趙玉宇,黃德君,毛祝新,聶斌,傅華
(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草 地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室,甘肅 蘭 州730020)
牧草和飼料作物作為畜牧業(yè)的重要生產(chǎn)資料,對畜牧業(yè)的發(fā)展有十分重要的作用[1],其品質(zhì)優(yōu)劣不僅影響家畜的生長發(fā)育,也影響畜產(chǎn)品的質(zhì)量。牧草中粗蛋白質(zhì)和粗纖維含量是其營養(yǎng)價值2項重要指標(biāo),提高粗蛋白質(zhì)含量,降低粗纖維含量是提高牧草營養(yǎng)價值,改善牧草品質(zhì)的重要內(nèi)容[2]。近年來的研究表明,提高飼草中水溶性碳水化合物含量可以促進(jìn)反芻動物對蛋白質(zhì)的利用[3]和干物質(zhì)的吸收[4-6],提高奶蛋白產(chǎn)量[6],減少溫室氣體的排放[7-11]。顯然提高牧草中水溶性碳水化合物的含量,對于反芻家畜生產(chǎn)和減少環(huán)境污染具有重要意義。因此把水溶性碳水化合物含量也作為評價牧草營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)[12,13]。
垂穗披堿草(Elymusnutans)具有抗寒、抗旱、耐鹽堿、營養(yǎng)豐富[14-16]、適口性好[15]和產(chǎn)量高的特點[14,17-19],是青藏高原上較常見的一種多年生禾本科牧草,也是該區(qū)域退化草地改良常用的牧草[19-21]。因此篩選出高營養(yǎng)品質(zhì)的垂穗披堿草種質(zhì)對高寒牧區(qū)的生態(tài)建設(shè)和畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義[22]。我國學(xué)者從20世紀(jì)80年代中期開始對該物種的生物學(xué)特性和生長發(fā)育規(guī)律[23-28]、刈牧反應(yīng)、種內(nèi)競爭、施肥效應(yīng)、生化它感作用以及草地的演替和質(zhì)量變化[29-34]、遺傳變異[35,36]等方面進(jìn)行過研究。但在高寒地區(qū)進(jìn)行野生種質(zhì)品質(zhì)評價及篩選研究的報道較少。本研究以采自于青海、甘肅和四川省高海拔區(qū)域的45份垂穗披堿草野生種質(zhì)為材料,對其粗蛋白質(zhì)(CP)、可溶性糖(WSC)、中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)飼用品質(zhì)性狀進(jìn)行分析和評價,從中選擇優(yōu)良品質(zhì)的種質(zhì)材料,為培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)垂穗披堿草新品種提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和材料。
試驗地位于甘肅省甘南藏族自治州夏河縣??凄l(xiāng)。地理坐標(biāo)為34°24′N,102°23′E;海拔3 050 m;年均溫2.4℃;年降水量約為563 mm,屬高寒濕潤區(qū);年日照時數(shù)約2 296 h;年平均有霜日大于270 d[37]。試驗地前期為夏河縣桑科鄉(xiāng)種羊場種植30年的燕麥(Arrhenatherumelatius)地,土壤為山地黑鈣土,土壤化學(xué)性質(zhì)見表1。
試驗用45份野生垂穗披堿草居群的種子為2007年種子成熟期采自青藏高原區(qū)域的甘肅省甘南州、四川省若爾蓋縣和青海省共和等縣,種源地的基本情況見表2。2008年5月種植于試驗地,小區(qū)面積2 m×2 m,小區(qū)間隔1 m,每個居群為1個處理且每處理3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。試驗地經(jīng)人工整地、撒播,播種量為18 g/m2,播深2 cm,整個生育期完全自然狀態(tài)下生長,僅進(jìn)行田間人工除雜。在2009年7月每個居群處于初花期時進(jìn)行刈割[38],留茬5 cm,同時稱重測定鮮草產(chǎn)量。采回的樣品在105℃下殺青30 min,65℃下烘干至恒重,測定干草產(chǎn)量。所有樣品采用植物粉碎機(jī)粉碎,過孔徑0.20 mm樣品篩后裝入塑料袋中密封保存于4℃冰箱,用于測定粗蛋白質(zhì)、可溶性糖、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維。
表1 試驗地0~20 cm土壤基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic chemistry property of experimental soil
粗蛋白質(zhì)(crude protein,CP):凱氏消化后用流動注射分析儀(FIAstar 5000)測定;可溶性糖(water soluble carbohydrate,WSC)采用H2SO4-蒽酮比色法測定;中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)采用范氏(Van Soest)的洗滌纖維分析法[39]測定。
采用SPSS 15.0軟件的One-way ANOVA進(jìn)行方差分析,用Bivariate Correlate進(jìn)行相關(guān)分析,用Excel 2003進(jìn)行作圖。
