55個(gè)紫花苜蓿品種農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀分析及綜合評(píng)價(jià)

張曉娟, 陳彩錦, 張久盤(pán), 曾燕霞, 包明芳, 張尚沛, 尚繼紅, 沙曉弟, 吳 娟, 張國(guó)輝, 高 婷*, 楊天輝, 王 川, 師尚禮

(1.寧夏大學(xué)林業(yè)與草業(yè)學(xué)院, 寧夏 銀川 756002; 2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院, 寧夏 固原 756000; 3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院動(dòng)物科學(xué)研究所, 寧夏 銀川 756002; 4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730071)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)(以下簡(jiǎn)稱苜蓿)是一種具有抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富、適口性良好等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)牧草,被譽(yù)為“牧草之王”和“綠色黃金”[1-4],是全世界種植面積最廣的栽培牧草之一[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)苜蓿的種植總面積約為437.47萬(wàn)hm2,商品草的生產(chǎn)面積約為45.17萬(wàn)hm2[6],2020年商品草生產(chǎn)面積54.7萬(wàn)hm2[7]。近幾年,隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的政策性調(diào)整,國(guó)家“糧改飼”、“振興奶業(yè)苜蓿發(fā)展行動(dòng)”等方案的落地實(shí)施,以及人們對(duì)肉蛋奶的剛性需求持續(xù)增長(zhǎng),苜蓿的種植面積急劇擴(kuò)增。因此,自主選育出更多適應(yīng)我國(guó)不同生態(tài)區(qū)種植和不同栽培方式的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苜蓿品種迫在眉睫。在苜蓿育種中,品種或資源是遺傳改良和復(fù)雜性狀遺傳解析的基礎(chǔ)[8]。遺傳多樣性越豐富,育成的品種普適性越廣泛,因此,深入挖掘其遺傳多樣性具有重要的作用[9]。

基于農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的遺傳多樣性分析和綜合評(píng)價(jià)是苜蓿品種鑒定評(píng)價(jià)中最直觀、可靠和簡(jiǎn)單有效的方法[10]。目前,有關(guān)苜蓿品種的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀遺傳多樣性和綜合評(píng)價(jià)研究較多,其中楊婉君等[11]對(duì) 119 個(gè)苜蓿品種的13 個(gè)產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析,類(lèi)群1密度大,葉片較大,類(lèi)群2葉片多、枝條數(shù)多、生物量較大,類(lèi)群3產(chǎn)量大、莖葉比和密度較大,葉片較小。這些不同性狀的品種為苜蓿的育種利用提供了不同的親本。耿慧等[12]對(duì)17 個(gè)國(guó)內(nèi)外苜蓿品種的生長(zhǎng)、品質(zhì)、莖葉、株型和產(chǎn)量5個(gè)因子的10 個(gè)主要性狀進(jìn)行評(píng)價(jià),國(guó)內(nèi)品種農(nóng)藝性狀表現(xiàn)突出。綜上所述,對(duì)苜蓿品種進(jìn)行遺傳多樣性分析和綜合評(píng)價(jià),為苜蓿親本選配、引種和品種創(chuàng)新利用能提供技術(shù)依據(jù)[13]。

現(xiàn)有研究主要集中在苜蓿品種的全年或第一茬的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的遺傳多樣性分析和評(píng)價(jià),且鑒定出的單一性狀優(yōu)異的品種未在育種中進(jìn)行創(chuàng)制利用,品種綜合鑒定評(píng)價(jià)不全面,評(píng)價(jià)結(jié)果與創(chuàng)制利用聯(lián)系不夠緊密,從而有礙于育種家深入了解育種材料的特征性狀,影響育種效率和優(yōu)異品種培育。因此,本研究以課題組前期收集并建植于寧夏南部半干旱地區(qū)的55 個(gè)紫花苜蓿品種為材料,對(duì)其不同茬次的株高、分枝數(shù)、莖葉比、鮮干草產(chǎn)量、鮮干比、莖干重、葉干重等24個(gè)指標(biāo)進(jìn)行變異系數(shù)、多樣性、相關(guān)性、聚類(lèi)分析及主成分分析,篩選出影響產(chǎn)量的重要指標(biāo),挖掘出優(yōu)異品種材料,旨在為寧夏南部半干旱地區(qū)高產(chǎn)苜蓿新品種的選育提供理論依據(jù)和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的55個(gè)紫花苜蓿品種均由寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院牧草課題組提供,具體品種編號(hào)、名稱及產(chǎn)地見(jiàn)表1。

