野牛草种质资源评价与分析

乔葭月，孙熙喏，屈新月，王 储，马承泽，崔会婷，麻冬梅，孙 彦*

(1. 中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193； 2. 宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021)

野牛草(Buchloedactyloides(Nutt.) Engelm.)又名水牛草、牛毛草，是一种重要的多年生暖季型草坪草，隶属禾本科野牛草属。野牛草原产自北美大平原半干旱地区[1]，于20世纪引进我国种植，因为其植株低矮、需肥量少、适应性和抗旱、抗病性强等优点而逐渐成为我国北方地区防风固沙、公共绿地、公园和公路等粗放管理型草坪的主要草种之一。但野牛草草坪颜色浅、绿期短、耐荫性差的缺点大大限制了其应用范围。在多年的引种驯化和不同地理区域长期种植过程中，野牛草的形态特征和坪用特性发生了很大变异。成凯凯[2]等人认为不同地理来源的野牛草种质资源其形态特征存在差异性，陈科[3]认为野牛草的表型特征与地理气候因子相关，高温湿润气候条件下野牛草材料的表型特征更大。目前，关于野牛草种质资源方面报道主要集中在野牛草倍性与表型特征的研究[4-5]，野牛草品种逆境评价[6-7]，利用各种分子标记手段对野牛草品种遗传多样性进行评价[2,8-11]等方面。虽然分子标记技术在种质资源鉴定和分类中已经得到广泛应用，但形态特征评价直观、简单、易测的特点使其在植物遗传多样性研究中仍是一种简便有效的方法[12-14]，是优异资源基因挖掘和利用的坚实基础。本研究通过对供试的29份野牛草材料进行形态特征和坪用特性评价和进一步分析，为野牛草种质资源开发利用和优良品种的选育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北省涿州市中国农业大学涿州实验站，地理坐标为39°28′ N，115°51′ E，属温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，全年平均日照2 560 h,年平均气温为11.6℃，土壤砂质，表层(0～15 cm)土壤pH 8.3，有机质含量1.95%，有机碳含量1.13%，全氮含量0.63 g·kg-1，全磷含量0.37 g·kg-1,速效磷含量14.39 mg·kg-1，具备灌溉条件。

1.2 试验材料

本试验所用的29份野牛草(Buchloedactyloides(Nutt.) Engelm.)种质资源来源于中国农业大学涿州草坪种质资源圃，草坪科研团队长期于国内外采集与收集，资源编号为BD001～BD029。

1.3 试验方法

1.3.1试验设计 试验小区面积为4 m2(2 m×2 m)，设置4次重复，采用完全随机设计，小区之间间隔0.5 m。2018年10月从资源圃中取各个材料的第3个茎节栽植于花盆中，置于中国农业大学温室中育苗，次年5月移栽至小区内。2019年5月—2020年8月进行数据采集。小区按需进行灌溉以及人工除草，未施用肥料。形态特征测定主要涉及叶长、叶宽、株高、匍匐茎长、节间长、茎节数以及直径共7个指标。坪用特性测定主要包括颜色、均一性、质地、密度、盖度、扩展面积、绿期共7个指标。

