披堿草屬8種野生牧草居群穗部形態(tài)多樣性

德英,穆懷彬,劉新亮,趙來喜,王照蘭

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.農(nóng)業(yè)部草原資源與生態(tài)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081）

披堿草屬（Elymus）是禾本科小麥族內(nèi)一個重要的屬,我國野生披堿草屬牧草種質(zhì)資源豐富,廣泛分布于各地,尤其西、北部地區(qū)是披堿草屬牧草的重要分布區(qū)和多樣性分化中心[1]。披堿草屬的多數(shù)物種為草原和草甸的重要組成成分,許多種類是優(yōu)良的牧草,飼用價值極高[2]。豐富的遺傳變異對于培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗的栽培牧草品種非常重要,野生牧草種質(zhì)是育種家改良現(xiàn)有牧草品種的二級基因庫,了解野生牧草種質(zhì)所蘊(yùn)涵的遺傳多樣性對于選育優(yōu)異品種和種質(zhì)資源保護(hù)具有重要意義[3]。

披堿草屬牧草作為麥類作物的近緣屬,是麥類作物遺傳改良的重要優(yōu)異基因來源,是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的牧草,也是重要固沙植物,具有重要的利用價值[3]。目前國內(nèi)外關(guān)于披堿草屬牧草的形態(tài)學(xué)性狀、染色體、RAPD及SSR標(biāo)記等手段研究披堿草屬牧草遺傳多樣性的較多,形態(tài)多樣性是檢測遺傳變異最傳統(tǒng)和常用的方法[4-9],但是在種類、分布上大范圍內(nèi)的研究較少。長期以來,種質(zhì)資源的分類、鑒定及育種材料的選擇通常都是依據(jù)表型性狀來進(jìn)行的,其中穗部性狀的變異是禾本科物種形態(tài)多樣性的主要表型性狀。披堿草屬牧草分布廣泛,種類繁多,廣義的披堿草屬包括近150個種,而在我國,則比較接受狹義披堿草屬的概念,即有12余種[10]。本研究對分布于我國的披堿草屬8種101個野生牧草居群的14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行評價,分析其表型多樣性,旨在為我國披堿草屬牧草種質(zhì)資源的保存利用、開發(fā)選育提供理論依據(jù),還為拓寬其品種遺傳基礎(chǔ),合理選擇親本及其繁育系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料試驗(yàn)材料全部為我國野生披堿草屬種質(zhì)材料（表1）,共8個種101個居群。其中垂穗披堿

草（Elymusnutans）29個居群,短芒披堿草（E.breviaristatus）4個居群,肥披堿草（E.excelsus）6個居群,黑紫披堿草（E.atratus）3個居群,老芒麥（E.sibiricus）24個居群,麥薲草（E.tangutorum）10個居群,披堿草（E.dahuricus）18個居群,圓柱披堿草（E.cylindricus）7個居群。

表1 供試材料名錄及居群多樣性指數(shù)

續(xù)表1

1.2 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地位于呼和浩特市西南約30余km的土默特左旗沙爾沁鄉(xiāng)“農(nóng)業(yè)部沙爾沁牧草資源重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站”,處在大青山及和林格爾丘陵之間的廣闊平原地區(qū),土壤以淡栗鈣土為主 ,海拔 1 055 m,40°36′N,111°45′E,為干旱、半干旱溫帶大陸性氣候,冬季長而寒冷,夏季短而炎熱,寒暑變化劇烈,降水量少,蒸發(fā)量大,氣候干燥,無霜期短。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計2009年4月15日,選用大田的土壤,過篩,去掉石塊、雜質(zhì),土∶腐熟羊糞的比例是5∶1,用育苗盤裝土,均勻的將種子撒在盤中,再輕輕的用土覆蓋,然后用噴頭澆透,置于溫室中。6月13日,單株移栽到試驗(yàn)地,采用隨機(jī)設(shè)計,各材料的小區(qū)面積為2 m×5 m。

1.4 田間調(diào)查2010年7-9月,在植株成熟期測定,包括穗長、穗寬、小穗長、小穗寬、小穗數(shù)、每穗軸小花數(shù)、第一外稃長、第一內(nèi)稃長、第一外稃芒長、第一穎長、第一穎芒長、第一穎寬、旗葉與穗基部長度、主穗軸第一節(jié)間長共計14項(xiàng)指標(biāo),其中旗葉與穗基部長度、主穗軸第一節(jié)間長用直尺測量,其余均用游標(biāo)卡尺測量,每個指標(biāo)均為10個重復(fù),具體測量方法參照《老芒麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 11.5軟件進(jìn)行多樣性指數(shù)計算、方差分析。多樣性指數(shù)的計算采用Shannon-weaver指數(shù)。

