孟麗娟，趙桂琴

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

國外引進(jìn)紅三葉種質(zhì)在甘肅中部地區(qū)的生長特性及生產(chǎn)性能初步評(píng)價(jià)

孟麗娟，趙桂琴*

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

摘要：為豐富我國紅三葉種質(zhì)資源，給紅三葉品種選育提供優(yōu)異材料，探討國外引進(jìn)資源在甘肅中部地區(qū)的綜合表現(xiàn)，本文以來自俄羅斯、加拿大和美國的31份紅三葉種質(zhì)為供試材料，對(duì)其形態(tài)特征、農(nóng)藝性狀、生產(chǎn)性能等方面的14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了測定，發(fā)現(xiàn)其在生育期、株高、分枝數(shù)、葉面積、莖葉比、再生速度和干草產(chǎn)量等指標(biāo)上差異非常顯著。來源地對(duì)供試材料的形態(tài)特征和生產(chǎn)性能也有影響。個(gè)別種質(zhì)材料在單一性狀上表現(xiàn)優(yōu)異，可直接應(yīng)用于生產(chǎn)。通過主成分分析，選取方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)78.94%的前5個(gè)主成分對(duì)供試材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，31份種質(zhì)中，來自俄羅斯的ZXY2008P-4996綜合得分最高，表現(xiàn)最優(yōu)，其次是來自美國的Scarlett和Star fireⅡ；ZXY2008P-5419綜合得分最低，適應(yīng)性最差。依據(jù)主成分向量可將31份紅三葉種質(zhì)聚為4類。

關(guān)鍵詞：紅三葉；種質(zhì)資源；主成分分析；聚類分析；適應(yīng)性評(píng)價(jià)

Evaluation of the adaptability of imported red clover germplasm in central Gansu

MENG Li-Juan, ZHAO Gui-Qin*

CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcologySystem,MinistryofEducation,Sino-U.S.CentersforGrazingLandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China

Abstract:To enrich the red clover (Trifolium pratense) germplasm resource in China and provide superior materials for breeding, we conducted a comprehensive study on the performance of imported red clover germplasm in central Gansu. In total, 31 red clover accessions were evaluated, and 14 traits including morphological, agronomy, and productivity traits were measured. There were significant differences among accessions in growth period, plant height, branch number, leaf area, stem∶leaf ratio, regrowth speed, and hay yield. The source of the materials also affected morphological characteristics and productivity. A few accessions showed superior performance of a single trait and could be used directly to increase production. A principal component analysis of the 14 traits indicated that five traits with a 78.94% cumulative contribution rate could be used for comprehensive evaluation of the red clover germplasm. In terms of performance, ZXY2008P-4996 from Russia was the best, followed by Scarlett and Star fire II from the United States. The accession ZXY2008P-5419 had the lowest score and showed the poorest adaptability. The 31 red clover accessions were grouped into four clusters based on principal component indexes.

Key words:red clover (Triticum aestivum); germplasm resource; principal component analysis; cluster analysis; adaptability evaluation

紅三葉(Trifoliumpratense)是豆科三葉草屬多年生牧草，又名紅車軸草、紅花荷蘭翹搖、金雀菜等[1]，是世界上主要的栽培草種之一[2-3]。紅三葉蛋白質(zhì)含量高、草質(zhì)柔嫩多汁，適口性好，葉片不易脫落，可以青飼、青貯和調(diào)制青干草，與多年生禾本科牧草混播，不僅高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，而且提高了飼草的營養(yǎng)價(jià)值，是歐洲和北美多年生草地不可缺少的豆科牧草之一[4-7]。紅三葉具有很強(qiáng)的固氮能力，耐旱耐瘠，因此也可作綠肥使用[8]。另外，紅三葉也因含有大量的異黃酮類物質(zhì)而頗受青睞[9]。

