老芒麦种质资源的研究进展

周国栋,李志勇,李鸿雁,师文贵,李兴酉,刘 磊,韩海波

(1.中国农业科学院研究生院，北京100081；2.中国农业科学院草原研究所 农业部沙尔沁牧草资源重点野外科学观测试验站，内蒙古 呼和浩特 010010)

种质(germplasm)[1]是指亲代通过生殖细胞或体细胞传递给子代的遗传物质。牧草种质资源(forage germplasm resources)即遗传资源或基因资源，是指所有牧草物种及其可遗传物质的总和。它是牧草及农作物改良所用的原始材料，是农业自然资源的重要组成部分，在草地畜牧业生产及人民生活中发挥着巨大的、不可忽视的作用[2]。截至2010年9月底，我国国家牧草中期库收集保存的牧草种质资源有10 000余份，多年生牧草圃中保存的牧草种质资源600余份。而我国已收集到的老芒麦种质资源约700份，其中95%以上是国内资源[3]。

1 老芒麦种质资源概况

1.1老芒麦种质资源分布和植物学特征 老芒麦(Elymussibiricus)为禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae)披碱草属(Elymus)多年生疏丛型中旱生植物，别名西伯利亚披碱草、垂穗大麦草等[4]。老芒麦种质资源地域分布广阔，包括苏联的东南部、欧洲部分、西伯利亚、远东、哈萨克斯坦、蒙古、日本以及中国等。其最早研究[5]开始于苏联、英国和法国，1927年苏联将其作为新的牧草栽培；20世纪50年代中国吉林省畜牧研究所将其驯化，至20世纪60年代才陆续在生产上推广应用。老芒麦广泛分布于我国的东北、西北、华北和青藏高原等地区，是草甸草原和草甸群落中的重要成分，能形成优势种和建群种[6-7]。老芒麦秆单生或成疏丛，直立或基部的节曲膝而稍倾斜，全株粉绿色。叶片扁平，上面粗糙或疏被微柔毛，下面平滑。穗状花序较疏松而下垂，穗轴边缘粗糙或具小纤毛；颖披针形或条状披针形，脉明显而粗糙，先端尖或具长3～5 mm的短芒；外稃披针形，背部粗糙、无毛或全部密生微毛，上部具明显的5脉，脉粗糙，顶端芒粗糙，反曲；内稃与外稃几乎等长，先端2裂，脊上全部具有小纤毛，脊间被稀少而微小的短毛[8]。

1.2老芒麦的生物学特征 老芒麦属长日照半冬性禾草，翌年返青较早，从返青到成熟需活动积温1 500～1 800 ℃·d，生育期一般为103～109 d，买买提·阿布来提等[9]研究老芒麦牧草生长的气候条件发现，老芒麦抗寒力强，在-40～-30 ℃的低温和海拔4 000 m左右的高原能安全越冬。此外，老芒麦草群叶量丰富，分布均衡，占总质量的45%～50%，草群质量集中于基部；穗状花序开放十分集中、整齐，结实率高，但落粒性较强；产草量及种子产量均以生活第2年为最高峰；干草产量6 000 kg/hm2左右，种子产量750～1 747.5 kg/hm2；根系集中在土壤表层，随着生长年限增加，根量、体积、长度、表面积均增加，对土壤的适应性较广，适于在弱酸性或微碱性腐殖质土壤上生长；植株分蘖力强，播种当年分蘖数一般为20～40个[5,10-12]。李春荣等[13]通过研究覆膜垄沟集雨种植对老芒麦高度和密度的影响表明，覆膜垄沟集雨种植老芒麦可以不同程度地提高株高，促进分蘖，增加密度，从而促进老芒麦的生长发育。

