無芒雀麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析及綜合評價

郭興玉， 高 山， 高 陽， 徐安凱， 周艷春

(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草地與生態(tài)研究所， 吉林 公主嶺 136100)

無芒雀麥(BromusinermisLeyss.)為禾本科雀麥屬多年生植物，又名無芒草，禾萱草，光雀麥[1]，作為一種長壽根莖型禾草，其壽命長達(dá)30年之久[2]。無芒雀麥因具有抗旱、耐寒、耐放牧、產(chǎn)量高、適口性好、營養(yǎng)價值高等優(yōu)良特性，被譽(yù)為“禾草飼料之王”，是一種放牧和打草兼用的優(yōu)良牧草[3-4]。目前，無芒雀麥已成為歐亞大陸干旱及寒冷地區(qū)的重要栽培草種[5]。

無芒雀麥種質(zhì)資源是牧草新品種選育、遺傳理論研究、生物技術(shù)研究和發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國無芒雀麥種質(zhì)資源十分豐富，但目前國內(nèi)的無芒雀麥品種大多數(shù)為野生種質(zhì)材料經(jīng)過混合選擇獲得的品種，品種育成時間長，退化嚴(yán)重，穩(wěn)定性相對較差，導(dǎo)致無芒雀麥種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)狹窄，嚴(yán)重阻礙了我國無芒雀麥的育種進(jìn)程[6]。因此，對部分具有優(yōu)良性狀的品種或品系進(jìn)行遺傳變異分析，找到一些遺傳力較高的親本，利用雜交手段對無芒雀麥進(jìn)行品種培育，將對無芒雀麥育種工作產(chǎn)生重要意義。

種質(zhì)資源多樣性是品種改良的基礎(chǔ)，農(nóng)藝性狀尤其是產(chǎn)量性狀作為評價種質(zhì)資源優(yōu)劣的重要性狀，多數(shù)為數(shù)量性狀遺傳，由微效多基因控制，易受環(huán)境因素影響[7]。通過表型性狀對物種進(jìn)行分類和鑒定，具有簡單、直觀、快速等優(yōu)點(diǎn)，是研究種質(zhì)資源多樣性的直接途徑[8]。目前，對于無芒雀麥的研究主要集中在栽培技術(shù)及生理生態(tài)方面，關(guān)于種質(zhì)資源的研究較少，國內(nèi)外學(xué)者主要從形態(tài)學(xué)標(biāo)記[9-10]和DNA分子標(biāo)記[11-20]等方面對無芒雀麥進(jìn)行遺傳多樣性研究，其結(jié)果均表明無芒雀麥種間遺傳變異豐富，表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性。

本研究以國內(nèi)外93份無芒雀麥種質(zhì)資源為研究對象，對10個產(chǎn)量性狀進(jìn)行調(diào)查，利用表型變異、多樣性指數(shù)、聚類和主成分分析等方法，綜合評價了無芒雀麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，旨在為無芒雀麥雜交育種和種質(zhì)資源搜集、保存及創(chuàng)新利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地位于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草地所試驗基地(43°31′N，124°58′E)。年均降雨量450～650 mm，多集中在6—8月，無霜期144 d。土壤有機(jī)質(zhì)含量為2.72%、全N為0.15%、全P2O5為0.14%、速效N為0.107 4 mg·g-1、速效P2O5為0.023 8 mg·g-1，總孔隙度48.64%，容重1.20 g·cm-3。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗材料

供試無芒雀麥種質(zhì)材料93份，從中國農(nóng)科院畜牧獸醫(yī)研究所引進(jìn)種質(zhì)材料51份，從國家牧草種質(zhì)中期庫引進(jìn)13份，從國家牧草種質(zhì)長期庫引進(jìn)17份，從其他各地采集與引進(jìn)12份。其中，育成品種有公農(nóng)無芒雀麥、烏蘇1號無芒雀麥、奇臺無芒雀麥、錫林郭勒緣毛雀麥、“五一”無芒雀麥，其他為引進(jìn)及野生種質(zhì)材料。詳見表1。

