垂穗披堿草種質資源繁殖相關特性遺傳多樣性研究

張妙青,王彥榮,張吉宇,劉志鵬,張磊,聶斌,周晶

(蘭州大學草地農業(yè)科技學院,甘肅 蘭州730020)

垂穗披堿草(Elymusnutans)是禾本科(Gramineae)小麥族(T riticeae)披堿草屬(Elymus)的多年生根莖疏叢型優(yōu)質牧草,其抗寒能力強、粗蛋白含量高且適口性好[1,2],我國西藏以及西北、華北等地區(qū)均有野生分布,是草原和草甸的重要組成部分。目前,我國西北高寒、濕潤地區(qū),垂穗披堿草栽培較多,主要用于建植人工草地和放牧草地。垂穗披堿草還具有優(yōu)質、高產、抗病、抗蟲、抗旱、耐鹽堿等優(yōu)異基因,作為麥類作物的野生近緣種遺傳資源,對于豐富麥類作物遺傳多樣性的基因資源庫具有重要的經濟利用價值[3]。

物種的遺傳多樣性越高,就越容易適應其環(huán)境的變化[4]。植物因環(huán)境的影響也會發(fā)生變異,變異的大小由植物本身的特性和外界干預的強度決定[5]。這對了解植物的進化過程、引種馴化和基因保存都具有重要的指導意義。因此,開展垂穗披堿草遺傳多樣性的研究對這種優(yōu)良牧草種質資源的保護和利用非常有意義。近年來,國內外對披堿草的研究多集中在栽培品種的栽培技術、生產、產量、品質及放牧利用等方面[6-8],關于種質資源遺傳多樣性的研究報道較少。Jensen等[9,10]及Park和Walton[11]通過對披堿草屬某些種形態(tài)學和細胞學的研究,發(fā)現了新的種——Elymus hof fmann,探討了種與種之間的關系及加拿大披堿草(Elymuscanadensis)組織培養(yǎng)的植株與其自交后代的形態(tài)學和細胞學特征。袁慶華等[12]以葉色、株高、葉長等13個田間農業(yè)生物學性狀為考察指標,分析了13份野生披堿草和21個野生老芒麥(Elymus sibiricus)居群間的生物多樣性,說明了披堿草和老芒麥的野生居群農業(yè)生物學性狀受遺傳和空間距離的共同影響。嚴學兵等[13]通過對披堿草屬不同居群形態(tài)學的研究,發(fā)現披堿草具有豐富的多樣性,且相似地域條件的垂穗披堿草居群的親緣關系相近。此后,嚴學兵等[14]用微衛(wèi)星標記法對披堿草屬植物的遺傳分化的地理因素進行了研究分析,結果表明,地理位置和海拔是影響垂穗披堿草遺傳差異的主要因素。陳智華等[15]對采自中國四川、西藏、甘肅、青海、新疆的68份垂穗披堿草進行了相關序列擴增多態(tài)性(sequence-related amplified polymorphism,SRAP)研究,證實了垂穗披堿草具有較豐富的遺傳多樣性及其聚類與生態(tài)地理環(huán)境相關。嚴學兵等[16]通過形態(tài)學、等位酶和微衛(wèi)星3種遺傳標記對我國的9種披堿草屬植物進行了親緣關系的分析,結果表明,對遺傳多樣性豐富的披堿草屬植物,不同標記顯示的親緣關系有較大差異。

遺傳標記是種質資源的收集整理、鑒定評價和保存利用等的重要手段,其中最基本、最常用的是形態(tài)標記。本研究對采自甘肅、青海以及四川等地的50個垂穗披堿草居群的繁殖相關的性狀遺傳多樣性進行分析,旨在為垂穗披堿草種質資源的深入研究和進一步選育利用及其種質資源保護等提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及采集方法

研究材料是蘭州大學草地農業(yè)科技學院、農業(yè)部牧草與草坪草種子質量檢驗測試中心(蘭州)于2007年對甘肅、青海及四川省不同地區(qū)的考察采集。為研究居群內個體(individual)和居群(population)間的遺傳差異,在每個采集地首先用GPS定位,記錄經緯度、海拔,觀測采集地點的小環(huán)境,描述生境,每個采集地一個居群號,嚴格按照居群采樣法[17]采集了50個居群的垂穗披堿草。各居群的地理位置和生境概況見表1。

