無芒雀麥農藝性狀遺傳多樣性研究

郝 峰，徐 柱，李 平，秦曉冉，馬玉寶，閆偉紅

(1.中國農業科學院草原研究所 農業部草原資源與生態重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010010； 2.中國農業科學院研究生院，北京 100081； 3.呼和浩特玉泉區小黑河政府，內蒙古 呼和浩特 010070)

無芒雀麥(Bromusinermis)又名無芒草、禾萱草、光雀麥，屬于禾本科(Gramineae)早熟禾亞科(Pooideae)雀麥族(Bromeae Dumort)雀麥屬(Bromus)，是多年生優質禾草。廣泛分布于亞洲、歐洲和北美洲的溫帶地區，在我國分布于內蒙古、青海、新疆、西藏、云南、四川、貴州、黑龍江、吉林和遼寧等地區，分布區海拔1 000～3 500 m[1-2]。營養價值高、產量高、適口性好、利用季節長、耐寒耐旱、耐放牧、適應性強，是世界著名的優良禾本科牧草。無芒雀麥經過選育，已成為亞洲、歐洲和北美洲干旱寒冷地區的一種重要栽培品種，在世界各地均有引種栽培，也是我國溫帶草原天然草地和人工牧場建設中具有利用價值的牧草資源[3-4]。農藝性狀指標可直接觀測、受實驗儀器條件限制小、成本低廉，在遺傳育種中應用廣泛，同時農藝性狀指標又是種質資源調查保護的重要參考指標。然而，近年關于無芒雀麥的研究主要集中在混播、產草量、品質、刈割、引種、新品種選育、愈傷組織培養等方面，農藝性狀遺傳多樣性研究鮮見報道。因此，本研究對國內外132份無芒雀麥種質資源材料進行種內農藝性狀比較研究，以期為種質資源開發利用、育種改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1試驗材料 試驗材料來自國內外不同地區，共132份(國內93份，國外39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(表1)。

1.2試驗地概況 試驗小區設在中國農業科學院太仆寺旗草地資源生態監測與評價野外科學觀測試驗站(41°36′ N、115°04′ E)，屬典型干旱半干旱溫帶草原區，海拔1 400 m，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，年降水量最多時625 mm，最少時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。

表1 供試材料的原產地

1.3試驗設計與方法 試驗材料于2009年6月3日人工條播，行距0.5 m，小區間隔1 m，試驗小區面積2 m×5 m，采用隨機區組設計，重復3次。試驗期間正常田間灌溉、多次清除雜草，但不施肥、不噴農藥。

冬季滿灌，次年4月返青，6月盛花和結實，7-8月成熟，9月開始枯黃。測定時期是在牧草的盛花期和成熟期，隨機選取行中植株進行農藝性狀相關指標測定，在3個重復小區中，每小區取10株，共30次測值并取其平均值。試驗以單株為單位，選取31個數量型農藝性狀指標進行測定。

用游標卡尺(分度為0.02 mm)、直尺(0.3、0.5、1.5、2.0 m)、電子天平(精度為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測量指標。

1.4測定指標 以《中國植物志》[1]無芒雀麥形態性狀描述，《中國牧草手冊》[2]、《無芒雀麥種質資源描述規范和數據標準》[5]和《牧草種質資源描述規范和數據標準》[6]為參照測量分類標準。 測定的31個農藝性狀指標為：株高(cm)、花藥長(mm)、稈直徑(mm)、稈節數(個)、葉片長(cm)、葉片寬(mm)、葉片數(個)、葉層高(cm)、圓錐花序長(cm)、圓錐花序寬(cm)、花序分枝數(個)、圓錐花序第1節間長(cm)、小穗數(個)、小穗的小花數(個)、穗下莖第1節間長(cm)、基部分枝長(cm)、小穗長(mm)、小穗寬(mm)、每穗節數(個)、第1穎長(mm)、第2穎長(mm)、鮮草產量(g/m2)、干草產量(g/m2)、水分含量(g/m2)、干鮮比(%)、單株鮮草產量(g/株)、莖葉比、種子產量(g/m2)、千粒重(g)、種子長(mm)、種子寬(mm)。

葉層高(cm)：地面至葉層的最高部位；鮮草產量(g/m2)：盛花期隨機在條播行上割取20 cm，立即進行稱量，換算為每平方米鮮草產量；干草產量(g/m2)：盛花期隨機在條播行上割取20 cm，在陰涼通風處晾干半個月后所稱風干質量，換算為每平方米干草產量；水分含量(g/m2)：鮮草產量-干草產量；干鮮比(%)：干質量(鮮草風干后的質量)占鮮質量的百分比；莖葉比：一株(叢)植株的莖風干質量與葉風干質量之比(分離葉片時不帶葉鞘)；種子產量(g/m2)：小區的面積是2 m×5 m，其成熟期收獲的種子產量，換算為每平方米種子產量。

