旱雀麦形态学遗传多样性研究

郝 峰，徐 柱，李 平，杨钦忠，闫伟红，王慧萍

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特010010； 2.中国农业科学院研究生院，北京100018；3.内蒙古农牧业科学院马玲薯研究所，内蒙古 呼和浩特 010010； 4.内蒙古锡林郭勒盟太仆寺旗农牧业局草原工作站，内蒙古 太仆寺旗027000)

旱雀麦(Bromustectorum)属于禾本科(Gramineae)早熟禾亚科(Pooideae)雀麦族(Bromeae Dumort)雀麦属(Bromus)，细胞染色体2n=14，为春雨型短生禾草，是荒漠草原、草原化荒漠及荒漠上的早春牧草，广泛分布于海拔600～1 300 m的低山丘陵、山麓洪积扇、复沙地及沙丘[1-2]。原产于美洲，广泛分布于欧洲、亚洲、北美和北非，在我国新疆、青海、甘肃和四川等地均有分布[1,3]；茎叶柔软，各种牲畜均喜采食，可刈制青干草，也可做青贮料。适应性强，耐寒，抗霜冻，结实性能良好，适宜在中等湿润条件地区生长，以中性沙壤土最好，对氮肥很敏感，充足的肥料可大幅度提高其产量[4]。栽培株高80～100 cm，每公顷产鲜草22.5 t，每公顷种子收量525～1 125 kg，是我国重要的一年生优质栽培禾草[5]。旱雀麦在形态学遗传多样性研究报道很少，本研究旨在通过对旱雀麦形态学遗传多样性研究，为旱雀麦种质资源开发和利用提供重要理论参考依据。

1 材料和方法

1.1材料 试验材料共12份，由中国农业科学院草原研究所国家牧草种质中期库和中国农业科学院太仆寺旗(内蒙古锡林郭勒盟)草地资源生态监测与评价野外科学观测试验站牧草种质资源库提供，详细情况见表1。

1.2试验地概况 本试验小区设在中国农业科学院太仆寺旗(内蒙古锡林郭勒盟)草地资源生态监测与评价野外科学观测试验站，位于41°36′ N、115°04′ E，锡林郭勒盟南部，地处阴山北麓，浑善达克沙地南缘，属典型干旱半干旱温带草原区，海拔1 400 m左右，年平均气温1.5℃，最热月(7月)平均气温17.8℃，最高温33.3℃，最冷月(1月)平均气温-17.6℃，最低温-35.7℃；年均降水量397 mm，最高降水量625 mm，最低降水量240 mm，≥10℃年积温1 800～2 300℃·d，无霜期90～126 d；土壤为栗钙土，pH值为7.0～8.5，土层较厚，草地植被以克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、隐子草属(Cleistogenes)及蒿属(Artemisia)植物为建群种和优势种。

1.3试验设计 2009年6月3日人工条播，行距0.5 m，小区间隔1 m，每份材料试验小区面积2 m×5 m，采用随机区组设计，重复3次。试验期间田间管理进行灌溉，不施肥，不喷农药，多次清除杂草。

表1 供试材料的原产地和生境状况

1.4测定指标及方法 根据《中国植物志》[1]雀麦属形态性状描述，《中国牧草手册》[3]、《牧草种质资源描述规范和数据标准》[6]和《无芒雀麦种质资源描述规范和数据标准》[7]为参照测量标准。

1.4.1形态指标 形态性状指标分属于根、茎、叶、花、穗、颖果等器官：1)属于根的性状有分蘖数；2)属于茎秆的性状有株高(cm)、秆直径(mm)和秆节数；3)属于叶的性状有叶片长(cm)、叶片宽(cm)和叶舌长(mm)；4)属于花的性状有内稃长(mm)、内稃宽(mm)、外稃长(mm)、外稃宽(mm)、外稃芒长(mm)、第一颖长(mm)、第二颖长(mm)、第一颖脉数、第二颖脉数、花药长(mm)、小花数、小穗小花数；5)属于穗的性状有穗长(cm)、穗节数、穗轴第一节间长(cm)、小穗数、小穗轴节间长(mm)、小穗长(mm)、小穗宽(mm)、主轴轮生分枝数、分枝着生小穗数和分枝长(cm)；6)属于颖果的性状有颖果长(mm)和颖果宽(mm)，共31个。