表1 93份無芒雀麥種質(zhì)資源

1.2.2試驗設(shè)計

試驗材料于2012年5月10日進(jìn)行人工條播，播量為2.25 g·m-2，行距為0.3 m，小區(qū)間隔1 m，面積為6 m2(3 m×2 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。生長期間進(jìn)行人工除雜草。

1.2.3測定指標(biāo)及方法

根據(jù)《中國牧草手冊》[1]和《無芒雀麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[21]的描述，測定93份無芒雀麥種質(zhì)材料的10個產(chǎn)量性狀，包括：株高、穗長、莖粗、節(jié)數(shù)、葉長、葉寬、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、莖重、葉重。鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量于播種當(dāng)年及第2年，連續(xù)測定2年，其他性狀于播種第2年測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的表型多樣性分析

通過對各性狀的表型變異進(jìn)行分析(表2)，結(jié)果表明，93份無芒雀麥種質(zhì)資源的主要表型性狀變異豐富。10個產(chǎn)量性狀的變異系數(shù)平均值為14.277%，其中莖重的變異系數(shù)最大，為30.889%，葉重的變異系數(shù)最小，為7.908%。各性狀的遺傳多樣性指數(shù)平均值為2.06，其中莖重的遺傳多樣性指數(shù)最大，為2.197，穗長的遺傳多樣性指數(shù)最小，為1.970。

表2 93份無芒雀麥產(chǎn)量性狀的描述統(tǒng)計分析

2.2 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的相關(guān)性分析

由表3可知，各性狀之間存在一定的相關(guān)性。其中，鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量分別與株高、莖粗和莖重呈顯著正相關(guān)，與葉重呈極顯著正相關(guān)，說明株高、莖粗、葉重和莖重等4個性狀對無芒雀麥草產(chǎn)量影響較大。株高與穗長、莖重、節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)；穗長與莖粗、莖重呈極顯著正相關(guān)，與節(jié)數(shù)、葉重呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗與葉寬呈極顯著正相關(guān)，與節(jié)數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；節(jié)數(shù)與葉長、葉重呈極顯著正相關(guān)；葉長與葉寬呈極顯著正相關(guān)；其他性狀沒有顯著的相關(guān)性。

表3 93份無芒雀麥各性狀間的相關(guān)系數(shù)

2.3 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的聚類分析

采用Ward法對不同來源的93份無芒雀麥種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明，在歐氏平方距離為5時，可分為9個類群(圖1，表4)。第1類群包含17份材料，其中大部分來自俄羅斯。第2類群包含7份材料，其中5份來自國內(nèi)，2份來自俄羅斯。第3類群包含15份材料，其中大部分來自俄羅斯，該類群主要特征是鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、葉重在9個類群中表現(xiàn)最大。第4類群包含8份材料，其中6份來自國內(nèi)，2份來自蘇聯(lián)。第5類群包含13份材料，僅有一份來自國內(nèi)，其他12份來自國外，該類群主要特征是節(jié)數(shù)和莖重表現(xiàn)為最大。第6類群包含12份材料，其中10份來自國內(nèi)，2份來自于俄羅斯，該類群主要特征是株高表現(xiàn)為最大。第7類群包含6份材料，俄羅斯、加拿大和蘇聯(lián)各2份，該類群主要特征是穗長、莖粗、葉寬表現(xiàn)為最大。第8類群包含6份材料，主要來自俄羅斯、加拿大、蘇聯(lián)和中國，該類群主要特征是葉長表現(xiàn)為最大。第9類群包含9份材料，主要來自俄羅斯、加拿大和中國。

