垂穗披碱草种质资源繁殖相关特性遗传多样性研究

张妙青,王彦荣,张吉宇,刘志鹏,张磊,聂斌,周晶

(兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)

垂穗披碱草(Elymusnutans)是禾本科(Gramineae)小麦族(T riticeae)披碱草属(Elymus)的多年生根茎疏丛型优质牧草,其抗寒能力强、粗蛋白含量高且适口性好[1,2],我国西藏以及西北、华北等地区均有野生分布,是草原和草甸的重要组成部分。目前,我国西北高寒、湿润地区,垂穗披碱草栽培较多,主要用于建植人工草地和放牧草地。垂穗披碱草还具有优质、高产、抗病、抗虫、抗旱、耐盐碱等优异基因,作为麦类作物的野生近缘种遗传资源,对于丰富麦类作物遗传多样性的基因资源库具有重要的经济利用价值[3]。

物种的遗传多样性越高,就越容易适应其环境的变化[4]。植物因环境的影响也会发生变异,变异的大小由植物本身的特性和外界干预的强度决定[5]。这对了解植物的进化过程、引种驯化和基因保存都具有重要的指导意义。因此,开展垂穗披碱草遗传多样性的研究对这种优良牧草种质资源的保护和利用非常有意义。近年来,国内外对披碱草的研究多集中在栽培品种的栽培技术、生产、产量、品质及放牧利用等方面[6-8],关于种质资源遗传多样性的研究报道较少。Jensen等[9,10]及Park和Walton[11]通过对披碱草属某些种形态学和细胞学的研究,发现了新的种——Elymus hof fmann,探讨了种与种之间的关系及加拿大披碱草(Elymuscanadensis)组织培养的植株与其自交后代的形态学和细胞学特征。袁庆华等[12]以叶色、株高、叶长等13个田间农业生物学性状为考察指标,分析了13份野生披碱草和21个野生老芒麦(Elymus sibiricus)居群间的生物多样性,说明了披碱草和老芒麦的野生居群农业生物学性状受遗传和空间距离的共同影响。严学兵等[13]通过对披碱草属不同居群形态学的研究,发现披碱草具有丰富的多样性,且相似地域条件的垂穗披碱草居群的亲缘关系相近。此后,严学兵等[14]用微卫星标记法对披碱草属植物的遗传分化的地理因素进行了研究分析,结果表明,地理位置和海拔是影响垂穗披碱草遗传差异的主要因素。陈智华等[15]对采自中国四川、西藏、甘肃、青海、新疆的68份垂穗披碱草进行了相关序列扩增多态性(sequence-related amplified polymorphism,SRAP)研究,证实了垂穗披碱草具有较丰富的遗传多样性及其聚类与生态地理环境相关。严学兵等[16]通过形态学、等位酶和微卫星3种遗传标记对我国的9种披碱草属植物进行了亲缘关系的分析,结果表明,对遗传多样性丰富的披碱草属植物,不同标记显示的亲缘关系有较大差异。

遗传标记是种质资源的收集整理、鉴定评价和保存利用等的重要手段,其中最基本、最常用的是形态标记。本研究对采自甘肃、青海以及四川等地的50个垂穗披碱草居群的繁殖相关的性状遗传多样性进行分析,旨在为垂穗披碱草种质资源的深入研究和进一步选育利用及其种质资源保护等提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及采集方法

研究材料是兰州大学草地农业科技学院、农业部牧草与草坪草种子质量检验测试中心(兰州)于2007年对甘肃、青海及四川省不同地区的考察采集。为研究居群内个体(individual)和居群(population)间的遗传差异,在每个采集地首先用GPS定位,记录经纬度、海拔,观测采集地点的小环境,描述生境,每个采集地一个居群号,严格按照居群采样法[17]采集了50个居群的垂穗披碱草。各居群的地理位置和生境概况见表1。

