基于表型性狀的羊草遺傳多樣性評(píng)價(jià)

侯向陽(yáng)， 白烏云

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 晉中 030801； 2.內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022； 3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010010)

羊草(Leymuschinensis)是禾本科賴草屬多年生根莖型牧草，是歐亞草原東部半干旱草原優(yōu)勢(shì)種之一，是草甸草原的主要建群種和優(yōu)勢(shì)種，典型草原和鹽生草甸的優(yōu)勢(shì)種，荒漠草原的恒有種，也是建植人工草地和治理鹽堿化草地的理想草種[1]。羊草在不同生境中廣泛分布，生境生態(tài)地理?xiàng)l件復(fù)雜多樣，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，具有高遺傳多樣性的環(huán)境基礎(chǔ)；但以無(wú)性繁殖為主的繁殖格局可能限制羊草遺傳多樣性。申俊芳等[2]認(rèn)為，羊草不同基因型間具有類似于物種間的生態(tài)位互補(bǔ)效應(yīng)，能提高羊草種群對(duì)干擾的抗性?？紫檐姷萚3]認(rèn)為，較高的遺傳多樣性是羊草抗寒、耐旱、耐鹽堿等多重抗逆性的遺傳基礎(chǔ)。種內(nèi)遺傳多樣性是物種以上水平多樣性的重要基礎(chǔ)，也決定物種進(jìn)化潛力和抵御干擾的能力。氣候暖干化、過(guò)度放牧、土壤鹽堿化和生境破碎化嚴(yán)重影響我國(guó)北方羊草草原區(qū)，羊草遺傳多樣性面臨嚴(yán)重威脅[4]。

研究遺傳多樣性不僅可以揭示物種或居群的進(jìn)化歷史及未來(lái)進(jìn)化方向，而且在保護(hù)遺傳基因資源、生物資源開(kāi)發(fā)與可持續(xù)利用乃至世界糧食安全方面均具有重要意義。羊草適口性好、耐牧，是重要的飼用草和生態(tài)草[5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者主要關(guān)注羊草種質(zhì)資源收集和抗逆性能評(píng)價(jià)[6-7]、生產(chǎn)性能及栽培技術(shù)研究[8-9]，但基于性狀的遺傳多樣性評(píng)價(jià)研究，特別是根莖克隆繁殖性狀的遺傳多樣性研究仍顯不足。基于性狀的遺傳多樣性評(píng)價(jià)對(duì)于合理利用羊草種質(zhì)資源、綜合評(píng)價(jià)親本、推動(dòng)牧草育種及種質(zhì)創(chuàng)新均具有重要意義，也是探索羊草大尺度長(zhǎng)期適應(yīng)機(jī)制研究的基礎(chǔ)工作。

本文以不同地理來(lái)源66份羊草為試驗(yàn)材料，在同質(zhì)園栽培條件下，研究羊草質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的遺傳多樣性，并繪制了羊草遺傳多樣性地理分布圖，以期為羊草遺傳多樣性保護(hù)和羊草種質(zhì)資源合理開(kāi)發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)從中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所羊草種質(zhì)資源圃中選取不同地理來(lái)源66份羊草作為試驗(yàn)材料，采樣地理范圍為35°31′～49°47′ N，102°45′～124°31′ E(圖1)，海拔9～2 000 m。羊草采樣點(diǎn)年平均氣溫-2.1～13.3℃，年平均降水量166.6～695.6 mm。不同采樣點(diǎn)之間的平均距離為621.02 km，最短距離為29.80 km，最遠(yuǎn)為1 967.58 km[10]。

本試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)試驗(yàn)示范基地進(jìn)行(圖1)。試驗(yàn)基地位于呼和浩特市土默特左旗沙爾沁鄉(xiāng)(40°34′～40°35′ N，111°45′～111°47′ E，海拔1 055 m)，地處大青山與和林格爾丘陵之間的廣闊平原地區(qū)，屬于半干旱大陸性氣候，年平均降水量為400 mm左右，年平均氣溫為5.6℃，≥10℃的積溫為2 700℃以上[10]。試驗(yàn)地土壤為淡栗鈣土和草甸土，中沙土壤，試驗(yàn)地0～60 cm土層平均指標(biāo)為：pH8.46，電導(dǎo)率0.101 mS·cm-1，全氮含量1.059%，全鉀含量1.85%，銨態(tài)氮含量4.138 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量1.97 mg·kg-1，速效鉀含量82.16 mg·kg-1(國(guó)家土壤質(zhì)量呼和浩特觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站提供)[11]。

圖1 羊草采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Diagram of sampling sites distribution of L. chinensis

