褚章杉, 黃馨慧, 錢永強(qiáng)

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究所/國(guó)家林業(yè)和草原局草原研究中心, 北京 100091)

種子作為植物繁殖的器官和載體,是生物多樣性的基本組成部分,在生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位。同一物種內(nèi)部種子特征通常被認(rèn)為是相對(duì)穩(wěn)定的,但也有研究表明在種群間,甚至個(gè)體間,種子特征會(huì)有較大差異[1]。而種子的生物學(xué)特征往往會(huì)受到自然環(huán)境脅迫的影響,是植物長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境后進(jìn)化的產(chǎn)物,能夠反映其生存環(huán)境的變化[2],對(duì)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和種苗定植具有顯著的影響。在種子植物中禾本科類是最有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的大科之一,其覆蓋面積約占地球陸地面積的20%,其中許多禾草植物在草地和草原生態(tài)改良、人工草地建植以及城市綠地景觀建設(shè)中發(fā)揮了重要作用[3]。但目前國(guó)內(nèi)80%左右的禾草種子仍依靠國(guó)外進(jìn)口,對(duì)禾草種子資源的收集和研究亟需進(jìn)一步深入[4]。

野牛草(Buchloedactyloides)又名水牛草、牛毛草,為禾本科(Gramineae)野牛草屬(Buchloe)多年生低矮草本植物,原產(chǎn)于北美中部半干旱和亞熱帶地區(qū),是一種重要的經(jīng)濟(jì)草種[5]。作為牧草,野牛草具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和適口性;作為草坪草,野牛草抗逆性、適應(yīng)性強(qiáng),養(yǎng)護(hù)管理簡(jiǎn)單、需肥量少、用水率低,匍匐莖蔓延生長(zhǎng)旺盛,可快速形成密集草皮,如今廣泛應(yīng)用于城市綠地、護(hù)路護(hù)坡、生態(tài)修復(fù)等不同場(chǎng)景中[6-7],需求量逐年增加。然而隨著野牛草的不斷應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)其種子質(zhì)量不穩(wěn)定,優(yōu)良品種供應(yīng)量不能滿足需求;同時(shí)種子還表現(xiàn)出較強(qiáng)休眠性,自然萌發(fā)率較低,這嚴(yán)重影響了野牛草的播種育苗以及良好草坪的建植,限制了自身生產(chǎn)和應(yīng)用。

草種質(zhì)資源是決定草坪建植質(zhì)量的關(guān)鍵因素,種子質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響其應(yīng)用效果,因此篩選優(yōu)良種質(zhì)成為培養(yǎng)良種的重要環(huán)節(jié)[8]。進(jìn)行種子生物學(xué)特性的評(píng)價(jià),不僅是鑒定野牛草種質(zhì)資源的基礎(chǔ),也是分析了解其種質(zhì)遺傳多樣性的重要手段,對(duì)篩選出適應(yīng)我國(guó)環(huán)境特點(diǎn)的種質(zhì)資源具有重要意義。基于此,本研究以大田中50份野牛草野生種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料,觀察測(cè)量種子性狀的多樣性,比較分析不同種質(zhì)資源間形態(tài)特征、質(zhì)量特征以及萌發(fā)特性的變異程度,并依據(jù)不同性狀指標(biāo)進(jìn)行劃分,篩選性狀表現(xiàn)優(yōu)良的野牛草種質(zhì)為優(yōu)良品種和新品種的選育提供基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于山東省莒縣野牛草種質(zhì)資源圃(118 °35 ′E～119 °06 ′E,35 °19 ′N～36 °02 ′N),平均海拔為147 m,屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候,年均氣溫為12.1℃,年均降水量為837.5 mm,土壤以褐土為主。試驗(yàn)材料是于2022年7月份對(duì)野牛草不同種質(zhì)資源進(jìn)行田間調(diào)查后采集的,總共收集了50份成熟的野牛草種子材料,具體采集信息如表1所示。采集后所有野牛草種子置于室外進(jìn)行晾曬干燥,清選去除雜質(zhì)后裝入網(wǎng)袋于室溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 供試野牛草種子材料的采集信息Table 1 Seed sampling information of Buchloe dactyloides germplasm resources

