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轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊木材物理力學(xué)性質(zhì)差異*

張德健1，2，孫照斌1，張曉燕1，范麗穎1，李娟2，楊敏生1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河北保定071000；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特010021)

摘要：本研究對田間試驗(yàn)林中8年生轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊木材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因741楊的橫紋抗壓比例極限應(yīng)力除了全部弦向略低于非轉(zhuǎn)基因741楊外，干縮性、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)基因741楊均高于非轉(zhuǎn)基因741楊。除了干縮性差異不顯著外，大部分性質(zhì)差異顯著，均達(dá)0.01極顯著水平?？箯潖?qiáng)度、抗彎彈性模量、順紋抗壓強(qiáng)度和木材橫紋全部徑向抗壓極限應(yīng)力差異達(dá)0.01極顯著水平。絕干密度、弦面握釘力和沖擊韌性差異達(dá)0.05顯著水平。其余性質(zhì)的差異并不顯著。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)基因741楊 ； 非轉(zhuǎn)基因741楊；物理性質(zhì) ； 力學(xué)性質(zhì)

楊樹(Populusspp.)是中國重要的速生造林樹種，具有生長快、成材早、產(chǎn)量高和易于更新等優(yōu)點(diǎn)，對改善生態(tài)環(huán)境和木材生產(chǎn)起著重要作用[1～2]。木材的物理力學(xué)性質(zhì)是決定其利用特性的重要因素，對楊樹木材性質(zhì)研究已有很多[3～13]。對I-214楊樹木材的物理力學(xué)性質(zhì)研究表明，抗彎彈性模量從髓心到樹皮逐漸增加，而其他物理力學(xué)性質(zhì)最小值在從髓心到樹皮的過渡區(qū)，最大值在近樹皮處，從髓心到樹皮，物理力學(xué)性質(zhì)有極顯著的差異[14]；環(huán)境因素可影響楊樹物理力學(xué)性質(zhì)，對I-69楊研究結(jié)果表明，施肥處理可使木材年輪寬度、靜態(tài)抗彎彈性模量和順紋抗壓強(qiáng)度增大；季節(jié)性淹水對I-69楊木材密度、木材干縮率和力學(xué)性質(zhì)的影響較大，木材密度、干縮率和力學(xué)性質(zhì)都降低或顯著降低[15]。

楊樹抗蟲轉(zhuǎn)基因研究方面國內(nèi)外已經(jīng)做了大量工作，中國培育的轉(zhuǎn)BtCry1A基因歐洲黑楊和轉(zhuǎn)雙抗蟲基因(Cry1Ac+API) 741楊[Populusalba×(P.davidiana+P.simonii) ×P.tomentosa]已在可控區(qū)域商品化種植?？瓜x基因轉(zhuǎn)入楊樹后，木材性質(zhì)是否發(fā)生改變；在轉(zhuǎn)基因楊樹種植過程中，隨著楊樹抗蟲性提高，對木材性質(zhì)是否會產(chǎn)生影響，這些都是需要關(guān)注的問題，對于轉(zhuǎn)基因楊樹的利用具有重要參考[16～21]。本研究以轉(zhuǎn)基因741楊和非轉(zhuǎn)基因741楊為試驗(yàn)材料，對其木材物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了對比分析，以期為轉(zhuǎn)基因楊樹木材加工和應(yīng)用提供依據(jù)。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在河北省涿州市。該地屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候特點(diǎn)顯著，溫差變化大，四季分明。年平均氣溫11.6℃，氣溫年較差31.5℃。地面溫度累年平均為14.2℃，累年平均凍土深度為40 cm，年日照時數(shù)為2 569 h，年平均降水量617 mm，無霜期178天。

1.2材料

立木采集于涿州市林家鄉(xiāng)國家務(wù)村的轉(zhuǎn)基因楊樹8年生對比試驗(yàn)林，參試品種為轉(zhuǎn)基因741楊高抗株系Pb29和對照非轉(zhuǎn)基因741楊。Pb29和對照各種植10排，每排45株，間隔種植，重復(fù)3次，株行距3 m×4 m。在試驗(yàn)林中2個無性系各隨機(jī)抽取5株生長正常、無病蟲害的立木為樣本株，樣本株平均胸徑≥15 cm。

1.3儀器設(shè)備

(1) 高精度木工圓鋸機(jī)；(2) 砂光機(jī)；(3) 電子天平(0.001 g)；(4) 游標(biāo)卡尺(0.02 mm)；(5) 電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)(MND-10B)；(6) 微機(jī)控制電子式木材萬能試驗(yàn)機(jī)；(7) 沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)；(8) 10l-3AB型干燥箱。

