5個新疆野生黃花苜蓿居群表型變異性

李 倩，若扎·扎爾汗，李陳建，王玉祥，張 博

（1. 西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆農業(yè)大學草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830052）

植物表型多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境多樣性的綜合體現(xiàn)，其表型性狀的變異往往與環(huán)境密切相關，研究其群體在各種環(huán)境下的表型變異，探討表型性狀變異與生境的關系，能夠了解其野生居群變異的分布格局、生態(tài)遺傳分化狀況，對于開展植物種質資源開發(fā)與合理利用具有重要意義。黃花苜蓿(Medicago falcata)是蝶形花亞科車軸草族苜蓿屬草本植物，具有廣泛的適應性，具備的一些優(yōu)良特性，如抗寒性、多葉性、耐牧性等，蘊含豐富的遺傳多樣性[1]，是牧草遺傳育種改良的優(yōu)質種質資源。我國黃花苜蓿野生種質資源豐富，有關黃花苜蓿表型變異的研究較多。研究[2]表明，黃花苜蓿居群間有較高的遺傳多樣性，各個器官中都存在豐富的形態(tài)變異，且居群內的變異大于居群間的變異[3]，不同品種的變異十分豐富, 其中葉面積和葉寬具有較高的變異水平[4]。分子標記研究表明，野生黃花苜蓿種群遺傳分化程度較高[5]； 張宇等[6]利用SRAP標記研究表明，不同來源的苜蓿具有較高異質性；苜蓿遺傳變異主要發(fā)生在種群內部[7]；黃花苜蓿具有較高的遺傳多樣性和基因多樣性[8]。

新疆是我國苜蓿起源地，具有豐富的黃花苜蓿種質資源，黃花苜蓿具有分布范圍廣、垂直跨度大、生長環(huán)境多樣等特點，其表型性狀在居群間和居群內存在極其廣泛的遺傳多樣性，具有很多優(yōu)良的基因，是苜蓿遺傳改良的重要基因源。有關新疆黃花苜蓿表型性狀變異的文獻資料不少，如，通過測定新疆野生黃花苜蓿的形態(tài)、花部及果實形態(tài)變異分析了其形態(tài)的遺傳變異，結果表明，群體間差異大于群體內差異，但都是在同質園條件下開展的研究[9-12]；原始生境下新疆黃花苜蓿居群的表型性狀變異的研究還鮮見報道?；诖?，本研究在原始生境條件下，對新疆5個野生黃花苜蓿居群的表型性狀進行測定，探討居群間和居群內表型性狀變異特點及其與生境的關系，對比分析不同地理居群的表型變異特點，以期為進一步開展新疆黃花苜蓿種質資源評價與利用和苜蓿新品種選育提供理論依據，為新疆黃花苜蓿核心種質資源構建與遺傳多樣性研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以新疆黃花苜蓿野生居群為研究對象，材料詳細信息如表1所列。

表1 黃花苜蓿居群點采集信息Table 1 The sampling site information of Medicago falcata

1.2 試驗方法

2017年6月，在黃花苜蓿盛花期，每個居群隨機選取30個單株，每個單株隨機選取10個葉片和小花，對其葉片和花部形態(tài)進行測量。用直尺測量每株黃花苜蓿的株高(自然高度)；葉片選取主枝上正數第4個成熟葉片的中葉，用游標卡尺( ± 0.02 mm)測量葉長、葉寬、葉柄長，每個居群單獨計算；并用游標卡尺測量主枝倒數第4莖節(jié)的長度以及直徑，記錄節(jié)間數以及分枝數(植株根部數分蘗的分枝數)。每個居群選擇10個小花，用游標卡尺測量花序長、花序寬、旗瓣長、旗瓣寬、翼瓣長、翼瓣寬、龍骨瓣長、龍骨瓣寬，單位均為mm，用直尺測量小花長、小花寬，單位為cm，并且記錄單枝花序數(主枝上開放的花序以及未開放的花蕾的總個數)和單序小花數(每一個花序上面所有的小花朵數)，每個居群單獨計算平均值。參考《黃花苜蓿種質資源描述規(guī)范和數據標準制定的原則和方法》[13]測定。

1.3 數據分析

采用Excel 2007 軟件進行差異性分析，采用SPSS 19.0軟件對表型株高、葉片、花等性狀數據進行方差分析、相關性分析以及主成分分析，并計算形態(tài)性狀變異系數。

