楊財(cái)容，魏小萱，梁福軒，劉松青，葉美金, 2，張海琴

(1.成都師范學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 611130；2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 小麥研究所，四川 成都611130)

川西北草原地處青藏高原東南部，在四川省的西北部，草原面積遼闊，是全國(guó)重要的牧區(qū)之一。披堿草(Elymusdahuricus)屬于小麥族(Triticeae)披堿草屬(ElymusL.)物種，其稈疏從，直立，高70 ～ 140 cm，基部膝曲，葉鞘光滑無毛，葉片呈扁平狀，穗狀花序直立，外稃呈披針形，在野外的山坡草地或路邊比較常見。披堿草性耐寒、耐旱、耐堿、耐風(fēng)沙，在國(guó)內(nèi)多個(gè)牧場(chǎng)試驗(yàn)站已經(jīng)進(jìn)行栽培，是一種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的飼草，分布于我國(guó)青海、陜西、新疆、四川、西藏、華北等地[1]。披堿草屬?gòu)牧帜?753年建立起，諸多的科研人員在形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、系統(tǒng)分類學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)等方面著手于披堿草屬植物的相關(guān)研究，為其分類、育種、種質(zhì)資源利用奠定了良好的基礎(chǔ)。

表型性狀是遺傳多樣性和環(huán)境多樣性綜合作用的結(jié)果，在種質(zhì)資源研究中表型性狀的研究占據(jù)著重要的部分，同時(shí)在遺傳多樣性研究中同樣重要。披堿草表型性狀的研究和其生存環(huán)境聯(lián)系極為緊密，居群與其生存環(huán)境的差異性研究給遺傳變異做出了巨大貢獻(xiàn)，是生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)學(xué)研究的主要部分。祁娟[2]以披堿草屬植物為研究對(duì)象，通過變異分析得出，由于生態(tài)環(huán)境的影響不同地區(qū)的披堿草屬不同種類不同居群間有不同的特征，且穗部特征不易受環(huán)境的影響。德英等[3]選取同一地區(qū)的披堿草穗部性狀作為研究對(duì)象，揭示了披堿草屬牧草生物多樣性是由居群內(nèi)和居群間多樣性共同作用的結(jié)果。李淑娟[4]通過表型分析和聚類分析把披堿草11居群分為四類，結(jié)果表明披堿草屬不同居群的形態(tài)多樣性明顯。顧曉燕[5]以川西北短芒披堿草(E.breviaristatus)為研究對(duì)象，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出短芒披堿草在群體內(nèi)多樣性比較大，穗部性狀的穩(wěn)定性非常高。陳仕勇等[6]選取青藏高原的垂穗披堿草(E.nutans)通過變異分析和多樣性指數(shù)分析得出其種質(zhì)資源具有豐富的形態(tài)學(xué)變異。張建波等[7]以川西北高原垂穗披堿草居群為研究材料，通過變異分析得出居群內(nèi)變異比居群間變異明顯。

川西北近2.5億畝的高寒草原區(qū)是四川省、同時(shí)也是國(guó)內(nèi)最重要的牧區(qū)，是長(zhǎng)江和黃河流域重要的生態(tài)屏障，人為和自然氣候的影響使川西北草原沙化、退化情況日益嚴(yán)重，牧草資源現(xiàn)狀堪憂[8]。目前雖然有針對(duì)披堿草表型性狀和環(huán)境因子對(duì)披堿草表型性狀的影響的相關(guān)研究，然而針對(duì)川西北高原的偏少。本研究通過測(cè)定川西北高原不同海拔下披堿草的表型性狀，分析各個(gè)居群披堿草的表型多樣性，研究海拔高度對(duì)披堿草表型性狀的影響，給披堿草屬植物群體內(nèi)在遺傳規(guī)律和變異大小的研究提供理論依據(jù)，同時(shí)也為披堿草優(yōu)異種質(zhì)資源的篩選、保護(hù)和品種改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)所用樣本均為2018年8月份在川西北高原采集，從海拔1589 m ～ 3299 m之間共選取九個(gè)海拔梯度，生境條件包括草叢、河谷、灌木叢。披堿草材料采集地生境、經(jīng)緯度、海拔、樣本編號(hào)等信息見表1。每個(gè)海拔梯度隨機(jī)采集10個(gè)單株，采集后進(jìn)行表型性狀的測(cè)定。

