以色列野生燕麥物候及農藝性狀與起源生態地理因素的相關性

范 昱，賴弟利，王佳俊，何 鳳，趙 鋼，EVIATAR Nevo，嚴 俊

(1.成都大學，農業部雜糧加工重點實驗室/藥學與生物工程學院，四川成都 610106；2.海法大學進化研究所，以色列海法31905)

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬草本植物，廣泛分布于亞洲、歐洲、北美洲北緯40°以北的地區，是世界上第七大栽培作物[1]。野生燕麥(2n=2x/4x/6x=14/28/42)作為栽培燕麥的近緣植物，大多數分布于中東和北非地區，過去常被視作雜草，也作為青貯飼料[1]。燕麥野生近緣種具有豐富的遺傳多樣性，具有抗稈銹病、黃矮病、冠銹菌等特性，籽粒含有高蛋白、β-葡聚糖、賴氨酸、膳食纖維及礦質營養等成分[1]。發掘和鑒定野生燕麥種質資源，可為燕麥優質、抗逆新品種的選育提供優異基因材料，同時將提高我國麥類育種水平與育種效率[2-4]。目前，國內外學者對野生燕麥的少數優異性狀或基因進行了研究與利用，如Ladizinsky等[5]發現歐洲四倍體大燕麥(A.magnaL.)和墨菲燕麥(A.murphiLadiginsky)蛋白含量高達25%～30%；Cavan等[6]發現野燕麥抗除草劑基因可能通過花粉進行傳遞；Yu等[7]研究了六倍體野生燕麥中抗除草劑相關基因ACCase的遺傳、轉錄和體外酶活性；耿廣東等[8]采用5 srDNA間隔序列分析和 SRAP標記驗證以色列野生二粒小麥與光稃野燕麥遠緣雜種的真實性；張慶勤等[9-11]利用野生二粒小麥、斯卑爾脫小麥、節節麥實現了與野生燕麥的遠緣雜交培育了高抗病等優異材料。普通栽培燕麥被認為起源于地中海，由野紅燕麥(A.sterilisL.)演變而來[1]。地處地中海新月沃地的以色列及周邊廣泛分布有不同生態群體野生燕麥，是栽培燕麥最大和原始的多樣性基因保存地，而目前對以色列野生燕麥的研究少見報道。

不同地區間生態地理環境因素的差異會造成物種農藝性狀的多樣性[11]。野生燕麥在長期適應生態地理環境中，通過自然選擇形成了其特有的物候及農藝性狀的遺傳多樣性，演化產生不同特征群體[12-14]。因此，本研究以源自以色列7個不同地區的70個基因型的野生燕麥物候及農藝性狀與生態地理因素進行相關分析，探討起源地生態地理因素對野生燕麥生長特性的影響與塑造，以便進一步研究野生燕麥的遺傳進化規律，為野生燕麥優異資源的開發利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究使用的7個野生燕麥群體由以色列海法大學進化研究所協助采自以色列不同地區自然環境。群體起源地生態地理數據見表1。

1.2 田間試驗

野生燕麥7個群體70個基因型種植于四川省成都市金堂縣五鳳鎮成都大學試驗基地。該基地地處東經104°51′，北緯30°61′，海拔436.4 m，年均氣溫17.1 ℃，無霜期283 d，年降雨量875 mm，空氣相對濕度65%～70%，土壤為沙壤土，肥力中等，pH 6.11，有機質含量3.57%，全氮含量2.15 g·kg-1，全磷含量0.87 g·kg-1，全鉀含量14.8 g·kg-1，水解氮含量110.0 mg·kg-1，有效磷含量4.3 mg·kg-1，有效鉀含量116.0 mg·kg-1，銅含量44.1 mg·kg-1，鋅含量59.9 mg·kg-1，錳含量463 mg·kg-1，硒含量0.149 mg·kg-1，鐵含量3.15%。

表1 7 個以色列野生燕麥群體起源地生態地理數據Table 1 Eco-geographical data for seven populations of wild oats in Israel

