重慶武陵山區(qū)野生芒種質(zhì)資源表型變異研究

何 瑋，冉啟凡，徐遠(yuǎn)東，張 麗，范 彥*

(1. 重慶市畜牧科學(xué)院，重慶 400015；2. 重慶市草業(yè)工程技術(shù)研究中心，重慶 400015)

【研究意義】芒(MiscanthussinensisAndersson)，禾本科(Poaceae)芒屬(MiscanthusAndersson)多年生葦狀草本，稈高1～2 m。遍布于我國海拔1800 m以下的山地、丘陵和荒坡原野，也分布于朝鮮、日本[1]。芒的生態(tài)型較多，分布較廣，適應(yīng)各種逆境及邊際土地，地上部分冬季常枯萎，易于收割和儲運[2]。隨著社會對能源需求的不斷增加，尋找可再生的替代能源成為研究的焦點，而生物質(zhì)能有希望成為全球最有前景的可再生替代能源[3-4]。芒因具有生物量大、抗性強、高纖維素含量、低灰分等特點，而被人們廣泛關(guān)注，已被歐美國家列為具有開發(fā)潛力的高效能源植物。【前人研究進(jìn)展】近年來，國內(nèi)外對芒的研究主要集中在芒的地理分布[5-6]、抗旱性[7-8]、抗寒性[9]、重金屬耐性[10-12]、植物光合特性[13]、核型及細(xì)胞學(xué)分析[14-15]、遺傳多樣性及遺傳圖譜的構(gòu)建[16-19]方面。在芒的形態(tài)多樣性分析方面，盧玉飛[20]、黃紹英[21]、肖亮[22]、聶剛[23]和李強[24]對芒屬植物的花粉形態(tài)、種子表型、表型多樣性進(jìn)行了研究。表型性狀多樣性體現(xiàn)了遺傳的多樣性和環(huán)境的多樣性，而表型性狀變異是植物種群的人工馴化和良種選育的基礎(chǔ)，也是植物種質(zhì)資源收集、保存、評價和利用的依據(jù)[25]。武陵山區(qū)以武陵山脈為中心，平均海拔在1000 m左右，地形綿延起伏，地貌變化復(fù)雜，具有獨特的氣候特點[26]。劉琳[27]通過GIS技術(shù)定量分析重慶地區(qū)植被凈第一生產(chǎn)力(NPP)發(fā)現(xiàn)，渝東南翼(武陵山區(qū))的植被NPP最高，植被覆蓋好，表明該地區(qū)植被類型豐富?！颈狙芯壳腥朦c】本研究結(jié)合科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專項，以重慶武陵山區(qū)5個區(qū)縣的10個野生芒居群為研究對象，對野生芒的17個外部形態(tài)性狀進(jìn)行調(diào)查，通過各性狀在居群內(nèi)和居群間的多樣性差異分析來揭示重慶武陵山區(qū)野生芒資源的多樣性程度和分布規(guī)律，為芒種質(zhì)資源的開發(fā)利用和保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2018年10-11月，對重慶市武陵山區(qū)的江津區(qū)、南川區(qū)、石柱縣、酉陽縣、秀山縣野生芒的分布進(jìn)行考察。各個區(qū)(縣)隨機選擇有代表性的芒居群1～3個，居群間距離3 km以上。各居群地理位置和生境信息見表1。

1.2 試驗內(nèi)容與方法

表型性狀的測量標(biāo)準(zhǔn)參考《牧草種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，每個居群測定20株單株，居群內(nèi)單株間隔10 m以上。在植株開花期對材料的15個植株形態(tài)性狀進(jìn)行測定，包括分蘗數(shù)、葉片數(shù)、節(jié)數(shù)、基部莖粗、第一節(jié)間長、株高、葉片長、葉片寬、旗葉長、旗葉寬、花序長、第二外穎長、第二內(nèi)穎長、第二外稃長、基盤毛長，每個單株每項指標(biāo)重復(fù)測定3次取平均值。測定小穗性狀時，每株隨機選20個小穗測定，重復(fù)3次取平均值。隨后將材料帶回實驗室，測定產(chǎn)量性狀(單莖干重、花序干重)。測定結(jié)果列于表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SAS 9.2和Excel軟件進(jìn)行方差分析、多樣性指數(shù)分析、相關(guān)分析、聚類分析、主成分分析，揭示野生芒表型多樣性和變異程度。多樣性指數(shù)的計算采用Shannon-weaver信息指數(shù)，數(shù)量性狀按10級分類，1級

2 結(jié)果與分析

2.1 野生芒居群內(nèi)和居群間形態(tài)特征變異分析

10個芒天然居群性狀指標(biāo)的測量及單因素方差分析結(jié)果見表3，F(xiàn)檢驗表明，測定的17個數(shù)量及質(zhì)量性狀指標(biāo)在居群間的差異均不顯著(P>0.05)。通過F值比較，發(fā)現(xiàn)穗部性狀指標(biāo)第二內(nèi)穎長在17個性狀指標(biāo)中F值最大(1.12)，花序長F值最小(0.29)。

