基于性状的野生羊草优良种质筛选

白乌云,侯向阳

(1.内蒙古师范大学化学与环境科学学院/内蒙古自治区环境化学重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010022;2.山西农业大学草业学院/农业农村部饲草高效生产模式创新重点实验室,山西 晋中 030801)

草种质资源是国家战略储备资源,也是草牧业可持续发展的重要基础[1]。在我国粮食安全、畜产品稳定供给和生态文明建设等方面,草种质资源扮演着不可替代的重要角色[2]。大多数牧草是农作物的野生近缘种,可为农业新品种创制提供育种材料和优良基因资源[3]。羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel)是中国北方草原优势种或建群种。羊草是重要的生态草,根茎克隆繁殖力强,形成密布的地下根系网,具有很强的水土保持和固碳能力。同时,羊草适口性好、营养价值高、返青早、耐牧,是我国重要的禾本科优良牧草之一。羊草也是治理盐碱化草地和建植人工草地的理想草种[4]。

为解决退化羊草草原恢复和人工草地建植难题,我国草业工作者采用种子直播方式,在宁夏[5]、吉林[6-7]和黑龙江省西部[8]的干旱、盐碱化、寒冷地区进行了羊草种植试验。然而,羊草有性繁殖在野外条件下存在“三低”,严重制约了羊草在退化草地修复和人工草地建植中的应用。近年来,利用羊草克隆繁殖力强的特点,有学者尝试以移栽方式进行草地恢复和建植。相比传统的草地建植方法,移栽法可以使草地快速发挥作用[9]。仝淑萍等[10]研究发现,在松嫩平原碱斑上人工移栽羊草,不仅可以提高植物群落生产力,还可以提高草地生物多样性,实现了经济和生态效益的双赢。近期也有学者指出利用多年生植物的根茎等多年生地下器官封存和储存碳是生态固碳的新途径[11]。挖掘根茎克隆繁殖力强的羊草优良种质是移栽法建植人工草地和恢复重建退化草地生态系统的关键,也是实现“双碳”目标的生态学途径之一。然而,国内学者主要关注羊草种质资源的收集和抗逆性评价[12-13]、栽培技术[14-15]及生产性能[16]研究,基于根茎克隆繁殖性状的种质资源筛选仍显不足[17-18]。

中国北方地区是全球增温最显著的区域之一,北方气候暖干化趋势(Warming-drying trend)严重[19]。气候暖干化导致中国北方草原土壤含水量减少,植被退化,优良牧草比例降低,是局部沙化和盐碱化加重的重要原因[20-22]。羊草核心分布区气候呈现暖干化的总体趋势下,应加强栽培草地建植,为天然草地减负。然而,截至2013年,我国栽培草地面积仅1.8亿亩,仅为天然草地面积的3%[23]。羊草是我国北方草原分布最广的野生优良牧草,应充分利用羊草根茎克隆繁殖力强、耐旱等特点,发挥羊草在移栽法建植栽培草地中的作用。

本文以66份野生羊草为试验材料,基于农艺和繁殖相关17个数量性状,采用主成分分析(PCA)和系统聚类分析(HCA)法,筛选单株产量高、根茎克隆繁殖力强的优良羊草种质,分析羊草种质的生物气候和地理分布特点,以期为羊草种质资源调查、收集和保护提供参考,为羊草新品种开发和选育、牧草种质创新提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

于2014年5—8月,在远离生活区的羊草分布区,收集了66份野生羊草种质(图1)。羊草采集地理范围在35°31′～49°47′N,102°45′～124°31′E,采样点分布区海拔为9～2 000 m,年均降水量为167～696 mm,年均温为-2.1℃～13.3℃,不同采样点之间距离平均为621.0 km,最远的两个采用点之间距离为1 967.6 km,最近的两个采用点之间距离为29.8 km[2,18]。

1.2 试验设计与试验方法

约10亩的平坦均质的长方形试验地经秋、春2次机械翻、耙和人工处理后,试验地四边各留5 m空地,以消除边缘效应的影响。将试验地分隔成198个5 m×5 m的试验小区(66份羊草×3个重复),试验采用完全随机设计的方法。2018年4月待羊草返青展叶后,用移苗器挖取羊草,挖取深度约25 cm,挑选长势接近、须根完整、无抽穗迹象的母株,带土移栽至各试验小区中心位置。覆土压实,立即浇水,之后连续4周每隔7天浇1次水,确保成活。成活后,适时锄杂草,无人工施肥和浇水处理[18]。

