喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體的表型性狀比較

黃梅芬，張美艷，薛世明，吳夢霞，匡崇義，徐 馳，鐘紹麗，鐘 聲

(云南省草地動物科學(xué)研究院，云南 昆明 650212)

【研究意義】鴨茅又稱果園草或雞腳草，隸屬禾本科鴨茅屬(DactylisL.)的多年生植物，全屬約有5個種，中國僅有鴨茅1種[1]。原產(chǎn)于歐洲、亞洲和地中海地區(qū)的鴨茅(DactylisglomerataL.)是一種重要的溫帶禾本科飼草[2]，因其具有葉量豐富[3]、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、耐瘠薄、耐蔭、適應(yīng)性強等優(yōu)點，而被推薦為草地建植或恢復(fù)、溫帶經(jīng)濟林地種植的主要骨干牧草之一。鴨茅是美國大面積種植的主要牧草，也是新西蘭、澳大利亞、英國、法國、意大利等地重要的牧草資源[4]。中國是鴨茅起源地之一，蘊藏著優(yōu)異的鴨茅基因資源和豐富的遺傳多樣性[5]，在中國西南、西北地區(qū)均有鴨茅分布[6]。由于鴨茅的耐旱、耐貧瘠等特性，在中國西南和南方中高海拔地區(qū)有良好的生態(tài)適應(yīng)性和栽培前景，特別適宜在溫涼地區(qū)推廣種植。種質(zhì)資源是育種的物質(zhì)基礎(chǔ)。鴨茅育種的重要突破均與優(yōu)良種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)和利用有關(guān)。通過對鴨茅種質(zhì)資源的表型性狀研究，可充分發(fā)掘其優(yōu)良性狀，對鴨茅種質(zhì)改良具有重要意義。植物的多倍化是促進植物進化變異的重要力量[7-8]，重視和充分利用植物的多倍性對創(chuàng)造出更多增產(chǎn)潛力的新作物或作物新品種將具有重要的現(xiàn)實意義[9-10]?！厩叭搜芯窟M展】自然界的鴨茅存在二倍體、四倍體和六倍體3種倍性水平類型[11]，而且二倍體與四倍體在檢測到適應(yīng)度相關(guān)性狀的平均值上存在一致的差異，這些差異對多倍體的維持和進化成功至關(guān)重要[12]。國內(nèi)雖在野生鴨茅二倍體和四倍體的農(nóng)藝性狀、生物特性、遺傳變異等方面開展了研究[13-17]，倍性為二倍體的喜馬拉雅鴨茅屬于溫帶歐亞類型，具有抽穗晚和較大的塔型圓錐花序，其春季的鮮草產(chǎn)量高于或接近鴨茅亞種Lusitanica[18]。鴨茅同源四倍體的植物具有籽粒大、高產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良[9]和木質(zhì)素含量低[17]等特性?！颈狙芯壳腥朦c】尚未見喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其誘導(dǎo)獲得的同源四倍體的表型性狀差異性方面的系統(tǒng)研究，而依據(jù)表型多樣性分析是遺傳多樣性研究最為常規(guī)的一種方法[5]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在多年試驗研究和篩選的基礎(chǔ)上，重點研究有育種價值的喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體材料，分析比較鴨茅不同倍性的表型性狀特性，為鴨茅種質(zhì)資源多樣性保護及創(chuàng)新利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地自然概況

試驗地位于滇中產(chǎn)業(yè)新區(qū)的云南省草地動物科學(xué)研究院的牧草示范基地內(nèi)。地處東經(jīng)102°58′，北緯25°21′，海拔1960 m，屬于北亞熱帶與暖溫帶的過渡氣候帶。試驗期間的年均氣溫14.5 ℃，日均溫≥5 ℃的積溫5267.7 ℃，有效積溫3530.6 ℃；平均降水量810.4 mm，干、濕季節(jié)明顯，5-10月為雨季，其降水量占全年的87 %，11月至翌年4月為干季，降水量僅占全年的13 %；風(fēng)速1.55 m·s-1，年蒸發(fā)量2411 mm，全年無霜期240 d以上。試驗地土壤為山地紅壤，pH值4.92，基本養(yǎng)分是有機質(zhì) 38.67 g·kg-1，全磷0.858 g·kg-1，全鉀11.85 g·kg-1，全氮1.56 g·kg-1，速效磷34.59 mg·kg-1，速效鉀223.96 mg·kg-1，速效氮219.30 mg·kg-1。