表1 觀測芒居群的地理位置信息

表2 野生芒資源測定項目及標(biāo)準(zhǔn)

對17個數(shù)量及質(zhì)量性狀指標(biāo)總的平均數(shù)、最大值、最小值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及多樣性指數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)居群間存在較大的差異(表4)。在各居群間，17個表型性狀的變異系數(shù)為11.723 %～73.507 %。其中，分蘗數(shù)變異幅度最大，極差為155，變異系數(shù)高達(dá)73.570 %，其次為花序干重，極差為9.65 g，變異系數(shù)為62.876 %。從多樣性指數(shù)看，各指標(biāo)從大到小的順序為：盤基毛長>第二內(nèi)穎長>第二外穎長>基部莖粗>第二外稃長>株高>花序長>葉片寬>葉片數(shù)>節(jié)數(shù)>旗葉長>旗葉寬>單莖干重>花序干重>分蘗數(shù)>第一節(jié)長。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，表型性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)在性狀上的表現(xiàn)是不一致的，如：盤基毛長的多樣性指數(shù)最高，但是變異系數(shù)卻較低。可見多樣性指數(shù)和變異系數(shù)兩個指標(biāo)反映遺傳變異的內(nèi)涵不同，多樣性指數(shù)反映的是某一性狀的不同表現(xiàn)等級和數(shù)量分布，即豐富度和均勻度，變異系數(shù)則反映的是某一性狀變異的范圍[30]。因此，它們在同一性狀上表現(xiàn)不一致，相同性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)差別較大。所以，可以用形態(tài)多樣性指數(shù)差異較大的性狀來評價資源的多樣性。

對居群內(nèi)的17項表型性狀多樣性指數(shù)統(tǒng)計分析結(jié)果表明(表5)，17項表型性狀在居群內(nèi)存在較大差異。居群間平均多樣性指數(shù)為1.677(表4)，居群內(nèi)平均多樣性指數(shù)為1.880(由表5計算出)，說明遺傳變異性主要體現(xiàn)在居群內(nèi)，這和17個表型性狀在居群間差異不顯著的結(jié)果相一致。

2.2 野生芒居群性狀的相關(guān)分析

對17個表型性狀和采集地海拔進(jìn)行相關(guān)分析(表6)。結(jié)果表明，野生芒居群表型性狀間存在明顯的相關(guān)性。海拔作為地理信息被引入相關(guān)性分析，結(jié)果可以看出，海拔與分蘗數(shù)、節(jié)數(shù)、葉片長、旗葉長、旗葉寬、花序長、第二外穎長、第二內(nèi)穎長、花序干重、單莖干重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與盤基毛長呈極顯著正相關(guān)，與第一節(jié)長呈顯著正相關(guān)。隨著海拔增加，溫度降低，影響單莖性狀的分蘗數(shù)、節(jié)數(shù)、葉片長變小，引起單莖干重下降，同時，旗葉長、旗葉寬、花序長、第二外穎成、第二內(nèi)穎長這些穗部性狀相關(guān)指標(biāo)也遞減，最終引起花序干重下降。

2.3 聚類分析

基于17個表型性狀數(shù)據(jù)對10個居群進(jìn)行的聚類分析結(jié)果表明(圖1)，在閾值5處可將10個野生芒居群劃分為3類：①CQ1、CQ2聚為一類，這2個居群位于江津區(qū)四面山、南川區(qū)金佛山低海拔地區(qū)，其主要特點為葉片數(shù)和節(jié)數(shù)較多，植株高大，第二外稃長，單莖干重和花序干重較重。②CQ6單獨聚為一類，位于酉陽清華林場自然保護區(qū)，植株特點為分蘗少，基部莖稈較細(xì)，植株矮小，花序干重和單莖干重較輕。③其余7個居群聚為一類，植株性狀居于前2個類群中間。

表3 芒各居群表型性狀指標(biāo)及F值

注：X1～X17性狀描述見表2。

Notes：x1-x17are shown in table 2.

表4 芒居群各性狀變異參數(shù)

注：*表示平均變異系數(shù)；**表示群體總多樣性指數(shù)；性狀指標(biāo)X1～X17同上。

Note：*indicates the average coefficient of variation; ** indicates the total population diversity index; Trait indicatorX1-X17is the same as above.

表5 野生芒居群內(nèi)表型性狀遺傳多樣性指數(shù)

表6 野生芒居群性狀的相關(guān)性分析

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

Notes：*show significance at the level of 0.05，** show significance at the level of 0.01.

