野牛草種質資源評價與分析

喬葭月，孫熙喏，屈新月，王 儲，馬承澤，崔會婷，麻冬梅，孫 彥*

(1. 中國農業大學草業科學與技術學院，北京 100193； 2. 寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021)

野牛草(Buchloedactyloides(Nutt.) Engelm.)又名水牛草、牛毛草，是一種重要的多年生暖季型草坪草，隸屬禾本科野牛草屬。野牛草原產自北美大平原半干旱地區[1]，于20世紀引進我國種植，因為其植株低矮、需肥量少、適應性和抗旱、抗病性強等優點而逐漸成為我國北方地區防風固沙、公共綠地、公園和公路等粗放管理型草坪的主要草種之一。但野牛草草坪顏色淺、綠期短、耐蔭性差的缺點大大限制了其應用范圍。在多年的引種馴化和不同地理區域長期種植過程中，野牛草的形態特征和坪用特性發生了很大變異。成凱凱[2]等人認為不同地理來源的野牛草種質資源其形態特征存在差異性，陳科[3]認為野牛草的表型特征與地理氣候因子相關，高溫濕潤氣候條件下野牛草材料的表型特征更大。目前，關于野牛草種質資源方面報道主要集中在野牛草倍性與表型特征的研究[4-5]，野牛草品種逆境評價[6-7]，利用各種分子標記手段對野牛草品種遺傳多樣性進行評價[2,8-11]等方面。雖然分子標記技術在種質資源鑒定和分類中已經得到廣泛應用，但形態特征評價直觀、簡單、易測的特點使其在植物遺傳多樣性研究中仍是一種簡便有效的方法[12-14]，是優異資源基因挖掘和利用的堅實基礎。本研究通過對供試的29份野牛草材料進行形態特征和坪用特性評價和進一步分析，為野牛草種質資源開發利用和優良品種的選育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北省涿州市中國農業大學涿州實驗站，地理坐標為39°28′ N，115°51′ E，屬溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，全年平均日照2 560 h,年平均氣溫為11.6℃，土壤砂質，表層(0～15 cm)土壤pH 8.3，有機質含量1.95%，有機碳含量1.13%，全氮含量0.63 g·kg-1，全磷含量0.37 g·kg-1,速效磷含量14.39 mg·kg-1，具備灌溉條件。

1.2 試驗材料

本試驗所用的29份野牛草(Buchloedactyloides(Nutt.) Engelm.)種質資源來源于中國農業大學涿州草坪種質資源圃，草坪科研團隊長期于國內外采集與收集，資源編號為BD001～BD029。

1.3 試驗方法

1.3.1試驗設計 試驗小區面積為4 m2(2 m×2 m)，設置4次重復，采用完全隨機設計，小區之間間隔0.5 m。2018年10月從資源圃中取各個材料的第3個莖節栽植于花盆中，置于中國農業大學溫室中育苗，次年5月移栽至小區內。2019年5月—2020年8月進行數據采集。小區按需進行灌溉以及人工除草，未施用肥料。形態特征測定主要涉及葉長、葉寬、株高、匍匐莖長、節間長、莖節數以及直徑共7個指標。坪用特性測定主要包括顏色、均一性、質地、密度、蓋度、擴展面積、綠期共7個指標。