1.4試驗(yàn)方法

將每株試材伐倒后，在距基部1.3 m以上截取1 m長的短圓材，鋸取約50 mm厚通過髓心的中心板，在室溫下干燥，平均含水率達(dá)到12 %左右時，按照 GB/T 1932-2009《木材干縮性測定方法》[22]、GB/T 1933-2009《木材密度測定方法》[23]、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[24]、GB/T 1935-2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[25]、GB/T 1936.1-2009《木材抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[26]、GB/T 1936.2-2009《木材抗彎彈性模量測定方法》[27]、GB/T 1939-2009《木材橫紋抗壓試驗(yàn)方法》[28]、GB/T 1940-2009《木材沖擊韌性試驗(yàn)方法》、GB/T14018-2009《木材握釘力試驗(yàn)方法》[29]等木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法的有關(guān)規(guī)定,按從髓心到樹皮的順序,將試樣加工成供測試物理力學(xué)性能用的無暇小試樣。順紋抗拉強(qiáng)度在電子式人造板萬能試驗(yàn)機(jī)上測定,其他力學(xué)性質(zhì)在微機(jī)控制電子式木材萬能試驗(yàn)機(jī)上測定。試驗(yàn)結(jié)果按規(guī)定換算為含水率為12 %的基本數(shù)據(jù),并取各項(xiàng)的平均值,用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用DPS軟件進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的物理性質(zhì)

轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的物理性質(zhì)的測定結(jié)果見表1。

表1　轉(zhuǎn)基因741楊株系Pb29和非轉(zhuǎn)基因741楊的木材物理性質(zhì)測定結(jié)果

注：同一行字母相同為差異不顯著(p<0.05)。

表2　轉(zhuǎn)基因741楊和非轉(zhuǎn)基因741楊物理性質(zhì)差異的方差分析

注：*為0.05水平顯著；**為0.01水平顯著。

轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的物理性質(zhì)差異的方差分析見表2。

由表1～2可知，轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊相比，無論體積干縮還是線性干縮都有所提高，差異相對值平均為12.42 %；除了徑向氣干干縮率的差異不顯著，其他方向差異均達(dá)極顯著水平，尤其是體積氣干、弦向氣干、體積全干、弦向全干幾個參數(shù)，均達(dá)到了極顯著差異水平，其F值分別為13.92、15.62、11.91和7.10。

轉(zhuǎn)基因741楊氣干試件的弦徑向干縮率平均分別為5.76 %和 2.45 %，對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.32 %和0.136 %，弦徑向差異干縮比值為 2.35 >2，為大[30]，說明其在氣干干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢很大。轉(zhuǎn)基因741楊全干試件弦徑向干縮率平均為7.12 %和3.32 %，對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.395 %和0.184 %，弦徑向差異干縮比值為2.14>2,也為大[30]，說明其在全干干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢也很大。非轉(zhuǎn)基因741楊全干試件的弦徑向干縮率平均分別為5.42 %和2.14 %，對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.301 %和0.118 %，弦徑向差異干縮比值為2.53>2，為大[30]，說明其在氣干干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢很大。非轉(zhuǎn)基因全干試件741楊弦徑向干縮率平均為6.57 %和2.86 %，對應(yīng)的干縮系數(shù)分別為0.365 %和0.158 %，弦徑向差異干縮比值為2.30>2,也為大[30]，說明其在全干干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢也很大。

轉(zhuǎn)基因楊木材的干縮尺寸穩(wěn)定性低于非轉(zhuǎn)基因楊木材，轉(zhuǎn)基因楊木材和非轉(zhuǎn)基因楊木材干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢都很大，非轉(zhuǎn)基因楊木材更大些。

轉(zhuǎn)基因741楊的密度大于非轉(zhuǎn)基因741楊，二者差異相對值平均為2.92 %。其中絕干密度差異達(dá)0.05水平顯著，其余差異不顯著。

木材密度是木材性質(zhì)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它反映木材細(xì)胞壁中物質(zhì)含量的多少，根據(jù)它估計木材的實(shí)際重量，推斷木材的工藝性質(zhì)和木材的干縮、膨脹、硬度、強(qiáng)度等木材物理力學(xué)性質(zhì)。木材密度與強(qiáng)度成正比，即在含水率相同條件下，密度大則強(qiáng)度高，是判定木材強(qiáng)度的最佳指標(biāo)。在生產(chǎn)中，不同的用途，在選擇材種時就要考慮木材密度，其對木材合理加工工藝的確定、林木材性育種與遺傳改良和營林培育有著重要的指導(dǎo)意義。

所以，工業(yè)用途適宜的優(yōu)良木材必須具有適宜的密度與干縮性。

2.2轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的力學(xué)性質(zhì)

轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的力學(xué)性質(zhì)的測定結(jié)果見表3。

轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的力學(xué)性質(zhì)差異的方差分析見表4。

表3　轉(zhuǎn)基因741楊和非轉(zhuǎn)基因741楊的力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果

由表3～4可知，轉(zhuǎn)基因741楊木材力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)普遍高于非轉(zhuǎn)基因741楊木材，并且某些指標(biāo)差異顯著。

轉(zhuǎn)基因741楊的沖擊韌性高于非轉(zhuǎn)基因741楊的沖擊韌性，二者分別達(dá)到了51.5 KJ/m2和46.5 KJ/m2，兩者差異相對值為10.23 %，達(dá)到顯著差異水平。

