趙永強(qiáng)，張俊超，趙旭紅，張宗瑜，張建全，王彥榮，謝文剛

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020; 2.草業(yè)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué)),甘肅 蘭州 730020; 3.農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

垂穗披堿草落粒性評(píng)價(jià)及農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

趙永強(qiáng)1，2，3，張俊超1，2，3，趙旭紅1，2，3，張宗瑜1，2，3，張建全1，2，3，王彥榮1，2，3，謝文剛1，2，3

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020; 2.草業(yè)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué)),甘肅 蘭州 730020; 3.農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

為挖掘優(yōu)異垂穗披堿草(Elymusnutans)種質(zhì)資源，加快其抗落粒品種選育，本研究在前期資源篩選基礎(chǔ)上，于2015-2016年對(duì)13份垂穗披堿草種質(zhì)的落粒性及15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了變異、相關(guān)性、主成分和聚類(lèi)分析，并用隸屬函數(shù)法對(duì)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，15個(gè)農(nóng)藝性狀中落粒率的變異系數(shù)最大，為57.43%，穗長(zhǎng)的變異系數(shù)最小，為5.77%。13份種質(zhì)中，PI619516落粒率最低，種柄斷裂拉伸張力(breaking tensile strength，BTS)測(cè)定值達(dá)70.05 gf，種質(zhì)PI639855的落粒率最高，BTS值為13.99 gf。BTS變異分析表明，種質(zhì)PI639852的變異系數(shù)最大，為45.09%，表明該種質(zhì)在落粒性方面存在較大的種內(nèi)遺傳差異。相關(guān)性分析表明，倒二葉長(zhǎng)與旗葉長(zhǎng)和旗葉寬，旗葉長(zhǎng)與旗葉寬呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，每穗小花數(shù)與穗長(zhǎng)和莖粗呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，BTS與穗長(zhǎng)和莖粗呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，表明穗長(zhǎng)和莖粗越大，BTS就越小，落粒率就越高。以BTS值為變量的聚類(lèi)分析結(jié)果表明，13份種質(zhì)被聚為4類(lèi)，第ⅰ類(lèi)種質(zhì)落粒性最高，第ⅱ和第ⅲ類(lèi)種質(zhì)表現(xiàn)出很高的落粒性，而第ⅳ類(lèi)種質(zhì)落粒性中等。15個(gè)農(nóng)藝性狀的綜合聚類(lèi)分析結(jié)果表明，13份種質(zhì)被聚為4類(lèi)。隸屬函數(shù)分析表明，種質(zhì)PI547394的綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異，綜合隸屬函數(shù)值為0.55。本研究為垂穗披堿草育種提供了寶貴的遺傳資源。

垂穗披堿草；落粒性；斷裂拉伸張力；農(nóng)藝性狀；種質(zhì)評(píng)價(jià)；相關(guān)性分析；育種

落粒性是植物為了抵御惡劣的自然環(huán)境，繁衍后代而逐漸形成的一種適應(yīng)機(jī)制，落粒現(xiàn)象廣泛存在于禾本科植物中[1-2]，禾本科牧草種子成熟后在植株上的持留性極差，種子在收獲前發(fā)生自然脫落，嚴(yán)重影響種子的產(chǎn)量、質(zhì)量，增加了種子生產(chǎn)成本和采收的難度，對(duì)牧草種子的生產(chǎn)造成了巨大損失[3]。長(zhǎng)期以來(lái)，牧草的育種目標(biāo)多集中在產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)等方面，雖然落粒性是一種普遍存在的現(xiàn)象但并沒(méi)有引起牧草育種者的廣泛重視。相關(guān)研究表明，牧草低落粒的選擇對(duì)牧草產(chǎn)量和品質(zhì)不會(huì)造成大的影響，因此落粒性應(yīng)作為牧草育種的重要目標(biāo)之一，尤其是對(duì)于落粒性嚴(yán)重的草種[4]。

垂穗披堿草(Elymusnutans)是禾本科披堿草屬重要的多年生根莖疏叢型草本植物，主要生長(zhǎng)在海拔1 100～4 600 m的山坡道旁、林緣、灌叢、田埂、路旁以及河谷砂地[5-6]，它具有廣泛的生長(zhǎng)可塑性及較強(qiáng)的抗寒、抗旱和耐鹽堿性，在我國(guó)垂穗披堿草主要分布于內(nèi)蒙古、新疆、青藏高原、陜西、寧夏等地，是草原和草甸的重要組成部分[7-9]。垂穗披堿草作為麥類(lèi)作物的近緣種，對(duì)于豐富麥類(lèi)作物基因資源庫(kù)，改良麥類(lèi)作物抗蟲(chóng)、抗病、抗寒等重要農(nóng)藝性狀具有重要的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。

