76份老芒麥種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀綜合評價

曾翰國，岳佳銘，張曙恒，衣 琨，衛(wèi) 凱，楊雙鳳，劉桂霞，李曼莉*, 楊春華

(1.中國農(nóng)業(yè)大學草業(yè)科學與技術(shù)學院，北京 100193; 2.河北大學生命科學學院，河北 保定 071002)

老芒麥(ElymussibiricusL.)，別名西伯利亞野麥草(Siberian wildrye)，是多年生、自花授粉的異源四倍體植物，是披堿草屬(ElymusL.)植物的模式種[1-2]。老芒麥在北半球溫帶地區(qū)分布較廣，是歐亞大陸的廣布種[3]，在我國主要分布在西藏、青海、甘肅、四川、新疆、內(nèi)蒙古、河北等省區(qū)[4]，由于生境多樣，我國的老芒麥形成了多樣的遺傳資源[5]。在青藏高原的亞高山草甸地區(qū)，老芒麥作為一種重要飼草在草地畜牧業(yè)中發(fā)揮了巨大作用，近年來，已經(jīng)成為青藏高原地區(qū)栽培利用最為廣泛的當家草種之一[6]。老芒麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和對寒冷干旱氣候的良好適應性及良好的抗旱性[5，7-8]，可用于放牧、人工草地建植以及牧草改良、育種，在草地治理、種草養(yǎng)畜等方面同樣具有重要作用。

我國對老芒麥的研究主要分為栽培和植物生理生態(tài)，而對種質(zhì)資源的研究多集中其生理變化[5,9-10]。種質(zhì)資源多樣性分析是基因挖掘與利用的基礎(chǔ)。對老芒麥種質(zhì)資源的研究主要包括DNA分子標記[11]、蛋白質(zhì)水平[2]、細胞水平[12]及表型分析[13-14]，其中表型研究最為廣泛和深入[3]。吳瑞等[13]以國審登記品種‘青牧1號’和‘同德’老芒麥為對照，研究了青藏高原不同生態(tài)區(qū)域采集的11份老芒麥種質(zhì)資源的種子產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀，研究發(fā)現(xiàn)單序籽粒數(shù)、種子長、小穗數(shù)、穗長和單序籽粒重與種子產(chǎn)量顯著正相關(guān)，其中單序籽粒數(shù)與種子產(chǎn)量間的正相關(guān)性最大，且其對種子產(chǎn)量增產(chǎn)的直接效應最大，可作為種用型老芒麥種子產(chǎn)量評價的關(guān)鍵性狀。黃帆等[5]對多個地區(qū)的老芒麥資源的8個形態(tài)性狀進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)老芒麥種質(zhì)資源遺傳變異豐富，葉舌長度、葉長、小穗長及小花數(shù)等性狀是造成老芒麥表型差異的主要因素。目前，利用種質(zhì)產(chǎn)量農(nóng)藝性狀選育老芒麥的研究報道較少。本研究通過對76份老芒麥種質(zhì)資源進行了表型性狀的評價和多樣性分析，并通過相關(guān)性分析、因子分析、聚類分析等，綜合評價了種質(zhì)資源，以期為河北省半干旱大陸季風氣候區(qū)域老芒麥的種質(zhì)創(chuàng)新和品種選育提供優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

實驗地位于河北省豐寧縣魚兒山鎮(zhèn)魚兒山牧場中國農(nóng)業(yè)大學實驗站(東經(jīng)140°16′，北緯41°44′，海拔1 460 m)。該地屬于半干旱大陸季風氣候帶，年平均氣溫為0.5℃，夏季氣溫平均是17.4℃，≥10℃積溫為1 513.1℃，無霜期有85 d，全年降水量為366.93 mm。種植前土壤有機質(zhì)含量為27.63 g·kg-1、速效氮含量為20.58 mg·kg-1、速效磷含量為10.40 m·kg-1、速效鉀含量為53.25 mg·kg-1。

1.2 材料

76份老芒麥供試種質(zhì)由全國畜牧總站牧草種質(zhì)資源保存中心提供(表1)，其中包括1個地方品種，1份引進品種，2個育成材料和3個栽培品種及69份野生種質(zhì)。

