高寒區(qū)披堿草屬種質(zhì)資源花序分支與種子產(chǎn)量的關(guān)系分析

關(guān)鍵詞：披堿草屬;花序分支;種子產(chǎn)量

披堿草屬（Elymus）是禾本科（Poaceae）小麥族（Triticeae）的多年生牧草，具有適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。該屬物種分布廣泛、種類繁多、種間形態(tài)差異大。披堿草屬的多數(shù)物種是草原、草甸和荒漠植被群落的重要組成部分，有些種類還具有麥類作物所缺乏的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗蟲、抗旱和耐堿鹽等優(yōu)異基因[2]。披堿草屬是青藏高原退化草地生態(tài)修復(fù)的重要牧草之一，是放牧家畜和野生草食動(dòng)物重要的食物資源。因此，披堿草屬在青藏高原草牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)中具有不可替代的作用。

禾本科植物的穗狀花序通常是由穗軸和無(wú)柄小穗組成[3]。穗軸由很多的節(jié)片組成，在節(jié)片的頂部著生一個(gè)小穗。花序出現(xiàn)分支是有更多的小穗著生在延伸出來(lái)的小穗軸上[4]。在小麥族的農(nóng)作物研究中，對(duì)花序分支類型的研究較為深入，將分支穗小麥分為復(fù)小穗、并列小穗、支穗和雙穗[4]，同時(shí)對(duì)小麥穗分支的形態(tài)發(fā)育[5]、QTL定位也開展了相關(guān)的研究[6]。在玉米（Zeamays）[7-8]、水稻（Oryzasativa）[9]和裸大麥（Nakedbarley）[10]中均有相關(guān)穗分支的研究。目前在披堿草屬植物中也發(fā)現(xiàn)了穗部出現(xiàn)分支的情況，盧紅雙等[11]發(fā)現(xiàn)部分居群內(nèi)部個(gè)體的穗狀花序在穗基部出現(xiàn)分枝，同時(shí)發(fā)現(xiàn)花序直立的肥披堿草（Elymusexcelsus）也存在這種現(xiàn)象。張正茂等[12]在研究中發(fā)現(xiàn)一個(gè)老芒麥（Elymussibiricus）居群，花序長(zhǎng)，其穗中下部出現(xiàn)分支小穗，認(rèn)為這種長(zhǎng)花序多分枝材料可為小麥高產(chǎn)育種提供外援基因供體。袁文業(yè)等[13]發(fā)現(xiàn)穗分支小麥與普通小麥相比小穗數(shù)較多，可以有效地提高單序籽粒數(shù)。我國(guó)披堿草屬牧草種子生產(chǎn)的研究工作剛剛起步，其種子產(chǎn)量及質(zhì)量始終不高，特別是在高原地區(qū)，建立優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的種子基地及相關(guān)的草產(chǎn)業(yè)尚處于初步探索階段[14-15]。

對(duì)披堿草屬種子產(chǎn)量的研究主要集中在農(nóng)藝性狀生物學(xué)特性等方面。王旭成等[16]研究表明披堿草農(nóng)藝性狀變異豐富，株高、倒二葉葉鞘長(zhǎng)、小穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)和千粒質(zhì)量是影響披堿草屬種子產(chǎn)量的重要因子。德英等[17]認(rèn)為穗部性狀很大程度上決定了種子產(chǎn)量，穗部性狀與披堿草種子產(chǎn)量密切相關(guān)，穗部性狀改變，增加單穗產(chǎn)量的可能性最大。研究發(fā)現(xiàn)增加單序籽粒數(shù)和單位面積粒數(shù)是提高披堿草屬單穗種子產(chǎn)量的重要方法[18]，穗部分支對(duì)籽粒產(chǎn)量具有重要的影響，在生產(chǎn)上具有重要的意義。本研究探討高寒地區(qū)披堿草屬花序分支與未發(fā)生分支花序的種子產(chǎn)量的差異，分析花序分支性狀與種子產(chǎn)量的關(guān)系，旨在為進(jìn)一步提高披堿草屬種質(zhì)資源產(chǎn)量提供一定的基礎(chǔ)，有助于育種家了解不同種質(zhì)資源性狀與種子產(chǎn)量的關(guān)系，為今后牧草種質(zhì)資源篩選利用和新品種選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及來(lái)源

