垂穗披碱草居群穗部形态多样性研究摘要:对采集自四川､西藏､甘肃､新疆､青海和内蒙古6个省(区)的29份垂穗披碱草的14项穗部性状进行多样性研究｡结果表明,14项穗部形态性状的平均变异系数为27.34%,显示垂穗披碱草具有丰富的表型变异｡居群总多样性指数H′为1.947,居群平均H′为1.424,则居群间H′为0.523｡可见垂穗披碱草居群的遗传多样性主要集中在居群内部(73.14%),居群间的遗传变异较小(26.86%)｡聚类分析,可分为种子大､较大､较小､小4种类型,较大居多｡经主成分分析,其分布能解释总变异的86.63%,其中外稃长､第一颖芒长､穗宽､内稃长､小穗数､穗长等性状是影响较大的因素,这6个性状指标具有较高的特征向量值,基本可以揭示垂穗披碱草形态总体变异的趋势｡垂穗披碱草多样性指数与海拔高度呈极显著正相关关系｡关键词:垂穗披碱草;穗部形态学性状;多样性垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)又名钩头草､弯穗草,为禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)披碱草属(Elymus L.)多年生疏丛型牧草资源[1],主要分布于我国的青海､甘肃､新疆以及内蒙古等地区[2],是优良的牧草资源,该草在开花期前为质地柔软,无刺毛､刚毛,无异味[3];是草甸草原和草甸群落中的重要成分,能形成优势种群,其抗寒能力强､粗蛋白含量高､适口性好,可用于建植人工草地和放牧草地[4]｡垂穗披碱草具有麦类作物所缺乏的优质､抗病､抗虫等优异基因[5],为近缘的其他牧草资源及小麦族的农作物提供丰富的优良基因,在生产实践中有广泛的运用[6]｡种质资源的分类､鉴定及育种材料的选择通常都是依据表型性状来进行的,穗部性状的变异是导致禾本科物种形态多样性的主要表型性状[7]｡垂穗披碱草的研究报道相对较少,陈智华[6]对青藏高原垂穗披碱草多样性进行了较为深入的研究,但目前还未见关于垂穗披碱草大范围地区材料穗部多样性的研究｡该研究对来自四川､西藏､甘肃､新疆､青海和内蒙古6个省(区),海拔高度870~4 394 m的29份材料的14项穗部性状进行多样性研究,在同一栽培条件下,评价具有广泛地理来源的垂穗披碱草穗部的差异性,筛选出优异种质资源,满足牧草生产需要,具有重要的理论和实际意义,为我国垂穗披碱草种质资源的保存利用和开发选育提供理论依据｡1材料与方法1.1材料供试材料为中国农业科学院草原研究所于2006~2008年赴内蒙古､青海､新疆等地收集的29份野生垂穗披碱草材料(详见表1)｡1.2试验地概况试验地位于呼和浩特市西南约30余km的土默特左旗沙尔沁乡“农业部沙尔沁牧草资源重点野外科学观测试验站”,处在大青山及和林格尔丘陵之间的广阔平原地区,土壤以淡栗钙土为主,海拔1 055 m,北纬40°36′,东经111°45′,为干旱､半干旱温带大陆性气候,冬季长而寒冷,夏季短而炎热,寒暑变化剧烈,降水量少,蒸发量大,气候干燥,无霜期短｡1.3试验设计2009年4月15日,选用大田的土壤,过筛,去掉石块､杂质,土∶腐熟羊粪的比例是5∶1,用育苗盘装土,均匀地将种子撒在盘中,再轻轻的用土覆盖,然后用喷头浇透,置于温室中｡6月13日,单株移栽到试验地,采用随机设计,各材料的小区面积为10 m2(2 m × 5 m)｡1.4田间调查2010年7~9月,在植株成熟期测定,项目包括穗长､穗宽､小穗长､小穗宽､小穗数､小花数､外稃长､内稃长､外稃芒长､第一颖长､第一颖芒长､第一颖宽､旗叶与穗基部长度､主穗轴第一节间长,共计14项指标,每个指标均为10个重复,具体测量方法参照《老芒麦种质资源描述规范和数据标准》[8]｡