新疆野生老芒麦种质资源形态及生长特性分析

张荟荟， 梁维维， 张学洲， 阿斯娅·曼力克， 朱 昊， 魏 鹏， 康 帅， 李学森

(新疆畜牧科学院草业研究所， 新疆 乌鲁木齐830000)

老芒麦(Elymussibiricus)是禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae)披碱草属(Elymus)多年生中生疏丛型上繁禾草，新疆仅有1种，分布于天山、阿尔泰山和昆仑山，是草甸草场的伴生种或亚优势种[1]。受新疆特殊地理环境、气候多变等因素的影响，新疆野生老芒麦种质资源生态类型较多，且具有适应性强，抗寒[2],抗旱[3-4],干草产量高[5],叶量丰富,富含粗蛋白,适口性好和易栽培等多重优良特性，是牧草驯化选育和改良所用的原始材料及农业自然资源的重要组成部分[6-7]，可用于建植人工草地和放牧草地，对退化草地改良和种草养畜具有重要意义[8]，在新疆的草地畜牧业中发挥着巨大的作用[1,9]。

野生老芒麦种质资源在新疆的北疆地区分布较为广泛，但疆内学者对其研究利用的相对较少，疆外颇多，主要集中在抗性,遗传多样性,形态多样性和分类等方面[2-5],马啸[10]对35份国内外老芒麦野生种质的形态和农艺性状多样性进行研究，发现其中9份来自新疆的老芒麦种质资源综合性状表现较好，具有良好的育种开发前景，孙清洋、德英和张晨妮等学者[2-4]的研究结果也再次验证了新疆老芒麦卓越的抗旱和抗寒性。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[7]，袁庆华等[11]以叶色、株高、叶长等13个形态学性状为基本数据，对采自全国不同地区的21份野生老芒麦居群间的生物多样性进行研究分析发现，老芒麦野生居群间表型差异明显，采自同一生境不同地区的老芒麦居群，其生物学性状也存在较大的差异，在老芒麦野生居群中各农艺性状较为突出的是新疆阿勒泰地区的老芒麦，其牧草和种子生产性能远高于其它居群。祁娟[12]对披碱草属植物野生种质资源生态适应性的研究表明居群间的变异是披碱草属植物的主要变异来源，其中内蒙和新疆居群遗传多样性较高，且表型,形态结构,生理生态和遗传结构与环境因子均具有明显相关性。但目前针对新疆不同生态型老芒麦形态多样性的研究报道还较少。基于此，本研究通过对来自新疆不同区域或生境的老芒麦野生种质材料的形态多样性及生态适应性进行观测与分析，筛选出老芒麦形态学的特异性状，以期更直观地了解其遗传的多样性，为新疆野生老芒麦的栽培驯化与选育利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验选取14份老芒麦种质资源，其中，13份野生老芒麦资源材料由新疆畜牧科学院草业研究所种子库提供，1份来自青海省牧草良种繁殖场驯化选育出的野生栽培品种，详见表1。

表1 野生老芒麦种质资源及其来源

1.2 试验地点及设计

试验区位于新疆呼图壁县国家农业部旱生牧草种子基地，地理坐标为44°14′08.47″ N，86°37′41.32″E，海拔高度616 m，年平均气温为6.7℃，1月和7月份的平均气温分别为—16.9℃和25.6℃，无霜期170 d，≥10℃积温3 881℃，年平均降水量167 mm，年平均蒸发量为2 361.1 mm。土壤类型为灰棕色荒漠土，pH值8.8，全盐量3.2 g·kg-1，土壤呈碱性，轻度盐渍化，地势较平坦。2017年秋季进行种植，采用随机区组设计，3次重复，小区面积15 m2，人工开沟条播，播种量30.0 kg·hm-2，行距30 cm。

1.3 观测项目及方法

1.3.1生长速率测定与气象数据的采集 老芒麦生长的第2年和第3年，自返青期至成熟期，标记出10 个植株，每周定期测量株高，共调查17 次，计算每次测量株高的日均生长值，作为生长速率。

空气温度、相对湿度、雨量、土壤温度、光合有效辐射、压力、风速、阵风速度、露点和太阳辐射等气象数据均来源于试验站的小型HOBO气象站，根据老芒麦测定时间，计算相应气象数据的日平均值。

