基于性狀的野生羊草優良種質篩選

白烏云,侯向陽

(1.內蒙古師范大學化學與環境科學學院/內蒙古自治區環境化學重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010022;2.山西農業大學草業學院/農業農村部飼草高效生產模式創新重點實驗室,山西 晉中 030801)

草種質資源是國家戰略儲備資源,也是草牧業可持續發展的重要基礎[1]。在我國糧食安全、畜產品穩定供給和生態文明建設等方面,草種質資源扮演著不可替代的重要角色[2]。大多數牧草是農作物的野生近緣種,可為農業新品種創制提供育種材料和優良基因資源[3]。羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel)是中國北方草原優勢種或建群種。羊草是重要的生態草,根莖克隆繁殖力強,形成密布的地下根系網,具有很強的水土保持和固碳能力。同時,羊草適口性好、營養價值高、返青早、耐牧,是我國重要的禾本科優良牧草之一。羊草也是治理鹽堿化草地和建植人工草地的理想草種[4]。

為解決退化羊草草原恢復和人工草地建植難題,我國草業工作者采用種子直播方式,在寧夏[5]、吉林[6-7]和黑龍江省西部[8]的干旱、鹽堿化、寒冷地區進行了羊草種植試驗。然而,羊草有性繁殖在野外條件下存在“三低”,嚴重制約了羊草在退化草地修復和人工草地建植中的應用。近年來,利用羊草克隆繁殖力強的特點,有學者嘗試以移栽方式進行草地恢復和建植。相比傳統的草地建植方法,移栽法可以使草地快速發揮作用[9]。仝淑萍等[10]研究發現,在松嫩平原堿斑上人工移栽羊草,不僅可以提高植物群落生產力,還可以提高草地生物多樣性,實現了經濟和生態效益的雙贏。近期也有學者指出利用多年生植物的根莖等多年生地下器官封存和儲存碳是生態固碳的新途徑[11]。挖掘根莖克隆繁殖力強的羊草優良種質是移栽法建植人工草地和恢復重建退化草地生態系統的關鍵,也是實現“雙碳”目標的生態學途徑之一。然而,國內學者主要關注羊草種質資源的收集和抗逆性評價[12-13]、栽培技術[14-15]及生產性能[16]研究,基于根莖克隆繁殖性狀的種質資源篩選仍顯不足[17-18]。

中國北方地區是全球增溫最顯著的區域之一,北方氣候暖干化趨勢(Warming-drying trend)嚴重[19]。氣候暖干化導致中國北方草原土壤含水量減少,植被退化,優良牧草比例降低,是局部沙化和鹽堿化加重的重要原因[20-22]。羊草核心分布區氣候呈現暖干化的總體趨勢下,應加強栽培草地建植,為天然草地減負。然而,截至2013年,我國栽培草地面積僅1.8億畝,僅為天然草地面積的3%[23]。羊草是我國北方草原分布最廣的野生優良牧草,應充分利用羊草根莖克隆繁殖力強、耐旱等特點,發揮羊草在移栽法建植栽培草地中的作用。

本文以66份野生羊草為試驗材料,基于農藝和繁殖相關17個數量性狀,采用主成分分析(PCA)和系統聚類分析(HCA)法,篩選單株產量高、根莖克隆繁殖力強的優良羊草種質,分析羊草種質的生物氣候和地理分布特點,以期為羊草種質資源調查、收集和保護提供參考,為羊草新品種開發和選育、牧草種質創新提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

于2014年5—8月,在遠離生活區的羊草分布區,收集了66份野生羊草種質(圖1)。羊草采集地理范圍在35°31′～49°47′N,102°45′～124°31′E,采樣點分布區海拔為9～2 000 m,年均降水量為167～696 mm,年均溫為-2.1℃～13.3℃,不同采樣點之間距離平均為621.0 km,最遠的兩個采用點之間距離為1 967.6 km,最近的兩個采用點之間距離為29.8 km[2,18]。

1.2 試驗設計與試驗方法

約10畝的平坦均質的長方形試驗地經秋、春2次機械翻、耙和人工處理后,試驗地四邊各留5 m空地,以消除邊緣效應的影響。將試驗地分隔成198個5 m×5 m的試驗小區(66份羊草×3個重復),試驗采用完全隨機設計的方法。2018年4月待羊草返青展葉后,用移苗器挖取羊草,挖取深度約25 cm,挑選長勢接近、須根完整、無抽穗跡象的母株,帶土移栽至各試驗小區中心位置。覆土壓實,立即澆水,之后連續4周每隔7天澆1次水,確保成活。成活后,適時鋤雜草,無人工施肥和澆水處理[18]。