紅三葉在云南、貴州、甘肅、江西、四川、新疆等地都有栽培[10]，但我國紅三葉資源較少，僅在新疆、湖北、四川等地有野生種分布；對(duì)紅三葉資源方面的研究也不多見。申忠寶和王建麗[11]在哈爾濱進(jìn)行了紅三葉栽培馴化試驗(yàn)，篩選出了具有利用價(jià)值的優(yōu)良紅三葉種質(zhì)。Liu和Xu[12]在不同三葉草品種農(nóng)藝性狀與營養(yǎng)特性比較研究中發(fā)現(xiàn)，加拿大普通型紅三葉最適合在湖南省低海拔地區(qū)種植。朱永群等[13]研究了紅三葉在川中地區(qū)的適應(yīng)性，篩選出了適宜在四川中高海拔地區(qū)推廣種植的品種。宋超等[14]對(duì)國外引進(jìn)的6個(gè)紅三葉品種進(jìn)行了比較。目前經(jīng)過國家草品種審定委員會(huì)審定登記的紅三葉品種只有巴東紅三葉、巫溪紅三葉、天水紅三葉和岷山紅三葉，其中后兩者是甘肅的品種。紅三葉在甘肅岷縣和漳縣種植面積較大，已從單純的飼草轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂酗曈煤退幱秒p重功用的植物，從紅三葉中提取異黃酮經(jīng)濟(jì)效益顯著[15]。岷縣方正草業(yè)和岷山草業(yè)有限責(zé)任公司長期從事紅三葉飼草的生產(chǎn)和銷售、方正草業(yè)公司還投資2000多萬元建立了紅三葉異黃酮提取生產(chǎn)線，促進(jìn)了紅三葉面積的進(jìn)一步擴(kuò)大。但是生產(chǎn)上能用的品種比較少，目前以岷山紅三葉為主，產(chǎn)量較低，亟待引入高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的品種資源[5]。

在種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)篩選方面，通常由于涉及物候期、農(nóng)藝性狀、生產(chǎn)性能和抗性等多方面的指標(biāo)，需要對(duì)其進(jìn)行客觀而準(zhǔn)確的綜合評(píng)價(jià)以利于篩選。常用的綜合評(píng)價(jià)方法有灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)法、主成分分析法、因子分析法、聚類分析法、五級(jí)評(píng)分法等?；疑P(guān)聯(lián)度系數(shù)法優(yōu)點(diǎn)在于思路明晰，可在很大程度上減少由于信息不對(duì)稱帶來的損失，并且對(duì)數(shù)據(jù)要求低，工作量少；缺點(diǎn)是需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值進(jìn)行確定，主觀性過強(qiáng)，同時(shí)部分指標(biāo)最優(yōu)值難以確定。因子分析是根據(jù)原始變量的信息進(jìn)行重新組合，找出影響變量的共同因子，化簡數(shù)據(jù)；并通過旋轉(zhuǎn)使得因子變量更具有可解釋性，但在計(jì)算因子得分時(shí)，采用的最小二乘法有時(shí)可能會(huì)失效。聚類分析法直觀，結(jié)論形式簡明；但在樣本量較大時(shí)，要獲得聚類結(jié)論有一定的困難。聚類分析在小麥(Triticumaestivum)[16]、玉米(Zeamays)[17]、大豆(Glycinemax)[18]等資源評(píng)價(jià)方面都有應(yīng)用。五級(jí)評(píng)分法是將各項(xiàng)指標(biāo)的測定值經(jīng)過換算進(jìn)行定量表示，根據(jù)各指標(biāo)的變異系數(shù)確定其參與綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)矩陣，經(jīng)過權(quán)重分析進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以消除各性狀因數(shù)值大小和變化幅度的不同而產(chǎn)生的差異，但指標(biāo)較多時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選缺乏有力依據(jù)。主成分分析法是利用“降維”的思想，在損失很少信息的前提下找到幾個(gè)綜合因子來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)，從而達(dá)到簡化的目的。由于該方法減少了變量的數(shù)目，有利于問題的分析和處理而被廣泛應(yīng)用[19-23]。