1.5數據處理 采用SPSS 13.0軟件和Excel 2003對測定數據進行統計、分析及圖表處理。對原始數值用Excel 2003進行簡單處理，然后進行基本統計分析、主成分分析和聚類分析。在主成分分析和聚類分析中，由于各性狀數值的單位不統一，首先對原始數據進行標準化處理，用相關系數矩陣進行主成分分析；聚類分析屬于R型聚類分析，使用類平均法[7]，居群間距離用歐氏距離。聚類圖制作先用SPSS 13.0軟件處理，再對處理結果中的聚類圖用HyperSnap6.rar照相抓捕而成。

2 結果與分析

2.1基本統計分析 對132份不同來源地無芒雀麥材料的31個主要農藝性狀基本統計分析結果表明，材料來源不同，存在很大的遺傳差異，表現出較高的形態遺傳多樣性，變異系數為9%～105%。變異系數較大的性狀依次(由大到小)是莖葉比、花藥長、圓錐花序第1節間長、單株鮮草產量、種子產量、小穗長、水分含量、干草產量、鮮草產量、小穗數等，變異系數范圍為34%～105%；變異系數較小的性狀依次(由小到大)是種子寬、種子長、第2穎長、第1穎長、圓錐花序長、稈直徑、圓錐花序寬、基部分枝長、穗下莖第1節間長、葉片長、株高等，變異系數范圍為9%～21%(表2)。

2.2主成分分析 對來源于不同地區的132份無芒雀麥材料做主成分分析發現，前14個因子貢獻率占總方差的86.22%(表3)。從主成分載荷矩陣可看出，株高、干草產量、鮮草產量、稈直徑和水分含量在第1主成分上的載荷較大；小穗長、千粒重、小穗數、小穗寬、圓錐花序分枝數和第2穎長對第2主成分的載荷較大； 圓錐花序第1節間長、圓錐花序長、葉片數和稈節數對第3主成分的載荷較大；圓錐花序寬和基部分枝長對第4主成分的載荷較大；干鮮比和單株鮮草產量對第5主成分的載荷較大；圓錐花序分枝數和第2穎長對第6主成分的載荷較大； 莖葉比對第7主成分的載荷較大；花藥長對第8、9主成分的載荷較大；小穗小花數對第10主成分的載荷較大；葉片長對第11主成分的載荷較大；種子產量對第12主成分的載荷較大；單株鮮草產量對第13主成分的載荷較大；葉層高對第14主成分的載荷較大，即對主成分的累積貢獻率較大。

2.3聚類分析 聚類使用類平均法，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[7]。結果顯示(圖1)，當歐氏距離為7.0時，可將31個性狀分為4類：花藥長和莖葉比聚為一類；第1穎長、第2穎長、圓錐花序長和種子長聚為一類；種子寬單獨聚為一類；其余的24個性狀聚為一類。性狀彼此之間相似程度最高或者親緣關系最近的有：鮮草產量和水分含量；圓錐花序分枝數和小穗數；第1穎長和第2穎長等。

表2 無芒雀麥種質資源農藝性狀的基本統計分析

表3 無芒雀麥種質資源農藝性狀主成分分析

圖1 無芒雀麥種質資源31個農藝性狀聚類分析

用類平均法對來源于不同地區的132份材料做聚類分析。當歐氏距離為6.3時，132份材料分為9類：編號為270、442、349、261、230、326、354、298、317、250、273、304、296、225、252、314、348聚為第1類；243、435、396聚為第2類；227、235聚為第3類；而405、407、315、228、231各自聚為一類，是第4、5、6、7、8類；其余的聚為第9類。聚類結果沒有顯示出明顯的地區域規律(聚類圖略)。

3 討論

牧草種質資源的野外調查、收集通常以形態學性狀，特別是農藝性狀為依據，而遺傳多樣性的研究是種質資源收集、保存、鑒定和評價的目的，也是種質創新和新品種培育的前提[2,8]。盡管農藝性狀特征作為表型性狀易受到外界環境影響，但在隨機區組試驗條件下，各材料所受到環境影響基本上是一致的[9-10]。在這種情況下，農藝性狀的變異在一定程度上仍然能反映出不同材料在基因型上的變異。通過遺傳多樣性的研究，可明確種質間的相關性、變異程度和親緣關系，進而篩選出優異種質材料[11]。在育種過程中，人們往往按照一定的育種目標定向選擇育種材料，導致現代栽培品種丟失了其長期演化形成的遺傳多樣性，遺傳基礎變得狹窄和單調，系譜分析幾乎一致；而野外采集到的材料即野生群體，為適應多變的生存環境條件，在長期自然選擇過程中，形成了遺傳多樣性范圍大的特點，積累眾多優異基因，具備豐富的變異類型，表現出對環境較強的適應性，具有抗逆等一些重要農藝性狀[12]。因此野生種質資源是栽培種改良的重要來源，其豐富的遺傳多樣性是栽培種選育的物質基礎,將它們的優良目標性狀轉移或者集中在栽培種中是開展種質資源遺傳評價和利用的最終目的。

