大頭稗(005)與鵝頭稗(031)的生物學(xué)性狀與細(xì)胞學(xué)研究

吳姝菊,李新玲＊,唐鳳蘭

(1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草業(yè)研究所;黑龍江哈爾濱 150086)

稗草(Echinochloa crusgalli)為禾本科(Gramineae)稗屬(Echinochloa)植物,原產(chǎn)于歐洲和印度[1-2]。全屬近30種,遍布于全世界的熱帶和溫帶地區(qū),我國有9個種5個變種[3]。稗草含有大量的營養(yǎng)物質(zhì),草質(zhì)柔嫩,適宜在濕鹽堿地上種植,其鮮草、干草各種家畜均喜食,營養(yǎng)價值較高,粗蛋白質(zhì)占干物質(zhì)的9.42%,粗脂肪占2.45%,粗纖維占36.15%,無氮浸出物占33.88%,粗灰分占10.3%[4]。籽實可食用及釀酒,也可作畜禽的精料,根及幼苗可入藥,全草可作綠肥。稗草葉多而且大,莖葉比小、適口性好,不僅適于飼喂牛、羊,而且適于飼喂鵝、兔。其生物學(xué)特性和植物學(xué)特征適合作為一種廣泛種植的牧草,將成為我國主要的栽培牧草之一。過去人們常把稗草作為除莠對象,忽視了對稗草的研究和利用。此次對稗草開展研究,目的是要加強(qiáng)對寒地稗草資源的開發(fā)和利用。

黑龍江省各地目前種植著很多稗草,品種分類混亂,有同名異物和同物異名的現(xiàn)象存在,對這些稗草之間的親緣關(guān)系尚不清楚,利用起來十分不便。稗草在黑龍江省分布種類目前還沒有確切資料可供參考,只是有部分學(xué)者從栽培角度對稗草做了一些研究,如對稗草的主要防治措施,稗草DNA的提取,稗草對稻田的影響,如何識別稗草,稗草對各種不同除草劑的抗藥性等方面的研究。稗草資源情況至今沒有詳細(xì)的報導(dǎo),相關(guān)研究資料也比較少。本次對黑龍江省內(nèi)收集的大頭稗(005)和鵝頭稗(031)2種寒地稗草進(jìn)行的生物學(xué)性狀測試和細(xì)胞學(xué)分析研究,在國內(nèi)尚屬首次[5]。試驗研究的主要目的是了解2種稗草的生物學(xué)性狀和核型基礎(chǔ),為更好地開展寒地稗草育種工作及生產(chǎn)上更好地栽培利用這2種稗草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

大頭稗(005)采自黑龍江省寧安縣;鵝頭稗(031)采自黑龍江省木蘭縣。

1.2 試驗方法

1.2.1 生物學(xué)性狀測試 試驗地設(shè)在黑龍江省哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院試驗田內(nèi)(126°42′E,45°24′N)。2007年1-10月,黑龍江省年均降水量為402mm,哈爾濱及周邊市縣有效年積溫為2 700℃左右。試驗區(qū)土質(zhì)為黑壤土,土壤肥力均勻,肥力水平較高。每個重復(fù)小區(qū)面積為3 m×5 m,試驗設(shè)置3次重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。

整地:在播種前1年秋翻土地,并施入基肥,有機(jī)肥用量為20 000 kg/hm2。播種前耙耱土地,整平碾碎,以保證土壤墑情。

播種方法:人工播種,單條播,行距為20cm,播種深度為3～4cm。播種量為20 kg/hm2。播種時間為2007年5月17日。

在出苗期、三葉期、分蘗期、拔節(jié)抽穗期等生長發(fā)育關(guān)鍵時期,對每個品種在每個小區(qū)隨機(jī)調(diào)查20株,分別測量單株的株高、莖粗、葉長、葉寬、單株分蘗數(shù)、穗長、穗色、鮮干重等;收獲時測定小區(qū)實際產(chǎn)量,對獲得的各處理試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。小區(qū)收獲時間為6月25日進(jìn)行第1次刈割,留茬高度為15cm,第2次刈割時間為9月25日,2次產(chǎn)量之和為每個小區(qū)的實際收獲產(chǎn)量。另外,收獲時每小區(qū)留置1 m×1 m作為繼續(xù)觀察試驗使用。統(tǒng)計分析利用JM T JFX簡明統(tǒng)計分計CS 11.58來完成。