為豐富我國紅三葉種質(zhì)資源，給新品種選育提供原始材料，篩選優(yōu)異資源應(yīng)用于生產(chǎn)，本文對(duì)農(nóng)業(yè)部從俄羅斯和北美引進(jìn)的部分紅三葉種質(zhì)資源在甘肅中部地區(qū)的適應(yīng)性進(jìn)行研究，利用主成分分析法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在篩選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的紅三葉種質(zhì)資源，為其進(jìn)一步開發(fā)利用奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省中部的榆中縣良種場，海拔1930 m，年平均氣溫6.7℃，無霜期120 d左右，年均降雨量370 mm，蒸發(fā)量1450 mm。試驗(yàn)地土壤有機(jī)質(zhì)含量16.32%，速效鉀為80.94 mg/kg，速效磷為42.49 mg/kg，堿解氮86.31 mg/kg，pH為7.82，土壤為黃綿土。

1.2　試驗(yàn)材料

供試材料如表1所示，2012年4月，將從國外引進(jìn)的31份紅三葉種質(zhì)材料進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，其中俄羅斯的19份、加拿大的7份和美國的5份。小區(qū)面積15 m2，條播，行距40 cm，播種量15 kg/hm2，重復(fù)3次。按照常規(guī)管理進(jìn)行灌水和除草。

1.3　測定內(nèi)容及方法

1.3.1物候期觀測從播種第2年開始記載各個(gè)材料的返青期、分枝期、孕蕾期、現(xiàn)蕾期、開花期、結(jié)莢期、成熟期[24]。

1.3.2株高每份材料隨機(jī)選取10株，于盛花期測自然高度，從地面量至植株生長的最高部位，取平均值，對(duì)于匍匐莖不能拉直。重復(fù)3次。

1.3.3分枝數(shù)初花期從最貼近地面處數(shù)每株分枝數(shù)，每小區(qū)隨機(jī)選取10株，重復(fù)3次，取均值。

1.3.4葉面積初花期選取各主莖第1枚花序處三出復(fù)葉的中部葉片，每份材料選10株，用葉面積儀測定，重復(fù)3次。

1.3.5節(jié)間數(shù)、節(jié)間長用測完株高的枝條數(shù)節(jié)間數(shù)，并測定每節(jié)節(jié)間長。重復(fù)3次。

1.3.6葉長、葉寬每株取上、中、下層葉片各10片，用量尺測定從葉基部到尖部的長度，從最寬處測其寬度。重復(fù)3次。

1.3.7花序長度各材料于盛花期隨機(jī)選取花序10個(gè)，測定花序長度，重復(fù)3次。

1.3.8每花序小花數(shù)每份材料于盛花期隨機(jī)采摘完整的新鮮花序10個(gè)，統(tǒng)計(jì)每花序的小花數(shù)。重復(fù)3次，取平均值。

1.3.9莖葉比在初花期測定草產(chǎn)量之前，稱取紅三葉鮮樣500 g，將其莖、葉和花序分開，分別稱量葉鮮重、莖鮮重，折算為莖葉比?；ㄐ驓w為莖的部分，紅三葉的葉包括小葉、小葉柄及托葉，枯葉歸為莖的部分。重復(fù)3次。

1.3.10鮮干比初花期測產(chǎn)時(shí)，取紅三葉鮮樣500 g置于65~70℃烘箱中7~8 h，稱干重，計(jì)算鮮干比。重復(fù)3次。

1.3.11再生速度初花期刈割后，每小區(qū)隨機(jī)取10株進(jìn)行定株，隔10 d測定其再生枝條離地面的高度，除以所用天數(shù)為再生速度。重復(fù)3次，取平均值。

表1　試驗(yàn)材料及來源

1.3.12干草產(chǎn)量初花期每小區(qū)隨機(jī)取3個(gè)1 m樣段，留茬4~5 cm刈割，自然風(fēng)干后再經(jīng) 70℃烘48 h，稱干重，生長至初花期再進(jìn)行刈割，測下茬干重。根據(jù)2次刈割的1 m樣段內(nèi)的干草產(chǎn)量換算成每hm2干草產(chǎn)量。重復(fù)3次，計(jì)算平均值。

1.3.13千粒重每份材料隨機(jī)數(shù)取1000粒測種子，進(jìn)行稱重，重復(fù)3次，求平均值。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1　引進(jìn)紅三葉種質(zhì)在甘肅中部地區(qū)的物候期比較

