不同光周期條件下金花菜F2代農(nóng)藝性狀的變異特征

周克友， 李爭艷， 陳 祥， 任海龍，2， 江 舟， 魏臻武*

(1. 揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/揚(yáng)州大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所， 江蘇 揚(yáng)州 225009； 2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院海南三亞農(nóng)作物育種試驗(yàn)中心， 海南 三亞 572014； 3.安徽省各科院畜牧獸醫(yī)研究所， 安徽， 230031)

金花菜(MedicagopolymorphaL.)是豆科苜蓿屬一年生草本植物[1]，俗稱南苜蓿、秧草、草頭等，在長江中下游地區(qū)常作為牧草、綠肥和蔬菜等栽培利用[2]。金花菜在我國南方草牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，其種質(zhì)資源的鑒定、保存和利用正日益受到人們的重視。金花菜具有良好的再生能力，大田種植時(shí)能刈割4～6茬[3]，并且馬伯艷等[4]研究表明不同刈割茬數(shù)的金花菜營養(yǎng)成分并沒有明顯變化。因此，如果能推遲金花菜開花時(shí)期，延長其生長期，就能有效增加其刈割次數(shù)，提高利用效益。而日照條件是影響植物花期的關(guān)鍵環(huán)境因子之一，植物的花期會(huì)隨植物日照條件的改變而發(fā)生變化，同時(shí)，植物的性狀也會(huì)有所變化。

在豆科植物中，大豆(GlycinemaxL.)經(jīng)常作為研究光周期的模式材料[5]。大豆是典型的短日照植物，光周期是影響大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的重要生態(tài)因子[6]。韓天富等[7]通過研究不同生態(tài)類型的大豆開花前后的農(nóng)藝性狀及其光周期敏感性反應(yīng)，確定了大豆生育期結(jié)構(gòu)與產(chǎn)量性狀的關(guān)系。王英等[6]以開花期相近的181個(gè)大豆重組自交系(RIL)為材料，研究了開花后不同光照長度對(duì)大豆主要農(nóng)藝性狀的影響，指出開花后光照處理對(duì)大豆農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀有較大影響。豆科苜蓿屬植物的光周期研究大多是探討不同光周期下光敏色素、植物生長激素對(duì)苜蓿(MedicagosativaL.)秋眠性的影響[8-9]。研究金花菜農(nóng)藝性狀和光周期關(guān)系的報(bào)道較少。Del Pozo[10]搜集了9份不同緯度地區(qū)金花菜種質(zhì)材料，利用溫室和田間試驗(yàn)研究了光周期對(duì)金花菜開花的影響，認(rèn)為不同來源地的金花菜有著相應(yīng)的光周期敏感性，濕潤地區(qū)的金花菜開花較晚，干旱地區(qū)的金花菜開花較早。陳祥等[11]通過人工氣候室模擬不同光周期條件，研究了光周期與種質(zhì)特性對(duì)金花菜初花期的影響，認(rèn)為金花菜是長日照植物，確定光周期是影響金花菜初花期的主要環(huán)境因素之一。

本研究選取了2個(gè)性狀差異明顯的金花菜種質(zhì)材料，并利用人工氣候室模擬10 h短日照和16 h長日照2種光周期條件，在不同光周期下進(jìn)行金花菜的開花誘導(dǎo)試驗(yàn)，研究了金花菜F2代株高、葉長、葉寬和分枝數(shù)的變異特征，旨在確定金花菜的日照植物類型，并為利用光周期調(diào)控金花菜花期、選育優(yōu)良金花菜品種等方面提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)以陳祥等[11]研究中光周期敏感度的量化指標(biāo)LD-FHR(長日開花促進(jìn)率)以及性狀特征達(dá)到顯著差異(P< 0.05)的2個(gè)金花菜材料江蘇海安(花期晚，光照13 h)和浙江溫嶺(花期早，光照16 h)作為親本(表1)。試驗(yàn)材料于2013年分別從江蘇海安、浙江溫嶺搜集而來，經(jīng)過一代自交繁殖，以保證種子純度。采用人工授粉進(jìn)行雜交，通過雜交獲得金花菜F1代種子，F(xiàn)1代在人工氣候室內(nèi)種植獲得F2代。

表1 供試金花菜的來源、形態(tài)特征及相關(guān)信息Table1 Information of the tested Medicago polymorpha

