新疆昭蘇野生黃花苜蓿果實形態變異研究

于萬里，張博

（新疆農業大學草業與環境科學學院 新疆草地資源與生態實驗室（自治區重點）西部干旱荒漠區草地資源與生態實驗室，新疆 烏魯木齊830052）

＊黃花苜蓿（Medicagofalcata）屬豆科苜蓿屬優良牧草，分布于我國的西北、東北、華北等地，盡管其產量和再生性遜色于紫花苜蓿，但抗逆性強，適應能力強，具有耐寒、抗旱、耐鹽堿、耐風沙、抗病蟲害等特性，是改良紫花苜蓿和抗性育種的重要種質資源［1－3］。我國黃花苜蓿野生種質資源豐富，尤其在新疆和內蒙古等地，伊犁河谷昭蘇地區是黃花苜蓿資源較為豐富和集中的地區［4］。

目前，國內對黃花苜蓿在栽培馴化、種子特性、組織培養、抗性機理、遺傳多樣性等方面均有研究。王俊杰［5］、于林清等［6］、蘇東等［7］對黃花苜蓿野生種群遺傳多樣性進行了研究，結果表明，黃花苜蓿野生種群內和種群間均存在豐富的變異，黃迎新等［8］對引進品種和錫盟野生黃花苜蓿的形態變異進行了研究。王紅梅等［9］對二倍體和四倍體野生黃花苜蓿形態特征進行了比較研究，營養器官的差異比生殖器官顯著。

種子是高等植物有性繁殖的主要方式之一，種子形態變異普遍存在于自然界種子植物中。研究表明，種群間、種群內甚至個體間種子形態都有很大差異［10－13］。其形態特征受遺傳控制較強，受環境條件影響較小［14］。目前，國內對黃花苜蓿莢果和種子形態變異的研究未見報道，以新疆昭蘇不同居群黃花苜蓿為研究對象，旨在揭示其莢果和種子表型遺傳變異規律及天然群體間親緣關系，以期為新疆黃花苜蓿遺傳多樣性研究及種質資源的開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料由新疆草地資源與生態實驗室的草種質資源與育種研究室提供，2008年8月底采自新疆昭蘇地區，共8個群體（表1）。

1.2 試驗方法

本試驗于2010年1－3月在實驗室內進行。采用隨機抽樣法，每個群體隨機選取20個單株，測定莢果和種子的11個形態指標，每個指標重復10次。

莢果形狀、莢果顏色、種子顏色等指標采用數字編碼法。莢果形狀分3級，直線形為1、鐮刀形為2、半圓形為3；莢果顏色分4級，黃色為1、黃褐色為2、褐色為3、黑褐色為4；種子顏色分4級，黃色為1、黃褐色為2、褐色為3、咖啡色為4。

直線形莢果長即莢果中線的長度，鐮刀形和半圓形莢果利用細線繞著莢果彎曲，最后將細線拉直測得的長度即為莢果長度。莢果寬即莢果的最寬處。種子長、寬即種子的最長、最寬處。均用游標卡尺測量，測量精度為±0.02 mm。

因野外采樣，種子量較少，種子重量采用百粒重表示，每個群體分單株取50粒種子，用萬分之一電子天平稱量。稱量精度為0.000 1 g。

剝離莢果，記錄每個莢果所含種子粒數。

表1 黃花苜蓿居群點采樣信息Table 1 The sampling site information of M.falcata

1.3 數據分析

采用SPSS 17.0線性模型嵌套設計方差分析［15］，研究群體間和群體內單株間2個水平上的差異。莢果和種子性狀觀測值的線性模型為：Y ijk＝μ＋Pi＋T j（i）＋eijk。其中，Y ijk為第i個群體第j個單株的第k個觀測值，μ為總均值；Pi為第i個群體的效應值；T j（i）表示第i個群體內的第j個單株的效應值；eijk為試驗誤差。

用主成分分析表型差異形成的主要原因，相關性分析各性狀之間以及與地理因子之間的相關關系，數據標準化后用算術平均法（UPGMA）對不同群體進行聚類分析，Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 黃花苜蓿果實性狀的差異分析