1.2 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1種子形態(tài)特征的觀測(cè) 采用4分法分別選取野牛草不同種質(zhì)資源的種子,目測(cè)觀察種球和穎果的外觀形狀、表面顏色、質(zhì)感及解剖結(jié)構(gòu),并以種子上下兩端縱軸間距為長(zhǎng)度;垂直縱軸的最大橫斷面直徑為寬度;種子平放時(shí)上下腹面間距離為厚度[9],使用精度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺對(duì)種球長(zhǎng)寬厚、種球長(zhǎng)寬比、穎果長(zhǎng)寬厚和穎果長(zhǎng)寬比進(jìn)行測(cè)量。

1.2.2穎苞占比和飽滿度的測(cè)定 穎苞占比和飽滿度采用直觀統(tǒng)計(jì)法測(cè)定[10]。分別選取不同種質(zhì)資源各30粒種球,設(shè)置3次重復(fù),稱量種球重量后人工剝除外部穎苞結(jié)構(gòu),再稱量穎苞的總重量,同時(shí)記錄每個(gè)種球內(nèi)飽滿和敗壞的穎果數(shù),按照公式計(jì)算穎苞占比和飽滿度。

1.2.3種子千粒重和生活力的測(cè)定 千粒重采用百粒重法測(cè)定。各種質(zhì)資源每次隨機(jī)選取100粒種球和穎果,分別用電子分析天平稱量重量,每個(gè)種質(zhì)重復(fù)測(cè)定3次,百粒重平均值乘以10即為千粒重。

生活力采用TTC(2,3,5-氯化三苯基四氮唑)染色法測(cè)定。分別取不同種質(zhì)資源的穎果各3份,每份100粒,蒸餾水浸泡吸脹后,用刀片沿縱軸進(jìn)行縱切,取一半放入培養(yǎng)皿中加入1.0%TTC溶液。培養(yǎng)皿放入25℃恒溫箱內(nèi)避光染色24 h后取出,自來(lái)水淋洗2～3次,吸干表面水分,觀察種胚染色情況。種胚完全著色的是有生活力種子,種胚完全不著色或著色淺、著色面積不超過(guò)總面積1/3的為無(wú)活力種子[11]。

1.2.4種子萌發(fā)特性的測(cè)定 常規(guī)種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。將采集的各種質(zhì)資源于8月初在中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院溫室內(nèi)進(jìn)行播種萌發(fā)。播種基質(zhì)為草炭土∶珍珠巖=9∶1(V∶V),與清水混勻后裝入50孔規(guī)格的黑色育苗穴盤內(nèi)。各種質(zhì)隨機(jī)選取100 粒種球,3次重復(fù),用流水浸種48 h后播種到穴盤中。試驗(yàn)期間保持充分供水,以種子拱出土面5 mm為萌發(fā),觀測(cè)統(tǒng)計(jì)種子初始出苗日期、總出苗天數(shù)、出苗持續(xù)天數(shù)、出苗數(shù)。當(dāng)連續(xù)5 d出土幼苗數(shù)不超過(guò)供試種子粒數(shù)1%時(shí)視為萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束,計(jì)算種子出苗率。

穎苞對(duì)種子萌發(fā)的影響。以高出苗率種質(zhì)OJS-1的種子為試驗(yàn)材料,隨后將種子分為兩組,一組完整種子不做任何處理;一組用蒸餾水浸泡使其吸脹后,利用解剖刀從種球基部處切斷,再利用鑷子夾住穎果將其從穎中脫離,最后搓掉稃片得到去穎苞的穎果。