1.3老芒麦的生态经济价值 董景实和张素贞[14]研究表明，老芒麦适宜在我国北方地区栽培，具有抗性强、营养丰富、适应性广等特点。在抗性方面，Megulre和Dvorak[15]研究表明，老芒麦等野生披碱草属物种适应性强，具有抗寒、抗旱和耐盐等特性。窦声云等[16]通过研究Na2CO3胁迫对老芒麦和星星草(Puccinelliatenuiflora)种子萌发的影响，结果表明同德老芒麦的种子萌发比星星草更耐Na2CO3胁迫。在营养品质方面，老芒麦叶量丰富，粗蛋白含量高，消化率达80%以上，适口性好，适时刈割可调制成干草，也可青饲和放牧，为牛、马、羊所喜食[11]。此外，肖波等[17]通过4种禾本科牧草对官厅水库库滨荒地的培肥效应研究表明，以上4种禾本科牧草可以产生一定经济效益和生态效益，同时能够显著改善表层土壤理化性质，对荒地土壤的持续培育和科学利用有重要作用。随着我国草地畜牧业的迅速发展和西部大开发，退耕还林(还草)等项目的实施，对老芒麦种质资源的需求量也随之增多，因此，加强对野生老芒麦种质资源的考察收集、保存、鉴定与评价显得尤为重要。

2 老芒麦种质资源的遗传多样性

遗传多样性(genetic diversity)[18]，为种内个体之间或一个群体之内不同个体之间的遗传变异。这种遗传变异往往体现在不同的水平上，包括群体水平、个体水平、组织和细胞水平以及分子水平等[19]。每一种物种，在保存、繁殖更新过程中，加之特定的环境条件和本身的遗传特征共同作用下，会产生或多或少的遗传变异，遗传变异的大小直接与遗传多样性的丰富程度有关。

我国野生牧草资源极其丰富，牧草种类组成复杂，为了长期适应不同的生态环境，经过自然选择和演化蕴藏了丰富的基因。野生牧草有丰富的遗传多样性，野生性状明显[20]。收集野生牧草种质资源并对其进行鉴定、评价，找出种群遗传的结构特点，可以丰富牧草种质资源，扩大牧草种质基因库，为今后牧草种质资源的可持续利用打下坚实的基础。

2.1形态学标记 形态学标记是研究种质资源分类、鉴定等的最经典、最直观的方法。人们把它作为分子标记、细胞学标记、生化标记的辅助标记，进行种质资源的鉴定与评价。袁庆华等[21]以叶色、株高、叶长等13个形态学性状对采自新疆、甘肃、山西、青海的21份野生老芒麦种质间的生物多样性进行研究，结果表明，老芒麦野生居群间表型差异明显，采自同一地区的老芒麦因生境不同，其形态学性状具有较大的差异，而采自同一生境不同地区的居群生物学性状也有较大的差异。严学兵等[22]利用聚类和主成分分析法对老芒麦叶片、穗和茎秆等28个形态学性状进行研究，结果表明，老芒麦在形态学上具有丰富的多样性。马啸[23]以川草2号栽培品种为对照，通过对34份老芒麦野生种质的13个形态和农艺学形状观测，并进行UPGMA聚类分析，结果表明，老芒麦野生种质间表型差异明显，生物多样性丰富。严学兵等[24]利用UPGMA法，依据分类功能良好的指标应符合种内变异小而种间变化大的要求，对我国9种披碱草(E.dahuricus)40个种群材料的28个形态指标进行数量化测定，最终推荐出老芒麦穗的形状、单株质量、分蘖数等14个性状指标可以用于披碱草属植物的系统分类。因此通过老芒麦形态学的研究分析，筛选出老芒麦形态学的特异性状，一方面可以直观地了解其遗传的多样性，并进行分类鉴定与评价；另一方面，也可以为今后的研究提供快速检测的方法。

2.2细胞学标记 细胞学标记的主要内容包括核型、染色体带型和原位杂交及染色体的非整倍性和结构变异等，最能准确反映植物体内细胞多样性水平。细胞学标记主要是利用植物体内染色体在数量和结构上的变异来实现的，因为染色体是基因的载体，决定着生物个体的形状，所以它是研究生物遗传多样性的主要来源。由于细胞学标记受染色体制片技术和分辨率的限制，核型分析应用于品种鉴定还有一定的难度[25]。