試驗結果顯示，莢果形狀多為直線型和鐮刀形；莢果顏色為黃褐色和褐色；種子形狀為腎形或近似腎形；顏色主要為黃色和黃褐色（圖1）。

結果表明，不同群體間，昭蘇地區黃花苜蓿除莢果長寬比性狀無顯著差異外，其他各性狀均有極顯著性差異。群體內單株間除莢果寬、種子顏色和種子寬有顯著性差異外，其余均無顯著差異（表2）。通過群體間F值比較，莢果和種子的11個形態指標中，百粒重的F值最大（25.581），其次為種子寬（23.178），種子長（18.639），莢果寬（10.674），莢果形狀（5.015），其他均小于5.0。群體內F值種子寬最大（2.666），其次是種子顏色（2.032），莢果寬最小（1.969）。

昭蘇地區黃花苜蓿百粒重變異系數最大（0.540），百粒重最大為151.8 mg，最小為70.6 mg，兩者相差達81.2 mg，可能有二倍體黃花苜蓿。莢果形狀變異系數次之（0.535）。在群體內，種子顏色變異系數最大，平均為0.554。平均每莢含種子數4.2粒（表3）。種子長、種子長寬比、種子寬等性狀變異系數較低，表明種子性狀具有較高的穩定性，受較高的遺傳控制。

圖1 不同群體黃花苜蓿莢果和種子形態差異Fig.1 Morphological diversity of pod and seed of M.falcata in different populations

表2 黃花苜蓿莢果和種子形態差異分析Table 2 Variance analysis phenotypic characteristics of pod and seed of M.falcata

2.2 相關性分析

2.2.1 莢果和種子性狀間的相關性 通過Pearson相關系數分析得出（表4）：莢果形狀與莢果顏色之間有極顯著正相關關系，表明隨著莢果彎曲度的增加，顏色逐漸加深；莢果長與莢果寬和含種子數之間呈顯著正相關關系，即莢果長度越長，相應的寬度也較寬，含種子數多；莢果寬與種子長、種子寬、種子長寬比和百粒重之間有顯著相關關系，表明莢果越寬，則種子相應地變長、變寬、重量增加，從相關系數可以看出，對種子的寬度影響較大，所以種子長寬比變小；莢果長寬比與種子長寬比二者也有極顯著正相關關系；種子顏色的深淺與每莢果含種子數之間有極顯著正相關關系，即含種子粒數較多的莢果，種子顏色較深；種子的長、寬與百粒重3個性狀之間有極強的關聯度，呈極顯著正相關關系，種子長與百粒重r＝0.98，種子寬與百粒重r＝0.94，表明種子長寬能反映重量的變化規律。

2.2.2 莢果和種子性狀與地理因子間的相關性 除莢果長度與海拔之間有相關關系外（表4），其他各性狀與地理因子之間均無相關性。莢果長與海拔的相關系數為0.71，表明隨著海拔的增加，莢果呈現逐漸變長的趨勢。

表3 各群體黃花苜蓿莢果和種子形態的變異Table 3 Morphological variation of pod and seed of M.falcata different populations

2.3 主成分分析

為探明影響黃花苜蓿不同群體間差異顯著的主要原因，對莢果和種子的10個性狀進行主成分分析。前3個主成分的累計貢獻率已達到72.903%（＞70%），它們可以代替原始因子所包含的主要信息（表5）。第1主成分的貢獻率為35.200%，對其作用最大的性狀主要為種子寬（0.949），百粒重（0.870），種子長（0.808）等，反映的是種子大小；第2主成分的貢獻率為21.994%，對其作用最大的性狀為莢果長／寬（0.924），含種子數（0.697），反映的是莢果含種子數；第3主成分的貢獻率為15.709%，對它作用最大的性狀是莢果顏色（0.593），莢果形狀（0.533），反映的是莢果的形狀（表5，6）。即群體間的差異主要來源于種子大小、莢果種子數和莢果形狀。

表4 黃花苜蓿莢果、種子形態及地理位置間的相關系數Table 4 Correlation coefficient among morphological trait and between morphological traits and geological factors