表1 供試材料Table 1 List of materials used in the study

1.2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

本研究中選取披堿草5個(gè)莖部形態(tài)(1-5)和23個(gè)穗部形態(tài)(6-28)作為研究指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，1-6表型性狀用直尺測(cè)量(精確到0.1 cm)，其余的指標(biāo)均用游標(biāo)卡尺測(cè)量(精確到0.1 mm)。以海拔高度為分組依據(jù)，每株披堿草測(cè)量的數(shù)值填寫在數(shù)據(jù)記錄表內(nèi)，使用Excel 2016年求出各個(gè)海拔所有表型性狀的均值、變異系數(shù)cv和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并使用SPSS 23版進(jìn)行主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析。使用Shannon-Weaver指數(shù)進(jìn)行多樣性分析，該多樣性指數(shù)用來估算群落多樣性的高低。首先求出總體平均值(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，將其劃分為10級(jí)，從第1級(jí)[XiX+2SD]，每0.5SD為一級(jí)，每一級(jí)的相對(duì)頻率用于計(jì)算多樣性指數(shù)；計(jì)算公式為H=-ΣPilnPi，Pi為某性狀第i級(jí)別材料份數(shù)的相對(duì)頻率。

表2 測(cè)定表型性狀Table 2 Phenotypic traits of collected materials

2 結(jié)果與分析

2.1 披堿草表型性狀變異分析

9個(gè)披堿草居群28個(gè)表型性狀的變異系數(shù)見表3，28個(gè)表型性狀的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、多樣性指數(shù)等見表4。從結(jié)果來看，測(cè)定披堿草大多數(shù)性狀居群內(nèi)變異大于居群間變異。變異系數(shù)最大的表型性狀是花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)，變異系數(shù)為54.351%。第一葉長(zhǎng)和第一葉寬變異程度次之，變異系數(shù)分別為35.503%和33.810%，兩者之間的變異程度比較接近。相較于其他25個(gè)表型性狀，株高、莖稈長(zhǎng)、第一穎芒長(zhǎng)的變異也較大，其變異系數(shù)為17.991%、17.956%、16.353%。變異系數(shù)最小的表型性狀是外稃寬，其變異系數(shù)為5.155%?；ㄐ蛑胁克牍?jié)小穗數(shù)、第一穎長(zhǎng)、內(nèi)稃寬、內(nèi)稃長(zhǎng)、外稃長(zhǎng)、第一穎寬變異系數(shù)較小，分別為6.077%、7.133%、7.166%、7.563%、7.774%、7.952%。多樣性指數(shù)最小的表型性狀是株高為2.080，株高表型多樣性較低。多樣性指數(shù)最大的表型性狀是內(nèi)稃長(zhǎng)和內(nèi)稃寬，均為2.196。第一穎長(zhǎng)和花序中部穗節(jié)小穗數(shù)的多樣性指數(shù)分別為2.193、2.188，外稃長(zhǎng)的多樣性指數(shù)為2.195。以上結(jié)果表明來自于川西北高原的披堿草具有豐富的形態(tài)變異。

表3 不同居群28個(gè)表型性狀的變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)

續(xù)表3 不同居群28個(gè)表型性狀的變異系數(shù)Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)

2.2 披堿草表型性狀的相關(guān)性分析

對(duì)披堿草的28個(gè)表型性狀和采樣地的生態(tài)環(huán)境因子(海拔、經(jīng)緯度)的進(jìn)行了偏相關(guān)分析，結(jié)果如表5所示。株高、莖稈長(zhǎng)、花序底部穗節(jié)小穗長(zhǎng)、第二穎寬、外稃寬與海拔高度在0.05水平上達(dá)到顯著正相關(guān)，其余23個(gè)形態(tài)指標(biāo)均和海拔高度相關(guān)性不顯著。外稃寬與緯度在0.05水平上達(dá)到顯著正相關(guān)，其余27項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)和緯度相關(guān)性不顯著。株高、莖稈長(zhǎng)、外稃寬與經(jīng)度在0.05水平上達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)，經(jīng)度越高該三項(xiàng)指標(biāo)越小，其余25項(xiàng)指標(biāo)均和經(jīng)度無顯著相關(guān)性。表明外稃寬受海拔高度和經(jīng)緯度影響顯著，株高、莖稈長(zhǎng)受到海拔和經(jīng)度的影響顯著。