2 結果與分析

2.1 黃花苜蓿表型性狀方差分析

F檢驗表明，不同居群間相同性狀指標均達到顯著水平(P＜0.05)(表2)，由此，所有指標均可進行后續(xù)分析。居群間節(jié)間長F值最大(75.564)，其次是旗瓣寬(60.253)、小花數(48.387)、株高(31.432)、龍骨瓣長(30.449)，其余15個指標的F值均小于30。同一花部性狀在不同居群間的差異性不同，其中H1居群的花序寬、旗瓣長、翼瓣長、龍骨瓣寬與H2之間無顯著差異(P ＞ 0.05)，與其他居群差異顯著 (P＜0.05)；花序寬在 H3、H4、H5居群之間無顯著差異；H3和H4居群旗瓣長無顯著差異，但與H5之間差異顯著。分枝數較多的是H3居群，高達67.21個，最少的是H5，只有2個，與其他居群差異顯著。葉長、葉柄長、莖稈粗、花序長在H2、H3和H4居群間無顯著差異，在其他居群差異顯著。旗瓣寬在居群H3與H4之間差異不顯著，在其他居群之間差異顯著。

表2 不同居群黃花苜蓿表型性狀方差分析Table 2 Analysis of phenotypic trait variance of different population of Medicago falcata

2.2 黃花苜蓿表型性狀變異分析

從對5個居群20個表型性狀差異性分析表明，表型性狀在居群內和居群間均存在豐富的變異，是較好的育種資源。不同居群之間存在較大差異，表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性(表3)。居群內平均變異系數在7.66%～35.23%，變異系數最大的是單枝花序數，最小的是龍骨瓣長，小花數的變異系數居第二，達到了34.46%，說明居群內的變異主要來源于小花數和花序數。居群間變異系數最大是分枝數，達到73.80%，最小的變異系數是龍骨瓣長，為11.77%。通過對數據進一步分析表明，黃花苜蓿具有豐富的多態(tài)性，表型性狀在居群內平均變異系數20.19%，居群間為27.66%，且居群間差異大于居群內，表明黃花苜蓿不同居群表型差異主要來源于居群間。

2.3 黃花苜蓿表型性狀相關性分析

相關分析表明(表4)，經度與株高、葉長、小花數、花序長、花序寬、小花寬、旗瓣長、旗瓣寬、翼瓣長、翼瓣寬、龍骨瓣長、龍骨瓣寬呈極顯著正相關關系(P＜0.01)，相關系數分別為0.338、0.404、0.485、0.545、0.805、0.620、0.638、0.751、0.691、0.699、0.636、0.617；與分枝數和小花長無顯著相關性(P ＞ 0.05)。緯度與株高、節(jié)間數、花序寬、小花寬、旗瓣長、旗瓣寬、翼瓣長呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.360、0.315、0.401、0.514、0.293、0.365、0.334；與小花長呈不顯著負相關關系，與分枝數呈極顯著負相關關系(P＜0.01)。即經緯度與分枝數、小花長呈負相關關系，與其他指標呈正相關關系。海拔與葉長、小花數、花序長、花序寬、旗瓣寬、翼瓣寬、龍骨瓣長、龍骨瓣寬呈極顯著正相關關系，與株高呈顯著負相關關系，相關系數為-0.224。

表3 黃花苜蓿表型性狀變異性分析Table 3 Analysis of variability of morphological character of Medicago falcata

