柱花草低落粒種質篩選及農藝性狀綜合評價

張靖雪， 盛 偉， 李欣勇， 羅麗娟*

(1.海南大學熱帶作物學院， 海南 ?？?570228；2.中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所， 海南 儋州 571737)

落粒性是植物在長期的演化過程中，為繁衍后代，抵御外界惡劣環境所形成的一種適應性機制，這一現象在豆科和禾本科植物中廣泛存在[1-2]。在生產實踐中，由于牧草種子成熟時在母體上的持留性較差，會脫離母體而掉落，這一特性使種子產量損失嚴重，不利于品種的推廣種植同時也增加了種子采收難度。研究顯示，由于種子成熟的不一致性和差異性，種子實際產量為潛在產量的10%～20%[3]。落粒性的喪失是作物馴化過程中的關鍵一步[4]，低落粒種質的篩選應作為牧草選育尤其是落粒嚴重品種育種的重要目標之一。

柱花草(Stylosanthesguianensis)原產于美洲，具有莖葉產量高、品質好、抗旱能力強、耐貧瘠、適口性好等特點，主要用于天然草地改良、綠肥覆蓋、水土保持及飼料作物等[5-8]。目前，柱花草已經在我國的廣東、廣西、海南、云南、四川攀枝花等干熱河谷地區推廣種植[9-12]，已成為我國南方熱帶草業的當家草種，初步形成了“北有苜蓿草(Medicagosativa),南有柱花草”的草業發展新格局[13-14]。然而柱花草種子普遍存在落粒率高，種子成熟后若不及時收獲，落粒率可達60% 以上，這給后期管理、打草收種、機械操作帶來諸多困難，造成種子產量和質量的下降。長期以來，柱花草的育種目標都集中在產量[15-16]、品質[17]、抗性[18]等方面，對于柱花草種子落粒性的研究未見報道。中國熱帶農業科學院現保存有26個種共498份柱花草種質[19-20]，豐富的柱花草資源為種質創新、新品種選育提供了重要的物質基礎。本研究選取來自不同地區的68份柱花草種質為材料，對花后不同時期的農藝性狀及落粒率進行田間觀測，并對其進行綜合評價，從而加速柱花草抗落粒品種的選育和推廣。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所牧草研究室試驗基地(19°30′N，109°30′E)，海拔149 m，屬熱帶季風氣候，年降水量1 437.0～3 022.7 mm，其中雨季(5—10月份)降水量最為豐富，全年無霜，年均溫度為24.7℃,土壤為花崗巖發育的磚紅土壤[21]。

1.2 試驗材料

試驗所用的68份柱花草種質均由中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所提供(表1)。2019年2月份將試驗材料放置于光照培養箱發芽，幼苗長出3片葉時移栽到田間試驗地，進行常規田間管理。

表1 供試68份柱花草種質Table 1 68 Stylosanthes germplasms used in this study

1.3 試驗設計及指標測定

試驗采用完全隨機區組設計，每份種質種植3個小區，每小區面積3 m2(1 m×3 m)，株距為0.5 m，行距為0.5 m，重復3次。2020年在柱花草種子成熟時，每個小區取10株單株，測其葉柄長、小葉長、小葉寬、莖粗、株高、主枝條數、側枝條數、千粒重和落粒率共9項農藝性狀。葉柄長為葉片基部與主莖連接處之間的距離；小葉長為葉片基部至葉片尖端的距離；小葉寬為葉片最大直徑；莖粗即為植株主莖距地面5 cm處的最大直徑；株高即地面至植株頂端的距離，以上性狀均需使用游標卡尺測定。主枝條數為植株中心主干上分生出的大枝條數，側枝條數則為主枝條上分生出的小枝數。各性狀測定時每株隨機選取5個分枝進行測量，測量后取平均值。千粒重測定采用百粒法，即純凈種子中隨機取100粒種子，重復8次，由此計算千粒種子重量。落粒率的測定采用套袋法，待68份柱花草種質授粉后，每份種質隨機選取5個單株，每個單株隨機選取5個生殖枝進行套袋，從授粉后開始每隔7 d測定一次掉落袋中的種子數，直至完熟期。測定結束后，總落粒數與測定花序上剩余粒數之和為所測花序子?？倲?，總落粒數與總子粒數的百分比值即為落粒率。落粒率計算公式如下：

落粒率(%)=(種子落粒數/花序子?？倲?×100

1.4 數據處理

對觀測得到的各平均值采用Excel 2007進行數據初步整理，然后使用SPSS 20.0分析軟件對各觀測數據進行主成分、相關性和聚類分析，從而更直觀的展現柱花草的落粒動態及其農藝性狀。根據特征值大于1的標準，對柱花草進行主成分分析，柱花草農藝性狀的大部分信息可以由主成分概括[22]。最后利用隸屬函數法進行農藝性狀綜合評價，各指標隸屬函數值大小可以反映各性狀品質優劣，根據各指標隸屬函數平均值大小對供試材料的性狀優劣進行綜合評價，為篩選柱花草優質育種材料提供科學依據。