1.5数据处理试验数据采用Excel和SPSS 11.5软件进行多样性指数计算､聚类分析､主成分分析和相关分析揭示不同野生垂穗披碱草种质的穗部表型多样性和变异程度｡多样性指数的计算采用Shannon-weaver信息指数,H′=-∑PiLnPi,Pi为某性状第i 个代码值出现的概率[9]｡数量性状如穗长､穗宽､小穗长等进行10级分类,1级<x-2s,10级≥x+2s,中间每级间差0.5 s,s为标准差｡2结果与分析2.1形态性状变异分析各居群的穗部性状测量结果见表2｡14项穗部性状在居群内和居群总的平均数､标准差､最大值､最小值､极差､变异系数和多样性指数进行统计分析(表3､表4)｡结果表明,14项指标在各居群间和居群内均存在较大变异｡以多样性指数H′为例,穗长为 1.194~1.887,穗宽为0.801~1.887,小穗长为0.693~1.887,小穗宽为0~1.887,小穗数为0.500~1.696,小花数为0~1.280,外稃长为0.898~1.887,内稃长为0.898~1.887,外稃芒长为1.280~1.834,第一颖长为0~1.748,第一颖芒长为0~1.834,第一颖宽为0~1.834,旗叶与穗基部长度为0.950~1.925,主穗轴第一节间长为1.168~1.887｡从总体来看,居群总H′为1.947,居群内平均H′为1.424,则居群间H′为0.523｡因此,垂穗披碱草居群的遗传多样性主要集中在居群内部(73.14%),居群间的遗传变异较小(26.86%)｡2.2聚类分析由图1可知,当欧氏距离=15时,垂穗披碱草可分为四类｡第一类20个居群,包括AE006､AE008､AE009､AE010､AE011､AE012､AE013､AE014､AE017､AE018､AE019､AE020､AE021､AE022､AE023､AE024､AE025､AE026､AE028､AE029,其穗长､穗宽､小穗数及外稃长等总体上较大,其穗部性状整体偏较大,即种子相对较大｡第二类1个居群,为AE015,其外稃长､内稃长较小,其穗部性状整体较小,即种子相对较小;第三类1个居群,为AE027,其穗长､小穗长､外稃长､内稃长､第一颖长､第一颖芒长､第一颖宽均为最小值,其穗部性状整体相对最小,即种子相对最小;第四类7个居群,包括AE001､AE002､AE003､AE004､AE005､AE007､AE016,其穗长､穗宽､小穗数及外稃长等总体上大,穗部性状整体相对最大,即种子相对最大｡2.3主成分分析将14项穗部性状进行主成分分析(表5)｡结果表明,14项主成分中前6项主成分的贡献率分别是36.553%､16.618%､10.709%､9.289%､7.034%和6.427%,累积贡献率为86.630%,所以,这6个主成分可以代表原始因子所代表的信息｡第1主成分主要受外稃长(0.912)､第一颖芒长(0.911)､穗宽(0.863)､内稃长(0.858)､小穗数(0.789)和穗长(0.748)的影响;第2主成分主要受小穗长(0.752)和外稃芒长(0.700)的影响;第3主成分主要受旗叶与穗基部长度(0.576)和外稃芒长(0.534)的影响,说明第1､2､3主成分反映了常用分类指标的特征;第4主成分主要受小穗宽(0.605)和第一颖长(-0.400)的影响,二者成负相关,说明二者是不同的分化特征;第5主成分主要受小穗宽(0.493)和小花数(0.461)影响;第6主成分主要受主穗轴第一节间长(0.526)､第一颖长(0.455)和小花数(0.397)的影响,说明第5､6主成分反映了与种子产量密切相关的指标特征｡总的看来,外稃长､第一颖芒长､穗宽､内稃长､小穗数､穗长等6个性状是影响较大的因素,造成野生垂穗披碱草不同居群穗部性状差异的主要因素｡