式中,Pi為某性狀第i個代碼值出現(xiàn)的概率[12]。數(shù)量性狀如穗長、穗寬、小穗長等進(jìn)行 10級分類,1級＜x-2s,10級≥x+2s,中間每級間差0.5s,s為標(biāo)準(zhǔn)差。

居群總多樣性指數(shù)為同一種所有居群一起計算得出的多樣性指數(shù)；居群平均多樣性指數(shù)為同一種不同居群多樣性指數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 披堿草屬8種牧草種質(zhì)資源的形態(tài)性狀變異分析以居群為單位,統(tǒng)計披堿草屬101個居群植株的14項(xiàng)穗部性狀,并按種進(jìn)行整體平均統(tǒng)計,計算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。結(jié)果表明,披堿草屬8種牧草種間存在差異（表2）。穗長平均值以肥披堿草最大；第二為披堿草、老芒麥及黑紫披堿草,這3種無顯著差異（P＞0.05）；第三是垂穗披堿草；第四為麥薲草和圓柱披堿草,二者間無顯著差異（P＞0.05）,短芒披堿草最小,其分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）。穗寬平均值肥披堿草最大,黑紫披堿草最小,分為4個顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗長平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗寬平均值肥披堿草最大,圓柱披堿草最小,分為4個顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗數(shù)平均值肥披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）；每穗軸小花數(shù)平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為4個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一外稃長平均值老芒麥最大,黑紫披堿草最小,分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一內(nèi)稃長平均值老芒麥最大,圓柱披堿草最小,分為4個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一外稃芒長平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為6個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎長平均值肥披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為6個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎芒長平均值老芒麥最大,黑紫披堿草最小,分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎寬平均值披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為3個顯著差異性組合（P＜0.05）；旗葉與穗基部長度平均值麥薲草最大,老芒麥最小,分為5個顯著差異性組合（P＜0.05）；主穗軸第一節(jié)間長平均值肥披堿草最大,圓柱披堿草最小,分為4個顯著差異性組合（P＜0.05）。

由此可知,8種披堿草屬牧草中,肥披堿草的14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀中有9個性狀（穗長、穗寬、小穗長、小穗寬、小穗數(shù)、每穗軸小花數(shù)、第一外稃芒長、第一穎長、主穗軸第一節(jié)間長）為最大值；黑紫披堿草的穗寬、第一外稃長、第一穎芒長3個性狀為最小值。

14項(xiàng)穗部性狀中（表3）,變異系數(shù)大小依次為第一穎芒長＞旗葉與穗基部長度＞第一穎長＞主穗軸第一節(jié)間長＞第一穎寬＞第一外稃芒長＞穗寬＞小穗數(shù)＞每穗軸小花數(shù)＞小穗寬＞穗長＞小穗長＞第一外稃長＞第一內(nèi)稃長。

2.2 披堿草屬8種牧草遺傳多樣性分析

2.2.1披堿草屬8種牧草野生居群總多樣性分析披堿草屬8種牧草居群總多樣性指數(shù)為垂穗披堿草＞老芒麥=披堿草＞麥薲草＞肥披堿草＞短芒披堿草＞圓柱披堿草＞黑紫披堿草；總平均多樣性指數(shù)為1.826（表4）。由此可見,垂穗披堿草、老芒麥、披堿草和麥薲草4種披堿草屬牧草的居群總多樣性較其他披堿草屬牧草豐富。

表3 14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀

表4 居群總多樣性指數(shù)

2.2.2披堿草屬8種牧草野生居群平均多樣性分析根據(jù)表1中各居群的多樣性指數(shù)計算披堿草平均多樣性指數(shù)。8種披堿草屬牧草居群平均多樣性指數(shù)為老芒麥＞肥披堿草＞垂穗披堿草＞披堿草＞黑紫披堿草＞短芒披堿草＞圓柱披堿草＞麥薲草；所有居群的平均多樣性指數(shù)為1.372（表5）。