图1 羊草种质来源分布图Fig.1 Diagram of origin of Leymus chinensis germplasms

移栽7天后,记录成活母株数。每天早、晚各观察1次是否有根茎子株出土,记录第一个根茎子株出土日期,以计算克隆生长率(Clonal growth rate,CGR)[17]。抽穗期记录抽穗的母株数,以计算母株抽穗率(Heading rate,HR)[18]。地上部农艺性状的记录在8月中旬进行。记录叶宽(Leaf width,LW)、叶长(Leaf length,LL),并算叶长宽比(LL/LW)和叶片大小(LW×LL)[24],记录茎长(Stem length,SL)和株高(Plant height,PH)[25]。根茎克隆繁殖性状的记录在9月末进行。子株相关指标方面,记录分蘖子株数,以计算母株分蘖倍数(Multiple of genets through tillering,MT)[16,25];记录根茎子株数(Number of extravaginal ramets,NER),并计算母株根茎扩展增加倍数(Multiple of genets through rhizome extension,MR)[17]。根茎空间扩展相关指标方面,记录根茎扩展方向数(Number of rhizome extension directions,NED)和各方向上的扩展距离,并计算累积扩展距离(Accumulated extended distance,AED)、扩展距离(Extended distance,ED)和扩展面积(Extended area,EA)[17,26],各方向上的扩展距离中包括单向最大距离(Maximum one-direction extended distance,MED)。次年4月,待羊草返青展叶后再次记录根茎子株数,以计算根茎子株跨年增加倍数(Multiple of NER after a dormancy period,MRD)[26]。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0软件对数据进行数值标准化处理,进行KMO检验和Bartlett球度检验,采用主成分分析(PCA)法从17个性状指标中提取特征值大于1的主成分(F),计算66份羊草材料的综合值,计算公式为：综合值=a1×F1+a2×F2+…+an×Fn,试中,F1,F2,…,Fn分别为主成分1,2,…,n的得分,a1,a2,…,an分别为主成分1,2,…,n解释的方差贡献率,n为提取的主成分个数[17]。按羊草材料的各主成分得分和综合值进行排序,筛选出不同方面具有优势的排名前十的羊草种质。

基于17个数量性状,以欧氏距离(Euclidean distance)为相似性度量,对66份羊草进行系统聚类分析(Hierarchical cluster analysis,HCA)[27],计算各聚类组羊草的性状平均值。从WorldClim (www.worldclim.org)环境数据库(Bioclimate)中选取当前气候(Current condition 1970-2000),输入66份羊草采样点的经度和纬度信息,获取各采样点的年平均气温和年平均降水量数据,用ArcGIS 10.5绘制羊草生物气候和地理分布图。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

从羊草17个性状中提取了特征值(1的4个主成分(F1,F2,F3,F4),特征值由大到小依次为7.99,2.86,2.03,1.32,对总方差的贡献率依次为47.00%,16.80%,11.97%,7.78%,方差贡献率合计为83.55%(表1)。

从羊草各性状指标在旋转矩阵中的载荷(表1)可以看出,主成分F1中载荷较大的有EA(0.93),ED(0.91),AED(0.89),NED(0.84),MED(0.83),故主成分F1为根茎空间扩展因子;主成分F2中载荷较大的有LW(0.92),PH(0.88),SL(0.86),LW×LL(0.85),故主成分F2为单株产量因子;主成分F3中载荷较大的有MT(0.87)和MR(0.71),故主成分F3为克隆后代数因子;主成分F4中载荷较大的只有LL(0.93),故主成分F4为叶长因子。根茎空间扩展力(F1)、单株产量(F2)、克隆后代数(F3)、叶长(F4)和综合值排名前十的羊草种质如表2所示。

表1 羊草性状主成分的旋转元件矩阵Table 1 Rotation matrix of principal components of Leymus chinensis traits