不同溶液處理對(duì)種子萌發(fā)的影響。以高出苗率種質(zhì)OJS-1的種子為試驗(yàn)材料,用蒸餾水、0.5%KNO3和GA3三種溶液作為引發(fā)劑浸種24 h。具體處理包括:蒸餾水浸種;0.5%KNO3浸種;去穎+蒸餾水浸種;去穎+0.5%KNO3浸種;去穎+1 000 mg·L-1GA3;去穎+1 500 mg·L-1GA3;去穎+2 000 mg·L-1GA3,分別以完整種球和去穎穎果為對(duì)照。

將以上處理后的種子均勻播入鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿,在培養(yǎng)條件為光照10 h/30℃、黑暗14 h/20℃;濕度40%～60%的人工氣候箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[12],每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)25 粒種子。以胚根突破種皮作為判斷發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),每天記錄正常發(fā)芽種子數(shù),當(dāng)連續(xù)3 d無(wú)種子發(fā)芽時(shí)萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束,按照公式計(jì)算萌發(fā)指標(biāo),具體計(jì)算方法如下:

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2 結(jié)果與分析

2.1 野牛草不同種質(zhì)種子形態(tài)特征的分析

野牛草的種球是由花序發(fā)育而成的連種性繁殖單位,顏色呈黃褐色,表面光滑、質(zhì)地堅(jiān)硬,主體呈圓球形至卵圓形,中間寬兩端漸窄,頂端呈毛刺狀或芒刺狀(圖1A)。種球包含穎片、內(nèi)外稃片和穎果三部分,穎片呈匙狀披針形,多個(gè)穎片基部合生在最寬處彼此結(jié)合,包裹著2～5粒穎果,形成種球的所有穎片統(tǒng)稱為穎苞。野牛草的穎果顏色呈紅褐色,主體呈半卵圓形,背面拱形、腹面扁平,頂部突起、底部有蒂(圖1B)。穎果由種皮、種胚和胚乳三部分組成,種皮表面光亮平滑,緊貼胚乳;胚乳豐富,胚和胚乳呈乳白色。

圖1 野牛草種子的形態(tài)特征Fig.1 The morphological characteristics of Buchloe dactyloides seeds注:圖A,B分別為野牛草種球和穎果的形態(tài)結(jié)構(gòu)Note:Panel A and B displayed the morphological structure of seedball and caryopsis,respectively

如圖2所示,野牛草不同種質(zhì)種球長(zhǎng)度在4.07～7.49 mm間變化,平均5.66 mm,其中43-3D最長(zhǎng)為6.50 mm,7-2A最短為4.54 mm,前者是后者的1.43倍。種球?qū)挾?.27～6.15 mm間變化,平均4.49 mm,其中2A最寬為5.39 mm,60-3最窄為3.71 mm,兩者相差0.45倍。種球厚度在1.73～4.34 mm間變化,平均2.85 mm,其中38-2A最厚為3.49 mm,45-1D最薄為2.18 mm,前者是后者的1.60倍。種球長(zhǎng)寬比在0.80～2.05間變化,平均為1.27,其中8-4B種球長(zhǎng)寬比最大為1.49,表明其種球比較狹長(zhǎng),近長(zhǎng)圓柱形;2A種球長(zhǎng)寬比最小為1.07,表明其種球近似圓球形。

如圖3所示,野牛草不同種質(zhì)穎果長(zhǎng)度在0.92～2.68 mm間變化,平均2.16 mm,其中11-5長(zhǎng)度最長(zhǎng)為2.38 mm,HC-14長(zhǎng)度最短為1.86 mm。穎果寬度變化幅度在1.02～1.79 mm之間,平均1.45 mm,其中42-4寬度最寬為1.69 mm,33-3B和OJS-1寬度最窄為1.24 mm。穎果厚度變化幅度在0.65～1.92 mm間,平均0.89 mm,其中69-5厚度最大為1.01 mm,8-4B,29-2A和34-2A厚度最小為0.79 mm。穎果長(zhǎng)寬比的變化范圍為0.71～2.18,平均1.51,其中穎果長(zhǎng)寬比最大的種質(zhì)是29-2A;最小的種質(zhì)是42-4。