1.3.2表型性状测定 参照《老芒麦种质资源描述规范和数据标准》[13]规定的方法，测量老芒麦的27个表型性状指标。在植株营养生长期测定基部叶鞘毛、叶片颜色；开花期测定生殖枝长度、草层高度、茎杆形态、茎杆节数、节间长(总)、节间长(平均)、茎杆粗、叶鞘长、旗叶长、旗叶宽、倒2叶长、倒2叶宽、叶片形态、叶毛密度、叶片颜色、小穗含小花数、穗颜色；乳熟期测定穗长、穗轴节数、穗轴节间长(第一节间)、穗轴小穗总数、穗轴每节小穗数和最上部节间长；蜡熟期测定旗叶至穗基部长度；成熟期测定株高。

1.4 数据分析

用Excel 2010表格整理与分析以上数据，利用SPSS 22.0软件对数据进行Pearson相关性分析、聚类分析(Ward方法的平方欧氏距离)和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同老芒麦种质材料生长速率与环境因子相关性分析

对不同老芒麦种质资源的株高日生长速率与其对应环境因子进行Pearson相关性分析(表2)，结果表明，14 份老芒麦种质材料的生长速率与相对湿度、光合有效辐射、阵风速度和太阳辐射之间的相关性不显著，材料HM1，HM5和YL10与所有环境因子间的相关性也均不显著；材料ALT3，ALT6，ALT11，BL9和与露点,空气温度和土壤温度间呈显著或极显著正相关，与风速间呈显著负相关；材料YL2，YL7，YL12，YL13，TD14与降雨量间呈显著或极显著正相关，ALT6和ALT11与大气压力呈显著负相关。

表2 不同品种的生长速率与环境因子间的Pearson相关性

2.2 生长高度动态变化

自返青期起，随着时间的推移，老芒麦种质资源生长高度逐渐增加，按照植株高度动态变化的不同可将14 份种质划分成3组(图1)，第1组包括YL2，YL12，YL7和TD14，来自新疆伊犁和青海省，从5月7日起，生长加速，植株高度直线上升，即将进入拔节期，较其他种质提前20 d，为早期生长类型;第2组包括ALT6和ALT11，均采自新疆阿勒泰地区，从6月10日起，植株高度出现生长的转折期，其进入快速生长期的时间较迟，为晚期生长类型;剩余种质均归并在第3组中，包括HM1，HM5，ALT3，BL8，BL9，YL4，YL10和YL13，来自4个不同区域，从5月26日起，植株高度增长较快，呈明显上升趋势，较第1组晚，但比第2组早15 d，为中期生长类型。

图1 老芒麦种质资源生长高度动态变化图

2.3 表型性状变异分析

对参试14份老芒麦种质资源的20个数量性状的变异性进行统计分析，结果表明，不同区域种质之间的表型性状差异较大，呈现出多样性的变化。其中，蜡熟期旗叶至穗基部长度和穗轴节间长(第1节间)的变异幅度较大，变异系数均在21%以上，变化范围分别为13.55～31.34 cm和13.85～28.74 mm，以材料YL13的旗叶至穗基部长度最长；变异系数在10%～17%之间的性状包括叶鞘长、旗叶长、旗叶宽、倒2叶长、倒2叶宽、小穗含小花数和穗轴小穗总数，说明不同区域采集的老芒麦种质资源在这些性状上存在相对较大的差异，变异类型丰富，选择范围较广，品种驯化选育的潜力大；变化幅度最小的是生殖枝长度和成熟期株高，变异系数均在5%以下，其余性状的变异系数介于5%～10%之间，变异幅度也较小，说明这些性状的遗传性相对较稳定(表3)。