2.4 黃花苜蓿表型性狀主成分分析

為進一步分析影響黃花苜蓿不同表型差異主要影響因子，對葉片和花部形態(tài)等20個性狀進行主成分分析(表5)。結果表明，前6個主成分的累計貢獻率達到71.75%( ＞ 70%)，代替了原始因子所包含的主要信息。第一主成分貢獻率為34.701%，對其作用較大的性狀有花序長寬(0.825、0.831)、旗瓣長寬(0.723、0.905)、翼瓣長寬(0.746、0.826)和龍骨瓣長寬(0.717、0.711)，反映的是花部的特征，6個性狀與第一主成分有較強的正相關關系。第二主成分貢獻率為11.683%，對其作用較大的是葉長(0.439)、葉寬(0.549)、葉柄長(0.457)、分枝數(-0.791)，反映的是葉片的特征，葉長、葉寬、葉柄長與第二主成分有較強的正相關，分枝數與其呈顯著負相關關系。第三主成分貢獻率為7.532%，對其作用較大的是節(jié)間數(0.582)、節(jié)間長(0.472)，反映的節(jié)間的性狀，節(jié)間長、節(jié)間數與第三主成分之間呈顯著正相關關系。第四主成分貢獻率為6.782%，與其呈顯著正相關關系的是株高和小花長，與其呈負相關關系的是小花寬，反映的是株高性狀。第五主成分貢獻率為6.615%，與其呈明顯負相關的是花序數。第六主成分貢獻率為4.888%，與其呈負相關關系的是小花數、小花長和龍骨瓣長。進一步分析表明，居群間表型性狀變異主要來自葉片、節(jié)間及花部特性。

3 討論與結論

植物的表型變異有表型可塑性和遺傳分化兩種來源。表型可塑性是由環(huán)境的異質性導致的。植物表型差異主要受經緯度、海拔、溫度、濕度、日照長短以及土壤微環(huán)境等環(huán)境因子的影響[14]，遺傳分化由植物遺傳背景以及演化路徑所決定，植物表型變異是由環(huán)境與遺傳兩方面共同作用的結果[15]。植物表型性狀的變異幅度越大，表型多樣性越豐富[16]。本研究對原始生境下新疆5個野生黃花苜蓿居群的20個表型性狀進行變異性分析，結果表明，5個居群的20個表型性狀差異顯著，進一步說明不同生境條件下的黃花苜蓿居群經過長期的自然選擇和適應，表型性狀在居群間已產生明顯的分化，這與于林清等[17]的研究結果一致，黃花苜蓿野生居群擁有較豐富的遺傳多樣性，在居群內和居群間存在著豐富的變異性[17-18]。海拔與株高呈現(xiàn)顯著負相關關系，這與索默等[19]研究一致，隨著海拔的升高，株型變矮。黃花苜蓿不同居群間表型性狀變異系數最大的是分枝數，達到73.80%，與趙丹在擬南芥(Arabidopsis thaliana)中的研究相一致[20]，分枝數的變異能力較高，更容易在地區(qū)間產生遺傳分化。黃花苜蓿居群間和居群內的表型性狀變異較豐富，這些變異是自身遺傳因素、地理隔離造成的遺傳差異和環(huán)境因素共同作用的結果，反映了居群遺傳穩(wěn)定性與環(huán)境復雜性的互作關系及其適應環(huán)境壓力的廣泛程度。

表4 黃花苜蓿表型性狀與地理位置間的相關性分析Table 4 Correlative analysis between phenotypic characters and geographical position of Medicago falcata

表5 黃花苜蓿表型性狀主成分分析Table 5 Principle components analysis on morphological character of Medicago falcata

本研究進一步分析發(fā)現(xiàn)，新疆黃花苜蓿居群間的差異大于居群內的差異，在野生大豆(Glycine soda)[21]和野生扁蓿豆(Melissitus ruthenica)[22]的研究中也有類似的結果，這與栽培品種差異主要來源于居群內的研究結果相反[23]，表明野生種與栽培品種之間遺傳距離較遠，遺傳改良的潛力巨大。這與在同質園中差異主要來源于居群內的研究結果也相反[24-26]，表明個體之間有顯著的遺傳多樣性，表型變化受生境影響較大。

本研究僅僅對異質生境下新疆黃花苜蓿表型性狀進行初步研究，未在同質園中進行驗證性研究，因此只能說明原始生境下黃花苜蓿表型性狀的主要差異來源于居群間，不能確定其變異來源于表型可塑性還是遺傳分化；同時，研究種質居群范圍較小，僅從株高、葉片以及花部形態(tài)上很難完全揭示黃花苜蓿的遺傳及親緣關系。在今后的工作中，應擴大取樣的范圍，選用更多的指標，如種子和果實，結合營養(yǎng)器官與生殖器官數據以及原始生境與同質園數據，并結合分子標記等技術進行研究，為優(yōu)良品種選育以及為后續(xù)進一步開展新疆黃花苜蓿分子遺傳多樣性及種質創(chuàng)新研究提供基礎數據。