沙生植物沙鞭不同居群形態(tài)變異研究

呂 婷 劉 濤 梁瑞芳 蘇 旭，3 劉玉萍*

（1. 青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，西寧 810008；2. 青海師范大學(xué)青海省青藏高原藥用動(dòng)植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810008；3. 青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，西寧 810008）

沙鞭（Psammochloa villosa Bor.）是禾本科（Po?aceae）沙鞭屬（Psammochloa）的一種多年生根莖型草本植物，主要分布于我國(guó)西北部，常生長(zhǎng)在流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘，以及沙地半灌木叢中［1～3］。與其他沙生、旱生植物一樣，沙鞭因長(zhǎng)期適應(yīng)干旱、沙埋等環(huán)境脅迫而形成了典型的旱生沙生特征，對(duì)流動(dòng)沙丘具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，屬于草原帶、荒漠草原帶以及荒漠地區(qū)流動(dòng)沙丘上分布的沙地植物群落的優(yōu)勢(shì)種［3～7］。沙鞭作為一種典型的固沙植物，可以通過根狀莖進(jìn)行快速的克隆生長(zhǎng)，不僅具有重要的生態(tài)價(jià)值，而且也因花序相對(duì)粗長(zhǎng)、穗多粒大等優(yōu)點(diǎn)是農(nóng)牧業(yè)上禾草良種繁育和牧草利用的重要基因資源［8］。由于沙鞭分布環(huán)境的多樣性，導(dǎo)致不同居群之間在植株高度、葉和花等各方面都存在較大差異。截至目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)沙鞭種質(zhì)資源的研究主要集中在克隆整合特性、克隆生長(zhǎng)特性、分株種群特征、種子生物學(xué)以及遺傳多樣性等方面，譬如，董鳴［9～10］通過切斷根莖對(duì)根莖禾草沙鞭和賴草克隆生長(zhǎng)影響的比較研究發(fā)現(xiàn)，沙鞭的克隆整合特性和克隆生長(zhǎng)特性使它在水分短缺、營(yíng)養(yǎng)貧瘠、生境斑塊化和經(jīng)常遭受擾動(dòng)的沙地環(huán)境中具有較強(qiáng)的生存能力；黃振英［3］通過對(duì)沙鞭種子在流動(dòng)沙丘上傳播、萌發(fā)、幼苗出土和存活等一系列的研究，旨在探討沙鞭種子在成熟后的生理生態(tài)狀態(tài)，以及生境條件對(duì)萌發(fā)的影響；Li［11］利用ISSR 分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)分布在我國(guó)西北地區(qū)的7 個(gè)沙鞭種群的遺傳變異和克隆多樣性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)種群間的遺傳變異高于種群內(nèi)的遺傳變異，且利用ISSR 分子標(biāo)記技術(shù)研究沙鞭遺傳多樣性的效率遠(yuǎn)高于等位酶電泳技術(shù)。然而，目前針對(duì)沙鞭種群遺傳變異的研究?jī)H見于分子標(biāo)記技術(shù)和等位酶電泳技術(shù)的研究，而基于表型性狀對(duì)沙鞭遺傳變異的研究尚屬空白。鑒于此，本研究對(duì)分布于內(nèi)蒙古高原及毗鄰地區(qū)沙鞭不同居群的形態(tài)特征進(jìn)行觀測(cè)，旨在揭示沙鞭不同居群間表型形態(tài)性狀變異的特點(diǎn)及其與地理環(huán)境的關(guān)系，為進(jìn)一步研究沙鞭種質(zhì)資源的保護(hù)、開發(fā)利用和優(yōu)良品種的篩選提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2016 年7～8 月，對(duì)分布于我國(guó)典型區(qū)域的沙鞭種質(zhì)資源的生境特點(diǎn)和生態(tài)特性進(jìn)行了觀測(cè)和樣品收集，需選擇生長(zhǎng)正常，無嚴(yán)重缺陷，無明顯病蟲害的植株。本文隨機(jī)選取20個(gè)具有代表性的居群測(cè)量其表型性狀，每個(gè)居群取5～10 株個(gè)體，個(gè)體間水平距離應(yīng)保持在200 m以上，以避免采集到同一植株的親緣樣本。同時(shí)，采用GPS 定位系統(tǒng)記錄其生長(zhǎng)地、經(jīng)度、緯度以及海拔等基本信息，各居群的地理位置概況詳見表1。

