中國(guó)野生老芒麥形態(tài)多樣性研究與種質(zhì)利用潛力分析

李春艷，王艷2，李欣瑞，3，李英主，李明峰，2，陳麗麗，雷雄，閆利軍，游明鴻，季曉菲，張昌兵，吳婍，茍文龍，李達(dá)旭，鄢家俊，白史且

（1. 四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611743；2. 西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041；3. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科技學(xué)院，四川 成都 611130）

老芒麥（Elymus sibiricus）是禾本科小麥族披堿草屬（Elymus）的模式植物，廣泛分布于我國(guó)東北、華北、西北以及青藏高原等地區(qū)［1-2］。因其優(yōu)良的牧草品質(zhì)和極強(qiáng)的抗逆性，是我國(guó)青藏高原地區(qū)重要的栽培牧草和生態(tài)修復(fù)草種［3-4］。由于廣泛的分布范圍和豐富的生境類型，使得野生老芒麥種質(zhì)具有極為豐富的形態(tài)多樣性，潛藏很多優(yōu)良種質(zhì)，具有很大的開(kāi)發(fā)利用潛力［5-7］。

目前，對(duì)老芒麥遺傳多樣性的研究主要從形態(tài)學(xué)水平、蛋白質(zhì)水平和基因水平較為多見(jiàn)［8］。形態(tài)學(xué)標(biāo)記是遺傳多樣性分析的重要和基本方法［9-10］，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便、直觀，且所需成本較低，結(jié)合數(shù)量遺傳學(xué)分析方法能夠在短期內(nèi)對(duì)研究對(duì)象有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。尹婷婷等［11］對(duì)來(lái)自新疆、西藏、青海的59 份老芒麥種質(zhì)資源進(jìn)行了形態(tài)學(xué)的研究。賈振宇［12］對(duì)34 份老芒麥種質(zhì)進(jìn)行了形態(tài)學(xué)方面的鑒定評(píng)價(jià)。鄭玉瑩［13］對(duì)甘肅省南部地區(qū)的200 份野生老芒麥種質(zhì)進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的多樣性分析。雖然這些研究也在一定程度上表明了老芒麥野生種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性背景，但所涉及的老芒麥種質(zhì)主要集中在相對(duì)較小的采集范圍，且研究樣本量小，生態(tài)類型相對(duì)單一。而對(duì)我國(guó)大尺度范圍內(nèi)野生老芒麥種質(zhì)的形態(tài)多樣性研究鮮有報(bào)道，這使得我國(guó)野生老芒麥種質(zhì)的形態(tài)多樣性狀況還不夠明確，并且很多優(yōu)異的野生老芒麥種質(zhì)難以被發(fā)掘和利用。因此，本研究通過(guò)對(duì)采自我國(guó)野生老芒麥主要分布區(qū)域、生態(tài)類型豐富的104 個(gè)居群520 份材料開(kāi)展23 個(gè)形態(tài)指標(biāo)的觀測(cè)與遺傳多樣性分析，旨在從形態(tài)學(xué)上檢測(cè)我國(guó)野生老芒麥居群的遺傳多樣性背景，揭示其遺傳多樣性分布格局，分析表型性狀變異特征與地理環(huán)境之間的關(guān)系，為老芒麥的生態(tài)適應(yīng)性研究和我國(guó)野生老芒麥居群保護(hù)策略的制定提供理論依據(jù)。同時(shí)，依據(jù)野生老芒麥種質(zhì)的形態(tài)變異特征，挖掘不同類型野生種質(zhì)利用潛力，篩選出在育種中具有開(kāi)發(fā)利用潛力的優(yōu)異新種質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料篩選了來(lái)自東北、華北、西北及青藏高原地區(qū)的104 個(gè)居群共計(jì)520 份野生老芒麥材料，由四川省草原科學(xué)研究院提供，材料分布如圖1 所示。

