德英,穆懷彬,劉新亮,趙來(lái)喜,王照蘭

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.農(nóng)業(yè)部草原資源與生態(tài)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院,北京 100081）

披堿草屬（Elymus）是禾本科小麥族內(nèi)一個(gè)重要的屬,我國(guó)野生披堿草屬牧草種質(zhì)資源豐富,廣泛分布于各地,尤其西、北部地區(qū)是披堿草屬牧草的重要分布區(qū)和多樣性分化中心[1]。披堿草屬的多數(shù)物種為草原和草甸的重要組成成分,許多種類是優(yōu)良的牧草,飼用價(jià)值極高[2]。豐富的遺傳變異對(duì)于培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗的栽培牧草品種非常重要,野生牧草種質(zhì)是育種家改良現(xiàn)有牧草品種的二級(jí)基因庫(kù),了解野生牧草種質(zhì)所蘊(yùn)涵的遺傳多樣性對(duì)于選育優(yōu)異品種和種質(zhì)資源保護(hù)具有重要意義[3]。

披堿草屬牧草作為麥類作物的近緣屬,是麥類作物遺傳改良的重要優(yōu)異基因來(lái)源,是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的牧草,也是重要固沙植物,具有重要的利用價(jià)值[3]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于披堿草屬牧草的形態(tài)學(xué)性狀、染色體、RAPD及SSR標(biāo)記等手段研究披堿草屬牧草遺傳多樣性的較多,形態(tài)多樣性是檢測(cè)遺傳變異最傳統(tǒng)和常用的方法[4-9],但是在種類、分布上大范圍內(nèi)的研究較少。長(zhǎng)期以來(lái),種質(zhì)資源的分類、鑒定及育種材料的選擇通常都是依據(jù)表型性狀來(lái)進(jìn)行的,其中穗部性狀的變異是禾本科物種形態(tài)多樣性的主要表型性狀。披堿草屬牧草分布廣泛,種類繁多,廣義的披堿草屬包括近150個(gè)種,而在我國(guó),則比較接受狹義披堿草屬的概念,即有12余種[10]。本研究對(duì)分布于我國(guó)的披堿草屬8種101個(gè)野生牧草居群的14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行評(píng)價(jià),分析其表型多樣性,旨在為我國(guó)披堿草屬牧草種質(zhì)資源的保存利用、開(kāi)發(fā)選育提供理論依據(jù),還為拓寬其品種遺傳基礎(chǔ),合理選擇親本及其繁育系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料試驗(yàn)材料全部為我國(guó)野生披堿草屬種質(zhì)材料（表1）,共8個(gè)種101個(gè)居群。其中垂穗披堿

草（Elymusnutans）29個(gè)居群,短芒披堿草（E.breviaristatus）4個(gè)居群,肥披堿草（E.excelsus）6個(gè)居群,黑紫披堿草（E.atratus）3個(gè)居群,老芒麥（E.sibiricus）24個(gè)居群,麥薲草（E.tangutorum）10個(gè)居群,披堿草（E.dahuricus）18個(gè)居群,圓柱披堿草（E.cylindricus）7個(gè)居群。

表1 供試材料名錄及居群多樣性指數(shù)

續(xù)表1

1.2 試驗(yàn)地概況試驗(yàn)地位于呼和浩特市西南約30余km的土默特左旗沙爾沁鄉(xiāng)“農(nóng)業(yè)部沙爾沁牧草資源重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站”,處在大青山及和林格爾丘陵之間的廣闊平原地區(qū),土壤以淡栗鈣土為主 ,海拔 1 055 m,40°36′N(xiāo),111°45′E,為干旱、半干旱溫帶大陸性氣候,冬季長(zhǎng)而寒冷,夏季短而炎熱,寒暑變化劇烈,降水量少,蒸發(fā)量大,氣候干燥,無(wú)霜期短。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)2009年4月15日,選用大田的土壤,過(guò)篩,去掉石塊、雜質(zhì),土∶腐熟羊糞的比例是5∶1,用育苗盤(pán)裝土,均勻的將種子撒在盤(pán)中,再輕輕的用土覆蓋,然后用噴頭澆透,置于溫室中。6月13日,單株移栽到試驗(yàn)地,采用隨機(jī)設(shè)計(jì),各材料的小區(qū)面積為2 m×5 m。

1.4 田間調(diào)查2010年7-9月,在植株成熟期測(cè)定,包括穗長(zhǎng)、穗寬、小穗長(zhǎng)、小穗寬、小穗數(shù)、每穗軸小花數(shù)、第一外稃長(zhǎng)、第一內(nèi)稃長(zhǎng)、第一外稃芒長(zhǎng)、第一穎長(zhǎng)、第一穎芒長(zhǎng)、第一穎寬、旗葉與穗基部長(zhǎng)度、主穗軸第一節(jié)間長(zhǎng)共計(jì)14項(xiàng)指標(biāo),其中旗葉與穗基部長(zhǎng)度、主穗軸第一節(jié)間長(zhǎng)用直尺測(cè)量,其余均用游標(biāo)卡尺測(cè)量,每個(gè)指標(biāo)均為10個(gè)重復(fù),具體測(cè)量方法參照《老芒麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]。