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

土壤條件均勻、平坦的長(zhǎng)方形試驗(yàn)地，經(jīng)秋、春兩次機(jī)械和人工處理后，分隔成若干個(gè)5 m×5 m的生長(zhǎng)小區(qū)。為消除邊緣效應(yīng)，試驗(yàn)地四邊各留5 m空地。2018年4月21日待羊草返青展葉后，用直徑為7.5 cm的不銹鋼移苗器挖取羊草，每個(gè)羊草3個(gè)重復(fù)，挖取深度為25 cm，挑選長(zhǎng)勢(shì)接近的均有4～5片葉子、須根完整、帶一節(jié)短根莖、無(wú)抽穗跡象的母株[10]，按完全隨機(jī)設(shè)計(jì)帶土移栽至各小區(qū)中心位置，覆土壓實(shí)，立即澆水，之后每周澆1次水，共澆水4次，確保成活。成活后，不施肥、不灌溉，適時(shí)鋤雜草，統(tǒng)一管理[10]。

移栽一周后，記錄成活母株數(shù)，記錄第一個(gè)根莖子株出土日期，抽穗期記錄抽穗母株數(shù)，計(jì)算母株抽穗率(Heading rate，HR)[12]。2018年8月初，記錄葉長(zhǎng)(Leaf length，LL)、葉寬(Leaf width，LW)、株高(Plant height，PH)和莖長(zhǎng)(Stem length，SL)[13]，并計(jì)算葉片大小(LW×LL)和葉長(zhǎng)寬比(LL/LW)。2018年9月末，記錄母株叢中的分蘗子株數(shù)和從母株叢向外擴(kuò)展的根莖子株數(shù)(Number of extravaginal ramets，NER)，并計(jì)算母株分蘗倍數(shù)(Multiple of genets through tillering，MT)、克隆生長(zhǎng)率(Clonal growth rate，CGR)[14]和母株根莖擴(kuò)展增加倍數(shù)(Multiple of genets through rhizome extension，MR)[10]。同時(shí)記錄根莖擴(kuò)展方向數(shù)(Number of rhizome extension directions，NED)、各方向上的擴(kuò)展距離、單向最大距離(Maximum one-direction extended distance，MED)，并計(jì)算累積擴(kuò)展距離(Accumulated extended distance，AED)、擴(kuò)展距離(Extended distance，ED)和擴(kuò)展面積(Extended area，EA)[1,10]。2018年8月初，無(wú)干旱脅迫、日照不強(qiáng)烈天氣條件下，記錄羊草葉色、葉片軟硬(相對(duì)觸感)、葉片卷曲、葉片生長(zhǎng)習(xí)性和銹病情況等質(zhì)量性狀[15]。移栽一年時(shí)(2019年4月末)，羊草返青展葉后再次記錄根莖子株數(shù)，計(jì)算根莖株跨年增加倍數(shù)(Multiple of NER after a dormancy period，MRD)[10]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀的遺傳多樣性

羊草5個(gè)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)平均為0.861，由大至小依次為:銹病發(fā)生程度(1.341)>葉片軟硬(1.078)>葉片卷曲(1.021)>葉色(0.494)>葉片生長(zhǎng)習(xí)性(0.369)。試驗(yàn)羊草中灰綠型羊草占絕大多數(shù)(占86.3%)，葉片的生長(zhǎng)習(xí)性多為斜上舉型(占87.9%)，但在銹病發(fā)生程度、葉片軟硬和葉片卷曲方面差異較大，遺傳多樣性相對(duì)較高(表1)。

表1 羊草種質(zhì)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性(H′)Table 1 Genetic diversity (H′) of qualitative traits of L. chinensis germplasms

2.2 數(shù)量性狀的遺傳多樣性

供試66份羊草種質(zhì)17個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性分析結(jié)果見(jiàn)表2。葉長(zhǎng)寬比(LL/LW)的遺傳多樣性最高，為1.518；根莖單向最大擴(kuò)展距離(MRD)的遺傳多樣性最低，為0.632。遺傳多樣性指數(shù)由大至小依次為：LL/LW>ED>HR>PH>LW×LL>SL>LL>MED>LW>AED>MT>EA>CGR>NER>MR>MRD。17個(gè)數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)平均值為1.257，13個(gè)性狀的多樣性指數(shù)大于平均值，說(shuō)明所研究的多數(shù)性狀具有豐富的遺傳多樣性，羊草遺傳基礎(chǔ)廣、差異大。

表2 羊草種質(zhì)數(shù)量性狀的遺傳多樣性(H′)Table 2 Genetic diversity (H′) of quantitative traits of L. chinensis germplasms