圖1 供試材料居群地理分布Fig.1 Population geographic distribution of tested materials

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

所有供試材料于2018年10 月在四川省草原科學(xué)研究院大邑縣韓場(chǎng)鎮(zhèn)試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行盆栽育苗。2019年5月將盆栽材料移栽至四川省草原科學(xué)研究院位于阿壩藏族羌族自治州紅原縣的育種基地，所有形態(tài)學(xué)性狀觀測(cè)在該基地完成，基地概況如下：N 32°46′37″，E 102°32′38″，海拔3500 m；年均溫1.4 ℃，最熱月均溫10.8 ℃，最冷月均溫-9.9 ℃，極端最高溫23.6 ℃，極端最低溫-33.5 ℃，年降水量769.2 mm，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。試驗(yàn)地土壤為高山草甸土，pH 為6.6。移栽前對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行翻整處理。每份種質(zhì)材料種植于1 個(gè)小區(qū)，每小區(qū)30 株，單株種植，株距、行距均為30 cm。移栽成活后對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行常規(guī)田間管理。于2020年開(kāi)始測(cè)定所有供試材料的形態(tài)學(xué)性狀。

1.3 觀測(cè)項(xiàng)目及方法

測(cè)定指標(biāo)依據(jù)《老芒麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》［14］進(jìn)行觀測(cè)并記錄。測(cè)定時(shí)從各小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5 株材料進(jìn)行表型性狀調(diào)查，每個(gè)單株的每個(gè)性狀隨機(jī)選取10 個(gè)分蘗測(cè)定。

1.3.1 數(shù)量性狀測(cè)定 開(kāi)花期測(cè)定株高、旗葉長(zhǎng)寬、倒二葉長(zhǎng)寬、莖粗、莖節(jié)數(shù)、分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、鮮重、干重，乳熟期測(cè)定穗長(zhǎng)、穗寬、小穗數(shù)及芒長(zhǎng)等穗部性狀。旗葉指從上往下的第一片葉子，倒二葉片指從地下往上的第二片葉子，葉寬的測(cè)定部位為葉片的最寬處。莖粗測(cè)定部位為旗葉下面1 cm 處。齊地測(cè)量垂直高度，自生長(zhǎng)點(diǎn)以上數(shù)其莖節(jié)數(shù)。

1.3.2 質(zhì)量性狀測(cè)定 植株被粉：無(wú)被粉記為0，有被粉記為1。植株銹病：無(wú)記為0，少記為1，多記為2。葉片被毛：無(wú)記為0，疏記為1，密記為2。莖稈葉鞘小刺：無(wú)記為0，有記為1。葉色：淺綠記為1，中綠記為2，深綠記為3，灰綠記為4。穗色：淺紫紅色記為1、深紫紅色記為2、灰紫紅色記為3、青紫色記為4、杏紅色記為5、綠色記為6。莖稈葉鞘有無(wú)絨毛：無(wú)絨毛記為0、有絨毛記為1。抽穗特性：7 月15 日之后已抽穗的材料記為抽穗早，8 月20日左右已經(jīng)抽穗的材料記為抽穗晚，9 月之后沒(méi)有抽穗的記為沒(méi)有抽穗，不抽穗記為0、抽穗記為1。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2013、SPSS 軟件得到供試材料的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)（coefficient of variation，CV=平均值/標(biāo)準(zhǔn)差×100%）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果將全部材料每個(gè)性狀劃分為10 個(gè)等級(jí)，按第1 級(jí)［Xi＜（X-2 s）］到第10 級(jí)［Xi＞（X+2 s）］，式中：X為參試材料平均數(shù)，s為標(biāo)準(zhǔn)差，Xi為第i級(jí)中的平均數(shù)。每0.5 s 為1 級(jí)，每1 級(jí)的相對(duì)頻率（Pi）用于計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)（H）。遺傳多樣性指數(shù)計(jì)算公式為H=-∑PilnPi，式中：Pi為性狀第i級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比［15］。通過(guò)對(duì)變異系數(shù)描述得到不同材料間的變異程度，利用SPSS軟件基于各形態(tài)指標(biāo)的平均值計(jì)算供試材料之間的歐氏距離，并進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，了解各種質(zhì)間的親疏關(guān)系。通過(guò)相關(guān)性分析確定各形態(tài)指標(biāo)與地理，經(jīng)度，緯度以及各性狀之間的相互關(guān)系。通過(guò)主成分分析確定哪些性狀是造成老芒麥表型特征差異的主要因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 老芒麥種質(zhì)資源間農(nóng)藝性狀差異