表1 供試老芒麥種質(zhì)材料來源信息

1.3 試驗設(shè)計

2019年7月4日采用條播方式進行播種，每列播種11份材料，最后一列播種10份材料，一共7列，共計76份種質(zhì)資源。兩列中間種植苜蓿作為保護行，行距為1 m。移栽當年成活后清除雜草1次，第2年進行中耕除草1次。

1.4 農(nóng)藝性狀指標

在2020年8月及2021年8月老芒麥成熟期各進行一次測定工作，每份種質(zhì)取1 m樣段用卷尺、游標卡尺等(±0.02 mm)測定農(nóng)藝性狀，測量參照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T2486-2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 披堿草屬》[15]中的方法進行。其中株高、穗長、莖粗、旗葉寬、單株葉片數(shù)和每個穗的小穗數(shù)隨機選取測定10個重復；小花數(shù)和單個小穗的種子數(shù)每個種質(zhì)隨機選取測定30個；樣段中所有生殖枝數(shù)表示生殖枝數(shù)。

1.5 隸屬函數(shù)

采用隸屬函數(shù)分析農(nóng)藝性狀，利用公式(1)計算各個指標的隸屬值[16]。

(1)

式中：Xi為指標測定值，Xmin和Xmax為所有參試材料某一指標的最小值和最大值。

此外，本研究隸屬函數(shù)為篩選優(yōu)秀種質(zhì)以及為聚類分析分類提供參考(詳見2.5 聚類分析)，結(jié)果分析中僅羅列排名前10及排名最后的10份種質(zhì)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019整理各性狀數(shù)據(jù)及隸屬函數(shù)分析，用Origin 2022進行正態(tài)性檢驗、表型變異分析，用SPSS Statistics 19.0進行因子分析，利用RStudio軟件包進行農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 老芒麥種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

2.1.1矩形頻率分布直方圖分析 將76份老芒麥種質(zhì)兩年的9個農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)進行矩形頻率分布直方圖展示(圖1)，柱狀條形圖展現(xiàn)每一性狀數(shù)據(jù)的分布情況，表示某一范圍內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率，曲線表示數(shù)據(jù)的正態(tài)分布曲線。從圖1可以直觀、快速看出9個纖維產(chǎn)量相關(guān)性狀數(shù)據(jù)呈現(xiàn)很好的正態(tài)分布，數(shù)據(jù)分布范圍較大，說明這76份老芒麥種質(zhì)資源的確存在廣泛的遺傳多樣性。株高、莖粗、葉片數(shù)、穗長、小穗數(shù)和種子數(shù)等6個農(nóng)藝性狀兩年間正態(tài)曲線的差異較?。黄烊~寬、生殖枝數(shù)和小花數(shù)兩年間正態(tài)曲線差異較大。

圖1 76份老芒麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀正態(tài)性檢驗

2.1.2變異系數(shù)分析 2020年及2021年測產(chǎn)的76份老芒麥種質(zhì)資源材料的變異分析結(jié)果表明(表2)，9個數(shù)量性狀變異系數(shù)的范圍為5.67%～84.60%，呈現(xiàn)出較大的變幅。生殖枝數(shù)的變異系數(shù)兩年均為最大，2020年為53.92%，變異幅度為21～464個；2021年生殖枝數(shù)的變異系數(shù)是84.60%，變幅為10～368個。小花數(shù)的變異系數(shù)兩年均為最小，2020年變異系數(shù)最小為7.55%，變化幅度為3～4個；2021年小花數(shù)變異系數(shù)最小為5.67%，變化范圍為2～4個。此外，莖粗、葉片數(shù)、穗長和種子數(shù)4個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)兩年表現(xiàn)較為一致：莖粗多數(shù)為1.7 mm，葉片數(shù)多為3～4片，穗長多數(shù)為15 cm及每個小穗多數(shù)有3粒種子。生殖枝數(shù)兩年差異較大，2021年變異系數(shù)較2020年上升30.72%；株高第二年出現(xiàn)下降5 cm，旗葉寬從2020年整體0.65 cm下降到2021年的0.45 cm；2020年小穗數(shù)多數(shù)為30個，2021年小穗數(shù)多數(shù)為25個。

