尹婷婷，谷麗麗，閆 鋒，任明輝，任振偉，張延輝，李陳建，靳瑰麗，張 博

(西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)實驗室，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】老芒麥(ElymussibiricusL.)是披堿草屬(Elymusspp.)植物的模式種，是多年生、自花授粉的異源四倍體植物[1-3]，主要分布在北半球的溫寒地帶，亞歐大陸和北美洲北部[4]。在我國主要分布于西北、東北、華北等地區(qū)，為草原和草甸的重要組成成分且能夠形成優(yōu)勢種以及建群種[5-7]。老芒麥多數(shù)種質(zhì)質(zhì)地柔軟、葉量豐富、種子產(chǎn)量高。老芒麥粗蛋白含量高，具有較高的營養(yǎng)價值和飼用價值，是高原地區(qū)重要的優(yōu)質(zhì)牧草[8-13]。因其基因組中含有麥類作物缺乏的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆(如抗寒、抗旱)等優(yōu)異基因，可作為改良麥類作物的重要優(yōu)質(zhì)基因庫[14-15]。老芒麥分布地區(qū)廣、生存環(huán)境多樣，形成了豐富的種質(zhì)資源多樣性[16]，對維持地區(qū)間生態(tài)平衡起著重要作用[11-12]。【前人研究進展】植物遺傳多樣性的研究主要從表型、細胞、蛋白質(zhì)、分子等方面進行分析。表型性狀分析因具有操作簡單、結(jié)果直觀等優(yōu)點，在種質(zhì)資源的認識、分類和材料的選擇中被廣泛利用，是種質(zhì)資源研究的基本方法[19-20]。表型多樣性是指特定群體在其分布區(qū)域內(nèi)不同環(huán)境下的表型變異，由遺傳因子與環(huán)境因子共同作用而體現(xiàn)[21-22]。表型研究是通過觀測某些在遺傳學(xué)上比較穩(wěn)定的性狀，運用數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法揭示群體的遺傳規(guī)律及變異大小，從而了解老芒麥植物的適應(yīng)機制，為群體保護、育種提供理論支持[20-22]。近幾年，由于全球變化和過多的人類破壞活動，引起的非生物脅迫情況增加，很多作者開始關(guān)注披堿草屬抗性的相關(guān)研究，包括耐鹽堿性、抗旱性、抗低溫脅迫性、由污染所引起關(guān)注的重金屬脅迫以及各種復(fù)合脅迫抗性。目前大多數(shù)披堿草屬抗逆性方面的研究主要集中于研究不同種質(zhì)苗期抗性生理指標(biāo)的測定評價[23]。針對于垂穗披堿草的落粒性進行的研究、農(nóng)藝性狀與生產(chǎn)性能的評價、披堿草屬的核型分析的研究也較多。研究地主要集中在西藏地區(qū)，且對垂穗披堿草的研究相對較多，主要種質(zhì)選擇為野生型。形態(tài)學(xué)鑒定包括研究表型的、穗部的，研究內(nèi)容多圍繞表型與海拔、生境等外界環(huán)境因素來進行?！颈狙芯壳腥朦c】隨著全球氣候變暖、過度放牧的加劇等，老芒麥的生存環(huán)境受到威脅。因此，對老芒麥種質(zhì)資源進行遺傳多樣性分析，研究老芒麥的遺傳規(guī)律，了解植物群體對環(huán)境的適應(yīng)性具有重要意義，也為引種提供一定的理論基礎(chǔ)[17]。野生種質(zhì)資源是育種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，我國審定的披堿草屬品種較少，其中一些品種年代較久且退化較嚴重，再加上育種水平和推廣力度較低等原因，導(dǎo)致我國高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種較少。已經(jīng)嚴重影響了我國畜牧和生態(tài)用草的需要[18]。因此，對披堿草屬植物老芒麥野生種質(zhì)資源的收集和評價成為了當(dāng)務(wù)之急?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對59個野生老芒麥表型多樣性分析，探究其表型性狀的規(guī)律和變異，為老芒麥的引種、優(yōu)質(zhì)種質(zhì)的挖掘以及遺傳育種提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗材料為來源于新疆、西藏、青海的59份老芒麥種質(zhì)資源(表1)，于2018年5月種植于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪實驗基地資源圃。將種子在培養(yǎng)皿中萌發(fā)，待種子萌發(fā)后挑選大小一致的植株移至穴盤，1個月后將植株移至田間小區(qū)。每份種質(zhì)材料種植于1個小區(qū)，每小區(qū)30株，單株種植，株距、行距均為30 cm。小區(qū)面積為1.80 m2(1.2 m×1.5 m)，小區(qū)間隔1 m。滴灌澆水，不施肥，定期清理雜草。

