川西北高原不同海拔高度披碱草(Elymus dahuricus)的表型性状分析
2020-11-02杨财容魏小萱梁福轩刘松青叶美金张海琴
杨财容，魏小萱，梁福轩，刘松青，叶美金, 2，张海琴
(1.成都师范学院 化学与生命科学学院，四川 成都 611130；2. 四川农业大学 小麦研究所，四川 成都611130)
川西北草原地处青藏高原东南部，在四川省的西北部，草原面积辽阔，是全国重要的牧区之一。披碱草(Elymusdahuricus)属于小麦族(Triticeae)披碱草属(ElymusL.)物种，其秆疏从，直立，高70 ～ 140 cm，基部膝曲，叶鞘光滑无毛，叶片呈扁平状，穗状花序直立，外稃呈披针形，在野外的山坡草地或路边比较常见。披碱草性耐寒、耐旱、耐碱、耐风沙，在国内多个牧场试验站已经进行栽培，是一种优质高产的饲草，分布于我国青海、陕西、新疆、四川、西藏、华北等地[1]。披碱草属从林奈1753年建立起，诸多的科研人员在形态学、细胞学、系统分类学、细胞遗传学等方面着手于披碱草属植物的相关研究，为其分类、育种、种质资源利用奠定了良好的基础。
表型性状是遗传多样性和环境多样性综合作用的结果，在种质资源研究中表型性状的研究占据着重要的部分，同时在遗传多样性研究中同样重要。披碱草表型性状的研究和其生存环境联系极为紧密，居群与其生存环境的差异性研究给遗传变异做出了巨大贡献，是生物多样性和生态系统学研究的主要部分。祁娟[2]以披碱草属植物为研究对象，通过变异分析得出，由于生态环境的影响不同地区的披碱草属不同种类不同居群间有不同的特征，且穗部特征不易受环境的影响。德英等[3]选取同一地区的披碱草穗部性状作为研究对象，揭示了披碱草属牧草生物多样性是由居群内和居群间多样性共同作用的结果。李淑娟[4]通过表型分析和聚类分析把披碱草11居群分为四类，结果表明披碱草属不同居群的形态多样性明显。顾晓燕[5]以川西北短芒披碱草(E.breviaristatus)为研究对象，经过数据统计分析得出短芒披碱草在群体内多样性比较大，穗部性状的稳定性非常高。陈仕勇等[6]选取青藏高原的垂穗披碱草(E.nutans)通过变异分析和多样性指数分析得出其种质资源具有丰富的形态学变异。张建波等[7]以川西北高原垂穗披碱草居群为研究材料，通过变异分析得出居群内变异比居群间变异明显。
川西北近2.5亿亩的高寒草原区是四川省、同时也是国内最重要的牧区，是长江和黄河流域重要的生态屏障，人为和自然气候的影响使川西北草原沙化、退化情况日益严重，牧草资源现状堪忧[8]。目前虽然有针对披碱草表型性状和环境因子对披碱草表型性状的影响的相关研究，然而针对川西北高原的偏少。本研究通过测定川西北高原不同海拔下披碱草的表型性状，分析各个居群披碱草的表型多样性，研究海拔高度对披碱草表型性状的影响，给披碱草属植物群体内在遗传规律和变异大小的研究提供理论依据，同时也为披碱草优异种质资源的筛选、保护和品种改良奠定基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
本试验所用样本均为2018年8月份在川西北高原采集，从海拔1589 m ～ 3299 m之间共选取九个海拔梯度，生境条件包括草丛、河谷、灌木丛。披碱草材料采集地生境、经纬度、海拔、样本编号等信息见表1。每个海拔梯度随机采集10个单株，采集后进行表型性状的测定。
表1 供试材料Table 1 List of materials used in the study
1.2 试验方法及数据处理
本研究中选取披碱草5个茎部形态(1-5)和23个穗部形态(6-28)作为研究指标进行测量，1-6表型性状用直尺测量(精确到0.1 cm)，其余的指标均用游标卡尺测量(精确到0.1 mm)。以海拔高度为分组依据，每株披碱草测量的数值填写在数据记录表内，使用Excel 2016年求出各个海拔所有表型性状的均值、变异系数cv和标准差进行统计分析，并使用SPSS 23版进行主成分分析、聚类分析和相关性分析。使用Shannon-Weaver指数进行多样性分析，该多样性指数用来估算群落多样性的高低。首先求出总体平均值(X)和标准差(SD)，将其划分为10级，从第1级[Xi