近年來(lái)，由于人們的過(guò)度放牧以及全球氣候變暖等環(huán)境因素的影響，近90%的天然草地發(fā)生退化，造成草地生產(chǎn)能力下滑[10]，同時(shí)我國(guó)飼草料生產(chǎn)水平不高[11]，這不僅使高寒草地牧區(qū)飼草供應(yīng)不足，也使我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展也受到了嚴(yán)重阻礙。垂穗披堿草作為該區(qū)域分布最廣泛的優(yōu)良牧草之一，具有適口性好、粗蛋白含量高、分蘗能力強(qiáng)的特點(diǎn)[12]，是高寒地區(qū)退化草地補(bǔ)播、改良以及栽培草地建植的優(yōu)良牧草[13]，在草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的地位日益突顯。但目前國(guó)內(nèi)垂穗披堿草品種較為匱乏，且大多具有較強(qiáng)的落粒性，是生產(chǎn)中亟待改良的重要農(nóng)藝性狀之一，同時(shí)關(guān)于其落粒性及農(nóng)藝性狀綜合評(píng)價(jià)方面的研究報(bào)道較少。本研究針對(duì)不同地理來(lái)源垂穗披堿草種質(zhì)的落粒性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)分析落粒性與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性，以期加速在抗落粒品種選育方面的研究，充分發(fā)揮優(yōu)質(zhì)垂穗披堿草在生態(tài)建植和畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在前期資源篩選基礎(chǔ)上，2015年4月在溫室對(duì)13份垂穗披堿草種質(zhì)共260個(gè)單株進(jìn)行育苗，待幼苗長(zhǎng)出3片葉時(shí)移栽至大田試驗(yàn)地，小區(qū)面積為(3 m×2 m)，每個(gè)小區(qū)種植一份種質(zhì)的20個(gè)單株，株行距為0.60 m×0.50 m，在同一條件下進(jìn)行栽培管理。試驗(yàn)材料來(lái)源、生境概述、海拔和經(jīng)緯度見(jiàn)表1。試驗(yàn)地點(diǎn)為蘭州大學(xué)榆中校區(qū)試驗(yàn)地(35°57′ N，104°09′ E)，屬典型大陸性半干旱半濕潤(rùn)氣候，海拔1 720 m，年均溫6.7 ℃，年降水量382 mm，蒸發(fā)量1 343 mm，無(wú)霜期90～140 d，土壤類(lèi)型為黃壤土。

表1 供試13份垂穗披堿草材料及來(lái)源Table 1 13 E. nutans accessions used in this study and their origins