1.2 供試材料

喜馬拉雅野生鴨茅二倍體來源于海拔1800～2200 m的曲靖市朗目山的天然草地[20]。

同源四倍體為喜馬拉雅野生鴨茅二倍體經(jīng)化學(xué)試劑秋水仙素誘導(dǎo)所得[21]。

1.3 研究方法與內(nèi)容

供試材料經(jīng)實驗室育苗，單株移栽至花盆和試驗地。其中，每份材料每盆栽種1個單株，共種植20個單株，合計種植40盆?；ㄅ鑳?nèi)徑45 cm，盆栽基質(zhì)為沙、腐植土和紅壤土，并按照1∶1∶1配制而成。單株年施肥量：鈣鎂磷肥40 g、尿素20 g、硫酸鉀4 g、硫酸鋅 0.2 g、硼砂 0.2 g和硫酸銅0.2 g；試驗期間盆栽和試驗地的單株進行統(tǒng)一管理，采取適時灌溉、施肥和中耕除草等農(nóng)耕措施，確保田間持水量>80 %，充分為供試鴨茅提供理想的正常生長環(huán)境條件；測定盛花期供試鴨茅的表型性狀以及成熟期的鴨茅單株重、種子大小、粒重等30個指標。

1.4 測定指標與方法

鴨茅形態(tài)學(xué)在鴨茅開花盛期進行測定。采用徠卡體視鏡、游標卡尺、量角器和鋼卷尺等器具測定。旗葉的葉綠素測定采用502 Plus Chlorophyll Meter，重復(fù)20次，取平均值。

1.4.1 株高 測定開花期拉直狀態(tài)下的植株高度。

1.4.2 葉片的長度和寬度以及旗葉長度、寬度 隨機選取營養(yǎng)蘗上完全展開的葉片和繁殖枝上的旗葉，在拉伸狀態(tài)下測量其長度、最寬部位的葉片寬度。

1.4.3 穗葉距 測量旗葉基部到花序分枝基部之間的距離。

1.4.4 營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)和節(jié)數(shù) 盛花期隨機測定每單株的營養(yǎng)蘗數(shù)和有花序的繁殖枝數(shù)，并對每株每繁殖枝的節(jié)數(shù)計數(shù)。

1.4.5 莖基寬和基部節(jié)長 在開花期隨機選取植株繁殖枝基部1 cm處用游標卡尺測量莖基寬。同時找出繁殖枝基部節(jié)頭，從下至上測定兩節(jié)頭的長度為基部節(jié)長。

1.4.6 葉綠素含量 采用葉綠素測定儀對花期鴨茅的旗葉中部進行測定。

1.4.7 花序長和寬及小穗數(shù) 隨機選取花期鴨茅自然展開的花序，花序長為基部一級分枝至頂端的長度，花序?qū)捠腔ㄐ蜃顚捥幍膶挾龋瑫r記錄每個花序的小穗數(shù)。

1.4.8 小穗張角 是指主花序軸與基部一級分枝花序形成的夾角，用量角器測定。

1.4.9 小穗長度和寬度以及小穗所含小花數(shù) 在徠卡體視顯微鏡下，放大0.63×20倍，測第一花序分枝靠近基部倒數(shù)第3個小穗的長度和寬度，所得的值為實際值，同時記錄每穗所含的小花數(shù)。

1.4.10 種子數(shù)及種子大小 隨機選取成熟期的花序，測定每個花序的種子數(shù)，并將成熟的種子在徠卡體視顯微鏡下放大 0.63×80倍進行種子長度和寬度、第一穎長、第二穎長、外稃長、內(nèi)稃長、穎果的長和寬的測定，所得的值為實際值。

1.4.11 單株重、千粒重 對進入成熟期的供試鴨茅，單株刈割后分別測定鮮重。在105 ℃殺青30 min后，在75 ℃的烘箱中烘烤48 h，經(jīng)冷卻至恒重后測定干重，同時對花序進行脫粒，選取飽滿的種子，按照千粒重測定方法進行測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用Excel 2010、IBM SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行變異分析、t-test和Pearson 相關(guān)分析，數(shù)值以平均數(shù)±標準差(Mean±SD)表示，并以不同小寫字母和大寫字母分別表示顯著差異(P<0.05)和極顯著差異(P<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體的表型性狀指標的比較

成熟期喜馬拉雅野生鴨茅二倍體表型性狀指標中變異較大的指標由大到小依次是穗葉距、營養(yǎng)蘗數(shù)、旗葉寬、生殖枝數(shù)、基生葉寬、旗葉長(表1)，其余的性狀指標的變異系數(shù)均在20 %以下。誘導(dǎo)加倍后的同源四倍體表型性狀指標中變異較大的指標由大到小依次是穗葉距、旗葉長、基生葉長、營養(yǎng)蘗數(shù)、基生葉寬，其他性狀指標的變異系數(shù)均在20 %以下。