表4 無芒雀麥不同類群間描述統(tǒng)計分析

圖1 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的聚類分析

2.4 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的主成分分析

通過對無芒雀麥種質(zhì)材料的10個產(chǎn)量性狀進(jìn)行主成分分析(表5)，可以看到前4個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)75.55%，說明10個性狀的絕大部分相關(guān)信息可由這4個主成分來概括。第1主成分貢獻(xiàn)率最大，為23.514%，其對穗長和莖粗的貢獻(xiàn)較大，特征向量值分別為0.817和0.675；第2主成分貢獻(xiàn)率為19.937%，其對鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大，特征向量值分別為0.667和0.727；第3主成分貢獻(xiàn)率為18.590%，其對葉長和葉寬的貢獻(xiàn)較大，特征向量值分別為0.703和0.766；第4主成分貢獻(xiàn)率為13.509%，其對株高和節(jié)數(shù)的貢獻(xiàn)較大，特征向量值分別為0.777和0.579。

表5 無芒雀麥產(chǎn)量性狀的主成分分析

將93份無芒雀麥種質(zhì)材料的10個產(chǎn)量性狀標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值代入主成分方程式，計算主成分得分值列于表6中，通過4個主成分得分值以各主成分方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，計算得出每個樣本的綜合得分排序，得出綜合性狀排名前10位的無芒雀麥種質(zhì)材料依次為：74(加拿大的02102)、87(蘇聯(lián)的帕爾默02670)、22(甘肅銀川的野生材料)、86(蘇聯(lián)的北高加索00562)、69(俄羅斯斯維爾德洛夫斯克州的ZXY 2005 P-1120)、2(黑龍江的野生材料HNC 05 W-011)、77(加拿大的ZXY 2005 P-805)、53(俄羅斯庫爾干的ZXY 2005 P-1211)、72(加拿大的圣布拉斯00516)、8(黑龍江的野生材料)。

表6 93份無芒雀麥產(chǎn)量性狀綜合排名

3 討 論

3.1 93份無芒雀麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性

遺傳多樣性研究是育種工作的基礎(chǔ)，充分挖掘種質(zhì)資源的遺傳變異和遺傳背景，可以為無芒雀麥的育種工作提供理論基礎(chǔ)。植物的表型性狀是研究植物遺傳多樣性最基礎(chǔ)的方法，表型性狀的變異通?？蔀檫z傳變異提供重要線索[22]。本研究通過對93份無芒雀麥種質(zhì)資源表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)這些種質(zhì)資源的主要表型性狀變異豐富，表明無芒雀麥具有較高的遺傳多樣性。郝峰等[9]通過對132份不同來源的無芒雀麥材料進(jìn)行農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析，指出不同來源的材料間存在很大遺傳差異，表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性。宋旭紅等[15]、宋薇等[16]、田青松等[17]的研究同樣表明，雀麥在屬的水平和種的水平都具有豐富的遺傳變異，并且種內(nèi)變異是雀麥遺傳多樣性的主要來源。在93份材料的表型多樣性分析中，莖重、節(jié)數(shù)、葉寬的變異系數(shù)較大，表明這些性狀具有較高的變異潛力，在育種工作中可提供較廣泛的選擇范圍。表型性狀的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，來源于新疆不同地區(qū)的苜蓿葉片指標(biāo)的變異較大[23]，而在披堿草屬野生居群表型多樣性研究中，也存在葉片指標(biāo)變異大的現(xiàn)象[24]。說明無論是豆科牧草還是禾本科牧草，其葉片性狀受環(huán)境影響都比較大。