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

本試驗(yàn)于2015年10月在揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。首先挑出形態(tài)飽滿、有活力的金花菜P1、P2種子各60粒及F2代種子300粒，用95%的酒精浸泡消毒1 min，然后用蒸餾水清洗3次。再將消毒后的種子劃破種皮，均勻鋪于含有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中，用封口膜密封，放到25℃培養(yǎng)箱中催芽。等到種子長出胚芽后取出，移栽于花盆中，每盆1株。試驗(yàn)用土是肥力中等偏上的沙壤土，在裝盆前已攪拌均勻?；ㄅ璺旁谧灾频乃壑?，土壤可從花盆底部孔眼吸水至飽和，保證每個(gè)花盆中的土壤含水量相同。10 h短日照處理、16 h長日照處理的人工氣候室內(nèi)都移栽了長勢一致的金花菜幼苗P120株、P220株以及F2代125株。人工氣候室內(nèi)部溫度23℃、濕度50%、光強(qiáng)10 000 lx。

1.3 測定指標(biāo)與方法

本試驗(yàn)觀測株高、葉長、葉寬和分枝數(shù)4個(gè)主要農(nóng)藝性狀。取金花菜植株中間段單獨(dú)復(fù)葉的中間葉片測量葉長和葉寬，選3個(gè)復(fù)葉作3次重復(fù)。分枝數(shù)測定以花盆內(nèi)土表以上金花菜的分枝數(shù)為準(zhǔn)。16 h長日照條件下金花菜F2群體的葉長、葉寬和分枝數(shù)在生長48 d后測得。10 h短日照條件下金花菜F2群體的葉長、葉寬和分枝數(shù)在生長115 d后測得。在金花菜開花初期每日定時(shí)觀察，長出第一朵小花時(shí)測得絕對(duì)株高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 17.0 計(jì)算不同光周期條件下金花菜各世代農(nóng)藝性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等基本參數(shù)并進(jìn)行單樣本的K-S測驗(yàn)以及獨(dú)立樣本的t測驗(yàn)，利用EXCEL繪制各性狀的次數(shù)分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光周期條件下金花菜各世代農(nóng)藝性狀的變異特征

10 h短日照條件下金花菜親本株高、葉長及葉寬均高于16 h長日照條件，且株高的差異最明顯(表2)。在兩種不同日照條件下，金花菜F1及F2代的株高、葉長和葉寬與親本有相似的差異。除母本P2無論在短日照還是長日照條件下都保持1個(gè)分枝外，P1、F1和F2代在10 h短日照條件下的分枝數(shù)高于16 h長日照條件。

10 h短日照條件下金花菜F2代株高、葉長、葉寬和分枝數(shù)的變異系數(shù)均大于16 h長日照條件(表2)，說明10 h短日照條件下金花菜F2代各性狀有更大的變異，表現(xiàn)出更豐富的遺傳多樣性。同時(shí)，無論在何種日照條件下，金花菜F2代分枝數(shù)的變異系數(shù)都遠(yuǎn)大于其株高、葉長和葉寬的變異系數(shù)(表2)，表明金花菜F2代分枝數(shù)的變異更為突出。

表2 不同光周期條件下各世代性狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 The character statistics of all generations under different photoperiods

2.2 不同光周期條件下金花菜F2代性狀單樣本的K-S測驗(yàn)

單樣本K-S測驗(yàn)不僅可以用于測驗(yàn)間斷性變量的分布形態(tài)，也可以用于測驗(yàn)連續(xù)性變量的分布形態(tài)。由表3可知，在不同日照條件下，金花菜F2代株高、葉長和葉寬對(duì)應(yīng)的兩尾測驗(yàn)概率[Asymp.Sig.(2-tailed)]值均大于0.05，表明在不同日照條件下，金花菜F2代株高、葉長和葉寬都服從正態(tài)分布。而金花菜F2代分枝數(shù)在不同日照條件下兩尾測驗(yàn)概率都小于0.05，表明分枝數(shù)不服從正態(tài)分布。

2.3 不同光周期條件下金花菜F2代同一性狀獨(dú)立樣本的t測驗(yàn)