通過(guò)對(duì)520 份老芒麥種質(zhì)的23 個(gè)形態(tài)性狀的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果（表1）表明，不同材料之間存在較大差異，表現(xiàn)出顯著的形態(tài)多樣性。從數(shù)量性狀來(lái)看，單株穗數(shù)的變異幅度最大，變異系數(shù)高達(dá)49.56%，變化范圍為19.0～264.2，以材料SAG-SC18003 的單株穗數(shù)最多；其次是單株鮮重、單株干重、株高，變異系數(shù)分別達(dá)到48.28%、43.21%、42.31%；分蘗數(shù)、穗寬、莖節(jié)數(shù)的變異系數(shù)也較高，分別為34.25%、31.78%、31.41%，由此可見(jiàn)與種子產(chǎn)量和牧草產(chǎn)量相關(guān)的形態(tài)指標(biāo)變異較大，且變異類型豐富；而旗葉長(zhǎng)、小穗數(shù)、芒長(zhǎng)、旗葉寬、倒二葉長(zhǎng)、莖粗、穗長(zhǎng)的變異系數(shù)較低，均小于16%，其中穗長(zhǎng)變異幅度最小，變異系數(shù)僅為9.49%。從質(zhì)量性狀來(lái)看，變異幅度最大的是莖稈基部葉鞘有無(wú)絨毛，其變異系數(shù)為97.44%。葉片被毛和植株被粉的變異幅度也較高，變異系數(shù)分別為76.14%和53.52%。

表1 供試?yán)厦Ⅺ?3 個(gè)形態(tài)性狀變異分析Table 1 Variation analys is of 23 morphological characteristics of E.sibiricus germplasm

根據(jù)Shannon 多樣性指數(shù)計(jì)算，居群總遺傳多樣性（H）為1.774（表1），居群內(nèi)遺傳多樣性0.824（表2），則居群間遺傳多樣性為：1.774-0.824=0.950；居群內(nèi)遺傳變異為0.824/1.774×100%=46.45%；居群間遺傳變異0.950/1.774×100%=53.55%，居群內(nèi)部的遺傳變異較?。?6.45%）。

*0.8210.8300.8060.8410.824被株X23 0.2850.2920.2850.315；X16：植表X22 0.0000.0520.0060.059重鮮株X21 0.7330.6520.6910.758 X20 0.0000.0830.0070.052；X15：?jiǎn)沃?”is the total genetic diversity干X19 0.3850.4590.4210.471株X18 0.7530.5470.6430.669；X14：?jiǎn)未諷hannon wiener diversity index（H）X17 0.3730.4150.3090.360；X13：莖X16 0.0500.2080.1100.150長(zhǎng)X15 1.1001.0081.0781.078；X12：芒。性數(shù)樣X(jué)14 1.0130.9761.0441.043穗多傳遺X13 0.6380.7080.7060.709；X11：小的寬總?cè)篨12居區(qū)數(shù)1.0791.1341.0411.135；X10：穗地指長(zhǎng)各性X11 1.3391.4501.3121.413樣多?！?”為納X10 1.1661.2931.1891.319；X9：穗穗維數(shù)-X9穗農(nóng)1.1071.1451.1201.181株香；X23：抽毛1.1171.168 X81.118；X8：?jiǎn)谓q1.182無(wú)數(shù)X70.6940.5610.5970.576節(jié)有鞘1.166葉X6；X7：莖1.2191.220部1.225數(shù)基稈1.0221.025 X51.162蘗1.0311.039 X41.0691.030；X6：分1.002；X22：莖色寬X31.0961.0771.0591.072葉二；X21：穗數(shù)刺指X2；X5：倒小性1.2941.2361.2441.219鞘長(zhǎng)葉樣葉稈多X11.3111.3051.2771.313二傳遺；X20：莖狀；X4：倒色性寬型葉表23 個(gè)Tibetan plateau area；X3：旗；X19：葉毛被域葉區(qū)Area群片Northeast China各居Qinghai-Northern China區(qū)Northwest China麥；X2：旗長(zhǎng)；X18：葉芒地高病老區(qū)區(qū)區(qū)原Total 2 Table 2 Genetic diversity index of 23 phenotypic traits in E.sibiricus populations地地地高北北北藏計(jì)東華西青總：X1：株；X17：銹注粉Note：X1：Plant height，X2：Flag leaf length，X3：Flag leaf wide，X4：Penultimate leaf length，X5：Penultimate leaf width，X6：Number of tillers，X7：Number of stem nodes，X8：Panicle number per hill，X9：Panicle length，X10：Panicle width，X11：Panicle number，X12：Awn length，X13：Stem diameter，X14：Single plant dry weight，X15：Single plant fresh weight，X16：Leaves with powder，X17：Rust disease，X18：Leaves with tomentum，X19：Leaf color，X20：Stem leaf sheaths small spines，X21：Panicle color，X22：Leaf sheaths at the base of the stalk with or without tomentum，X23：Heading.“index of each area E. sibiricus population.