1.2.2 核型分析方法 采用常規(guī)的形態(tài)分析方法[6,7]。染色體制片過程為:在上午10:00,將根長度為0.5～1.0cm的稗草種子自培養(yǎng)皿中取出,放入小瓶內(nèi),加入對二氯苯飽和溶液,室溫下處理4～5 h后[8,9],再放入卡諾固定液固定24 h,后用1 mol/L的HCl作解離液,在60～65℃的水浴鍋中解離9 min左右取出根尖。用改良石碳酸品紅染色液進(jìn)行染色,染色時間為24 h左右[10,11]。把染色后的根尖制片進(jìn)行鏡檢觀察。

從大量的制片中,統(tǒng)計約50個完整的細(xì)胞中期分裂相,確定各個品種的染色體數(shù)目。核型的具體分析參照李懋學(xué)和陳瑞陽[6]的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種稗草的主要生物學(xué)性狀

從形態(tài)特征上看,大頭稗株高比鵝頭稗矮49.90cm,莖型均為直立,主莖粗差異明顯,花序形狀和大小差別不明顯,穗色不同。大頭稗葉片數(shù)比鵝頭稗少1片,鵝頭稗分蘗數(shù)較多,單株分蘗數(shù)平均可達(dá)12個(表1)。

2種稗草的播期相同,大頭稗分蘗期比鵝頭稗晚2 d,大頭稗在9月29日成熟,鵝頭稗在9月16日成熟。在黑龍江省的氣候條件下,2種稗草的枯黃期都在10月5日,生育天數(shù)均為145 d。從牧草鮮干產(chǎn)量上看,鵝頭稗比大頭稗鮮重高出2.78%;大頭稗比鵝頭稗干重高出2.55%(表2)。

表1 2種稗草的主要形態(tài)特征Table 1 Main morphological characteristics of the two barnyard grass variety

表2 2種稗草的主要生物學(xué)性狀Table 2 Main biological characteristics of two barnyard grass variety

2.2 2種寒地稗草生物學(xué)產(chǎn)量差異顯著性測驗

把2種稗草分別在3個重復(fù)區(qū)內(nèi)收獲的鮮干草重量,按國際制單位折算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量后,進(jìn)行鮮干草產(chǎn)量的差異顯著性測驗,用t檢驗法(表3)[12,13]。統(tǒng)計結(jié)果表明,大頭稗和鵝頭稗鮮干重差異均不顯著。

表3 2種稗草鮮干產(chǎn)量的差異顯著性測驗(平均值±SD)Table 3 Significant of differences test on fresh forage and hay yield of two barnyard grass variety t/hm2

2.3 2種寒地稗草的生長動態(tài)分析

2.3.1 株高 2種稗草從出苗期至三葉期株高增長較慢(圖1),分蘗期、拔節(jié)期,直到初花期株高增長迅速,開花后至乳熟期稗草株高增速放緩,乳熟到完熟期稗草的株高基本處于停滯生長狀態(tài),完熟期后株高不再增加。鵝頭稗在開花期株高增長速度比大頭稗快,差異顯著(P<0.05),此期的株高增速最終決定了2種稗草在株高上的顯著差異(P<0.05)。

2.3.2 葉面積指數(shù) 2種稗草的葉面積指數(shù)在苗期增長緩慢(圖2),分蘗期至初花期,葉面積指數(shù)呈迅速上升趨勢,一直保持著快速的增長,開花期后,由于葉片數(shù)量不再增加,只是葉片個體增大,因而葉面積指數(shù)處于平穩(wěn)中有升的狀態(tài);2種稗草的葉面積指數(shù)都在乳熟期時達(dá)到最高值,乳熟期后葉面積指數(shù)均不再增加。2種稗草三葉期至分蘗期葉面積指數(shù)差異顯著(P<0.05),拔節(jié)期至乳熟期葉面積指數(shù)差異不顯著(P>0.05),完熟期時,鵝頭稗葉面指數(shù)略高于大頭稗,但差異不顯著(P>0.05)。

圖1 2種稗草的株高生長動態(tài)Fig.1 Dynamics of plant height of two barnyard grass variety

圖2 2種稗草的葉面積指數(shù)生長動態(tài)Fig.2 Dynamics of the leaf area index of twobarnyard grass variety

2.3.3 干物質(zhì)積累 在生長季節(jié)內(nèi)稗草全株干物質(zhì)積累量均隨生育時間延長而增加。2種稗草的鮮重在分蘗期時差異不顯著(P>0.05)(圖3);鵝頭稗在拔節(jié)期至乳熟期鮮重增加速度比大頭稗快,增速差異顯著(P<0.05),這符合生育期間的觀察結(jié)果。鵝頭稗莖青葉嫩,多汁,含水量高,乳熟期后鮮重開始下降;而大頭稗莖稈粗壯,生長勢相對緩慢,鮮重增速沒有鵝頭稗快,完熟期時,鵝頭稗鮮重略高于大頭稗,但差異不顯著(P>0.05)。