目前，老芒麦体细胞染色体的研究主要应用于它的分类地位，对于遗传多样性的研究相对较少。Dewey[26]研究表明，老芒麦是具有两个名为S和H染色体组的四倍体，2n=28，其染色体组成为StStHH。曹致中和刘杰[27]对老芒麦核型进行研究发现，老芒麦体细胞染色体组成为2n=28=26M+2SM(M表示13对中部着丝点染色体，SM表示第8对近中着丝点染色体)。而李景环等[28]对加拿大披碱草(E.canadensis)与老芒麦种间杂交F1的染色体遗传分析表明，加拿大披碱草与老芒麦均为披碱草属的异源四倍体种，两者关系较远，属于地理上的远缘种；老芒麦染色体核型公式为2n=4x=22m+6sm。不同的学者对老芒麦体细胞染色体进行研究，得到了不同的结果。因此今后要加大对老芒麦体细胞染色体进行研究，只有搞清楚体细胞染色体的组成，才能进行准确分类，也便于进行转基因等技术的更进一步研究。

2.3生化标记 生化标记主要有等位酶、同工酶和种子贮藏蛋白等，通过蛋白质的分析，也可以揭示植物的遗传变异。目前，生化标记主要应用于品种鉴定[29]、种子纯度检验[30]和品种间遗传差异分析[31]等。

Agafonov 和Agafonova[32]研究结果表明，E.sibiricus的醇溶蛋白由多等位基因编码组成。Agafonov和Agafonova[33]又对6个E.sibiricus群体、8个E.dahuricus群体和7个E.ciliaris群体进行贮藏蛋白电泳研究发现，醇溶蛋白和谷蛋白在种内和种间存在一定的差异，表明这些位点存在微进化过程。杨瑞武等[34]对披碱草属、鹅观草属和猬草属3个模式种进行酯酶同工酶研究，结果表明，3个种在酶带数目、酶带迁移率和酶带着色强度等方面都有明显的差异，而在E.sibiricus的不同居群之间没有表现出差异。杨瑞武等[35]对小麦族披碱草属、鹅观草属、猬草属和仲彬草属4个属的模式种进行了醇溶蛋白电泳分析，结果表明，以上4个属的模式种的种间及种内不同收集地材料间的醇溶蛋白图谱存在明显差异。马啸等[36]利用醇溶蛋白标记对来自亚洲和北美的86份老芒麦种质的遗传多样性和遗传关系进行了分析，结果表明供试材料间的存在较高水平的遗传多样性。鄢家俊等[37]利用醇溶蛋白对采自川西北高原的36份野生老芒麦种质和5份老芒麦新品系遗传多样性进行的研究显示，36份野生老芒麦具有较为丰富的醇溶蛋白遗传多样性，聚类和主成分分析表明，来自同一地区的老芒麦基本聚在同一类，呈现出一定的地域性分布规律，而5个老芒麦新品系聚为单独一类，其醇溶蛋白条带多态率为48.00%，相似系数变异范围为0.648 6～0.956 5，说明老芒麦新品系和野生种质间存在较大差异，老芒麦新品系遗传多样性水平较低。

2.4分子标记 随着生化技术的不断进步，DNA分子标记技术已经发展成为检测种质遗传多样性的快速而精准的方法，克服了形态学、生理生化、细胞学标记的不足。目前，常用的DNA分子标记技术有限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)、相关序列扩增多态性(sequence-related amplified polymorphism,SRAP)、随机扩增多态性DNA(random amplified polymorphism DNA,RAPD)、序列标定位点(sequence-tagged sites,STS)、扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphic,AFLP)、微卫星DNA(simple sequence repeat or microsatellite,SSR)和微卫星间DNA的多态性(inter-simple sequence repeat,ISSR)等已经广泛应用于牧草的遗传多样性的研究。

杨瑞武等[38]利用RAPD分子标记技术对小麦族披碱草属、鹅观草属和猬草属3个属的模式种进行DNA多态性分析表明，以上3个属的模式种间具有丰富的遗传多样性，其中，老芒麦种内不同居群间的遗传差异较小，而老芒麦、高加索鹅观草(Roegneriacaucasica)和猬草(Hystrixpatula)的种间遗传差异明显，遗传距离为0.458～0.605；猬草与老芒麦的亲缘关系较近，而高加索鹅观草与老芒麦的亲缘关系较远。李永祥等[39]利用ISSR和SSR对披碱草属12个物种的遗传多样性进行比较分析表明，12个物种间，ISSR的标记指数值是SSR的2.4倍，说明ISSR具有更大的标记效率，但在亲缘关系较近的肥披碱草(E.excelsus)、圆柱披碱草(E.cylindricus)、麦宾草(E.tangutorum)和披碱草4个种间，SSR具有更大的标记效率，说明两种标记的标记效率和相关性在不同亲缘关系水平上的改变，不同的标记具有不同的多态性检测范围。马啸[23]利用ISSR和RAPD分子标记对来自青藏高原东南部的8个老芒麦种质资源的遗传多样性和群体遗传结构进行了研究，两种分子标记结果表明老芒麦居群在物种水平上存在较高水平的变异。鄢家俊等[40]利用SSR分子标记对青藏高原地区的52份老芒麦种质资源遗传多样性和亲缘关系进行研究，结果表明，供试材料间差异明显且具有丰富的遗传多样性，并指明应该加快该地区野生老芒麦资源的收集和利用。鄢家俊等[41]又利用SRAP分子技术对该地区52份老芒麦种质资源进行了遗传多样性的研究，结果与SSR分子标记一致。

