新疆野生老芒麥種質資源形態及生長特性分析

張薈薈， 梁維維， 張學洲， 阿斯婭·曼力克， 朱 昊， 魏 鵬， 康 帥， 李學森

(新疆畜牧科學院草業研究所， 新疆 烏魯木齊830000)

老芒麥(Elymussibiricus)是禾本科(Gramineae)小麥族(Triticeae)披堿草屬(Elymus)多年生中生疏叢型上繁禾草，新疆僅有1種，分布于天山、阿爾泰山和昆侖山，是草甸草場的伴生種或亞優勢種[1]。受新疆特殊地理環境、氣候多變等因素的影響，新疆野生老芒麥種質資源生態類型較多，且具有適應性強，抗寒[2],抗旱[3-4],干草產量高[5],葉量豐富,富含粗蛋白,適口性好和易栽培等多重優良特性，是牧草馴化選育和改良所用的原始材料及農業自然資源的重要組成部分[6-7]，可用于建植人工草地和放牧草地，對退化草地改良和種草養畜具有重要意義[8]，在新疆的草地畜牧業中發揮著巨大的作用[1,9]。

野生老芒麥種質資源在新疆的北疆地區分布較為廣泛，但疆內學者對其研究利用的相對較少，疆外頗多，主要集中在抗性,遺傳多樣性,形態多樣性和分類等方面[2-5],馬嘯[10]對35份國內外老芒麥野生種質的形態和農藝性狀多樣性進行研究，發現其中9份來自新疆的老芒麥種質資源綜合性狀表現較好，具有良好的育種開發前景，孫清洋、德英和張晨妮等學者[2-4]的研究結果也再次驗證了新疆老芒麥卓越的抗旱和抗寒性。形態學標記是研究種質資源分類、鑒定等的最經典、最直觀的方法[7]，袁慶華等[11]以葉色、株高、葉長等13個形態學性狀為基本數據，對采自全國不同地區的21份野生老芒麥居群間的生物多樣性進行研究分析發現，老芒麥野生居群間表型差異明顯，采自同一生境不同地區的老芒麥居群，其生物學性狀也存在較大的差異，在老芒麥野生居群中各農藝性狀較為突出的是新疆阿勒泰地區的老芒麥，其牧草和種子生產性能遠高于其它居群。祁娟[12]對披堿草屬植物野生種質資源生態適應性的研究表明居群間的變異是披堿草屬植物的主要變異來源，其中內蒙和新疆居群遺傳多樣性較高，且表型,形態結構,生理生態和遺傳結構與環境因子均具有明顯相關性。但目前針對新疆不同生態型老芒麥形態多樣性的研究報道還較少。基于此，本研究通過對來自新疆不同區域或生境的老芒麥野生種質材料的形態多樣性及生態適應性進行觀測與分析，篩選出老芒麥形態學的特異性狀，以期更直觀地了解其遺傳的多樣性，為新疆野生老芒麥的栽培馴化與選育利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗選取14份老芒麥種質資源，其中，13份野生老芒麥資源材料由新疆畜牧科學院草業研究所種子庫提供，1份來自青海省牧草良種繁殖場馴化選育出的野生栽培品種，詳見表1。

表1 野生老芒麥種質資源及其來源

1.2 試驗地點及設計

試驗區位于新疆呼圖壁縣國家農業部旱生牧草種子基地，地理坐標為44°14′08.47″ N，86°37′41.32″E，海拔高度616 m，年平均氣溫為6.7℃，1月和7月份的平均氣溫分別為—16.9℃和25.6℃，無霜期170 d，≥10℃積溫3 881℃，年平均降水量167 mm，年平均蒸發量為2 361.1 mm。土壤類型為灰棕色荒漠土，pH值8.8，全鹽量3.2 g·kg-1，土壤呈堿性，輕度鹽漬化，地勢較平坦。2017年秋季進行種植，采用隨機區組設計，3次重復，小區面積15 m2，人工開溝條播，播種量30.0 kg·hm-2，行距30 cm。

1.3 觀測項目及方法

1.3.1生長速率測定與氣象數據的采集 老芒麥生長的第2年和第3年，自返青期至成熟期，標記出10 個植株，每周定期測量株高，共調查17 次，計算每次測量株高的日均生長值，作為生長速率。

