大頭稗(005)與鵝頭稗(031)的生物學(xué)性狀與細(xì)胞學(xué)研究

吳姝菊,李新玲＊,唐鳳蘭

(1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所;黑龍江哈爾濱 150086)

稗草(Echinochloa crusgalli)為禾本科(Gramineae)稗屬(Echinochloa)植物,原產(chǎn)于歐洲和印度[1-2]。全屬近30種,遍布于全世界的熱帶和溫帶地區(qū),我國(guó)有9個(gè)種5個(gè)變種[3]。稗草含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),草質(zhì)柔嫩,適宜在濕鹽堿地上種植,其鮮草、干草各種家畜均喜食,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,粗蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的9.42%,粗脂肪占2.45%,粗纖維占36.15%,無氮浸出物占33.88%,粗灰分占10.3%[4]。籽實(shí)可食用及釀酒,也可作畜禽的精料,根及幼苗可入藥,全草可作綠肥。稗草葉多而且大,莖葉比小、適口性好,不僅適于飼喂牛、羊,而且適于飼喂鵝、兔。其生物學(xué)特性和植物學(xué)特征適合作為一種廣泛種植的牧草,將成為我國(guó)主要的栽培牧草之一。過去人們常把稗草作為除莠對(duì)象,忽視了對(duì)稗草的研究和利用。此次對(duì)稗草開展研究,目的是要加強(qiáng)對(duì)寒地稗草資源的開發(fā)和利用。

黑龍江省各地目前種植著很多稗草,品種分類混亂,有同名異物和同物異名的現(xiàn)象存在,對(duì)這些稗草之間的親緣關(guān)系尚不清楚,利用起來十分不便。稗草在黑龍江省分布種類目前還沒有確切資料可供參考,只是有部分學(xué)者從栽培角度對(duì)稗草做了一些研究,如對(duì)稗草的主要防治措施,稗草DNA的提取,稗草對(duì)稻田的影響,如何識(shí)別稗草,稗草對(duì)各種不同除草劑的抗藥性等方面的研究。稗草資源情況至今沒有詳細(xì)的報(bào)導(dǎo),相關(guān)研究資料也比較少。本次對(duì)黑龍江省內(nèi)收集的大頭稗(005)和鵝頭稗(031)2種寒地稗草進(jìn)行的生物學(xué)性狀測(cè)試和細(xì)胞學(xué)分析研究,在國(guó)內(nèi)尚屬首次[5]。試驗(yàn)研究的主要目的是了解2種稗草的生物學(xué)性狀和核型基礎(chǔ),為更好地開展寒地稗草育種工作及生產(chǎn)上更好地栽培利用這2種稗草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

大頭稗(005)采自黑龍江省寧安縣;鵝頭稗(031)采自黑龍江省木蘭縣。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生物學(xué)性狀測(cè)試 試驗(yàn)地設(shè)在黑龍江省哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)田內(nèi)(126°42′E,45°24′N)。2007年1-10月,黑龍江省年均降水量為402mm,哈爾濱及周邊市縣有效年積溫為2 700℃左右。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)為黑壤土,土壤肥力均勻,肥力水平較高。每個(gè)重復(fù)小區(qū)面積為3 m×5 m,試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

整地:在播種前1年秋翻土地,并施入基肥,有機(jī)肥用量為20 000 kg/hm2。播種前耙耱土地,整平碾碎,以保證土壤墑情。

播種方法:人工播種,單條播,行距為20cm,播種深度為3～4cm。播種量為20 kg/hm2。播種時(shí)間為2007年5月17日。

在出苗期、三葉期、分蘗期、拔節(jié)抽穗期等生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵時(shí)期,對(duì)每個(gè)品種在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)調(diào)查20株,分別測(cè)量單株的株高、莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬、單株分蘗數(shù)、穗長(zhǎng)、穗色、鮮干重等;收獲時(shí)測(cè)定小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量,對(duì)獲得的各處理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。小區(qū)收獲時(shí)間為6月25日進(jìn)行第1次刈割,留茬高度為15cm,第2次刈割時(shí)間為9月25日,2次產(chǎn)量之和為每個(gè)小區(qū)的實(shí)際收獲產(chǎn)量。另外,收獲時(shí)每小區(qū)留置1 m×1 m作為繼續(xù)觀察試驗(yàn)使用。統(tǒng)計(jì)分析利用JM T JFX簡(jiǎn)明統(tǒng)計(jì)分計(jì)CS 11.58來完成。

