新疆野生老芒麥種質(zhì)資源形態(tài)及生長(zhǎng)特性分析

張薈薈， 梁維維， 張學(xué)洲， 阿斯婭·曼力克， 朱 昊， 魏 鵬， 康 帥， 李學(xué)森

(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所， 新疆 烏魯木齊830000)

老芒麥(Elymussibiricus)是禾本科(Gramineae)小麥族(Triticeae)披堿草屬(Elymus)多年生中生疏叢型上繁禾草，新疆僅有1種，分布于天山、阿爾泰山和昆侖山，是草甸草場(chǎng)的伴生種或亞優(yōu)勢(shì)種[1]。受新疆特殊地理環(huán)境、氣候多變等因素的影響，新疆野生老芒麥種質(zhì)資源生態(tài)類型較多，且具有適應(yīng)性強(qiáng)，抗寒[2],抗旱[3-4],干草產(chǎn)量高[5],葉量豐富,富含粗蛋白,適口性好和易栽培等多重優(yōu)良特性，是牧草馴化選育和改良所用的原始材料及農(nóng)業(yè)自然資源的重要組成部分[6-7]，可用于建植人工草地和放牧草地，對(duì)退化草地改良和種草養(yǎng)畜具有重要意義[8]，在新疆的草地畜牧業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用[1,9]。

野生老芒麥種質(zhì)資源在新疆的北疆地區(qū)分布較為廣泛，但疆內(nèi)學(xué)者對(duì)其研究利用的相對(duì)較少，疆外頗多，主要集中在抗性,遺傳多樣性,形態(tài)多樣性和分類等方面[2-5],馬嘯[10]對(duì)35份國(guó)內(nèi)外老芒麥野生種質(zhì)的形態(tài)和農(nóng)藝性狀多樣性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其中9份來自新疆的老芒麥種質(zhì)資源綜合性狀表現(xiàn)較好，具有良好的育種開發(fā)前景，孫清洋、德英和張晨妮等學(xué)者[2-4]的研究結(jié)果也再次驗(yàn)證了新疆老芒麥卓越的抗旱和抗寒性。形態(tài)學(xué)標(biāo)記是研究種質(zhì)資源分類、鑒定等的最經(jīng)典、最直觀的方法[7]，袁慶華等[11]以葉色、株高、葉長(zhǎng)等13個(gè)形態(tài)學(xué)性狀為基本數(shù)據(jù)，對(duì)采自全國(guó)不同地區(qū)的21份野生老芒麥居群間的生物多樣性進(jìn)行研究分析發(fā)現(xiàn)，老芒麥野生居群間表型差異明顯，采自同一生境不同地區(qū)的老芒麥居群，其生物學(xué)性狀也存在較大的差異，在老芒麥野生居群中各農(nóng)藝性狀較為突出的是新疆阿勒泰地區(qū)的老芒麥，其牧草和種子生產(chǎn)性能遠(yuǎn)高于其它居群。祁娟[12]對(duì)披堿草屬植物野生種質(zhì)資源生態(tài)適應(yīng)性的研究表明居群間的變異是披堿草屬植物的主要變異來源，其中內(nèi)蒙和新疆居群遺傳多樣性較高，且表型,形態(tài)結(jié)構(gòu),生理生態(tài)和遺傳結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子均具有明顯相關(guān)性。但目前針對(duì)新疆不同生態(tài)型老芒麥形態(tài)多樣性的研究報(bào)道還較少。基于此，本研究通過對(duì)來自新疆不同區(qū)域或生境的老芒麥野生種質(zhì)材料的形態(tài)多樣性及生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行觀測(cè)與分析，篩選出老芒麥形態(tài)學(xué)的特異性狀，以期更直觀地了解其遺傳的多樣性，為新疆野生老芒麥的栽培馴化與選育利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)選取14份老芒麥種質(zhì)資源，其中，13份野生老芒麥資源材料由新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所種子庫提供，1份來自青海省牧草良種繁殖場(chǎng)馴化選育出的野生栽培品種，詳見表1。

表1 野生老芒麥種質(zhì)資源及其來源

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于新疆呼圖壁縣國(guó)家農(nóng)業(yè)部旱生牧草種子基地，地理坐標(biāo)為44°14′08.47″ N，86°37′41.32″E，海拔高度616 m，年平均氣溫為6.7℃，1月和7月份的平均氣溫分別為—16.9℃和25.6℃，無霜期170 d，≥10℃積溫3 881℃，年平均降水量167 mm，年平均蒸發(fā)量為2 361.1 mm。土壤類型為灰棕色荒漠土，pH值8.8，全鹽量3.2 g·kg-1，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，地勢(shì)較平坦。2017年秋季進(jìn)行種植，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積15 m2，人工開溝條播，播種量30.0 kg·hm-2，行距30 cm。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