試驗(yàn)材料共75份，均為野生的披堿草屬資源，來(lái)源于青藏高原青海祁連山地區(qū)、三江源地區(qū)、青海湖環(huán)湖地區(qū)、柴達(dá)木盆地地區(qū)和川西北地區(qū)。主要包括：垂穗披堿草（Elymusnutans）、短芒老芒麥（Elymusbreviaristatus）、老芒麥（Elymussibiricus）、披堿草（Elymusdahuricus）和無(wú)芒披堿草（Elymussubmuticus）5個(gè)種（表1）。

1.2 數(shù)據(jù)收集與方法

以披堿草屬植物的居群為單元，在種子成熟后，采集居群內(nèi)的出現(xiàn)的花序分支植物資源。以圖1為典型代表的穗狀花序分支進(jìn)行資源采集，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)量性狀及長(zhǎng)度性狀，同時(shí)記錄采集地位置、海拔和草地類型等信息后。每個(gè)花序各部分分別單獨(dú)分裝后裝入信封，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定重量性狀。

以每個(gè)花序?yàn)榛緶y(cè)量單位，由于花序分支植物資源數(shù)量稀少，不同采集來(lái)源的花序數(shù)量不一致，對(duì)數(shù)量稀少的資源，進(jìn)行全部測(cè)量，對(duì)數(shù)量較多的資源隨機(jī)選取10個(gè)花序測(cè)量。同時(shí)對(duì)同一份材料內(nèi)未發(fā)生分支的花序隨機(jī)選取10個(gè)花序，測(cè)定種子產(chǎn)量。對(duì)發(fā)生分支的花序測(cè)定以下性狀。

1.2.1 花序種子產(chǎn)量 （1）種子總重（Totalseedweight）（g）：?jiǎn)蝹€(gè)花序的種子進(jìn)行脫粒，稱取所有種子的重量。

（2）種子總數(shù)（Totalseeds）（個(gè)）：?jiǎn)蝹€(gè)花序進(jìn)行種子脫粒，計(jì)算種子的數(shù)量。

1.2.2 花序相關(guān)性性狀測(cè)定 （1）分支穗種子重（Branchingspikeseedweight）（g）：對(duì)單個(gè)花序上的所有分支上種子進(jìn)行脫粒，稱取所有種子的重量。

（2）總花序重（Totalinflorescenceweight）（g）：在種子脫粒前稱取花序總重。

（3）種子總重/花序總重（Seedyieldperinflorescence/totalinflorescenceweight）（%）：種子總重/總花序重×100%。

（4）分支穗種子數(shù)（Numberofbranchingseeds）（個(gè)）：對(duì)單個(gè)花序上的所有分支上的種子進(jìn)行脫粒，計(jì)算所有種子的數(shù)量。

（5）主軸種子數(shù)（Numberofspindleseeds）（個(gè)）：種子總數(shù)—分支穗種子數(shù)。

（6）總小穗數(shù)（Totalnumberofspikelets）（個(gè)）：?jiǎn)蝹€(gè)花序上全部小穗數(shù)的數(shù)量。

（7）主軸小穗數(shù)（Numberofspindlespikelets）（個(gè)）：?jiǎn)蝹€(gè)花序上主花序軸上的小穗數(shù)量。

（8）分支小穗數(shù)（Totalnumberofbranchspikelets）（個(gè)）：花序上所有分支穗上的小穗數(shù)量。

（9）分支數(shù)（Numberofbranches）（個(gè)）：?jiǎn)蝹€(gè)花序發(fā)生分支的數(shù)量。

（10）分支率（Branchrate）（%）：分支數(shù)/主穗軸的節(jié)點(diǎn)數(shù)ⅹ100%。

（11）分支始點(diǎn)（Branchstartpoint）（%）：花序主穗軸從底部到頂端，第一個(gè)分支的花序節(jié)點(diǎn)序列數(shù)/主穗軸的節(jié)點(diǎn)數(shù)×100%。