表1 苜蓿品種編號(hào)、品種名及產(chǎn)地Table 1 The number,name and origin of alfalfa varieties

1.2 試驗(yàn)區(qū)基本概況、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定指標(biāo)

1.2.1試驗(yàn)區(qū)基本概況 試驗(yàn)于2020—2021 年在寧夏農(nóng)林科學(xué)院頭營(yíng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。位于36°45′N(xiāo),106°43′E,海拔1 610 m,黃綿土,年降雨量350～430 mm,年平均氣溫6.8℃,≥0℃的積溫是3 000～4 000℃,無(wú)霜期135 d左右,屬于北溫帶半干旱氣候[14]。2020年播前土壤的基本養(yǎng)分是全氮581 mg·kg-1,全磷是0.114%,全鉀是1.01%,水解性氮47.5 mg·kg-1,有效磷21.0 mg·kg-1,速效鉀161 mg·kg-1。2020和2021 年的月平均氣溫和降雨量具體見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)地月均溫及降雨量Fig.1 month average temperature and precipitation in the test field

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定指標(biāo) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)(18 穴),1行為1個(gè)重復(fù)(6穴)。材料分別于2020 年5月10日按行穴播,每穴播種5粒種子,出苗后人工間苗,每穴定苗生長(zhǎng)健壯植株1株,穴播株行距為80 cm。播種第2年(2021 年)記載不同茬次的株高、分枝數(shù)、莖葉比、鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量、鮮干比、莖干重、葉干重,其中鮮草總產(chǎn)量、干草總產(chǎn)量、莖總干重、葉總干重都是指第一二茬草的總和,平均分枝數(shù)、平均莖葉比、平均鮮干比都是指一二茬草的平均值。具體數(shù)據(jù)記載方法參照于《苜蓿種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

H′=-∑Pi×lnPi

式中的Pi為某性狀第i級(jí)中包含的材料份數(shù)所占材料總分?jǐn)?shù)的百分比;采用Origin2021軟件進(jìn)行品種的相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析;采用SPSS 19.0進(jìn)行品種的主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同苜蓿品種數(shù)量性狀遺傳多樣性

由表2可知,55個(gè)苜蓿品種的24個(gè)數(shù)量性狀指標(biāo)CR平均值是15.31%,其中CR較大的性狀指標(biāo)是第一茬分枝數(shù)、第一茬葉干重、第二茬鮮草產(chǎn)量、第一茬莖干重,分別是23.42%,20.92%,20.85%,20.60%,表明這4個(gè)性狀指標(biāo)的變異幅度較大。CR最小的是一二茬株高和和第一茬株高,分別是6.89%和8.07%,表明這2個(gè)性狀的變異幅度較小,遺傳性狀較穩(wěn)定,其余各性狀指標(biāo)的CR介于9.52%～19.95%的范圍內(nèi)。24個(gè)性狀指標(biāo)的H′介于0.714 3～0.884 5之間,平均值是0.802 0,其中大于0.800 0的性狀指標(biāo)有13個(gè),分別是葉總干重、第二茬葉干重、第一茬莖葉比、第一茬葉干重、鮮草總產(chǎn)量、第二茬干草產(chǎn)量、莖總干重、一二茬株高和、平均莖葉比、第二茬株高、第二茬分枝數(shù)、干草總產(chǎn)量、第一茬莖干重,分別是0.884 5,0.875 0,0.849 8,0.849 8,0.834 1,0.834 1,0.834 1,0.824 6,0.823 3,0.808 9,0.808 9,0.808 9,0.808 9,表明以上性狀的多樣性比較豐富,最低的是第二茬鮮干比和第二茬莖葉比,都為0.714 3,表明這2個(gè)性狀指標(biāo)的多樣性較差。

表2 55 個(gè)苜蓿品種的性狀參數(shù)表Table 2 Table of trait parameters of 55 Alfalfa varieties