1.3.2形態特征觀測 葉長：每小區內隨機選取15個單株的第2片完全展開葉，用直尺測量葉尖至葉基部的長度。

葉寬：用游標卡尺測量上述葉片的最寬處。

株高：每小區內隨機選取15個單株，用直尺測量植株最高部位至地面的絕對高度。

匍匐莖長：每小區隨機選取15根匍匐莖，用直尺測量其頂端至基部的總長度。

匍匐莖節數：對上述匍匐莖的莖節數進行人工計數。

匍匐莖節間長：用直尺測量上述匍匐莖從基部開始第2個和第3個莖節之間的長度。

匍匐莖直徑：用游標卡尺測量上述第2～3個莖節之間莖的直徑。

1.3.3坪用特性測定 質地：以葉片寬度作為質地的評價依據，每小區內隨機選取30單株的第2片完全展開葉，用直尺測量葉片最寬處。

密度：每小區內隨機選取3個10 cm×10 cm樣方，記錄樣方內枝條的數目。

蓋度：每小區內隨機選取3個50 cm×50 cm的樣方，樣方內含有100個等分小格，記錄每小格內野牛草所占比例。

顏色：用葉綠素含量SPAD值表示[15]。每小區內隨機選取15株單株，采用SPAD-502 Plus葉綠素儀對第2片完全展開葉進行測定，每片葉子3次技術重復。

均一性：依照NTEP 1～9分制評分標準進行打分。

擴展面積：在小區建植完成12周后，對野牛草覆蓋面積進行測量。

綠期：以野牛草群落50%枯黃記為枯黃期開始，以群落50%返青即返青期記為枯黃期結束，以全年天數減去枯黃天數即為綠期[16]。

1.4 數據整理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數據統計，用SPSS 25.0進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 野牛草種質資源形態特征評價

由表1可知，這29種野牛草的7個形態特征指標均表現出較大的變異，變異范圍為8.70%～23.44%。葉長、匍匐莖長、匍匐莖節間長、匍匐莖節數這4個形態指標的變異系數>15%，分別為17.59%，23.44%，22.82%，17.34%，其中，匍匐莖長的變異最為豐富，平均值為63.10 cm，變化范圍在25.38～84.11 cm。由此說明，匍匐莖的莖節數、節間長，特別是匍匐莖長度的變異豐富，可以通過系統選育的方式進行改良，從而獲得擴繁能力強的品系。而變異系數較小的指標如葉寬(9.44%)和匍匐莖直徑(8.70%)的變異相對較為穩定，難以通過系統選育的方式進行改良。

表1 29份野牛草種質資源形態特征測定結果Table 1 Morphological characteristics of 29 species of buffalograss germplasm resources

2.2 野牛草種質資源坪用特性評價

由表2可知，29份野牛草種質資源的7個坪用指標的變異系數介于1.88%～25.27%，其中，變異系數最大的是擴展面積，為25.27%，其變化范圍在1.35～3.79 m2，平均值為2.65 m2。變異系數最小的指標是蓋度，變化范圍在92.13%～100%，平均值為98.14%，從總體來看，野牛草的坪用特性的變異程度要小于個體形態特征的變異。

表2 29份野牛草種質資源坪用特性測定結果Table 2 Turf characteristics of 29 species of buffalograss germplasm resources

2.3 野牛草形態特征和坪用特性相關性分析

對29份野牛草種質材料的14個形態特征和坪用特性指標進行相關性分析，發現野牛草形態特征間廣泛存在相關性(表3)。葉長與葉寬、株高、匍匐莖節間長、匍匐莖直徑存在極顯著正相關；株高與匍匐莖長、節間長、存在極顯著正相關，與匍匐莖直徑存在顯著正相關；匍匐莖長與匍匐莖節間長、莖節數、直徑存在極顯著正相關。野牛草的坪用特性與其形態特征也存在相關性。葉長與質地存在極顯著正相關，相關系數為0.57，與密度、綠期極顯著負相關，相關系數分別為-0.68和-0.51，與均一性顯著負相關，相關系數為-0.39；葉寬與密度存在顯著負相關，與質地存在極顯著正相關關系，這與質地的評價方法有關；株高與質地、擴展面積存在顯著正相關，與密度存在極顯著負相關；匍匐莖長度、節間長與擴展面積存在極顯著正相關，而與密度存在顯著負相關關系；匍匐莖直徑與質地存在極顯著正相關，與密度存在極顯著負相關。坪用特性的某些指標間也存在相關性，比如質地與顏色之間存在極顯著正相關，與密度間存在極顯著負相關；綠期與密度、顏色、均一性顯著正相關?？傮w而言，坪用特性指標中密度和質地與較多形態指標相關，即更容易受到比如葉長、葉寬、匍匐莖直徑的影響。

表3 野牛草形態特征和坪用特征相關性分析Table 3 Correlation analysis of buffalograss between phenotypic traits and turf appraising

2.4 野牛草形態特征和坪用質量主成分分析

主成分分析可以在不損失或很少損失原有信息的前提下，將原來個數較多且彼此相關的指標轉換為新的個數較少且彼此獨立的綜合指標[17]。本研究首先對29份野牛草的14個指標進行KMO和Bartlett球形度檢驗，得到KMO值為0.616>0.5，Bartlett檢驗結果顯著性為0.000<0.05，適宜進行主成分分析。