通過對(duì)不同光周期條件下金花菜F2代株高進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，得到F= 80.134，P= 0.000 < 0.01(表4)，因此不同光周期條件下金花菜F2代株高的方差差異極顯著(P<0.01)，說明方差非齊性。由于不同光周期條件下株高方差非齊性，故在進(jìn)行t測驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)該選擇“假設(shè)方差不相等”一行的結(jié)果：t=-16.710，df(自由度) = 125.230，兩尾測驗(yàn)的P=0.000<0.01，所以認(rèn)為不同光周期條件下F2代株高具有極顯著差異(P<0.01)。同樣，不同光周期條件下金花菜F2代葉長和葉寬的方差非齊性，選擇“假設(shè)方差不相等”一行后兩尾測驗(yàn)的P=0.000<0.01，所以不同光周期條件下金花菜 F2代葉長和葉寬也具有極顯著差異(P<0.01)。雖然不同光周期條件下金花菜F2代分枝數(shù)的方差也是非齊性，但在選擇“假設(shè)方差不相等”一行后兩尾測驗(yàn)的0.01

表3 不同光周期條件下金花菜F2代性狀單樣本的K-S測驗(yàn)Table 3 The Kolmogorov-Smirnov test of different characters of F2 generation under different photoperiods

注：a表示檢驗(yàn)分布為正態(tài)分布

Note：a indicates normal test distribution

表4 不同光周期條件下金花菜F2代同一性狀獨(dú)立樣本的t測驗(yàn)Table 4 The Independent-samples t Test of the same character of F2 generation under different photoperiods

2.4 不同光周期條件下金花菜F2代農(nóng)藝性狀的次數(shù)分布

2.4.1不同光周期條件下金花菜F2代株高的次數(shù)分布 10 h短日照條件下，金花菜F2代株高(82.68cm)高于親本P1(80.89 cm)而低于親本P2(97. 37 cm)(表2)。金花菜F2代株高主要集中在67.0～103.0 cm，出現(xiàn)71次，占總數(shù)的71%(圖1)。10 h短日照條件下，金花菜 F2代株高服從正態(tài)分布(表3)，偏度為 - 0.36 < 0，峰度為 - 0.50，數(shù)據(jù)向右靠攏，但偏斜角度較小，表明10 h短日照條件下，金花菜F2代株高較親本P1有增加的趨勢；16 h長日照條件下，金花菜F2代株高(45.15 cm)高于親本 P1(34.49 cm)而低于親本P2(45.64 cm)(表2)。金花菜F2代株高集中在40.0～56.0 cm，出現(xiàn)91次，占總數(shù)的73.39%(圖2)。16 h長日照條件下，金花菜F2代株高服從正態(tài)分布，偏度為 - 0.16 < 0，峰度為 - 0.26，其數(shù)據(jù)向右靠攏，但偏斜角度較小，表明16 h長日照條件下，金花菜F2代株高較親本P1有增加的趨勢，且傾向于親本P2。

圖1 10 h短日照條件下F2 代初花期株高頻數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of plant height at early-flowering time of F2 generation in 10 h short day

2.4.2不同光周期條件下金花菜F2代葉長的次數(shù)分布 10 h短日照條件下，F(xiàn)2代葉長(2.81 cm)高于親本P1(2.73 cm)而低于親本P2(3.12 cm)。金花菜F2代葉長集中在2.6～3.4 cm，出現(xiàn)88次，占總數(shù)的88 %。10 h短日照條件下，金花菜F2代葉長服從正態(tài)分布(表3)，偏度 - 1.23 < 0，峰度2.34，其數(shù)據(jù)向右靠攏，有較為明顯的尖峰，數(shù)據(jù)集中(圖3)，表明10 h短日照條件下，金花菜F2代葉長較親本P1有增加的趨勢；16 h長日照條件下，金花菜F2代葉長(2.62 cm)高于親本P1(2.16 cm)而小于親本P2(2.83 cm)。金花菜F2代葉長集中在2.5～2.9 cm，出現(xiàn)87次，占總數(shù)的70.16 %。16 h長日照條件下，金花菜F2代葉長服從正態(tài)分布，偏度 - 0.32 < 0，峰度 - 0.58，數(shù)據(jù)向右靠攏，但偏斜程度小(圖4)，表明16 h長日照條件下，金花菜F2代葉長較親本P1有增加的趨勢，且傾向于親本P2。

圖2 16 h長日照條件下F2 代初花期株高頻數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of plant height at early-flowering time of F2 generation in 16 h long day注：圖中縱軸線P表示親本性狀平均值； 縱軸線F2表示F2代性狀平均值，下同。Note: P indicates the average value of character of the parents; F2 indicates the average value of character of F2 generation, The same as below.