2.3 披堿草表型性狀的主成分分析

對(duì)川西北高原披堿草28個(gè)表型性狀進(jìn)行了主成分分析，表6記錄了表型性狀的特征值，表7為披堿草主成分分析矩陣。結(jié)果表明，披堿草六個(gè)主成分的方差累積貢獻(xiàn)率是96.973%，說明這6個(gè)主成分能反映出所有采集的披堿草表型性狀96.973%的信息，幾乎能反映出這28個(gè)表型性狀的大部分變異信息，有著很重要的參考價(jià)值。主成分1在總變異中有39.853%的貢獻(xiàn)率，對(duì)主成分1影響較大的有以下5個(gè)表型性狀，從大到小分別是：花序中部穗節(jié)小穗長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)、第一葉長(zhǎng)、外稃芒長(zhǎng)、第一葉寬，貢獻(xiàn)率依次為：96.2%、94.4%、88.8%、86.5%、85.8%，均是正指標(biāo)，主要反映了葉部特征和生殖器官的特征。主成分2在總變異中的貢獻(xiàn)率是19.578%，對(duì)主成分2影響最大的表型性狀是莖節(jié)

表6 特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率Table 6 Eigen value，contribution of variance and cumulative of variance

表7 6個(gè)主成分的負(fù)荷量Table 7 Loading amount of six principal components

數(shù)(87.9%)，其次是花序節(jié)數(shù)(83.6%)，花序中部結(jié)間長(zhǎng)(-80.4%)為負(fù)指標(biāo)。主成分3的貢獻(xiàn)率是15.724%，影響主成分3的表型性狀有莖稈長(zhǎng)、第一穎芒長(zhǎng)、株高，貢獻(xiàn)率分別是-76.7%、71.8%、-71.1%，主要是莖部的形態(tài)特征。主成分4的貢獻(xiàn)率是11.387%，影響主成分4的表型性狀分別是花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)，花序中部穗節(jié)小花數(shù)，貢獻(xiàn)率分別是77.2%、74%、62.2%，全為正指標(biāo)，主要反映了花序小穗特征。主成分5的貢獻(xiàn)率是5.968%，對(duì)主成分5影響最大的是外稃寬(-49.3%)和花序中部穗節(jié)小穗小花數(shù)(-49.2%)，其次是花序底部穗節(jié)小穗長(zhǎng)(-47.1%)，均為負(fù)指標(biāo)。主成分6的貢獻(xiàn)率是4.463%，影響主成分6的表型性狀為花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)(-47.5%)、花序頂起第2穗節(jié)的小穗長(zhǎng)(35.9%)。

2.4 聚類分析

按照披堿草9個(gè)居群材料的28個(gè)不同表型性狀進(jìn)行聚類分析，以歐式距離5作為劃分的標(biāo)準(zhǔn)，在不同海拔下采集的披堿草數(shù)據(jù)聚類后的結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，將9個(gè)海拔高度下的披堿草居群分為四大類，海拔高度為1589 m和1747 m的相似性較高且較早聚成了一類，在表型形狀上表現(xiàn)為第一穎寬較寬，第二穎長(zhǎng)較長(zhǎng)。海拔高度分別為2682 m、3057 m、2848 m的披堿草居群聚為一類， 表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長(zhǎng)、花序長(zhǎng)、花序節(jié)數(shù)、花序頂起第二節(jié)的小穗長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)均明顯高于其他海拔高度下的值。海拔高度為2143 m和3293 m的披堿草聚為一類，這兩個(gè)海拔梯度下的披堿草表型性狀表現(xiàn)為莖節(jié)數(shù)、花序長(zhǎng)、花序節(jié)數(shù)、第二穎長(zhǎng)、外稃長(zhǎng)比其他海拔高度下的值高。海拔高度為2384 m和3299 m的披堿草聚為一類，表型性狀表現(xiàn)為第一葉長(zhǎng)、第一葉寬、花序長(zhǎng)、花序頂起第二節(jié)的小穗長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)、外稃長(zhǎng)、第一穎芒長(zhǎng)、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)的值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他海拔高度的值。

以歐式距離15作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可分成兩大類，海拔高度1589 m和1747 m兩個(gè)低海拔聚為一類，表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長(zhǎng)、花序長(zhǎng)、花序底部穗節(jié)小穗長(zhǎng)、第二穎芒長(zhǎng)、第二穎寬、內(nèi)稃寬、花序節(jié)數(shù)明顯低于其他海拔高度的均值。其余七個(gè)海拔高度可聚為一大類，表型性狀表現(xiàn)為株高、莖稈長(zhǎng)、花序長(zhǎng)、花序節(jié)數(shù)、第二穎芒長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)、第二穎寬明顯低于其他海拔高度的值。