（12）分支終點(diǎn)（Branchendpoint）（%）：花序主穗軸從底部到頂端，最后一個(gè)分支的花序節(jié)點(diǎn)序列數(shù)/主穗軸的節(jié)點(diǎn)數(shù)×100%。

（13）分支寬度（Branch width）（%）：分支終點(diǎn)—分支起點(diǎn)。

（14）主花序軸長(zhǎng)（Maininflorescenceaxislength）（cm）：?jiǎn)蝹€(gè)花序主花序軸的長(zhǎng)度。

（15）分支穗總長(zhǎng)（Totallength ofbranchspike）（cm）：測(cè)量單個(gè)花序上所有分支的長(zhǎng)度總和。

（16）花序總長(zhǎng)（Totallengthoftheinflorescence）（cm）：?jiǎn)蝹€(gè)花序主花序軸的長(zhǎng)度+分支的總長(zhǎng)。

（17）主花序軸長(zhǎng)/花序總長(zhǎng)（Maininflorescenceaxislength/totalinflorescencelength）（%）：主花序軸長(zhǎng)/花序總長(zhǎng)×100%。

（18）分支穗總長(zhǎng)/花序總長(zhǎng)（Ratioofbranchingaxislengthtototalinflorescencelength）（%）：分支穗總長(zhǎng)/花序總長(zhǎng)×100%。

（19）種子數(shù)線密度（Seednumberlinedensity）（個(gè)·cm-1）：總種子數(shù)/花序總長(zhǎng)。

（20）種子數(shù)質(zhì)量密度（Seedquantityqualitydensity）（個(gè)·g-1）：種子總數(shù)/總花序重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。種子產(chǎn)量差異分析采用SPSS24中的配對(duì)t檢驗(yàn)法進(jìn)行，相關(guān)性分析采用Originpro2021Pearson法進(jìn)行，穗狀花序分支性狀的主成分分析（Principalcomponentanalysis，PCA）選擇Originpro2021中的PrincinpalComponentAnalysisAPP進(jìn)行，通徑分析采用SPSS24進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 披堿草屬不同花序類型種子產(chǎn)量比較

75份披堿草屬的種質(zhì)資源中，垂穗披堿草、短芒老芒麥、老芒麥、披堿草及無(wú)芒披堿草花序出現(xiàn)分支的種子產(chǎn)量均顯著高于未出現(xiàn)分支的穗狀花序種子產(chǎn)量，單個(gè)花序分支種子產(chǎn)量較未分支種子產(chǎn)量分別高0.0967g，0.0742g，0.0721g，0.1196g，0.3475g（圖2）。

2.2 披堿草屬花序分支種子產(chǎn)量與花序性狀的關(guān)系

花序分支種子總重與花序性狀關(guān)系密切，與種子總數(shù)、分支穗種子重、總花序重、分支穗種子數(shù)、總小穗數(shù)、花序主軸長(zhǎng)和種子數(shù)量線密度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（Plt;0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.85，0.94，0.99，0.71，0.86，0.31和0.75。花序分支種子總重與種子質(zhì)量密度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.29?；ㄐ蚍种ХN子總數(shù)與分支穗種子重（0.86）、總花序重（0.86）、分支穗種子數(shù)（0.93）、主軸種子數(shù)（0.89）、總小穗數(shù)（0.32）、分支小穗數(shù)（0.30）、花序主軸長(zhǎng)（0.34）、分支穗總長(zhǎng)（0.37）、花序總長(zhǎng)（0.42）、種子數(shù)量線密度（0.74）呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與分支數(shù)顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.26，與分支始點(diǎn)顯著負(fù)相關(guān)（—0.26）（圖3）。

