22份野生披碱草属种质农艺性状遗传多样性分析及综合评价

唐 凤， 李 瑶,2， 王永琪， 张树振， 张永超， 张 博

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室， 乌鲁木齐 830052；2.新疆林业学校， 乌鲁木齐 830011；3.青海大学畜牧兽医科学院/青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室， 西宁 810016)

遗传多样性是保护生物学研究的核心之一，丰富的遗传变异对于培育高产、优质、高抗的栽培牧草品种非常重要，野生牧草种质是育种家改良现有牧草品种的二级基因库，了解野生牧草种质所蕴涵的遗传多样性对选育优异品种和种质资源保护均具有重要意义[1]。披碱草属(ElymusL.)为禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)中最大的一个多年生属，该属植物大约有150个种，广泛分布于亚洲、北美、南美、欧洲和澳大利亚等地区[2-3]。在我国，披碱草属植物大约有12种。我国野生披碱草属牧草种质资源丰富且分布广泛，特别是西部和北部地区，是披碱草属植物的重要分布和多样性分化中心[4]。披碱草属牧草为中生-旱中生多年生优良牧草，是草原和草甸的重要组成部分，饲用价值较高，是重要的牧草种质资源[5-6]。披碱草具有抗寒、耐旱、耐碱、抗风沙等特性，是重要的固沙草本植物[7-8]。

新疆是我国重要的牧区之一，草地辽阔，天然草地面积5 725.88万hm2，可利用面积4 800.68万hm2，仅次于西藏和内蒙古，居全国第三位[9]。近年来，随着畜牧业的发展，新疆乃至全国对优良牧草的需求日益加大，优质高产牧草培育成为解决生态和饲草用种短缺的主要途径之一[10]。因此，培育出适合新疆当地生长的优良饲草品种就显得尤为重要。近年来，对披碱草属野生种质的研究主要集中在农艺性状[11]、遗传多样性[12-13]和生态适应性[14-16]等方面。而主要研究地区集中在青海、四川、甘肃、安徽等地，在新疆地区的研究相对较少，由于新疆气候条件与青海、四川等地相差较大，所以青海、四川等地筛选出的优良种质不一定适于新疆地区，同时也不利于新疆披碱草优良品种的选育。因此，本研究通过对采自青海、西藏两地的22份野生披碱草属种质资源在新疆地区种植，通过观察其适应性和牧草产量相关的农艺性状，进行遗传多样性、相关性、聚类分析和主成分分析，并进行综合评价，为筛选适于新疆本地的披碱草属种质资源、扩宽其基因选育品种具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在新疆农业大学三坪牧草与草坪实验站(87°35′ E, 43°56′ N)。该地位于准噶尔盆地南缘，海拔580～739 m，具有丰富的光照资源，昼夜温差大，年日照时数为2 829.4 h，年均气温7.2 ℃；年均降水量228.8 mm，年均蒸发量2 647 mm。土壤有机质含量1.3%，pH值7.10[17]。

1.2 试验材料

22份试验材料全部为我国野生披碱草属种质(表1)。其中2份材料采自西藏，其余20份采自青海。

表1 供试材料来源

1.3 试验设计

采用随机区组设计，播种前对试验地进行翻耕处理，于2017年10月播种，播种方式为穴播，株距为30 cm，行距为30 cm，小区面积为1.5 m×3 m，3次重复。灌溉方式为滴灌，翌年春季进行人工除草3次，未有病虫害发生。

1.4 测定指标

2018年生长季对参试材料进行指标测定，相关指标参照《披碱草属牧草种质资源描述规范和数据标准》[18]进行测定。开花期，从每小区随机抽取20株植株进行株高、茎粗、茎节数、最长茎长(包括花序)、旗叶长、旗叶宽、倒2叶长、倒2叶宽、穗长、花序长、花序小穗数、小花数等指标的测定；成熟期，每小区随机选取10株，测量种子长、种子宽和千粒重。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行均值和变异系数(CV)计算；采用Shannon-Wiener’s多样性指数(Shannon-wiener’s diversity index，H′)进行遗传多样性评价[19]。计算公式：

CV(%)=(平均值/标准差)×100%；

H′=-∑PilnPi[20]

式中：Pi为某一性状在第i个级别出现的频率。为了便于数量化和统计分析，对数量性状进行分级[21]，数量性状根据每个性状的平均观测值(X)和标准差(σ)，根据X±kσ(其中k=0、0.5、1、1.5、2)将每一性状的观测值划分为10个等级(见表2)，每一级的相对频率用于计算H′。利用SPSS 19.0软件进行相关性分析、聚类分析和主成分分析。