1.2 繁殖性状的测量方法

将采集的垂穗披碱草带回实验室,测量与繁殖相关的穗长、穗宽、每穗小穗数、种长、芒长和千粒重等性状指标。穗长、穗宽、种长和芒长用直尺测量,其中种长、芒长是从居群中随机取10株单穗,从每穗中部取2粒种子进行测量,各20个重复;穗长度和花序宽度各5个重复;千粒重用分析天平测量,每个居群随机取50粒种子为一组,取4组重复,测量其质量并计算其千粒重。

1.3 统计分析

采用Excel 2007和SPSS 15.0软件统计各性状在居群内和居群间总的平均数、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数和多样性指数(Shannon-weaver),并进行聚类分析和相关分析。多样性指数的计算公式为:H′=-∑PilnPi,式中,Pi为某性状第i居群内材料份数占总份数的百分比。划级方法:先计算参试材料总体平均数(X)和标准差(δ),然后划分为10级,从第1级[Xi<(X-2δ)]到第10级[Xi>(X+2δ)],每 0.5δ为1级。每级的相对频率用于计算多样性指数[18]。聚类分析的数据基础是每个居群中6个性状测量的平均值。

2 结果与分析

2.1 垂穗披碱草居群多样性指数分析

各居群的穗长、穗宽、每穗小穗数、种长、芒长和千粒重6个性状测量结果的平均值分布状况见图1。50个居群中居群001、012、015、016、017、018、033、036为栽培种群,其余的42个居群为野生种群。各居群间6个性状均存在变异,栽培种群较野生种群除穗长(栽培居群10.1～13.8cm,野生居群1.0～21.1cm)和芒长(栽培居群12.5～143.8mm,野生居群8.8～17.7mm)外,其他性状没有表现出明显的整齐性。各居群穗长最大为22.00cm,最小为4.10cm;穗宽从2.00mm到12.00mm;每穗小穗数最多为54个,最少为14个;种长范围是6.00～12.00mm;芒长范围是5～23mm;种子千粒重最大值为5.00 g,最小值为2.30 g。

对各居群6个形态性状指标总平均值、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数和多样性指数(表2),50个居群内的多样性指数(表3)进行统计分析,结果表明,每个居群内各个性状的平均值、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数和遗传多样性指数均存在较大的变异。以H′的变幅为例,穗长为0～1.83,穗宽为0～1.39,每穗小穗数为0～1.89,千粒重为0.69～1.39,种长为0.50～1.51,芒长为1.21～2.04。H′的变幅由大到小为每穗小穗数>穗长>穗宽>种长>芒长>千粒重。

从总体来看,居群总的 H′为1.873 3(表2),居群内平均 H′为1.195 3(表3),则居群间的 H′为0.678 0。因此,采自甘肃、青海和四川等地的50个垂穗披碱草居群的遗传多样性主要集中在居群内部(63.8%),居群间的遗传变异较小(36.2%)。001(H′为 1.438 3)、011(H′为1.408 3)、018(H′为 1.45 5)居群遗传多样性水平较高,005(H′为0.986 7)、012(H′为0.688 3)、017(H′为0.930 0)、038(H′为0.973 3)居群的遗传多样性水平相对较低(表3)。

2.2 遗传变异在各性状的不均衡性

从50个垂穗披碱草居群各性状的变异系数(CV)来看,各性状之间均存在着较大的差异(表2),依次为穗宽(0.347 2)>穗长(0.247 7)>千粒重(0.205 0)>每穗小穗数(0.195 2)>芒长(0.151 8)>种长(0.118 4)。结果表明,垂穗披碱草居群穗宽遗传变异最大,其次为穗长,变异最小的为种长。

表1 50个垂穗披碱草居群的地理位置和生境状况Table 1 Locations and the habitat characters of 50 E.nutans populations

续表1 Continued

表2 垂穗披碱草居群6个性状的变异及多样性指数Table 2 Variation and genetic diversity index in 6 characters of E.nutans populations

2.3 垂穗披碱草种子产量构成因素的聚类分析

图1 垂穗披碱草居群6个性状测量的平均值分布状态Fig.1 The distribution pattern in 6 characters of E.nutans populations