圖1 基于形態(tài)數(shù)據(jù)的9份披堿草種質(zhì)的聚類圖Fig.1 The dendrogram of 9 populations of E. dahuricus based on morphological data

3 討論

近年來，由于自然及人為的因素，川西北高原草地退化在加劇，嚴(yán)重影響了川西北高原畜牧業(yè)發(fā)展，植物數(shù)量及多樣性正在減少，所以有必要加快對(duì)相關(guān)植物資源-特別是牧草資源進(jìn)行收集評(píng)價(jià)及保存。川西北高原草原上主要分布的披堿草屬物種為老芒麥(E.sibiricus)、垂穗披堿草及短芒披堿草，前期關(guān)于這幾個(gè)主要草種野生資源的研究較多[ 7-11 ]。鄢家俊等[9]利用SRAP和SSR分子標(biāo)記分析了青藏高原東南緣8個(gè)老芒麥自然居群遺傳變異及居群間的遺傳分化。彭語洛等[10]采用SSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)來源于青藏高原的30份野生垂穗披堿草種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)供試種質(zhì)材料間存在較大的差異，表現(xiàn)出較豐富的遺傳多樣性。德英等[11]對(duì)采集自四川、西藏、甘肅等地區(qū)的19份垂穗披堿草的24個(gè)表型性狀進(jìn)行多樣性研究，探討了影響其表型分化的主要指標(biāo)，并分析了材料間親緣關(guān)系。川西地區(qū)相對(duì)低海拔地區(qū)林下、路旁廣泛分布有披堿草，披堿草同樣作為一種優(yōu)異的牧草種質(zhì)資源，有必要進(jìn)行收集、評(píng)價(jià)及保存。本研究揭示了供試的披堿草形態(tài)變異特征，各性狀變異系數(shù)在54.351%到5.155%之間，多樣性指數(shù)均在2以上，說明采集的披堿草種質(zhì)資源具有豐富的遺傳變異，種質(zhì)資源形態(tài)多樣性較高，對(duì)于牧草與麥類作物育種具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

生物性狀受遺傳調(diào)控，同時(shí)也受到環(huán)境影響。披堿草屬植物對(duì)于高海拔表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，目前有關(guān)披堿草屬植物遺傳變異與環(huán)境之間的關(guān)系已有一定的研究。張妙青等[12]對(duì)采自甘肅、青海以及四川等地的50個(gè)垂穗披堿草居群的穗長(zhǎng)、穗寬等6個(gè)與繁殖相關(guān)的性狀與環(huán)境因子進(jìn)行的相關(guān)分析結(jié)果表明，海拔、經(jīng)度、緯度等對(duì)垂穗披堿草的繁殖性狀變異有不同程度的影響，海拔對(duì)穗長(zhǎng)和每穗小穗數(shù)呈現(xiàn)極顯著影響。德英等[13]對(duì)來自四川、西藏、甘肅等地區(qū)多份垂穗披堿草種質(zhì)的14項(xiàng)穗部性狀進(jìn)行多樣性研究發(fā)現(xiàn)垂穗披堿草多樣性指數(shù)與海拔高度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。陳釗等[14]的研究表明海拔對(duì)披堿草屬植物形態(tài)特征具有較強(qiáng)的可塑性，四倍體披堿草屬植物對(duì)海拔的變化反應(yīng)更加敏感。嚴(yán)學(xué)兵等[15]采用等位酶標(biāo)記對(duì)我國(guó)青藏高原地區(qū)垂穗披堿草的9個(gè)種群進(jìn)行遺傳變異和系統(tǒng)關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，海拔和地理位置均明顯影響垂穗披堿草種群遺傳差異，種群間遺傳距離隨著海拔、地理位置差距的增大而增加。其研究還發(fā)現(xiàn)披堿草形態(tài)特征除受遺傳決定外，植物在形態(tài)上也產(chǎn)生明顯的適應(yīng)性演化[16]。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明海拔高度和披堿草(E.dahuricus)的株高、莖稈長(zhǎng)、花序底部穗節(jié)小穗長(zhǎng)、第二穎寬、外稃寬顯著相關(guān)，表明不同的海拔高度下這5個(gè)表型性狀受海拔影響較大。此外，株高、莖稈長(zhǎng)、外稃寬和經(jīng)度顯著相關(guān)，外稃寬和緯度顯著相關(guān)。外稃寬受到海拔、經(jīng)緯度的影響較大，表明影響披堿草某些表型性狀的因素并不是單一的。表型性狀與生態(tài)環(huán)境因子關(guān)系密切，披堿草野生種質(zhì)采集過程中應(yīng)盡量保持居群的完整性，才能最大程度地保護(hù)我國(guó)披堿草屬牧草的遺傳多樣性。