表2 76份老芒麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀變異系數(shù)分析

2.2 相關(guān)性分析

老芒麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析結(jié)果表明，除葉片數(shù)與其他性狀呈負相關(guān)或較弱的正相關(guān)關(guān)系外，各性狀間呈正相關(guān)關(guān)系(圖2)。株高連續(xù)兩年與其他性狀呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；莖粗在2020年與2021年與穗長和小穗數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；葉片數(shù)2021年與旗葉寬呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；旗葉寬2020年與2021年均與小花數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，2020年與穗長和小花數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，2021年與種子數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；生殖枝數(shù)兩年均與小穗數(shù)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，2021年與穗長及種子數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；小花數(shù)、穗長、小穗數(shù)3個農(nóng)藝性狀兩年相關(guān)性結(jié)果均為兩兩之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。除莖粗外，其他8個農(nóng)藝性狀兩年數(shù)據(jù)之間均為極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

圖2 76份老芒麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

2.3 因子分析

對76份老芒麥種質(zhì)資源的9個農(nóng)藝性狀進行因子分析(表3)，2020年前3個主成分因子的特征值均大于1，其中主因子的累計貢獻率達到了68.679%，包含了9個農(nóng)藝性狀的絕大部分信息。因子1中莖粗(0.839)、穗長(0.892)和小穗數(shù)(0.808)性狀具有最大載荷；在因子2中生殖枝數(shù)、小花數(shù)和種子數(shù)具有最大載荷；因子3的株高、葉片數(shù)的特征值分別為0.668，0.893。

表3 76份老芒麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的因子分析

2021年前3個主成分因子的特征值均大于1，其中主因子的累計貢獻率達到了73.137%，包含了9個農(nóng)藝性狀的絕大部分信息。因子1中穗長、小穗數(shù)、株高、生殖枝數(shù)、莖粗具有最大載荷，分別為0.859，0.849，0.832，0.734，0.650；小花數(shù)和種子數(shù)的特征向量值在因子2上具有較大載荷，分別為0.908，0.818；因子3中葉片數(shù)(0.893)和旗葉寬(0.525)具有最大載荷。

2.4 隸屬性函數(shù)綜合評價

牧草產(chǎn)量性狀平均隸屬函數(shù)值排序分析發(fā)現(xiàn)(表4)，2020年牧草產(chǎn)量性狀綜合排名第一的是20號種質(zhì)，前3名種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值較為接近，均大于0.8；排名4～10名種質(zhì)隸屬函數(shù)值范圍在0.73～0.77之間。2021年牧草產(chǎn)量性狀綜合排名第一的是34號種質(zhì)，前3名種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值較為接近；4～10名老芒麥平均隸屬函數(shù)值范圍在0.61～0.63之間，此外20,27號及41號老芒麥兩年綜合排名均在前10名，牧草產(chǎn)量性狀相對較好且相對穩(wěn)定，且27號老芒麥的平局隸屬函數(shù)值較2020年上升3名。

表4 76份老芒麥種質(zhì)資源牧草產(chǎn)量性狀的隸屬函數(shù)值

種子產(chǎn)量綜合性狀隸屬函數(shù)分析結(jié)果顯示2020年種子產(chǎn)量性狀綜合排名第一的是8號種質(zhì)，平均隸屬函數(shù)值為0.84；2～10名的種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值范圍在0.64～0.74之間(表5)。2021年種子產(chǎn)量性狀綜合排名第一的是33號種質(zhì)，4～9名種質(zhì)平均隸屬函數(shù)值較為接近；第10名平均隸屬函數(shù)值為0.57。此外，8，13，27，33及41號老芒麥兩年綜合排名均在前10名，種子產(chǎn)量性狀相對較好且相對穩(wěn)定，2021年8號和13號老芒麥排名均下降7名，27號老芒麥相較2020年平均隸屬函數(shù)值排名下降兩名，33號和41號種質(zhì)排名分別上升8名和5名。