表3 老芒麦种质资源20个数量性状的变异分析

2.4 表型性状聚类分析

基于品种(系)27个性状的平方欧氏距离，采用Ward法对14个老芒麦品种(系)的表型性状数据进行聚类分析，构建聚类树状图(图2)。以平方欧氏距离的平均值(SED=10)为截值，可将14份种质划分成5组，第1组包括2个居群Y2和Y12，均采自新疆伊犁昭苏县，具有生殖枝长、草层高、叶片长且宽、节间长和穗长较长、小花数多等特点。第2组包含6个居群ALT3，ALT11，BL9，YL10，HM5H和HM1，分别来自伊犁、阿勒泰、哈密和博乐4个地区，主要表现为叶鞘和旗叶至穗基本长度较长，叶片长而窄，草层高度在5大类中位居其次，穗短而密。第3组包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭苏和博乐，主要表现为穗较长，小穗含小花数、穗轴节数和小穗总数均较多。第4组包括YL13和TD14，来自新疆伊犁特克斯和青海省，其特点为茎秆细，其他各指标均处于中等水平。第5组来自新疆阿勒泰地区富蕴县，主要表现为生殖枝矮、叶片窄、茎秆细、穗短和小穗数少等。

2.5 形态性状分化的主成分分析

对标准化处理后的27个表型特征数据进行主成分分析(表4)，表中列出了14个主成分的初始特征值和旋转载荷平方和，前7个主成分的初始特征值都大于1，方差解释总量为89.163%，包含所测得性状的大部分信息。经最大方差法旋转后得到新的特征值，其中，第1主成分解释方差的比例为18.736%，对应特征向量中作用最大的性状依次是穗轴节数、旗叶长和穗轴小穗总数；第2主成分解释方差的比例为17.449%，作用最大的性状为草层高度、节间长和生殖枝长度；第3和第4主成分解释方差的比例分别为12.942%和11.947%，对应的特征向量中作用最大的是叶片形态、开花期叶片颜色、营养生长期叶片颜色和穗颜色，其中叶片颜色呈负向标；第5和第6主成分解释方差的比例分别为11.634%和10.593%，对应的特征向量中作用最大的是茎杆节数、平均节间长、最上部节间长和蜡熟期旗叶至穗基部长度，其中平均节间长呈负向标；第7主成分解释方差的比例为5.861%，对应的特征向量中作用最大的是营养生长期基部叶鞘毛(表5)。

图2 基于老芒麦种质资源表型性状划分的聚类树状图

表4 形态性状主成分方差分析表

表5 前7个组件旋转后的成分矩阵

3 讨论

遗传变异和地理环境之间的关系是大多数学者普遍关注的问题[14]，陈钊等研究发现地理位置(纬度和经度)是影响披碱草居群遗传分化的最重要因素[15]。严学兵等[16]认为一个物种对环境变化的适应能力越强，就越容易扩展其分布范围和开拓新的环境。本研究通过分析对比不同区域采集的野生老芒麦种质材料生长速率与栽培地环境因子相关性的结果表明，14份老芒麦种质材料由高海拔区域引种至低海拔区，其生长速率受试验区相对湿度、光合有效辐射、阵风速度和太阳辐射等气候因素影响均较小，尤其是哈密地区和伊犁尼勒克县的老芒麦的生长速率几乎不受环境因子的影响，说明其生态幅宽，适应性较强。空气温度、土壤温度和风速对阿勒泰和博乐地区的老芒麦种质材料生长的影响较大，低温和大风均会抑制其生长，主要是由于该区域老芒麦分布在阿拉套山和阿尔泰山系保护区内，四面环山，生境较稳定，而试验区为平原荒漠区，风多，气候干燥，两者生境条件差异大，地理距离远，引种后，不适应栽培区气候，生长受限。汪新川等[17]认为降水是影响同德老芒麦牧草产量的关键因子，本研究结果与此相同，发现伊犁昭苏县军马场、特克斯县和青海省老芒麦生长受降雨量的影响较大，主要是因为伊犁是新疆最为湿润的地区，其老芒麦对水分需求较为敏感，但受其他环境因子的影响较小，这说明伊犁地区的老芒麦的生态幅较宽，在有灌溉的条件下即可引种驯化。

表型性状是植物适应环境变异最直接的表现，对其生存至关重要。不管是在自然还是人工栽培条件下，植物生长都会受环境影响而发生变异，变异的大小取决于植物本身的特性和外界干预的强度[18]。变异系数的大小可间接反映出群体表型多样性的丰富程度，变异系数大，说明群体表型多样性丰富[15]。本研究表明，新疆不同生态型的野生老芒麦表型性状差异明显，其中以蜡熟期旗叶至穗基部长度和穗轴节间长(第1节间)最为突出，对牧草产量起关键作用的叶鞘长、旗叶长、旗叶宽、倒2叶长、倒2叶宽的变异系数也较大，说明新疆野生老芒麦间变异类型丰富，亲本选择范围较广。这与程钊等[15]的研究结果基本一致。