1.2.2 核型分析方法 采用常規(guī)的形態(tài)分析方法[6,7]。染色體制片過程為:在上午10:00,將根長(zhǎng)度為0.5～1.0cm的稗草種子自培養(yǎng)皿中取出,放入小瓶?jī)?nèi),加入對(duì)二氯苯飽和溶液,室溫下處理4～5 h后[8,9],再放入卡諾固定液固定24 h,后用1 mol/L的HCl作解離液,在60～65℃的水浴鍋中解離9 min左右取出根尖。用改良石碳酸品紅染色液進(jìn)行染色,染色時(shí)間為24 h左右[10,11]。把染色后的根尖制片進(jìn)行鏡檢觀察。

從大量的制片中,統(tǒng)計(jì)約50個(gè)完整的細(xì)胞中期分裂相,確定各個(gè)品種的染色體數(shù)目。核型的具體分析參照李懋學(xué)和陳瑞陽[6]的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種稗草的主要生物學(xué)性狀

從形態(tài)特征上看,大頭稗株高比鵝頭稗矮49.90cm,莖型均為直立,主莖粗差異明顯,花序形狀和大小差別不明顯,穗色不同。大頭稗葉片數(shù)比鵝頭稗少1片,鵝頭稗分蘗數(shù)較多,單株分蘗數(shù)平均可達(dá)12個(gè)(表1)。

2種稗草的播期相同,大頭稗分蘗期比鵝頭稗晚2 d,大頭稗在9月29日成熟,鵝頭稗在9月16日成熟。在黑龍江省的氣候條件下,2種稗草的枯黃期都在10月5日,生育天數(shù)均為145 d。從牧草鮮干產(chǎn)量上看,鵝頭稗比大頭稗鮮重高出2.78%;大頭稗比鵝頭稗干重高出2.55%(表2)。

表1 2種稗草的主要形態(tài)特征Table 1 Main morphological characteristics of the two barnyard grass variety

表2 2種稗草的主要生物學(xué)性狀Table 2 Main biological characteristics of two barnyard grass variety

2.2 2種寒地稗草生物學(xué)產(chǎn)量差異顯著性測(cè)驗(yàn)

把2種稗草分別在3個(gè)重復(fù)區(qū)內(nèi)收獲的鮮干草重量,按國(guó)際制單位折算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量后,進(jìn)行鮮干草產(chǎn)量的差異顯著性測(cè)驗(yàn),用t檢驗(yàn)法(表3)[12,13]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,大頭稗和鵝頭稗鮮干重差異均不顯著。

表3 2種稗草鮮干產(chǎn)量的差異顯著性測(cè)驗(yàn)(平均值±SD)Table 3 Significant of differences test on fresh forage and hay yield of two barnyard grass variety t/hm2

2.3 2種寒地稗草的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分析

2.3.1 株高 2種稗草從出苗期至三葉期株高增長(zhǎng)較慢(圖1),分蘗期、拔節(jié)期,直到初花期株高增長(zhǎng)迅速,開花后至乳熟期稗草株高增速放緩,乳熟到完熟期稗草的株高基本處于停滯生長(zhǎng)狀態(tài),完熟期后株高不再增加。鵝頭稗在開花期株高增長(zhǎng)速度比大頭稗快,差異顯著(P<0.05),此期的株高增速最終決定了2種稗草在株高上的顯著差異(P<0.05)。