2.4多样性指数与海拔高度相关分析由表6可知,垂穗披碱草的多样性指数与海拔高度的相关系数是0.570,呈极显著关系,表明呈显著正线性相关｡3讨论1)形态学标记研究材料的外部形态,受到基因和所处生态环境的共同影响,将所有的材料种植在同一环境下,减少环境对研究材料的影响,对材料间受基因控制的遗传差异进行研究｡对处于不同生态环境下的同种材料的形态学研究,可以了解环境对基因表达的影响[10]｡垂穗披碱草野生居群的14项穗部性状,其平均数､标准差､变异系数和多样性指数均存在较大的变异,说明野生居群的各个性状均存在着较丰富的遗传变异｡聚类分析表明,垂穗披碱草可分为4类,主要是由外稃长引起的,由此可分为大种子､较大种子､较小种子､小种子四类｡多样性指数与海拔高度的相关分析,海拔高度对多样性指数影响较大｡2)垂穗披碱草各居群存在丰富的遗传多样性,平均多样性指数H′=1.947,均远远高于麦类作物(中国普通小麦的遗传多样性指数(H′=1.092)[11],这可能是由于生境广,植物种类繁多,物种间竞争激烈,迫于环境的选择压力,使得该物种基因得以积累｡其较高的遗传变异可能有以下几个方面的原因,首先,Hamrick和Godt曾对涉及165个属､449个种的不同类型植物的遗传变异水平和居群分化程度进行统计,结果发现自花授粉植物51.0%的遗传变异存在于居群间,异交风媒植物只有9.9%的遗传变异存在于居群间[7],所以从这个结论来看垂穗披碱草并不属于严格意义上的自花授粉植物,可能进行天然杂交,致使遗传物质重新组合;可能的种间交流也是增加遗传多样性的途径之一｡其次,遗传变异程度与人工选育的力度和迫害程度有密切的关系,一般来讲,天然居群其遗传多样性要高于栽培品种,本研究所用材料均取自天然居群,人为选择程度小,所以,仍保留了物种较高的基因多样性｡另外,从生物进化论的观点来看,任何物种都不是一成不变的,随环境条件的变化而变化｡3)我国北方地区常年干旱少雨,草原退化､草地荒漠化､沙化日益加剧,生态极其脆弱;土壤盐碱化程度高,风蚀水蚀相当严重,多年来一直是国内外重点生态建设､治理的焦点｡植物在这种恶劣生境条件下,以适应生境压力,进化积累了较多的遗传变异[12,13]｡但是,生境的恶劣程度和人工选育的力度超出物种适应的最大限度,那么必将导致该物种遗传多样性的丧失甚至灭绝｡因此,对垂穗披碱草种质资源利用的同时更要注重其采集和保护,采集垂穗披碱草种质的时候应尽可能多地采集不同居群,由于其遗传多样性更多的集中在居群内,在采集种质时应在每个居群中收集尽可能多单株的种子,最大程度地保护我国垂穗披碱草的多样性｡参考文献:[1] 马啸,周永红,于海清,等. 野生垂穗披碱草种质的醇溶蛋白遗传多样性分析[J]. 遗传,2006,28(6):699-706.[2] 肖笃志. 垂穗披碱草生物生态学特性的研究[J].中国草地学报,1984(4):50-53.[3] 袁春光.青藏高原野生优质牧草——垂穗披碱草[J].草业与畜牧,2006(10):62.[4] 邓竹佳,苗佳敏,张新全,等.川西北高原野生垂穗披碱草RAPD变异研究[J].草业与畜牧,2010(12):17.[5] 张建波,白史且,张新全,等. 川西北高原12个垂穗披碱草居群的核型研究[J]. 西北植物学报,2008,28(5):946-955.[6] 陈智华. 青藏高原野生垂穗披碱草种质的遗传多样性研究[D]. 成都:四川农业大学,2009.[7] 鄢家俊,白史且,马啸,等. 川西北高原野生老芒麦居群穗部形态多样性研究[J]. 草业学报,2007,16(6):99-106.[8] 王照兰,赵来喜. 老芒麦种质资源描述规范和数据标准[M]. 北京: 中国农业出版社,2007.[9] WEST N E. 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