表1 59份老芒麥種質(zhì)資源編號和采集地信息

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

1.2 測量指標(biāo)與方法

分別于2019年7—9月和2020年7—9月對老芒麥的各項指標(biāo)進行測量，每小區(qū)隨機選15個單株，用卷尺、游標(biāo)卡尺等(±0.02 mm)測量穗部、葉部、莖部、千粒重等21個性狀指標(biāo)(表2)。觀察并記錄其生育期、株型、莖絨毛、莖顏色、葉顏色、葉絨毛、葉量、穎顏色、芒性、抗病性、落粒性、花序形。所測指標(biāo)按照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T2486—2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南——披堿草屬》中的方法進行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)所測的不同種質(zhì)表型性狀指標(biāo)，分別計算其最大、最小值、平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、極差、變異系數(shù)、多樣性指數(shù)。采用SPSS、Origin軟件對21個數(shù)量性狀進行主成分分析、聚類分析、隸屬函數(shù)分析，同時對數(shù)量性狀與氣象因子進行了相關(guān)性分析。根據(jù)采樣點附近74個氣象站臺數(shù)據(jù)，利用反距離權(quán)重插值法(IDW)進行空間插值，得到空間上的氣溫、降水和日照時數(shù)數(shù)據(jù)，再提取對應(yīng)采樣點的氣溫、降水和日照時數(shù)數(shù)據(jù)。其中，氣溫為多年平均氣溫，降水和日照時數(shù)為2010—2017年生長季(3—9月)期間的年平均降水量和年平均日照時數(shù)。

表2 農(nóng)藝性狀指標(biāo)及觀測標(biāo)準(zhǔn)

(1)

式中，pi表示第i等級的分布頻率，即第i等級內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比[15-16]。

在對數(shù)量性狀進行隸屬函數(shù)分析時，由于株高、旗葉長、旗葉寬、葉長、葉寬、莖粗、葉層高度，穗長、小穗數(shù)、小花數(shù)、外稃長、外稃長寬、千粒重這13個指標(biāo)與產(chǎn)草量和種子產(chǎn)量之間存在正相關(guān)。因此，本研究選用升型隸屬函數(shù)進行分析，計算公式如下[24-25]。

R(xi)=(xi-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

式中，xi為指標(biāo)測定值；xmax、xmin分別為所有測試材料某一指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀 59份種質(zhì)資源材料的12個質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)(H′)的變化范圍為0.00～1.07(表3)，H′大于1.00的是生育期和葉量。其中生育期的H′最高，為1.07，頻率分布主要以乳熟為主，占41%，完熟、臘熟分別占37%、22%。葉量的多樣性較豐富，H′也相對較高，為1.04，葉量密的占49%，較密的占31%，較疏的占20%。穎顏色和落粒性的多樣性指數(shù)分別為0.88和0.87，穎顏色以黃色為主，58%的供試材料表現(xiàn)出強落粒性；莖顏色和葉顏色均以綠色為主，分布頻率分別為85%和88%；葉絨毛以無絨毛為主，株型以半直為主，僅有3份材料表現(xiàn)為直立；莖絨毛和花序形態(tài)多樣性指數(shù)最低，均為0，全部表現(xiàn)為無莖絨毛和花序下垂。