1.3.1生長(zhǎng)速率測(cè)定與氣象數(shù)據(jù)的采集 老芒麥生長(zhǎng)的第2年和第3年，自返青期至成熟期，標(biāo)記出10 個(gè)植株，每周定期測(cè)量株高，共調(diào)查17 次，計(jì)算每次測(cè)量株高的日均生長(zhǎng)值，作為生長(zhǎng)速率。

空氣溫度、相對(duì)濕度、雨量、土壤溫度、光合有效輻射、壓力、風(fēng)速、陣風(fēng)速度、露點(diǎn)和太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)均來源于試驗(yàn)站的小型HOBO氣象站，根據(jù)老芒麥測(cè)定時(shí)間，計(jì)算相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的日平均值。

1.3.2表型性狀測(cè)定 參照《老芒麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定的方法，測(cè)量老芒麥的27個(gè)表型性狀指標(biāo)。在植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)期測(cè)定基部葉鞘毛、葉片顏色；開花期測(cè)定生殖枝長(zhǎng)度、草層高度、莖桿形態(tài)、莖桿節(jié)數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)(總)、節(jié)間長(zhǎng)(平均)、莖桿粗、葉鞘長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、倒2葉長(zhǎng)、倒2葉寬、葉片形態(tài)、葉毛密度、葉片顏色、小穗含小花數(shù)、穗顏色；乳熟期測(cè)定穗長(zhǎng)、穗軸節(jié)數(shù)、穗軸節(jié)間長(zhǎng)(第一節(jié)間)、穗軸小穗總數(shù)、穗軸每節(jié)小穗數(shù)和最上部節(jié)間長(zhǎng)；蠟熟期測(cè)定旗葉至穗基部長(zhǎng)度；成熟期測(cè)定株高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010表格整理與分析以上數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析、聚類分析(Ward方法的平方歐氏距離)和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同老芒麥種質(zhì)材料生長(zhǎng)速率與環(huán)境因子相關(guān)性分析

對(duì)不同老芒麥種質(zhì)資源的株高日生長(zhǎng)速率與其對(duì)應(yīng)環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(表2)，結(jié)果表明，14 份老芒麥種質(zhì)材料的生長(zhǎng)速率與相對(duì)濕度、光合有效輻射、陣風(fēng)速度和太陽輻射之間的相關(guān)性不顯著，材料HM1，HM5和YL10與所有環(huán)境因子間的相關(guān)性也均不顯著；材料ALT3，ALT6，ALT11，BL9和與露點(diǎn),空氣溫度和土壤溫度間呈顯著或極顯著正相關(guān)，與風(fēng)速間呈顯著負(fù)相關(guān)；材料YL2，YL7，YL12，YL13，TD14與降雨量間呈顯著或極顯著正相關(guān)，ALT6和ALT11與大氣壓力呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 不同品種的生長(zhǎng)速率與環(huán)境因子間的Pearson相關(guān)性

2.2 生長(zhǎng)高度動(dòng)態(tài)變化

自返青期起，隨著時(shí)間的推移，老芒麥種質(zhì)資源生長(zhǎng)高度逐漸增加，按照植株高度動(dòng)態(tài)變化的不同可將14 份種質(zhì)劃分成3組(圖1)，第1組包括YL2，YL12，YL7和TD14，來自新疆伊犁和青海省，從5月7日起，生長(zhǎng)加速，植株高度直線上升，即將進(jìn)入拔節(jié)期，較其他種質(zhì)提前20 d，為早期生長(zhǎng)類型;第2組包括ALT6和ALT11，均采自新疆阿勒泰地區(qū)，從6月10日起，植株高度出現(xiàn)生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)折期，其進(jìn)入快速生長(zhǎng)期的時(shí)間較遲，為晚期生長(zhǎng)類型;剩余種質(zhì)均歸并在第3組中，包括HM1，HM5，ALT3，BL8，BL9，YL4，YL10和YL13，來自4個(gè)不同區(qū)域，從5月26日起，植株高度增長(zhǎng)較快，呈明顯上升趨勢(shì)，較第1組晚，但比第2組早15 d，為中期生長(zhǎng)類型。