1.2 指標(biāo)測(cè)定

2015和2016年，在垂穗披堿草種子完熟期，每份種質(zhì)隨機(jī)選取10個(gè)單株，測(cè)定倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、植株株高、植株分蘗數(shù)、莖節(jié)數(shù)、莖粗、穗長(zhǎng)、每穗小花數(shù)、外稃長(zhǎng)、外稃寬、芒長(zhǎng)、千粒重及落粒率共15個(gè)農(nóng)藝性狀。落粒性大小利用BTS(breaking tensile strength)法測(cè)定[14]，用拉力器拉伸小穗基部向上第2朵小花直至小花基部與小穗軸接觸處斷裂，此時(shí)拉力器上顯示的讀數(shù)表示了落粒性的大小，讀數(shù)越大表示落粒性越弱，反之，落粒性越強(qiáng)；BTS測(cè)定在每個(gè)花序上重復(fù)10次。旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)為葉耳到葉尖端的距離，旗葉寬、倒二葉寬為葉片的最大直徑，株高為地面至植株頂端處的高度，上述性狀均采用卷尺進(jìn)行測(cè)量，莖粗為離地面5 cm處的最大直徑，外稃長(zhǎng)為外稃末端與芒交點(diǎn)處的距離、外稃寬為外稃的最大直徑，這些性狀均采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)定。且每個(gè)性狀測(cè)定時(shí)每小區(qū)隨機(jī)選取10株，每株隨機(jī)選3～5個(gè)分枝進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后取平均值。莖節(jié)數(shù)為節(jié)環(huán)的數(shù)量，每小區(qū)隨機(jī)選取10株，每株隨機(jī)取3～5個(gè)分枝，測(cè)量后取平均值。分蘗數(shù)為離地面10 cm處所有的分枝數(shù)，每小區(qū)隨機(jī)選取10株，測(cè)量后取平均值。每穗小花數(shù)為花序上所有小花的數(shù)量，穗長(zhǎng)為小穗末端到頂端的距離，每小區(qū)隨機(jī)選取10株，每株隨機(jī)取3～5穗，測(cè)量后取平均值。芒長(zhǎng)為外稃與芒的交點(diǎn)到芒頂端的距離，每小區(qū)隨機(jī)測(cè)量10株，每株隨機(jī)取3～5穗，每穗隨機(jī)測(cè)量一次，測(cè)量后取平均值。千粒重測(cè)定，每個(gè)種質(zhì)隨機(jī)用百粒法對(duì)種子稱(chēng)重，重復(fù)8次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值用軟件Excel 2013和 SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性和主成分分析，用軟件HemI對(duì)BTS和農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類(lèi)分析，以便能更直觀(guān)地展現(xiàn)落粒特征和其農(nóng)藝性狀。然后根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率85%的標(biāo)準(zhǔn)[15]，對(duì)垂穗披堿草進(jìn)行主成分分析，其農(nóng)藝性狀的絕大部分相關(guān)信息可由主成分來(lái)概括[16]，從而對(duì)其主要影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后利用隸屬函數(shù)法對(duì)性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[17-19]，各指標(biāo)隸屬函數(shù)值的大小可反映出供試材料性狀品質(zhì)優(yōu)劣，然后用隸屬函數(shù)平均值對(duì)垂穗披堿草的綜合性狀優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此為優(yōu)異育種材料的篩選提供科學(xué)依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 垂穗披堿草落粒變異性分析

本研究中用BTS拉力計(jì)測(cè)定種子斷裂拉伸張力，結(jié)果表明，13份供試垂穗披堿草種質(zhì)的落粒性大小具有明顯的差異(表2)，單株間的BTS大小變化范圍為5.30 gf(PI639855)～111.60 gf(PI619516)，其中種質(zhì)PI619516抗落粒性較強(qiáng)，BTS測(cè)定值高達(dá)70.05 gf。 種質(zhì)PI547394、PI639852、PI499450、PI655193、W622107、PI531644、PI619590、PI619530、PI628698和Xiahe 48落粒率為中等水平；落粒率最高的材料為種質(zhì)PI639855，斷裂拉伸張力大小為13.99 gf。對(duì)13份材料BTS測(cè)定值進(jìn)行變異分析，材料PI639852的變異系數(shù)最大，變異系數(shù)為45.09%，表明材料PI639852在落粒性方面存在較大的種內(nèi)遺傳差異，材料PI499450的變異系數(shù)最小，為24.22%，材料PI619516的BTS平均測(cè)定值最大，為70.05 gf，說(shuō)明材料PI619516具有很高的抗落粒性，這可為低落粒垂穗披堿草的選育提供參考。

表2 13份垂穗披堿草種質(zhì)內(nèi)落粒性的變異分析Table 2 Seed shattering variation analysis of 13 E. nutans accessions

2.2 13份材料BTS值的聚類(lèi)分析

BTS值越大，表明種質(zhì)抗落粒性越強(qiáng)，反之亦然。通過(guò)對(duì)13份材料BTS測(cè)定值的聚類(lèi)分析(圖1)，結(jié)果表明，13份材料被聚為兩大類(lèi)，包括四小類(lèi)，第ⅰ小類(lèi)的材料為PI619516，BTS平均值為70.05 gf，表現(xiàn)高抗；第ⅱ小類(lèi)包括材料PI547394、PI619590、PI628698、PI639855和W622107，第ⅲ小類(lèi)包括材料PI639852、PI619530、PI655193和Xiahe 48，這兩類(lèi)材料的BTS平均值范圍在13.99～25.09 gf，說(shuō)明這些材料具有很高的落粒性；第ⅳ小類(lèi)包括種質(zhì)PI619520、PI499450、PI531644，BTS平均值為23.64～34.54gf，表現(xiàn)為中抗。

圖1 13份垂穗披堿草種質(zhì)的BTS熱圖聚類(lèi)分析Fig. 1 Heatmap cluster analysis of BTS value with 13 E. nutans accessions

注：每份種質(zhì)后的10種不同顏色表示該種質(zhì)BTS值的10次重復(fù)。

Note: Ten different colors after each accession indicate mean of ten replications of BTS values.