2.2 老芒麥形態(tài)特征的相關(guān)性分析

在老芒麥的23 個(gè)數(shù)量性狀之間的相關(guān)性分析中（圖2），旗葉長(zhǎng)和旗葉寬均與莖粗呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。株高、莖節(jié)數(shù)、單株穗數(shù)、小穗數(shù)均與單株干、鮮重呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明老芒麥植株越高，單株穗數(shù)和小穗數(shù)越多，會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)量呈增高的趨勢(shì)；老芒麥植株銹病與株高呈極顯著負(fù)相關(guān)，與分蘗數(shù)、倒二葉長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，表明老芒麥植株越矮，分蘗數(shù)越多，葉片越長(zhǎng)，其患銹病的風(fēng)險(xiǎn)越大。

圖2 520 份老芒麥種質(zhì)資源表型性狀相關(guān)性分析矩陣圖Fig.2 Matrix of correlation analysis of phenotypic traits in 520 E. sibiricus germplasm resources*：表示老芒麥不同表型性狀之間存在顯著差異（P＜0.05），**：表示老芒麥不同表型性狀之間存在極顯著差異（P＜0.01）。*：Indicates significant differences between phenotypic traits in E. sibiricus（P＜0.05），**：Indicates highly significant differences between phenotypic traits in E. sibiricus（P＜0.01）.株高：Plant height；旗葉長(zhǎng)：Flag leaf length；旗葉寬：Flag leaf width；倒二葉長(zhǎng)：Penultimate leaf length；倒二葉寬：Penultimate leaf width；分蘗數(shù)：Number of tillers；莖節(jié)數(shù)：Number of stem nodes；單株穗數(shù)：Panicle number per hill；穗長(zhǎng)：Panicle length；穗寬：Panicle width；小穗數(shù)：Panicle number；芒長(zhǎng)：Awn length；莖粗：Stem diameter；單株干重：Single plant dry weight；單株 鮮重：Single plant fresh weight；植株被 粉：Leaves with powder；銹病：Rust disease；葉片被毛：Leaves with tomentum；葉色：Leaf color；莖稈葉鞘小刺：Stem leaf sheaths small spines；穗色：Panicle color；莖稈基部葉鞘有無(wú)絨毛：Leaf sheaths at the base of the stalk with or without tomentum；抽穗：Heading.下同The same below.

為了解老芒麥形態(tài)多樣性與其生境海拔之間的相互關(guān)系，將520 份老芒麥的表型性狀與其地理因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明（圖3），老芒麥的形態(tài)特征與復(fù)雜的生境及分布廣泛的地理位置有著密切聯(lián)系。旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)、分蘗數(shù)、芒長(zhǎng)、莖稈葉鞘小刺、抽穗與海拔極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明隨著海拔的升高，老芒麥越容易抽穗，莖稈葉鞘越容易長(zhǎng)出小刺；株高、穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、分蘗數(shù)、倒二葉寬、單株穗數(shù)與海拔呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明海拔越高，老芒麥的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)越強(qiáng)，同時(shí)一些適應(yīng)高海拔地區(qū)的形態(tài)特征也越明顯。

圖3 老芒麥23 個(gè)表型性狀與地理因子的相關(guān)性分析矩陣圖Fig.3 Matrix of correlation analysis of 23 phenotypic traits of E. sibiricus with geographical factors*：表示老芒麥表型性狀與地理因子呈顯著差異（P＜0.05），**：表示老芒麥表型性狀與地理因子呈極顯著差異（P＜0.01）。*：Indicates significant differences between phenotypic traits and geographical factors in E. sibiricus（P＜0.05），**：Indicates a highly significant difference between phenotypic traits and geographical factors in E.sibiricus（P＜0.01）.