表2 测定表型性状Table 2 Phenotypic traits of collected materials
2 结果与分析
2.1 披碱草表型性状变异分析
9个披碱草居群28个表型性状的变异系数见表3，28个表型性状的均值、标准差、多样性指数等见表4。从结果来看，测定披碱草大多数性状居群内变异大于居群间变异。变异系数最大的表型性状是花序顶起第2穗节的小穗小花数，变异系数为54.351%。第一叶长和第一叶宽变异程度次之，变异系数分别为35.503%和33.810%，两者之间的变异程度比较接近。相较于其他25个表型性状，株高、茎秆长、第一颖芒长的变异也较大，其变异系数为17.991%、17.956%、16.353%。变异系数最小的表型性状是外稃宽，其变异系数为5.155%。花序中部穗节小穗数、第一颖长、内稃宽、内稃长、外稃长、第一颖宽变异系数较小，分别为6.077%、7.133%、7.166%、7.563%、7.774%、7.952%。多样性指数最小的表型性状是株高为2.080，株高表型多样性较低。多样性指数最大的表型性状是内稃长和内稃宽，均为2.196。第一颖长和花序中部穗节小穗数的多样性指数分别为2.193、2.188，外稃长的多样性指数为2.195。以上结果表明来自于川西北高原的披碱草具有丰富的形态变异。
表3 不同居群28个表型性状的变异系数Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)
续表3 不同居群28个表型性状的变异系数Table 3 Coefficient of variation of 28 phenotypic traits in different populations (%)
2.2 披碱草表型性状的相关性分析
对披碱草的28个表型性状和采样地的生态环境因子(海拔、经纬度)的进行了偏相关分析，结果如表5所示。株高、茎秆长、花序底部穗节小穗长、第二颖宽、外稃宽与海拔高度在0.05水平上达到显著正相关，其余23个形态指标均和海拔高度相关性不显著。外稃宽与纬度在0.05水平上达到显著正相关，其余27项形态指标和纬度相关性不显著。株高、茎秆长、外稃宽与经度在0.05水平上达到显著负相关，经度越高该三项指标越小，其余25项指标均和经度无显著相关性。表明外稃宽受海拔高度和经纬度影响显著，株高、茎秆长受到海拔和经度的影响显著。
2.3 披碱草表型性状的主成分分析
对川西北高原披碱草28个表型性状进行了主成分分析，表6记录了表型性状的特征值，表7为披碱草主成分分析矩阵。结果表明，披碱草六个主成分的方差累积贡献率是96.973%，说明这6个主成分能反映出所有采集的披碱草表型性状96.973%的信息，几乎能反映出这28个表型性状的大部分变异信息，有着很重要的参考价值。主成分1在总变异中有39.853%的贡献率，对主成分1影响较大的有以下5个表型性状，从大到小分别是：花序中部穗节小穗长、内稃长、第一叶长、外稃芒长、第一叶宽，贡献率依次为：96.2%、94.4%、88.8%、86.5%、85.8%，均是正指标，主要反映了叶部特征和生殖器官的特征。主成分2在总变异中的贡献率是19.578%，对主成分2影响最大的表型性状是茎节
表6 特征值、方差贡献率和累计贡献率Table 6 Eigen value，contribution of variance and cumulative of variance
表7 6个主成分的负荷量Table 7 Loading amount of six principal components