由此可見,居群多樣性相對較高的有老芒麥、肥披堿草、垂穗披堿草和披堿草,說明這4種披堿草屬牧草居群存在較高的多樣性。

2.2.3披堿草屬8種牧草野生居群表型分化系數(shù)分析 8種披堿草屬牧草居群表型分化系數(shù)為麥薲草＞圓柱披堿草＞垂穗披堿草＞披堿草＞老芒麥＞肥披堿草＞短芒披堿草＞黑紫披堿草；平均表型分化系數(shù)為24.86%（表6）。由此可見,麥薲草、圓柱披堿草、垂穗披堿草、披堿草存在相對較高的表型分化,說明導(dǎo)致它們多樣性不僅是由于居群多樣性,而且居群間多樣性也起著相對較大的作用。

綜上可見,披堿草屬8種牧草的多樣性豐富是由居群和居群間多樣性引起的,不同物種其多樣性二者所占的比例各不相同。

表5 居群平均多樣性指數(shù)

表6 居群間多樣性與表型分化系數(shù)

3 討論

形態(tài)學(xué)標(biāo)記研究材料的外部形態(tài),受到基因和所處生態(tài)環(huán)境的共同影響,將所有的材料種植在同一環(huán)境下,減少環(huán)境對研究材料的影響,對材料間受基因控制的遺傳差異進(jìn)行研究。對處于不同生態(tài)環(huán)境下的同種材料的形態(tài)學(xué)研究,可以了解環(huán)境對基因表達(dá)的影響[13]。我國披堿草屬8種牧草101個野生居群的14項(xiàng)穗部性狀,其平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均存在較大的變異,且變異程度各不相同,說明我國8種披堿草屬牧草野生居群的各個穗部性狀均存在著較豐富的遺傳變異。14項(xiàng)穗部性狀中,第一外稃芒長和第一穎長都可分為6個顯著差異性的組合,說明這兩個性狀種間存在明顯的差異,可作為種的分類依據(jù)。8種披堿草屬牧草均在第一穎芒長和旗葉與穗基部長度這2個性狀上表現(xiàn)出較大變異,第一外稃長和第一內(nèi)稃長上表現(xiàn)出較小變異,說明這些性狀具有相對的穩(wěn)定性,用于物種的遺傳變異分析是有效的。從8種披堿草屬牧草居群的遺傳多樣性指數(shù)來看,披堿草屬牧草各居群存在豐富的遺傳多樣性,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于麥類作物（中國普通小麥（Triticum aestivum）的遺傳多樣性指數(shù)[14]。垂穗披堿草和老芒麥的居群總遺傳多樣性指數(shù)較高,黑紫披堿草的居群總遺傳多樣性指數(shù)最低,說明往往分布范圍廣的物種多樣性指數(shù)較高,這可能是由于生境廣,植物種類繁多,物種間競爭激烈,迫于環(huán)境的選擇壓力,使得該物種基因得以積累。披堿草屬牧草這種較高的遺傳變異及不同的表型分化系數(shù)主要有以下幾個方面的原因,首先,Hamrick和Godt[15]曾對涉及165個屬、449個種的不同類型植物的遺傳變異水平和居群分化程度進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果發(fā)現(xiàn)自花授粉植物51%的遺傳變異存在于居群間,異交風(fēng)媒植物只有9.9%的遺傳變異存在于居群間[16],所以從這個結(jié)論來看這8種披堿草屬牧草并不屬于嚴(yán)格意義上的自花授粉植物,可能進(jìn)行天然雜交,致使遺傳物質(zhì)重新組合；可能的種間交流也是增加遺傳多樣性的途徑之一（8種披堿草屬牧草種植于同一生境）。其次,遺傳變異程度與人工選育的選擇壓力有密切的關(guān)系,一般來講,天然居群其遺傳多樣性要高于栽培品種,本研究所用材料均取自天然居群,人為選擇程度小,所以仍保留了物種較高的基因多樣性。另外,從生物進(jìn)化論的觀點(diǎn)來看,任何物種都不是一成不變的,隨環(huán)境條件的變化而變化。我國北方地區(qū)常年干旱少雨,草原退化、草地荒漠化、沙化日益加劇,生態(tài)極其脆弱；土壤鹽堿化程度高,風(fēng)蝕水蝕相當(dāng)嚴(yán)重,多年來一直是國內(nèi)外重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)、治理的焦點(diǎn)。植物在這種惡劣生境條件下,以適應(yīng)生境壓力,進(jìn)化積累了較多的遺傳變異[17-18]。但是,生境的惡劣程度和人工選育的力度超出物種適應(yīng)的最大限度,那么必將導(dǎo)致該物種遺傳多樣性的喪失甚至滅絕。因此,對植物資源利用的同時更要注重其保護(hù)。

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