1.5 數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 11.5軟件進(jìn)行多樣性指數(shù)計(jì)算、方差分析。多樣性指數(shù)的計(jì)算采用Shannon-weaver指數(shù)。

式中,Pi為某性狀第i個(gè)代碼值出現(xiàn)的概率[12]。數(shù)量性狀如穗長(zhǎng)、穗寬、小穗長(zhǎng)等進(jìn)行 10級(jí)分類,1級(jí)＜x-2s,10級(jí)≥x+2s,中間每級(jí)間差0.5s,s為標(biāo)準(zhǔn)差。

居群總多樣性指數(shù)為同一種所有居群一起計(jì)算得出的多樣性指數(shù)；居群平均多樣性指數(shù)為同一種不同居群多樣性指數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 披堿草屬8種牧草種質(zhì)資源的形態(tài)性狀變異分析以居群為單位,統(tǒng)計(jì)披堿草屬101個(gè)居群植株的14項(xiàng)穗部性狀,并按種進(jìn)行整體平均統(tǒng)計(jì),計(jì)算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。結(jié)果表明,披堿草屬8種牧草種間存在差異（表2）。穗長(zhǎng)平均值以肥披堿草最大；第二為披堿草、老芒麥及黑紫披堿草,這3種無(wú)顯著差異（P＞0.05）；第三是垂穗披堿草；第四為麥薲草和圓柱披堿草,二者間無(wú)顯著差異（P＞0.05）,短芒披堿草最小,其分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）。穗寬平均值肥披堿草最大,黑紫披堿草最小,分為4個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗長(zhǎng)平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗寬平均值肥披堿草最大,圓柱披堿草最小,分為4個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；小穗數(shù)平均值肥披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；每穗軸小花數(shù)平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為4個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一外稃長(zhǎng)平均值老芒麥最大,黑紫披堿草最小,分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一內(nèi)稃長(zhǎng)平均值老芒麥最大,圓柱披堿草最小,分為4個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一外稃芒長(zhǎng)平均值肥披堿草最大,短芒披堿草最小,分為6個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎長(zhǎng)平均值肥披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為6個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎芒長(zhǎng)平均值老芒麥最大,黑紫披堿草最小,分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；第一穎寬平均值披堿草最大,垂穗披堿草最小,分為3個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；旗葉與穗基部長(zhǎng)度平均值麥薲草最大,老芒麥最小,分為5個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）；主穗軸第一節(jié)間長(zhǎng)平均值肥披堿草最大,圓柱披堿草最小,分為4個(gè)顯著差異性組合（P＜0.05）。

由此可知,8種披堿草屬牧草中,肥披堿草的14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀中有9個(gè)性狀（穗長(zhǎng)、穗寬、小穗長(zhǎng)、小穗寬、小穗數(shù)、每穗軸小花數(shù)、第一外稃芒長(zhǎng)、第一穎長(zhǎng)、主穗軸第一節(jié)間長(zhǎng)）為最大值；黑紫披堿草的穗寬、第一外稃長(zhǎng)、第一穎芒長(zhǎng)3個(gè)性狀為最小值。

14項(xiàng)穗部性狀中（表3）,變異系數(shù)大小依次為第一穎芒長(zhǎng)＞旗葉與穗基部長(zhǎng)度＞第一穎長(zhǎng)＞主穗軸第一節(jié)間長(zhǎng)＞第一穎寬＞第一外稃芒長(zhǎng)＞穗寬＞小穗數(shù)＞每穗軸小花數(shù)＞小穗寬＞穗長(zhǎng)＞小穗長(zhǎng)＞第一外稃長(zhǎng)＞第一內(nèi)稃長(zhǎng)。

2.2 披堿草屬8種牧草遺傳多樣性分析

2.2.1披堿草屬8種牧草野生居群總多樣性分析披堿草屬8種牧草居群總多樣性指數(shù)為垂穗披堿草＞老芒麥=披堿草＞麥薲草＞肥披堿草＞短芒披堿草＞圓柱披堿草＞黑紫披堿草；總平均多樣性指數(shù)為1.826（表4）。由此可見(jiàn),垂穗披堿草、老芒麥、披堿草和麥薲草4種披堿草屬牧草的居群總多樣性較其他披堿草屬牧草豐富。

表3 14項(xiàng)穗部形態(tài)學(xué)性狀

表4 居群總多樣性指數(shù)

2.2.2披堿草屬8種牧草野生居群平均多樣性分析根據(jù)表1中各居群的多樣性指數(shù)計(jì)算披堿草平均多樣性指數(shù)。8種披堿草屬牧草居群平均多樣性指數(shù)為老芒麥＞肥披堿草＞垂穗披堿草＞披堿草＞黑紫披堿草＞短芒披堿草＞圓柱披堿草＞麥薲草；所有居群的平均多樣性指數(shù)為1.372（表5）。