由表3 可知，在試驗(yàn)地所在生境條件下，抽穗晚的共48個(gè)居群，來(lái)自內(nèi)蒙古18 個(gè)，來(lái)自新疆17 個(gè)，來(lái)自河北13 個(gè)，該類材料采集地海拔在130～2039 m，87.5%的材料所在地海拔在1000～1999 m，將其劃分為中海拔地區(qū)，說(shuō)明在海拔中等地區(qū)的野生老芒麥抽穗晚；抽穗早的居群共34 個(gè)，來(lái)自新疆6 個(gè)，來(lái)自青海3 個(gè)，甘肅5 個(gè)，來(lái)自四川12 個(gè)，來(lái)自西藏8 個(gè)，抽穗早的居群海拔在2038～4118 m，說(shuō)明來(lái)自高海拔地區(qū)的野生老芒麥材料在試驗(yàn)所在地抽穗早；沒(méi)有抽穗的居群共22 個(gè)，其中SAG-XJ18011 為新疆材料，其他均為內(nèi)蒙古材料，該類材料采集地海拔為189～1750 m，其中68.2%的材料所在地區(qū)海拔在300～1000 m，歸為低海拔地區(qū)，該類材料沒(méi)有抽穗可能是原生地的海拔較低，將其移栽到紅原（海拔3500 m）不適應(yīng)高海拔所致。

表3 不同抽穗特性的野生老芒麥原生地海拔信息Table 3 Altitude information of wild E.sibiricus native sites with different heading characteristics

續(xù)表Continued Table

莖稈葉鞘具有小刺的材料為來(lái)自四川的SAGSC18013、SAG-SC18002、SAG-SC18003、SAG-SC18004、SAG-SC18007，共5 個(gè)居群，西藏的SAG-XZ18002、SAGXZ18014、SAG-XZ18018，共3 個(gè) 居 群，河 北 的SAGHB18012 和甘肅的SAG-GS18002，這些材料所在地海拔除了SAG-GS18002 海拔為2550 m，其他材料海拔均在3200 m 以上，這可能與高海拔地區(qū)紫外線強(qiáng)、晝夜溫差大、環(huán)境干旱等極端生境有關(guān)，這也是老芒麥對(duì)極端環(huán)境的一種響應(yīng)策略，由于生存競(jìng)爭(zhēng)，往往會(huì)產(chǎn)生一些抗逆基因，可以在進(jìn)一步研究中將抗性作為該材料的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

2.3 老芒麥形態(tài)特征的聚類分析

對(duì)供試的104 個(gè)居群520 份老芒麥材料依據(jù)23 個(gè)植物學(xué)形態(tài)特性進(jìn)行聚類分析，遺傳距離為10 時(shí)可將其劃分為具有各自明顯特征的4 類（圖4）。

圖4 野生老芒麥種質(zhì)資源形態(tài)性狀聚類圖Fig. 4 Morphological clustering analysis of E. sibiricus accessions

第一類共18 個(gè)居群，包括采集自青藏高原的13 個(gè)居群、內(nèi)蒙古1 個(gè)居群、河北1 個(gè)居群、新疆3 個(gè)居群。該類材料在形態(tài)上表現(xiàn)為植株高大，單株穗數(shù)和小穗數(shù)多，單株鮮干重高，穗較寬，植株銹病少，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)優(yōu)異，具有良好的牧草開(kāi)發(fā)利用前景。

第二類包括17 個(gè)居群，全部來(lái)自內(nèi)蒙古。該類材料表現(xiàn)為植株矮、葉片性狀相對(duì)較小、莖節(jié)數(shù)少、單株干鮮重低、植株被粉少、莖稈均無(wú)小刺，大部分材料莖稈基部葉鞘有絨毛、銹病嚴(yán)重，除SAG-NM18017、SAGNM18027 兩個(gè)居群外，其他居群均沒(méi)有抽穗。

第三類包括30 個(gè)居群，其中15 個(gè)居群來(lái)自新疆，11個(gè)居群來(lái)自內(nèi)蒙古，4 個(gè)居群來(lái)自河北。該類材料具有旗葉長(zhǎng)，分蘗和莖節(jié)數(shù)多，單株干重較小，莖稈葉鞘均無(wú)小刺等特征。