圖1 老芒麥種質(zhì)資源生長(zhǎng)高度動(dòng)態(tài)變化圖

2.3 表型性狀變異分析

對(duì)參試14份老芒麥種質(zhì)資源的20個(gè)數(shù)量性狀的變異性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，不同區(qū)域種質(zhì)之間的表型性狀差異較大，呈現(xiàn)出多樣性的變化。其中，蠟熟期旗葉至穗基部長(zhǎng)度和穗軸節(jié)間長(zhǎng)(第1節(jié)間)的變異幅度較大，變異系數(shù)均在21%以上，變化范圍分別為13.55～31.34 cm和13.85～28.74 mm，以材料YL13的旗葉至穗基部長(zhǎng)度最長(zhǎng)；變異系數(shù)在10%～17%之間的性狀包括葉鞘長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、倒2葉長(zhǎng)、倒2葉寬、小穗含小花數(shù)和穗軸小穗總數(shù)，說明不同區(qū)域采集的老芒麥種質(zhì)資源在這些性狀上存在相對(duì)較大的差異，變異類型豐富，選擇范圍較廣，品種馴化選育的潛力大；變化幅度最小的是生殖枝長(zhǎng)度和成熟期株高，變異系數(shù)均在5%以下，其余性狀的變異系數(shù)介于5%～10%之間，變異幅度也較小，說明這些性狀的遺傳性相對(duì)較穩(wěn)定(表3)。

表3 老芒麥種質(zhì)資源20個(gè)數(shù)量性狀的變異分析

2.4 表型性狀聚類分析

基于品種(系)27個(gè)性狀的平方歐氏距離，采用Ward法對(duì)14個(gè)老芒麥品種(系)的表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建聚類樹狀圖(圖2)。以平方歐氏距離的平均值(SED=10)為截值，可將14份種質(zhì)劃分成5組，第1組包括2個(gè)居群Y2和Y12，均采自新疆伊犁昭蘇縣，具有生殖枝長(zhǎng)、草層高、葉片長(zhǎng)且寬、節(jié)間長(zhǎng)和穗長(zhǎng)較長(zhǎng)、小花數(shù)多等特點(diǎn)。第2組包含6個(gè)居群ALT3，ALT11，BL9，YL10，HM5H和HM1，分別來自伊犁、阿勒泰、哈密和博樂4個(gè)地區(qū)，主要表現(xiàn)為葉鞘和旗葉至穗基本長(zhǎng)度較長(zhǎng)，葉片長(zhǎng)而窄，草層高度在5大類中位居其次，穗短而密。第3組包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭蘇和博樂，主要表現(xiàn)為穗較長(zhǎng)，小穗含小花數(shù)、穗軸節(jié)數(shù)和小穗總數(shù)均較多。第4組包括YL13和TD14，來自新疆伊犁特克斯和青海省，其特點(diǎn)為莖稈細(xì)，其他各指標(biāo)均處于中等水平。第5組來自新疆阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣，主要表現(xiàn)為生殖枝矮、葉片窄、莖稈細(xì)、穗短和小穗數(shù)少等。

2.5 形態(tài)性狀分化的主成分分析

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的27個(gè)表型特征數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(表4)，表中列出了14個(gè)主成分的初始特征值和旋轉(zhuǎn)載荷平方和，前7個(gè)主成分的初始特征值都大于1，方差解釋總量為89.163%，包含所測(cè)得性狀的大部分信息。經(jīng)最大方差法旋轉(zhuǎn)后得到新的特征值，其中，第1主成分解釋方差的比例為18.736%，對(duì)應(yīng)特征向量中作用最大的性狀依次是穗軸節(jié)數(shù)、旗葉長(zhǎng)和穗軸小穗總數(shù)；第2主成分解釋方差的比例為17.449%，作用最大的性狀為草層高度、節(jié)間長(zhǎng)和生殖枝長(zhǎng)度；第3和第4主成分解釋方差的比例分別為12.942%和11.947%，對(duì)應(yīng)的特征向量中作用最大的是葉片形態(tài)、開花期葉片顏色、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期葉片顏色和穗顏色，其中葉片顏色呈負(fù)向標(biāo)；第5和第6主成分解釋方差的比例分別為11.634%和10.593%，對(duì)應(yīng)的特征向量中作用最大的是莖桿節(jié)數(shù)、平均節(jié)間長(zhǎng)、最上部節(jié)間長(zhǎng)和蠟熟期旗葉至穗基部長(zhǎng)度，其中平均節(jié)間長(zhǎng)呈負(fù)向標(biāo)；第7主成分解釋方差的比例為5.861%，對(duì)應(yīng)的特征向量中作用最大的是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期基部葉鞘毛(表5)。

