高，分別為0.81、0.87、0.85、0.85和0.74，可以用來作為刺槐家系抗旱性選擇的依據(jù)。
　?、鄬λ置{迫下各生理生化指標之間的相關(guān)性都達到了極顯著水平
　?、嵋匀~保水能力、葉綠素穩(wěn)定指標(CSI)、苗木電導(dǎo)率、葉水勢、凈光合速率(Pn)、蒸騰帶率(Tr)和水分利用效率(WUE)這7個與抗旱性關(guān)系密切的指標建立刺槐家系抗旱性鑒定指標體系，利用這些指標可對刺槐家系的抗旱能力進行有效評價。
　　(2)刺槐耐鹽生理基礎(chǔ)與分子機制研究
　　對1年生刺槐家系苗進行不同濃度的鹽處理，通過光合速率的測定、X射線微區(qū)分析、原子吸收、聚丙烯胺凝膠電泳等分析手段和技術(shù)，研究了鹽脅迫對刺槐苗生長、光合及蒸騰作用的影響，鹽脅迫對刺槐不同組織及細胞離子吸收和分配的影響、鹽脅迫相關(guān)蛋白質(zhì)等。
　?、僭凇?00mmol/L NaCl的脅迫處理下，刺槐家系苗木的生長開始受到抑制，50mmol/LNaCl處理的刺槐與對照相比，不但高生長、生物量、冠根比的增長沒有受到抑制，反而有一定的促進作用，說明刺槐可耐受一定程度的鹽環(huán)境。
　?、诟啕}脅迫引起刺槐凈光合速率的下降與生長減繪的趨勢是一致的，刺槐在不同鹽脅迫濃度下，蒸騰速率的變化趨勢基本一致。
　?、垭S鹽濃度增大使細胞膜受到的損傷加劇，滲透調(diào)節(jié)的能力下降，生長受到抑制。
　?、茺}脅迫下，刺槐體內(nèi)Na＋含量隨環(huán)境Na＋的增加而上升，根部的Na＋含量較高，其分布量的順序是根〉莖〉葉，葉片中鹽離子含量較低，從而減少了鹽脅迫對地上部的毒害。
　　⑤植株體內(nèi)的K＋在幼嫩的組織中分布較多，其分布量的順序為葉〉莖〉根，葉中K＋含量是其他部位的3～4倍。鹽脅迫下，刺槐中K＋含量隨Na＋含量的增加而下降，表明Na＋的積累抑制了K＋的進入。
　?、薮袒比~肉細胞與根皮層細胞離子含量的測定結(jié)果表明：隨NaCl脅迫程度的增加，Na＋和Cl-的含量在細胞壁、細胞質(zhì)和液泡中都呈上升趨勢。但在鹽脅迫下，刺槐根皮層細胞的液泡中積累的Na＋和Cl-的量遠高于細胞質(zhì)，說明刺槐的根皮層對Na＋和Cl-具有一定的區(qū)隔化作用。
　?、邿o論是器官水平還是細胞水平的測定結(jié)果均表明，刺槐感的Na＋含量最高，說明刺槐吸收鈉離子之后，可以將其保留在根部，以進行滲透調(diào)節(jié)。
　?、嚯S鹽濃度提高，氣孔阻力上升，CO2補償點、光補膛點升高，呼吸作用增強，鹽肋迫狀態(tài)下刺槐的高代謝活動超過一定限度則會嚴重影響正常生理活動，最終可導(dǎo)致苗木死亡。上述指標可以用于評價脅迫狀態(tài)下刺槐的耐鹽能力，并可根據(jù)不同鹽濃度脅迫下苗木50%致死作為閾值，篩選耐鹽家系。
　?、嵫芯窟€發(fā)現(xiàn)，隨鹽脅迫處理時間的延長，刺槐實生苗有一定的適應(yīng)反應(yīng)；刺槐愈傷組織細胞，耐鹽脅迫能力低于苗木。
　　(四)刺杭逆性改良的生物技術(shù)途徑研究進展
　　建立了刺槐從外質(zhì)體處理，愈傷組織誘導(dǎo)，脫化分和試管苗培育的刺槐組培再生技術(shù)體系，育出了組培苗，為進一步研究建立了培育技術(shù)；研究表明葉蛋白含量高于感蛋白含量；高鹽脅迫降低了刺槐葉片和感蛋白的含量，說明過多的鹽離子對刺槐的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)造成了一定的傷害；在50mmol/L NaCl的鹽環(huán)境處理下，增加了葉片中的蛋白質(zhì)的含量，說明刺槐對鹽脅迫有一定適應(yīng)性反應(yīng)；在植物耐鹽性蛋白的分析研究基礎(chǔ)上，初步探測到具有耐鹽性的蛋白譜帶。鹽脅迫后，刺槐葉片中的58KD和33KD蛋白以及感的65KD、29KD蛋白人含量增加；而葉片中109KD和12KD蛋白的表達量降低。實驗中33KD是新增加的蛋白帶。
　　從藜科植物中克隆了與逆性相關(guān)的甜菜堿生物合成基因--膽堿合成酶和甜菜堿脫氫酶啟動子基因，并已進行了DNA測序。
　　(五)良種繁殖園建設(shè)