2.3 披堿草屬花序分支性狀主成分分析

花序的20個(gè)分支性狀主成分構(gòu)成中主要信息集中在前4個(gè)主成分中，特征值均大于1，貢獻(xiàn)率分別為42.429%，22.687%，13.221%和5.699%，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.035%，表明這4個(gè)主成分可以代表大部分性狀的主要信息。第一主成分特征值為8.486，載荷較高的指標(biāo)有分支穗總長(zhǎng)（0.935）、分支小穗數(shù)（0.931）、分支數(shù)（0.909）、分支穗長(zhǎng)/總花序長(zhǎng)（0.902）、花序主軸長(zhǎng)/花序總長(zhǎng)（—0.902）、分支寬度（0.881）、分支率（0.831）、總小穗數(shù)（0.819）、花序總長(zhǎng)（0.799）、分支終點(diǎn)（0.675）和分支穗種子數(shù)（0.657），可將第一主成分歸納為花序分支性狀和小穗性狀。第二主成分的特征值為4.537，總花序重（0.904）、主軸種子數(shù)（0.877）和分支穗種子重（0.782）載荷較高，可將此歸納為花序重量性狀和花序主軸種子數(shù)。第三主成分特征值為2.644，其載荷最高特征向量為正的是種子數(shù)量線密度（0.625），其次是特征向量值為負(fù)的花序主軸長(zhǎng)和主軸小穗數(shù)，分別為—0.545和—0.506，可歸納為種子數(shù)量線密度和花序主軸性狀。第四主成分特征值為1.14，其載荷最高的是特征向量為負(fù)的單個(gè)花序種子總重占花序總重的比例，為-0.742（圖4）。

2.4 披堿草屬種子產(chǎn)量與花序分支性狀通徑分析

以種子總重為響應(yīng)變量，對(duì)所有穗狀花序分支性狀進(jìn)行通徑分析，確定其對(duì)種子總重的直接影響和間接影響。結(jié)果表明有17個(gè)花序性狀進(jìn)入通徑分析。在這17個(gè)花序性狀中分支穗種子重對(duì)種子總重的直接效應(yīng)較大，直接通徑系數(shù)分別為0.65。總花序重、分支穗種子數(shù)、主軸種子數(shù)、種子數(shù)量線密度通過(guò)間接作用對(duì)種子總重產(chǎn)生影響，間接效應(yīng)較大，間接通徑系數(shù)分別為0.66，0.98，0.54，0.60。總花序重、分支穗種子數(shù)、主軸種子數(shù)、種子數(shù)量線密度主要是通過(guò)影響分支穗種子重進(jìn)而影響種子總重（表2）。

以種子總數(shù)為響應(yīng)變量，對(duì)所有穗狀花序分支性狀進(jìn)行通徑分析，確定其對(duì)種子數(shù)量的直接影響和間接影響。結(jié)果表明只有分支穗種子數(shù)和主軸種子數(shù)進(jìn)入通徑分析。直接通徑系數(shù)分別為0.608和0.486，間接通徑系數(shù)為0.324和0.406。分支穗種子數(shù)和主軸種子數(shù)對(duì)種子數(shù)量影響較大（表3）。