不同紅三葉種質(zhì)物候期差異很大(表2)。其中3號(hào)和15號(hào)返青期最早，比其他材料提前7~14 d，但是其成熟期也較早，較其他材料提前25~30 d。返青最晚的是8號(hào)和11號(hào)，分別較3號(hào)晚25 d和21 d，其成熟期也最晚，較3號(hào)晚熟40 d和36 d。31份紅三葉種質(zhì)材料中，生育期最長的材料是 1號(hào)和8號(hào)，為178 d，最短的是16號(hào)和25號(hào)，為144 d，相差34 d。

表2　31份紅三葉種質(zhì)材料物候期比較

2.2　不同紅三葉種質(zhì)的形態(tài)特征分析

31份紅三葉種質(zhì)材料在形態(tài)特征方面的差異非常顯著(表3)。葉面積變化范圍為4.69~14.51 cm2，相差3.1倍；其中葉面積最大的是9號(hào)，其次為28號(hào)和31號(hào)，18號(hào)的葉面積最小。葉長和葉寬直接影響葉面積的大小，9號(hào)材料的葉面積最大，其葉長和葉寬也最大，其葉長除與24號(hào)、28號(hào)和31號(hào)無明顯差異外，顯著高于其他材料(P<0.05)；其葉寬(3.76 cm)也是31份材料中最寬的。節(jié)間長的變幅也非常大，為8.28~15.07 cm，相差1.82倍。其中以31號(hào)種質(zhì)為最長，其次為6號(hào)(14.97 cm)和27號(hào)(14.95 cm)。16號(hào)材料的節(jié)間最短。節(jié)間數(shù)以28號(hào)種質(zhì)最多，為8.40個(gè)；12號(hào)最少，為4.60個(gè)，較28號(hào)減少了45.2%；花序長度的變化也比較大，花序最長的31號(hào)種質(zhì)材料為3.44 cm，最短的14號(hào)只有2.3 cm，大多數(shù)都在2.5~2.7 cm之間。每花序的小花數(shù)變幅在84.20~131.00之間，其中27號(hào)種質(zhì)的小花數(shù)最多，其次為16號(hào)和6號(hào)。形態(tài)指標(biāo)的豐富變化是供試材料遺傳多樣性的體現(xiàn)，為進(jìn)一步的選擇奠定了基礎(chǔ)。

表3　不同紅三葉種質(zhì)材料的形態(tài)特征

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). The same below.

2.3　紅三葉種質(zhì)的產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)性狀比較

產(chǎn)草量的高低是牧草種質(zhì)評(píng)價(jià)和篩選的一個(gè)重要指標(biāo)，株高、分枝數(shù)、再生速度等均會(huì)影響紅三葉的干草產(chǎn)量。從表4可以看出，31份材料的株高差異非常顯著。9號(hào)的株高最高，為88.67 cm，除與5號(hào)無明顯差異外，均顯著高于其他材料(P<0.05)。株高最矮的是20號(hào)，只有42.03 cm。分枝數(shù)以4號(hào)為最多，每株24.50個(gè)，其次為5號(hào)、15號(hào)、19號(hào)、8號(hào)等；17號(hào)分枝數(shù)最少，只有4號(hào)的44.6%。再生速度對(duì)干草產(chǎn)量的影響甚至大于株高和分枝數(shù)。有的材料生長緩慢，再生速度低，在甘肅中部地區(qū)一年只能收獲2茬，而再生速度快的品種可收獲3茬。31份種質(zhì)材料中，6號(hào)種質(zhì)的再生速度最快，為2.62 cm/d，其次為31號(hào)(2.54 cm/d)、29號(hào)(2.46 cm/d)和7號(hào)(2.44 cm/d)；4號(hào)的再生速度最低，為1.22 cm/d，不及6號(hào)的一半。受各種因素的影響，紅三葉的干草產(chǎn)量變化也非常大。由表4可知，23號(hào)種質(zhì)的干草產(chǎn)量最大，為16.17 t/hm2，其次為21號(hào)和27號(hào)；15號(hào)和25號(hào)的干草產(chǎn)量最低，分別為10.98和10.87 t/hm2。供試材料的千粒重變異也很大，其中31號(hào)種質(zhì)的千粒重最高，為2.66 g，顯著高于其他材料(P<0.05)。大多數(shù)種質(zhì)的千粒重在1.6~1.8 g之間。