1.3.2形态特征观测 叶长：每小区内随机选取15个单株的第2片完全展开叶，用直尺测量叶尖至叶基部的长度。

叶宽：用游标卡尺测量上述叶片的最宽处。

株高：每小区内随机选取15个单株，用直尺测量植株最高部位至地面的绝对高度。

匍匐茎长：每小区随机选取15根匍匐茎，用直尺测量其顶端至基部的总长度。

匍匐茎节数：对上述匍匐茎的茎节数进行人工计数。

匍匐茎节间长：用直尺测量上述匍匐茎从基部开始第2个和第3个茎节之间的长度。

匍匐茎直径：用游标卡尺测量上述第2～3个茎节之间茎的直径。

1.3.3坪用特性测定 质地：以叶片宽度作为质地的评价依据，每小区内随机选取30单株的第2片完全展开叶，用直尺测量叶片最宽处。

密度：每小区内随机选取3个10 cm×10 cm样方，记录样方内枝条的数目。

盖度：每小区内随机选取3个50 cm×50 cm的样方，样方内含有100个等分小格，记录每小格内野牛草所占比例。

颜色：用叶绿素含量SPAD值表示[15]。每小区内随机选取15株单株，采用SPAD-502 Plus叶绿素仪对第2片完全展开叶进行测定，每片叶子3次技术重复。

均一性：依照NTEP 1～9分制评分标准进行打分。

扩展面积：在小区建植完成12周后，对野牛草覆盖面积进行测量。

绿期：以野牛草群落50%枯黄记为枯黄期开始，以群落50%返青即返青期记为枯黄期结束，以全年天数减去枯黄天数即为绿期[16]。

1.4 数据整理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据统计，用SPSS 25.0进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 野牛草种质资源形态特征评价

由表1可知，这29种野牛草的7个形态特征指标均表现出较大的变异，变异范围为8.70%～23.44%。叶长、匍匐茎长、匍匐茎节间长、匍匐茎节数这4个形态指标的变异系数>15%，分别为17.59%，23.44%，22.82%，17.34%，其中，匍匐茎长的变异最为丰富，平均值为63.10 cm，变化范围在25.38～84.11 cm。由此说明，匍匐茎的茎节数、节间长，特别是匍匐茎长度的变异丰富，可以通过系统选育的方式进行改良，从而获得扩繁能力强的品系。而变异系数较小的指标如叶宽(9.44%)和匍匐茎直径(8.70%)的变异相对较为稳定，难以通过系统选育的方式进行改良。

表1 29份野牛草种质资源形态特征测定结果Table 1 Morphological characteristics of 29 species of buffalograss germplasm resources

2.2 野牛草种质资源坪用特性评价

由表2可知，29份野牛草种质资源的7个坪用指标的变异系数介于1.88%～25.27%，其中，变异系数最大的是扩展面积，为25.27%，其变化范围在1.35～3.79 m2，平均值为2.65 m2。变异系数最小的指标是盖度，变化范围在92.13%～100%，平均值为98.14%，从总体来看，野牛草的坪用特性的变异程度要小于个体形态特征的变异。

表2 29份野牛草种质资源坪用特性测定结果Table 2 Turf characteristics of 29 species of buffalograss germplasm resources

2.3 野牛草形态特征和坪用特性相关性分析

对29份野牛草种质材料的14个形态特征和坪用特性指标进行相关性分析，发现野牛草形态特征间广泛存在相关性(表3)。叶长与叶宽、株高、匍匐茎节间长、匍匐茎直径存在极显著正相关；株高与匍匐茎长、节间长、存在极显著正相关，与匍匐茎直径存在显著正相关；匍匐茎长与匍匐茎节间长、茎节数、直径存在极显著正相关。野牛草的坪用特性与其形态特征也存在相关性。叶长与质地存在极显著正相关，相关系数为0.57，与密度、绿期极显著负相关，相关系数分别为-0.68和-0.51，与均一性显著负相关，相关系数为-0.39；叶宽与密度存在显著负相关，与质地存在极显著正相关关系，这与质地的评价方法有关；株高与质地、扩展面积存在显著正相关，与密度存在极显著负相关；匍匐茎长度、节间长与扩展面积存在极显著正相关，而与密度存在显著负相关关系；匍匐茎直径与质地存在极显著正相关，与密度存在极显著负相关。坪用特性的某些指标间也存在相关性，比如质地与颜色之间存在极显著正相关，与密度间存在极显著负相关；绿期与密度、颜色、均一性显著正相关。总体而言，坪用特性指标中密度和质地与较多形态指标相关，即更容易受到比如叶长、叶宽、匍匐茎直径的影响。

表3 野牛草形态特征和坪用特征相关性分析Table 3 Correlation analysis of buffalograss between phenotypic traits and turf appraising

2.4 野牛草形态特征和坪用质量主成分分析

主成分分析可以在不损失或很少损失原有信息的前提下，将原来个数较多且彼此相关的指标转换为新的个数较少且彼此独立的综合指标[17]。本研究首先对29份野牛草的14个指标进行KMO和Bartlett球形度检验，得到KMO值为0.616>0.5，Bartlett检验结果显著性为0.000<0.05，适宜进行主成分分析。