2.2 相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)一二茬株高和(x1)、平均分枝數(shù)(x2)、平均莖葉比(x3)、鮮草總產(chǎn)量(x4)、干草總產(chǎn)量(x5)、平均鮮干比(x6)、莖總干重(x7)、葉總干重(x8)8個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖2),得出鮮草總產(chǎn)量與干草總產(chǎn)量、平均鮮干比、莖總干重、葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別是0.75,0.41,0.73,0.66,干草總產(chǎn)量與莖總干重、葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別是0.94,0.92,莖總干重與葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)是0.74,平均分枝數(shù)與葉總干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),相關(guān)系數(shù)是0.30,平均莖葉比與莖總干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),相關(guān)系數(shù)是0.33,平均莖葉比與葉總干重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),相關(guān)系數(shù)是-0.33。通過(guò)以上性狀相關(guān)性的分析發(fā)現(xiàn),分枝數(shù)、鮮干比、莖與葉重量變化是影響苜蓿草產(chǎn)量的重要因素。

圖2 性狀之間的Spearman相關(guān)性分析Fig.2 Spearman′s correlation analysis among traits注:圖中x代表不同的性狀指標(biāo),其中x1～x7分別是一二茬株高和、平均分枝數(shù)、平均莖葉比、鮮草總產(chǎn)量、干草總產(chǎn)量、平均鮮干比、莖總干重、葉總干重。*和**表示性狀之間相關(guān)性顯著(P < 0.05)和相關(guān)性極顯著(P < 0.01)Note:x represented different trait indicators in the figure,where x1 to x7 were the sum of plant height in the first and second harvests,average number of branches,average stem-to-leaf ratio,total fresh forage yield,total dry hay yield,average fresh-to-dry ratio,total stem dry weight and total leaf dry weigh,respectively. * and ** indicated that there was a significant correlation at the 0.05 level or a remarkably significant correlation at the 0.01 between traits

2.3 聚類(lèi)分析

利用Origin對(duì)55 份品種材料的24 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析(UPGMA法),并構(gòu)建出了圓形聚類(lèi)圖(圖3)。在歐氏距離為0.125時(shí),55 份品種被聚為3個(gè)類(lèi)群(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ)(表3),且3個(gè)類(lèi)群的聚類(lèi)與地理來(lái)源沒(méi)有明顯的一致性,其中第Ⅰ類(lèi)群中有35 個(gè)品種,來(lái)源于美國(guó)、加拿大、中國(guó)、德國(guó)、法國(guó),占總品種的63.64%,這一類(lèi)群第二茬分枝數(shù)、平均分枝數(shù)、第二茬莖葉比、不同茬次的鮮草產(chǎn)量、鮮草總產(chǎn)量、第二茬干草產(chǎn)量、第二茬鮮干比、第二茬莖干重較高,但不同茬次的株高、一二茬株高和、第一茬莖葉比較低,其特征是分枝數(shù)多、株高較低,鮮草產(chǎn)量較高,且鮮草產(chǎn)量高的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于第二茬分枝數(shù)及第二茬的莖干重。第Ⅱ類(lèi)群中有18 個(gè)品種,來(lái)源于美國(guó)、中國(guó)、加拿大、荷蘭,占總品種的32.73%,這一類(lèi)群不同茬次的株高、一二茬株高和、第一茬莖葉比、平均莖葉比、第一茬鮮干比、平均鮮干比較高,第一茬分枝數(shù)、平均分枝數(shù)、第二茬鮮草產(chǎn)量、鮮草總產(chǎn)量、不同茬次的干草產(chǎn)量、干草總產(chǎn)量、第二茬鮮干比、不同茬次的莖干重、莖總干重、不同茬次的葉干重、葉總干重較低,其特征是株高、鮮干比及莖葉比較高,且平均鮮干比、莖葉比高的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于第一茬草的鮮干比和莖葉比;在第Ⅲ類(lèi)群中有2個(gè)品種,來(lái)源于美國(guó),占總品種的3.64%,這一類(lèi)群第一茬分枝數(shù)、第一茬干草產(chǎn)量、干草總產(chǎn)量、第一茬莖干重、莖總干重、不同茬次的葉干重、葉總干重較高,其特征是干草產(chǎn)量高,且干草產(chǎn)量高的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于第一茬分枝數(shù)、莖干重和葉干重。