表3 59份老芒麥質(zhì)量性狀的賦值、頻率分布和多樣性

2.1.2 數(shù)量性狀 59份老芒麥兩年間21個數(shù)量性狀群體內(nèi)和群體間在兩年中的變異趨勢較為一致(表4)，群體內(nèi)變異系數(shù)最大的是旗葉長(2年均值32.85)，其次是旗葉寬、穗柄長、小穗數(shù)，變異系數(shù)最小的為千粒重(兩年均值2.78)，可見群體內(nèi)變異主要來自于旗葉長寬、穗柄長、小穗寬；群體間變異較大的是旗葉長、旗葉寬、穗柄長，表明群體間變異主要來自于旗葉長寬、穗柄長；群體間變異系數(shù)(12.42～61.47)大于群體內(nèi)變異系數(shù)(2.69～31.64)，說明變異多來源于群體間。各性狀群體間遺傳多樣性指數(shù)(H′)在兩年間相對穩(wěn)定，整體在0.09～2.04，株高、穗柄長、葉層高度、千粒重多樣性指數(shù)較高；各性狀兩年的觀測值之間的相關(guān)系數(shù)在 -0.02～0.626，其中株高、節(jié)間長、旗葉長、穗柄長、穗長、外稃長、外稃芒長7個性狀在兩年間呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)性(P<0.01)，莖節(jié)數(shù)、旗葉寬、穗軸第一節(jié)間長、葉層高度4個性狀呈顯著相關(guān)性(P<0.05)，其余10個性狀無相關(guān)性，說明59份野生種質(zhì)在2019和2020年的表型鑒定結(jié)果中差異較明顯，表明受環(huán)境影響較大。

2.2 相關(guān)性分析

從種質(zhì)資源表型性狀的相關(guān)性分析結(jié)果顯示(圖1～2)，在表型性狀之間，這兩年中均出現(xiàn)株高與節(jié)間長、莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)，與莖粗有低顯著正相關(guān)(P<0.05)，由于年間數(shù)據(jù)存在一定差異，整體與株高兩年均呈正相關(guān)的還有穗柄長和穗軸第一節(jié)間長；莖粗與節(jié)間長有低顯著正相關(guān)(P<0.05)，與莖粗兩年均呈正相關(guān)的還有葉長、葉寬；與莖節(jié)數(shù)兩年均呈正相關(guān)的是葉層高度；旗葉長與葉長呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)，與穗軸第一節(jié)間長呈極顯著負相關(guān)(P<0.001)，兩年均呈正相關(guān)的還有旗葉寬、穗長。與旗葉寬兩年均呈正相關(guān)的是穗長；與葉長兩年均呈正相關(guān)的是穗長、外稃長，呈負相關(guān)的是穗柄長；穗柄長與穗軸第一節(jié)間長呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)，兩年均呈負相關(guān)的還有外稃長；與小穗長度兩年均呈正相關(guān)的是小穗寬度；小花數(shù)與第一穎長呈極顯著正相關(guān)(P<0.001)；與第一穎長兩年均呈正相關(guān)的是外稃芒長；節(jié)間長、莖節(jié)數(shù)、葉寬、穗長、小穗寬度、小穗數(shù)、穗軸第一節(jié)間長、葉層高、外稃長、外稃寬這10個指標(biāo)與其它指標(biāo)兩年間出現(xiàn)的相關(guān)性不一致。

在表型性狀與氣候因素之間，綜合兩年研究結(jié)果顯示，與經(jīng)度呈一定正相關(guān)的是旗葉長、葉長指標(biāo)；與緯度呈一定負相關(guān)的是旗葉長、葉長、外稃長；與海拔呈一定正相關(guān)的是穗柄長、穗軸第一節(jié)間長，呈一定負相關(guān)的是旗葉長、葉長、外稃長；與年均降水量呈一定正相關(guān)的是穗柄長、穗軸第一節(jié)間長，呈一定負相關(guān)的是旗葉長、葉長、外稃長；年均溫與外稃長有一定正相關(guān)性；年均日照時數(shù)與節(jié)間長、旗葉長、葉長、外稃長呈一定正相關(guān)性，與穗柄長、穗軸第一節(jié)間長呈一定負相關(guān)性。

