川西北高原不同海拔高度披堿草(Elymus dahuricus)的表型性狀分析

楊財容，魏小萱，梁福軒，劉松青，葉美金, 2，張海琴

(1.成都師范學院 化學與生命科學學院，四川 成都 611130；2. 四川農業(yè)大學 小麥研究所，四川 成都611130)

川西北草原地處青藏高原東南部，在四川省的西北部，草原面積遼闊，是全國重要的牧區(qū)之一。披堿草(Elymusdahuricus)屬于小麥族(Triticeae)披堿草屬(ElymusL.)物種，其稈疏從，直立，高70 ～ 140 cm，基部膝曲，葉鞘光滑無毛，葉片呈扁平狀，穗狀花序直立，外稃呈披針形，在野外的山坡草地或路邊比較常見。披堿草性耐寒、耐旱、耐堿、耐風沙，在國內多個牧場試驗站已經進行栽培，是一種優(yōu)質高產的飼草，分布于我國青海、陜西、新疆、四川、西藏、華北等地[1]。披堿草屬從林奈1753年建立起，諸多的科研人員在形態(tài)學、細胞學、系統(tǒng)分類學、細胞遺傳學等方面著手于披堿草屬植物的相關研究，為其分類、育種、種質資源利用奠定了良好的基礎。

表型性狀是遺傳多樣性和環(huán)境多樣性綜合作用的結果，在種質資源研究中表型性狀的研究占據(jù)著重要的部分，同時在遺傳多樣性研究中同樣重要。披堿草表型性狀的研究和其生存環(huán)境聯(lián)系極為緊密，居群與其生存環(huán)境的差異性研究給遺傳變異做出了巨大貢獻，是生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)學研究的主要部分。祁娟[2]以披堿草屬植物為研究對象，通過變異分析得出，由于生態(tài)環(huán)境的影響不同地區(qū)的披堿草屬不同種類不同居群間有不同的特征，且穗部特征不易受環(huán)境的影響。德英等[3]選取同一地區(qū)的披堿草穗部性狀作為研究對象，揭示了披堿草屬牧草生物多樣性是由居群內和居群間多樣性共同作用的結果。李淑娟[4]通過表型分析和聚類分析把披堿草11居群分為四類，結果表明披堿草屬不同居群的形態(tài)多樣性明顯。顧曉燕[5]以川西北短芒披堿草(E.breviaristatus)為研究對象，經過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出短芒披堿草在群體內多樣性比較大，穗部性狀的穩(wěn)定性非常高。陳仕勇等[6]選取青藏高原的垂穗披堿草(E.nutans)通過變異分析和多樣性指數(shù)分析得出其種質資源具有豐富的形態(tài)學變異。張建波等[7]以川西北高原垂穗披堿草居群為研究材料，通過變異分析得出居群內變異比居群間變異明顯。

川西北近2.5億畝的高寒草原區(qū)是四川省、同時也是國內最重要的牧區(qū)，是長江和黃河流域重要的生態(tài)屏障，人為和自然氣候的影響使川西北草原沙化、退化情況日益嚴重，牧草資源現(xiàn)狀堪憂[8]。目前雖然有針對披堿草表型性狀和環(huán)境因子對披堿草表型性狀的影響的相關研究，然而針對川西北高原的偏少。本研究通過測定川西北高原不同海拔下披堿草的表型性狀，分析各個居群披堿草的表型多樣性，研究海拔高度對披堿草表型性狀的影響，給披堿草屬植物群體內在遺傳規(guī)律和變異大小的研究提供理論依據(jù)，同時也為披堿草優(yōu)異種質資源的篩選、保護和品種改良奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗所用樣本均為2018年8月份在川西北高原采集，從海拔1589 m ～ 3299 m之間共選取九個海拔梯度，生境條件包括草叢、河谷、灌木叢。披堿草材料采集地生境、經緯度、海拔、樣本編號等信息見表1。每個海拔梯度隨機采集10個單株，采集后進行表型性狀的測定。

表1 供試材料Table 1 List of materials used in the study

1.2 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

本研究中選取披堿草5個莖部形態(tài)(1-5)和23個穗部形態(tài)(6-28)作為研究指標進行測量，1-6表型性狀用直尺測量(精確到0.1 cm)，其余的指標均用游標卡尺測量(精確到0.1 mm)。以海拔高度為分組依據(jù)，每株披堿草測量的數(shù)值填寫在數(shù)據(jù)記錄表內，使用Excel 2016年求出各個海拔所有表型性狀的均值、變異系數(shù)cv和標準差進行統(tǒng)計分析，并使用SPSS 23版進行主成分分析、聚類分析和相關性分析。使用Shannon-Weaver指數(shù)進行多樣性分析，該多樣性指數(shù)用來估算群落多樣性的高低。首先求出總體平均值(X)和標準差(SD)，將其劃分為10級，從第1級[XiX+2SD]，每0.5SD為一級，每一級的相對頻率用于計算多樣性指數(shù)；計算公式為H=-ΣPilnPi，Pi為某性狀第i級別材料份數(shù)的相對頻率。