圖3 野牛草不同種質(zhì)資源穎果的形態(tài)大小Fig.3 Morphological size of the caryopsis of different germplasm resources of B. dactyloide

2.2 野牛草不同種質(zhì)種子質(zhì)量特征的分析

如圖4所示,野牛草不同種質(zhì)的穎苞占比在52.92%～85.21%范圍內(nèi),平均占比為71.26%,其中種質(zhì)W的穎苞占比最大,高達(dá)83.44%;種質(zhì)67-6A的穎苞占比最小為54.60%。野牛草不同種質(zhì)種球內(nèi)穎果的含量在2～5粒之間,其中成熟飽滿的穎果平均占比80.57%,種質(zhì)OJS-1飽滿度最大為100%;而種質(zhì)W飽滿度最小為65.93%。

種子千粒重指在自然干燥狀態(tài)下一千粒種子的重量,是檢驗(yàn)種子大小、飽滿程度及營(yíng)養(yǎng)成分的重要指標(biāo)[13]。由圖5可知,野牛草種球千粒重為20.293 g,穎果千粒重為1.940 g,其中OJS-1種球重量最輕為11.507 g,是平均值的0.57倍;38-2A種球重量最重為28.039 g,是平均值的1.38倍;45-1D穎果重量最輕為1.438 g;11-5穎果重量最重為2.467 g。

圖5 野牛草不同種質(zhì)資源種子的千粒重Fig.5 Thousand-grain weight of the seeds of different germplasm resources of B. dactyloide

種子生活力是指種胚的生命力,與種子后期發(fā)芽能力有很大聯(lián)系,是種子品質(zhì)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[14]。TTC染色結(jié)果顯示(圖6),野牛草不同種質(zhì)種子的平均生活力能達(dá)到89.52%,變化范圍在82%～100%之間,其中種質(zhì)11-5,33-3B和OJS-1生活力最強(qiáng)為99.33%;種質(zhì)W生活力最低為82.67%,表明當(dāng)年采收的成熟野牛草種子本身生活力較高,具有較強(qiáng)的萌發(fā)潛力。

2.3 野牛草不同種質(zhì)種子形態(tài)及質(zhì)量指標(biāo)的差異分析

由表2可知,野牛草不同種質(zhì)種子的形態(tài)和質(zhì)量指標(biāo)均存在顯著差異(P<0.05),表明野牛草種子各性狀在不同種質(zhì)資源間存在明顯分化,變異較為豐富。其中野牛草種子形態(tài)指標(biāo)的平均分化系數(shù)為10.74%,變異系數(shù)由大到小依次為:種球厚度>種球長(zhǎng)寬比>穎果長(zhǎng)寬比>種球?qū)挾?穎果厚度>種球長(zhǎng)度>穎果寬度>穎果長(zhǎng)度,總體來(lái)看穎果相應(yīng)指標(biāo)的變異系數(shù)小于種球,說(shuō)明種球形態(tài)大小的變異豐富度高于穎果。野牛草種子質(zhì)量指標(biāo)的平均分化系數(shù)為10.28%,其中種球和穎果的千粒重分化程度最高,變異系數(shù)分別達(dá)到了19.22%和13.40%;而種子飽滿度和生活力的變異相對(duì)較為穩(wěn)定,變異系數(shù)僅為3.91%和5.22%。