数(87.9%)，其次是花序节数(83.6%)，花序中部结间长(-80.4%)为负指标。主成分3的贡献率是15.724%，影响主成分3的表型性状有茎秆长、第一颖芒长、株高，贡献率分别是-76.7%、71.8%、-71.1%，主要是茎部的形态特征。主成分4的贡献率是11.387%，影响主成分4的表型性状分别是花序顶起第2穗节的小穗小花数、花序底部穗节小穗小花数，花序中部穗节小花数，贡献率分别是77.2%、74%、62.2%，全为正指标，主要反映了花序小穗特征。主成分5的贡献率是5.968%，对主成分5影响最大的是外稃宽(-49.3%)和花序中部穗节小穗小花数(-49.2%)，其次是花序底部穗节小穗长(-47.1%)，均为负指标。主成分6的贡献率是4.463%，影响主成分6的表型性状为花序底部穗节小穗小花数(-47.5%)、花序顶起第2穗节的小穗长(35.9%)。
2.4 聚类分析
按照披碱草9个居群材料的28个不同表型性状进行聚类分析，以欧式距离5作为划分的标准，在不同海拔下采集的披碱草数据聚类后的结果如图1所示。由图1可知，将9个海拔高度下的披碱草居群分为四大类，海拔高度为1589 m和1747 m的相似性较高且较早聚成了一类，在表型形状上表现为第一颖宽较宽，第二颖长较长。海拔高度分别为2682 m、3057 m、2848 m的披碱草居群聚为一类， 表型性状表现为株高、茎秆长、花序长、花序节数、花序顶起第二节的小穗长、内稃长均明显高于其他海拔高度下的值。海拔高度为2143 m和3293 m的披碱草聚为一类，这两个海拔梯度下的披碱草表型性状表现为茎节数、花序长、花序节数、第二颖长、外稃长比其他海拔高度下的值高。海拔高度为2384 m和3299 m的披碱草聚为一类，表型性状表现为第一叶长、第一叶宽、花序长、花序顶起第二节的小穗长、内稃长、外稃长、第一颖芒长、花序底部穗节小穗小花数的值要远远小于其他海拔高度的值。
以欧式距离15作为划分标准，可分成两大类，海拔高度1589 m和1747 m两个低海拔聚为一类，表型性状表现为株高、茎秆长、花序长、花序底部穗节小穗长、第二颖芒长、第二颖宽、内稃宽、花序节数明显低于其他海拔高度的均值。其余七个海拔高度可聚为一大类，表型性状表现为株高、茎秆长、花序长、花序节数、第二颖芒长、内稃长、第二颖宽明显低于其他海拔高度的值。
图1 基于形态数据的9份披碱草种质的聚类图Fig.1 The dendrogram of 9 populations of E. dahuricus based on morphological data
3 讨论
近年来，由于自然及人为的因素，川西北高原草地退化在加剧，严重影响了川西北高原畜牧业发展，植物数量及多样性正在减少，所以有必要加快对相关植物资源-特别是牧草资源进行收集评价及保存。川西北高原草原上主要分布的披碱草属物种为老芒麦(E.sibiricus)、垂穗披碱草及短芒披碱草，前期关于这几个主要草种野生资源的研究较多[ 7-11 ]。鄢家俊等[9]利用SRAP和SSR分子标记分析了青藏高原东南缘8个老芒麦自然居群遗传变异及居群间的遗传分化。彭语洛等[10]采用SSR分子标记技术对来源于青藏高原的30份野生垂穗披碱草种质进行遗传多样性分析，发现供试种质材料间存在较大的差异，表现出较丰富的遗传多样性。德英等[11]对采集自四川、西藏、甘肃等地区的19份垂穗披碱草的24个表型性状进行多样性研究，探讨了影响其表型分化的主要指标，并分析了材料间亲缘关系。川西地区相对低海拔地区林下、路旁广泛分布有披碱草，披碱草同样作为一种优异的牧草种质资源，有必要进行收集、评价及保存。本研究揭示了供试的披碱草形态变异特征，各性状变异系数在54.351%到5.155%之间，多样性指数均在2以上，说明采集的披碱草种质资源具有丰富的遗传变异，种质资源形态多样性较高，对于牧草与麦类作物育种具有重要的应用价值。