2種稗草的干重從分蘗期后隨鮮重的增加快速增長(圖4),初花期時,鵝頭稗干重高于大頭稗,差異達(dá)到顯著(P<0.05);乳熟期后,2種稗草的干重增速放緩,從分蘗期至初花期,期間如加強(qiáng)肥水管理,不僅有利于根、莖和葉產(chǎn)量的增長,也同時能提高稗草籽實產(chǎn)量,對稗草整株產(chǎn)量的增加可起重要作用[14,15]。初花期后大頭稗的干重增速比鵝頭稗快,完熟期時大頭稗干重高于鵝頭稗,差異不顯著(P>0.05)。

圖3 2種稗草的單株鮮重增長動態(tài)Fig.3 Dynamics of fresh weight per plant of two barnyard grass variety

2.4 2種稗草的核型分析

大頭稗共有27對染色體(表4),最長染色體相對長度為3.41,最短染色體相對長度為1.41,其中有23對為中著絲點染色體,4對為近中著絲點染色體。鵝頭稗共有27對染色體(表5),最長染色體相對長度為2.41,最短染色體相對長度為1.09,其中有22對為中著絲點染色體,5對為近中著絲點染色體。在2種稗草的核染色體中均未發(fā)現(xiàn)近端和端著絲點染色體,也沒有觀察到有隨體的染色體[16,17]。

表4 大頭稗核型分析參數(shù)Table 4 Karyotype analysis parameters of Large head barnyard

表5 鵝頭稗核型分析參數(shù)Table 5 Karyotype analysis parameters of goose head barnyard

圖5 2種稗草核型Fig.5 Karyogram of twobarnyard grass variety

圖6 2種稗草染色體配對結(jié)果Fig.6 Chromosome pairing map of two barnyard grass variety

核型分析結(jié)果(表4,5,圖5,6)為:大頭稗根尖細(xì)胞核內(nèi)染色體數(shù)目2n=54。核型公式為2n=46m+8sm,無隨體,染色體相對長度范圍1.41～3.41,染色體長度比2.43,核型為2B型(圖7);鵝頭稗根尖細(xì)胞核內(nèi)染色體數(shù)目 2n=54。核型公式為 2n=44m+10sm,無隨體,染色體相對長度范圍1.09～2.41,染色體長度比2.21,核型為2B型[18,19]。

3 討論

試驗測定的2種稗草均為采自黑龍江省內(nèi)的寒地稗草,通過根尖細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目、染色體長度、染色體臂比、隨體等具體指標(biāo)的測試,初步確定了2種稗草的核型均為2B型。稗草在全國范圍內(nèi)幾乎都有分布,對該物種的染色體數(shù)目記載有很大差異,已往所報導(dǎo)的稗草的染色體數(shù)目有2n=36,42,48,54等,數(shù)目不等[3],試驗觀察2種稗草的染色體數(shù)均為54條,與馮久煥和張廷壁[3]及Yabuno[5]所報導(dǎo)中的部分種類稗草的染色體數(shù)目一致。依據(jù)東北植物檢索表中對所列出的稗草的種類和特征描述資料,可以推斷,大頭稗和鵝頭稗不屬于東北植物檢索表中的稗草種類[1]。

圖7 2種稗草的核型模式圖Fig.7 Karyotype model map of two barnyard grass variety

一般而言,核型數(shù)據(jù)如染色體的相對長度、平均臂比、隨體的數(shù)量及位置等是鑒別種和亞種的重要依據(jù)。通過對2種稗草的核型研究,大頭稗核型公式為2n=46m+8sm,鵝頭稗核型公式為2n=44m+10sm,二者除染色體數(shù)目與馮久煥和張廷壁[3]所報導(dǎo)的“稗”一致外,在染色體形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)上與“稗”也有很多相似之處,可以初步推測,二者當(dāng)同屬于“稗”種,但二者的核型又與馮久煥和張廷壁[3]報導(dǎo)的“稗”有細(xì)微差別,可能是由于稗草在向栽培稗草演變過程中,發(fā)生了系列遺傳性狀上的改變[20,21]。核型分析數(shù)據(jù)支持2種稗草屬于不同品種,不可能是同物異名種,應(yīng)分屬于不同栽培類型[22,23]。

綜合測試結(jié)果表明,2種稗草的生物學(xué)性狀均為良好。在黑龍江省的氣候條件下,株型繁茂,枝葉發(fā)達(dá),產(chǎn)量高,品質(zhì)也較好,適宜作為省內(nèi)的優(yōu)質(zhì)牧草進(jìn)行廣泛栽培。大頭稗和鵝頭稗都是糧草兼收的優(yōu)質(zhì)稗草,喜溫、喜光,喜肥水,抗性好,莖稈粗壯,抗倒伏,耐寒性好,對土壤要求不嚴(yán)格。大頭稗株高相對較矮,穗大粒多,成熟時大穗紫紅色,全年生育期143 d,鵝頭稗株高相對較高,葉多莖嫩,全年生育期135 d。