3.2 93份無芒雀麥種質(zhì)資源的聚類分析

多個性狀的聚類分析能夠更加客觀地體現(xiàn)種質(zhì)材料間的親緣關(guān)系，育種者可根據(jù)性狀聚類特點(diǎn)進(jìn)行雜交組合，進(jìn)而篩選出性狀突出的材料進(jìn)行新品種選育。本文聚類分析將全部材料劃分為9大類，性狀表現(xiàn)相似的材料聚為一類，這些聚為一類的材料既有原產(chǎn)地相同的也有原產(chǎn)地不同的，說明材料的地理起源可能在一定程度上影響其性狀特性，但并不是起決定作用，不同種無芒雀麥的生長特性主要與其對種植地的適應(yīng)能力有關(guān)。張鳳霞等[18]利用RAPD分子標(biāo)記技術(shù)對12個無芒雀麥種群進(jìn)行遺傳多樣性分析，聚類結(jié)果顯示，部分種群間的遺傳距離與地理距離有一定的相關(guān)性，但也有例外，這可能與人類的廣泛栽培加大了種群間的基因交流有關(guān)。郝裕輝等[19]的研究也得到同樣的結(jié)論。張雪等[20]通過對25份無芒雀麥種質(zhì)資源進(jìn)行ISSR分析，結(jié)果供試材料被分成五大類群，并且聚類分析結(jié)果與供試材料的地理位置信息基本一致，研究結(jié)果與其稍有不同。農(nóng)藝性狀作為育種過程中的選擇目標(biāo)，極易受到外界環(huán)境因素干擾，因此反映自身的遺傳信息有限，導(dǎo)致聚類結(jié)果可能出現(xiàn)偏差，這也是本文試驗結(jié)果與前人分類結(jié)果不一致的主要原因之一。周艷春等[6]利用SNP標(biāo)記對93份無芒雀麥種質(zhì)材料進(jìn)行全基因組掃描，通過對10個產(chǎn)量性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，共篩選到247個核心SNP標(biāo)記。在充分結(jié)合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用分子標(biāo)記技術(shù)可充分挖掘各種質(zhì)材料的育種潛力，為無芒雀麥品種改良提供更加可靠的依據(jù)。

3.3 93份無芒雀麥種質(zhì)資源的主成分分析

通過比較各個材料主成分值大小，可了解不同物種及樣本之間存在的差異[25-26]，根據(jù)生產(chǎn)上不同需要對材料進(jìn)行篩選，來確定其各自的應(yīng)用價值[27]。本研究對10個無芒雀麥產(chǎn)量性狀的主成分分析發(fā)現(xiàn)，前4個主成分對表型變異的累計貢獻(xiàn)率達(dá)75.55%。根據(jù)各個主成分的特征向量值，可將4個主成分分為二大類，其中第1、3主成分和第4主成分對穗長、株高、葉長和葉寬的貢獻(xiàn)較大，可作為植株長勢構(gòu)成因子；而第2主成分則對鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較大，可作為植株產(chǎn)量構(gòu)成因子。在測定的10個性狀中，穗長、莖粗、莖重、葉長、葉寬、株高具有較大載荷量，表明這些性狀是造成93份無芒雀麥草產(chǎn)量差異的主要因素，而相關(guān)性分析也表明鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量分別與株高、莖粗和莖重呈顯著正相關(guān)，說明通過增加株高、莖粗和莖重可顯著提高無芒雀麥的草產(chǎn)量。這與柴來智[28]和任繼周[29]的研究結(jié)論一致。劉娟等[10]對采自內(nèi)蒙古地區(qū)的23份雀麥屬材料進(jìn)行表型和種子醇溶蛋白遺傳多樣性研究，主成分分析表明，前4個主成分反映總信息量的80.695%，高于本文主成分分析結(jié)果，這可能與測定指標(biāo)和樣本容量大小不同有關(guān)。同時指出各材料性狀的主要變異來源于株高、穗長、小穗數(shù)、小花數(shù)等 9 個表型性狀。因此，以提高牧草產(chǎn)量為育種目標(biāo)，應(yīng)優(yōu)先考慮對株高性狀的選擇。

4 結(jié) 論

本試驗研究表明，從國內(nèi)外引進(jìn)的93份無芒雀麥種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。其中，種質(zhì)74、87、22、86、69、2、77、53、72、8的綜合得分較高，可作為育種的優(yōu)良親本材料。