旱雀麥形態學遺傳多樣性研究

郝 峰，徐 柱，李 平，楊欽忠，閆偉紅，王慧萍

(1.中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特010010； 2.中國農業科學院研究生院，北京100018；3.內蒙古農牧業科學院馬玲薯研究所，內蒙古 呼和浩特 010010； 4.內蒙古錫林郭勒盟太仆寺旗農牧業局草原工作站，內蒙古 太仆寺旗027000)

旱雀麥(Bromustectorum)屬于禾本科(Gramineae)早熟禾亞科(Pooideae)雀麥族(Bromeae Dumort)雀麥屬(Bromus)，細胞染色體2n=14，為春雨型短生禾草，是荒漠草原、草原化荒漠及荒漠上的早春牧草，廣泛分布于海拔600～1 300 m的低山丘陵、山麓洪積扇、復沙地及沙丘[1-2]。原產于美洲，廣泛分布于歐洲、亞洲、北美和北非，在我國新疆、青海、甘肅和四川等地均有分布[1,3]；莖葉柔軟，各種牲畜均喜采食，可刈制青干草，也可做青貯料。適應性強，耐寒，抗霜凍，結實性能良好，適宜在中等濕潤條件地區生長，以中性沙壤土最好，對氮肥很敏感，充足的肥料可大幅度提高其產量[4]。栽培株高80～100 cm，每公頃產鮮草22.5 t，每公頃種子收量525～1 125 kg，是我國重要的一年生優質栽培禾草[5]。旱雀麥在形態學遺傳多樣性研究報道很少，本研究旨在通過對旱雀麥形態學遺傳多樣性研究，為旱雀麥種質資源開發和利用提供重要理論參考依據。

1 材料和方法

1.1材料 試驗材料共12份，由中國農業科學院草原研究所國家牧草種質中期庫和中國農業科學院太仆寺旗(內蒙古錫林郭勒盟)草地資源生態監測與評價野外科學觀測試驗站牧草種質資源庫提供，詳細情況見表1。

1.2試驗地概況 本試驗小區設在中國農業科學院太仆寺旗(內蒙古錫林郭勒盟)草地資源生態監測與評價野外科學觀測試驗站，位于41°36′ N、115°04′ E，錫林郭勒盟南部，地處陰山北麓，渾善達克沙地南緣，屬典型干旱半干旱溫帶草原區，海拔1 400 m左右，年平均氣溫1.5℃，最熱月(7月)平均氣溫17.8℃，最高溫33.3℃，最冷月(1月)平均氣溫-17.6℃，最低溫-35.7℃；年均降水量397 mm，最高降水量625 mm，最低降水量240 mm，≥10℃年積溫1 800～2 300℃·d，無霜期90～126 d；土壤為栗鈣土，pH值為7.0～8.5，土層較厚，草地植被以克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、隱子草屬(Cleistogenes)及蒿屬(Artemisia)植物為建群種和優勢種。

1.3試驗設計 2009年6月3日人工條播，行距0.5 m，小區間隔1 m，每份材料試驗小區面積2 m×5 m，采用隨機區組設計，重復3次。試驗期間田間管理進行灌溉，不施肥，不噴農藥，多次清除雜草。

表1 供試材料的原產地和生境狀況

1.4測定指標及方法 根據《中國植物志》[1]雀麥屬形態性狀描述，《中國牧草手冊》[3]、《牧草種質資源描述規范和數據標準》[6]和《無芒雀麥種質資源描述規范和數據標準》[7]為參照測量標準。

1.4.1形態指標 形態性狀指標分屬于根、莖、葉、花、穗、穎果等器官：1)屬于根的性狀有分蘗數；2)屬于莖稈的性狀有株高(cm)、稈直徑(mm)和稈節數；3)屬于葉的性狀有葉片長(cm)、葉片寬(cm)和葉舌長(mm)；4)屬于花的性狀有內稃長(mm)、內稃寬(mm)、外稃長(mm)、外稃寬(mm)、外稃芒長(mm)、第一穎長(mm)、第二穎長(mm)、第一穎脈數、第二穎脈數、花藥長(mm)、小花數、小穗小花數；5)屬于穗的性狀有穗長(cm)、穗節數、穗軸第一節間長(cm)、小穗數、小穗軸節間長(mm)、小穗長(mm)、小穗寬(mm)、主軸輪生分枝數、分枝著生小穗數和分枝長(cm)；6)屬于穎果的性狀有穎果長(mm)和穎果寬(mm)，共31個。