3 老芒麦种质资源的育种概况

老芒麦是披碱草属的模式种，其模式标本来自于西伯利亚[42]，开展老芒麦种质资源的系统研究对于育种工作非常重要。我国已经选育的老芒麦品种有农牧老芒麦、山丹老芒麦、吉林老芒麦、黑龙江老芒麦、多叶老芒麦、公主岭老芒麦、北高加索老芒麦、川草1号老芒麦、川草2号老芒麦、青牧1号老芒麦等[3]。截至2009年，我国通过全国草品种审定委员会审定登记的老芒麦品种有7个(表1)。

表1 我国老芒麦品种审定登记情况

与其他牧草模式种植物比较来说，老芒麦育种研究较滞后，这可能与育种技术，技术型人才缺乏等因素有关。因此,应该加强开展老芒麦种质资源的系统研究，可以借鉴其他牧草或农作物的育种方法，采用多种育种手段，将基因工程技术与传统的育种技术相结合，选育高产、抗性、抗虫等的优质老芒麦品种，进一步扩大老芒麦种质资源，从而保证我国畜牧业向增加农民收入，提高国民经济的方向发展。

4 存在的问题和前景展望

4.1主要存在的问题及对策 首先，我国的老芒麦野生种质资源极其丰富，其生态环境也多种多样。近些年来，由于地震、干旱、泥石流等自然灾害的频发，许多野生老芒麦种质资源正在流失，而且保存的牧草种质资源相对偏少，单一。在今后的工作中必须加大对老芒麦种质资源的考察收集，特别是西部偏远地区。

其次，我国牧草种质资源研究依旧延用农作物的一套研究方法，没有很好地结合牧草自身的特点，制定一套切实可行的方法。近些年来，虽然牧草种质资源工作者制定了一些数据规范和标准，例如《老芒麦种质资源描述规范和数据标准》和《苜蓿种质资源描述规范和数据标准》等[3,43]，但是推广力度不够，没有引起人们的足够重视，从而使我国牧草种质资源的基础研究不够深入。

最后，目前国内外对老芒麦种质资源研究只局限在分类地位、栽培利用、抗性、遗传多样性、引种和育种等方面，而对种子保存过程中种质活力的检测，繁殖更新过程中的种质遗传完整性的变化方面国内外很少报道。虽然各个国家对种质库繁殖更新的标准进行了规定，但是缺乏系统性的研究，加之影响种质繁殖更新过程中种质遗传完整性变化的因素很多，例如种子老化(种子活力的下降)、繁殖群体样本量的大小、繁殖地点、授粉和收获方式、繁育体系、遗传选择和繁殖更新世代数。因此，系统研究以上因素与其种质遗传完整性变化的关系，对于种质资源的安全保存和繁殖更新显得尤为重要。

4.2前景展望 综上所述，老芒麦种质具有丰富的遗传多样性，特别是野生老芒麦种质资源，应该加大对野生老芒麦种质资源进行收集和保护，加大对其进行基础研究，包括群体遗传结构和种质遗传完整性等，这样可以系统了解老芒麦种质资源的分布特征和种间或种内的遗传多样性的差异，对于今后有效地保护老芒麦种质资源具有非常重要的作用，同时可以挖掘老芒麦种质的稀有或特异基因，这对于丰富老芒麦种质资源基因库、育种和更深层次的研究具有非常重要的意义。

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