圖2 基于老芒麥種質(zhì)資源表型性狀劃分的聚類樹狀圖

表4 形態(tài)性狀主成分方差分析表

表5 前7個(gè)組件旋轉(zhuǎn)后的成分矩陣

3 討論

遺傳變異和地理環(huán)境之間的關(guān)系是大多數(shù)學(xué)者普遍關(guān)注的問題[14]，陳釗等研究發(fā)現(xiàn)地理位置(緯度和經(jīng)度)是影響披堿草居群遺傳分化的最重要因素[15]。嚴(yán)學(xué)兵等[16]認(rèn)為一個(gè)物種對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力越強(qiáng)，就越容易擴(kuò)展其分布范圍和開拓新的環(huán)境。本研究通過分析對(duì)比不同區(qū)域采集的野生老芒麥種質(zhì)材料生長(zhǎng)速率與栽培地環(huán)境因子相關(guān)性的結(jié)果表明，14份老芒麥種質(zhì)材料由高海拔區(qū)域引種至低海拔區(qū)，其生長(zhǎng)速率受試驗(yàn)區(qū)相對(duì)濕度、光合有效輻射、陣風(fēng)速度和太陽輻射等氣候因素影響均較小，尤其是哈密地區(qū)和伊犁尼勒克縣的老芒麥的生長(zhǎng)速率幾乎不受環(huán)境因子的影響，說明其生態(tài)幅寬，適應(yīng)性較強(qiáng)。空氣溫度、土壤溫度和風(fēng)速對(duì)阿勒泰和博樂地區(qū)的老芒麥種質(zhì)材料生長(zhǎng)的影響較大，低溫和大風(fēng)均會(huì)抑制其生長(zhǎng)，主要是由于該區(qū)域老芒麥分布在阿拉套山和阿爾泰山系保護(hù)區(qū)內(nèi)，四面環(huán)山，生境較穩(wěn)定，而試驗(yàn)區(qū)為平原荒漠區(qū)，風(fēng)多，氣候干燥，兩者生境條件差異大，地理距離遠(yuǎn)，引種后，不適應(yīng)栽培區(qū)氣候，生長(zhǎng)受限。汪新川等[17]認(rèn)為降水是影響同德老芒麥牧草產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，本研究結(jié)果與此相同，發(fā)現(xiàn)伊犁昭蘇縣軍馬場(chǎng)、特克斯縣和青海省老芒麥生長(zhǎng)受降雨量的影響較大，主要是因?yàn)橐晾缡切陆顬闈駶?rùn)的地區(qū)，其老芒麥對(duì)水分需求較為敏感，但受其他環(huán)境因子的影響較小，這說明伊犁地區(qū)的老芒麥的生態(tài)幅較寬，在有灌溉的條件下即可引種馴化。

表型性狀是植物適應(yīng)環(huán)境變異最直接的表現(xiàn)，對(duì)其生存至關(guān)重要。不管是在自然還是人工栽培條件下，植物生長(zhǎng)都會(huì)受環(huán)境影響而發(fā)生變異，變異的大小取決于植物本身的特性和外界干預(yù)的強(qiáng)度[18]。變異系數(shù)的大小可間接反映出群體表型多樣性的豐富程度，變異系數(shù)大，說明群體表型多樣性豐富[15]。本研究表明，新疆不同生態(tài)型的野生老芒麥表型性狀差異明顯，其中以蠟熟期旗葉至穗基部長(zhǎng)度和穗軸節(jié)間長(zhǎng)(第1節(jié)間)最為突出，對(duì)牧草產(chǎn)量起關(guān)鍵作用的葉鞘長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、倒2葉長(zhǎng)、倒2葉寬的變異系數(shù)也較大，說明新疆野生老芒麥間變異類型豐富，親本選擇范圍較廣。這與程釗等[15]的研究結(jié)果基本一致。