表2 性状观测值的等级划分

2 结果与分析

2.1 披碱草属种质资源农艺性状的变异分析

各农艺性状间均具有广泛的变异(5.06%～29.94%)，变异较大的农艺性状分别是小花数、旗叶长、旗叶宽、种子宽和倒2叶宽，其极差分别为6.80、11.18、0.58、0.48和0.56，其中CV分别为29.94%、29.23%、24.41%、22.89%和22.63%(表3)。表明22份种质资源在这5个性状上存在较大差异，变异类型丰富，选择的基础较广，品种改良的潜力大。千粒重的CV最小，为5.06%，说明此性状在所选择的披碱草属各种质间差异较小，比较稳定。

表3 披碱草属15个农艺性状的变异系数(CV)和多样性指数(H′)

15个农艺性状的H′平均值约为1.562 9，说明各农艺性状具有丰富的多样性，遗传基础广、差异大，通过育种手段进行种质间杂交改良可繁育出优异的品种。其中，株高的H′最高，为1.894 6，其CV为9.07%，表明该农艺性状在22份野生种质资源中遗传基础最广，改良潜力最大。而种子宽的H′最低，为1.023 7，其CV为22.89%，说明其遗传基础较窄。

2.2 披碱草属种质资源农艺性状的相关性分析

对22份披碱草属野生种质资源的15个农艺性状进行相关性分析，各种质的不同性状间的相关性存在差异(表4)。其中，株高与茎粗、茎节数、旗叶宽、倒2叶长、倒2叶宽呈极显著正相关(p<0.01)，与最长茎长(包括花序)、旗叶长、穗长和花序长呈显著正相关(p<0.05)，说明通过筛选植株高大的材料，可以获得茎秆粗壮、叶片大、花序大等性状，进而有望选育出高产种质。茎粗与茎节数、旗叶宽、倒2叶长和倒2叶宽呈极显著正相关(p<0.01)，与最长茎长(包括花序)和旗叶长呈显著正相关(p<0.05)。茎节数与旗叶长、倒2叶长和种子长呈极显著正相关(p<0.01)，与旗叶宽呈显著正相关(p<0.05)，与花序小穗数呈显著负相关(p<0.05)。最长茎长(包括花序)与倒2叶宽呈极显著正相关(p<0.01)，与倒2叶长呈显著正相关(p<0.05)。旗叶长与旗叶宽、倒2叶长、穗长、花序长和种子长呈极显著正相关(p<0.01)。旗叶宽与倒2叶长、倒2叶宽呈极显著正相关(p<0.01)，与花序长呈显著正相关(p<0.05)。倒2叶长与倒2叶宽呈极显著正相关(p<0.01)，与穗长、花序长呈显著正相关(p<0.05)。穗长与花序长、种子长呈极显著正相关(p<0.01)。花序长与种子长呈显著正相关(p<0.05)。花序小穗数与种子长呈极显著负相关(p<0.01)。

表4 22份野生披碱草属种质资源相关性分析

2.3 披碱草属种质资源农艺性状聚类分析

为深入了解22份野生披碱草属种质的亲缘关系，针对15个数量性状按照系统聚类k-均值(k-mean)法，在欧氏距离(euclidean metric)为9.8时划分为四大类群(图1)，同一生态环境下不同来源种质因适应性差异并未聚类在一起，这符合供试种质自身遗传特点。并且对不同类群进行了基本统计(表5)。第Ⅰ类群占供试种质的40.9%，这一类群表现为穗长和花序长最短。第Ⅱ类群占供试种质的18.2%，这一类群表现为最长茎长(包括花序)最长，倒2叶最宽，花序小穗数和小花数最多，千粒重最大。第Ⅲ类群占供试种质的22.7%，这一类群表现为株高最矮，茎粗最细和茎节数最少，最长茎长(包括花序)最短，旗叶长、宽和倒2叶长、宽最小，种子最宽，千粒重最轻。第Ⅳ类群占供试种质的18.2%，这一类群表现为株高最高、茎粗最粗和茎节数最少，旗叶长、宽最大，倒2叶最长，穗长和花序长最长，种子最长。

图1 22份披碱草属种质资源聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 22 Elymus germplasms