植株高度是反映牧草生长状况和评价高产的主要指标之一[19]，根据老芒麦种质的株高动态变化，可将14份种质归为早、中和晚期3种生长类型，早期快速生长的种质材料能够提前20天进入牧草收获期，而晚期生长类型的刈割利用时间也相对较晚，中期介于二者之间，这可为野生老芒麦的驯化选育与利用提供重要依据。聚类分析方法能较好地反映种质材料之间的亲缘关系[20]。以27个表型性状为聚类指标，以平方欧式距离等于10作为划分标准时，可将14份种质划分成5组。其中第1组包括2个居群，均采自新疆伊犁昭苏县，具有生殖枝长、草层高、叶片长且宽、节间和穗均较长、小花数多等特点，可作为牧草或种子生产利用。第2组中的6个老芒麦居群分别来自伊犁、阿勒泰、哈密和博乐4个地区，其地理距离远，生境差异大，各表型性状有别于其他组，可作为新品种改良或选育的亲本材料。第3组包括YL4，YL7和BL8，采自伊犁昭苏和博乐，主要表现为穗较长、小穗含小花数、穗轴节数和小穗总数均较多，宜作为种子生产利用。总而言之，新疆老芒麦野生种质资源表型差异明显，尤其是伊犁地区采集的老芒麦，分别被划分在4个不同的组中，这可能是由于该地区空间距离变幅较大，生境不同阻碍了基因漂移而造成较大的遗传差异[14]，致使野生老麦居群形态多样性指数高。同时本研究还发现同一地区采集的老芒麦材料的生长速率、叶色和穗颜色等特性也存在差异，这与袁庆华等[10]的研究结果相同。另外，在形态特征方面，新疆采集的大多数野生老芒麦与国审品种同德老芒麦间存在较大差异，仅有YL13与其划分在一组，但实测数据显示，两者的叶片颜色不同。这可能是因为表型性状易受环境因子、栽培条件和个体发育的影响，对遗传变异的检测有限[21]，不能解释当前存在差异，建议在分子水平上对新疆野生老芒麦的遗传多样性进行深入研究。

主成分分析法可将多指标合成为少数几个相互无关的综合指标，清楚地描述各因素在形态多样性构成中的作用[22-23]。对标准化处理后的27个表型特征数据进行主成分分析前7个主成分的方差解释总量为89.163%，包含所测得性状的大部分信息，穗轴节数、旗叶长、穗轴小穗总数、草层高度、节间长、生殖枝长度和叶片颜色等多个性状是造成老芒麦形态差异的主要影响因素。第1主成分中穗轴节数、旗叶长和穗轴小穗总数的作用大，与种子产量的关系密切；第2主成分表现突出的性状为草层高度，节间长和生殖枝长度，与牧草产量存在相关性；第3，4，5，6，7主成分值可以作为分类的选择指数，这与黄帆[23]等的研究结果存在相似之处。

4 结论

不同区域采集的新疆野生老芒麦种质材料的生长速率对栽培地环境因子的响应各异，其中，哈密地区和伊犁地区老芒麦的生态幅宽、可塑性大，而阿勒泰和博乐地区种质生态幅相对较窄、适应性差。新疆野生老芒麦的叶鞘长、旗叶长宽和倒2叶长宽等表型性状的变异系数较大，变异类型丰富，亲本选择范围较广。根据老芒麦种质的株高动态变化，将14份种质归为早、中和晚期3种生长类型，可为不同时期刈割利用品种的选育提供参考。聚类结果表明，材料YL2和YL12具有生殖枝长、草层高、叶片长且宽等优良特性，宜作为牧草或种子生产利用，材料YL4，YL7和BL8表现为穗较长、小穗含小花数、穗轴节数和小穗总数均较多，宜作为种子生产利用，具有良好的育种开发前景。