表2 測定表型性狀Table 2 Phenotypic traits of collected materials

2 結果與分析

2.1 披堿草表型性狀變異分析

9個披堿草居群28個表型性狀的變異系數(shù)見表3，28個表型性狀的均值、標準差、多樣性指數(shù)等見表4。從結果來看，測定披堿草大多數(shù)性狀居群內變異大于居群間變異。變異系數(shù)最大的表型性狀是花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)，變異系數(shù)為54.351%。第一葉長和第一葉寬變異程度次之，變異系數(shù)分別為35.503%和33.810%，兩者之間的變異程度比較接近。相較于其他25個表型性狀，株高、莖稈長、第一穎芒長的變異也較大，其變異系數(shù)為17.991%、17.956%、16.353%。變異系數(shù)最小的表型性狀是外稃寬，其變異系數(shù)為5.155%?；ㄐ蛑胁克牍?jié)小穗數(shù)、第一穎長、內稃寬、內稃長、外稃長、第一穎寬變異系數(shù)較小，分別為6.077%、7.133%、7.166%、7.563%、7.774%、7.952%。多樣性指數(shù)最小的表型性狀是株高為2.080，株高表型多樣性較低。多樣性指數(shù)最大的表型性狀是內稃長和內稃寬，均為2.196。第一穎長和花序中部穗節(jié)小穗數(shù)的多樣性指數(shù)分別為2.193、2.188，外稃長的多樣性指數(shù)為2.195。以上結果表明來自于川西北高原的披堿草具有豐富的形態(tài)變異。

表3 不同居群28個表型性狀的變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)

續(xù)表3 不同居群28個表型性狀的變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)

2.2 披堿草表型性狀的相關性分析

對披堿草的28個表型性狀和采樣地的生態(tài)環(huán)境因子(海拔、經緯度)的進行了偏相關分析，結果如表5所示。株高、莖稈長、花序底部穗節(jié)小穗長、第二穎寬、外稃寬與海拔高度在0.05水平上達到顯著正相關，其余23個形態(tài)指標均和海拔高度相關性不顯著。外稃寬與緯度在0.05水平上達到顯著正相關，其余27項形態(tài)指標和緯度相關性不顯著。株高、莖稈長、外稃寬與經度在0.05水平上達到顯著負相關，經度越高該三項指標越小，其余25項指標均和經度無顯著相關性。表明外稃寬受海拔高度和經緯度影響顯著，株高、莖稈長受到海拔和經度的影響顯著。

2.3 披堿草表型性狀的主成分分析

對川西北高原披堿草28個表型性狀進行了主成分分析，表6記錄了表型性狀的特征值，表7為披堿草主成分分析矩陣。結果表明，披堿草六個主成分的方差累積貢獻率是96.973%，說明這6個主成分能反映出所有采集的披堿草表型性狀96.973%的信息，幾乎能反映出這28個表型性狀的大部分變異信息，有著很重要的參考價值。主成分1在總變異中有39.853%的貢獻率，對主成分1影響較大的有以下5個表型性狀，從大到小分別是：花序中部穗節(jié)小穗長、內稃長、第一葉長、外稃芒長、第一葉寬，貢獻率依次為：96.2%、94.4%、88.8%、86.5%、85.8%，均是正指標，主要反映了葉部特征和生殖器官的特征。主成分2在總變異中的貢獻率是19.578%，對主成分2影響最大的表型性狀是莖節(jié)

表6 特征值、方差貢獻率和累計貢獻率Table 6 Eigen value，contribution of variance and cumulative of variance

表7 6個主成分的負荷量Table 7 Loading amount of six principal components

數(shù)(87.9%)，其次是花序節(jié)數(shù)(83.6%)，花序中部結間長(-80.4%)為負指標。主成分3的貢獻率是15.724%，影響主成分3的表型性狀有莖稈長、第一穎芒長、株高，貢獻率分別是-76.7%、71.8%、-71.1%，主要是莖部的形態(tài)特征。主成分4的貢獻率是11.387%，影響主成分4的表型性狀分別是花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)，花序中部穗節(jié)小花數(shù)，貢獻率分別是77.2%、74%、62.2%，全為正指標，主要反映了花序小穗特征。主成分5的貢獻率是5.968%，對主成分5影響最大的是外稃寬(-49.3%)和花序中部穗節(jié)小穗小花數(shù)(-49.2%)，其次是花序底部穗節(jié)小穗長(-47.1%)，均為負指標。主成分6的貢獻率是4.463%，影響主成分6的表型性狀為花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)(-47.5%)、花序頂起第2穗節(jié)的小穗長(35.9%)。