对垂穗披碱草6个性状进行聚类分析,结果表明,50个垂穗披碱草居群可以分为具有各自明显特征的3组(图2)。第1组为居群009,这类材料表现为穗较长(穗长平均为12.7cm,穗宽平均为5.90mm),每穗小穗数多(平均为53),种子长平均为8.90mm,芒长平均为13.90mm,千粒重较高,平均为3.575 g,种子生产力高;第 2组为居群015、023、024、026、049、050,这类材料表现为穗较大(穗长平均为 17.3cm,穗宽平均为7.55mm),每穗小穗数较多(平均为42.17),种子较长(平均为8.45mm),芒短(平均为 11.02mm),千粒重高(平均为3.76 g),种子生产力较高;其余的共43个居群为第3组的材料,这类材料表现为穗短小(穗长平均为10.42cm,穗宽平均为5.07mm),每穗小穗数少(平均为30.20),种子短小(平均为7.82mm)而芒较长(平均为13.12mm),种子千粒重小(平均为3.42),整体表现为种子生产力一般。可见,第1组和第2组材料表现出穗较大、每穗小穗数较多、种子千粒重较高的特点,尤其是第一组材料009居群经过聚类分析从50个居群中脱颖而出,表现出每穗小穗数多、种子长、芒长和千粒重较高的特点。

2.4 各性状与生态因子间的相关分析

通过各形状与地理生态因子的相关分析(表4),可以看出,垂穗披碱草各性状随环境变化的变异趋势。与海拔的相关分析指出,穗长和每穗小穗数与海拔呈极显著的负相关(r分别为-0.521和-0.523),即在其自然分布区内随海拔的升高,这些性状指标有减小的趋势。芒长与海拔呈显著的正相关(r=0.314),即芒长在自然分布区内随海拔的升高有增大的趋势;与经度的相关分析表明,穗宽和千粒重与海拔呈极显著的正相关,穗长和种长与海拔呈显著的正相关,即在自然分布区内随经度的增大,这些性状指标有增大的趋势;与纬度的相关分析可以看出,穗宽和千粒重与纬度呈极显著或显著的负相关,即随着纬度的增加,这些形状指标有减小的趋势;与年均温的相关分析表明,穗长和每穗小穗数与年均温呈极显著或显著的正相关,即随着年均温的增大,这些性状指标有增大的趋势;与年均降水的相关分析指出,穗宽与年均降水量呈极显著的正相关关系,则随着年均降水量的增加,垂穗披碱草穗宽有增大的趋势。

总之,海拔、经度、纬度、年均温和年均降水量对垂穗披碱草的形态性状变异均有贡献,其中海拔和经度贡献较大,而年均降水量对此影响相对较小。

表3 垂穗披碱草各居群内6个性状遗传多样性指数Table 3 Genetic diversity index in 6 characters of E.nutans populations

续表3 Continued

表4 各性状与地理生态因子的相关分析Table 4 Correlation analysis between characters,geographical and ecological factors

3 讨论

对50个垂穗披碱草居群的6个繁殖性状的遗传多样性分析表明,垂穗披碱草居群存在丰富的遗传多样性,居群总的遗传多样性指数H′为1.873,且各性状呈多样性分布的不均衡性。8个栽培种群各居群多样性水平层次不一,与野生资源的遗传多样性没有明显的差异。对居群的实地考察发现,多样性水平较高的居群多生长于环境良好、生境破环较小的地方,而多样性指数较低的居群,生长地人畜活动频繁,生境破坏较严重,居群整体生长较差。可见,植物的遗传变异除了与植物本身的特性有关外,更与外界环境干预的强度有关。栽培居群的穗宽、每穗小穗数、种长以及千粒重等性状较野生居群没有表现出明显的齐性,其原因有待进一步探讨。

图2 50个居群6个性状的聚类分析结果Fig.2 Cluster analysis of the 6 characters of 50 E.nutans populations