2.4 野牛草不同種質(zhì)種子萌發(fā)特性的分析

2.4.1種子初始萌發(fā)特性 對(duì)50份野牛草種質(zhì)資源種子的萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(見表3),結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同種質(zhì)種子的萌發(fā)特性存在較大差異。野牛草各種質(zhì)在播種后3～26 d內(nèi)陸續(xù)出苗,其中種質(zhì)BISON-A萌動(dòng)最快,于播種第3 d開始出苗;而種質(zhì)W出苗最慢,播種第21 d才開始出苗。種子總出苗時(shí)間平均25 d,變化幅度在0～38 d之間;出苗持續(xù)天數(shù)平均18 d,變化幅度在0～34 d之間,其中種質(zhì)W持續(xù)出苗時(shí)間最短,從出苗到停止出苗僅歷時(shí)2 d;種質(zhì)34-2A持續(xù)出苗時(shí)間最長(zhǎng),出苗整齊,歷時(shí)30 d才停止出苗。隨著萌發(fā)時(shí)間的增長(zhǎng),野牛草各種質(zhì)種子出苗率均呈增加趨勢(shì),平均出苗率為6.77%,變異范圍在0%～38%之間,其中僅有種質(zhì)OJS-1出苗率(31.00%)超過(guò)20%,由此表明當(dāng)年采收的野牛草種質(zhì)資源成熟種球的出苗率比較低,存在明顯休眠現(xiàn)象。

2.4.2穎苞對(duì)種子萌發(fā)指標(biāo)的影響 如表4所示,帶穎種球與去穎穎果的萌發(fā)指標(biāo)存在顯著差異(P<0.05)。帶穎種球的發(fā)芽進(jìn)程緩慢,第5 d才開始萌動(dòng),發(fā)芽勢(shì)為0,萌發(fā)結(jié)束時(shí)的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)分別為5.33%和0.37;剝除穎苞后的穎果發(fā)芽速度明顯增快,萌發(fā)第1 d開始破皮露白,第2 d種胚伸長(zhǎng),第3 d達(dá)到日萌發(fā)高峰期,發(fā)芽勢(shì)為22.67%,萌發(fā)結(jié)束時(shí)的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)分別為38.67%和9.57,與帶穎苞種球組相比分別提高了6.25倍和24.86倍。由此推測(cè),穎苞結(jié)構(gòu)對(duì)野牛草萌動(dòng)種子萌發(fā)產(chǎn)生一定的束縛作用,剝除穎苞后可以明顯促進(jìn)種子萌發(fā)。

表4 穎苞對(duì)野牛草種子萌發(fā)指標(biāo)的影響Table 4 Effect of glume on seed germination of buffalograss

2.4.3不同溶液處理對(duì)種子萌發(fā)指標(biāo)的影響 如圖7所示,不同溶液處理對(duì)野牛草種子的發(fā)芽勢(shì)影響各不相同。與完整種球相比,0.5%KNO3浸種處理可以顯著促進(jìn)種子發(fā)芽勢(shì)(P<0.05),而蒸餾水浸種未引起種子發(fā)芽勢(shì)的顯著提高。與去穎苞的穎果相比,三種溶液浸種處理均能引起種子發(fā)芽勢(shì)的顯著提高(P<0.05),其中蒸餾水和0.5%KNO3兩種溶液的引發(fā)效果相同,兩個(gè)處理間無(wú)顯著差異,處理后種子平均發(fā)芽勢(shì)分別為30.67%和33.33%;不同濃度的GA3溶液處理對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)的促進(jìn)作用更加突出,隨著處理濃度的增加,發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),并在1 500 mg·L-1處理時(shí)達(dá)到最大,從去穎苞的穎果的22.67%增加到82.67%(P<0.05)。

圖7 不同溶液處理對(duì)野牛草種子發(fā)芽勢(shì)的影響Fig.7 Effects of different solution treatments on germination potential of buffalograss seeds注:T1,完整種球;T2,完整種球+蒸餾水浸種;T3,完整種球+0.5%KNO3;T4,去穎;T5,去穎+蒸餾水;T6,去穎+0.5%KNO3;T7,去穎+1 000 mg·L-1GA3;T8,去穎+1 500 mg·L-1GA3;T9,去穎+2 000 mg·L-1GA3。小寫字母表示不同處理間的顯著水平(P<0.05),下同Note:T1,Whole seedball;T2,Whole seedball soaked into distilled water;T3,Whole seedball soaked into 0.5% KNO3;T4,Mechanical glume removal;T5,Caryopsis soaked into distilled water;T6,Caryopsis soaked into 0.5% KNO3;T7,Caryopsis soaked into 1 000 mg·L-1GA3;T8,Caryopsis soaked into 1 500 mg·L-1GA3;T9,Caryopsis soaked into 2 000 mg·L-1GA3. Different lowercase letters indicate a significant level of difference between treatments (P<0.05),the same as below