2.3.2 葉面積指數(shù) 2種稗草的葉面積指數(shù)在苗期增長(zhǎng)緩慢(圖2),分蘗期至初花期,葉面積指數(shù)呈迅速上升趨勢(shì),一直保持著快速的增長(zhǎng),開花期后,由于葉片數(shù)量不再增加,只是葉片個(gè)體增大,因而葉面積指數(shù)處于平穩(wěn)中有升的狀態(tài);2種稗草的葉面積指數(shù)都在乳熟期時(shí)達(dá)到最高值,乳熟期后葉面積指數(shù)均不再增加。2種稗草三葉期至分蘗期葉面積指數(shù)差異顯著(P<0.05),拔節(jié)期至乳熟期葉面積指數(shù)差異不顯著(P>0.05),完熟期時(shí),鵝頭稗葉面指數(shù)略高于大頭稗,但差異不顯著(P>0.05)。

圖1 2種稗草的株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamics of plant height of two barnyard grass variety

圖2 2種稗草的葉面積指數(shù)生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)Fig.2 Dynamics of the leaf area index of twobarnyard grass variety

2.3.3 干物質(zhì)積累 在生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)稗草全株干物質(zhì)積累量均隨生育時(shí)間延長(zhǎng)而增加。2種稗草的鮮重在分蘗期時(shí)差異不顯著(P>0.05)(圖3);鵝頭稗在拔節(jié)期至乳熟期鮮重增加速度比大頭稗快,增速差異顯著(P<0.05),這符合生育期間的觀察結(jié)果。鵝頭稗莖青葉嫩,多汁,含水量高,乳熟期后鮮重開始下降;而大頭稗莖稈粗壯,生長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)緩慢,鮮重增速?zèng)]有鵝頭稗快,完熟期時(shí),鵝頭稗鮮重略高于大頭稗,但差異不顯著(P>0.05)。

2種稗草的干重從分蘗期后隨鮮重的增加快速增長(zhǎng)(圖4),初花期時(shí),鵝頭稗干重高于大頭稗,差異達(dá)到顯著(P<0.05);乳熟期后,2種稗草的干重增速放緩,從分蘗期至初花期,期間如加強(qiáng)肥水管理,不僅有利于根、莖和葉產(chǎn)量的增長(zhǎng),也同時(shí)能提高稗草籽實(shí)產(chǎn)量,對(duì)稗草整株產(chǎn)量的增加可起重要作用[14,15]。初花期后大頭稗的干重增速比鵝頭稗快,完熟期時(shí)大頭稗干重高于鵝頭稗,差異不顯著(P>0.05)。

圖3 2種稗草的單株鮮重增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of fresh weight per plant of two barnyard grass variety

2.4 2種稗草的核型分析

大頭稗共有27對(duì)染色體(表4),最長(zhǎng)染色體相對(duì)長(zhǎng)度為3.41,最短染色體相對(duì)長(zhǎng)度為1.41,其中有23對(duì)為中著絲點(diǎn)染色體,4對(duì)為近中著絲點(diǎn)染色體。鵝頭稗共有27對(duì)染色體(表5),最長(zhǎng)染色體相對(duì)長(zhǎng)度為2.41,最短染色體相對(duì)長(zhǎng)度為1.09,其中有22對(duì)為中著絲點(diǎn)染色體,5對(duì)為近中著絲點(diǎn)染色體。在2種稗草的核染色體中均未發(fā)現(xiàn)近端和端著絲點(diǎn)染色體,也沒有觀察到有隨體的染色體[16,17]。

表4 大頭稗核型分析參數(shù)Table 4 Karyotype analysis parameters of Large head barnyard

表5 鵝頭稗核型分析參數(shù)Table 5 Karyotype analysis parameters of goose head barnyard

圖5 2種稗草核型Fig.5 Karyogram of twobarnyard grass variety

圖6 2種稗草染色體配對(duì)結(jié)果Fig.6 Chromosome pairing map of two barnyard grass variety