2 結果與分析

2.1 柱花草重要農藝性狀變異分析

由圖1可知，68份種質落粒率變化范圍為27%～99%，落粒率在50%以下的種質僅有7份。由表2可知，9個農藝性狀中，主枝條數的變異系數最高，為67.2%，其次為莖粗和株高，分別為48.6%，40.1%，說明柱花草的主枝條數、莖粗、株高存在較大的遺傳變異。葉柄長、小葉長、小葉寬、側枝條數、千粒重和落粒率的變異系數均達到20.0%以上，表明這幾種農藝性狀也存在較為豐富的遺傳變異，同時也說明落?，F象在柱花草各種質間普遍存在。

圖1 68份供試柱花草種質落粒率Fig.1 The average seed shattering rate of 68 Stylosanthes

表2 柱花草9個農藝性狀的變異分析Table 2 The variation analysis of 9 morphological traits of Stylosanthes

2.2 柱花草重要農藝性狀的相關性分析

對柱花草9個農藝性狀的相關性分析結果表明(表3)，小葉長與葉柄長呈極顯著正相關，相關性系數為0.550；小葉寬與葉柄長、小葉長呈極顯著正相關，相關性系數分別為0.539，0.516；株高與葉柄長、小葉長、小葉寬呈極顯著正相關，相關性系數分別為0.424，0.519，0.422；莖粗與小葉長呈極顯著負相關，相關性系數為-0.337；千粒重與莖粗呈顯著正相關，相關性系數為0.255；千粒重與落粒率呈顯著負相關，相關性系數為-0.260；落粒率與小葉長呈極顯著正相關，相關性系數為0.401；落粒率與莖粗呈極顯著負相關，相關性系數為-0.654，這表明柱花草低落粒種質通常表現為莖粗較粗，小葉較短的特征，并且具有較大的千粒重，因此，可以為低落粒柱花草種質的田間篩選提供參考。

表3 柱花草農藝性狀相關性分析Table 3 Correlation analysis on the agronomic traits of Stylosanthes

2.3 柱花草農藝性狀的聚類分析

對供試柱花草9個農藝性狀進行聚類分析(圖2)，結果表明68份材料被聚為5大類群。第Ⅰ類包括44份材料，這類材料主枝條數較少，株高較高，葉柄和小葉較長，莖粗表現為中間水平。第Ⅱ類材料包含4份材料，這類材料株高較高，主枝條數少，葉部性狀表現中間水平。第Ⅲ類包含9份材料，這類材料各類性狀總體表現為中間水平。第Ⅳ類包括8份材料，這類材料主要表現為株高較矮，莖粗較小，葉片較小，落粒率較高。第Ⅴ類包含3份材料，這類材料株高最矮，主枝條數最多，小葉較長且落粒率很高。

圖2 基于柱花草9個農藝性狀的聚類圖Fig.2 The cluster of Stylosanthes based on 9 agronomic traits

以落粒率為變量對柱花草種質進行聚類分析(圖3)，68份種質被分為2大類，4亞類。第Ⅰ亞類包含39份材料，這些材料的落粒率在85%～99%之間，落粒率最高；第Ⅱ亞類包括17份材料，落粒率在65%～85%之間；第Ⅲ亞類包括TF0027，TF0074，TF0110三份材料，落粒率在27%～37%之間，這類材料落粒率最低；第Ⅳ亞類包含9份材料，落粒率均在43%～57%之間。

圖3 以柱花草落粒率為變量的聚類圖Fig.3 The cluster of Stylosanthes based on seed shattering rate

2.4 柱花草9個農藝性狀的主成分分析

對供試柱花草的9個農藝性狀進行主成分分析(表4、表5)，結果表明，影響柱花草農藝性狀的前3個主成分的累加貢獻率達65.178%，特征值總和為5.866，表明這3個主成分完全可以表現出柱花草9項指標所代表的大部分信息。第1主成分的特征值是2.619，貢獻率為29.101%。第1主成分主要受小葉長(0.889)的影響，其次是葉柄長(0.733)、小葉寬(0.710)，說明第1主成分主要反映柱花草的葉片性狀特征。第2主成分的特征值是1.937，貢獻率為21.521%，第2主成分主要受莖粗(0.750)的影響，表明第2主成分主要反映柱花草莖部特征。第3主成分的特征值是1.310，貢獻率為14.556%，第3主成分受主枝條數(0.805)的影響最大，側枝條數(負值)次之，說明第3主成分主要反映柱花草莖部分蘗特征。