以特征值大于1为标准提取主成分，从主成分分析结果(表4)可以看出，共提取主成分4个，累计贡献率为77.244%，可基本代表14个性状的大部分信息。第一主成分特征值为4.997，贡献率为35.694%，其中载荷较大的因子包括叶长(0.831)、株高(0.834)、密度(-0.785)、匍匐茎节间长(0.749)。第二主成分特征值为2.915，其贡献率为20.823%，载荷较大的因子是颜色(0.843)。第三主成分特征值为1.785，其贡献率为12.747%，作用最大的因子是匍匐茎节数，载荷量为0.879。第四主成分特征值为1.117，其贡献率为7.981%，其中载荷较大的因子是绿期(0.477)和匍匐茎节间长(0.473)。

在此基础上，构建4个新的变量y1～y4来反映这4个主成分的得分，

y=∑cx

式中：c为特征向量，x为标准化后的性状值。

同时以各主成分的方差贡献率为系数，构建综合评价模型[18-19]，F= 0.356 94y1+0.208 23y2+0.127 47y3+0.079 81y4，以此来对各野牛草种质进行综合评价，评价结果(表5)中，BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029，这8份材料综合评价值F>0.8，综合表现整体优良。

表4 主成分分析结果Table 4 Principal component analysis results

表5 29种野牛草种质资源综合评价得分Table 5 the comprehensive evaluation scores of 29 bison grass germplasm resources

2.5 聚类分析

根据不同的利用方向或育种目标，选择相关指标进行聚类分析，并对表现良好的类群各项指标进行基本统计。

选择扩展面积和匍匐茎相关的指标进行聚类，可从中选择出适宜作为培育强扩繁能力的亲本或适宜应用在生态修复和需要快速建植区域的材料。聚类方法采用瓦尔德法，由图1A可知，在平方欧氏距离为13.2处，可以将这29份材料分成3大类，第Ⅰ类群包括BD004,BD005两份材料，这一类群匍匐茎短(28.80 cm)而茎节数多(9.72)，扩展速度慢，第Ⅱ类群包括12份种质，分别为BD001，BD007，BD010，BD011，BD012，BD013，BD015，BD016，BD017，BD020，BD021，BD027，这一类群的各项指标平均值最大，其中匍匐茎长75.16 cm,茎节数为11.52，扩展能力最强。剩下的材料聚在第Ⅲ类群，扩展性处于适中水平。

选择叶长、叶宽、株高、质地、密度、盖度、颜色和均一性进行聚类，来初步筛选适宜用来观赏的材料。由图1B可知，在平方欧氏距离为11.2处，可以将材料分为3大类群，第Ⅰ类群包括BD004，BD005两份材料，其叶短(10.73 cm)而窄(1.45 mm)，质地细腻，密度最高(71株·100 cm-2)。第Ⅱ类群包括11份材料，分别为BD002，BD003，BD006，BD007，BD013，BD019，BD022，BD025，BD026，BD027，BD0029，这一类群植株高大(29.12 cm)，叶长(21.08 cm)且色深(25.51)，不足是密度较低(47株·100 cm-2)。第Ⅲ类群包括剩下的16份材料，这一类群盖度、颜色、均一性与其他两个类群接近，其他性状处于中等水平。

图1 29份野牛草种质资源聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 29 buffalograss resources注：A图为依据野牛草扩展相关指标进行聚类，B图为依据观赏用相关指标进行聚类Note：Figure A shows clustering based on expansion related indexes,and figure B shows clustering based on ornamental related indexes

3 讨论

野牛草种质资源的形态特征和坪用特性受到遗传因素和环境因素的共同影响[20]。在本试验中，29份野牛草种质资源的生长条件一致、管理措施相同，研究其形态特征和坪用特性可以直观了解野牛草的遗传多样性，为种质资源的收集、保存、鉴定和种质资源创新、新品种培育奠定基础[21-22]。