2.4 聚類分析

對果實10個形態指標標準化后，采用UPGMA對8個群體黃花苜蓿進行聚類分析，在歐式距離3.64處可將8個群體聚為4類（圖2），其中ZMY單獨為一類，該地區距其他群體較遠，海拔最高，莢果大，每莢果種子粒數較多，可表述為“大莢果型”；ZMK、ZSK聚為一類，其主要特點是種子長、種子寬、百粒重數值最大，可表述為“大粒型”；ZM單獨為一類，種子短小、百粒重小，可表述為“小粒型”；ZSL、ZSM、ZSJ、ZSS聚為一類，可表述為“中間型”。

3 討論

黃花苜蓿作為野生種質資源，具有抗逆性強和適應性廣的特點，國內外的研究主要集中于馴化、遺傳多樣性及優異特性的開發利用上。形態多樣性是遺傳多樣性的基礎，也是檢測遺傳變異最簡便且有效的方法。但影響形態變異的因素除遺傳因素外，還有生境、形態特征及觀測次數的選擇不同和野外調查研究中取樣的局限性，一般選擇比較穩定的形態指標，如葉、莖、生殖器官等［16］。

表5 黃花苜蓿果實形態相關矩陣的特征值、貢獻率和累計貢獻率Table 5 Eigenvalue，contribution rate and accumulative contribution rate of M.falcata

昭蘇地區8個不同生境條件下的野生黃花苜蓿群體，經過長期的自然選擇和適應，已產生明顯的分化，果實形態特征在群體間和群體內均有豐富的遺傳變異［6］，表明黃花苜蓿有很強的適應性。經分析發現群體間的差異高于群體內的差異，在野生大豆（Glycinesoja）的研究中也有類似的結果［17］，這與栽培品種差異主要來源于群體內的研究結果相反［18］，表明野生種與栽培品種之間遺傳距離較遠，遺傳改良的潛力巨大。因此，應盡量采集較多的野生群體，為生物多樣性保護以及利用提供物質基礎。

黃花苜蓿莢果各性狀之間、莢果與種子性狀之間以及種子各性狀間都存在相關性，說明相關性狀可能在基因上存在著某種連鎖現象。隨著莢果彎曲度的增加，莢果顏色逐漸加深；莢果長度越長，相應的寬度也較寬，含種子數增多；莢果越寬，則種子相應地變長、變寬、重量增加；莢果含種子粒數較多的，種子顏色相應較深，與百粒重無相關性，這與周刊社等［19］的研究結果相同；種子的長、寬與百粒重3個性狀之間有極強的關聯度，種子長寬能反映重量的變化規律，結果與何首烏（Polygonummultiflorum）的研究結果一致［20］。

地理阻隔和不同自然條件的長期作用可使果實和種子在植物居群間產生較大的差異。相關分析發現，隨著海拔的增加，莢果呈現變長的趨勢，其他性狀與地理位置無相關性，即地理位置對黃花苜蓿果實性狀的遺傳變異影響較小。但通過黃花苜蓿生境地的考察以及聚類分析發現，ZMY地區海拔較高，距離人類活動區較遠，受人為干擾較少，在長期的自然條件下已形成獨特的大莢果型。ZSK、ZMK兩地區靠近公路，人類活動頻繁，又相距較近，親緣關系較近，可能存在種質滲透。ZM地區距其他群體較遠，自然條件阻礙了基因間的交流，種子百粒重小，可能有二倍體黃花苜蓿［7］，需要進一步通過核型分析驗證。從果實形態來看，昭蘇地區黃花苜蓿的形態與地理位置有一定的關系，在麥冬（Ophiopogonjaponicus）和狗牙根（Cynodondactylon）的研究中有類似的結論［21，22］。因此，應加強此地黃花苜蓿的種質資源保護和開發利用。

表6 黃花苜蓿果實性狀的主成分因子載荷矩陣Table 6 Component matrix among populations of M.falcata

圖2 基于莢果和種子形態特征的黃花苜蓿居群聚類圖（UPGMA）Fig.2 The clustering dendrogram of pod and seed morphological traits of M.falcata with Euclidean distance clustered

本研究只對新疆昭蘇地區野生黃花苜蓿果實形態進行了初步的研究，研究的種質資源取樣范圍較小，僅從莢果和種子的形態上很難完全揭示黃花苜蓿的遺傳及親緣關系。在今后的工作中應加大取樣的范圍，選用更多的形態指標進行研究，如葉、花等，并結合核型分析、分子標記等手段來進行，以選育優良的黃花苜蓿種質。

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