1.4.2測定方法 旱雀麥6月中旬出苗，7月抽穗，8月結實，8月下旬-9月上中旬成熟，9月中下旬開始枯黃。測定時間是盛花期(8月22-29日)對莖、葉、花、穗等性狀進行測定；成熟期(9月15-20日)對穎果的性狀進行測定；枯黃期(9月20日后)對分蘗數進行測定。隨機選取行中植株進行形態學性狀相關指標測定，每份材料設3個重復小區，每個小區取10株，共取30次求其平均值。使用葉面積儀、游標卡尺(分度為0.02 mm)，直尺(2.0、1.5、0.5、0.3 m)，電子天平(感量為0.01 g)、鋁合金的三角形考種盤(27 cm×27 cm×27 cm)和光學顯微鏡等工具進行測量。

1.5數據處理 采用Excel和SPSS 13.0軟件對測定數據進行統計、分析及圖表處理。

2 結果與分析

2.1形態性狀基本統計分析 對12份不同來源地旱雀麥材料的31個主要形態性狀進行基本統計分析。結果表明，材料來源地不同，形態性狀存在很大的差異，表現出較高的遺傳多樣性。不同性狀變異系數相差較大，變異系數在3.90%～37.76%，變異系數較大的由大到小依次是穗軸第一節間長、小穗數、分蘗數、第二穎脈數、小穗長、小穗小花數；變異系數較小的由小到大依次是穎果寬、第二穎長、外稃芒長、第一穎長、株高、小穗軸節間長(表2)。

2.2形態性狀主成分分析 對參試的12份旱雀麥材料進行主成分分析，結果表明，前7個因子貢獻占總方差的87.96%(表3)。主軸輪生分枝數、葉片長、穗長、小花數、分枝著生小穗數、小穗長在第一主成分上的載荷較大，即與第一主成分的相關系數較高；株高、分枝長、葉片寬與第二主成分的相關系數較高；穗軸第一節間長、第一穎脈數、第一穎長與第三主成分的相關系數較高；第二穎脈數、葉舌長、外稃寬與第四主成分的相關系數較高；第一穎長、分枝長、小穗軸節間長、第二穎長與第五主成分的相關系數較高；內稃長、小穗小花數與第六主成分的相關系數較高；穎果寬、外稃長與第七主成分的相關系數較高。

表2 旱雀麥種質資源形態性狀的基本統計分析

2.3形態性狀聚類分析 類平均法具有良好的單調性及其一定的聚類空間濃縮性和擴張性[8]。采用類平均法，對31個形態性狀做R型聚類分析(圖1)。結果顯示，當歐氏距離為3.6時， 31個性狀可分為5類，葉片長、主軸輪生分枝數、稈直徑、穗節數、小花數、小穗小花數、外稃芒長、葉片寬、小穗數、葉舌長、稈節數、第一穎脈數、第二穎脈數、穗軸第一節間長、分枝著生小穗數、分蘗數、小穗軸節間長、花藥長、內稃長、小穗長、穗長、分枝長、小穗寬聚為一類；外稃寬、內稃寬、穎果長聚為一類；株高、第一穎長、外稃長聚為一類；第二穎長單貍聚為一類；穎果寬單獨聚為一類。根據聚類圖，彼此相關性較高的是:葉片長、主軸輪生分枝數、稈直徑和穗節數之間，小花數與小穗小花數之間，葉片寬與小穗數之間，葉舌長與稈節數之間，第一穎脈數與第二穎脈數之間，內稃長與小穗長之間，外稃寬、內稃寬和穎果長之間，株高、第一穎長和外稃長之間。

對12份旱雀麥材料聚類分析的結果顯示(圖2)，當歐氏距離為11時，12 份材料分為3類：編號430、446、350、393聚為一類，403、581、538、565、385、576、575聚為一類，573單獨聚為一類。從總體上，親緣關系彼此之間較近的有： 430與446;538與565;385與576。

3 討論和結論

加強牧草種質資源保護，最終目的是科學合理利用資源，不能只保護不利用[9]。對牧草育種來說，育種者希望材料之間遺傳差異性大和多樣性高，有利于優質材料的選擇。本研究對旱雀麥形態性狀基本統計分析，不同來源地的材料間遺傳差異性大，變異系數范圍4.29%～38.14%。在31個數量性狀中，有6個變異系數大于等于30%，從大到小依次為穗軸第一節間長(37.76%)、小穗數(36.00%)、分蘗數(35.32%)、第二穎脈數(33.75%)、小穗長(30.73%)和小穗小花數(30.13%)。變異系數越大，說明該性狀在種質間的遺傳差異越大，變異豐富。在育種時，選擇遺傳差異大的單株能提高育成品種抵抗外界生物及非生物脅迫的能力[10]；有6個變異系數小于12%，從小到大依次為穎果寬(3.90%)、第二穎長(6.05%)、外稃芒長(8.13%)、第一穎長(9.29%)、株高(9.67%)、小穗軸節間長(11.38%)。