通過(guò)比較可知,不同溶液處理對(duì)野牛草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)作用具有一致性(圖8,圖9)。蒸餾水和0.5%KNO3浸種,完整種球和去穎穎果兩類種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均顯著升高(P<0.05),而對(duì)于同一類種子來(lái)說(shuō)蒸餾水處理和0.5%KNO3處理相比效果無(wú)顯著差異。GA3溶液浸種,去穎穎果的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均隨GA3濃度的增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),2 000 mg·L-1處理使發(fā)芽率從去穎穎果(CK)的46.67%增加到94.67%,增加到最高,較CK和1 000 mg·L-1GA3顯著升高(P<0.05),發(fā)芽指數(shù)同樣較其它處理也最高,從CK的9.57增加到28.38,但與1 500 mg·L-1GA3處理間無(wú)顯著差異。

圖8 不同溶液處理對(duì)野牛草種子發(fā)芽率的影響Fig.8 Effects of different solution treatments on germination rate of buffalograss seeds

圖9 不同溶液處理對(duì)野牛草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.9 Effects of different solution treatments on germination index of buffalograss seeds

2.5 野牛草種子性狀指標(biāo)的相關(guān)性分析

如表5所示為50份野牛草種質(zhì)資源種子生物學(xué)性狀間的Pearson Correlation相關(guān)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)野牛草種子各性狀間存在廣泛的相關(guān)性。在形態(tài)指標(biāo)中,種球長(zhǎng)度、寬度和厚度間存在極顯著正相關(guān)(P<0.01),種球長(zhǎng)寬比與寬度、厚度存在極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.72和-0.52,說(shuō)明種球的形狀大小主要取決于其寬度和厚度;穎果寬度與厚度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.69,穎果長(zhǎng)寬比與長(zhǎng)度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為0.53,與寬度和厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.72和-0.48,說(shuō)明穎果長(zhǎng)度越長(zhǎng)其形狀越接近于長(zhǎng)卵形;穎果寬厚度越大其形狀越接近于圓球形。

表5 野牛草種子生物學(xué)性狀的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of biological characters of buffalograss seeds

在質(zhì)量指標(biāo)中,穎苞占比與種球千粒重呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與穎果千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明穎苞是種球組成的主要部分,其重量決定了種球總重量;穎果千粒重與飽滿度、生活力呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),說(shuō)明穎果大小是決定種子質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵;種子形態(tài)質(zhì)量指標(biāo)與發(fā)芽能力也存在緊密聯(lián)系,其中出苗率與穎果長(zhǎng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與穎果千粒重、飽滿度、生活力呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與穎苞占比呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01),表明穎果質(zhì)量是保障種子發(fā)芽能力的關(guān)鍵,而穎苞是阻礙種子發(fā)芽的重要因素。

2.6 野牛草不同種質(zhì)資源的聚類分析

依據(jù)8個(gè)種子形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行聚類,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在歐氏距離為18時(shí),50份野牛草種質(zhì)資源被劃分為3個(gè)類群(圖10A)。第I類包括11-5,2-2B,2A,38-2A,W等11份種質(zhì),占比22%,該類群的種球長(zhǎng)(6.01 mm)、寬(5.03 mm)、厚(3.20 mm)均最大;種球長(zhǎng)寬比最小為1.21,表明其種球大小最大,形狀偏圓接近于圓球形。第II類包括5份種質(zhì)材料,分別為7-2A,48-5,45-1D,60-3和29-2A,占比10%,該類群的種球和穎果長(zhǎng)、寬、厚均處于中間水平,形狀偏長(zhǎng)圓柱形。第III類包括46-2B,HC-15,33-2A,70-3A,BISON-A,47-1B等34份種質(zhì),占比69%,其穎果寬(1.46 mm)、厚(0.90 mm)最大,表明其穎果最大;穎果長(zhǎng)寬比最小為1.49,表明其穎果形狀偏長(zhǎng)橢圓形。

