喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体的表型性状比较

黄梅芬，张美艳，薛世明，吴梦霞，匡崇义，徐 驰，钟绍丽，钟 声

(云南省草地动物科学研究院，云南 昆明 650212)

【研究意义】鸭茅又称果园草或鸡脚草，隶属禾本科鸭茅属(DactylisL.)的多年生植物，全属约有5个种，中国仅有鸭茅1种[1]。原产于欧洲、亚洲和地中海地区的鸭茅(DactylisglomerataL.)是一种重要的温带禾本科饲草[2]，因其具有叶量丰富[3]、优质、高产、耐瘠薄、耐荫、适应性强等优点，而被推荐为草地建植或恢复、温带经济林地种植的主要骨干牧草之一。鸭茅是美国大面积种植的主要牧草，也是新西兰、澳大利亚、英国、法国、意大利等地重要的牧草资源[4]。中国是鸭茅起源地之一，蕴藏着优异的鸭茅基因资源和丰富的遗传多样性[5]，在中国西南、西北地区均有鸭茅分布[6]。由于鸭茅的耐旱、耐贫瘠等特性，在中国西南和南方中高海拔地区有良好的生态适应性和栽培前景，特别适宜在温凉地区推广种植。种质资源是育种的物质基础。鸭茅育种的重要突破均与优良种质资源的发现和利用有关。通过对鸭茅种质资源的表型性状研究，可充分发掘其优良性状，对鸭茅种质改良具有重要意义。植物的多倍化是促进植物进化变异的重要力量[7-8]，重视和充分利用植物的多倍性对创造出更多增产潜力的新作物或作物新品种将具有重要的现实意义[9-10]。【前人研究进展】自然界的鸭茅存在二倍体、四倍体和六倍体3种倍性水平类型[11]，而且二倍体与四倍体在检测到适应度相关性状的平均值上存在一致的差异，这些差异对多倍体的维持和进化成功至关重要[12]。国内虽在野生鸭茅二倍体和四倍体的农艺性状、生物特性、遗传变异等方面开展了研究[13-17]，倍性为二倍体的喜马拉雅鸭茅属于温带欧亚类型，具有抽穗晚和较大的塔型圆锥花序，其春季的鲜草产量高于或接近鸭茅亚种Lusitanica[18]。鸭茅同源四倍体的植物具有籽粒大、高产、品质优良[9]和木质素含量低[17]等特性。【本研究切入点】尚未见喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其诱导获得的同源四倍体的表型性状差异性方面的系统研究，而依据表型多样性分析是遗传多样性研究最为常规的一种方法[5]。【拟解决的关键问题】在多年试验研究和筛选的基础上，重点研究有育种价值的喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体材料，分析比较鸭茅不同倍性的表型性状特性，为鸭茅种质资源多样性保护及创新利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

试验地位于滇中产业新区的云南省草地动物科学研究院的牧草示范基地内。地处东经102°58′，北纬25°21′，海拔1960 m，属于北亚热带与暖温带的过渡气候带。试验期间的年均气温14.5 ℃，日均温≥5 ℃的积温5267.7 ℃，有效积温3530.6 ℃；平均降水量810.4 mm，干、湿季节明显，5-10月为雨季，其降水量占全年的87 %，11月至翌年4月为干季，降水量仅占全年的13 %；风速1.55 m·s-1，年蒸发量2411 mm，全年无霜期240 d以上。试验地土壤为山地红壤，pH值4.92，基本养分是有机质 38.67 g·kg-1，全磷0.858 g·kg-1，全钾11.85 g·kg-1，全氮1.56 g·kg-1，速效磷34.59 mg·kg-1，速效钾223.96 mg·kg-1，速效氮219.30 mg·kg-1。