第四類包括39 個(gè)居群，幾乎涵蓋了所有的采集地，該類材料在農(nóng)藝性狀上表現(xiàn)中等，幾乎無(wú)特殊形態(tài)學(xué)性狀表現(xiàn)。

2.4 老芒麥形態(tài)特征的主成分分析

將23 個(gè)形態(tài)學(xué)性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析（表4），結(jié)果表明前5 個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)67.79%，且特征向量值均＞1，特征總值達(dá)15.59。表5 列出了23 個(gè)表型性狀對(duì)前5 個(gè)主成分的分析矩陣，第一主成分的貢獻(xiàn)率占27.29%，特征向量較大的為株高（0.901）、抽穗（0.895）、莖節(jié)數(shù)（0.882）、單株鮮重（0.825）、單株干重（0.823）；對(duì)第二主成分影響較大的因素有旗葉寬（0.801）、莖粗（0.778）、倒二葉寬（0.766）、旗葉長(zhǎng)（0.668）、倒二葉長(zhǎng)（0.660），說(shuō)明第二主成分反映了營(yíng)養(yǎng)器官的一些信息；分蘗數(shù)（0.797）對(duì)第三主成分的影響最大，說(shuō)明該主成分反映的是牧草產(chǎn)量的一些信息；第四主成分主要受單株穗數(shù)（0.824）、穗寬（0.585）的影響；對(duì)第五主成分影響較大的是穗色（0.784）、莖稈葉鞘小刺（-0.677）。由此可見(jiàn)，株高、是否抽穗、莖節(jié)數(shù)、單株干鮮重、旗葉長(zhǎng)寬、倒二葉長(zhǎng)寬、莖粗、分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、穗寬、穗色、莖稈葉鞘小刺的變異呈現(xiàn)了野生老芒麥總體變異的趨勢(shì)，也可作為老芒麥形態(tài)分化的重要參考指標(biāo)。

表4 主成分分析的特征向量和貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvector and contribution rate of principal component analysis

表5 老芒麥23 個(gè)性狀對(duì)前5 個(gè)主成分的負(fù)荷量Table 5 The load of 23 characters of E.sibiricus on the first five principal components

3 討論

3.1 老芒麥的形態(tài)多樣性

植物很難擁有對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育最適的環(huán)境條件，在面對(duì)氣候、環(huán)境條件的變化時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生一些或大或小的變異從而適應(yīng)新的生長(zhǎng)環(huán)境［16-17］。材料之間的遺傳差異大和多樣性豐富，有利于牧草優(yōu)質(zhì)材料的選擇［18］。通過(guò)對(duì)表型性狀多樣性的研究，可以較快了解其內(nèi)部的遺傳變異情況，并初步定位其潛在品質(zhì)［19］。張薈薈等［20］對(duì)來(lái)自新疆不同居群的野生老芒麥形態(tài)特征研究表明，新疆不同生態(tài)型的野生老芒麥表型性狀存在明顯差異。劉新亮等［6］的研究表明不同老芒麥材料之間存在較大差異，形態(tài)多樣性明顯。本研究在對(duì)來(lái)自我國(guó)野生老芒麥主要分布地區(qū)的104 個(gè)老芒麥居群520 份種質(zhì)形態(tài)性狀統(tǒng)計(jì)分析中，數(shù)量性狀變異系數(shù)為9.49%～49.56%，相比李瑤等［21］對(duì)39 份老芒麥的研究變異性更大，形態(tài)多樣性更加豐富，可能是本研究選用材料的采集范圍更為廣泛、樣本數(shù)量更大的原因。其中變異程度最大的幾個(gè)指標(biāo)為單株穗數(shù)、單株鮮重、單株干重、株高、分蘗數(shù)、穗寬、莖節(jié)數(shù)，由此可見(jiàn)，野生老芒麥在農(nóng)藝學(xué)性狀上具有較大的可塑性，存在很多與牧草產(chǎn)量、種子產(chǎn)量相關(guān)的優(yōu)良性狀，具有很大的開(kāi)發(fā)利用潛力。