圖10 50份野牛草種質(zhì)資源的聚類分析Fig.10 Cluster analysis of 50 buffalograss germplasm resources注:A圖為依據(jù)野牛草種子形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行的聚類分析;圖B依據(jù)野牛草種子質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行的聚類分析Note:Panel A displays the clustering based on seed morphological indexes;Panel B the clustering based on seed quality indicators

依據(jù)5個(gè)種子質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行聚類,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在歐氏距離為12.5時(shí),50份野牛草種質(zhì)資源被劃分為3個(gè)類群(圖10B)。第I類群包括30-3A,73-4A,29-2A,67-6A,BISON-A,33-3B和OJS-1總共7份材料,該類群的種球千粒重最低為16.02 g,穎苞占比最低為59.32%;飽滿度最高為94.14%,生活力最強(qiáng)為96.95%。第II類群包括33-2A,11-5,34-2A,40-1B,42-4等總共37份材料,該類群的種球千粒重最大為21.21 g;種子比較飽滿,飽滿度為83.91%;生活力也比較強(qiáng)為88.90%。第III類群包括68-3B,W,8-4B,37-7B,65-3B和63-5B總共6份種質(zhì),該類群的種球千粒重為19.64 g,穎苞占比最高為77.99%;種子飽滿度和生活力最低分別為69.30%和84.67%。

3 討論

種子作為植物遺傳信息的保存者與傳遞者,其生物學(xué)特性是為保證物種繁衍在環(huán)境變化過(guò)程中形成的一種適應(yīng)性性狀,受到遺傳因素和環(huán)境因素共同的調(diào)控,是培育優(yōu)良品種的重要基礎(chǔ)[15]。本研究中野牛草不同種質(zhì)資源在相同管理?xiàng)l件下生長(zhǎng),研究其生物學(xué)特性可以深入了解野牛草種子的遺傳多樣性,對(duì)種質(zhì)資源的鑒定、收集、創(chuàng)新以及良種繁育具有重要意義[16]。

變異系數(shù)主要反映生物學(xué)性狀的變異程度,變異系數(shù)值越大,其性狀在種質(zhì)間的差異越大,對(duì)種質(zhì)創(chuàng)新的貢獻(xiàn)率越高[17]。本研究結(jié)果表明,野牛草種子的形態(tài)結(jié)構(gòu)特異,是由聚合生長(zhǎng)的穎片組成的球狀穎苞結(jié)構(gòu),保護(hù)了種子活力長(zhǎng)期存在,使物種得以延續(xù);野牛草種子形態(tài)大小和質(zhì)量指標(biāo)在不同種質(zhì)間均存在明顯差異,其中種球?qū)捄?、種球長(zhǎng)寬比、穎果長(zhǎng)寬比、種子千粒重在各種質(zhì)中差異較大,變異系數(shù)均高于11%,說(shuō)明這些性狀具有較豐富的遺傳多樣性,蘊(yùn)藏著較大的篩選潛力[18];而種子飽滿度、生活力在種質(zhì)遺傳過(guò)程中變異穩(wěn)定,變異系數(shù)低于6%,難以通過(guò)選育的方法進(jìn)行改良。

聚類分析是將類似對(duì)象組成不同類別的分析過(guò)程,可以反映各類群的特點(diǎn)及種質(zhì)間的遺傳差異,是植物選育的重要方法之一[19]。本研究根據(jù)形態(tài)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行聚類,篩選出第I類群11份種球個(gè)頭最大,形狀近于圓球形種質(zhì),以及第III類群34份穎果最大,形狀偏長(zhǎng)橢圓形種質(zhì);根據(jù)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行聚類,篩選出第I類群7份飽滿度高、生活力強(qiáng)等性狀表現(xiàn)優(yōu)良的種質(zhì),為優(yōu)良育種親本或栽培材料的選擇提供參考。