表2 优良羊草种质列表Table 2 List of fine L. chinensis germplasms

2.2 聚类分析

系统聚类过程中,当欧氏距离系数为13.4时,66份羊草材料可聚为4组,Cluster 1～Cluster 4分别包括了23,24,18,1个羊草材料(图2)。Cluster 1～Cluster 4综合值平均值依次增加,分别为-0.50,0.10,0.48,1.76(表3),Cluster 3和Cluster 4中的羊草材料在根茎空间扩展能力、单株产量和克隆后代数方面具有优势。

从大量种质材料中准确筛选出特异性优异种质是克服育种盲目性的关键。通过聚类分析发现,19号羊草与其它羊草遗传距离较远,在根茎克隆繁殖力(根茎空间扩展和克隆后代数)方面具有优势。

从各聚类组羊草的地理分布来看,Cluster1和Cluster2呈东-西方向近似水平混合分布,Cluster2和Cluster3呈东北-西南方向混合分布。从各聚类组羊草的生物气候分布来看,综合值较高的优良羊草主要来源于年平均气温相对较高、年平均降水量相对较多的内蒙古中部和黑龙江省西部地区;综合值较低的羊草主要来源于年平均气温相对较低、年平均降水量相对较少的蒙古国、内蒙古北部地区(图3,图4)。

图2 基于性状的系统聚类结果Fig.2 Results of hierarchical cluster analysis based on the traits of germplasm

表3 各聚类组羊草性状均值Table 3 Mean value of L. chinensis traits in each cluster

图3 羊草种质生物气候(年平均降水量)分布示意图Fig.3 Bioclimatic (mean annual precipitation) distribution of L. chinensis germplasms

图4 羊草种质生物气候(年平均气温)分布示意图Fig.4 Bioclimatic (mean annual temperature) distribution of L. chinensis germplasm

3 讨论

基于农艺性状筛选优良种质是育种的基础工作,对种质资源的生物气候和地理分布进行分析可为种质资源的收集和保护提供参考。根茎克隆繁殖是羊草主要繁殖方式。筛选单株产量高、根茎克隆繁殖力强的羊草种质是羊草新品种开发、选育和牧草种质创新的基础,可为退化草原修复重建和人工草地建植提供更好的服务。

单株产量和克隆后代数方面均有优势的羊草是13号和66号羊草,采样点分别位于内蒙古兴安盟科尔沁右翼前旗和山东省寿光县;单株产量和根茎空间扩展方面均有优势的羊草是61号羊草,采样点位于河北省唐山市开平区;根茎空间扩展和克隆子株数方面均具有优势的羊草是19号和23号羊草,采样点分别位于黑龙江省齐齐哈尔市和内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗,其中19号羊草是根茎克隆繁殖能力方面具有明显优势的特异性羊草种质。本文对羊草种质地理分布特点进行分析发现,综合值较高的优良羊草种质主要来源于内蒙古中部和黑龙江省西部地区,已有研究表明该区域正是羊草适生区[28]或最佳适生区[11]。

气温和降水量是影响植物分布和生长繁殖的重要气候因子。本文对羊草种质生物气候因子分布特点进行分析发现,优良羊草种质主要来源于平均温度相对较高、平均降水量相对较多的地区,综合值较低的羊草主要来源于平均温相对较低、平均降水量相对较少的地区,可见平均气温和平均降水量等气候因子对羊草生长繁殖可产生重要影响。陈积山等[28]研究也发现,降水量是对羊草分布的增益作用最大的气候因子,经度是影响我国羊草分布格局的主要地理因子。在北方草原暖干化背景下,应加快羊草种质资源的收集及创新利用。

4 结论

本文基于农艺和繁殖相关17个数量性状,在试验地栽培条件下,从66份野生羊草中筛选出根茎空间扩展能力、单株产量、克隆后代数、叶长和综合性能方面具有优势的优良羊草种质各10份,获得根茎克隆繁殖力强的特异性羊草种质1份,综合值较高的羊草种质主要来源于年平均气温相对较高、年平均降水量相对较丰富的内蒙古中部和黑龙江省西部地区。因此,本文为羊草种质资源调查、保护和收集提供了科学依据,为羊草新品种开发、选育和牧草种质创新提供了基础资料。