植物形態(tài)多樣性研究與形態(tài)性狀、地理及生態(tài)因子間的相關(guān)性分析，可獲得植物某些性狀與地理或生態(tài)因子之間的關(guān)系［22］。祁娟等［23］通過(guò)對(duì)披堿草屬不同居群植物的表型性狀與地理氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)披堿草屬不同材料表型性狀與經(jīng)度、海拔和年均溫具有明顯相關(guān)性。嚴(yán)學(xué)兵等［24］對(duì)青藏高原9 個(gè)披堿草屬不同種群間遺傳距離與環(huán)境條件進(jìn)行相關(guān)性分析，研究表明地理位置和海拔是影響披堿草屬遺傳變異的重要因素。陳釗等［25］的研究同樣表明海拔對(duì)披堿草屬植物的形態(tài)多樣性起到巨大作用，且不同披堿草屬植物形態(tài)特征對(duì)海拔變化的反應(yīng)不同。本研究在520 份野生老芒麥的23 個(gè)表型性狀與海拔的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，植物葉片長(zhǎng)度、銹病及莖稈基部葉鞘有無(wú)絨毛與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明隨著海拔的升高，有葉片變短、銹病減少的趨勢(shì)，其原因可能是隨著海拔升高，溫度降低，生存條件困難，生存壓力增大，從而抑制病菌的生長(zhǎng)，植株葉片生長(zhǎng)受到阻礙。此外，研究發(fā)現(xiàn)具有莖稈葉鞘小刺的老芒麥材料分布在高海拔地區(qū)，這與鄢家俊等［26］的結(jié)果相似。這可能與高海拔地區(qū)的強(qiáng)紫外線、干旱及晝夜溫差大等因素有關(guān)，這也是老芒麥對(duì)極端環(huán)境的一種響應(yīng)機(jī)制。在520 份野生老芒麥抽穗早晚及是否抽穗與海拔的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)的野生老芒麥抽穗早，中海拔地區(qū)的野生老芒麥抽穗晚，沒(méi)有抽穗的老芒麥來(lái)自低海拔地區(qū)，可能是抽穗晚及未抽穗的野生老芒麥原生地的海拔低，移栽到試驗(yàn)地（紅原縣：海拔3500 m）不適應(yīng)高海拔所致，而原生地海拔高的野生老芒麥能夠較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，所以抽穗比較早。

3.2 老芒麥的遺傳分化

此前，鄢家俊等［27］對(duì)川西北高原的13 個(gè)野生老芒麥居群15 項(xiàng)穗部形態(tài)研究表明老芒麥的遺傳分化主要集中于居群內(nèi)，居群間的遺傳分化相對(duì)較小。但本研究通過(guò)對(duì)來(lái)自我國(guó)104 個(gè)野生老芒麥居群的23 個(gè)表型性狀遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)野生老芒麥居群間的遺傳分化（51.5%）高于居群內(nèi)（48.5%）。群體遺傳結(jié)構(gòu)容易受到諸多因素影響，包括地理分布、居群?jiǎn)沃陿颖緮?shù)量、供試居群數(shù)量、所選用的遺傳標(biāo)記類型以及繁育系統(tǒng)等［25］。顯著的地理差異會(huì)形成物理障礙，可能會(huì)阻止或削弱基因的流動(dòng)性，進(jìn)而導(dǎo)致居群間的遺傳變異不受基因流的干擾，最終形成嚴(yán)重的遺傳分化［28］。本研究中的野生老芒麥材料采自中國(guó)的東北、華北、西北以及青藏高原地區(qū)，采集范圍較廣且具有顯著的地理差異，存在明顯的地理隔離，導(dǎo)致各居群間的基因流被阻隔，從而使居群間的遺傳分化較大，具有較高的遺傳多樣性。用于遺傳多樣性研究的樣本量也可能對(duì)種群間和種群內(nèi)的遺傳變異性的測(cè)量產(chǎn)生了重大影響［29］。此外，與鄢家俊等［27］的研究相比，本研究的供試材料居群樣本量較大，所選用的居群?jiǎn)沃陿颖緮?shù)量相對(duì)較少，可能也是導(dǎo)致中國(guó)野生老芒麥在居群間保持較高遺傳變異的一個(gè)重要原因。