2.4 聚類分析

按照披堿草9個居群材料的28個不同表型性狀進行聚類分析，以歐式距離5作為劃分的標準，在不同海拔下采集的披堿草數(shù)據(jù)聚類后的結果如圖1所示。由圖1可知，將9個海拔高度下的披堿草居群分為四大類，海拔高度為1589 m和1747 m的相似性較高且較早聚成了一類，在表型形狀上表現(xiàn)為第一穎寬較寬，第二穎長較長。海拔高度分別為2682 m、3057 m、2848 m的披堿草居群聚為一類， 表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長、花序長、花序節(jié)數(shù)、花序頂起第二節(jié)的小穗長、內稃長均明顯高于其他海拔高度下的值。海拔高度為2143 m和3293 m的披堿草聚為一類，這兩個海拔梯度下的披堿草表型性狀表現(xiàn)為莖節(jié)數(shù)、花序長、花序節(jié)數(shù)、第二穎長、外稃長比其他海拔高度下的值高。海拔高度為2384 m和3299 m的披堿草聚為一類，表型性狀表現(xiàn)為第一葉長、第一葉寬、花序長、花序頂起第二節(jié)的小穗長、內稃長、外稃長、第一穎芒長、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)的值要遠遠小于其他海拔高度的值。

以歐式距離15作為劃分標準，可分成兩大類，海拔高度1589 m和1747 m兩個低海拔聚為一類，表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長、花序長、花序底部穗節(jié)小穗長、第二穎芒長、第二穎寬、內稃寬、花序節(jié)數(shù)明顯低于其他海拔高度的均值。其余七個海拔高度可聚為一大類，表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長、花序長、花序節(jié)數(shù)、第二穎芒長、內稃長、第二穎寬明顯低于其他海拔高度的值。

圖1 基于形態(tài)數(shù)據(jù)的9份披堿草種質的聚類圖Fig.1 The dendrogram of 9 populations of E. dahuricus based on morphological data

3 討論

近年來，由于自然及人為的因素，川西北高原草地退化在加劇，嚴重影響了川西北高原畜牧業(yè)發(fā)展，植物數(shù)量及多樣性正在減少，所以有必要加快對相關植物資源-特別是牧草資源進行收集評價及保存。川西北高原草原上主要分布的披堿草屬物種為老芒麥(E.sibiricus)、垂穗披堿草及短芒披堿草，前期關于這幾個主要草種野生資源的研究較多[ 7-11 ]。鄢家俊等[9]利用SRAP和SSR分子標記分析了青藏高原東南緣8個老芒麥自然居群遺傳變異及居群間的遺傳分化。彭語洛等[10]采用SSR分子標記技術對來源于青藏高原的30份野生垂穗披堿草種質進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)供試種質材料間存在較大的差異，表現(xiàn)出較豐富的遺傳多樣性。德英等[11]對采集自四川、西藏、甘肅等地區(qū)的19份垂穗披堿草的24個表型性狀進行多樣性研究，探討了影響其表型分化的主要指標，并分析了材料間親緣關系。川西地區(qū)相對低海拔地區(qū)林下、路旁廣泛分布有披堿草，披堿草同樣作為一種優(yōu)異的牧草種質資源，有必要進行收集、評價及保存。本研究揭示了供試的披堿草形態(tài)變異特征，各性狀變異系數(shù)在54.351%到5.155%之間，多樣性指數(shù)均在2以上，說明采集的披堿草種質資源具有豐富的遺傳變異，種質資源形態(tài)多樣性較高，對于牧草與麥類作物育種具有重要的應用價值。