1.2 供试材料

喜马拉雅野生鸭茅二倍体来源于海拔1800～2200 m的曲靖市朗目山的天然草地[20]。

同源四倍体为喜马拉雅野生鸭茅二倍体经化学试剂秋水仙素诱导所得[21]。

1.3 研究方法与内容

供试材料经实验室育苗，单株移栽至花盆和试验地。其中，每份材料每盆栽种1个单株，共种植20个单株，合计种植40盆。花盆内径45 cm，盆栽基质为沙、腐植土和红壤土，并按照1∶1∶1配制而成。单株年施肥量：钙镁磷肥40 g、尿素20 g、硫酸钾4 g、硫酸锌 0.2 g、硼砂 0.2 g和硫酸铜0.2 g；试验期间盆栽和试验地的单株进行统一管理，采取适时灌溉、施肥和中耕除草等农耕措施，确保田间持水量>80 %，充分为供试鸭茅提供理想的正常生长环境条件；测定盛花期供试鸭茅的表型性状以及成熟期的鸭茅单株重、种子大小、粒重等30个指标。

1.4 测定指标与方法

鸭茅形态学在鸭茅开花盛期进行测定。采用徕卡体视镜、游标卡尺、量角器和钢卷尺等器具测定。旗叶的叶绿素测定采用502 Plus Chlorophyll Meter，重复20次，取平均值。

1.4.1 株高 测定开花期拉直状态下的植株高度。

1.4.2 叶片的长度和宽度以及旗叶长度、宽度 随机选取营养蘖上完全展开的叶片和繁殖枝上的旗叶，在拉伸状态下测量其长度、最宽部位的叶片宽度。

1.4.3 穗叶距 测量旗叶基部到花序分枝基部之间的距离。

1.4.4 营养蘖数、繁殖枝数和节数 盛花期随机测定每单株的营养蘖数和有花序的繁殖枝数，并对每株每繁殖枝的节数计数。

1.4.5 茎基宽和基部节长 在开花期随机选取植株繁殖枝基部1 cm处用游标卡尺测量茎基宽。同时找出繁殖枝基部节头，从下至上测定两节头的长度为基部节长。

1.4.6 叶绿素含量 采用叶绿素测定仪对花期鸭茅的旗叶中部进行测定。

1.4.7 花序长和宽及小穗数 随机选取花期鸭茅自然展开的花序，花序长为基部一级分枝至顶端的长度，花序宽是花序最宽处的宽度，同时记录每个花序的小穗数。

1.4.8 小穗张角 是指主花序轴与基部一级分枝花序形成的夹角，用量角器测定。

1.4.9 小穗长度和宽度以及小穗所含小花数 在徕卡体视显微镜下，放大0.63×20倍，测第一花序分枝靠近基部倒数第3个小穗的长度和宽度，所得的值为实际值，同时记录每穗所含的小花数。

1.4.10 种子数及种子大小 随机选取成熟期的花序，测定每个花序的种子数，并将成熟的种子在徕卡体视显微镜下放大 0.63×80倍进行种子长度和宽度、第一颖长、第二颖长、外稃长、内稃长、颖果的长和宽的测定，所得的值为实际值。

1.4.11 单株重、千粒重 对进入成熟期的供试鸭茅，单株刈割后分别测定鲜重。在105 ℃杀青30 min后，在75 ℃的烘箱中烘烤48 h，经冷却至恒重后测定干重，同时对花序进行脱粒，选取饱满的种子，按照千粒重测定方法进行测定。

1.5 数据统计分析

利用Excel 2010、IBM SPSS 19.0统计软件对试验数据进行变异分析、t-test和Pearson 相关分析，数值以平均数±标准差(Mean±SD)表示，并以不同小写字母和大写字母分别表示显著差异(P<0.05)和极显著差异(P<0.01)。

2 结果与分析

2.1 喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体的表型性状指标的比较

成熟期喜马拉雅野生鸭茅二倍体表型性状指标中变异较大的指标由大到小依次是穗叶距、营养蘖数、旗叶宽、生殖枝数、基生叶宽、旗叶长(表1)，其余的性状指标的变异系数均在20 %以下。诱导加倍后的同源四倍体表型性状指标中变异较大的指标由大到小依次是穗叶距、旗叶长、基生叶长、营养蘖数、基生叶宽，其他性状指标的变异系数均在20 %以下。