表5 76份老芒麥種質(zhì)資源種子產(chǎn)量性狀的隸屬函數(shù)值

2.5 聚類分析

將76份老芒麥種質(zhì)兩年農(nóng)藝性狀進行聚類分析劃分為三大類(圖3)，依據(jù)牧草農(nóng)藝性狀平均隸屬值和種子農(nóng)藝性狀平均隸屬值的排名分為優(yōu)勢類、良好類及后備類，前10的種質(zhì)一共23種，其中16份種質(zhì)分布在第Ⅰ類群，5份種質(zhì)分布在第Ⅱ類群，2份種質(zhì)分布在第Ⅲ類群；牧草農(nóng)藝性狀平均隸屬值和種子農(nóng)藝性狀平均隸屬值后10的種質(zhì)一共20種，其中沒有種質(zhì)分布在第Ⅰ類群，5份種質(zhì)分布在第Ⅱ類群，15份種質(zhì)分布在第Ⅲ類群。因此，第Ⅰ類群為優(yōu)勢類，共24份種質(zhì)(青海1份，河北1份，甘肅2份，北京6份，內(nèi)蒙古7份，新疆7份)；第Ⅱ類群為良好類，共27份種質(zhì)(青海1份，四川1份，山西1份，甘肅3份，內(nèi)蒙古4份，新疆8份，北京9份)；第Ⅲ類群為后備類，共25份種質(zhì)(俄羅斯1份，吉林1份，青海2份，四川2份，甘肅2份，內(nèi)蒙古2份，新疆3份，北京3份，山西9份)。

圖3 76份老芒麥種質(zhì)資源聚類圖

3 討論

3.1 種質(zhì)資源遺傳多樣性

我國老芒麥種質(zhì)資源豐富，但用于實際生產(chǎn)的老芒麥品種較少[3]，而新品種選育離不開種質(zhì)資源的收集和評價。目前，利用形態(tài)學多樣性對老芒麥種質(zhì)資源的研究較為廣泛和深入[3]。本試驗中9個農(nóng)藝性狀均滿足正態(tài)分布曲線，4個牧草產(chǎn)量性狀和3個種子產(chǎn)量性狀連續(xù)兩年變異系數(shù)大于10%，一般變異系數(shù)大于10%表示樣本間差異較大[17-19]，表明野生老芒麥種質(zhì)形態(tài)學性狀變異廣泛，其中與牧草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量相關(guān)的形態(tài)性狀變異較大，這與鄢家俊[12]的研究結(jié)果一致；農(nóng)藝性狀的正態(tài)分布及較大的變異幅度表明來自我國不同地區(qū)老芒麥種質(zhì)資源表型多樣性豐富，這與熊潮慧等[20]和黃帆等[5]的研究結(jié)果一致。

3.2 種質(zhì)資源相關(guān)性

相關(guān)系數(shù)反映了不同性狀之間的相關(guān)程度，可用于選擇多個相關(guān)性狀[21]。株高與莖粗及旗葉寬呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明植株越高，莖稈越粗，旗葉越寬。本研究結(jié)果表明，種子產(chǎn)量性狀小穗數(shù)與生殖枝數(shù)、小花數(shù)及穗長相互間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明小穗數(shù)越多，生殖枝就越多,小花數(shù)越多，穗也越長，這與吳瑞等[13]結(jié)果一致。李瑤等[14]對39份老芒麥種質(zhì)資源研究表明，株高與種子產(chǎn)量性狀中的花序長、穗長、小穗數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與小花數(shù)不相關(guān)，本研究株高與小花數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其他種子產(chǎn)量性狀和株高的相關(guān)性與前人研究結(jié)果一致，這可能與材料及栽培地差異有關(guān)，李瑤等[14]的39份材料中26份來自青海，種植于海拔580 m的干旱區(qū)，而本研究中青海的種質(zhì)僅4份，種植于海拔1 460 m的半干旱壩上高原區(qū)。張薈薈等[22]對不同區(qū)域采集的老芒麥種質(zhì)種植于新疆呼圖壁縣農(nóng)藝性狀調(diào)查，證明不同區(qū)域的材料對栽培地適應能力不同。

3.3 種質(zhì)資源因子分析

種質(zhì)資源相關(guān)性結(jié)果若表現(xiàn)為多對農(nóng)藝性狀之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，導致性狀間的聯(lián)系較為復雜，無法提供簡潔的規(guī)律，則應用因子分析方法[23]。因子分析作為一種多元分析方法，能夠分析變量之間相關(guān)系數(shù)矩陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而將多個相關(guān)變量綜合為少數(shù)幾個可以涵蓋原始變量的主因子[24]。本研究利用因子分析將76份老芒麥種質(zhì)資源9個農(nóng)藝性狀歸為3個因子，莖粗、穗長及小穗數(shù)連續(xù)兩年在因子1具有較高載荷量，穗長具有最大載荷量，因此因子1為穗長因子；小花數(shù)和種子數(shù)連續(xù)兩年在因子2具有較高載荷量，小花數(shù)是潛在的種子數(shù)量，故將因子2稱為種子數(shù)因子；因子3中葉片數(shù)連續(xù)兩年具有最大載荷量，因子3稱為葉片數(shù)因子。老芒麥穗長和種子數(shù)造成老芒麥表型差異的主要因素的結(jié)果與黃帆等[5]的研究結(jié)果一致。