圖3 10 h短日照條件下F2代葉長頻數(shù)分布Fig.3 Frequency distribution of leaf length of F2 generation in 10 h short day

2.4.3不同光周期條件下金花菜F2代葉寬的次數(shù)分布 10 h短日照條件下，金花菜 F2代葉寬( 2.74 cm)高于親本P1(2.50 cm)而低于親本P2(2.91 cm)。F2代葉寬集中在2.45 ～ 3.05 cm，出現(xiàn)83次，占總數(shù)的83%。10 h短日照條件下，金花菜F2代葉寬服從正態(tài)分布(表3)，偏度 - 0.47 < 0，峰度1.31，其數(shù)據(jù)向右靠攏，但偏斜程度小，有較為明顯的尖峰，數(shù)據(jù)集中(圖5)，表明10 h短日照條件下，金花菜F2代葉長較親本P1有增加的趨勢。16 h長日照條件下，F(xiàn)2代葉寬(2.40 cm)高于親本P1(1.99 cm)而低于親本P2(2.50 cm)。F2代葉寬集中在2.3～2.7 cm，出現(xiàn)93次，占總數(shù)的75%。16 h長日照條件下，金花菜F2代葉寬服從正態(tài)分布，偏度 - 0.11 < 0，峰度 - 0.24，其數(shù)據(jù)向右靠攏，但偏斜程度小(圖6)，表明16 h長日照條件下，金花菜F2代葉長較親本P1有增加的趨勢，且傾向親本P2。

圖4 16 h長日照條件下F2代葉長頻數(shù)分布Fig.4 Frequency distribution of leaf length of F2 generation in 16 h long day

圖5 10 h短日照條件下F2代葉寬頻數(shù)分布Fig.5 Frequency distribution of leaf width of F2 generation in 10 h short day

2.4.4不同光周期條件下金花菜F2代分枝數(shù)的次數(shù)分布 10 h短日照條件下，金花菜F2代分枝數(shù)(1.76個(gè))低于親本P1(4.5個(gè))而高于親本P2(1.0個(gè))。F2代分枝數(shù)集中在1個(gè)，出現(xiàn)68次，占總數(shù)的68 %。10 h短日照條件下，F(xiàn)2代分枝數(shù)不服從正態(tài)分布(表3)，偏度1.53 > 0，峰度1.11，其數(shù)據(jù)向左集中靠攏(圖7)；16 h長日照條件下，金花菜F2代分枝數(shù)(1.5個(gè))，低于親本P1(4.1個(gè))而高于親本P2(1.0個(gè))。F2代分枝數(shù)集中在1個(gè)，出現(xiàn)89次，占總數(shù)的71.77%。16 h長日照條件下，F(xiàn)2代分枝數(shù)不服從正態(tài)分布，偏度1.95 > 0，峰度3.50 > 3，其數(shù)據(jù)向左集中靠攏，有明顯尖峰(圖8)。結(jié)果表明即使在不同光周期條件下，金花菜F2代分枝數(shù)的變異都傾向于分枝數(shù)為1的母本P2。

圖6 16 h長日照條件下F2代葉寬頻數(shù)分布Fig.6 Frequency distribution of leaf width of F2 generation in 16 h long day

圖7 10 h短日照條件下F2代分枝數(shù)頻數(shù)分布Fig.7 Frequency distribution of branches of F2 generation in 10 h short day

圖8 16 h長日照條件下F2代分枝數(shù)頻數(shù)分布Fig.8 Frequency distribution of branches of F2 generation in 16 h long day