以特征值大于1為標準提取主成分，從主成分分析結果(表4)可以看出，共提取主成分4個，累計貢獻率為77.244%，可基本代表14個性狀的大部分信息。第一主成分特征值為4.997，貢獻率為35.694%，其中載荷較大的因子包括葉長(0.831)、株高(0.834)、密度(-0.785)、匍匐莖節間長(0.749)。第二主成分特征值為2.915，其貢獻率為20.823%，載荷較大的因子是顏色(0.843)。第三主成分特征值為1.785，其貢獻率為12.747%，作用最大的因子是匍匐莖節數，載荷量為0.879。第四主成分特征值為1.117，其貢獻率為7.981%，其中載荷較大的因子是綠期(0.477)和匍匐莖節間長(0.473)。

在此基礎上，構建4個新的變量y1～y4來反映這4個主成分的得分，

y=∑cx

式中：c為特征向量，x為標準化后的性狀值。

同時以各主成分的方差貢獻率為系數，構建綜合評價模型[18-19]，F= 0.356 94y1+0.208 23y2+0.127 47y3+0.079 81y4，以此來對各野牛草種質進行綜合評價，評價結果(表5)中，BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029，這8份材料綜合評價值F>0.8，綜合表現整體優良。

表4 主成分分析結果Table 4 Principal component analysis results

表5 29種野牛草種質資源綜合評價得分Table 5 the comprehensive evaluation scores of 29 bison grass germplasm resources

2.5 聚類分析

根據不同的利用方向或育種目標，選擇相關指標進行聚類分析，并對表現良好的類群各項指標進行基本統計。

選擇擴展面積和匍匐莖相關的指標進行聚類，可從中選擇出適宜作為培育強擴繁能力的親本或適宜應用在生態修復和需要快速建植區域的材料。聚類方法采用瓦爾德法，由圖1A可知，在平方歐氏距離為13.2處，可以將這29份材料分成3大類，第Ⅰ類群包括BD004,BD005兩份材料，這一類群匍匐莖短(28.80 cm)而莖節數多(9.72)，擴展速度慢，第Ⅱ類群包括12份種質，分別為BD001，BD007，BD010，BD011，BD012，BD013，BD015，BD016，BD017，BD020，BD021，BD027，這一類群的各項指標平均值最大，其中匍匐莖長75.16 cm,莖節數為11.52，擴展能力最強。剩下的材料聚在第Ⅲ類群，擴展性處于適中水平。

選擇葉長、葉寬、株高、質地、密度、蓋度、顏色和均一性進行聚類，來初步篩選適宜用來觀賞的材料。由圖1B可知，在平方歐氏距離為11.2處，可以將材料分為3大類群，第Ⅰ類群包括BD004，BD005兩份材料，其葉短(10.73 cm)而窄(1.45 mm)，質地細膩，密度最高(71株·100 cm-2)。第Ⅱ類群包括11份材料，分別為BD002，BD003，BD006，BD007，BD013，BD019，BD022，BD025，BD026，BD027，BD0029，這一類群植株高大(29.12 cm)，葉長(21.08 cm)且色深(25.51)，不足是密度較低(47株·100 cm-2)。第Ⅲ類群包括剩下的16份材料，這一類群蓋度、顏色、均一性與其他兩個類群接近，其他性狀處于中等水平。

圖1 29份野牛草種質資源聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 29 buffalograss resources注：A圖為依據野牛草擴展相關指標進行聚類，B圖為依據觀賞用相關指標進行聚類Note：Figure A shows clustering based on expansion related indexes,and figure B shows clustering based on ornamental related indexes

3 討論

野牛草種質資源的形態特征和坪用特性受到遺傳因素和環境因素的共同影響[20]。在本試驗中，29份野牛草種質資源的生長條件一致、管理措施相同，研究其形態特征和坪用特性可以直觀了解野牛草的遺傳多樣性，為種質資源的收集、保存、鑒定和種質資源創新、新品種培育奠定基礎[21-22]。