禾本科牧草穗长、穗宽、每穗小穗数、种长、芒长和千粒重6个性状都与种子产量和质量相关。在种子生产中,各个产量构成因子是可变的,气候和生产条件改变着各种子产量构成因子,从而改变了种子产量[19]。采用聚类分析方法对不同种质材料的遗传差异进行研究,能体现不同居群的遗传变异,较好地反映种质材料之间的亲缘关系[20]。因此,可以根据对居群的聚类分析结果,在杂交育种过程中有目的的进行种质资源的优化组合,通过不断的选育而培育出适合不同用途的优良品种[12]。对垂穗披碱草50个居群每穗小穗数等6个性状的聚类分析表明,可将50个垂穗披碱草居群分为3组,第1组材料009和第2组材料015、023、024、026、049、050居群,表现出穗较大、每穗小穗数较多、种子千粒重较高的特点,这与其相关分析结果相符。作为垂穗披碱草种子产量的重点研究材料,可以从这些居群中选育出适合一定环境条件的优良牧草品种进行种子生产或以其为原材料对现有品种种子生产力进行改良,同时,也可以为提高其他地区垂穗披碱草种质资源以及小麦族的粮食作物生产提供优良的遗传基因。此外,聚类分析结果显示供试垂穗披碱草居群有一定的地域性分布,地理来源相同或相近的种质趋向于聚在一类,这与鄢家俊等[21]基于SRAP标记对青藏高原老芒麦进行的遗传多样性研究结果一致。

植物种群的繁育系统、生境以及地理因子等对物种的遗传分化都有很大影响。有研究指出,自花授粉植物51%的遗传变异存在于居群间,而异交风媒植物只有9.9%[22]。土壤因子与植物的表型性状的变异密切相关[23],而海拔差异会限制居群间的基因流[24],从而使不同海拔居群间的遗传变异相对较大。对垂穗披碱草50个居群遗传结构的分析表明,该地区垂穗披碱草的遗传多样性主要集中在居群内部(63.8%),居群间的遗传变异较小(36.2%)。可见,垂穗披碱草不是严格的自花授粉植物,其大量的遗传变异可能是被保存在杂合子的隐性基因里,通过居群内的遗传重组而被释放和表达出来的[25],从而造成了垂穗披碱草居群内个体间保持着较丰富的遗传多样性。本研究所用垂穗披碱草来自黑钙土、栗钙土和少量沙石土等土壤类型,土壤生境差异较小,且采集地海拔范围(2 375～3 864 m)有限,居群间有可能保持着一定的基因流,从而造成垂穗披碱草居群间差异变小。相关分析结果表明各环境因素对垂穗披碱草的遗传变异均有贡献,其中海拔和经度贡献较大,这与严学兵等[14]用微卫星标记法对披碱草属植物遗传分化和地理因素的分析结果较一致。

垂穗披碱草是优良牧草,通过对该区野生垂穗披碱草及其与地理环境关系的研究以及聚类分析,可以从野生材料中选育出适合一定环境条件的优良牧草品种或者以其为原材料对现有品种进行产量等多方面的改良。同时,垂穗披碱草存在着丰富的遗传多样性,可以为其他地区垂穗披碱草种质资源以及小麦族的粮食作物提供优良的遗传基因。由于垂穗披碱草特有的遗传特性以及生态环境的恶化造成种质资源均受到不同程度的破环,故对其进行保护是非常必要的。垂穗披碱草种质资源的保护策略,应根据影响这一地区垂穗披碱草分布的主要环境因子来制定原生境保护和异地保护策略[26]。由相关分析可知,该地区垂穗披碱草在诸多环境因子中受海拔和经度的影响最大,且该区垂穗披碱草居群在居群内和居群间均有较高的遗传多样性分布,因此,可以根据其海拔和经度来建立保护区,进行原生境保护,并且应尽可能多的保护不同种群,重点保护遗传多样性高的居群。异地保护时,因为垂穗披碱草居群的遗传多样性主要集中在居群内,所以应在每个居群中收集尽可能多的单株以尽可能地涵盖该物种的基因库,从而最大程度地保护垂穗披碱草的遗传多样性。生长环境对植物生长的影响极其重要,所以无论原生境保护或者异地保护,保护垂穗披碱草生长环境是最重要的。

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