鸭茅同源四倍体表型性状中的营养蘖、繁殖枝数、穗叶距、叶长、旗叶长、基部茎宽和单株干重比野生鸭茅二倍体分别提高45.25 %、21.70 %、3.72 %、8.93 %、12.40 %、88.24 %和27.64 %，而株高、叶宽、旗叶宽、叶绿素含量、节数和基部节长则分别降低5.64 %、10.30 %、4.95 %、2.01 %、8.64 %和33.91 %。经t检验，两个倍性鸭茅表型性状中的营养蘖数、繁殖枝数、旗叶长、基部茎宽、繁殖枝节数、基部节长和单株重分别比较存在极显著或显著差异(P<0.01或 0.05)，叶长、穗叶距、叶绿素含量也呈不同程度的增加，但是各性状间分别比较差异不显著(P>0.05)。表明喜马拉雅野生鸭茅二倍体经过加倍后获得的鸭茅同源四倍体，其表型性状中的基部茎宽明显地变宽，营养蘖数、繁殖枝数、旗叶长和节数明显增加，但是表型性状中的基部节长明显地变短，节数明显地减少。

表1 喜马拉雅野生鸭茅二倍体与鸭茅同源四倍体的表型性状的比较

表2 喜马拉雅野生鸭茅二倍体与鸭茅同源四倍体的花序性状比较

2.2 喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体繁殖性状差异比较

2.2.1 不同倍性鸭茅的花序性状变化 在喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体的花序性状中变异系数较大的指标是总小穗数(表2)，其次是花序长、花序宽和种子数，而且在两个倍性水平鸭茅的同一指标比较中，以鸭茅同源四倍体的变异系数大于喜马拉雅野生鸭茅二倍体。其中：鸭茅同源四倍体的花序长、小穗数、小花数、小穗张角、小穗长和小穗宽分别比喜马拉雅野生鸭茅二倍体提高2.20 %、2.29 %、8.64 %、8.17 %、11.0 %和6.26 %，但是花序宽和种子数分别减少9.22 %和23.66 %。经t检验，两种倍性鸭茅间的小花数、种子数、小穗张角和小穗长存在显著或极显著地差异(P<0.05或P<0.01)。表明随着倍性水平的增加，鸭茅的小花数明显增加，小穗张角亦明显增大，小穗变长，每花序的总种子数明显减少。说明鸭茅同源四倍体在花序性状上呈现出花序长而微窄，一级分枝花序与花序主轴上形成相应小穗张角明显变大，小穗变长和小花数明显变多，但是种子数明显减少。

2.2.2 喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体种子形态及千粒重的比较 除了鸭茅同源四倍体的第二颖长和颖果宽性状指标存在较大变异外(表3)，其他表型性状指标的变异系数均在≤10 %以下，属于性状比较稳定指标。

表3 喜马拉雅野生鸭茅二倍体与鸭茅同源四倍体的种子形态比较

表4 不同倍性鸭茅的表型性状Pearson相关分析

供试鸭茅的种子形态比较结果表明：除了鸭茅同源四倍体的种子宽和颖果宽分别比喜马拉雅鸭茅二倍体的减少了3.90 %和3.88 %外，其千粒重、种子长、第一颖长、第二颖长、外稃长、内稃长和颖果长分别比喜马拉雅野生鸭茅二倍体的增加63.25 %、10.60 %、14.24 %、6.13 %、14.58 %、6.79 %和9.46 %。t检验分析结果表明2个倍性鸭茅的千粒重、种子长、第一颖长、外稃长、内稃长和颖果长存在极显著差异(P<0.01)。表明鸭茅同源四倍体在种子形态上均有不同程度变大，特别是在千粒重和种子长、颖果长等性状指标方面比喜马拉雅野生鸭茅二倍体明显提高。

2.3 供试鸭茅表型性状相关分析

如表4所示，鸭茅的倍性水平增加与其单株重(r=0.635**)、千粒重(r=0.996**)和茎基宽(r=0.951**)呈极显著正相关关系(P<0.01)，与营养蘖数(r=0.557*)、繁殖枝数(r=0.467*)、旗叶长(r=0.209*)、小花数(r=0.369*)、小穗张角(r=0.534*)、种子长(r=0.278*)和外稃长(r=0.402*)呈显著正相关关系(P<0.05)，与种子数(r=-0.551**)、节长(r=-0.593**)呈极显著负相关关系(P<0.01)，与节数(r=-0.266*)呈显著负相关关系(P<0.05)，与叶长、小穗长宽、种子宽、第一二颖长和颖果长宽呈正相关关系(P>0.05)。表明随着鸭茅倍性水平的增加，单株重、千粒重、营养蘖数、繁殖枝数、小花数明显增加，旗叶长、种子长和外稃长均变得更长，种子变大，基部茎宽变宽和小穗张角变大，但是种子数减少，基部节长变短和节数变少。