表3 旱雀麥形態性狀主成分分析

表型性狀是群體遺傳與環境復雜性共同作用的結果，通過表型性狀研究，可了解其內在遺傳規律[11]。12份旱雀麥材料做主成分分析，前7個主成分的方差貢獻率是87.96%。主軸輪生分枝數、葉片長、穗長、小花數、分枝著生小穗數、小穗長在第一主成分上的載荷較大，這些性狀中生殖器官指標多于營養器官指標，都是田間常觀測的重要農藝性狀指標。6個性狀指標中屬于穗器官的4個、屬于葉器官和花器官的各1個，說明穗部性狀對第一主成分對影響較大，與種子產量有關，對旱雀麥的形態分化和分類具有重要作用；株高、分枝長、葉片寬與第二主成分的相關系數較高，屬于營養器官指標，是莖、穗、葉不同器官的性狀，與鮮草、干草產量有關，突出表現本種特點，易于識別分類；穗軸第一節間長、第一穎脈數、第一穎長與第三主成分的相關系數較高，屬于生殖器官指標，是穗和花的性狀，可能與抗逆性有關；與第四、五、六、七主成分相關系數較高的有第二穎脈數、葉舌長、外稃寬、第一穎長、第二穎長、內稃長、穎果寬、外稃長等，都是植株內部的細微指標，這些指標在田間觀測時易忽略，又是難以觀測的指標，以后在形態學研究中應加以重視。營養指標、生殖指標之間及其內部均存在不同程度的相關性，這與黃春瓊和劉國道[12]的研究結果類似。總之，根據主成分分析，對第一、二、三主成分貢獻率大的指標，可作為來源于不同地區不同材料重要形態分化指標和育種指標，其值越大，說明其豐產性等農藝性狀越好；對第四、五、六、七主成分貢獻率大的指標，是重要的分類指標，其值越大，說明其適應性等農藝性狀越好，因為牧草田間性狀除了受遺傳因素控制外，還受到環境因素的影響[13]。在31個指標中，最重要的指標是主軸輪生分枝數、葉片長、穗長、小花數、分枝著生小穗數、小穗長、株高、分枝長、葉片寬；重要指標是穗軸第一節間長、第一穎脈數、第一穎長、第二穎脈數、葉舌長、外稃寬、第二穎長、內稃長、穎果寬、外稃長；剩下的指標屬于次要指標。

圖1 旱雀麥31個形態性狀聚類分析

圖2 旱雀麥12份材料聚類分析

研究形態遺傳多樣性可以為種質資源的開發利用、雜種優化提供重要的遺傳背景資料[14]。在形態分類學中，雀麥屬的一朵小花結構由內向外依次是穎果→內稃→外稃→第二穎→第一穎。旱雀麥形態性狀聚類圖中，總的聚類特點是對花器官的性狀指標著重進行聚類，穎果寬和第二穎長都屬于小花性狀，與其他29個性狀遺傳距離最遠，獨立聚為兩個大類；穎果長和穎果寬沒有歸為一類，而與外稃寬、內稃寬歸為一類，要想改變穎果性狀，可從外稃寬、內稃寬上進行間接研究。穎果長、內稃寬和外稃寬也都屬于小花性狀，聚為第三類；外稃長、第一穎長和株高3個中小花性狀占2個，聚為第四類，株高、外稃長和第一穎長聚為一類的原因是它們都是變異系數小且變異系數數值非常接近的性狀；第一穎長與第二穎長沒有歸為一類，而與株高、外稃長歸為一類，說明要想提高植株高度，應對株高、第一穎長、外稃長同時研究；其余23個性狀聚為第五大類，特點是除了其他器官如根、莖、葉、穗的性狀指標。第五大類又分為多個亞類：葉片長與主軸輪生分枝數、稈直徑、穗節數高度相關，分別是葉、穗、莖不同器官的性狀，聚在一起的原因可能與稈直立的穩定性有關；小花數與小穗小花數高度相關，二者都是小花的性狀；葉片寬與小穗數相關，葉片光合作用增強，有利于小穗的形成和生長；稈節數與葉舌長度相關，二者可能與分生組織生長分化有關，都是重要的分類依據。形態性狀研究，不能單純考慮某一個指標，要特別注意指標之間的相關性，必要時應一起研究。相關性較高的兩個或者幾個性狀之間如果有一個性狀不易測量，可通過與其相關性較高的其他性狀進行間接研究。

本研究取材來源于新疆11份、美國1份。聚類結果將來源于富蘊縣的兩份材料聚為一類，而兩份昭蘇材料沒有聚在一類；當歐氏距離為11時，兩份尼勒克縣的也沒有聚在一類，來源于尼勒克材料編號的573的材料不同于其他所有材料，單獨聚為一類；當歐氏距離為9.7時，來源于尼勒克編號為575的材料也單獨聚為一類，不同于其他所有材料。來源于美國的材料與布爾津、石河子和昭蘇的聚為一類，說明美國材料與它們遺傳距離小，而且美國材料與布爾津材料遺傳距離最近。

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