1.2 繁殖性狀的測量方法

將采集的垂穗披堿草帶回實驗室,測量與繁殖相關的穗長、穗寬、每穗小穗數、種長、芒長和千粒重等性狀指標。穗長、穗寬、種長和芒長用直尺測量,其中種長、芒長是從居群中隨機取10株單穗,從每穗中部取2粒種子進行測量,各20個重復;穗長度和花序寬度各5個重復;千粒重用分析天平測量,每個居群隨機取50粒種子為一組,取4組重復,測量其質量并計算其千粒重。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2007和SPSS 15.0軟件統(tǒng)計各性狀在居群內和居群間總的平均數、標準差、最大值、最小值、極差、變異系數和多樣性指數(Shannon-weaver),并進行聚類分析和相關分析。多樣性指數的計算公式為:H′=-∑PilnPi,式中,Pi為某性狀第i居群內材料份數占總份數的百分比。劃級方法:先計算參試材料總體平均數(X)和標準差(δ),然后劃分為10級,從第1級[Xi<(X-2δ)]到第10級[Xi>(X+2δ)],每 0.5δ為1級。每級的相對頻率用于計算多樣性指數[18]。聚類分析的數據基礎是每個居群中6個性狀測量的平均值。

2 結果與分析

2.1 垂穗披堿草居群多樣性指數分析

各居群的穗長、穗寬、每穗小穗數、種長、芒長和千粒重6個性狀測量結果的平均值分布狀況見圖1。50個居群中居群001、012、015、016、017、018、033、036為栽培種群,其余的42個居群為野生種群。各居群間6個性狀均存在變異,栽培種群較野生種群除穗長(栽培居群10.1～13.8cm,野生居群1.0～21.1cm)和芒長(栽培居群12.5～143.8mm,野生居群8.8～17.7mm)外,其他性狀沒有表現出明顯的整齊性。各居群穗長最大為22.00cm,最小為4.10cm;穗寬從2.00mm到12.00mm;每穗小穗數最多為54個,最少為14個;種長范圍是6.00～12.00mm;芒長范圍是5～23mm;種子千粒重最大值為5.00 g,最小值為2.30 g。

對各居群6個形態(tài)性狀指標總平均值、標準差、最大值、最小值、極差、變異系數和多樣性指數(表2),50個居群內的多樣性指數(表3)進行統(tǒng)計分析,結果表明,每個居群內各個性狀的平均值、標準差、最大值、最小值、極差、變異系數和遺傳多樣性指數均存在較大的變異。以H′的變幅為例,穗長為0～1.83,穗寬為0～1.39,每穗小穗數為0～1.89,千粒重為0.69～1.39,種長為0.50～1.51,芒長為1.21～2.04。H′的變幅由大到小為每穗小穗數>穗長>穗寬>種長>芒長>千粒重。

從總體來看,居群總的 H′為1.873 3(表2),居群內平均 H′為1.195 3(表3),則居群間的 H′為0.678 0。因此,采自甘肅、青海和四川等地的50個垂穗披堿草居群的遺傳多樣性主要集中在居群內部(63.8%),居群間的遺傳變異較小(36.2%)。001(H′為 1.438 3)、011(H′為1.408 3)、018(H′為 1.45 5)居群遺傳多樣性水平較高,005(H′為0.986 7)、012(H′為0.688 3)、017(H′為0.930 0)、038(H′為0.973 3)居群的遺傳多樣性水平相對較低(表3)。

2.2 遺傳變異在各性狀的不均衡性

從50個垂穗披堿草居群各性狀的變異系數(CV)來看,各性狀之間均存在著較大的差異(表2),依次為穗寬(0.347 2)>穗長(0.247 7)>千粒重(0.205 0)>每穗小穗數(0.195 2)>芒長(0.151 8)>種長(0.118 4)。結果表明,垂穗披堿草居群穗寬遺傳變異最大,其次為穗長,變異最小的為種長。

表1 50個垂穗披堿草居群的地理位置和生境狀況Table 1 Locations and the habitat characters of 50 E.nutans populations

續(xù)表1 Continued

表2 垂穗披堿草居群6個性狀的變異及多樣性指數Table 2 Variation and genetic diversity index in 6 characters of E.nutans populations

2.3 垂穗披堿草種子產量構成因素的聚類分析

圖1 垂穗披堿草居群6個性狀測量的平均值分布狀態(tài)Fig.1 The distribution pattern in 6 characters of E.nutans populations