空氣溫度、相對濕度、雨量、土壤溫度、光合有效輻射、壓力、風速、陣風速度、露點和太陽輻射等氣象數據均來源于試驗站的小型HOBO氣象站，根據老芒麥測定時間，計算相應氣象數據的日平均值。

1.3.2表型性狀測定 參照《老芒麥種質資源描述規范和數據標準》[13]規定的方法，測量老芒麥的27個表型性狀指標。在植株營養生長期測定基部葉鞘毛、葉片顏色；開花期測定生殖枝長度、草層高度、莖桿形態、莖桿節數、節間長(總)、節間長(平均)、莖桿粗、葉鞘長、旗葉長、旗葉寬、倒2葉長、倒2葉寬、葉片形態、葉毛密度、葉片顏色、小穗含小花數、穗顏色；乳熟期測定穗長、穗軸節數、穗軸節間長(第一節間)、穗軸小穗總數、穗軸每節小穗數和最上部節間長；蠟熟期測定旗葉至穗基部長度；成熟期測定株高。

1.4 數據分析

用Excel 2010表格整理與分析以上數據，利用SPSS 22.0軟件對數據進行Pearson相關性分析、聚類分析(Ward方法的平方歐氏距離)和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同老芒麥種質材料生長速率與環境因子相關性分析

對不同老芒麥種質資源的株高日生長速率與其對應環境因子進行Pearson相關性分析(表2)，結果表明，14 份老芒麥種質材料的生長速率與相對濕度、光合有效輻射、陣風速度和太陽輻射之間的相關性不顯著，材料HM1，HM5和YL10與所有環境因子間的相關性也均不顯著；材料ALT3，ALT6，ALT11，BL9和與露點,空氣溫度和土壤溫度間呈顯著或極顯著正相關，與風速間呈顯著負相關；材料YL2，YL7，YL12，YL13，TD14與降雨量間呈顯著或極顯著正相關，ALT6和ALT11與大氣壓力呈顯著負相關。

表2 不同品種的生長速率與環境因子間的Pearson相關性

2.2 生長高度動態變化

自返青期起，隨著時間的推移，老芒麥種質資源生長高度逐漸增加，按照植株高度動態變化的不同可將14 份種質劃分成3組(圖1)，第1組包括YL2，YL12，YL7和TD14，來自新疆伊犁和青海省，從5月7日起，生長加速，植株高度直線上升，即將進入拔節期，較其他種質提前20 d，為早期生長類型;第2組包括ALT6和ALT11，均采自新疆阿勒泰地區，從6月10日起，植株高度出現生長的轉折期，其進入快速生長期的時間較遲，為晚期生長類型;剩余種質均歸并在第3組中，包括HM1，HM5，ALT3，BL8，BL9，YL4，YL10和YL13，來自4個不同區域，從5月26日起，植株高度增長較快，呈明顯上升趨勢，較第1組晚，但比第2組早15 d，為中期生長類型。

圖1 老芒麥種質資源生長高度動態變化圖

2.3 表型性狀變異分析

對參試14份老芒麥種質資源的20個數量性狀的變異性進行統計分析，結果表明，不同區域種質之間的表型性狀差異較大，呈現出多樣性的變化。其中，蠟熟期旗葉至穗基部長度和穗軸節間長(第1節間)的變異幅度較大，變異系數均在21%以上，變化范圍分別為13.55～31.34 cm和13.85～28.74 mm，以材料YL13的旗葉至穗基部長度最長；變異系數在10%～17%之間的性狀包括葉鞘長、旗葉長、旗葉寬、倒2葉長、倒2葉寬、小穗含小花數和穗軸小穗總數，說明不同區域采集的老芒麥種質資源在這些性狀上存在相對較大的差異，變異類型豐富，選擇范圍較廣，品種馴化選育的潛力大；變化幅度最小的是生殖枝長度和成熟期株高，變異系數均在5%以下，其余性狀的變異系數介于5%～10%之間，變異幅度也較小，說明這些性狀的遺傳性相對較穩定(表3)。