表5 不同类群15个农艺性状

2.4 披碱草属种质资源农艺性状的主成分分析及综合评价

2.4.1披碱草属种质资源农艺性状的主成分分析

对22份野生披碱草属种质的15个农艺性状进行主成分分析(表6)表明，前5个主成分累积贡献率达83.16%，基本代表了22份种质资源的大部分遗传信息。

表6 22份野生披碱草属种质资源的15个数量性状主成分分析

第一主成分特征值为4.449，贡献率为29.66%。载荷较大的性状有茎粗、倒2叶宽、倒2叶长、株高、最长茎长(包括花序)和旗叶宽(表6)，其向量值分别为0.875、0.874、0.786、0.760、0.745和0.711；第二主成分特征值为2.970，贡献率为19.80%。特征向量符号有正有负，载荷量较大的性状有花序长、穗长和旗叶长(表6)，其向量值分别为0.956、0.955和0.555；第三主成分特征值为2.497，贡献率为16.65%。特征向量符号中有正有负，主要反映种子长、茎节数和旗叶长，其向量值为0.765、0.717和0.539；第四主成分特征值为1.332，贡献率为8.88%。载荷量较高的农艺性状是种子宽，其向量值为0.877；第五主成分特征值为1.225，贡献率为8.17%。从载荷数值大小来看，该主成分主要反映小花数，其向量值为0.811。

2.4.2披碱草属种质资源综合评价

为综合评价22份野生披碱草属种质在新疆地区适应性，参考南铭等[21]的方法，根据各种质资源的主成分得分进行综合评价，相应的因子关系式如下：

F1=0.760X1+0.875X2+0.558X3+0.745X4+0.456X5+0.711X6+0.786X7+0.874X8+0.065X9+0.146X10+0.183X11+0.136X12+0.057X13+0.049X14+0.252X15；

F2=0.319X1+0.028X2+0.072X3-0.082X4+0.555X5+0.430X6+0.427X7+0.055X8+0.955X9+0.956X10+0.016X11+0.180X12+0.438X13-0.158X14+0.319X15；

F3=0.153X1+0.172X2+0.717X3-0.210X4+0.539X5+0.275X6+0.204X7-0.250X8+0.118X9+0.080X10-0.854X11-0.217X12+0.765X13-0.151X14-0.102X15；

F4=-0.398X1+0.013X2-0.180X3-0.104X4+0.207X5+0.249X6+0.124X7+0.251X8-0.194X9-0.077X10+0.033X11+0.152X12-0.239X13+0.877X14+0.230X15；

F5=-0.018X1+0.103X2-0.147X3-0.148X4+0.116X5+0.116X6-0.081X7-0.018X8-0.002X9-0.053X10+0.094X11+0.811X12+0.012X13-0.009X14-0.683X15。

综合评价函数F=(λ1/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F1+(λ2/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F2+(λ3/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F3+(λ4/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F4+(λ5/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F5=0.356 7F1+0.238 1F2+0.200 2F3+0.106 7F4+0.098 2F5(其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分别为5个主成分对应的特征值)。

根据综合评价函数，计算各种质材料的综合得分(表7)，给予供试种质材料定量化的描述，综合得分越高，表明综合表现越好。由表7可知，E 22、E 08、E 01、E 06的综合得分最高，分别为89.14、86.44、83.22、81.04分，说明这些种质资源在新疆地区综合表现优良，可以作为亲本以改良当地披碱草属品种，而E 11、E 18、E 10综合得分较低，不适宜在该地区栽培选育(表7)。

表7 22份野生披碱草属种质资源的综合得分

3 讨 论

3.1 披碱草属种质资源的遗传多样性

披碱草属种质的农艺性状是由本身的遗传物质决定的，是遗传物质的外在表现，其遗传多样性分析已被广泛应用于披碱草属牧草育种研究[15-16]。本试验将H′与CV相结合，综合分析了22份野生披碱草属种质资源的15个农艺性状的遗传多样性，揭示了供试披碱草属种质形态变异特征，为筛选适于新疆的种质提供了依据。张建波等[22]研究了来自川西北高原垂穗披碱草种质的穗部形态变异特征，其选用了15个穗部形态指标对12个野生居群进行了多样性分析，在15个穗部形态指标中内颖长的H′最高(2.107)，材料的平均H′为1.868。陈仕勇等[23]对采自西藏、四川、青海、甘肃及新疆地区的54份垂穗披碱草种质的30个数量性状进行了多样性研究，内颖长的H′最高(2.548 7)，材料的平均H′为2.211 8。本研究中的平均H′为1.562 9，低于此前的研究，这可能与本研究中所搜集材料地区较少和所测农艺性状偏向性有关。前者农艺性状是针对穗部形态和形态学指标较多，而本研究则是偏向产量相关的农艺性状指标，其H′低于前人的研究。本研究中，15个农艺性状的H′最高的是株高，其次是茎粗，第三是旗叶长。