生物性状受遗传调控，同时也受到环境影响。披碱草属植物对于高海拔表现出较强的适应性，目前有关披碱草属植物遗传变异与环境之间的关系已有一定的研究。张妙青等[12]对采自甘肃、青海以及四川等地的50个垂穗披碱草居群的穗长、穗宽等6个与繁殖相关的性状与环境因子进行的相关分析结果表明，海拔、经度、纬度等对垂穗披碱草的繁殖性状变异有不同程度的影响，海拔对穗长和每穗小穗数呈现极显著影响。德英等[13]对来自四川、西藏、甘肃等地区多份垂穗披碱草种质的14项穗部性状进行多样性研究发现垂穗披碱草多样性指数与海拔高度呈极显著正相关关系。陈钊等[14]的研究表明海拔对披碱草属植物形态特征具有较强的可塑性，四倍体披碱草属植物对海拔的变化反应更加敏感。严学兵等[15]采用等位酶标记对我国青藏高原地区垂穗披碱草的9个种群进行遗传变异和系统关系研究中发现，海拔和地理位置均明显影响垂穗披碱草种群遗传差异，种群间遗传距离随着海拔、地理位置差距的增大而增加。其研究还发现披碱草形态特征除受遗传决定外，植物在形态上也产生明显的适应性演化[16]。本实验的研究结果表明海拔高度和披碱草(E.dahuricus)的株高、茎秆长、花序底部穗节小穗长、第二颖宽、外稃宽显著相关，表明不同的海拔高度下这5个表型性状受海拔影响较大。此外，株高、茎秆长、外稃宽和经度显著相关，外稃宽和纬度显著相关。外稃宽受到海拔、经纬度的影响较大，表明影响披碱草某些表型性状的因素并不是单一的。表型性状与生态环境因子关系密切，披碱草野生种质采集过程中应尽量保持居群的完整性，才能最大程度地保护我国披碱草属牧草的遗传多样性。
披碱草野生种质收集评价中常利用主成分分析和聚类分析对其进行综合评价，可为牧草高产优质品种选育提供育种材料。德英等[17]对披碱草属的14种穗部性状进行主成分分析结果表明，选取的穗长、穗宽、第一颖芒长等性状反映了披碱草属表型性状变异。严学兵等[18]对我国披碱草野生居群进行形态多样性研究发现，披碱草、圆柱披碱草和紫芒披碱草变异性很大，主成分分析中单株重、单穗重、分蘖数等与生产应用及分类功能联系密切的17个特征向量可反映总变异85%以上的信息。鄢家俊等[19]对青藏高原老芒麦野生种群进行了形态学变异研究，主成分分析表明内外颖长、内外颖芒长、旗叶宽等性状是引起老芒麦形态分化的主要指标。本研究对不同海拔高度下的28披碱草表型性状也进行了主成分分析，分析发现前6个主成分反映了96.973%的总信息。主成分中花序中部穗节小穗长、内稃长、第一叶长、外稃芒长、花序顶起第2穗节的小穗小花数、花序底部穗节小穗小花数，花序中部穗节小花数等与生产和生殖等相关的具有较高特征向量值的表型性状，其反映了总体变异的规律，可为牧草分类、育种及生产实践提供依据。
袁庆华等[20]对13份披碱草和 21份老芒麦野生居群进行聚类分析的结果表明具有形态特征相似性的居群聚在一起。张典业等[21]在对45份垂穗披碱草野生种质进行聚类分析时发现各材料未按照种源地聚在一起，而是来自相同生境的材料聚为一类。陈钊等[14]对3种披碱草属植物进行聚类分析发现海拔来源基本相同的种群具有形态相似性，且具有相似生境的多数种群聚为一类。刘新亮[22]对老芒麦的聚类分析表明，受海拔和纬度的影响，老芒麦形态相似的材料首先聚在一起，相同或相似地理来源的材料能够部分集中的聚为一类。本研究发现海拔高度对株高、茎秆长、花序长、第二颖芒长、花序节数、第二颖宽等表型性状有明显的影响，本研究将披碱草居群大致上聚类分为高海拔和低海拔两大类，与前人的研究结果相符。但是以欧式距离5作为划分标准，将9份披碱草聚成了4类，并不是严格的按海拔来聚类，而是按照形态学特征聚类，可能是由于地理来源相同材料不同的小生境导致形成了不同的生态类型。
本研究分析了川西北高原不同海拔来源的披碱草(E.dahuricus)种质的形态多样性，揭示了披碱草表型性状与海拔高度的相关性，丰富了川西北高原披碱草种质收集评价研究，同时对披碱草属种质资源的分类、亲缘关系的确定以及披碱草属种质资源利用和保护具有一定的意义。