圖3 苜蓿品種聚類(lèi)分析Fig.3 Cluster analysis of 55 Alfalfa varieties

表3 3類(lèi)群24 個(gè)指標(biāo)均值Table 3 Average value of 24 indicators in 3 groups

2.4 主成分分析

基于特征值大于1的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提取主成分,結(jié)果發(fā)現(xiàn)24個(gè)性狀指標(biāo)中,前6個(gè)主成分的方差累積貢獻(xiàn)率是87.83%(表4),其中第一主成分特征值是8.56,方差貢獻(xiàn)率是35.68%,這一主成分中作用較大(特征向量值較大,且為正值)的指標(biāo)分別是干草總產(chǎn)量、莖總干重、葉總干重、第一茬干草產(chǎn)量、鮮草總產(chǎn)量、第一茬莖干重、第一茬葉干重。第二主成分特征值是3.89,方差貢獻(xiàn)率是16.22%,這一主成分中作用較大的性狀指標(biāo)分別是平均莖葉比、第一茬莖葉比、一二茬株高和、第二茬莖葉比、平均鮮干比、第二茬鮮干比、第一茬株高、第二茬株高。第三主成分特征值是3.03,方差貢獻(xiàn)率是12.62%,這一主成分中作用較大的指標(biāo)分別是第一茬鮮干比、平均鮮干比、第一茬鮮草產(chǎn)量、第二茬分枝數(shù)。第四主成分特征值是2.29,方差貢獻(xiàn)率是9.56%,這一主成分中作用較大的指標(biāo)是第二茬莖葉比、平均分枝數(shù)、第二茬鮮草產(chǎn)量。第五主成分特征值是1.73,方差貢獻(xiàn)率是7.19%,這一主成分中作用較大的指標(biāo)是第二茬株高、一二茬株高和、第二茬葉干重、第二茬干草產(chǎn)量。第六主成分特征值是1.58,方差貢獻(xiàn)率是6.57%,這一主成分中作用較大的指標(biāo)是平均分枝數(shù)、第一茬分枝數(shù)、第一茬莖葉比。

3 討論

3.1 表型遺傳多樣性分析

品種或種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新、作物育種及其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[16]。其表型的遺傳多樣性是群體多樣性豐富程度的反映[17]。植物的表型性狀是由環(huán)境和遺傳物質(zhì)共同作用之后呈現(xiàn)的,因此,只有當(dāng)材料在同質(zhì)環(huán)境下,表型性狀的變異才可以為材料的遺傳變異提供重要線索[18-19]。在本研究中,引進(jìn)的材料以品種為單位集中統(tǒng)一種植在同一大田,同一環(huán)境之下,并且為了減少誤差,在大田中設(shè)置了3次重復(fù),從而進(jìn)行表型指標(biāo)的調(diào)查,這種調(diào)查方法與花生、鷹嘴豆等作物資源[20-21]的調(diào)查方法基本一致。作物表型性狀的變異系數(shù)越大,其遺傳多樣性越豐富,選擇優(yōu)良個(gè)體的可能性就越大[20]。在本研究中,通過(guò)對(duì)55 份品種的24 個(gè)性狀指標(biāo)的變異系數(shù)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)第一茬分枝數(shù)、第一茬葉干重、第二茬鮮草產(chǎn)量、第一茬莖干重、第一茬鮮草產(chǎn)量、第一茬干草產(chǎn)量的變異系數(shù)均超過(guò)19%,變異范圍較大,離散程度較高,這與楊婉君等[11,13,22]的研究結(jié)果基本一致。這6個(gè)指標(biāo)也是高產(chǎn)苜蓿品種選育所需要考量的重點(diǎn)指標(biāo)。因此,在高產(chǎn)苜蓿品種培育中,可通過(guò)對(duì)這些茬次的以上性狀進(jìn)行重點(diǎn)選擇。

3.2 相關(guān)性分析

數(shù)量性狀之間的相關(guān)性分析不僅能評(píng)價(jià)次要性狀對(duì)主要性狀的遺傳增益效應(yīng),還對(duì)2種以上性狀聯(lián)合選擇的可行性及主要性狀的表觀選擇和遺傳改良間接改良次要性狀都具有重要的意義[23-24]。本研究對(duì)8個(gè)性狀的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),鮮草總產(chǎn)量與干草總產(chǎn)量、平均鮮干比、莖總干重、葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,干草總產(chǎn)量與莖總干重、葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,莖總干重與葉總干重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,平均分枝數(shù)與葉總干重,平均莖葉比與莖總干重呈顯著正相關(guān),以上的相關(guān)性說(shuō)明苜蓿草產(chǎn)量的增加,莖與葉的增加同等重要,這與楊婉君等[11,25-27]研究結(jié)果相同。平均莖葉比與葉總干重呈顯著負(fù)相關(guān),這說(shuō)明苜蓿莖的過(guò)度生長(zhǎng),影響葉的增大與增多,與楊婉君等[11]的結(jié)果基本一致。一二茬株高和與產(chǎn)量之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系與胡莎莎[28]的株高越高,產(chǎn)量越高的結(jié)果不同,可能與試驗(yàn)的地理位置、測(cè)定時(shí)間、栽培措施及氣候環(huán)境等條件有關(guān)。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