核型分析結(jié)果(表4,5,圖5,6)為:大頭稗根尖細(xì)胞核內(nèi)染色體數(shù)目2n=54。核型公式為2n=46m+8sm,無隨體,染色體相對(duì)長(zhǎng)度范圍1.41～3.41,染色體長(zhǎng)度比2.43,核型為2B型(圖7);鵝頭稗根尖細(xì)胞核內(nèi)染色體數(shù)目 2n=54。核型公式為 2n=44m+10sm,無隨體,染色體相對(duì)長(zhǎng)度范圍1.09～2.41,染色體長(zhǎng)度比2.21,核型為2B型[18,19]。

3 討論

試驗(yàn)測(cè)定的2種稗草均為采自黑龍江省內(nèi)的寒地稗草,通過根尖細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目、染色體長(zhǎng)度、染色體臂比、隨體等具體指標(biāo)的測(cè)試,初步確定了2種稗草的核型均為2B型。稗草在全國(guó)范圍內(nèi)幾乎都有分布,對(duì)該物種的染色體數(shù)目記載有很大差異,已往所報(bào)導(dǎo)的稗草的染色體數(shù)目有2n=36,42,48,54等,數(shù)目不等[3],試驗(yàn)觀察2種稗草的染色體數(shù)均為54條,與馮久煥和張廷壁[3]及Yabuno[5]所報(bào)導(dǎo)中的部分種類稗草的染色體數(shù)目一致。依據(jù)東北植物檢索表中對(duì)所列出的稗草的種類和特征描述資料,可以推斷,大頭稗和鵝頭稗不屬于東北植物檢索表中的稗草種類[1]。

圖7 2種稗草的核型模式圖Fig.7 Karyotype model map of two barnyard grass variety

一般而言,核型數(shù)據(jù)如染色體的相對(duì)長(zhǎng)度、平均臂比、隨體的數(shù)量及位置等是鑒別種和亞種的重要依據(jù)。通過對(duì)2種稗草的核型研究,大頭稗核型公式為2n=46m+8sm,鵝頭稗核型公式為2n=44m+10sm,二者除染色體數(shù)目與馮久煥和張廷壁[3]所報(bào)導(dǎo)的“稗”一致外,在染色體形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)上與“稗”也有很多相似之處,可以初步推測(cè),二者當(dāng)同屬于“稗”種,但二者的核型又與馮久煥和張廷壁[3]報(bào)導(dǎo)的“稗”有細(xì)微差別,可能是由于稗草在向栽培稗草演變過程中,發(fā)生了系列遺傳性狀上的改變[20,21]。核型分析數(shù)據(jù)支持2種稗草屬于不同品種,不可能是同物異名種,應(yīng)分屬于不同栽培類型[22,23]。

綜合測(cè)試結(jié)果表明,2種稗草的生物學(xué)性狀均為良好。在黑龍江省的氣候條件下,株型繁茂,枝葉發(fā)達(dá),產(chǎn)量高,品質(zhì)也較好,適宜作為省內(nèi)的優(yōu)質(zhì)牧草進(jìn)行廣泛栽培。大頭稗和鵝頭稗都是糧草兼收的優(yōu)質(zhì)稗草,喜溫、喜光,喜肥水,抗性好,莖稈粗壯,抗倒伏,耐寒性好,對(duì)土壤要求不嚴(yán)格。大頭稗株高相對(duì)較矮,穗大粒多,成熟時(shí)大穗紫紅色,全年生育期143 d,鵝頭稗株高相對(duì)較高,葉多莖嫩,全年生育期135 d。

在試驗(yàn)條件下做產(chǎn)量差異測(cè)試,2種稗草在鮮干草產(chǎn)量上沒有實(shí)質(zhì)差異。根據(jù)生物學(xué)性狀觀測(cè)結(jié)果,對(duì)2種稗草的利用提出如下參考建議:鵝頭稗莖葉鮮嫩,質(zhì)地多汁,是很好的青飼牧草,而且該品種在分蘗期至乳熟期前植株長(zhǎng)勢(shì)好,增重快,刈割后再生長(zhǎng)能力較強(qiáng),更適宜做青飼牧草;大頭稗莖稈粗壯,穗大粒多,干物質(zhì)積累快,可做青干兩飼牧草。

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