Ln：經度；Lt：緯度；Al：海拔; Tm：年平均溫度；Ta：八月平均溫度；Tj：一月平均溫度；Td：季節溫差；Tdd：晝夜溫差；Ev：年蒸發量； Rn：年降雨量；Rd：年降雨天數;Hu14:14:00平均濕度；Huan：年平均濕度。下同。

Ln:Longitude; Lt:Latitude; Al:Altitude; Tm:The annual average temperature; Ta:The average temperature in August; Tj:The average temperature in January; Td:Seasonal temperature; Tdd:Temperature difference between day and night; Ev:Annual evaporation; Rn:Annual rainfall; Rd:On rainy days; Hu14:14:00 average humidity; Huan:Average annual humidity. The same in table 4 and 5.

2016年11月播種。從每個野生燕麥基因型中選出80粒大小均勻、飽滿的種子，按隨機區組試驗設計進行穴播，每穴播種2粒，每行5穴，穴深10.0 cm，行長1.0 m，行寬20.0 cm，設置3個重復，并做保護行。待燕麥幼苗長出，每行定苗5株。全生育期集中隔離種植，2017年5-6月收獲。其生長過程觀察三葉期、分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、灌漿期和成熟期等物候期，測定株高、穗長、旗葉長、旗葉寬、旗葉面積、第一節間長、分蘗總數、有效分蘗數、生物產量、小穗千粒重、單株小穗數、種子千粒重等性狀。

1.3 統計分析

用JMP 6.0軟件(SAS Institute)進行方差(ANOVA)、斯皮爾曼秩(Spearmanp’s Rho)多元相關性分析，以及群體指標平均值差異顯著性(P<0.05)Tukey-Kramer HSD檢驗；用R2.11構建燕麥相關性狀間的皮爾森相關性矩陣(Pearson correlation matrix)，并用Cytoscape 2.7.0軟件對相關性矩陣進行網絡分析(correlation-based network analysis,CNA)。

2 結果與分析

2.1 野生燕麥群體和基因型物候差異

由表2可知，源自以色列7個地區(群體)野生燕麥物候期差異顯著。三葉期最短的群體是Atlit，最長的是Caesarea；最早分蘗的是Evolution Canyon，最晚的是Sede Boqer；拔節期出現最早的是Sede Boqer，最晚的是Caesarea；孕穗期出現最早的是Sede Boqe，最晚的是Beit-Oren；抽穗期出現最早的是Sede Boqer，最晚的是Caesarea；群體灌漿期出現最早的是Sede Boqer，最晚的是Nahef；成熟期出現平均值表現為Sede Boqer

經Tukey HSD檢驗，在三葉期上，Caesarea群體顯著晚于Atlit外，其余群體間均為同一水平；在分蘗期和抽穗期上，Sede Boqer與Evolution Canyon無明顯差異，但仍保持了較低水平；在孕穗期、灌漿期和成熟期上，僅Sede Boqer均顯著早于其他群體，而其他群體間差異均不明顯。

2.2 野生燕麥群體和基因型農藝性狀差異

經對7個野生燕麥群體的農藝性狀進行方差分析，除分蘗總數及有效分蘗數(單株)外，株高、穗長、旗葉參數、第一節間長度、生物產量、小穗千粒重、單株小穗數和種子千粒重等性狀間均存在顯著差異。由表3可知，平均株高最大的群體是Atlit，最低的是Sede Boqer，其顯著低于其余群體，而其余群體間無顯著性差異。株高最大的基因型是來自Atilit 的Atl-04，達1 853.2 mm，最小的是來自Sede Boqer 的SB14-11，僅有694.0 mm。成熟時平均穗長最長的是Nahef，其顯著高于穗短性狀較為集中的Sede Boqer群體，其中最長的Nah-10為469.5 mm，最短的SB14-04僅202.0 mm。類似的，在旗葉長、寬和面積上，Nahef群體均顯著高于Evolution Canyon和Sede Boqer群體，而來自Sede Boqer 的SB14-04的旗葉三性狀均最低。第一節間長除Sede Boqer顯著低于其他群體外，其他群體間均無顯著性差異，其中最長的出現在Evolution Canyon中的ECg-16，達894.0 mm；最短的SB14-05，僅368.0 mm。單株生物產量上，除Sede Boqer群體顯著低于其他群體外，其余群體間無顯著差異，其中最大單株生物產量的基因型為Caesarea的C-06，高達268.1 g；最低生物產量為Sede Boqe的SB14-04，僅7.8 g。相反地，平均單株小穗數最高是Sede Boqer，顯著高于其他群體，且其余群體間無顯著性差異。其中單株小穗數最高的SB14-14，可達2 982.1；最少的是Evolution Canyon的ECg-03，為153.4。在所有的野生燕麥群體中，小穗千粒重和種子千粒重最大的均為Tabigha群體的Tg-09，分別為197.3和28.8 g；而Sede Boqer群體的種子普遍較小，SB14-22的小穗千粒重和種子千粒重最小，分別僅為4.3和1.5 g。