披堿草野生種質(zhì)收集評(píng)價(jià)中常利用主成分分析和聚類分析對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可為牧草高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種選育提供育種材料。德英等[17]對(duì)披堿草屬的14種穗部性狀進(jìn)行主成分分析結(jié)果表明，選取的穗長(zhǎng)、穗寬、第一穎芒長(zhǎng)等性狀反映了披堿草屬表型性狀變異。嚴(yán)學(xué)兵等[18]對(duì)我國(guó)披堿草野生居群進(jìn)行形態(tài)多樣性研究發(fā)現(xiàn)，披堿草、圓柱披堿草和紫芒披堿草變異性很大，主成分分析中單株重、單穗重、分蘗數(shù)等與生產(chǎn)應(yīng)用及分類功能聯(lián)系密切的17個(gè)特征向量可反映總變異85%以上的信息。鄢家俊等[19]對(duì)青藏高原老芒麥野生種群進(jìn)行了形態(tài)學(xué)變異研究，主成分分析表明內(nèi)外穎長(zhǎng)、內(nèi)外穎芒長(zhǎng)、旗葉寬等性狀是引起老芒麥形態(tài)分化的主要指標(biāo)。本研究對(duì)不同海拔高度下的28披堿草表型性狀也進(jìn)行了主成分分析，分析發(fā)現(xiàn)前6個(gè)主成分反映了96.973%的總信息。主成分中花序中部穗節(jié)小穗長(zhǎng)、內(nèi)稃長(zhǎng)、第一葉長(zhǎng)、外稃芒長(zhǎng)、花序頂起第2穗節(jié)的小穗小花數(shù)、花序底部穗節(jié)小穗小花數(shù)，花序中部穗節(jié)小花數(shù)等與生產(chǎn)和生殖等相關(guān)的具有較高特征向量值的表型性狀，其反映了總體變異的規(guī)律，可為牧草分類、育種及生產(chǎn)實(shí)踐提供依據(jù)。

袁慶華等[20]對(duì)13份披堿草和 21份老芒麥野生居群進(jìn)行聚類分析的結(jié)果表明具有形態(tài)特征相似性的居群聚在一起。張典業(yè)等[21]在對(duì)45份垂穗披堿草野生種質(zhì)進(jìn)行聚類分析時(shí)發(fā)現(xiàn)各材料未按照種源地聚在一起，而是來自相同生境的材料聚為一類。陳釗等[14]對(duì)3種披堿草屬植物進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)海拔來源基本相同的種群具有形態(tài)相似性，且具有相似生境的多數(shù)種群聚為一類。劉新亮[22]對(duì)老芒麥的聚類分析表明，受海拔和緯度的影響，老芒麥形態(tài)相似的材料首先聚在一起，相同或相似地理來源的材料能夠部分集中的聚為一類。本研究發(fā)現(xiàn)海拔高度對(duì)株高、莖稈長(zhǎng)、花序長(zhǎng)、第二穎芒長(zhǎng)、花序節(jié)數(shù)、第二穎寬等表型性狀有明顯的影響，本研究將披堿草居群大致上聚類分為高海拔和低海拔兩大類，與前人的研究結(jié)果相符。但是以歐式距離5作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將9份披堿草聚成了4類，并不是嚴(yán)格的按海拔來聚類，而是按照形態(tài)學(xué)特征聚類，可能是由于地理來源相同材料不同的小生境導(dǎo)致形成了不同的生態(tài)類型。

本研究分析了川西北高原不同海拔來源的披堿草(E.dahuricus)種質(zhì)的形態(tài)多樣性，揭示了披堿草表型性狀與海拔高度的相關(guān)性，豐富了川西北高原披堿草種質(zhì)收集評(píng)價(jià)研究，同時(shí)對(duì)披堿草屬種質(zhì)資源的分類、親緣關(guān)系的確定以及披堿草屬種質(zhì)資源利用和保護(hù)具有一定的意義。