3 討論

種質(zhì)資源的鑒定、分類和評(píng)價(jià)以及育種材料的選擇通常都是依據(jù)植物農(nóng)藝性狀來進(jìn)行的，在揭示植物進(jìn)化的變異規(guī)律和建立植物演化模式等方面具有十分重要的作用[12]。由于地理分布和生境的差異，不同種質(zhì)材料為了適應(yīng)生態(tài)環(huán)境，相應(yīng)地表現(xiàn)出了豐富的形態(tài)多樣性。同時(shí)這也為育種者提供了種間差異大且遺傳多樣性豐富的材料，有利于優(yōu)勢育種材料的選擇。本研究根據(jù)陳祥[11]的試驗(yàn)結(jié)論選擇了其中形態(tài)及生理特性具有顯著差異(P<0.05)的2個(gè)金花菜材料進(jìn)行不同光周期條件下的開花誘導(dǎo)試驗(yàn)，并以此分析了不同光周期條件下金花菜F2代主要農(nóng)藝性狀變異特征。不同光周期條件下，金花菜F2代的株高、葉長和葉寬相對(duì)于親本P1都有增加的趨勢，金花菜F2代與來自江蘇海安的金花菜種質(zhì)材料相比有很明顯的改良效果。金花菜F2代的分枝數(shù)和株高在不同光周期下變異系數(shù)都很大，且以分枝數(shù)為最，并且分枝數(shù)的變異都傾向于分枝數(shù)為1的母本P2，表明日照條件并不是影響分枝數(shù)變異的主要因素，種質(zhì)特性才是影響金花菜F2代分枝數(shù)變異的關(guān)鍵所在。本試驗(yàn)中還觀察到，在同一光周期條件下，若F2代分枝數(shù)較少，則植株較高，葉片較大，株型趨于母本P2；若其分枝數(shù)較多，則植株較矮，葉片較小，株型趨于父本P1。因此，分枝數(shù)是判斷金花菜F2代在性狀變異方面更偏向于母本還是父本的主要性狀，而株高、葉長和葉寬則可作為判斷的輔助性狀。

自Garner和Allard[13]通過人工調(diào)控光周期證明大豆是短日照植物以來，利用光周期對(duì)水稻(OryzasativaL.)、玉米(ZeamaysL.)以及其他作物的種質(zhì)資源的研究報(bào)道有很多。宋遠(yuǎn)麗等[14]的研究指出不同的植物對(duì)光周期的要求是不同的，例如，水稻是短日照植物而擬南芥(ArabidopsisthalialaL.)則是長日照植物。江院等[15]通過對(duì)光周期敏感的玉米材料進(jìn)行了不同光周期處理，研究了光周期對(duì)玉米農(nóng)藝性狀和光合特性指標(biāo)的影響，表明玉米屬于短日照植物，長光周期可以促進(jìn)玉米營養(yǎng)生長階段的生長發(fā)育。本研究中，短日照條件下金花菜花期長，長日照條件下金花菜花期短，而且金花菜各世代在短日照條件下營養(yǎng)生長的性狀指標(biāo)要明顯高于其在長日照條件下營養(yǎng)生長的性狀指標(biāo)，長光周期促進(jìn)金花菜從營養(yǎng)生長階段向生殖生長階段的轉(zhuǎn)變，使金花菜成花加快，生育期變短，表明金花菜屬于長日照植物，與陳祥等[11]的研究結(jié)論一致。光周期的改變使得金花菜花期、性狀和生育期產(chǎn)生了變化，卻也遵循著一定的生長規(guī)律。因此，在栽培生產(chǎn)中，可以利用短日照條件延長金花菜生育期，提高性狀指標(biāo)，有效增加刈割茬數(shù)，獲得高產(chǎn)。同時(shí)，也可以利用短日照條件篩選優(yōu)良金花菜種質(zhì)，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種。

4 結(jié)論

不同光周期條件下，金花菜F2代株高、葉長和葉寬都服從正態(tài)分布，而分枝數(shù)不服從正態(tài)分布。不同光周期條件下，金花菜F2代株高、葉長和葉寬都具有極顯著差異(P<0.01)，而分枝數(shù)具有顯著差異(P< 0.05)。無論在何種日照條件下，金花菜F2代分枝數(shù)的變異系數(shù)都遠(yuǎn)大于其株高、葉長和葉寬的變異系數(shù)，表明金花菜F2代分枝數(shù)的變異更為突出；即使在不同光周期條件下，金花菜F2代分枝數(shù)的變異都傾向于分枝數(shù)為1的母本P2。

本試驗(yàn)得出金花菜屬于長日照植物。在栽培生產(chǎn)中，利用短日照誘導(dǎo)延長金花菜生育期，改善目標(biāo)性狀，增加刈割茬數(shù)，獲得高產(chǎn)。在金花菜的品種選育中，利用此特性篩選優(yōu)良金花菜種質(zhì)，培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種。