變異系數主要反映各種質資源中特征性狀的變異程度，變異系數值越大，說明相應的特征性狀在種質間的差異越大，對種質變異和創新的貢獻率越高[23]，利用這些性狀對種質進行鑒別的可能性越大[24]。在本研究中，葉長、匍匐莖長、匍匐莖節間長、莖節數在各種質中差異較大，變異系數均高于17%，說明這些性狀在種質遺傳中不太穩定，易于改變，具有優良的開發潛力；而葉寬、匍匐莖直徑變異相對較小，低于10%，說明這兩個性狀遺傳較為穩定，難以通過系統選育的方式進行改良。成凱凱[2]在對30種野牛草種質資源的形態特征進行顯著性差異評價時認為各資源之間葉長、葉寬、株高、匍匐莖長度和匍匐莖節數存在極顯著差異(P<0.01),除葉寬這一指標，其他具有極顯著差異的指標與本研究變異系數較大的形態特征基本相符，這可能與變異程度的評價標準不同有關。野牛草的坪用特性變異系數范圍為1.88%～25.29%，草坪蓋度變異系數最小，擴展面積即匍匐莖的生長速度變異范圍最大，與匍匐莖長變異系數(23.44%)大相對應。說明對于野牛草種質資源來說，蓋度這一性狀比較穩定，而匍匐莖的生長速度在材料間差異較大，說明這一性狀容易改良，可以經選育獲得成坪速度快的優良品系。

在前人的研究中，野牛草表型性狀與其坪用特性存在顯著相關性，葉長、單叢分株數與坪用等級存在極顯著負相關[25]。在研究中，草坪質地與葉寬相關性高，這與質地的評價標準有關，一般來說，葉片寬度越細，觀賞效果越好，草坪的質地越好。匍匐莖直徑與質地存在顯著正相關，直徑越細，草坪質地也越好。草坪密度與葉長、葉寬、株高、匍匐莖長、節間長、直徑存在極顯著負相關關系，這與前人研究結果類似。孫宗玖等[26]在對新疆狗牙根農藝性狀評價時認為，草坪處于低密度時，群體所處空間較大，植株會獲得更多營養從而植株生長旺盛，表型更高大。代保清等[27]的研究結果表明，在不同密度條件下，結縷草的無性系構件會采取不同的適應性對策，比如低密度條件下，匍匐莖總數、總長、節間長等都會增加，迅速占領空間，而在高密度條件下則會減緩生長。草坪的蓋度與擴展面積呈顯著正相關，說明在建坪時間較短的情況下，擴展面積越大即匍匐莖長的越快的，蓋度也越高；但是并未發現蓋度與匍匐莖長存在顯著相關性。

主成分分析法可以將植物多個性狀指標轉化為少數幾個不相關的綜合指標，從而達到綜合和簡化的目的[28]，在水稻[29]、燕麥[30-31]、披堿草[32]等多種植物種質資源評價過程中廣泛應用。在本研究中，14個指標經主成分分析化為4個主成分，累計貢獻率達77.244%，包含了大部分信息，根據這4個主成分信息，可有針對性地進一步選擇符合預期目標的可利用資源，并且，基于主成分分析的綜合評價值中，BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029這8份材料綜合表現良好，且在聚類分析中，這8份材料同屬于觀賞用聚類第Ⅱ類群。

聚類分析是指將物理或抽象對象的集合分組為由類似的對象組成的多個類的分析過程，已成為植物育種的必要手段之一。應用聚類分析可以很好反映種質資源間的遺傳差異和各類群的特點[33]。本研究中根據育種目標或利用方式選擇相應的指標進行聚類，以期為選擇優良的育種親本或栽培材料提供參考，提高效率。根據和擴展性相關指標進行聚類，選出第Ⅱ類群12份擴展性強的種質，根據與觀賞性相關指標進行聚類，選出第Ⅰ類群BD004，BD005兩份低矮型材料和第Ⅱ類群11份高大型材料，可根據實際觀賞用途或育種目標從中再進一步選擇。

4 結論

本研究中的29份野牛草種質資源具有豐富的變異，形態特征和坪用特性之間具有廣泛相關性。其中，基于主成分綜合得分篩選出8份綜合表現優良的材料BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029，并且這8份材料在基于觀賞用指標聚類時同聚在一類，具有植株高大，葉片長且色深的特點。在基于擴展性和觀賞性指標分別進行聚類時，可將29份材料分別分為3類，本研究可為野牛草的實際應用提供理論參考。