2.3 物候期和起源生態地理因素之間的相關性

經斯皮爾曼秩相關性分析(表4)，野燕麥三葉期僅與起源地海拔呈顯著正相關，分蘗期僅與八月平均溫度呈顯著負相關；而拔節期、孕穗期、抽穗期以及灌漿期和成熟期等均與年降雨量、年降雨天數、14點平均濕度、年平均濕度呈顯著正相關，與季節溫差、晝夜溫差、年蒸發量呈顯著負相關。另外，孕穗期、抽穗期、灌漿期還與經度和緯度呈顯著正相關，而與八月平均溫度呈顯著負相關。

表2 7個以色列野生燕麥群體物候期差異Table 2 Phenological difference of the seven populations of wild oats from Israe

同列平均值后，不同字母表示7個群體間差異顯著(Tukey HSD檢驗，P<0.05)。表 3同。

Different letters after the means within the same columns indicate significant differences among the seven populations(P<0.05,by Tukey-Kramer HSD test). The same in table 3.

2.4 農藝性狀和生態地理因素之間的相關性

相關分析結果(表5)表明，農藝性狀中，分蘗總數僅與季節溫差呈顯著正相關，其他性狀均與經度、緯度、年降雨量、年降雨天數、14點平均濕度、年平均濕度呈顯著正相關，與海拔、晝夜溫差、年蒸發量呈顯著負相關。類似的，穗長與緯度、年降雨量、年降雨天數、14點平均濕度、年平均濕度呈顯著正相關，與八月平均溫度、季節溫差、晝夜溫差、年蒸發量呈顯著負相關，但與經度和海拔間均無顯著的相關性。值得指出的是在旗葉參數中，旗葉寬和面積還與八月平均溫度呈顯著負相關。在產量因素中，小穗千粒重和種子千粒重均與年平均溫度、一月平均溫度、八月平均溫度、14點平均濕度、年平均濕度呈正相關，而與海拔、晝夜溫差、年蒸發量呈負相關；與之相反的是，單株小穗數與年平均溫度、一月平均溫度、八月平均溫度、14點平均濕度、年平均濕度均呈負相關，與海拔呈正相關。

2.5 物候期與農藝性狀之間相關性

農藝性狀和物候期之間的網絡分析顯示(圖1)，野生燕麥多個物候期和農藝性狀相互間存在不同程度的顯著相關性(P<0.05)。單株小穗數與分蘗總數、有效分蘗總數和三葉期、分蘗期呈顯著正相關，與其余指標均呈顯著負相關；分蘗總數與分蘗期、單株小穗數和有效分蘗總數呈顯著正相關。有效分蘗總數和分蘗期呈顯著負相關，與單株小穗數和分蘗總數呈顯著正相關。種子千粒重與分蘗總數和有效分蘗數均無顯著相關性，與三葉期和分蘗期呈顯著負相關，與其余指標呈正相關。小穗千粒重與三葉期和單株小穗數呈顯著負相關。生物產量與三葉期呈顯著負相關，與分蘗總數和有效分蘗數無顯著相關性。