3 讨 论

3.1 鸭茅不同倍性的表型性状变异性

研究发现鸭茅不同倍性水平的表型性状中存在明显共同变异的性状指标是营养蘖数、叶宽、旗叶的长宽、花序的长宽、穗叶距、小穗数，其变异系数超过20 %，而种子数和小穗宽的变异系数则超过16 %。说明喜马拉雅野生鸭茅二倍体及其同源四倍体在同一性状上测定获得的平均数值存在较大的变异性，究其原因与加倍后获得的同源四倍体仍和原始的喜马拉雅野生鸭茅二倍体的一些相应表型性状指标保持较大变异性有关。其中，旗叶长度、花序宽度的变异系数超过20 %，与彭燕、徐倩等的研究有相同结果[13,22]。

3.2 鸭茅不同倍性表型性状比较

与二倍体植物比较，同源多倍体的倍性增加，植物的品质、产量和形态特征等会发生明显变化[23]，而且多倍体植株还存在叶片变大加厚、根茎变粗、叶色加深[24]以及种子变大[25]、分蘖数增加的趋势，但是四倍体植物较二倍体的矮而粗[26]。在研究中发现鸭茅同源四倍体的单株干重、营养蘖数、繁殖枝数、旗叶长等指标明显地变重、变多或变长，花序变长而紧凑，小穗数增加且明显变长，种子变大，与杨业华报道的四倍体具有巨大性的特征[23]基本一致。尽管随着鸭茅的倍性水平增加，千粒重亦有增加的趋势，但种子数明显减少的结果表明同源四倍体的结籽性能不及喜马拉雅野生鸭茅二倍体，与黄梅芬、杨业华等报道的同源四倍体的结籽性能有所下降的结果相符[19,23]。喜马拉雅野生鸭茅二倍体花序的长、宽和旗叶长分别比Guignard等报道的花序长、宽和旗叶长[18]短24.04 %、窄14.49 %和短22.66 %，但是旗叶宽则比Guignard等报道[18]的宽55.17 %，这是由于鸭茅所生长的环境和测量器具等不同所致。

3.3 鸭茅倍性的表型性状的相关性

供试鸭茅表型性状指标间存在不同程度的相关关系。研究发现随着鸭茅倍性的增加，基部茎明显地变宽(粗)、旗叶明显变长、营养蘖数和繁殖枝数明显增多、小花数增多、小穗张角和种子变大、单株干重和千粒重明显增加，但是叶片、旗叶和花序的宽度有变窄的趋势，基部节长明显变短，节数显著减少，导致鸭茅同源四倍体植株的株高不及喜马拉雅野生鸭茅二倍体，结果也证实了植物的性状并不一定随着倍性的增加而增大[27]。研究还发现随着鸭茅倍性的增加，对叶片大小、旗叶宽、穗叶距、花序长宽、小穗大小、颖果大小等的增减没有明显的影响，说明了倍性的增加虽会导致性状出现相应的变化，但不一定存在线性相关[27]。

4 结 论

鸭茅的2个倍性的表型性状指标存在不同程度的变异，其中变异系数大于20 %的共同表型性状指标有营养蘖数、穗叶距、叶宽、旗叶长和宽、花序长和宽和小穗数。

随着倍性的增加，营养蘖数、繁殖枝数、小花数、单株重和千粒重明显增多，基部茎变粗，旗叶长、种子长和外稃长变得更长，小穗张角和种子变大，但是每花序种子数明显减少，基部节长变短，节数变少。其中，基部茎变粗、营养蘖数和繁殖枝数增加对抗倒伏能力和单株重增加有明显作用。