對垂穗披堿草6個性狀進行聚類分析,結果表明,50個垂穗披堿草居群可以分為具有各自明顯特征的3組(圖2)。第1組為居群009,這類材料表現為穗較長(穗長平均為12.7cm,穗寬平均為5.90mm),每穗小穗數多(平均為53),種子長平均為8.90mm,芒長平均為13.90mm,千粒重較高,平均為3.575 g,種子生產力高;第 2組為居群015、023、024、026、049、050,這類材料表現為穗較大(穗長平均為 17.3cm,穗寬平均為7.55mm),每穗小穗數較多(平均為42.17),種子較長(平均為8.45mm),芒短(平均為 11.02mm),千粒重高(平均為3.76 g),種子生產力較高;其余的共43個居群為第3組的材料,這類材料表現為穗短小(穗長平均為10.42cm,穗寬平均為5.07mm),每穗小穗數少(平均為30.20),種子短小(平均為7.82mm)而芒較長(平均為13.12mm),種子千粒重小(平均為3.42),整體表現為種子生產力一般?？梢?第1組和第2組材料表現出穗較大、每穗小穗數較多、種子千粒重較高的特點,尤其是第一組材料009居群經過聚類分析從50個居群中脫穎而出,表現出每穗小穗數多、種子長、芒長和千粒重較高的特點。

2.4 各性狀與生態(tài)因子間的相關分析

通過各形狀與地理生態(tài)因子的相關分析(表4),可以看出,垂穗披堿草各性狀隨環(huán)境變化的變異趨勢。與海拔的相關分析指出,穗長和每穗小穗數與海拔呈極顯著的負相關(r分別為-0.521和-0.523),即在其自然分布區(qū)內隨海拔的升高,這些性狀指標有減小的趨勢。芒長與海拔呈顯著的正相關(r=0.314),即芒長在自然分布區(qū)內隨海拔的升高有增大的趨勢;與經度的相關分析表明,穗寬和千粒重與海拔呈極顯著的正相關,穗長和種長與海拔呈顯著的正相關,即在自然分布區(qū)內隨經度的增大,這些性狀指標有增大的趨勢;與緯度的相關分析可以看出,穗寬和千粒重與緯度呈極顯著或顯著的負相關,即隨著緯度的增加,這些形狀指標有減小的趨勢;與年均溫的相關分析表明,穗長和每穗小穗數與年均溫呈極顯著或顯著的正相關,即隨著年均溫的增大,這些性狀指標有增大的趨勢;與年均降水的相關分析指出,穗寬與年均降水量呈極顯著的正相關關系,則隨著年均降水量的增加,垂穗披堿草穗寬有增大的趨勢。

總之,海拔、經度、緯度、年均溫和年均降水量對垂穗披堿草的形態(tài)性狀變異均有貢獻,其中海拔和經度貢獻較大,而年均降水量對此影響相對較小。

表3 垂穗披堿草各居群內6個性狀遺傳多樣性指數Table 3 Genetic diversity index in 6 characters of E.nutans populations

續(xù)表3 Continued

表4 各性狀與地理生態(tài)因子的相關分析Table 4 Correlation analysis between characters,geographical and ecological factors

3 討論

對50個垂穗披堿草居群的6個繁殖性狀的遺傳多樣性分析表明,垂穗披堿草居群存在豐富的遺傳多樣性,居群總的遺傳多樣性指數H′為1.873,且各性狀呈多樣性分布的不均衡性。8個栽培種群各居群多樣性水平層次不一,與野生資源的遺傳多樣性沒有明顯的差異。對居群的實地考察發(fā)現,多樣性水平較高的居群多生長于環(huán)境良好、生境破環(huán)較小的地方,而多樣性指數較低的居群,生長地人畜活動頻繁,生境破壞較嚴重,居群整體生長較差?？梢?植物的遺傳變異除了與植物本身的特性有關外,更與外界環(huán)境干預的強度有關。栽培居群的穗寬、每穗小穗數、種長以及千粒重等性狀較野生居群沒有表現出明顯的齊性,其原因有待進一步探討。

圖2 50個居群6個性狀的聚類分析結果Fig.2 Cluster analysis of the 6 characters of 50 E.nutans populations