表3 老芒麥種質資源20個數量性狀的變異分析

2.4 表型性狀聚類分析

基于品種(系)27個性狀的平方歐氏距離，采用Ward法對14個老芒麥品種(系)的表型性狀數據進行聚類分析，構建聚類樹狀圖(圖2)。以平方歐氏距離的平均值(SED=10)為截值，可將14份種質劃分成5組，第1組包括2個居群Y2和Y12，均采自新疆伊犁昭蘇縣，具有生殖枝長、草層高、葉片長且寬、節間長和穗長較長、小花數多等特點。第2組包含6個居群ALT3，ALT11，BL9，YL10，HM5H和HM1，分別來自伊犁、阿勒泰、哈密和博樂4個地區，主要表現為葉鞘和旗葉至穗基本長度較長，葉片長而窄，草層高度在5大類中位居其次，穗短而密。第3組包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭蘇和博樂，主要表現為穗較長，小穗含小花數、穗軸節數和小穗總數均較多。第4組包括YL13和TD14，來自新疆伊犁特克斯和青海省，其特點為莖稈細，其他各指標均處于中等水平。第5組來自新疆阿勒泰地區富蘊縣，主要表現為生殖枝矮、葉片窄、莖稈細、穗短和小穗數少等。

2.5 形態性狀分化的主成分分析

對標準化處理后的27個表型特征數據進行主成分分析(表4)，表中列出了14個主成分的初始特征值和旋轉載荷平方和，前7個主成分的初始特征值都大于1，方差解釋總量為89.163%，包含所測得性狀的大部分信息。經最大方差法旋轉后得到新的特征值，其中，第1主成分解釋方差的比例為18.736%，對應特征向量中作用最大的性狀依次是穗軸節數、旗葉長和穗軸小穗總數；第2主成分解釋方差的比例為17.449%，作用最大的性狀為草層高度、節間長和生殖枝長度；第3和第4主成分解釋方差的比例分別為12.942%和11.947%，對應的特征向量中作用最大的是葉片形態、開花期葉片顏色、營養生長期葉片顏色和穗顏色，其中葉片顏色呈負向標；第5和第6主成分解釋方差的比例分別為11.634%和10.593%，對應的特征向量中作用最大的是莖桿節數、平均節間長、最上部節間長和蠟熟期旗葉至穗基部長度，其中平均節間長呈負向標；第7主成分解釋方差的比例為5.861%，對應的特征向量中作用最大的是營養生長期基部葉鞘毛(表5)。

圖2 基于老芒麥種質資源表型性狀劃分的聚類樹狀圖

表4 形態性狀主成分方差分析表

表5 前7個組件旋轉后的成分矩陣

3 討論

遺傳變異和地理環境之間的關系是大多數學者普遍關注的問題[14]，陳釗等研究發現地理位置(緯度和經度)是影響披堿草居群遺傳分化的最重要因素[15]。嚴學兵等[16]認為一個物種對環境變化的適應能力越強，就越容易擴展其分布范圍和開拓新的環境。本研究通過分析對比不同區域采集的野生老芒麥種質材料生長速率與栽培地環境因子相關性的結果表明，14份老芒麥種質材料由高海拔區域引種至低海拔區，其生長速率受試驗區相對濕度、光合有效輻射、陣風速度和太陽輻射等氣候因素影響均較小，尤其是哈密地區和伊犁尼勒克縣的老芒麥的生長速率幾乎不受環境因子的影響，說明其生態幅寬，適應性較強。空氣溫度、土壤溫度和風速對阿勒泰和博樂地區的老芒麥種質材料生長的影響較大，低溫和大風均會抑制其生長，主要是由于該區域老芒麥分布在阿拉套山和阿爾泰山系保護區內，四面環山，生境較穩定，而試驗區為平原荒漠區，風多，氣候干燥，兩者生境條件差異大，地理距離遠，引種后，不適應栽培區氣候，生長受限。汪新川等[17]認為降水是影響同德老芒麥牧草產量的關鍵因子，本研究結果與此相同，發現伊犁昭蘇縣軍馬場、特克斯縣和青海省老芒麥生長受降雨量的影響較大，主要是因為伊犁是新疆最為濕潤的地區，其老芒麥對水分需求較為敏感，但受其他環境因子的影響較小，這說明伊犁地區的老芒麥的生態幅較寬，在有灌溉的條件下即可引種馴化。