　　在三北防護林建設(shè)局北方荒漠化林業(yè)試驗研究中心，根據(jù)立地條件，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，單株及申小區(qū)靈活設(shè)計建設(shè)良種園2hm2。包括山東、甘肅、寧夏及遼寧等地收集的刺槐優(yōu)良家系和無性系55個。株行距為5m×6m。良種園的交通較便利。有灌溉條件。
　　2.成果關(guān)鍵技術(shù)、主要技術(shù)經(jīng)濟指標與國內(nèi)外同類技術(shù)的比較
　　(一)關(guān)鍵技術(shù)
　　(1)刺槐抗逆性遺傳材料的選擇、收集和保存
　　在充分分析和調(diào)研基礎(chǔ)上，選擇、篩選并收集了159個在各地經(jīng)濟性狀表現(xiàn)優(yōu)良的刺槐家系、無性系和自選優(yōu)樹，異地保存93個家系、無性系。
　　(2)初選綜合抗逆性表現(xiàn)優(yōu)良的刺槐家系
　　在典型逆境的田間試驗和多性狀分析對比基礎(chǔ)上，初選了綜合抗逆性較強的優(yōu)良家系14個：T164、T94、B18、J11、T69、T176、74011、T169、J5、X207、T53、T108、T88和T82，在受害程度低于對照或與對照無顯著差異條件下，苗高和地徑優(yōu)勢比平鏡超過對照均在15%以上。家系T164、T94、B18和J11，受害率很低，苗期生長表現(xiàn)突出，具有很好的利用前景。
　　(3)研究了刺槐家系間抗旱能力變異的機理，建立了較為可靠地評價刺槐家系抗旱性的技術(shù)方法和指標體系
　　在水分脅迫狀態(tài)下，家系對水分利用效率(WUE)反應(yīng)類型的不同和差異是家系抗旱能力差異的主要原因之一。葉保水能力、葉綠素穩(wěn)定指標(CSI)、苗木電導(dǎo)率、苗木活力指標、葉水勢、凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)8個與刺槐家系的抗旱性密切相關(guān)，利用這些指標可有效評價刺槐家系的抗旱能力。
　　(4)系統(tǒng)了解了刺槐抗鹽性的生理基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了鹽脅迫狀態(tài)下離子在刺槐組織和細胞微觀結(jié)構(gòu)上的區(qū)域化分布現(xiàn)象，建立了刺槐耐鹽性評價和選擇方法
　　全面分析和認識了刺槐的耐鹽性機理，首次報道了鹽離子在刺槐不同組織和細胞微管結(jié)構(gòu)上的區(qū)域化分布，探討了這種離子運動和分布狀態(tài)對耐鹽性的可能影響；建立起了刺槐耐鹽堿能力測定的技術(shù)方法和指標體系，并有效進行了刺槐抗旱性和耐鹽閾值的分析檢測。
　　(5)檢測發(fā)現(xiàn)了刺槐的鹽脅迫誘導(dǎo)蛋白33KD，克隆了與抗逆性相關(guān)基因
　　在國內(nèi)林業(yè)研究領(lǐng)域，自主克隆了與抗逆性相關(guān)的甜菜堿生物合成基因--膽堿合成酶和甜菜堿氫酶啟動子基因，建立了相應(yīng)的技術(shù)體系，并已進行了KNA測序。
　　(6)初建了刺槐抗逆性多功能初級良種園2hm2，提出了相應(yīng)的建立和發(fā)展策略
　　(三)與國內(nèi)外同類技術(shù)的比較
　　開展抗逆性植物材料選育技術(shù)的研究為國內(nèi)首次專門立項啟動的技術(shù)和技術(shù)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，面臨的技術(shù)問題均屬國內(nèi)林業(yè)技術(shù)研究的探索性內(nèi)容，并具有國內(nèi)的區(qū)域性特點，國外亦少有專門系統(tǒng)的研究報道。雖然借助的生理生化等分析技術(shù)手段多為經(jīng)典技術(shù)，但針對一樹木種內(nèi)譜系的遺傳特點開展的抗逆性評價和選育技術(shù)基礎(chǔ)和實用技術(shù)研究，在國內(nèi)尚屬開拓性工作，整體成果水平應(yīng)處于國內(nèi)同類研究的領(lǐng)先地位。采用的研究技術(shù)處于國際當前研究相同水平，研究成果的系統(tǒng)性上處于國際同類研究的先進水平。

【完成人】李 悅 蔣湘寧 杜和平 王沙生 陳雪梅 薛玉瑋 張術(shù)忠 李國鋒 王艷青 劉 穎 高 森 王 平
【完成單位】北京林業(yè)大學(xué) 三北防護林建設(shè)局北方荒漠林業(yè)實驗研究中心