種內不同居群能夠聚在一起，表現出豐富的農藝性狀多樣性，是由于地理分布差異，生境的多樣化，植物為適應生態環境而形成的[13-14]。通過對132份不同來源地的無芒雀麥農藝性狀的基本統計分析，種內不同材料間農藝性狀遺傳差異性很大，變異系數為9%～105%，有著豐富的遺傳多樣性。莖葉比、花藥長、圓錐花序第1節間長、單株鮮草產量、10 m2種子產量、小穗長、水分含量、干草產量、鮮草產量、小穗數等變異系數較大。變異系數越大，表明這些材料在草產量和種子產量性狀上有較高的變異潛力，在育種研究中可提供較廣泛的選擇范圍，可通過良種選配等改善措施或方法使優良性狀盡快轉移到栽培種中，以提高或改善草產量等農藝性狀；種子寬、種子長、第2穎長、第1穎長、圓錐花序長、稈直徑、圓錐花序寬、基部分枝長、穗下莖第1節間長、葉片長、株高等變異系數小。變異系數越小，說明這些農藝性狀不易受環境影響，期望通過育種手段獲得理想目標性狀難度較大。來源于不同地區的材料生長于同一環境下其農藝性狀多樣性表現出如此大的差異，原因如下： 1)材料內部遺傳物質是主要原因； 2)材料來源于不同地區，由原來生境、海拔、地理位置等不同造成的； 3)與供種單位有關，部分材料的供種單位可能在其所在地已進行了引種馴化和擴繁；而其他材料采集于野外，還是野生未馴化的；把馴化與未馴化的放在一起進行農藝性狀多樣性研究，會影響結果。4)與種植地點有關，種植于一個地區表現出一種多樣性，種植于另外一個地區又表現出另外一種多樣性。

通過比較各個材料主成分值大小，可了解不同物種及樣本之間存在差異[15-16]，根據生產上不同需要及不同育種目標，對材料進行篩選，來確定材料各自的應用價值[17]。本研究對31個數量型農藝性狀進行了主成分分析，前14個主成分的方差貢獻率是86.22%。對第1主成分貢獻率較大的農藝性狀主要與株高和產量有關，可稱為株高因子或者草產量構成因子，主要反映植株長勢的綜合指標，表明對第1主成分載荷較高的材料具有植株高大健壯、長勢旺盛的特點。對第2主成分貢獻率較大的農藝性狀主要與穗數和粒重有關，可稱為穗因子；對第3主成分貢獻率較大的農藝性狀主要與節間長度和葉片數有關，可稱為節因子；對第4主成分貢獻率較大的農藝性狀主要與穗形和分枝長有關，可稱為分枝因子；對第5主成分貢獻率較大的農藝性狀主要與草產量有關，可稱為草產量因子。在測定的31個農藝性狀指標可分為3類：最重要的指標是株高、干草產量、鮮草產量、稈直徑、水分含量、小穗長、千粒重、小穗數、小穗寬、圓錐花序分枝數、第2穎長、圓錐花序第1節間長、圓錐花序長、葉片數、稈節數、圓錐花序寬、基部分枝長、干鮮比、單株鮮草產量等對主成分載荷最大；重要指標為莖葉比、花藥長、小穗小花數、葉片長、種子產量、葉層高等對主成分載荷較大，這25個指標是造成132份材料農藝性狀差異的主要因素；其余6個指標為次要指標。

在材料的取舍上，參與聚類的農藝性狀越多越能綜合反映材料的客觀實際[18-19]。根據歐氏距離將供試材料聚成9個組群：第1組共包括17份材料，具有莖葉比較小、小穗長較短、圓錐花序第1節間長較短、鮮草產量較高、單株鮮草產量較小的特點，是選擇鮮草產量高產的重要材料。第2組包括243、435、396共3份材料，具有莖葉比極大、種子產量極小、稈節數較少、葉片數較多、圓錐花序第1節間長較短、小穗較長、小穗小花數較多、圓錐花序分枝數較少、單株鮮草產量較小、鮮干草產量較小、小穗寬較小、每穗節數較少等特點，是選擇葉片數較多和小穗較多的重要材料。第3組包括227、235兩份材料，具有莖葉比極小、單株鮮草產量較小、圓錐花序第1節間長較長、小穗數較少等特點，是選擇莖葉比小的重要材料。第4組僅405一份，具有千粒重較高、種子較長、種子較寬、鮮干草產量較小、種子產量較小、穗下莖第1節間長較長等特點，是選擇千粒重較高、種子較長較寬的重要材料。第5組僅407一份，具有植株較矮、葉層較低、穗較寬、小穗較長、千粒重較高等特點，是選擇千粒重較高，莖葉比較小的重要材料。第6組僅315一份，具有植株較高、葉層較高、小穗小花數較多、鮮干草產量較高、莖葉比較小、種子產量小等特點，是選擇高植株、葉層高、鮮干草產量高的重要優質育種材料。第7組228和第8組231農藝性狀差。第9組包括105份材料，具有種子產量較高、莖葉比極小、穗下莖第1節間長較短、小穗數較多等特點，是選擇種子產量高的重要材料。

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