表4　不同紅三葉種質(zhì)的產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)性狀

莖葉比和鮮干比是衡量牧草品質(zhì)的重要指標(biāo)，莖葉比越大，莖稈所占的比重就越大，牧草品質(zhì)就越差；鮮干比越大，牧草含水量越高，草質(zhì)越嫩，適口性越好。27號(hào)種質(zhì)的莖葉比最大，為4.28，顯著高于其他材料(P<0.05)；莖葉比最小的是20號(hào)(2.15)和25號(hào)(2.26)。與其他指標(biāo)相比，供試材料的鮮干比變化更為劇烈，變幅為2.72~6.96，相差2.56倍，不過極端材料較少，大多數(shù)材料的鮮干比在5.0左右。

2.4　紅三葉種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)

2.4.1各性狀標(biāo)準(zhǔn)化處理由于供試材料的來源不同、基因型不同，其在形態(tài)特征和產(chǎn)量及品質(zhì)指標(biāo)上變化非常大，很難用一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)對(duì)其作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。因此本文采用主成分分析法對(duì)31份紅三葉種質(zhì)材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。設(shè)株高、分枝數(shù)、干草產(chǎn)量、莖葉比、鮮干比、葉面積、葉長、葉寬、節(jié)間長、節(jié)間數(shù)、花序長度、每花序小花數(shù)、千粒重分別為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　參試材料各性狀標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

2.4.2主成分分析為了更充分地反映紅三葉種質(zhì)材料各指標(biāo)間起主導(dǎo)作用的綜合指標(biāo)，對(duì)14個(gè)主要性狀進(jìn)行主成分分析，計(jì)算出特征值和貢獻(xiàn)率(表6)，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)，確定主成分為5個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.936%，其中第1主成分的貢獻(xiàn)率為35.321%，貢獻(xiàn)最大的是草產(chǎn)量、葉面積、莖葉比、葉長、葉寬、節(jié)間長和花序長度這7個(gè)性狀， 說明第一主成分基本反映了這些指標(biāo)的信息。第2主成分的貢獻(xiàn)率為15.642%，株高、分枝數(shù)和節(jié)間數(shù)對(duì)主成分值的貢獻(xiàn)率都較大，說明第2主成分高的種質(zhì)植株比較高，分枝數(shù)比較多。第3主成分的貢獻(xiàn)率為12.608%，鮮干比和每花序小花數(shù)對(duì)主成分值的貢獻(xiàn)較大，說明第3主成分高的種質(zhì)鮮干比大，小花數(shù)比較多。第4主成分的貢獻(xiàn)率為8.069%，再生速度的貢獻(xiàn)最大，說明第4主成分高的種質(zhì)再生速度快。第5主成分的貢獻(xiàn)率為7.296%，千粒重的貢獻(xiàn)最大，說明第5主成分高的種質(zhì)千粒質(zhì)量較高。因此，前5個(gè)主成分基本上代表了供試材料評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕大部分信息。

表6　入選的5個(gè)主成分特征值及貢獻(xiàn)率

因子載荷量表示每個(gè)原始變量對(duì)各個(gè)主成分的因子載荷量的貢獻(xiàn)率。5個(gè)主成分各因子的載荷矩陣見表7，即5個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的系數(shù)。

表7　主要主成分各因子的載荷矩陣

2.4.3參試材料綜合評(píng)價(jià)根據(jù)分析結(jié)果得到相應(yīng)的主成分表達(dá)式(綜合評(píng)價(jià)函數(shù))如下：

F1=0.169ZX1-0.013ZX2+0.342ZX3+0.204ZX4+0.303ZX5+0.137ZX6+0.423ZX7+0.386ZX8+0.416ZX9+0.274ZX10+0.204ZX11+0.240ZX12+0.063ZX13+0.138ZX14

F2=0.391ZX1+0.477ZX2+0.178ZX3-0.243ZX4+0.292ZX5+0.034ZX6-0.016ZX7-0.022ZX8-0.016ZX9-0.244ZX10+0.344ZX11-0.384ZX12-0.117ZX13-0.319ZX14