圖1 羊草種質來源分布圖Fig.1 Diagram of origin of Leymus chinensis germplasms

移栽7天后,記錄成活母株數。每天早、晚各觀察1次是否有根莖子株出土,記錄第一個根莖子株出土日期,以計算克隆生長率(Clonal growth rate,CGR)[17]。抽穗期記錄抽穗的母株數,以計算母株抽穗率(Heading rate,HR)[18]。地上部農藝性狀的記錄在8月中旬進行。記錄葉寬(Leaf width,LW)、葉長(Leaf length,LL),并算葉長寬比(LL/LW)和葉片大小(LW×LL)[24],記錄莖長(Stem length,SL)和株高(Plant height,PH)[25]。根莖克隆繁殖性狀的記錄在9月末進行。子株相關指標方面,記錄分蘗子株數,以計算母株分蘗倍數(Multiple of genets through tillering,MT)[16,25];記錄根莖子株數(Number of extravaginal ramets,NER),并計算母株根莖擴展增加倍數(Multiple of genets through rhizome extension,MR)[17]。根莖空間擴展相關指標方面,記錄根莖擴展方向數(Number of rhizome extension directions,NED)和各方向上的擴展距離,并計算累積擴展距離(Accumulated extended distance,AED)、擴展距離(Extended distance,ED)和擴展面積(Extended area,EA)[17,26],各方向上的擴展距離中包括單向最大距離(Maximum one-direction extended distance,MED)。次年4月,待羊草返青展葉后再次記錄根莖子株數,以計算根莖子株跨年增加倍數(Multiple of NER after a dormancy period,MRD)[26]。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0軟件對數據進行數值標準化處理,進行KMO檢驗和Bartlett球度檢驗,采用主成分分析(PCA)法從17個性狀指標中提取特征值大于1的主成分(F),計算66份羊草材料的綜合值,計算公式為：綜合值=a1×F1+a2×F2+…+an×Fn,試中,F1,F2,…,Fn分別為主成分1,2,…,n的得分,a1,a2,…,an分別為主成分1,2,…,n解釋的方差貢獻率,n為提取的主成分個數[17]。按羊草材料的各主成分得分和綜合值進行排序,篩選出不同方面具有優勢的排名前十的羊草種質。

基于17個數量性狀,以歐氏距離(Euclidean distance)為相似性度量,對66份羊草進行系統聚類分析(Hierarchical cluster analysis,HCA)[27],計算各聚類組羊草的性狀平均值。從WorldClim (www.worldclim.org)環境數據庫(Bioclimate)中選取當前氣候(Current condition 1970-2000),輸入66份羊草采樣點的經度和緯度信息,獲取各采樣點的年平均氣溫和年平均降水量數據,用ArcGIS 10.5繪制羊草生物氣候和地理分布圖。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

從羊草17個性狀中提取了特征值(1的4個主成分(F1,F2,F3,F4),特征值由大到小依次為7.99,2.86,2.03,1.32,對總方差的貢獻率依次為47.00%,16.80%,11.97%,7.78%,方差貢獻率合計為83.55%(表1)。

從羊草各性狀指標在旋轉矩陣中的載荷(表1)可以看出,主成分F1中載荷較大的有EA(0.93),ED(0.91),AED(0.89),NED(0.84),MED(0.83),故主成分F1為根莖空間擴展因子;主成分F2中載荷較大的有LW(0.92),PH(0.88),SL(0.86),LW×LL(0.85),故主成分F2為單株產量因子;主成分F3中載荷較大的有MT(0.87)和MR(0.71),故主成分F3為克隆后代數因子;主成分F4中載荷較大的只有LL(0.93),故主成分F4為葉長因子。根莖空間擴展力(F1)、單株產量(F2)、克隆后代數(F3)、葉長(F4)和綜合值排名前十的羊草種質如表2所示。

表1 羊草性狀主成分的旋轉元件矩陣Table 1 Rotation matrix of principal components of Leymus chinensis traits