轉(zhuǎn)基因741楊的抗彎強(qiáng)度和順紋抗壓強(qiáng)度均高于非轉(zhuǎn)基因741楊。轉(zhuǎn)基因741楊的抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量均高于非轉(zhuǎn)基因741楊，二者抗彎強(qiáng)度分別為61.18 MPa和53.45 MPa，抗彎彈性模量分別為6 396 MPa和5 868 MPa，差異相對值分別為13.48 %和8.60 %，其差異達(dá)極顯著水平。此外，順紋抗壓強(qiáng)度和全部徑向也都達(dá)到了極顯著差異水平。二者順紋抗壓強(qiáng)度分別為32.63 MPa和30.44 MPa，全部徑向分別為4.34 MPa和3.93 MPa，差異相對值分別為6.89 %和9.91 %。

轉(zhuǎn)基因741楊各個方向的握釘力均高于非轉(zhuǎn)基因741楊。

轉(zhuǎn)基因741楊的橫紋抗壓比例極限應(yīng)力除了全部弦向略低于非轉(zhuǎn)基因741楊外，其他的橫紋抗壓比例極限應(yīng)力均高于非轉(zhuǎn)基因741楊。木材局部橫紋抗壓比例極限應(yīng)力高于全部抗壓比例極限應(yīng)力，且徑向抗壓高于弦向抗壓。

轉(zhuǎn)基因741楊與非轉(zhuǎn)基因741楊的木材物理力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)Bt基因后，在直接提高樹木抗蟲性的基礎(chǔ)上，間接提高了木材的抗性并改善了轉(zhuǎn)基因楊樹的生態(tài)環(huán)境，同樣生態(tài)條件下，使得轉(zhuǎn)基因741楊的生長受到影響，從而使得轉(zhuǎn)基因741楊生長更旺盛，生長質(zhì)量更好。李超麗等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Bt殺蟲蛋白基因(BtCry1Ac)和慈菇蛋白酶抑制基因(AHPI)導(dǎo)入741楊，它們本身的物理性狀、營養(yǎng)物質(zhì)、揮發(fā)性和非揮發(fā)性次生代謝物質(zhì)可能發(fā)生非預(yù)期變化，有可能對741楊的群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性乃至整個生態(tài)過程產(chǎn)生影響[31]，因此，轉(zhuǎn)基因741楊樹的生長必然會發(fā)生改變，但更深一步的機(jī)理還有待探究。

表4　轉(zhuǎn)基因741楊和非轉(zhuǎn)基因741楊力學(xué)性質(zhì)差異的方差分析

注:*為0.05水平顯著；**為0.01水平顯著。

3結(jié)論

轉(zhuǎn)基因741楊木體積干縮和線性干縮均高于非轉(zhuǎn)基因741楊，轉(zhuǎn)基因741楊木材的干縮尺寸穩(wěn)定性低于非轉(zhuǎn)基因741楊木材。轉(zhuǎn)基因741楊氣干試件的弦徑向干縮率平均分別為5.76 %和2.45 %，非轉(zhuǎn)基因741楊全試件的弦徑向干縮率平均分別為5.42 %和2.14 %；兩種木材弦徑向差異干縮比值均大于2，其在干燥過程中產(chǎn)生翹曲和開裂的趨勢都很大，非轉(zhuǎn)基因楊木材更大些。

密度均是轉(zhuǎn)基因741楊高于非轉(zhuǎn)基因741楊，絕干密度的差異達(dá)0.05水平顯著，而基本密度和氣干密度差異均不顯著。

轉(zhuǎn)基因741楊木材力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)普遍高于非轉(zhuǎn)基因741楊木材，體積氣干、弦向氣干、體積全干、弦向全干指標(biāo)差異顯著。

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Physical and Mechanical Properties of the Transgenic Hybrid

Poplar 741 and Poplar 741

ZHANG De-jian1，2,SUN Zhao-bin1,ZHANG Xiao-yan1,FAN Li-ying1,LI Juan2,YANG Min-sheng1

(1.Agricultural University of Hebei,College of Forestry,Baoding Hebei 071000,P.R.China;

2.Inner Mongolia University,College of Life Science,Hohhot Inner Mongolia 010021,P.R.China)

Abstract:A comparative study on the physical and mechanical properties of the transgenic hybrid poplar 741 and poplar 741 with 8 years was made.The result shows that except the ultimate stress of chordwise anti-press ratio of transgenic hybrid poplar 741 is slightly lower than that of poplar 741,the dry-shrinkage property,flexural behavior,and compression along the grain are higher than that of poplar 741.Except of the dry-shrinkage property,there are significant differences among most other properties.The MOR,MOE,crushing strength and timber horizontal line complete radial anti-bending limiting stress are significant differences with the level of 0.01.The unique dry density,the strength of nail holding ability of string surface and the strength of the tenacity of striking are at significant differences with the level of 0.05.The differences of the other properties are not significant.

Key words:transgenic hybrid poplar 741;poplar 741;physical properties;mechanical properties

中圖分類號：S 792.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)06-0005-06

作者簡介：第一張德健(1972-)，男，副教授，博士，主要從事林木遺傳育種研究。E-mail:zhangdejian00@163.com

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863”計劃項(xiàng)目(2011AA100201)，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370663)，內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0309)，河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(Z2011170)。

收稿日期：*2015-05-13

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.002