2.3 垂穗披堿草重要農(nóng)藝性狀的分析

13份供試材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀中，落粒率的變異系數(shù)最高，為57.43%(表3)，說(shuō)明垂穗披堿草的落粒率存在豐富的遺傳多樣性，其次為分蘗數(shù)、每穗小花數(shù)和千粒重，其變異系數(shù)分別為33.34%、33.05%和33.95%，表明垂穗披堿草在分蘗數(shù)、每穗小花數(shù)、千粒重上具有較為豐富的遺傳變異。

2.4 垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

對(duì)供試材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果表明，倒二葉長(zhǎng)與旗葉長(zhǎng)、旗葉寬呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.85(表4)；旗葉長(zhǎng)與旗葉寬呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.87；分蘗數(shù)與莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.76；每穗小花數(shù)與穗長(zhǎng)和莖粗呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.57和0.63。BTS與穗長(zhǎng)、莖粗呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.63和-0.62，表明穗長(zhǎng)和莖粗越大，BTS就越小，因此，在選育低落粒垂穗披堿草時(shí)可以為其提供參考。

2.5 供試材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀的聚類(lèi)分析

對(duì)15個(gè)農(nóng)藝性狀的聚類(lèi)分析把供試材料聚為兩大類(lèi)，四亞類(lèi)(圖2)。第ⅰ亞類(lèi)包括9份材料，分別為PI547394、PI639852、PI619520、PI655193、PI619590、Xiahe 48、PI639855、PI628698和PI631644；第ⅱ亞類(lèi)材料為PI619530；第ⅲ亞類(lèi)為種質(zhì)PI619516；第ⅳ亞類(lèi)材料為W622107和PI499450。來(lái)自同一系列的材料多數(shù)被分在了同一個(gè)類(lèi)群，即第ⅰ亞類(lèi)材料旗葉長(zhǎng)、旗葉寬、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、株高、穗長(zhǎng)、每穗小花數(shù)、落粒率方面具有較為一致的性狀；第ⅱ亞類(lèi)材料具有較低的千粒重和芒長(zhǎng)；第ⅲ亞類(lèi)材料具有較低的落粒性，而旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、莖粗、穗長(zhǎng)則最小；第ⅳ亞類(lèi)材料在落粒性、千粒重、芒長(zhǎng)、分蘗數(shù)和倒二葉寬表現(xiàn)出差異。

2.6 垂穗披堿草15個(gè)農(nóng)藝性狀的主因子分析

對(duì)供試材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果表明(表5、6)，影響垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的前5個(gè)特征根的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)82.682%，供試垂穗披堿草各農(nóng)藝性狀特征向量的大小表示對(duì)主成分貢獻(xiàn)的多少，其中第1主成分的特征值是4.268，貢獻(xiàn)率為28.456%。第1主成分中以BTS(負(fù)值)的特征向量值最大，其次是旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬和穗長(zhǎng)，說(shuō)明對(duì)第1主成分影響最大的為BTS，倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、穗長(zhǎng)和旗葉長(zhǎng)次之。因此，將第1主成分稱(chēng)為落粒因子。第2主成分的特征值為2.682，貢獻(xiàn)率為17.881%，同樣，第2主成分中特征向量值最大的為外稃寬，其次是旗葉寬，然后是千粒重和外稃長(zhǎng)，說(shuō)明外稃寬對(duì)第2主成分影響最大，旗葉寬次之。由第2主成分可以看出，外稃寬越寬的材料，植株的旗葉寬越寬，千粒重越重，外稃長(zhǎng)越長(zhǎng)，而株高、分蘗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗小花數(shù)和芒長(zhǎng)越小，BTS逐漸增大，從影響落粒的角度來(lái)考慮，增大第2主成分的值，將減小種子脫落。第3主成分的特征值為2.250，貢獻(xiàn)率為14.998%，在第3主成分中以莖節(jié)數(shù)的特征向量值最大，表明莖節(jié)數(shù)對(duì)第3主成分的影響最大，其次是莖粗(負(fù)值)、分蘗數(shù)，因此，莖節(jié)數(shù)越多，莖粗越小，分蘗數(shù)越多。第4主成分的特征值是1.783，貢獻(xiàn)率為11.885%，在第4主成分中尤其以芒長(zhǎng)的特征向量值最大，而旗葉長(zhǎng)、倒二葉長(zhǎng)、穗長(zhǎng)、每穗小花數(shù)和外稃寬則減小。第5主成分的特征值是1.419，貢獻(xiàn)率為9.463%，第5主成分中特征向量值最大的為株高，而旗葉寬、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬和分蘗數(shù)減小。