表4野燕麥性狀和生態地理因素的斯皮爾曼秩顯著相關性
Table4Spearman’sRhosignificantcorrelationbetweenagronomictraitsandbirthplaceeco-geographicalfactorsofwildoats

物候期Phenological period生態地理因素Eco-geographical factors 相關系數 Correlation coefficientP三葉期Trefoil stageAl 0.237 00.048 2分蘗期Tillering stageTa -0.254 20.033 7拔節期Jointing stageTd -0.295 40.013 0Tdd -0.558 7<0.000 1Ev -0.449 3<0.000 1Rn 0.568 9<0.000 1Rd 0.534 4<0.000 1Hu140.428 90.000 2Huan 0.419 50.000 3孕穗期Booting stageLn 0.268 50.024 6Lt 0.369 30.001 7Tm -0.290 00.014 9Ta -0.414 90.000 4Td-0.402 10.000 6Tdd-0.522 3<0.000 1Ev-0.392 00.000 8Rn0.475 5<0.000 1Rd0.542 9<0.000 1Hu140.273 00.022 2Huan0.424 80.000 2抽穗期Heading stageLt0.399 90.000 6Ta-0.310 00.009 0Td-0.347 70.003 5Tdd-0.561 6<0.000 1Ev-0.478 4<0.000 1Rn0.543 2<0.000 1Rd0.573 7<0.000 1Hu140.394 80.000 7Huan0.476 6<0.000 1灌漿期Filling stageLn0.293 50.013 7Lt0.448 00.000 1Ta-0.282 00.018 0Td-0.253 20.034 4Tdd-0.510 0<0.000 1Ev-0.392 10.000 8Rn0.512 2<0.000 1Rd0.546 2<0.000 1Hu140.338 50.004 2Huan0.399 90.000 6成熟期Maturity stageTd-0.392 70.000 8Tdd-0.374 80.001 4Ev-0.447 30.000 1Rn0.245 80.040 3Rd0.335 70.004 5Hu140.371 80.001 5Huan0.478 2<0.000 1

表5 野燕麥農藝性狀和生態地理因素的斯皮爾曼秩顯著相關性Table 5 Spearman’s Rhosignificant correlation between agronomic traits and birthplace eco-geographical factorsof wild oats

(續表5Continuedtable5)

性狀Charater生態地理因素Eco-geographical factors 相關系數 Correlation coefficientPHuan0.406 5 0.000 5 第一節間長FILLn0.493 4 <0.000 1Lt0.298 5 0.012 1 Al0.252 6 0.034 9 Tdd0.377 7 0.001 3 Ev-0.407 4 0.000 5 Rn-0.384 8 0.001 0 Rd-0.451 3 <0.000 1Hu140.320 8 0.045 5 Huan0.370 9 <0.000 1分蘗總數TITd0.424 6 0.000 3 生物產量BYLn0.451 8 <0.0001Lt0.239 8 0.045 5 Al0.418 6 0.000 3 Tdd0.514 4 <0.000 1Ev-0.332 3 0.004 9 Rn-0.342 1 0.003 7 Rd-0.265 8 0.026 2 Huan0.331 2 0.005 1 小穗千粒重TSWLn0.384 5 0.001 0 Lt0.287 7 0.015 7 Al0.267 6 0.025 1 Tm0.333 5 0.004 8 Ta-0.492 5 <0.000 1Tj 0.437 5 0.000 2 Tdd0.321 3 0.006 7 Ev0.530 1 <0.000 1Hu14-0.258 9 0.030 5 Huan0.236 3 0.048 9 單株小穗數 SNAl0.339 0 0.004 1 Tm0.256 8 0.031 8 Ta0.334 8 0.004 6 Tj -0.340 0 0.004 0 Hu14-0.248 9 0.037 7 種子千粒重 TGWAl-0.396 6 0.000 7 Tm-0.340 5 0.010 4 Ta-0.440 2 0.000 1 Tj 0.470 4 <0.000 1Tdd0.346 5 0.003 3 Ev0.543 8 <0.000 1Hu14-0.321 9 0.006 6 Huan-0.279 5 0.019 1