2.3 聚類分析

對59份老芒麥種質(zhì)資源材料的21個性狀進行聚類分析(表5)，在遺傳距離為15處將其劃分為4個類群。

2019年聚類結(jié)果中，4個類群分別包含52份、3份、1份和3份種質(zhì)材料。第Ⅰ披堿草屬類群中，以葉部(旗葉、葉)較短較窄、穗部較短、穗柄和穗軸第一節(jié)間較長為主，其他指標(biāo)在四大類中趨于中間水平；第Ⅱ披堿草屬類群以葉部較長較寬、小穗較多、葉層較高、千粒重較重為主，其它指標(biāo)在四大類中界于中間水平，且大多性狀略優(yōu)于第一類；第Ⅲ披堿草屬類群中，株高、節(jié)間長、莖節(jié)數(shù)、穗長度、小花數(shù)、第一穎長、外稃長、外稃芒長為各類群中最優(yōu)；第Ⅳ類群僅包括1份材料，大多性狀指標(biāo)表現(xiàn)較差。

2020年聚類結(jié)果中，4個類群分別包含39份、11份、8份和1份種質(zhì)材料。第Ⅰ類群中，莖節(jié)、穗長、小穗數(shù)指標(biāo)最優(yōu)，其他指標(biāo)在四大類中趨于中間水平；第Ⅱ類群材料多以株高、節(jié)間長、穗柄長、穗軸第一節(jié)間長指標(biāo)最優(yōu)，旗葉長寬、葉長、外稃寬較差；第Ⅲ類群中，各性狀指標(biāo)整體比第Ⅰ、Ⅱ類材料差，第Ⅳ類群僅有1份材料，株高、節(jié)間長、莖節(jié)數(shù)、穗柄、穗長、小穗數(shù)表現(xiàn)等指標(biāo)表現(xiàn)較差，葉部長寬、小穗長、小花數(shù)、莖粗、葉層高、外稃長寬、外稃芒長、千粒重表現(xiàn)最優(yōu)。

2019和2020年聚類相同的材料有32份，且僅在第Ⅰ類群中出現(xiàn)，總體上2年類群劃分結(jié)果較一致的出現(xiàn)在第一類，重復(fù)率為54%。兩年聚類相同的材料各指標(biāo)大致處于中間水平。2019年所測各性狀指標(biāo)優(yōu)于2020年，其中相差最大的指標(biāo)是株高(最大相差30 cm)，其次是穗軸第一節(jié)間長、節(jié)間長，可能受2020年試驗區(qū)整體自然環(huán)境影響，春夏季降雨量較少、氣候干旱所致。

表4 59份老芒麥種質(zhì)資源數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

表5 59份老芒麥種質(zhì)資源聚類分析

*P≤0.05;**P≤0.01;***P≤0.001圖1 2019年59份老芒麥種質(zhì)資源表型性狀相關(guān)性矩陣圖Fig.1 Correlation matrix of phenotypic traits of 59 Elymus sibiricus germplasm resources in 2019

*P≤0.05;**P≤0.01;***P≤0.001圖2 2020年59份老芒麥種質(zhì)資源表型性狀相關(guān)性矩陣圖Fig.2 Correlation matrix of phenotypic traits of 59 Elymus sibiricus germplasm resources in 2020