禾本科牧草穗長、穗寬、每穗小穗數、種長、芒長和千粒重6個性狀都與種子產量和質量相關。在種子生產中,各個產量構成因子是可變的,氣候和生產條件改變著各種子產量構成因子,從而改變了種子產量[19]。采用聚類分析方法對不同種質材料的遺傳差異進行研究,能體現不同居群的遺傳變異,較好地反映種質材料之間的親緣關系[20]。因此,可以根據對居群的聚類分析結果,在雜交育種過程中有目的的進行種質資源的優(yōu)化組合,通過不斷的選育而培育出適合不同用途的優(yōu)良品種[12]。對垂穗披堿草50個居群每穗小穗數等6個性狀的聚類分析表明,可將50個垂穗披堿草居群分為3組,第1組材料009和第2組材料015、023、024、026、049、050居群,表現出穗較大、每穗小穗數較多、種子千粒重較高的特點,這與其相關分析結果相符。作為垂穗披堿草種子產量的重點研究材料,可以從這些居群中選育出適合一定環(huán)境條件的優(yōu)良牧草品種進行種子生產或以其為原材料對現有品種種子生產力進行改良,同時,也可以為提高其他地區(qū)垂穗披堿草種質資源以及小麥族的糧食作物生產提供優(yōu)良的遺傳基因。此外,聚類分析結果顯示供試垂穗披堿草居群有一定的地域性分布,地理來源相同或相近的種質趨向于聚在一類,這與鄢家俊等[21]基于SRAP標記對青藏高原老芒麥進行的遺傳多樣性研究結果一致。

植物種群的繁育系統(tǒng)、生境以及地理因子等對物種的遺傳分化都有很大影響。有研究指出,自花授粉植物51%的遺傳變異存在于居群間,而異交風媒植物只有9.9%[22]。土壤因子與植物的表型性狀的變異密切相關[23],而海拔差異會限制居群間的基因流[24],從而使不同海拔居群間的遺傳變異相對較大。對垂穗披堿草50個居群遺傳結構的分析表明,該地區(qū)垂穗披堿草的遺傳多樣性主要集中在居群內部(63.8%),居群間的遺傳變異較小(36.2%)。可見,垂穗披堿草不是嚴格的自花授粉植物,其大量的遺傳變異可能是被保存在雜合子的隱性基因里,通過居群內的遺傳重組而被釋放和表達出來的[25],從而造成了垂穗披堿草居群內個體間保持著較豐富的遺傳多樣性。本研究所用垂穗披堿草來自黑鈣土、栗鈣土和少量沙石土等土壤類型,土壤生境差異較小,且采集地海拔范圍(2 375～3 864 m)有限,居群間有可能保持著一定的基因流,從而造成垂穗披堿草居群間差異變小。相關分析結果表明各環(huán)境因素對垂穗披堿草的遺傳變異均有貢獻,其中海拔和經度貢獻較大,這與嚴學兵等[14]用微衛(wèi)星標記法對披堿草屬植物遺傳分化和地理因素的分析結果較一致。

垂穗披堿草是優(yōu)良牧草,通過對該區(qū)野生垂穗披堿草及其與地理環(huán)境關系的研究以及聚類分析,可以從野生材料中選育出適合一定環(huán)境條件的優(yōu)良牧草品種或者以其為原材料對現有品種進行產量等多方面的改良。同時,垂穗披堿草存在著豐富的遺傳多樣性,可以為其他地區(qū)垂穗披堿草種質資源以及小麥族的糧食作物提供優(yōu)良的遺傳基因。由于垂穗披堿草特有的遺傳特性以及生態(tài)環(huán)境的惡化造成種質資源均受到不同程度的破環(huán),故對其進行保護是非常必要的。垂穗披堿草種質資源的保護策略,應根據影響這一地區(qū)垂穗披堿草分布的主要環(huán)境因子來制定原生境保護和異地保護策略[26]。由相關分析可知,該地區(qū)垂穗披堿草在諸多環(huán)境因子中受海拔和經度的影響最大,且該區(qū)垂穗披堿草居群在居群內和居群間均有較高的遺傳多樣性分布,因此,可以根據其海拔和經度來建立保護區(qū),進行原生境保護,并且應盡可能多的保護不同種群,重點保護遺傳多樣性高的居群。異地保護時,因為垂穗披堿草居群的遺傳多樣性主要集中在居群內,所以應在每個居群中收集盡可能多的單株以盡可能地涵蓋該物種的基因庫,從而最大程度地保護垂穗披堿草的遺傳多樣性。生長環(huán)境對植物生長的影響極其重要,所以無論原生境保護或者異地保護,保護垂穗披堿草生長環(huán)境是最重要的。

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