生物性狀受遺傳調控，同時也受到環(huán)境影響。披堿草屬植物對于高海拔表現(xiàn)出較強的適應性，目前有關披堿草屬植物遺傳變異與環(huán)境之間的關系已有一定的研究。張妙青等[12]對采自甘肅、青海以及四川等地的50個垂穗披堿草居群的穗長、穗寬等6個與繁殖相關的性狀與環(huán)境因子進行的相關分析結果表明，海拔、經度、緯度等對垂穗披堿草的繁殖性狀變異有不同程度的影響，海拔對穗長和每穗小穗數(shù)呈現(xiàn)極顯著影響。德英等[13]對來自四川、西藏、甘肅等地區(qū)多份垂穗披堿草種質的14項穗部性狀進行多樣性研究發(fā)現(xiàn)垂穗披堿草多樣性指數(shù)與海拔高度呈極顯著正相關關系。陳釗等[14]的研究表明海拔對披堿草屬植物形態(tài)特征具有較強的可塑性，四倍體披堿草屬植物對海拔的變化反應更加敏感。嚴學兵等[15]采用等位酶標記對我國青藏高原地區(qū)垂穗披堿草的9個種群進行遺傳變異和系統(tǒng)關系研究中發(fā)現(xiàn)，海拔和地理位置均明顯影響垂穗披堿草種群遺傳差異，種群間遺傳距離隨著海拔、地理位置差距的增大而增加。其研究還發(fā)現(xiàn)披堿草形態(tài)特征除受遺傳決定外，植物在形態(tài)上也產生明顯的適應性演化[16]。本實驗的研究結果表明海拔高度和披堿草(E.dahuricus)的株高、莖稈長、花序底部穗節(jié)小穗長、第二穎寬、外稃寬顯著相關，表明不同的海拔高度下這5個表型性狀受海拔影響較大。此外，株高、莖稈長、外稃寬和經度顯著相關，外稃寬和緯度顯著相關。外稃寬受到海拔、經緯度的影響較大，表明影響披堿草某些表型性狀的因素并不是單一的。表型性狀與生態(tài)環(huán)境因子關系密切，披堿草野生種質采集過程中應盡量保持居群的完整性，才能最大程度地保護我國披堿草屬牧草的遺傳多樣性。

披堿草野生種質收集評價中常利用主成分分析和聚類分析對其進行綜合評價，可為牧草高產優(yōu)質品種選育提供育種材料。德英等[17]對披堿草屬的14種穗部性狀進行主成分分析結果表明，選取的穗長、穗寬、第一穎芒長等性狀反映了披堿草屬表型性狀變異。嚴學兵等[18]對我國披堿草野生居群進行形態(tài)多樣性研究發(fā)現(xiàn)，披堿草、圓柱披堿草和紫芒披堿草變異性很大，主成分分析中單株重、單穗重、分蘗數(shù)等與生產應用及分類功能聯(lián)系密切的17個特征向量可反映總變異85%以上的信息。鄢家俊等[19]對青藏高原老芒麥野生種群進行了形態(tài)學變異研究，主成分分析表明內外穎長、內外穎芒長、旗葉寬等性狀是引起老芒麥形態(tài)分化的主要指標。本研究對不同海拔高度下的28披堿草表型性狀也進行了主成分分析，分析發(fā)現(xiàn)前6個主成分反映了96.973%的總信息。主成分中花序中部穗節(jié)小穗長、內稃長、第一葉長、外稃芒長、花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)，花序中部穗節(jié)小花數(shù)等與生產和生殖等相關的具有較高特征向量值的表型性狀，其反映了總體變異的規(guī)律，可為牧草分類、育種及生產實踐提供依據(jù)。

袁慶華等[20]對13份披堿草和 21份老芒麥野生居群進行聚類分析的結果表明具有形態(tài)特征相似性的居群聚在一起。張典業(yè)等[21]在對45份垂穗披堿草野生種質進行聚類分析時發(fā)現(xiàn)各材料未按照種源地聚在一起，而是來自相同生境的材料聚為一類。陳釗等[14]對3種披堿草屬植物進行聚類分析發(fā)現(xiàn)海拔來源基本相同的種群具有形態(tài)相似性，且具有相似生境的多數(shù)種群聚為一類。劉新亮[22]對老芒麥的聚類分析表明，受海拔和緯度的影響，老芒麥形態(tài)相似的材料首先聚在一起，相同或相似地理來源的材料能夠部分集中的聚為一類。本研究發(fā)現(xiàn)海拔高度對株高、莖稈長、花序長、第二穎芒長、花序節(jié)數(shù)、第二穎寬等表型性狀有明顯的影響，本研究將披堿草居群大致上聚類分為高海拔和低海拔兩大類，與前人的研究結果相符。但是以歐式距離5作為劃分標準，將9份披堿草聚成了4類，并不是嚴格的按海拔來聚類，而是按照形態(tài)學特征聚類，可能是由于地理來源相同材料不同的小生境導致形成了不同的生態(tài)類型。

本研究分析了川西北高原不同海拔來源的披堿草(E.dahuricus)種質的形態(tài)多樣性，揭示了披堿草表型性狀與海拔高度的相關性，豐富了川西北高原披堿草種質收集評價研究，同時對披堿草屬種質資源的分類、親緣關系的確定以及披堿草屬種質資源利用和保護具有一定的意義。