1.4.2测定方法 旱雀麦6月中旬出苗，7月抽穗，8月结实，8月下旬-9月上中旬成熟，9月中下旬开始枯黄。测定时间是盛花期(8月22-29日)对茎、叶、花、穗等性状进行测定；成熟期(9月15-20日)对颖果的性状进行测定；枯黄期(9月20日后)对分蘖数进行测定。随机选取行中植株进行形态学性状相关指标测定，每份材料设3个重复小区，每个小区取10株，共取30次求其平均值。使用叶面积仪、游标卡尺(分度为0.02 mm)，直尺(2.0、1.5、0.5、0.3 m)，电子天平(感量为0.01 g)、铝合金的三角形考种盘(27 cm×27 cm×27 cm)和光学显微镜等工具进行测量。

1.5数据处理 采用Excel和SPSS 13.0软件对测定数据进行统计、分析及图表处理。

2 结果与分析

2.1形态性状基本统计分析 对12份不同来源地旱雀麦材料的31个主要形态性状进行基本统计分析。结果表明，材料来源地不同，形态性状存在很大的差异，表现出较高的遗传多样性。不同性状变异系数相差较大，变异系数在3.90%～37.76%，变异系数较大的由大到小依次是穗轴第一节间长、小穗数、分蘖数、第二颖脉数、小穗长、小穗小花数；变异系数较小的由小到大依次是颖果宽、第二颖长、外稃芒长、第一颖长、株高、小穗轴节间长(表2)。

2.2形态性状主成分分析 对参试的12份旱雀麦材料进行主成分分析，结果表明，前7个因子贡献占总方差的87.96%(表3)。主轴轮生分枝数、叶片长、穗长、小花数、分枝着生小穗数、小穗长在第一主成分上的载荷较大，即与第一主成分的相关系数较高；株高、分枝长、叶片宽与第二主成分的相关系数较高；穗轴第一节间长、第一颖脉数、第一颖长与第三主成分的相关系数较高；第二颖脉数、叶舌长、外稃宽与第四主成分的相关系数较高；第一颖长、分枝长、小穗轴节间长、第二颖长与第五主成分的相关系数较高；内稃长、小穗小花数与第六主成分的相关系数较高；颖果宽、外稃长与第七主成分的相关系数较高。

表2 旱雀麦种质资源形态性状的基本统计分析

2.3形态性状聚类分析 类平均法具有良好的单调性及其一定的聚类空间浓缩性和扩张性[8]。采用类平均法，对31个形态性状做R型聚类分析(图1)。结果显示，当欧氏距离为3.6时， 31个性状可分为5类，叶片长、主轴轮生分枝数、秆直径、穗节数、小花数、小穗小花数、外稃芒长、叶片宽、小穗数、叶舌长、秆节数、第一颖脉数、第二颖脉数、穗轴第一节间长、分枝着生小穗数、分蘖数、小穗轴节间长、花药长、内稃长、小穗长、穗长、分枝长、小穗宽聚为一类；外稃宽、内稃宽、颖果长聚为一类；株高、第一颖长、外稃长聚为一类；第二颖长单狸聚为一类；颖果宽单独聚为一类。根据聚类图，彼此相关性较高的是:叶片长、主轴轮生分枝数、秆直径和穗节数之间，小花数与小穗小花数之间，叶片宽与小穗数之间，叶舌长与秆节数之间，第一颖脉数与第二颖脉数之间，内稃长与小穗长之间，外稃宽、内稃宽和颖果长之间，株高、第一颖长和外稃长之间。

对12份旱雀麦材料聚类分析的结果显示(图2)，当欧氏距离为11时，12 份材料分为3类：编号430、446、350、393聚为一类，403、581、538、565、385、576、575聚为一类，573单独聚为一类。从总体上，亲缘关系彼此之间较近的有： 430与446;538与565;385与576。

3 讨论和结论

加强牧草种质资源保护，最终目的是科学合理利用资源，不能只保护不利用[9]。对牧草育种来说，育种者希望材料之间遗传差异性大和多样性高，有利于优质材料的选择。本研究对旱雀麦形态性状基本统计分析，不同来源地的材料间遗传差异性大，变异系数范围4.29%～38.14%。在31个数量性状中，有6个变异系数大于等于30%，从大到小依次为穗轴第一节间长(37.76%)、小穗数(36.00%)、分蘖数(35.32%)、第二颖脉数(33.75%)、小穗长(30.73%)和小穗小花数(30.13%)。变异系数越大，说明该性状在种质间的遗传差异越大，变异丰富。在育种时，选择遗传差异大的单株能提高育成品种抵抗外界生物及非生物胁迫的能力[10]；有6个变异系数小于12%，从小到大依次为颖果宽(3.90%)、第二颖长(6.05%)、外稃芒长(8.13%)、第一颖长(9.29%)、株高(9.67%)、小穗轴节间长(11.38%)。