在苜蓿定向選育中,對(duì)材料進(jìn)行相似分類(lèi),可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型種質(zhì)在遺傳改良中的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),從而有效指導(dǎo)遺傳育種[29]。在進(jìn)行相似材料的分類(lèi)分析研究中,聚類(lèi)分析是一種常用的數(shù)學(xué)分析方法,分析結(jié)果科學(xué)客觀[30]。張錦豪等[31]將60份藜麥種質(zhì)資源聚成了3大類(lèi)群,篩選出了株高高、莖稈粗壯、有效分枝多等綜合性狀好的材料?？禎扇坏萚32]將20份綠豆種質(zhì)資源聚成了5大類(lèi)群,篩選出了單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)表現(xiàn)最佳的材料。耿小麗等[33]將130份燕麥種質(zhì)聚成了5個(gè)類(lèi)群,篩選出了籽粒型燕麥優(yōu)良親本材料和綜合性狀優(yōu),可直接引種或篩選高產(chǎn)飼用型燕麥,以及選育多目標(biāo)性狀的優(yōu)良親本。在本研究中,采用聚類(lèi)的方法將55 個(gè)品種聚成了3個(gè)類(lèi)群,其中每一類(lèi)群都有獨(dú)特的特征特性,尤其表現(xiàn)在分枝數(shù)、鮮草產(chǎn)量、株高、鮮干比、莖葉比、干草產(chǎn)量的差異性和互補(bǔ)性方面,第Ⅰ類(lèi)群的品種分枝多,植株低矮,鮮草產(chǎn)量高,第Ⅱ類(lèi)群的品種植株高大,鮮干比和莖葉比高,第Ⅲ類(lèi)群的品種干草產(chǎn)量高。為選育高產(chǎn)的苜蓿新品種,可在類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅱ中選擇性狀優(yōu)良品種進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘和互補(bǔ)雜交利用,第Ⅲ類(lèi)群的品種可直接在生產(chǎn)中應(yīng)用,也可作為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種選育中的親本材料進(jìn)行遺傳改良。主成分分析是利用降維的方式將原始指標(biāo)簡(jiǎn)化成較少的幾個(gè)主成分,且這幾個(gè)主成分能清楚明顯的反映出原始性狀指標(biāo)的重要程度和大部分信息[34-35],目前在作物育種上被廣泛應(yīng)用。本研究將24 個(gè)性狀指標(biāo)簡(jiǎn)化成6個(gè)主成分,且這6個(gè)主成分反映了原有變量信息的88.41%,其中第一主成分和第五主成分可稱為產(chǎn)量構(gòu)成因子,在產(chǎn)量構(gòu)成因子中,莖干重、葉干重和株高的特征向量大于其他表型性狀,這與前面性狀之間相關(guān)性研究結(jié)果基本一致,與吳欣明等[13]的研究一致。

4 結(jié)論

本研究對(duì)55 個(gè)苜蓿品種表型性狀進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)品種性狀之間存在著較為豐富的變異。通過(guò)相關(guān)性和主成分分析可知,苜蓿的分枝數(shù)、鮮干比、莖與葉重量、株高是影響產(chǎn)量的重要因素,其可作為寧夏南部半干旱區(qū)高產(chǎn)苜蓿育種的重要指標(biāo)。聚類(lèi)分析劃分出的3類(lèi)材料特征特性明顯,其中Ⅰ,Ⅱ類(lèi)中的品種可作為高產(chǎn)苜蓿育種的材料進(jìn)行進(jìn)一步挖掘和互補(bǔ)利用,Ⅲ類(lèi)材料可直接應(yīng)用于生產(chǎn)或進(jìn)行高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種遺傳改良的親本材料,以上的聚類(lèi)結(jié)果能為后續(xù)苜蓿品種創(chuàng)新利用、品種選育及引種奠定基礎(chǔ)。