在試驗條件下做產(chǎn)量差異測試,2種稗草在鮮干草產(chǎn)量上沒有實質(zhì)差異。根據(jù)生物學(xué)性狀觀測結(jié)果,對2種稗草的利用提出如下參考建議:鵝頭稗莖葉鮮嫩,質(zhì)地多汁,是很好的青飼牧草,而且該品種在分蘗期至乳熟期前植株長勢好,增重快,刈割后再生長能力較強(qiáng),更適宜做青飼牧草;大頭稗莖稈粗壯,穗大粒多,干物質(zhì)積累快,可做青干兩飼牧草。

[1］傅沛云.東北植物檢所表(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,1995:840.

[2］陳心啟.中國植物志(第19卷)[M].北京:科學(xué)出版社,1999:311.

[3］馮久煥,張廷壁.國產(chǎn)稗屬植物的細(xì)胞學(xué)研究[J].武漢植物學(xué)研究,1993,11(4):294-304.

[4］張月學(xué),唐鳳蘭,嚴(yán)洪東.寒地牧草高產(chǎn)栽培關(guān)鍵技術(shù)(第二版)[M].哈爾濱:黑龍江科技出版社,2004:53-107.

[5］Yabuno T.Biosystomatic study of the genus Echinochloa[J].Japan Journals Botany,1996,19(2):277-323.

[6］李懋學(xué),陳瑞陽.關(guān)于植物核型分析的標(biāo)準(zhǔn)化問題[J].武漢植物學(xué)研究,1985,3(4):297-302.

[7］李懋學(xué),張贊平.植物染色體研究技術(shù)[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,1991:1-30.

[8］楊艷萍,陳佩度.普通小麥與鵝觀草屬雜種F1及BC1的分子細(xì)胞學(xué),育性和赤霉病抗性研究[J].遺傳,2009,31(3):290-296.

[9］張宇澄,周頌東,任海燕,等.中國蔥屬10種20居群的核型研究[J].武漢植物學(xué)研究,2009,27(4):352-360.

[10］于海清,丁春邦,周永紅.擬鵝觀草屬3種植物的核型研究[J].西北植物學(xué)報,2009,29(8):1590-1594.

[11］劉慶華,王奎玲,王瑋,等.美麗胡枝子核型分析[J].西北植物學(xué)報,2009,29(8):1595-159.

[12］李祖發(fā).引進(jìn)的幾個稗草品種在湖北的適應(yīng)性及栽培利用[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),1990,(3):28-30.

[13］孫建華,王彥榮,余玲.紫花苜蓿生長特性及產(chǎn)量性狀相關(guān)性研究[J].草業(yè)學(xué)報,2004,13(4):80-86.

[14］王斌文,曹致中,韓建國,等.蘇丹草營養(yǎng)成份與農(nóng)藝性狀通徑分析[J].草地學(xué)報,2005,13(3):203-208.

[15］劉建秀,郭海林,朱雪花,等.結(jié)縷草屬種質(zhì)資源的綜合評價[J].草地學(xué)報,2005,13(3):219-222.

[16］宣繼萍,郭愛桂,劉建秀,等.狗牙根輻射誘變后代外部性狀變異分析[J].草業(yè)學(xué)報,2005,(6):107-112.

[17］羅樂,張啟翔,白錦榮,等.16個中國傳統(tǒng)月季品種的核型分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,(05):90-95.

[18］閔伶俐,宋娟娟,廖景平,等.瀕危植物瀕危植物蘭花蕉的核型研究[J].廣西植物,2009,29(5):595-598.

[19］藍(lán)偉偵,張海洋,徐秀芳.少花龍葵與黃果龍葵染色體核型分析[J].廣西植物,2009,29(5):599-602.

[20］牛西午,田如霰,李貴全,等.錦雞兒屬植物染色體制片與3個種的核型分析[J].西北植物學(xué)報,2006,26(5):1043-1047.

[21］張義賢.胡枝子的核型分析研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1990,13(1):87-89.

[22］劉建秀,郭愛桂,郭海林.我國狗牙根種子資源形態(tài)變異及形態(tài)類型劃分[J].草業(yè)學(xué)報,2003,12(1):99-104.

[23］丁春邦,周永紅,鄭有良,等.擬鵝觀草屬6種2亞種和鵝觀草屬3種植物的核型研究[J].植物分類學(xué)報,2004,42(2):162-169.