F3=-0.339ZX1-0.061ZX2+0.102ZX3-0.348ZX4+0.131ZX5+0.525ZX6-0.002ZX7-0.062ZX8-0.021ZX9-0.152ZX10+0.049ZX11+0.210ZX12+0.549ZX13-0.287ZX14

F4=0.313ZX1+0.496ZX2-0.100ZX3-0.234ZX4+0.008ZX5+0.093ZX6+0.018ZX7-0.260ZX8+0.141ZX9-0.169ZX10-0.465ZX11+0.118ZX12+0.261ZX13+0.409ZX14

F5=-0.107ZX1+0.073ZX2+0.295ZX3-0.395ZX4-0.428ZX5-0.030ZX6+0.021ZX7+0.125ZX8-0.018ZX9-0.034ZX10+0.342ZX11+0.175ZX12-0.144ZX13+0.508ZX14

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

=0.447F1+0.198F2+0.160F3+0.102F4+0.092F5

其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5分別為各主成分對(duì)應(yīng)的特征值。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算各種質(zhì)材料的綜合得分(表8)，給予紅三葉種質(zhì)材料定量化的描述，綜合得分越大，表明綜合表現(xiàn)越好。由表8可知，9號(hào)種質(zhì)材料的綜合得分最高，其次是27號(hào)和28號(hào)；25號(hào)、18號(hào)的綜合得分最低。

表8　31份紅三葉種質(zhì)材料綜合得分及排名

2.5　不同紅三葉種質(zhì)主要性狀的聚類分析

聚類分析是根據(jù)事物本身的特性來研究個(gè)體分類的方法，原則是同一類中的個(gè)體有較大的相似性，而不同類的個(gè)體差異很大，而系統(tǒng)聚類是在各個(gè)領(lǐng)域中使用最多的一種方法。本研究以各種質(zhì)材料的5個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)，將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，用歐式距離和離差平方和法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，結(jié)果見圖1。從中可以看出，在歐氏距離為10處，31份紅三葉種質(zhì)材料聚成4類。

圖1　系統(tǒng)聚類Fig.1　Hierarchical cluster diagram

第Ⅰ類包括9份材料，分別是：1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、13號(hào)、16號(hào)、19號(hào)，均為俄羅斯的種質(zhì)。其整體特征為植株高大、分枝數(shù)多、鮮干比大；第Ⅱ類包含了來自俄羅斯的6號(hào)和7號(hào)、加拿大的23號(hào)和24號(hào)以及美國的27號(hào)、28號(hào)和30號(hào)等7份種質(zhì)材料。這類的主要特征為草產(chǎn)量、再生速度、葉面積、葉長、葉寬、節(jié)間長、節(jié)間數(shù)、每花序小花數(shù)、花序長度、千粒重均表現(xiàn)良好；第Ⅲ類包含了來自俄羅斯的3號(hào)、12號(hào)、18號(hào)和加拿大的20號(hào)、21號(hào)、22號(hào)、25號(hào)、26號(hào)等8份種質(zhì)材料。這類種質(zhì)材料莖葉比整體表現(xiàn)最好；第Ⅳ類包括7份種質(zhì)材料，分別是來自俄羅斯的2號(hào)、8號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、17號(hào)和美國的29號(hào)、31號(hào)。這類種質(zhì)材料整體表現(xiàn)適中，屬于中間類型。