表1 各居群的地理位置與生境概況Table 1 Location and the habitat characters of populations

1.2 形態(tài)性狀的觀察和測(cè)量

利用直尺、游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具對(duì)沙鞭不同居群的12個(gè)數(shù)量性狀值進(jìn)行測(cè)量，具體包括株高、花序長(zhǎng)度、旗葉長(zhǎng)度、旗葉寬度、旗葉長(zhǎng)寬比、小穗長(zhǎng)度、外稃長(zhǎng)度、第一穎長(zhǎng)、第二穎長(zhǎng)、穎脈數(shù)、外稃脈數(shù)和內(nèi)稃長(zhǎng)度。其中，株高是從植株根頸部到頂部之間的距離。每個(gè)居群選取6株，個(gè)別居群因標(biāo)本數(shù)量較少而選取2～5 株進(jìn)行觀測(cè)［8］，將所測(cè)的各居群的表型性狀值錄成形態(tài)數(shù)據(jù)表。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各表型性狀的極差、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，并進(jìn)行單因素方差分析、聚類分析和主成分分析。其中，對(duì)居群內(nèi)各形態(tài)特征變異度的測(cè)度以變異系數(shù)為基準(zhǔn)；用單因素方差分析（ANOVA）表示居群間形態(tài)變異度；以聚類分析來衡量居群間的形態(tài)分化，并繪制分類樹狀圖；用主成分分析（PCA）確定哪些性狀是造成沙鞭表型差異的主要因素［12］。

2 結(jié)果分析

2.1 表型性狀基本統(tǒng)計(jì)分析

本文對(duì)采集到的109 份沙鞭標(biāo)本的12 個(gè)表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明（見表2），各性狀存在不同程度的變異。從總體上看，變異系數(shù)在9%～30%，平均變異系數(shù)為18.46%，其中，旗葉長(zhǎng)寬比的變異系數(shù)最高，其變異系數(shù)為29.66%，變異幅度為21.16～104.20 cm；小穗長(zhǎng)度的變異系數(shù)最低為9.73%，變異幅度為1～2 cm。變異系數(shù)反映的是性狀值離散程度大小，當(dāng)變異系數(shù)越大，則性狀值離散程度越大［13～14］，而變異系數(shù)從小到大依次是：小穗長(zhǎng)度<內(nèi)稃長(zhǎng)度<第二穎長(zhǎng)<外稃長(zhǎng)度<第一穎長(zhǎng)<株高<外稃脈數(shù)<花序長(zhǎng)度<旗葉長(zhǎng)度<旗葉寬度<穎脈數(shù)<旗葉長(zhǎng)寬比，由此說明，相比于其他性狀，旗葉長(zhǎng)度和旗葉寬度的穩(wěn)定性更高。另外，一般認(rèn)為當(dāng)樣本間存在顯著差異時(shí)其變異系數(shù)大于10%［15］。因此，除了小穗長(zhǎng)度和內(nèi)稃長(zhǎng)度的變異系數(shù)低于10%，其他性狀的變異系數(shù)均大于10%，表明沙鞭大部分表型性狀表現(xiàn)出豐富的多樣性。