2.4 隸屬函數(shù)分析

對59份老芒麥種質(zhì)資源所測指標(biāo)中可能影響產(chǎn)草量的株高、旗葉長、旗葉寬、葉長、葉寬、葉層高度、莖粗7個指標(biāo)用R1表示；和可能影響種子產(chǎn)量的穗長度、小花數(shù)、小穗數(shù)、外稃長、外稃寬、千粒重的6個指標(biāo)，用R2表示，分別進行隸屬函數(shù)分析(表6)。2019年R1、R2的平均隸屬函數(shù)分別為0.49和0.42，小于平均值的種質(zhì)在R1、R2中分別有30和32份；隸屬函數(shù)值較大的種質(zhì)材料，其綜合性狀較好。2020年R1、R2的平均隸屬函數(shù)分別為0.47和0.49，小于平均值的種質(zhì)，在R1、R2中分別有28和30份；2019年隸屬函數(shù)值R1大于0.55的有5份，2020年有6份，主要表現(xiàn)為植株較高、葉片較大。2019年R2大于0.55的有2份，2020 R2有14份，主要表現(xiàn)為植株穗部性狀優(yōu)良，種子產(chǎn)量高。

表6 59份老芒麥種質(zhì)資源平均隸屬函數(shù)評價

3 討 論

植物表型多樣性是由遺傳因子與環(huán)境因子共同作用的，反映了群體遺傳變異能力和植物對環(huán)境的適應(yīng)力，對表型性狀的研究可以從整體上了解研究對象的多樣性程度。對遺傳多樣性的研究，有助于了解物種內(nèi)部遺傳變異的大小和時空分布及其與環(huán)境的關(guān)系，有利于保護遺傳資源的多樣性[18,26]。本研究對59份老芒麥種質(zhì)材料兩年的34個表型性狀的遺傳多樣性(H′)進行分析，其中質(zhì)量性狀H′在群體間的變化范圍為0.00～1.07，數(shù)量性狀H′在群體間的變化范圍為整體為0.90～2.04，表明數(shù)量性狀比質(zhì)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)高，說明文中所選材料老芒麥的數(shù)量性狀比質(zhì)量性狀存在更大的變異，這與加依娜·吾永巴衣[27]在高粱遺傳多樣性分析中的結(jié)果一致。群體內(nèi)的變異系數(shù)范圍是2.69～31.64，變異主要來自于旗葉長>旗葉寬>穗柄長>小穗數(shù)；群體間的變異系數(shù)范圍是12.42～61.47，變異主要來自于旗葉寬>旗葉長>穗柄長>小穗寬>第一穎長>小穗長，可見59份材料中與牧草產(chǎn)量相關(guān)的形態(tài)指標(biāo)變異程度大于與種子產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)，這與白史且等[28]在青藏高原老芒麥野生種群生態(tài)特性與形態(tài)變異研究中的結(jié)果類似，均為葉部指標(biāo)變異大于穗部大于。其次群體間變異大于群體內(nèi)變異，即老芒麥在不同生境下的變異均大于各個群體內(nèi)部，變異主要來自于群體間，這與劉新亮[29]對老芒麥和垂穗披堿草的研究結(jié)果一致，與白史且[17]對老芒麥的研究結(jié)果較一致。大部分植物的群體差異來源于種群間的，這與外界環(huán)境差異有一定關(guān)系，一定程度上群體間存在差異比群體內(nèi)存在差異更有意義，因為群體間的變異是不同環(huán)境選擇的結(jié)果，能真正反映物種在地理、生殖隔離上的差異[30]。變異性越高，說明遺傳多樣性越高，則該種群對環(huán)境的適應(yīng)能力越強，越容易擴展其分布范圍和開拓新環(huán)境。大量實驗證明，生物居群中遺傳變異的大小與其進化速率成正比[31]。由此可知，本研究中的老芒麥植物對環(huán)境適應(yīng)能力強，如連續(xù)觀測幾年，有助于推測其進化潛力[33]。