3討論

豐富的種質(zhì)資源是開展育種工作的基礎(chǔ)[25]。一個(gè)新品種的育成，離不開優(yōu)異種質(zhì)資源的利用[26]。鑒于我國紅三葉資源較為缺乏，目前國內(nèi)生產(chǎn)中利用紅三葉幾乎全為引進(jìn)品種。俄羅斯擁有前蘇聯(lián)搜集的全部植物種質(zhì)資源，但其在庫存資源的繁殖更新和評(píng)價(jià)利用方面后勁不足。為此，我國農(nóng)業(yè)部每年從俄羅斯引進(jìn)部分牧草種質(zhì)資源，在豐富我國牧草種質(zhì)庫的同時(shí)幫助俄羅斯進(jìn)行繁殖更新。北美在紅三葉的研究利用和生產(chǎn)方面居世界前列，育成了許多優(yōu)良品種。本文對(duì)從俄羅斯、加拿大和美國引進(jìn)的紅三葉種質(zhì)材料進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，旨在為下一步的品種選育提供原始材料。國外引進(jìn)的種質(zhì)，因其所處的地理環(huán)境、氣候條件和土壤類型不同，因此在形態(tài)特征、生產(chǎn)性能和品質(zhì)等方面差異非常大。從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，31份紅三葉種質(zhì)材料都能在甘肅中部地區(qū)完成其整個(gè)生育過程。但不同種質(zhì)在甘肅中部相同的氣候環(huán)境和栽培條件下，其生育期存在顯著差異。1號(hào)和8號(hào)的生育期最長(178 d)，16號(hào)和25號(hào)的生育期最短(144 d)。

在相同的生態(tài)環(huán)境下鑒定植物不同特征的多樣性能夠較好地揭示其遺傳本質(zhì)[27]。形態(tài)學(xué)標(biāo)記具有簡便、直觀、易行、快速的特點(diǎn)[28-29]，是種質(zhì)資源評(píng)價(jià)和優(yōu)良種質(zhì)篩選的一個(gè)重要手段。31份紅三葉種質(zhì)材料在14個(gè)形態(tài)特征及產(chǎn)量品質(zhì)性狀上表現(xiàn)顯著差異，具有豐富的形態(tài)多樣性。既有葉片大、分枝數(shù)多的材料，如9號(hào)的葉面積最大(14.51 cm2)，4號(hào)的分枝數(shù)最多(每株24.50個(gè))；又有節(jié)間長、再生速度快的材料，如6號(hào)(節(jié)間最長，15.07 cm；再生速度最快，2.62 cm/d)；還有干草產(chǎn)量高、千粒重大的材料，如23號(hào)種質(zhì)的干草產(chǎn)量最高(16.17 t/hm2)，31號(hào)種質(zhì)的千粒重最大(2.66 g)。這些具有不同特征特性的種質(zhì)材料為紅三葉育種工作提供了豐富的原始材料，是品種選育的基礎(chǔ)。

長期以來三葉草種質(zhì)資源篩選主要依據(jù)表型性狀[22-23,30]，但由于紅三葉形態(tài)性狀復(fù)雜多樣，加大了表型選擇的難度。主成分分析已成功應(yīng)用于多種牧草種質(zhì)資源的研究[19-20]，但在紅三葉育種研究上應(yīng)用較少。運(yùn)用主成分分析能將紅三葉種質(zhì)多個(gè)表型性狀轉(zhuǎn)化為彼此互補(bǔ)相關(guān)的幾個(gè)主成分[31]，其中前5個(gè)主成分值的貢獻(xiàn)率達(dá)到78%以上，其所表達(dá)的綜合信息可以用來表達(dá)全部性狀的信息，從而顯著簡化篩選評(píng)價(jià)中表型性狀的數(shù)量，抓住主要矛盾，提高種質(zhì)資源篩選評(píng)價(jià)的效率[32]。從綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來看，來自俄羅斯的9號(hào)種質(zhì)生育期較長(165 d)、葉面積最大(14.51 cm2)、植株高大(88.67 cm)、分枝數(shù)多(18.67)、再生速度也較快(1.90 cm/d)、干草產(chǎn)量較高(14.95 t/hm2)、千粒重較大(1.72)，綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)。來自美國的27號(hào)和28號(hào)種質(zhì)僅次于9號(hào)，這些材料具有很大的開發(fā)利用潛力。25號(hào)和18號(hào)種質(zhì)則恰恰相反，在甘肅中部地區(qū)綜合表現(xiàn)最差，也沒有個(gè)別突出的性狀，利用價(jià)值較低。