3 討 論

一般而言，作物長期生長在特定的環境條件下，因溫度、雨量、地形、海拔、土壤和植被等因素差異，演化產生了不同特征群體與基因型，在自然選擇壓力的推動下，適應性進化并產生了豐富的遺傳多樣性[16-18]。本研究顯示，以色列野生燕麥已分化形成了不同的生態類型，而這些生態群體的產生正是不同環境條件下野生燕麥長期適應其生境的結果。在以色列不同地區的7個野生燕麥群體中，來自南方內蓋夫沙漠的Sede Boqer群體具有較短的全生育期，特別是其自拔節期起的物候期與北方的群體間產生極顯著差異性(P<0.01)。北方野燕麥群體整體生育期較長，如群體Atlit、Beit-Oren，而北方群體相互間物候期和全生育期值相差不大，這說明物候期和生育期通常會受起源地地理因素的影響。但值得注意的是各群體在三葉期的時間上差異不顯著(P>0.05)，說明野生燕麥可能在萌發至三葉期的發育時間上存在一定的保守性。

圖中所有相關性均達到顯著水平(P<0.05) 。圓形和六邊形代表野生燕麥的農藝性狀，菱形為物候期，之間的連線代表性狀之間的相關性，實線代表正相關，虛線代表負相關。圖中各性狀縮寫見表2、3。

All correlations were significant at 0.05 level in network. The circles and hexagon represent the phenotypic characters,and the triangle represent the phenological. The edges between nodes indicate positive and negative correlations by solid and dotted lines,respectively.

圖1野生燕麥群體的物候期與農藝性狀數據相關性網絡

Fig.1Correlationnetworksofwildoatsamongagronomictraitsandphenologicaldata

分析發現，起源地的水分、溫度因子以及地理各因素單獨或者共同對多數物候期和農藝性狀起不同程度的作用。起源于經緯度較高、海拔較低、降雨較充沛、水分蒸發量少環境下的野生燕麥群體的生物產量及種子千粒重等較高，而海拔較高地區野生燕麥單株小穗數較高(表3、表4)。此外，野生燕麥的分蘗總數僅與環境季節溫差有關，而與其他因子無關(表4)。與前人的報道一致[19-20]，野生燕麥的旱生沙漠型相比北方濕生型，其籽粒更小，生長期較短，植株矮小，旗葉面積也稍小，灌漿期更短，但是種子數量更多。這是由于濕生型野生燕麥生長在水分充沛、光溫適中的自然環境條件下，而旱生型生長環境高溫少雨、土壤瘠薄，正是憑著粒小、粒多、成熟快并迅速掉粒于砂礫中的生態適應性反應，當面臨極端干旱時，將大量種子存儲于地下種子庫，等待來年獲得雨水后繁衍生息。

目前尚未見報道以色列野生燕麥種質資源在我國的引進情況。本研究結果表明，來自以色列七個不同地區野生燕麥70個基因型都能在成都平原地區自然氣候條件下正常生長，說明以色列野生燕麥具有很強的適應性。由于成都平原與其起源地環境有很大的不同，勢必會對物候及農藝性狀產生一些影響，因而需要多年多環境試驗，發掘野生燕麥穩定的優異性狀及遺傳基因。由于對地中海起源地野生燕麥的研究報道較少，不能做出更全面的比較。我國燕麥目錄品種的株高一般為100.0～120.0 cm，最高的達到175.0 cm[15]，而在本研究中野生燕麥高度范圍在69.4～185.3 cm，說明較在編資源株高范圍更寬。在我國西南平壩燕麥生態區，燕麥生育期一般為200.0～220.0 d，但在本研究中燕麥全生育期更短，僅為170.0～190.8 d。總之，野生燕麥作為理想的糧飼兩用植物，其豐富的基因資源可用于溫帶禾谷類和牧草的改良，以及未來禾草類植物再生能源相關性狀的生物學認識研究。本研究為進一步探究燕麥生長發育和遺傳規律，以及種質資源創新提供了很好的參考依據。