地理位置(緯經(jīng)度、氣溫、降水、日照)是影響披堿草屬居群遺傳分化的最重要因素，其次是海拔[33]。德英與劉新亮等人的研究表明，表型性狀與種內(nèi)材料的聚類均受海拔和緯度的影響較大，并且也受其生境的影響[28，33-34]。綜合兩年各性狀與氣候因素的相關(guān)性研究結(jié)果顯示，老芒麥易受經(jīng)緯度影響的表型指標(biāo)為葉部長度，其與經(jīng)度呈一定正相關(guān)，與緯度呈一定負相關(guān)；葉部長度、外稃長與海拔、降水量呈一定負相關(guān)性，與年日照時數(shù)呈一定正相關(guān)性；穗柄長、穗軸第一節(jié)間長與海拔、年降水量呈一定正相關(guān)性，與年日照時數(shù)呈一定負相關(guān)。說明氣候因素對老芒麥生長過程有一定影響，且主要影響的性狀指標(biāo)為葉部長度、穗柄長、穗軸第一節(jié)間長、外稃長。說明植株的伸長生長指標(biāo)更容易受環(huán)境影響，隨著緯度、海拔、年降水量的增加或是經(jīng)度、年日照時數(shù)的減小，植株葉片、莖稈有變短的趨勢[35]；陳釗在海拔對披堿草屬植物形態(tài)可塑性的研究中表示，海拔與株高呈顯著負相關(guān)(P<0.05)[36]。本研究中只在第一年發(fā)現(xiàn)株高與緯度有低顯著負相關(guān)，再未發(fā)現(xiàn)株高與任何氣候因素呈某種明確的線性關(guān)系，而各氣候因素與旗葉長、葉長、穗柄長、穗軸第一節(jié)間長指標(biāo)有一定相關(guān)性，在植物表型相關(guān)性分析中可見，株高與穗柄長、穗軸第一節(jié)間長存在正相關(guān)關(guān)系，為何株高與各氣候因素沒有表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，這可能由于在2020年氣候相對干旱的因素下，植物株高對外界干旱缺水環(huán)境的響應(yīng)大于穗柄長和穗軸第一節(jié)間長。且陳釗的研究也表明，不同種質(zhì)披堿草屬的表型性狀對海拔的敏感程度不同[36]。則推斷不同種質(zhì)老芒麥植物的表型性狀對不同環(huán)境因子的敏感程度也不同。

4 結(jié) 論

本試驗通過對老芒麥數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)量性狀比質(zhì)量性狀存在更大的變異，這為挑選優(yōu)良株系奠定了基礎(chǔ)。老芒麥在不同生境下的各群體變異均大于各個群體內(nèi)部，影響變異程度的主要指標(biāo)是旗葉長寬、穗柄長。文中發(fā)現(xiàn)老芒麥葉部適應(yīng)環(huán)境的能力大于穗部，推測產(chǎn)草量指標(biāo)受環(huán)境影響程度小于種子產(chǎn)量指標(biāo)；葉部長度、穗柄長、穗軸第一節(jié)間長、外稃長這4個性狀在遺傳過程中受環(huán)境影響較大，其它所測的17個性狀在遺傳學(xué)意義上相對穩(wěn)定，即植株的伸長生長指標(biāo)更容易受環(huán)境影響，可為后續(xù)老芒麥在新環(huán)境中種植應(yīng)注重哪方面的問題提供一定參考。上述可知，外稃長也是受環(huán)境因子影響較大的一項指標(biāo)，而它作為披堿草屬植物傳統(tǒng)意義上的一項分類指標(biāo)是否可以一直被沿用，需要更多的實驗去論證。

試驗篩選出14份具有優(yōu)質(zhì)性狀的種質(zhì)材料，其中不同的種質(zhì)材料具有不同的優(yōu)良性狀，個別種質(zhì)材料同時具有多個優(yōu)良性狀，如43和46號種質(zhì)材料，在育種培育過程種應(yīng)著重考慮。同時，我們發(fā)現(xiàn)老芒麥性狀表現(xiàn)有很大差異，這為老芒麥種質(zhì)創(chuàng)新提供了材料基礎(chǔ)。

致 謝：感謝青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院的劉文輝老師，為本實驗提供的青海、西藏披堿草屬種質(zhì)資源，感謝新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)孟巖老師在種質(zhì)資源鑒定工作中提供技術(shù)指導(dǎo)。