在主成分分析基礎(chǔ)上的聚類，可有效地剔除一些無關(guān)大局的因子，使結(jié)果更加精確，在種質(zhì)資源分析及評(píng)價(jià)中應(yīng)用效果較好[33-34]。聚類分析是研究資源分類和親緣關(guān)系的常用方法之一[35-37]。本文借助于系統(tǒng)聚類分析方法，依據(jù)14個(gè)性狀對(duì)31個(gè)紅三葉種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析，把31個(gè)紅三葉種質(zhì)分成4類，使其性狀相近的聚為一類。從而克服了僅以個(gè)別性狀進(jìn)行直觀、經(jīng)驗(yàn)性分類的弊端[38]。聚類分析結(jié)果表明，主成分分析中綜合表現(xiàn)相近的種質(zhì)材料并未聚為一類，甚至部分來源于同一地域的種質(zhì)材料也并未聚為同一類。這種現(xiàn)象在苜蓿(Medicagosativa)、三葉草(Trifoliumrepens)等異花授粉牧草的聚類分析中比較常見[20,22]。一方面這些材料在選育過程中大多采用綜合品種的方法，親本數(shù)多且來源差異大；另一方面異花授粉的特性也使得這類牧草非常容易接受外來基因，經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)體差異大于品種間差異的現(xiàn)象，也部分抵消了來源地生態(tài)環(huán)境的影響。大量材料通過聚類分析可以突出同類的特點(diǎn)和不同類之間的差異，便于選擇和利用。主成分分析減少了變量的數(shù)目，避免了多個(gè)指標(biāo)因數(shù)值大小變幅不同而產(chǎn)生的差異，在損失很少信息的前提下，找到幾個(gè)綜合因子進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。兩種方法在揭示品種相似性和差異性上既有共性又有特異性，都能較好地對(duì)種質(zhì)資源綜合性狀進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，兩者綜合應(yīng)用可以更好地了解種質(zhì)產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的遺傳相似性和差異性。在紅三葉育種和生產(chǎn)中，可以根據(jù)各類材料的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的選擇，減少育種和生產(chǎn)中的盲目性以及工作量。

若要深入了解這些種質(zhì)資源的遺傳背景和利用價(jià)值，還需進(jìn)一步進(jìn)行品質(zhì)分析、抗性鑒定，以及分子水平的研究，以作出更加全面而準(zhǔn)確的判定。

4結(jié)論

1) 31份紅三葉種質(zhì)材料間生育期差異顯著，1號(hào)和8號(hào)最晚熟，生育期長達(dá)178 d；16號(hào)和25號(hào)最早熟，生育期144 d。

2) 不同來源的紅三葉種質(zhì)在形態(tài)指標(biāo)上變異很大，來自美國的材料以葉片大、節(jié)間長、干草產(chǎn)量高、再生速度快、種子千粒重大為主要特點(diǎn)；俄羅斯的種質(zhì)普遍分枝數(shù)多、葉片小、節(jié)間短、干草產(chǎn)量較低、種子也較小。

3) 31份供試材料中，有的種質(zhì)單一性狀特別突出。23號(hào)干草產(chǎn)量最高，達(dá)16.17 t/hm2；生長最快的是6號(hào)種質(zhì)(2.62 cm/d)；種子最大的是31號(hào)，千粒重達(dá)2.66 g；品質(zhì)最佳的是20號(hào)(莖葉比2.15)。

4) 31份材料中綜合表現(xiàn)最佳的是9號(hào)種質(zhì)，其次為27號(hào)和28號(hào)；25號(hào)和18號(hào)種質(zhì)綜合表現(xiàn)最差。

5) 31份紅三葉種質(zhì)材料可聚為4類，不同類別之間差異明顯。在紅三葉品種選育和生產(chǎn)實(shí)踐中，可根據(jù)各類材料的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的選擇，以減少工作量和提高工作效率。

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通訊作者*Corresponding author. E-mail：zhaogq@gsau.edu.cn

作者簡介：孟麗娟(1990-)，女，甘肅鎮(zhèn)原人，碩士。E-mail：menglijuan01180026@163.com

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部牧草種質(zhì)資源保護(hù)項(xiàng)目(2013014)和甘肅高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2012009)資助。

收稿日期：2014-09-30；改回日期：2014-11-05

DOI：10.11686/cyxb2014406http://cyxb.lzu.edu.cn