2.2 形態(tài)學(xué)性狀值差異顯著分析

通過對(duì)12個(gè)具有代表性的表型性狀進(jìn)行F檢驗(yàn)（見表3），其中穎脈數(shù)和旗葉長(zhǎng)寬比達(dá)到顯著水平（P0.05＜P＜P0.01）；而其余的表型性狀均達(dá)到了極顯著水平（P＜P0.01）。從總體上看，各表型性狀的自由度均相等，F(xiàn) 檢驗(yàn)值范圍為1.832～8.958。其中，株高的F 檢驗(yàn)值最大，而旗葉長(zhǎng)寬比最小。在P<0.05時(shí)，各性狀的居群間方差分量均大于居群內(nèi)方差分量。同時(shí)，利用ANOSIM方差分析探討居群內(nèi)和居群間的差異顯著性，當(dāng)R=0 時(shí)，說明居群間沒有差異；當(dāng)R>0 時(shí)，表示居群間差異大于居群內(nèi)差異。從圖1 中可以看出，R=0.776（P<0.05），由此說明沙鞭的各性狀變異均為居群間大于居群內(nèi)。

表3 性狀值差異顯著性分析Table 3 Difference Significance Analysis of Character Values

2.3 表型聚類分析

利用UPGMA 法對(duì)20 個(gè)自然居群進(jìn)行聚類分析，從分類樹狀圖中可以看出（見圖2），12 個(gè)表型性狀在不同居群間表型形態(tài)有較大的差異，在歐式距離為20.5 時(shí)，可將參試居群分為兩大類群，而這些居群均選自不同地理位置，具有一定的代表性，但沙鞭居群各表型性狀的聚類劃分并沒有依據(jù)地理距離而聚類，由此說明沙鞭群體間表型性狀變異的不連續(xù)性。

2.4 主成分分析

沙鞭不同居群間均存在豐富的遺傳變異，為探討引起變異的主要原因，故通過主成分分析來顯示各性狀在表型多樣性構(gòu)成中的作用［16］。主成分分析（Principal Component Analysis）是一種利用降維的思想將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，使這幾個(gè)少數(shù)綜合指標(biāo)可以反映原來所有指標(biāo)的信息的多元統(tǒng)計(jì)方法［17］。主成分分析結(jié)果表明，當(dāng)m=4 時(shí)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.277%，說明前4 個(gè)主成分可近似代表原始因子的大部分信息（見表4）。其中，第一主成分占40.399%，載荷最高的是第二穎長(zhǎng)，其次是小穗長(zhǎng)度、第一穎長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)度、株高、外稃長(zhǎng)度和花序長(zhǎng)度，反映了生殖器官的特點(diǎn)；第二主成分占19.261%，對(duì)其影響最大的是旗葉寬度，其次為旗葉長(zhǎng)度，反映了營(yíng)養(yǎng)器官的特點(diǎn)；第三主成分占12.538%，對(duì)其作用最大的是旗葉長(zhǎng)寬比，其次是外稃脈數(shù)，主要反映營(yíng)養(yǎng)器官的特點(diǎn)；第四主成分占10.079%，主要形狀為穎脈數(shù)，反映了生殖器官的特點(diǎn)。綜上所述，在前4個(gè)主成分中旗葉長(zhǎng)度、旗葉寬度、穎片長(zhǎng)度、小穗長(zhǎng)度等是造成表型多樣性的主要因素。通過提取分析前3個(gè)主成分所繪制的三維空間分布圖（見圖3）與聚類分析結(jié)果基本一致。

表4 沙鞭種植資源的主成分分析Table 4 Principal component analysis of germplasm resources of P.villosa