由此可見(jiàn),居群多樣性相對(duì)較高的有老芒麥、肥披堿草、垂穗披堿草和披堿草,說(shuō)明這4種披堿草屬牧草居群存在較高的多樣性。

2.2.3披堿草屬8種牧草野生居群表型分化系數(shù)分析 8種披堿草屬牧草居群表型分化系數(shù)為麥薲草＞圓柱披堿草＞垂穗披堿草＞披堿草＞老芒麥＞肥披堿草＞短芒披堿草＞黑紫披堿草；平均表型分化系數(shù)為24.86%（表6）。由此可見(jiàn),麥薲草、圓柱披堿草、垂穗披堿草、披堿草存在相對(duì)較高的表型分化,說(shuō)明導(dǎo)致它們多樣性不僅是由于居群多樣性,而且居群間多樣性也起著相對(duì)較大的作用。

綜上可見(jiàn),披堿草屬8種牧草的多樣性豐富是由居群和居群間多樣性引起的,不同物種其多樣性二者所占的比例各不相同。

表5 居群平均多樣性指數(shù)

表6 居群間多樣性與表型分化系數(shù)

3 討論

形態(tài)學(xué)標(biāo)記研究材料的外部形態(tài),受到基因和所處生態(tài)環(huán)境的共同影響,將所有的材料種植在同一環(huán)境下,減少環(huán)境對(duì)研究材料的影響,對(duì)材料間受基因控制的遺傳差異進(jìn)行研究。對(duì)處于不同生態(tài)環(huán)境下的同種材料的形態(tài)學(xué)研究,可以了解環(huán)境對(duì)基因表達(dá)的影響[13]。我國(guó)披堿草屬8種牧草101個(gè)野生居群的14項(xiàng)穗部性狀,其平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)均存在較大的變異,且變異程度各不相同,說(shuō)明我國(guó)8種披堿草屬牧草野生居群的各個(gè)穗部性狀均存在著較豐富的遺傳變異。14項(xiàng)穗部性狀中,第一外稃芒長(zhǎng)和第一穎長(zhǎng)都可分為6個(gè)顯著差異性的組合,說(shuō)明這兩個(gè)性狀種間存在明顯的差異,可作為種的分類依據(jù)。8種披堿草屬牧草均在第一穎芒長(zhǎng)和旗葉與穗基部長(zhǎng)度這2個(gè)性狀上表現(xiàn)出較大變異,第一外稃長(zhǎng)和第一內(nèi)稃長(zhǎng)上表現(xiàn)出較小變異,說(shuō)明這些性狀具有相對(duì)的穩(wěn)定性,用于物種的遺傳變異分析是有效的。從8種披堿草屬牧草居群的遺傳多樣性指數(shù)來(lái)看,披堿草屬牧草各居群存在豐富的遺傳多樣性,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于麥類作物（中國(guó)普通小麥（Triticum aestivum）的遺傳多樣性指數(shù)[14]。垂穗披堿草和老芒麥的居群總遺傳多樣性指數(shù)較高,黑紫披堿草的居群總遺傳多樣性指數(shù)最低,說(shuō)明往往分布范圍廣的物種多樣性指數(shù)較高,這可能是由于生境廣,植物種類繁多,物種間競(jìng)爭(zhēng)激烈,迫于環(huán)境的選擇壓力,使得該物種基因得以積累。披堿草屬牧草這種較高的遺傳變異及不同的表型分化系數(shù)主要有以下幾個(gè)方面的原因,首先,Hamrick和Godt[15]曾對(duì)涉及165個(gè)屬、449個(gè)種的不同類型植物的遺傳變異水平和居群分化程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)自花授粉植物51%的遺傳變異存在于居群間,異交風(fēng)媒植物只有9.9%的遺傳變異存在于居群間[16],所以從這個(gè)結(jié)論來(lái)看這8種披堿草屬牧草并不屬于嚴(yán)格意義上的自花授粉植物,可能進(jìn)行天然雜交,致使遺傳物質(zhì)重新組合；可能的種間交流也是增加遺傳多樣性的途徑之一（8種披堿草屬牧草種植于同一生境）。其次,遺傳變異程度與人工選育的選擇壓力有密切的關(guān)系,一般來(lái)講,天然居群其遺傳多樣性要高于栽培品種,本研究所用材料均取自天然居群,人為選擇程度小,所以仍保留了物種較高的基因多樣性。另外,從生物進(jìn)化論的觀點(diǎn)來(lái)看,任何物種都不是一成不變的,隨環(huán)境條件的變化而變化。我國(guó)北方地區(qū)常年干旱少雨,草原退化、草地荒漠化、沙化日益加劇,生態(tài)極其脆弱；土壤鹽堿化程度高,風(fēng)蝕水蝕相當(dāng)嚴(yán)重,多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)、治理的焦點(diǎn)。植物在這種惡劣生境條件下,以適應(yīng)生境壓力,進(jìn)化積累了較多的遺傳變異[17-18]。但是,生境的惡劣程度和人工選育的力度超出物種適應(yīng)的最大限度,那么必將導(dǎo)致該物種遺傳多樣性的喪失甚至滅絕。因此,對(duì)植物資源利用的同時(shí)更要注重其保護(hù)。

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