2.3 羊草遺傳多樣性的地理分布

羊草遺傳多樣性的地理分布(表3和圖2)顯示，內(nèi)蒙古中部地區(qū)46°～42°N，114°～118°E范圍內(nèi)羊草遺傳多樣性最高，其次為50°～46°N，102°～106°E，而50°～46°N，122°～126°E范圍內(nèi)羊草遺傳多樣性相對(duì)最低。

表3 羊草種質(zhì)遺傳多樣性(H)的地理分布Table 3 Geographical distribution of genetic diversity (H) of L. chinensis

圖2 羊草種質(zhì)遺傳多樣性(H)的地理分布Fig.2 Geographical distribution of genetic diversity (H) of L. chinensis germplasms

3 討論

近30多年來(lái)，分子標(biāo)記技術(shù)快速發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于羊草遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育研究中[18-19]。分子標(biāo)記技術(shù)雖然在分析羊草遺傳多樣性方面有顯著優(yōu)勢(shì)，但往往受種群或基因型數(shù)量限制，不能取代基于大量種質(zhì)材料的形態(tài)學(xué)分析[20]。本文基于形態(tài)學(xué)分析進(jìn)行了羊草遺傳多樣性評(píng)價(jià)，對(duì)于形態(tài)變異較大、遺傳變異較小的羊草[21]，先進(jìn)行表型選擇，再進(jìn)行分子標(biāo)記與表型選擇相結(jié)合的遺傳多樣性評(píng)價(jià)是必要的。

本研究發(fā)現(xiàn)數(shù)量性狀的遺傳多樣性高于質(zhì)量性狀，與徐夙俠[21]的研究結(jié)果相一致。植物遺傳多樣性受很多因素影響，如Yuan等[22]研究表明，野生羊草種群的遺傳多樣性高于移栽種群。本文研究發(fā)現(xiàn)即使在栽培條件下，羊草不同性狀具有較高的遺傳多樣性，由此可以推斷在野外條件下，羊草遺傳多樣性可能更高。本文發(fā)現(xiàn)，羊草數(shù)量性狀中株高、葉片大小、擴(kuò)展距離、葉長(zhǎng)、分蘗株數(shù)等性狀的遺傳多樣性相對(duì)較高，這與Liu等[15]研究結(jié)果相一致。一般認(rèn)為，無(wú)性繁殖力強(qiáng)的植物其種群多為遺傳單態(tài)[23]，然而日漸增多的研究表明，克隆植物種群中存在大量遺傳多樣性[24-25]，表明我們對(duì)克隆植物遺傳多樣性格局的認(rèn)識(shí)仍很不充分，應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵植物種遺傳多樣性及其成因研究。

羊草遺傳多樣性地理分布分析發(fā)現(xiàn)，羊草遺傳多樣高的區(qū)域海拔相對(duì)較高、年均溫相對(duì)較低、年均降水量相對(duì)較少，更重要的是平均溫度和平均降水量的變化范圍相對(duì)較大，可見(jiàn)，水熱條件導(dǎo)致的環(huán)境異質(zhì)性可能對(duì)羊草遺傳多樣性具有一定影響。羊草遺傳多樣性最豐富的區(qū)域?yàn)殄a林郭勒盟中西部地區(qū)，該區(qū)是我國(guó)四大牧區(qū)之一的內(nèi)蒙古牧區(qū)的核心區(qū)域，長(zhǎng)期以草地放牧畜牧業(yè)為主；羊草遺傳多樣性最低的區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古扎蘭屯市與黑龍江省接壤的草地向森地的過(guò)渡帶和草地農(nóng)田過(guò)渡帶，該區(qū)域土地利用變化大、城市化速度較快[26]。全球氣候變化、土地利用變化、過(guò)度放牧和土壤鹽漬化日益加重導(dǎo)致的草地退化使羊草遺傳多樣性降低[15]。在自然和人為雙重干擾下，羊草種質(zhì)資源遺傳多樣性面臨嚴(yán)重威脅[27]，應(yīng)重視羊草等草地植物優(yōu)勢(shì)種遺傳多樣性的保護(hù)。

4 結(jié)論

本文以不同地理來(lái)源66份羊草為試驗(yàn)材料，在同質(zhì)園栽培條件下，基于17個(gè)表型和繁殖相關(guān)性狀，計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，分析羊草遺傳多樣性地理分布，結(jié)果標(biāo)明：羊草不同性狀的遺傳多樣性差異較大，數(shù)量性狀的遺傳多樣性高于質(zhì)量性狀；5個(gè)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)平均為0.861，其中銹病發(fā)生程度遺傳多樣性最高；17個(gè)數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)平均為1.257，其中葉長(zhǎng)寬比遺傳多樣性最高；內(nèi)蒙古中部地區(qū)46°～42° N,114°～118° E是羊草遺傳多樣性分布中心，也是羊草遺傳多樣性保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。