鴨茅同源四倍體表型性狀中的營養(yǎng)蘗、繁殖枝數(shù)、穗葉距、葉長、旗葉長、基部莖寬和單株干重比野生鴨茅二倍體分別提高45.25 %、21.70 %、3.72 %、8.93 %、12.40 %、88.24 %和27.64 %，而株高、葉寬、旗葉寬、葉綠素含量、節(jié)數(shù)和基部節(jié)長則分別降低5.64 %、10.30 %、4.95 %、2.01 %、8.64 %和33.91 %。經(jīng)t檢驗，兩個倍性鴨茅表型性狀中的營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)、旗葉長、基部莖寬、繁殖枝節(jié)數(shù)、基部節(jié)長和單株重分別比較存在極顯著或顯著差異(P<0.01或 0.05)，葉長、穗葉距、葉綠素含量也呈不同程度的增加，但是各性狀間分別比較差異不顯著(P>0.05)。表明喜馬拉雅野生鴨茅二倍體經(jīng)過加倍后獲得的鴨茅同源四倍體，其表型性狀中的基部莖寬明顯地變寬，營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)、旗葉長和節(jié)數(shù)明顯增加，但是表型性狀中的基部節(jié)長明顯地變短，節(jié)數(shù)明顯地減少。

表1 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體與鴨茅同源四倍體的表型性狀的比較

表2 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體與鴨茅同源四倍體的花序性狀比較

2.2 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體繁殖性狀差異比較

2.2.1 不同倍性鴨茅的花序性狀變化 在喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體的花序性狀中變異系數(shù)較大的指標是總小穗數(shù)(表2)，其次是花序長、花序?qū)捄头N子數(shù)，而且在兩個倍性水平鴨茅的同一指標比較中，以鴨茅同源四倍體的變異系數(shù)大于喜馬拉雅野生鴨茅二倍體。其中：鴨茅同源四倍體的花序長、小穗數(shù)、小花數(shù)、小穗張角、小穗長和小穗寬分別比喜馬拉雅野生鴨茅二倍體提高2.20 %、2.29 %、8.64 %、8.17 %、11.0 %和6.26 %，但是花序?qū)捄头N子數(shù)分別減少9.22 %和23.66 %。經(jīng)t檢驗，兩種倍性鴨茅間的小花數(shù)、種子數(shù)、小穗張角和小穗長存在顯著或極顯著地差異(P<0.05或P<0.01)。表明隨著倍性水平的增加，鴨茅的小花數(shù)明顯增加，小穗張角亦明顯增大，小穗變長，每花序的總種子數(shù)明顯減少。說明鴨茅同源四倍體在花序性狀上呈現(xiàn)出花序長而微窄，一級分枝花序與花序主軸上形成相應(yīng)小穗張角明顯變大，小穗變長和小花數(shù)明顯變多，但是種子數(shù)明顯減少。

2.2.2 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體種子形態(tài)及千粒重的比較 除了鴨茅同源四倍體的第二穎長和穎果寬性狀指標存在較大變異外(表3)，其他表型性狀指標的變異系數(shù)均在≤10 %以下，屬于性狀比較穩(wěn)定指標。

表3 喜馬拉雅野生鴨茅二倍體與鴨茅同源四倍體的種子形態(tài)比較

表4 不同倍性鴨茅的表型性狀Pearson相關(guān)分析

供試鴨茅的種子形態(tài)比較結(jié)果表明：除了鴨茅同源四倍體的種子寬和穎果寬分別比喜馬拉雅鴨茅二倍體的減少了3.90 %和3.88 %外，其千粒重、種子長、第一穎長、第二穎長、外稃長、內(nèi)稃長和穎果長分別比喜馬拉雅野生鴨茅二倍體的增加63.25 %、10.60 %、14.24 %、6.13 %、14.58 %、6.79 %和9.46 %。t檢驗分析結(jié)果表明2個倍性鴨茅的千粒重、種子長、第一穎長、外稃長、內(nèi)稃長和穎果長存在極顯著差異(P<0.01)。表明鴨茅同源四倍體在種子形態(tài)上均有不同程度變大，特別是在千粒重和種子長、穎果長等性狀指標方面比喜馬拉雅野生鴨茅二倍體明顯提高。

2.3 供試鴨茅表型性狀相關(guān)分析

如表4所示，鴨茅的倍性水平增加與其單株重(r=0.635**)、千粒重(r=0.996**)和莖基寬(r=0.951**)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與營養(yǎng)蘗數(shù)(r=0.557*)、繁殖枝數(shù)(r=0.467*)、旗葉長(r=0.209*)、小花數(shù)(r=0.369*)、小穗張角(r=0.534*)、種子長(r=0.278*)和外稃長(r=0.402*)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與種子數(shù)(r=-0.551**)、節(jié)長(r=-0.593**)呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與節(jié)數(shù)(r=-0.266*)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與葉長、小穗長寬、種子寬、第一二穎長和穎果長寬呈正相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。表明隨著鴨茅倍性水平的增加，單株重、千粒重、營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)、小花數(shù)明顯增加，旗葉長、種子長和外稃長均變得更長，種子變大，基部莖寬變寬和小穗張角變大，但是種子數(shù)減少，基部節(jié)長變短和節(jié)數(shù)變少。