变异系数主要反映各种质资源中特征性状的变异程度，变异系数值越大，说明相应的特征性状在种质间的差异越大，对种质变异和创新的贡献率越高[23]，利用这些性状对种质进行鉴别的可能性越大[24]。在本研究中，叶长、匍匐茎长、匍匐茎节间长、茎节数在各种质中差异较大，变异系数均高于17%，说明这些性状在种质遗传中不太稳定，易于改变，具有优良的开发潜力；而叶宽、匍匐茎直径变异相对较小，低于10%，说明这两个性状遗传较为稳定，难以通过系统选育的方式进行改良。成凯凯[2]在对30种野牛草种质资源的形态特征进行显著性差异评价时认为各资源之间叶长、叶宽、株高、匍匐茎长度和匍匐茎节数存在极显著差异(P<0.01),除叶宽这一指标，其他具有极显著差异的指标与本研究变异系数较大的形态特征基本相符，这可能与变异程度的评价标准不同有关。野牛草的坪用特性变异系数范围为1.88%～25.29%，草坪盖度变异系数最小，扩展面积即匍匐茎的生长速度变异范围最大，与匍匐茎长变异系数(23.44%)大相对应。说明对于野牛草种质资源来说，盖度这一性状比较稳定，而匍匐茎的生长速度在材料间差异较大，说明这一性状容易改良，可以经选育获得成坪速度快的优良品系。

在前人的研究中，野牛草表型性状与其坪用特性存在显著相关性，叶长、单丛分株数与坪用等级存在极显著负相关[25]。在研究中，草坪质地与叶宽相关性高，这与质地的评价标准有关，一般来说，叶片宽度越细，观赏效果越好，草坪的质地越好。匍匐茎直径与质地存在显著正相关，直径越细，草坪质地也越好。草坪密度与叶长、叶宽、株高、匍匐茎长、节间长、直径存在极显著负相关关系，这与前人研究结果类似。孙宗玖等[26]在对新疆狗牙根农艺性状评价时认为，草坪处于低密度时，群体所处空间较大，植株会获得更多营养从而植株生长旺盛，表型更高大。代保清等[27]的研究结果表明，在不同密度条件下，结缕草的无性系构件会采取不同的适应性对策，比如低密度条件下，匍匐茎总数、总长、节间长等都会增加，迅速占领空间，而在高密度条件下则会减缓生长。草坪的盖度与扩展面积呈显著正相关，说明在建坪时间较短的情况下，扩展面积越大即匍匐茎长的越快的，盖度也越高；但是并未发现盖度与匍匐茎长存在显著相关性。

主成分分析法可以将植物多个性状指标转化为少数几个不相关的综合指标，从而达到综合和简化的目的[28]，在水稻[29]、燕麦[30-31]、披碱草[32]等多种植物种质资源评价过程中广泛应用。在本研究中，14个指标经主成分分析化为4个主成分，累计贡献率达77.244%，包含了大部分信息，根据这4个主成分信息，可有针对性地进一步选择符合预期目标的可利用资源，并且，基于主成分分析的综合评价值中，BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029这8份材料综合表现良好，且在聚类分析中，这8份材料同属于观赏用聚类第Ⅱ类群。

聚类分析是指将物理或抽象对象的集合分组为由类似的对象组成的多个类的分析过程，已成为植物育种的必要手段之一。应用聚类分析可以很好反映种质资源间的遗传差异和各类群的特点[33]。本研究中根据育种目标或利用方式选择相应的指标进行聚类，以期为选择优良的育种亲本或栽培材料提供参考，提高效率。根据和扩展性相关指标进行聚类，选出第Ⅱ类群12份扩展性强的种质，根据与观赏性相关指标进行聚类，选出第Ⅰ类群BD004，BD005两份低矮型材料和第Ⅱ类群11份高大型材料，可根据实际观赏用途或育种目标从中再进一步选择。

4 结论

本研究中的29份野牛草种质资源具有丰富的变异，形态特征和坪用特性之间具有广泛相关性。其中，基于主成分综合得分筛选出8份综合表现优良的材料BD003，BD007，BD0013，BD019，BD022，BD026，BD027，BD029，并且这8份材料在基于观赏用指标聚类时同聚在一类，具有植株高大，叶片长且色深的特点。在基于扩展性和观赏性指标分别进行聚类时，可将29份材料分别分为3类，本研究可为野牛草的实际应用提供理论参考。