3 討論

劉婷娜等[19]在不同海拔對(duì)垂穗披堿草種子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的研究中發(fā)現(xiàn)，單株干重、每株生殖枝數(shù)、每穗小穗數(shù)與種子產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。對(duì)披堿草屬花序分支鮮有報(bào)道，花序分支是在花序軸上有一級(jí)或二級(jí)分枝，每小枝自成一個(gè)穗狀花序。在花軸上的不同排列方式?jīng)Q定了花序的不同形態(tài)，而花序發(fā)育的進(jìn)化類型決定了授粉、種子產(chǎn)量和種子數(shù)量，是育種選擇中重要的農(nóng)藝性狀[20]?；ㄐ蚍种匦詫?duì)作物種子產(chǎn)量具有重要影響，如單個(gè)花序分枝數(shù)、小穗數(shù)及穗粒數(shù)等，這些都直接關(guān)系到單個(gè)花序的種子產(chǎn)量[21]。本研究結(jié)果表明，花序分支各性狀之間有著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)對(duì)種子產(chǎn)量與各性狀間的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，穗狀花序分支種子產(chǎn)量與分支性狀、小穗數(shù)、花序主軸長(zhǎng)以及花序總長(zhǎng)關(guān)系密切。王濤等[22]在研究中發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變一級(jí)穗分支數(shù)來(lái)提高糜子產(chǎn)量具有較大的可行性。翟彩嬌等[23]研究發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)量與每穗粒數(shù)、二次枝梗數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與二次枝梗總粒數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這與本研究在披堿草屬上的研究一致，花序分支與種子產(chǎn)量關(guān)系密切，可通過(guò)促進(jìn)花序分支來(lái)提高種子產(chǎn)量，花序分支可提高單個(gè)花序小穗數(shù)及單序籽粒數(shù)，從而促進(jìn)單個(gè)花序種子產(chǎn)量的提高。

主成分分析是研究花序分支性狀對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)大小的有效方法，還可以通過(guò)找出各表型性狀構(gòu)成的關(guān)系，然后在育種過(guò)程中加以利用[24]。本研究通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)第一主成分表現(xiàn)為花序分支性狀和小穗性狀，第二主成分主要表現(xiàn)為花序重量性狀和主軸種子數(shù)，花序分支性狀和小穗性狀是影響種子產(chǎn)量的重要因素。這與趙子成等[25]在水稻的研究中結(jié)果類似，該研究發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)類型的水稻的二次枝梗數(shù)、二次枝梗粒數(shù)、千粒重和二次粒率都顯著高于其他類型，齊志靜[26]在小麥的研究中發(fā)現(xiàn)穗形態(tài)與產(chǎn)量密切相關(guān)，穗分支性狀顯著提高了小麥的小穗數(shù)，為獲得高穗粒數(shù)提供了巨大潛力。在生產(chǎn)實(shí)踐中花序分支性狀可為優(yōu)異種質(zhì)資源的篩選和育種提供參考。

為了進(jìn)一步了解不同花序性狀對(duì)披堿草屬種子產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，以單個(gè)花序種子總重為自變量，對(duì)所有花序性狀進(jìn)行通徑分析發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)增加總花序重、分支穗種子數(shù)、主軸種子數(shù)、種子數(shù)量線密度進(jìn)而來(lái)增加分支穗種子重，從而提高單個(gè)花序種子重量。以單個(gè)花序種子數(shù)量為自變量，對(duì)花序性狀進(jìn)行通徑分析結(jié)果表明分支穗種子數(shù)和主軸種子數(shù)直接和間接影響均較大。綜上所述，披堿草屬花序分支可顯著提高種子產(chǎn)量，同時(shí)種子產(chǎn)量構(gòu)成是多個(gè)性狀共同作用的結(jié)果，各個(gè)性狀應(yīng)協(xié)調(diào)發(fā)展，進(jìn)而提高種子產(chǎn)量[27]。

4 結(jié)論

披堿草屬花序出現(xiàn)分支種子產(chǎn)量顯著高于未分枝花序種子產(chǎn)量，花序分支性狀與種子產(chǎn)量關(guān)系密切，可通過(guò)增加花序分支穗總長(zhǎng)、分支小穗數(shù)、分支數(shù)、分支寬度和分支率來(lái)提種子產(chǎn)量，在生產(chǎn)中可增加總花序重、分支穗種子數(shù)、主軸種子數(shù)、種子數(shù)量線密度來(lái)增加分支穗種子重，進(jìn)而提高花序總重來(lái)提高種子產(chǎn)量。披堿草屬花序分支野生種質(zhì)資源種子產(chǎn)量普遍較高，可為今后披堿草屬資源篩選和育種提供幫助。