3.4 種質(zhì)資源隸屬函數(shù)分析

隸屬函數(shù)進行多指標綜合評價，提高了種質(zhì)資源綜合評價的準確性，使試驗結(jié)果更加可靠[25]。本研究利用隸屬函數(shù)分析了種質(zhì)資源的種子產(chǎn)量農(nóng)藝性狀、牧草產(chǎn)量農(nóng)藝性狀，結(jié)合兩年數(shù)據(jù)共篩選出牧草產(chǎn)量性狀表現(xiàn)好的種質(zhì)3份，種子產(chǎn)量性狀表現(xiàn)好的種質(zhì)5份。此外，牧草產(chǎn)量性狀與綜合農(nóng)藝性狀的平均隸屬函數(shù)值2021年較2020年前10名下降，可能是2021年降雨量較多引起。研究表明淋溶會降低土壤肥力[26]，而土肥直接影響牧草產(chǎn)量和品質(zhì)[27]。第二年土壤肥力下降又未施肥，導致牧草產(chǎn)量性狀的下降，種質(zhì)資源間的差異減少。此外，對于老芒麥來說，一般第二年、第三年都會出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。

3.5 種質(zhì)資源聚類分析

聚類分析和隸屬函數(shù)分析是種質(zhì)資源綜合評價的必要手段，已在種質(zhì)資源研究中廣泛應用[18,25,28-31]。聚類分析將不同種質(zhì)劃分為3大類群，優(yōu)勢類群的來源地主要為內(nèi)蒙古和北京，山西的10份種質(zhì)9份屬于后備類群，可能與內(nèi)蒙古及北京地區(qū)與試驗地地理位置相近，山西與河北的氣候差異較大引起，林玲等研究表明氣候帶與海拔直接影響引種的成活與繁殖[32]。

3.6 老芒麥種質(zhì)資源的應用

高原特殊的自然條件，狂風暴雨頻發(fā)，常引起盛花期或灌漿期老芒麥倒伏[33]，影響種子產(chǎn)量。培育矮桿、莖粗品種，可以提高禾本科牧草的抗倒伏能力[34]，本研究中20與41號種質(zhì)莖粗的隸屬函數(shù)兩年評價都較高，43號種質(zhì)兩年的株高隸屬函數(shù)值均較低，可作為抗倒伏親本材料，與種子產(chǎn)量性狀綜合表現(xiàn)好的親本材料，共同培育抗倒伏且種子產(chǎn)量高老芒麥品種。

葉片中蛋白質(zhì)含量和礦物質(zhì)含量比莖中的高，葉片中的粗纖維含量要比莖中的低，所以葉片數(shù)越多，牧草的營養(yǎng)品質(zhì)也越好，適口性也好[35]。本研究中20，34，61，73號老芒麥的葉片數(shù)在兩年中均較多，可作為牧草品質(zhì)的培育的親本材料。

老芒麥旗葉影響其種子寬、穗重和百粒重，進而影響其種子活力和種子產(chǎn)量[36]，本研究同樣發(fā)現(xiàn)旗葉寬與種子產(chǎn)量農(nóng)藝性狀具有顯著相關(guān)性(圖2)。8號種質(zhì)隸屬函數(shù)兩年表現(xiàn)最佳(表4)，且種子產(chǎn)量農(nóng)藝性狀平均隸屬函數(shù)均在前10名(表5)，說明旗葉寬可能影響種子產(chǎn)量，因此，旗葉寬隸屬函數(shù)較好的28，63，64號種質(zhì)可作為培育高產(chǎn)種子牧草的親本材料。

4 結(jié)論

本研究的76份老芒麥種質(zhì)資源在壩上地區(qū)均正常生長發(fā)育，且具有豐富的遺傳多樣性。20，27，41號種質(zhì)的牧草產(chǎn)量農(nóng)藝性狀評價最佳，可以作為培育牧草生產(chǎn)品種的親本材料；編號為8，13，20，27及41種質(zhì)的種子產(chǎn)量農(nóng)藝性狀評價最佳，可以作為種子產(chǎn)量生產(chǎn)品種的親本材料或后備核心種質(zhì)。