披碱草属种质的15个数量性状的CV除株高和千粒重外，其他的均大于12%，表明这些性状在种质个体间差异较大。赵永强等[24]对来源甘肃、西藏等地的13份野生垂穗披碱草种质的15个农艺性状进行分析，CV范围在5.77%～33.95%之间，CV最大为千粒重(33.95%)，小花数的CV为33.05%。陈仕勇等[23]对采自青藏高原的54份垂穗披碱草种质的30个形态学性状进行分析，CV范围在7.25%～33.89%之间，CV最大为内颖芒长(33.89%)，其小花数的CV为14.99%。本研究CV范围在5.06%～29.94%之间，CV最大的是小花数，为29.94%，小花数的CV在前人研究的范围内。本研究结果的CV范围与前人研究结果相比略窄，这可能与试验材料的生长生境相关。

3.2 披碱草属种质资源的聚类分析

聚类分析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，已成为牧草育种的必要手段之一[25-27]。本试验通过对22份材料聚类分析，各种质被分为四个大类群，本研究发现采自同一区域的材料大多数被聚为一类，来自不同区域的材料也被聚为一个类群。这可能与披碱草属种质资源的相互交叉利用有关，这说明原始生境并不是造成种质资源遗传多样性的唯一因素，这与陈仕勇等[23]、赵永强等[24]的研究结果一致。

本研究的四个类群中，第Ⅰ类群包括9份野生披碱草属种质，其中1份来自西藏，8份来自青海，穗长、花序长和花序小穗数都是最短或者是最少的，有益性状不明显；第Ⅱ类群包括4份野生种质，其中1份来自西藏，3份来自青海，最长茎长(包括花序)较长，花序小穗数和小花数较多，千粒重也最重，可作为选育种子产量高的品种的优良亲本。第Ⅲ类群包括5份野生种质，全部来自青海，该类群的植株矮小、茎秆较细，叶片也较细小，有益性状不明显；第Ⅳ类群包括4份种质，全部来自青海，此类群的植株高大，茎秆粗壮，叶片宽大，但种子产量一般，可作为选育饲草产量较高抗倒伏品种的优良亲本。因此，在后期的品种选育过程中，可根据育种目标的不同选择相对互补的亲本组合，使披碱草属种质育种在亲本选择上更加科学。

农艺性状能够直观地展现物种表型性状及生态适应能力，是常规品种选育的主要手段之一[20]。但是，外界的生物因素和非生物因素对农艺性状的干扰是非常重要的，而与植物本生的遗传信息也息息相关，因此无法准确阐明种质的遗传变异情况，聚类结果可能出现一定的偏差，这可能也是造成本试验结果与前人在披碱草属种质上分类不一致的主要原因之一。

3.3 披碱草属种质资源的主成分分析

主成分分析是一种常用的数据分析方法，它通过线性变换将原始数据变换为一组各维度线性无关的表示，可用于提取数据的主要特征分量，常用于高维数据的降维[20]。目前已广泛应用于狼尾草[28]、披碱草[4]和燕麦[20-21]等植物育种。

本试验选用22份材料中15个数量性状进行主成分分析，前5个主成分，其累积贡献率达83.16%，高于Li MQ等[2]、陈仕勇等[23]的研究结果，这可能是由于测定指标的偏向性和材料的采集地不同造成的。本试验中，第一主成分与披碱草的饲草产量密切相关，载荷量较大的是茎粗、倒2叶长、倒2叶宽和株高，可作为牧草饲草产量的构成因子，而相关性分析也表明，株高与茎粗、旗叶长宽、倒2叶长宽等呈极显著正相关(p<0.01)，说明通过增加株高、茎粗、旗叶长宽、倒2叶长宽可以显著提高披碱草的饲草产量。这与赵永强等[24]对垂穗披碱草产量相关性状的主成分分析结果相似。第二主成分载荷量最高的是穗长和花序长，由载荷数值可以看出，影响牧草产量构成因子中的株高、茎粗、叶片长宽，同时对最长茎长(包括花序)和种子宽因子起到了制约作用，因此在育种过程中要适度把握；第三主成分载荷量最高的是种子长和茎节数，因其和旗叶长、倒2叶长呈极显著正相关，而叶片大小与植物的光合作用息息相关，进而影响牧草产量；第四主成分主要反映的是种子宽，而对茎节数、最长茎长(包括花序)、穗长、花序长和种子长都有一定的制约作用；第五主成分主要反映的是小花数，而小花数会影响牧草的种子产量。因此，株高、茎粗、茎节数、旗叶长宽、倒2叶长宽在一定程度上可以体现披碱草的生产潜力。

4 结 论

采自青海、西藏的野生披碱草属种质资源均可在新疆地区正常生长发育，且具有丰富的遗传多样性。其中来自西藏的绿肥披碱草(E 22)和来自青海的垂穗披碱草(E 08)具有植株高大、茎秆较粗、叶片宽大的特点，同时综合得分也最高，可作为亲本以改良当地披碱草属牧草品种，进一步加快新疆地区的披碱草属牧草育种步伐。