利用SPSS 15.0軟件的Box功能,對45個垂穗披堿草居群的產(chǎn)量、CP、WSC、NDF和ADF含量的分布特征進(jìn)行分析,形成Box圖(圖1)。經(jīng)正態(tài)分布檢測和頻次分布分析,居群的產(chǎn)量、CP、WSC、NDF和ADF含量均為近正態(tài)分布(圖2),表現(xiàn)為典型的數(shù)量性狀變異。
45個垂穗披堿草居群鮮草產(chǎn)量平均值為7 276.98 kg/hm2,最小值為2 062.59 kg/hm2,最大值為18 597.73 kg/hm2,極差16 535.14 kg/hm2,最大值較最小值高8倍,變異系數(shù)為67.34%。僅有17個居群高于7 819.73 kg/hm2(當(dāng)?shù)鼐尤海?,占樣品總?shù)的37.78%(圖1A,2A);45個垂穗披堿草居群干草產(chǎn)量平均值為1 794.75 kg/hm2,最小值為529.42 kg/hm2,最大值為4 682.60 kg/hm2,極差4 153.18 kg/hm2,最大值較最小值高7.8倍,變異系數(shù)為62.83%。僅有18個居群高于2 037.59 kg/hm2(當(dāng)?shù)鼐尤海?,占樣品總?shù)的40.00%(圖1B,2B)。
45個垂穗披堿草居群CP平均值為16.89%,最小值為13.88%,最大值為23.92%,極差10.04%,最大值較最小值高72.33%,變異系數(shù)為15.55%。95%置信區(qū)間CP為16.42%~17.56%。僅有15個居群高于16.88%(當(dāng)?shù)鼐尤海紭悠房倲?shù)的33.33%(圖1C,2C)。
45個垂穗披堿草居群WSC平均值為3.51%,最小值為1.59%,最大值為6.03%,極差4.44%,最大值較最小值高279.24%,變異系數(shù)為31.19%。95%置信區(qū)間 WSC為3.22%~3.77%。僅有17個居群高于3.60%(當(dāng)?shù)鼐尤海?,占樣品總?shù)的37.78%(圖1D,2D)。
45個垂穗披堿草居群NDF平均值為62.27%,最小值為57.34%,最大值為64.97%,極差10.63%,最大值較最小值高18.54%,變異系數(shù)為3.62%。95%置信區(qū)間NDF為61.78%~62.69%。僅有17個居群低于61.78%(當(dāng)?shù)鼐尤海?,占樣品總?shù)的37.78%(圖1E,2E)。
表2 45份垂穗披堿草材料種源地基本情況Table 2 Basic situation provenance of 45 E.nutans materials
圖1 垂穗披堿草產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)性狀分布的BOX圖Fig.1 Boxplots of forage production and quality about E.nutans
圖2 垂穗披堿草產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)性狀頻次分布Fig.2 Frequency distribution of forage production and quality about E.nutans
45個垂穗披堿草居群ADF平均值為39.66%,最小值為35.06%,最大值為47.23%,極差12.17%,最大值較最小值高34.78%,變異系數(shù)為7.24%。95%置信區(qū)間ADF為39.00%~40.28%。有40個居群低于41.61%(當(dāng)?shù)鼐尤海紭悠房倲?shù)的88.89%(圖1F,2F)。
不同垂穗披堿草居群間鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表3),從而說明遺傳因素對以上2個性狀的影響是真實存在的,可以進(jìn)行下一步居群間這2個性狀的差異分析。
不同垂穗披堿草居群間CP、WSC、NDF和ADF含量的差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表4),從而說明遺傳因素對以上4個性狀的影響是真實存在的,可以進(jìn)行下一步居群間這4個性狀的差異分析。
鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),鮮草產(chǎn)量與CP含量呈顯著正相關(guān),與WSC含量呈顯著負(fù)相關(guān),而干草產(chǎn)量只與 WSC含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。
CP與NDF和ADF含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與WSC含量相關(guān)不顯著。WSC含量與NDF含量呈極顯著正相關(guān),與ADF含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),而NDF和ADF含量間亦達(dá)到極顯著正相關(guān)(表5)。
由于CP含量與NDF和ADF含量呈極顯著負(fù)相關(guān)及WSC含量與酸性洗滌纖維呈顯著負(fù)相關(guān)與中性洗滌纖維呈顯著正相關(guān),NDF和ADF呈顯著正相關(guān),依此相關(guān)關(guān)系,CP和WSC含量按由大到小的順序,NDF和ADF含量則按由小到大的順序分別排序,再根據(jù)影響居群飼用品質(zhì)主要性狀依次是CP、WSC、NDF和ADF含量,然后選取綜合性狀表現(xiàn)為前5位和后5位材料(表6)。QE36、GE45、GE17、QE37和GE22五個居群品質(zhì)綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異,其共同特點是CP和 WSC含量高,而NDF和ADF含量低;GE21、GE32、GE02、QE41和GE23五個居群品質(zhì)綜合性狀表現(xiàn)不良,其CP和WSC含量低,而NDF和ADF含量高。