種子萌發(fā)是植物實(shí)現(xiàn)物種更新和延續(xù)的關(guān)鍵,而種子生活力是種子萌發(fā)的生理基礎(chǔ),具有活力的種子才有發(fā)芽潛力[20]。本研究通過(guò)TTC染色檢測(cè)發(fā)現(xiàn),野牛草不同種質(zhì)種子本身均有較高生活力,且生活力與出苗率呈極顯著正相關(guān),表明生活力越強(qiáng),發(fā)芽潛能越大,播種效果越好。但有活力的種子不一定都能萌發(fā),若在適宜環(huán)境條件下不能正常萌發(fā)說(shuō)明該種子處于休眠狀態(tài)[21]。因此種子萌發(fā)指標(biāo)可以衡量種子的休眠特性,通常休眠性弱的種子在收獲后短時(shí)間內(nèi)便能萌發(fā),而休眠性強(qiáng)的種子未經(jīng)處理萌發(fā)率低、出苗晚[22]。本研究供試野牛草不同種質(zhì)種子萌發(fā)指標(biāo)差異顯著,平均萌發(fā)周期長(zhǎng),而萌發(fā)持續(xù)期短,平均8 d左右開始出苗,且出苗不整齊,自然出苗率小于10%,明顯小于自身生活力,說(shuō)明當(dāng)年采收的野牛草不同種質(zhì)種子本身存在不同程度的休眠特性。

種子休眠在植物中普遍存在,是植物長(zhǎng)期保存其較強(qiáng)活力,抵抗環(huán)境及季節(jié)變化的適應(yīng)性機(jī)制,對(duì)于物種的延續(xù)繁衍具有普遍生態(tài)學(xué)意義[23]。種子休眠是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象,造成休眠的原因有很多,因此不同植物其休眠特性也不盡相同,Nikolaeva根據(jù)誘發(fā)休眠部位不同,建立了以外源休眠、內(nèi)源休眠和組合休眠為主的綜合分類系統(tǒng)[24]。本研究中帶穎苞種球和去穎苞穎果的萌發(fā)指標(biāo)存在明顯差異,剝除穎苞結(jié)構(gòu)可以顯著促進(jìn)種子萌發(fā),解除部分種子的休眠,表明穎苞結(jié)構(gòu)是抑制野牛草種子萌發(fā)的外源因素,但不是種子產(chǎn)生休眠的唯一因素,內(nèi)部還存在其它因素影響種子萌發(fā),該結(jié)果同李德穎等[25-26]研究一致。不同溶液處理穎果研究表明,與蒸餾水和0.5%KNO3浸種相比,經(jīng)過(guò)GA3引發(fā)野牛草種子萌發(fā)的效果更顯著,尤其以2 000 mg·L-1濃度為最佳,種子休眠基本上完全解除,說(shuō)明種子內(nèi)部萌發(fā)抑制物在GA3處理下進(jìn)行了轉(zhuǎn)化從而休眠解除,但種子休眠與萌發(fā)的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

本研究中的50份野牛草種質(zhì)資源種子的生物學(xué)特性具有豐富的變異,形態(tài)特征和質(zhì)量特性之間具有廣泛相關(guān)性。其中,基于質(zhì)量指標(biāo)聚類篩選出7份性狀表現(xiàn)優(yōu)良的種質(zhì)資源,可為新品種的培育提供材料。當(dāng)年采收的野牛草各種質(zhì)資源種子本身具有較高生活力,但自然萌發(fā)率低,存在不同程度的休眠特性。剝除穎苞結(jié)構(gòu)是打破野牛草種子休眠的前提,但穎苞不是抑制種子萌發(fā)的唯一因素,去穎苞的穎果還需引發(fā)劑才能大幅度促進(jìn)種子萌發(fā),其中剝除穎苞結(jié)合GA3引發(fā)的破眠效果最好,且以2 000 mg·L-1的GA3濃度為最佳,種子子休眠基本可以完全解除。