表2 優良羊草種質列表Table 2 List of fine L. chinensis germplasms

2.2 聚類分析

系統聚類過程中,當歐氏距離系數為13.4時,66份羊草材料可聚為4組,Cluster 1～Cluster 4分別包括了23,24,18,1個羊草材料(圖2)。Cluster 1～Cluster 4綜合值平均值依次增加,分別為-0.50,0.10,0.48,1.76(表3),Cluster 3和Cluster 4中的羊草材料在根莖空間擴展能力、單株產量和克隆后代數方面具有優勢。

從大量種質材料中準確篩選出特異性優異種質是克服育種盲目性的關鍵。通過聚類分析發現,19號羊草與其它羊草遺傳距離較遠,在根莖克隆繁殖力(根莖空間擴展和克隆后代數)方面具有優勢。

從各聚類組羊草的地理分布來看,Cluster1和Cluster2呈東-西方向近似水平混合分布,Cluster2和Cluster3呈東北-西南方向混合分布。從各聚類組羊草的生物氣候分布來看,綜合值較高的優良羊草主要來源于年平均氣溫相對較高、年平均降水量相對較多的內蒙古中部和黑龍江省西部地區;綜合值較低的羊草主要來源于年平均氣溫相對較低、年平均降水量相對較少的蒙古國、內蒙古北部地區(圖3,圖4)。

圖2 基于性狀的系統聚類結果Fig.2 Results of hierarchical cluster analysis based on the traits of germplasm

表3 各聚類組羊草性狀均值Table 3 Mean value of L. chinensis traits in each cluster

圖3 羊草種質生物氣候(年平均降水量)分布示意圖Fig.3 Bioclimatic (mean annual precipitation) distribution of L. chinensis germplasms

圖4 羊草種質生物氣候(年平均氣溫)分布示意圖Fig.4 Bioclimatic (mean annual temperature) distribution of L. chinensis germplasm

3 討論

基于農藝性狀篩選優良種質是育種的基礎工作,對種質資源的生物氣候和地理分布進行分析可為種質資源的收集和保護提供參考。根莖克隆繁殖是羊草主要繁殖方式。篩選單株產量高、根莖克隆繁殖力強的羊草種質是羊草新品種開發、選育和牧草種質創新的基礎,可為退化草原修復重建和人工草地建植提供更好的服務。

單株產量和克隆后代數方面均有優勢的羊草是13號和66號羊草,采樣點分別位于內蒙古興安盟科爾沁右翼前旗和山東省壽光縣;單株產量和根莖空間擴展方面均有優勢的羊草是61號羊草,采樣點位于河北省唐山市開平區;根莖空間擴展和克隆子株數方面均具有優勢的羊草是19號和23號羊草,采樣點分別位于黑龍江省齊齊哈爾市和內蒙古錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗,其中19號羊草是根莖克隆繁殖能力方面具有明顯優勢的特異性羊草種質。本文對羊草種質地理分布特點進行分析發現,綜合值較高的優良羊草種質主要來源于內蒙古中部和黑龍江省西部地區,已有研究表明該區域正是羊草適生區[28]或最佳適生區[11]。

氣溫和降水量是影響植物分布和生長繁殖的重要氣候因子。本文對羊草種質生物氣候因子分布特點進行分析發現,優良羊草種質主要來源于平均溫度相對較高、平均降水量相對較多的地區,綜合值較低的羊草主要來源于平均溫相對較低、平均降水量相對較少的地區,可見平均氣溫和平均降水量等氣候因子對羊草生長繁殖可產生重要影響。陳積山等[28]研究也發現,降水量是對羊草分布的增益作用最大的氣候因子,經度是影響我國羊草分布格局的主要地理因子。在北方草原暖干化背景下,應加快羊草種質資源的收集及創新利用。

4 結論

本文基于農藝和繁殖相關17個數量性狀,在試驗地栽培條件下,從66份野生羊草中篩選出根莖空間擴展能力、單株產量、克隆后代數、葉長和綜合性能方面具有優勢的優良羊草種質各10份,獲得根莖克隆繁殖力強的特異性羊草種質1份,綜合值較高的羊草種質主要來源于年平均氣溫相對較高、年平均降水量相對較豐富的內蒙古中部和黑龍江省西部地區。因此,本文為羊草種質資源調查、保護和收集提供了科學依據,為羊草新品種開發、選育和牧草種質創新提供了基礎資料。