3 討 論

3.1 鴨茅不同倍性的表型性狀變異性

研究發(fā)現(xiàn)鴨茅不同倍性水平的表型性狀中存在明顯共同變異的性狀指標是營養(yǎng)蘗數(shù)、葉寬、旗葉的長寬、花序的長寬、穗葉距、小穗數(shù)，其變異系數(shù)超過20 %，而種子數(shù)和小穗寬的變異系數(shù)則超過16 %。說明喜馬拉雅野生鴨茅二倍體及其同源四倍體在同一性狀上測定獲得的平均數(shù)值存在較大的變異性，究其原因與加倍后獲得的同源四倍體仍和原始的喜馬拉雅野生鴨茅二倍體的一些相應(yīng)表型性狀指標保持較大變異性有關(guān)。其中，旗葉長度、花序?qū)挾鹊淖儺愊禂?shù)超過20 %，與彭燕、徐倩等的研究有相同結(jié)果[13,22]。

3.2 鴨茅不同倍性表型性狀比較

與二倍體植物比較，同源多倍體的倍性增加，植物的品質(zhì)、產(chǎn)量和形態(tài)特征等會發(fā)生明顯變化[23]，而且多倍體植株還存在葉片變大加厚、根莖變粗、葉色加深[24]以及種子變大[25]、分蘗數(shù)增加的趨勢，但是四倍體植物較二倍體的矮而粗[26]。在研究中發(fā)現(xiàn)鴨茅同源四倍體的單株干重、營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)、旗葉長等指標明顯地變重、變多或變長，花序變長而緊湊，小穗數(shù)增加且明顯變長，種子變大，與楊業(yè)華報道的四倍體具有巨大性的特征[23]基本一致。盡管隨著鴨茅的倍性水平增加，千粒重亦有增加的趨勢，但種子數(shù)明顯減少的結(jié)果表明同源四倍體的結(jié)籽性能不及喜馬拉雅野生鴨茅二倍體，與黃梅芬、楊業(yè)華等報道的同源四倍體的結(jié)籽性能有所下降的結(jié)果相符[19,23]。喜馬拉雅野生鴨茅二倍體花序的長、寬和旗葉長分別比Guignard等報道的花序長、寬和旗葉長[18]短24.04 %、窄14.49 %和短22.66 %，但是旗葉寬則比Guignard等報道[18]的寬55.17 %，這是由于鴨茅所生長的環(huán)境和測量器具等不同所致。

3.3 鴨茅倍性的表型性狀的相關(guān)性

供試鴨茅表型性狀指標間存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)隨著鴨茅倍性的增加，基部莖明顯地變寬(粗)、旗葉明顯變長、營養(yǎng)蘗數(shù)和繁殖枝數(shù)明顯增多、小花數(shù)增多、小穗張角和種子變大、單株干重和千粒重明顯增加，但是葉片、旗葉和花序的寬度有變窄的趨勢，基部節(jié)長明顯變短，節(jié)數(shù)顯著減少，導(dǎo)致鴨茅同源四倍體植株的株高不及喜馬拉雅野生鴨茅二倍體，結(jié)果也證實了植物的性狀并不一定隨著倍性的增加而增大[27]。研究還發(fā)現(xiàn)隨著鴨茅倍性的增加，對葉片大小、旗葉寬、穗葉距、花序長寬、小穗大小、穎果大小等的增減沒有明顯的影響，說明了倍性的增加雖會導(dǎo)致性狀出現(xiàn)相應(yīng)的變化，但不一定存在線性相關(guān)[27]。

4 結(jié) 論

鴨茅的2個倍性的表型性狀指標存在不同程度的變異，其中變異系數(shù)大于20 %的共同表型性狀指標有營養(yǎng)蘗數(shù)、穗葉距、葉寬、旗葉長和寬、花序長和寬和小穗數(shù)。

隨著倍性的增加，營養(yǎng)蘗數(shù)、繁殖枝數(shù)、小花數(shù)、單株重和千粒重明顯增多，基部莖變粗，旗葉長、種子長和外稃長變得更長，小穗張角和種子變大，但是每花序種子數(shù)明顯減少，基部節(jié)長變短，節(jié)數(shù)變少。其中，基部莖變粗、營養(yǎng)蘗數(shù)和繁殖枝數(shù)增加對抗倒伏能力和單株重增加有明顯作用。