表4 供試材料9個農藝性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis at 9 agronomic traits of Stylosanthes

表5 關于9個性狀的前3個主成分對應的特征向量Table 5 Eigen vector of the first three Principal Component of 9 agronomic traits

2.5 柱花草農藝性狀綜合評價

對柱花草的9個農藝性狀求其隸屬函數值(表6)，隸屬函數值的大小能夠反映種質性狀的優劣，隸屬函數值越接近于1，則說明該性狀表現越優異；反之，隸屬函數值越接近于0，則該性狀表現越差。然后求各材料性狀隸屬函數值的平均值，平均值大小越接近1的，則表示該材料綜合性狀表現越優異；平均值越接近0的，那么該材料綜合性狀的表現越差。通過計算柱花草9個農藝性狀的隸屬函數值可知，供試柱花草種質的隸屬函數均值在0.234～0.627之間，其中均值大于等于0.550的有TF0115，TF0177，TF0207，TF0275四份材料，主要表現為葉柄長和小葉寬大，植株高大。其次為TF0041，TF0042，TF0209，TF0228，TF0244，TF260，TF0285和TF0321綜合性狀表現較好，隸屬函數平均值分別為0.541，0.547，0.549，0.539，0.527，0.535，0.506和0.504；隸屬函數值小于0.255的有3份。分別為TF0035，TF0074和TF0191，主要表現為葉柄短，小葉較小，植株矮小。

表6 供試68份柱花草各農藝性狀隸屬函數分析Table 6 The subordinate function analysis of agronomic traits of 68 Stylosanthes

續表6

3 討論

3.1 柱花草落粒性

柱花草是熱帶地區的重要豆科牧草，種子成熟期一般為12月至翌年1月，但柱花草種子成熟期不一致并且邊成熟邊脫落，給種子生產和收獲造成了嚴重影響[23]。本研究對68份柱花草材料田間落粒率測定，結果表明柱花草種子落粒性強這一特性普遍存在于柱花草各種質間，落粒率高于50%的種質占供試種質總數的85%以上，種質TF0255落粒率最高；TF0027，TF0074及TF0110三份材料的落粒率較低，表明其抗落粒性較強。對68份供試柱花草落粒率進行聚類分析后發現，第Ⅲ亞類材料表現出低的落粒率。低落粒的種質是研究抗落粒柱花草新品種的基礎，落粒性不同的種質可以為今后開展柱花草遺傳變異和分子機制的研究提供重要的試驗材料。同時，也可以選用低落粒品種作為親本，選配雜交組合材料來改良現有的品種。

3.2 柱花草農藝性狀相關性

各農藝性狀所代表的信息有一定程度的重復性，單個性狀指標的作用不完全相同，因此，主成分分析通過降維的方式將各指標之間復雜的相關關系轉換成少數的幾個相互獨立的主成分進行分析，每個主成分都能最大限度地反映原始變量的信息[24-26]，并進行科學合理的評價。主成分分析中提取出的3個主成分因子客觀的反映了柱花草資源的特征。對9個農藝性狀進行變異分析發現，主枝條數變異系數最大，表明其多樣性最豐富，其次為莖粗和株高多樣性較豐富。各農藝性狀相關性分析表明，柱花草落粒率與小葉長呈極顯著正相關，與莖粗呈極顯著負相關，與千粒重呈顯著負相關，這表明農藝性狀表現為小葉較短，莖粗較大的種質，其落粒率較低，千粒重也較大，從而種子產量也會相應增加。這與前人[27]的研究結果相似。通過對68份材料的9個農藝性狀進行聚類分析，種質被分為3大類，5個亞類，發現性狀表現相似的大部分被聚為同一類群，但其中也有少部分性狀表現差異較大的也被分在同一類群，這可能是因田間試驗過程中氣候環境條件以及人為因素的影響而使農藝性狀聚類分析的結果不穩定[28-29]。聚類分析是根據遺傳距離來進行分類，而遺傳距離的計算又是根據各性狀的表現型，表現型又受到基因型和環境的共同影響[30-31]。因此，合理的設計試驗，嚴格統一的環境控制及田間操作管理可以保證聚類分析結果的準確性，也可以通過農藝性狀分析與分子標記方法分類結果相結合，從而能夠更有效地對柱花草種質資源進行科學全面的篩選評價[32]。

4 結論

本研究明確了柱花草種子落粒性、主要農藝性狀的遺傳多樣性及各農藝性狀之間的相關性，篩選出了TF0115，TF0177，TF0207，TF0275綜合性狀表現優良的柱花草種質。本研究結果為柱花草低落粒種質的篩選、遺傳改良以及品種選育提供了重要的參考。