植株高度是反映牧草生長(zhǎng)狀況和評(píng)價(jià)高產(chǎn)的主要指標(biāo)之一[19]，根據(jù)老芒麥種質(zhì)的株高動(dòng)態(tài)變化，可將14份種質(zhì)歸為早、中和晚期3種生長(zhǎng)類型，早期快速生長(zhǎng)的種質(zhì)材料能夠提前20天進(jìn)入牧草收獲期，而晚期生長(zhǎng)類型的刈割利用時(shí)間也相對(duì)較晚，中期介于二者之間，這可為野生老芒麥的馴化選育與利用提供重要依據(jù)。聚類分析方法能較好地反映種質(zhì)材料之間的親緣關(guān)系[20]。以27個(gè)表型性狀為聚類指標(biāo)，以平方歐式距離等于10作為劃分標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可將14份種質(zhì)劃分成5組。其中第1組包括2個(gè)居群，均采自新疆伊犁昭蘇縣，具有生殖枝長(zhǎng)、草層高、葉片長(zhǎng)且寬、節(jié)間和穗均較長(zhǎng)、小花數(shù)多等特點(diǎn)，可作為牧草或種子生產(chǎn)利用。第2組中的6個(gè)老芒麥居群分別來自伊犁、阿勒泰、哈密和博樂4個(gè)地區(qū)，其地理距離遠(yuǎn)，生境差異大，各表型性狀有別于其他組，可作為新品種改良或選育的親本材料。第3組包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭蘇和博樂，主要表現(xiàn)為穗較長(zhǎng)、小穗含小花數(shù)、穗軸節(jié)數(shù)和小穗總數(shù)均較多，宜作為種子生產(chǎn)利用?？偠灾?，新疆老芒麥野生種質(zhì)資源表型差異明顯，尤其是伊犁地區(qū)采集的老芒麥，分別被劃分在4個(gè)不同的組中，這可能是由于該地區(qū)空間距離變幅較大，生境不同阻礙了基因漂移而造成較大的遺傳差異[14]，致使野生老麥居群形態(tài)多樣性指數(shù)高。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)采集的老芒麥材料的生長(zhǎng)速率、葉色和穗顏色等特性也存在差異，這與袁慶華等[10]的研究結(jié)果相同。另外，在形態(tài)特征方面，新疆采集的大多數(shù)野生老芒麥與國(guó)審品種同德老芒麥間存在較大差異，僅有YL13與其劃分在一組，但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，兩者的葉片顏色不同。這可能是因?yàn)楸硇托誀钜资墉h(huán)境因子、栽培條件和個(gè)體發(fā)育的影響，對(duì)遺傳變異的檢測(cè)有限[21]，不能解釋當(dāng)前存在差異，建議在分子水平上對(duì)新疆野生老芒麥的遺傳多樣性進(jìn)行深入研究。

主成分分析法可將多指標(biāo)合成為少數(shù)幾個(gè)相互無關(guān)的綜合指標(biāo)，清楚地描述各因素在形態(tài)多樣性構(gòu)成中的作用[22-23]。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的27個(gè)表型特征數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析前7個(gè)主成分的方差解釋總量為89.163%，包含所測(cè)得性狀的大部分信息，穗軸節(jié)數(shù)、旗葉長(zhǎng)、穗軸小穗總數(shù)、草層高度、節(jié)間長(zhǎng)、生殖枝長(zhǎng)度和葉片顏色等多個(gè)性狀是造成老芒麥形態(tài)差異的主要影響因素。第1主成分中穗軸節(jié)數(shù)、旗葉長(zhǎng)和穗軸小穗總數(shù)的作用大，與種子產(chǎn)量的關(guān)系密切；第2主成分表現(xiàn)突出的性狀為草層高度，節(jié)間長(zhǎng)和生殖枝長(zhǎng)度，與牧草產(chǎn)量存在相關(guān)性；第3，4，5，6，7主成分值可以作為分類的選擇指數(shù)，這與黃帆[23]等的研究結(jié)果存在相似之處。

4 結(jié)論

不同區(qū)域采集的新疆野生老芒麥種質(zhì)材料的生長(zhǎng)速率對(duì)栽培地環(huán)境因子的響應(yīng)各異，其中，哈密地區(qū)和伊犁地區(qū)老芒麥的生態(tài)幅寬、可塑性大，而阿勒泰和博樂地區(qū)種質(zhì)生態(tài)幅相對(duì)較窄、適應(yīng)性差。新疆野生老芒麥的葉鞘長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)寬和倒2葉長(zhǎng)寬等表型性狀的變異系數(shù)較大，變異類型豐富，親本選擇范圍較廣。根據(jù)老芒麥種質(zhì)的株高動(dòng)態(tài)變化，將14份種質(zhì)歸為早、中和晚期3種生長(zhǎng)類型，可為不同時(shí)期刈割利用品種的選育提供參考。聚類結(jié)果表明，材料YL2和YL12具有生殖枝長(zhǎng)、草層高、葉片長(zhǎng)且寬等優(yōu)良特性，宜作為牧草或種子生產(chǎn)利用，材料YL4，YL7和BL8表現(xiàn)為穗較長(zhǎng)、小穗含小花數(shù)、穗軸節(jié)數(shù)和小穗總數(shù)均較多，宜作為種子生產(chǎn)利用，具有良好的育種開發(fā)前景。