圖1 芒居群各性狀聚類分析

2.4 主成分分析

對17項芒表型性狀的主成分分析結(jié)果表明，17項主成分中前7項的累積貢獻(xiàn)率為81.15 %，這7個主成分可代表原始因子所代表的信息。由表7可見，第一主成分貢獻(xiàn)率為32.17 %，單莖干重、基部莖粗和株高對它的作用很大，反映了植株株型的指標(biāo)特征；第二主成分貢獻(xiàn)率為14.51 %，第二外穎長、第二內(nèi)穎長和第二外稃長對它的作用很大，反映了小穗的指標(biāo)特征；第三主成分貢獻(xiàn)率為21.03 %，節(jié)數(shù)和葉片數(shù)對它的作用很大，反映了植株葉片數(shù)量的指標(biāo)特征；第四主成分貢獻(xiàn)率為7.49 %，旗葉長對它的作用很大；第五主成分貢獻(xiàn)率為5.59 %，旗葉寬和葉片寬對它的作用很大；第六主成分貢獻(xiàn)率為5.18 %，第一節(jié)長對它的作用很大；第七主成分貢獻(xiàn)率為4.18 %，分蘗數(shù)對它的作用很大。

3 討 論

3.1 重慶武陵山區(qū)野生芒表型變異的多樣性

表型性狀研究是植物遺傳多樣性研究中最基礎(chǔ)、最直觀的方法，可以從整體上了解研究對象的多樣性程度，挖掘更加廣泛的基因資源[31]。本研究以重慶武陵山區(qū)不同生境下采集的10個野生芒居群為材料，采用Shannon-weaver信息指數(shù)對居群的17個表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，得出群體間的平均多樣性指數(shù)為1.677，居群內(nèi)平均多樣性指數(shù)為1.880，因此，野生芒居群的遺傳變異主要體現(xiàn)在居群內(nèi)。居群內(nèi)的變異主要受遺傳作用，居群間的變異受遺傳和環(huán)境共同作用[32]。Hamrick和Godt等[29]對涉及165個屬、499個種的不同類型植物遺傳變異和居群分化程度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果發(fā)現(xiàn)異交風(fēng)媒植物只有9.9 %的遺傳變異存在于居群間。芒作為異花授粉、自交不親和植物[1]，其居群內(nèi)遺傳多樣性豐富，變異程度大，這與茶條槭[33]和野生玫瑰[34]等植物的表型多樣性研究結(jié)果相同。筆者在資源調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，同一居群內(nèi)存在個別植株內(nèi)稃有芒/無芒及盤基毛為黃色/紫色2種情況，因此，芒自身所具有的遺傳物質(zhì)差異和地理微環(huán)境差異導(dǎo)致了野生芒居群內(nèi)植株在形態(tài)特征方面產(chǎn)生了不同程度的變異，從而保持了居群內(nèi)的高度多樣性。

表7 野生芒17個性狀對前8個主成分的因子負(fù)荷矩陣

3.2 重慶武陵山區(qū)野生芒表型地理變異規(guī)律

植物形態(tài)變異或表型多樣性研究，往往采用對形態(tài)性狀與地理、生態(tài)因子進(jìn)行相關(guān)分析以獲取植物某些性狀與地理或生態(tài)因子之間的變化規(guī)律[23]。本文對野生芒17個表型性狀與海拔進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，分蘗數(shù)、節(jié)數(shù)、葉片長、旗葉長、旗葉寬、花序長、第二外穎長、第二內(nèi)穎長、花序干重、單莖干重與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)；隨著海拔升高，氣溫降低，紫外線照射增強，芒植株的分蘗數(shù)減少，節(jié)數(shù)變少，葉片、花序變短，最終導(dǎo)致了花序重量和單莖重量變輕。因此，海拔對芒植株的生物產(chǎn)量和生殖器官影響很大。

3.3 重慶武陵山區(qū)野生芒居群主成分分析和聚類分析

對芒居群的17個形態(tài)特征進(jìn)行主成分分析，得出前8個主成分累積貢獻(xiàn)率為85.06 %，代表了大部分信息，是主要因素。而聚類分析將10個芒居群分為3類，第一類共性為葉片數(shù)和節(jié)數(shù)較多，植株高大，生物產(chǎn)量高，可作為較好的生物能源資源；第二類是分蘗少，莖稈纖細(xì)，植株矮小，生物產(chǎn)量低的類型；第三類則是處于中間的類型，分布廣泛，適應(yīng)能力強，通過進(jìn)一步選育，可從中選育出適應(yīng)各種地域的材料。

3.4 重慶武陵山區(qū)芒野生資源的合理利用和保護策略

芒屬植物雖然在國際上被公認(rèn)為是具有開發(fā)潛力的能源植物，我國又是芒屬植物的分布中心，但是通過野生植物的普查及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在重慶西部農(nóng)業(yè)相對發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，很難發(fā)現(xiàn)大片的野生芒居群，而在渝東南翼的丘陵山地則有廣泛分布，項目組主要是在自然保護區(qū)或林場調(diào)查中才能發(fā)現(xiàn)野生芒居群分布，如在江津地區(qū)，只在四面山自然保護區(qū)才發(fā)現(xiàn)大量野生芒分布，南川區(qū)也只在金佛山自然保護區(qū)及其周邊發(fā)現(xiàn)有大量野生芒分布，因此，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展和人為破壞，野生芒屬植物的分布范圍會進(jìn)一步縮小。筆者建議，對野生芒資源的保護除了加強自然保護區(qū)野生植被保護力度，還應(yīng)該在資源收集上下功夫，盡可能多地收集野生芒居群，并且由于其遺傳多樣性集中在居群內(nèi)，應(yīng)盡量多采集單株，最大程度保證野生芒的多樣性。