3 討論

在生物學(xué)中，變異是指種與個(gè)體之間的各種差異，是生物進(jìn)化和人類育種的根源，包括種群的個(gè)體表型變異、環(huán)境變異和遺傳變異。其中，表型變異是以植物的可塑性為基礎(chǔ)的，表現(xiàn)在基因型相同的個(gè)體因外部環(huán)境條件狀況不同而形成不同的表型［17］。那么，種下變異作為居群和個(gè)體在時(shí)空中發(fā)展、變化的產(chǎn)物，是物種形成與進(jìn)化的基礎(chǔ)［17］。通過對(duì)居群內(nèi)和居群間的變異式樣和變異規(guī)律進(jìn)行深入探討，旨在為更加全面準(zhǔn)確地理解種內(nèi)個(gè)體所表現(xiàn)出的形態(tài)差異，進(jìn)而揭示物種形成與進(jìn)化的機(jī)制提供幫助［18］，同時(shí)還可為種下等級(jí)的劃分和種的界定提供依據(jù)。因此，本文通過對(duì)參試的109 份沙鞭種質(zhì)資源的12 個(gè)表型性狀的多樣性進(jìn)行分析，結(jié)果表明除小穗長(zhǎng)度和外稃長(zhǎng)度外，其余各表型性狀的變異系數(shù)均在10%以上，即沙鞭的表型性狀在各居群間和居群內(nèi)均存在豐富的變異，且不同表型性狀的變異幅度各不相同。同時(shí)，不同居群間表型性狀的變異數(shù)據(jù)顯示：葉部表型性狀（3項(xiàng)）的平均差異系數(shù)比穗部性狀（7個(gè)）的大，由此說明生殖器官性狀指標(biāo)的穩(wěn)定性大于營(yíng)養(yǎng)器官。另外，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)沙鞭種質(zhì)資源12 個(gè)表型性狀可以轉(zhuǎn)化為4 個(gè)主成分，且代表了表型性狀82.277%的信息，而造成表型多樣性的主要性狀包括旗葉長(zhǎng)度、旗葉寬度、穎片長(zhǎng)度、小穗長(zhǎng)度等。因此，在對(duì)沙鞭種質(zhì)資源進(jìn)行初步篩選時(shí)可以把上述性狀作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［19］。此外，沙鞭表型性狀在居群內(nèi)和居群間均存在明顯的遺傳變異，但以居群間變異為主，而引起居群間表型性狀的變化原因是多樣的，其一，從地理環(huán)境角度而言，內(nèi)蒙古高原年均溫分布呈西高東低，年降水量分布呈東多西少，由于不同地理位置選擇壓力的不同，以及地理分布呈間斷的零散分布造成基因交流不頻繁，使得居群間的表型變異較大［16］。其二，從生殖方式角度而言，沙鞭種質(zhì)資源既能克隆繁殖，也能種子繁殖。但在自然條件下，一方面由于營(yíng)養(yǎng)枝生長(zhǎng)旺盛，而生殖枝常受到抑制，故不能每年結(jié)實(shí)［20］；另一方面，當(dāng)光照、花期不遇時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)實(shí)少或成熟難。因此，通過鳥類或動(dòng)物取食傳播較困難［16］，故常以根狀莖繁衍出分株。以上可以看出沙鞭表型性狀的變異不僅與遺傳因素有關(guān)，也與環(huán)境飾變的影響密不可分［17，21］。最后，從聚類結(jié)果來看，表型性狀的聚類與地理來源沒有明顯的相關(guān)性，且不同分布區(qū)域的居群其表型形態(tài)出現(xiàn)了交叉遺傳，引起這種現(xiàn)象的原因可能是受環(huán)境因素、人為因素和其他因素（天氣等）的影響［22］。

鑒于此，制定有效的資源收集保存和育種策略具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在選育新品種時(shí)，一方面選擇具有優(yōu)良性狀的植株，如植株高大，單株葉面積大，果穗較多的株系；另一方面選擇表型變異大的親本雜交，可以栽培出更多不同類型的優(yōu)良個(gè)體［23］。除此之外，在選擇育種親本時(shí)還應(yīng)擴(kuò)大物種的采集范圍，尋找更有價(jià)值的材料。另外，沙鞭表型變異豐富，有利于種群的穩(wěn)定，故應(yīng)對(duì)優(yōu)良植株的收集、篩選、保存和培育加大力度，旨在保持和提高沙鞭種質(zhì)資源的多樣性和豐富度，并為沙鞭種質(zhì)資源的進(jìn)一步收集、保存和遺傳改良提供科學(xué)依據(jù)。