3.3 老芒麥種質(zhì)資源的多樣性保護(hù)策略與開(kāi)發(fā)利用前景

物種的遺傳多樣性受自然因素和人為因素所造成的生境惡劣程度所影響。盡管老芒麥在我國(guó)的地域分布較廣，并且研究表明我國(guó)野生老芒麥具有較高的遺傳多樣性，但是由于西部地區(qū)退耕還林還草和退牧還草工程的開(kāi)展，以及一些外來(lái)物種的引進(jìn)，使得老芒麥遺傳多樣性受到威脅。因此，針對(duì)我國(guó)野生老芒麥制定有效的保護(hù)策略和采取一定的保護(hù)措施，開(kāi)展合理的保護(hù)工作尤為重要。可采取就地保護(hù)和遷地保護(hù)兩種方法進(jìn)行開(kāi)展。首先，就地保護(hù)應(yīng)該在盡可能多地保護(hù)不同居群的基礎(chǔ)上還要重點(diǎn)保護(hù)遺傳多樣性高的居群。遷地保護(hù)則應(yīng)該盡量擴(kuò)大收集范圍，在每個(gè)居群收集盡可能多的植物單株，囊括該物種的基因庫(kù)，從而最大限度地保護(hù)我國(guó)野生老芒麥的遺傳多樣性。

本研究結(jié)果表明，野生老芒麥種質(zhì)資源形態(tài)多樣性豐富，具有較大的開(kāi)發(fā)利用前景。SAG-NM18032、SAGHB18011、SAG-GS18003、SAG-GS18012、SAG-XZ18006、SAG-XZ18007、SAG-XZ18002、SAG-XZ18005、SAGSC18008、SAG-SC18015、SAG-SC18004、SAG-SC18002、SAG-SC18003、SAG-SC18013、SAG-SC18012、SAGXJ18005、SAG-XJ18023、SAG-XJ18007 這幾個(gè)居群的材料植株高大、單株穗數(shù)和小穗數(shù)多，植株干鮮重高，穗較寬，芒長(zhǎng)短且植株銹病少，在聚類分析中聚為一類。這類材料可作為以生物產(chǎn)量與種子產(chǎn)量為目標(biāo)性狀的育種材料。SAG-HB18012、SAG-GS18002 等居群來(lái)自高海拔、干旱環(huán)境，出現(xiàn)莖稈具小刺、被白粉等特殊性狀，可作為抗逆生態(tài)草種被重點(diǎn)關(guān)注。此外，主成分分析結(jié)果顯示，株高、抽穗特性、莖節(jié)數(shù)、單株干鮮重、旗葉長(zhǎng)寬、倒二葉長(zhǎng)寬、莖粗、分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、穗寬、穗色、莖稈葉鞘小刺的變異呈現(xiàn)了野生老芒麥總體變異的趨勢(shì)，也可作為老芒麥形態(tài)分化的重要參考指標(biāo)。因此在進(jìn)一步的表型觀測(cè)時(shí)，可簡(jiǎn)化其觀測(cè)指標(biāo)，以這些性狀為主要的觀測(cè)內(nèi)容。

4 結(jié)論

本研究中供試的520 份野生老芒麥形態(tài)特征的變異系數(shù)差異較大，具有豐富的遺傳多樣性。旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)、銹病與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)，并且海拔高度影響老芒麥抽穗早晚及是否抽穗?；诰垲惙治鲞z傳距離為10時(shí)將供試?yán)厦Ⅺ湻譃? 類；通過(guò)主成分分析，前5 個(gè)主成分代表了67.79%的老芒麥形態(tài)多樣性，株高、是否抽穗、莖節(jié)數(shù)、單株干鮮重、旗葉長(zhǎng)寬等指標(biāo)是造成老芒麥形態(tài)特征變異的主要因素，可作為老芒麥形態(tài)分化的重要參考指標(biāo)。通過(guò)對(duì)520 份老芒麥基于形態(tài)學(xué)聚類分析表明，老芒麥的聚類并沒(méi)有呈現(xiàn)一定的地域性，而表型性狀相似性大的老芒麥材料聚為一類。這可能是老芒麥在不同的生境下形成了不同的生態(tài)型。老芒麥的表型性狀在類群間存在交叉，且表型性狀易受環(huán)境影響，這使得對(duì)于具有相似形態(tài)特征的老芒麥分類學(xué)鑒定存在一定困難。因此在表型鑒定的基礎(chǔ)上應(yīng)結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)手段進(jìn)一步開(kāi)展老芒麥種質(zhì)資源評(píng)價(jià)。