表3 不同垂穗披堿草居群間產(chǎn)量的方差分析Table 3 Variance analysis of forage production about E.nutans among different populations
表4 不同垂穗披堿草居群間飼用品質(zhì)的方差分析Table 4 Variance analysis of forage quality about E.nutans among different populations
本研究通過田間比較試驗證明垂穗披堿草居群間CP、WSC、NDF和ADF品質(zhì)性狀存在遺傳差異,與已有的不同居群遺傳研究相一致[35,36,40],這為居群選擇高品質(zhì)材料提供了可能。
表5 垂穗披堿草產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)性狀間的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation coefficients of forage production and quality traits about E.nutans among varieties
表6 垂穗披堿草不同居群飼用品質(zhì)性狀綜合評價表Table 6 Comprehensive evaluation of forage traits about E.nutans populations
Hamrick和Godt[41]曾對涉及165個屬,449個種的不同類型植物的遺傳變異水平和居群分化程度進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果發(fā)現(xiàn)自花授粉植物51%的遺傳變異存在于居群間。Love和Dewey指出廣義披堿草屬植物具有自花授粉的生殖特性[37,38],而馬嘯等[36]通過對我國野生垂穗披堿草種質(zhì)醇溶蛋白遺傳多樣性研究也發(fā)現(xiàn)地理群體間變異大于群體內(nèi)變異,表明垂穗披堿草的繁育系統(tǒng)以自花授粉為主。而白史且[20]對川西北野生垂穗披堿草居群穗部多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)居群內(nèi)變異大于居群間的變異,這又與Hamrick和Godt[41]的結(jié)論相悖,其原因可能是材料的采集地相對狹窄,造成差異較??;另外當(dāng)?shù)氐囊吧尤涸獾狡茐?,進(jìn)而造成取樣范圍擴(kuò)大也是其可能原因[20]。說明了在大區(qū)域內(nèi)垂穗披堿草居群間的遺傳變異大于居群內(nèi)的遺傳變異[42,43]。試驗所用的45份材料來自甘肅,青海和四川,其采集地范圍是 N 99.53°~103.53°,E 33.89°~37.31°(表1),采集區(qū)域相對較大,因此不同居群垂穗披堿草的飼用品質(zhì)差異的存在也可以得到相應(yīng)的解釋。
嚴(yán)學(xué)兵等[35]對青藏高原垂穗披堿草遺傳變異的地理因素進(jìn)行分析,表明海拔是影響垂穗披堿草遺傳結(jié)構(gòu)的最重要因素。本試驗的垂穗披堿草居群材料海拔從2 536 m到3 864 m(表1),海拔跨度達(dá)1 300 m,青藏高原強(qiáng)烈的環(huán)境異質(zhì)性,對于披堿草屬植物的遺傳進(jìn)化和選擇都會起到更大的作用,導(dǎo)致物種在不斷適應(yīng)過程中遺傳背景高度分化[35]。
鄢家駿等[44-46]對21個披堿草屬的老芒麥野生居群進(jìn)行營養(yǎng)評價,居群間的粗蛋白變異達(dá)到15%,比中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維都大。所有材料的粗蛋白含量為8.27%~14.79%,平均值為10.96%,進(jìn)行篩選可得到4份高蛋白,低纖維的居群。本研究以45個垂穗披堿草居群為材料分析了整株營養(yǎng)品質(zhì)性狀的變化特點,初步發(fā)現(xiàn)居群間CP、WSC、NDF和ADF含量存在極顯著差異,各品質(zhì)性狀近似正態(tài)分布。CP與NDF和ADF含量極顯著負(fù)相關(guān),NDF與ADF呈極顯著正相關(guān)。篩選出5個整株CP和WSC含量高而NDF和ADF含量低的垂穗披堿草居群,其中GE22和GE45兩個居群的產(chǎn)量較高而且品質(zhì)也較好。
垂穗披堿草品質(zhì)受遺傳因素、環(huán)境因素和栽培管理措施的共同影響[27,35,43]。Bediye等[47]指出盡管品種間的營養(yǎng)價值確實存在差異,但具體劃分這些品種還要受到環(huán)境變化和地點的影響,因此評價一個好的牧草材料應(yīng)該多年多點進(jìn)行驗證。本研究是在一年一點試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,對研究結(jié)果需要通過多年多點試驗進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。
致謝:本試驗用種子由王彥榮教授提供,謹(jǐn)致謝忱!
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