表3 旱雀麦形态性状主成分分析

表型性状是群体遗传与环境复杂性共同作用的结果，通过表型性状研究，可了解其内在遗传规律[11]。12份旱雀麦材料做主成分分析，前7个主成分的方差贡献率是87.96%。主轴轮生分枝数、叶片长、穗长、小花数、分枝着生小穗数、小穗长在第一主成分上的载荷较大，这些性状中生殖器官指标多于营养器官指标，都是田间常观测的重要农艺性状指标。6个性状指标中属于穗器官的4个、属于叶器官和花器官的各1个，说明穗部性状对第一主成分对影响较大，与种子产量有关，对旱雀麦的形态分化和分类具有重要作用；株高、分枝长、叶片宽与第二主成分的相关系数较高，属于营养器官指标，是茎、穗、叶不同器官的性状，与鲜草、干草产量有关，突出表现本种特点，易于识别分类；穗轴第一节间长、第一颖脉数、第一颖长与第三主成分的相关系数较高，属于生殖器官指标，是穗和花的性状，可能与抗逆性有关；与第四、五、六、七主成分相关系数较高的有第二颖脉数、叶舌长、外稃宽、第一颖长、第二颖长、内稃长、颖果宽、外稃长等，都是植株内部的细微指标，这些指标在田间观测时易忽略，又是难以观测的指标，以后在形态学研究中应加以重视。营养指标、生殖指标之间及其内部均存在不同程度的相关性，这与黄春琼和刘国道[12]的研究结果类似。总之，根据主成分分析，对第一、二、三主成分贡献率大的指标，可作为来源于不同地区不同材料重要形态分化指标和育种指标，其值越大，说明其丰产性等农艺性状越好；对第四、五、六、七主成分贡献率大的指标，是重要的分类指标，其值越大，说明其适应性等农艺性状越好，因为牧草田间性状除了受遗传因素控制外，还受到环境因素的影响[13]。在31个指标中，最重要的指标是主轴轮生分枝数、叶片长、穗长、小花数、分枝着生小穗数、小穗长、株高、分枝长、叶片宽；重要指标是穗轴第一节间长、第一颖脉数、第一颖长、第二颖脉数、叶舌长、外稃宽、第二颖长、内稃长、颖果宽、外稃长；剩下的指标属于次要指标。

图1 旱雀麦31个形态性状聚类分析

图2 旱雀麦12份材料聚类分析

研究形态遗传多样性可以为种质资源的开发利用、杂种优化提供重要的遗传背景资料[14]。在形态分类学中，雀麦属的一朵小花结构由内向外依次是颖果→内稃→外稃→第二颖→第一颖。旱雀麦形态性状聚类图中，总的聚类特点是对花器官的性状指标着重进行聚类，颖果宽和第二颖长都属于小花性状，与其他29个性状遗传距离最远，独立聚为两个大类；颖果长和颖果宽没有归为一类，而与外稃宽、内稃宽归为一类，要想改变颖果性状，可从外稃宽、内稃宽上进行间接研究。颖果长、内稃宽和外稃宽也都属于小花性状，聚为第三类；外稃长、第一颖长和株高3个中小花性状占2个，聚为第四类，株高、外稃长和第一颖长聚为一类的原因是它们都是变异系数小且变异系数数值非常接近的性状；第一颖长与第二颖长没有归为一类，而与株高、外稃长归为一类，说明要想提高植株高度，应对株高、第一颖长、外稃长同时研究；其余23个性状聚为第五大类，特点是除了其他器官如根、茎、叶、穗的性状指标。第五大类又分为多个亚类：叶片长与主轴轮生分枝数、秆直径、穗节数高度相关，分别是叶、穗、茎不同器官的性状，聚在一起的原因可能与秆直立的稳定性有关；小花数与小穗小花数高度相关，二者都是小花的性状；叶片宽与小穗数相关，叶片光合作用增强，有利于小穗的形成和生长；秆节数与叶舌长度相关，二者可能与分生组织生长分化有关，都是重要的分类依据。形态性状研究，不能单纯考虑某一个指标，要特别注意指标之间的相关性，必要时应一起研究。相关性较高的两个或者几个性状之间如果有一个性状不易测量，可通过与其相关性较高的其他性状进行间接研究。

本研究取材来源于新疆11份、美国1份。聚类结果将来源于富蕴县的两份材料聚为一类，而两份昭苏材料没有聚在一类；当欧氏距离为11时，两份尼勒克县的也没有聚在一类，来源于尼勒克材料编号的573的材料不同于其他所有材料，单独聚为一类；当欧氏距离为9.7时，来源于尼勒克编号为575的材料也单独聚为一类，不同于其他所有材料。来源于美国的材料与布尔津、石河子和昭苏的聚为一类，说明美国材料与它们遗传距离小，而且美国材料与布尔津材料遗传距离最近。

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