表型性狀是植物適應環境變異最直接的表現，對其生存至關重要。不管是在自然還是人工栽培條件下，植物生長都會受環境影響而發生變異，變異的大小取決于植物本身的特性和外界干預的強度[18]。變異系數的大小可間接反映出群體表型多樣性的豐富程度，變異系數大，說明群體表型多樣性豐富[15]。本研究表明，新疆不同生態型的野生老芒麥表型性狀差異明顯，其中以蠟熟期旗葉至穗基部長度和穗軸節間長(第1節間)最為突出，對牧草產量起關鍵作用的葉鞘長、旗葉長、旗葉寬、倒2葉長、倒2葉寬的變異系數也較大，說明新疆野生老芒麥間變異類型豐富，親本選擇范圍較廣。這與程釗等[15]的研究結果基本一致。

植株高度是反映牧草生長狀況和評價高產的主要指標之一[19]，根據老芒麥種質的株高動態變化，可將14份種質歸為早、中和晚期3種生長類型，早期快速生長的種質材料能夠提前20天進入牧草收獲期，而晚期生長類型的刈割利用時間也相對較晚，中期介于二者之間，這可為野生老芒麥的馴化選育與利用提供重要依據。聚類分析方法能較好地反映種質材料之間的親緣關系[20]。以27個表型性狀為聚類指標，以平方歐式距離等于10作為劃分標準時，可將14份種質劃分成5組。其中第1組包括2個居群，均采自新疆伊犁昭蘇縣，具有生殖枝長、草層高、葉片長且寬、節間和穗均較長、小花數多等特點，可作為牧草或種子生產利用。第2組中的6個老芒麥居群分別來自伊犁、阿勒泰、哈密和博樂4個地區，其地理距離遠，生境差異大，各表型性狀有別于其他組，可作為新品種改良或選育的親本材料。第3組包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭蘇和博樂，主要表現為穗較長、小穗含小花數、穗軸節數和小穗總數均較多，宜作為種子生產利用。總而言之，新疆老芒麥野生種質資源表型差異明顯，尤其是伊犁地區采集的老芒麥，分別被劃分在4個不同的組中，這可能是由于該地區空間距離變幅較大，生境不同阻礙了基因漂移而造成較大的遺傳差異[14]，致使野生老麥居群形態多樣性指數高。同時本研究還發現同一地區采集的老芒麥材料的生長速率、葉色和穗顏色等特性也存在差異，這與袁慶華等[10]的研究結果相同。另外，在形態特征方面，新疆采集的大多數野生老芒麥與國審品種同德老芒麥間存在較大差異，僅有YL13與其劃分在一組，但實測數據顯示，兩者的葉片顏色不同。這可能是因為表型性狀易受環境因子、栽培條件和個體發育的影響，對遺傳變異的檢測有限[21]，不能解釋當前存在差異，建議在分子水平上對新疆野生老芒麥的遺傳多樣性進行深入研究。

主成分分析法可將多指標合成為少數幾個相互無關的綜合指標，清楚地描述各因素在形態多樣性構成中的作用[22-23]。對標準化處理后的27個表型特征數據進行主成分分析前7個主成分的方差解釋總量為89.163%，包含所測得性狀的大部分信息，穗軸節數、旗葉長、穗軸小穗總數、草層高度、節間長、生殖枝長度和葉片顏色等多個性狀是造成老芒麥形態差異的主要影響因素。第1主成分中穗軸節數、旗葉長和穗軸小穗總數的作用大，與種子產量的關系密切；第2主成分表現突出的性狀為草層高度，節間長和生殖枝長度，與牧草產量存在相關性；第3，4，5，6，7主成分值可以作為分類的選擇指數，這與黃帆[23]等的研究結果存在相似之處。

4 結論

不同區域采集的新疆野生老芒麥種質材料的生長速率對栽培地環境因子的響應各異，其中，哈密地區和伊犁地區老芒麥的生態幅寬、可塑性大，而阿勒泰和博樂地區種質生態幅相對較窄、適應性差。新疆野生老芒麥的葉鞘長、旗葉長寬和倒2葉長寬等表型性狀的變異系數較大，變異類型豐富，親本選擇范圍較廣。根據老芒麥種質的株高動態變化，將14份種質歸為早、中和晚期3種生長類型，可為不同時期刈割利用品種的選育提供參考。聚類結果表明，材料YL2和YL12具有生殖枝長、草層高、葉片長且寬等優良特性，宜作為牧草或種子生產利用，材料YL4，YL7和BL8表現為穗較長、小穗含小花數、穗軸節數和小穗總數均較多，宜作為種子生產利用，具有良好的育種開發前景。