表3 2015-2016年供試垂穗披堿草15個(gè)農(nóng)藝性狀的變異分析Table 3 The variation analysis of 15 morphological traits of E. nutans accessions in 2015 and 2016

Note：FL, flag leaf length; FW, flag leaf width; LSLI, length of the second leaf from the inflorescence; WSLI, width of the second leaf from the inflorescence; PH, plant height; IN, internodes number; TN, tillering number; SD, stem diameter; PL, panicle length; FPE, floret number per ear; LL, lemma length; LW, lemma wide; AL, awn length; TKE, thousand kernel weigth; BTS, breaking tensile strength; similarly for the following figure and tables.

表4 2015-2016年垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis on the agronomic traits of E. nutans in 2015 and 2016

注：*和**分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)。

Note: * and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively.

圖2 13份垂穗披堿草種質(zhì)的15個(gè)農(nóng)藝性狀聚類(lèi)分析Fig. 2 The clustering analysis of 15 agronomic traits of 13 E. nutans accessions

注：每份種質(zhì)的15個(gè)農(nóng)藝性狀，顏色越深值越大。農(nóng)藝性狀的簡(jiǎn)稱(chēng)同表3。

Note：15 agronomic traits of each accession are showed dark color means large value of the corresponding trait. The abbreviations of agronomic traits are same as those in Table 3.

表5 供試材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 5 Principal component analysis at 15 agronomic traits of 13 E. nutans

2.7 垂穗披堿草農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)

對(duì)垂穗披堿草的15個(gè)觀(guān)測(cè)指標(biāo)求其隸屬函數(shù)值，通過(guò)隸屬函數(shù)值的大小評(píng)價(jià)其種質(zhì)性狀的優(yōu)劣，隸屬函數(shù)值的大小越接近于1，則表明該性狀越優(yōu)異；反之表明該性狀表現(xiàn)越差。然后對(duì)每份材料的隸屬函數(shù)值求平均值，隸屬函數(shù)平均值的大小越接近1，表明該材料的綜合性狀越優(yōu)異；隸屬函數(shù)平均值越接近于0，則該材料的綜合性狀表現(xiàn)越差。從15個(gè)農(nóng)藝性狀隸屬函數(shù)結(jié)果表明(表7)，材料PI547394的綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異，隸屬函數(shù)的平均值為0.55，主要表現(xiàn)為旗葉、倒二葉和外稃長(zhǎng)，植株高大，莖節(jié)數(shù)多，莖粗，每穗小花數(shù)多，生物產(chǎn)量高；其次為材料PI619516、PI499450、PI655193、Xiahe 48和W622107，綜合性狀表現(xiàn)較優(yōu)，隸屬函數(shù)平均值分別為0.50、0.50、0.50、0.52和0.50；而PI619520和PI628698的隸屬函數(shù)平均值0.43，綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較差。

表6 關(guān)于15個(gè)性狀的前5個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征向量Table 6 Eigen vector of the first five principal components of 15 agronomic traits

表7 供試13份垂穗披堿草種質(zhì)各農(nóng)藝性狀的隸屬函數(shù)分析Table 7 The subordinate function analysis of agronomic traits of 13 E. nutans accessions

3 討論與結(jié)論

3.1 垂穗披堿草落粒性

垂穗披堿草作為我國(guó)西北和華北地區(qū)的重要禾本科牧草，其種子嚴(yán)重的落粒給生產(chǎn)帶來(lái)了不可估量的損失[12]，BTS的大小在一定程度上反映了落粒率的大小，BTS值越大，表明種質(zhì)抗落粒性越強(qiáng)，BTS值越小，表明種質(zhì)越易落粒。對(duì)13份垂穗披堿草材料落粒性的測(cè)定表明，種質(zhì)PI619516抗落粒性較強(qiáng)，落粒率最高的材料為種質(zhì)PI639855。對(duì)13份材料BTS測(cè)定值進(jìn)行變異分析發(fā)現(xiàn)，垂穗披堿草在同一種內(nèi)不同單株間落粒性存在很大的變異(材料PI639852的變異系數(shù)最大，為45.09%)，表明垂穗披堿草在落粒性方面存在很大的種內(nèi)遺傳差異，這與之前的研究結(jié)果一致。張妙青等[20]研究了50個(gè)垂穗披堿草居群的落粒性等農(nóng)藝性狀，發(fā)現(xiàn)居群內(nèi)多樣性占63.8%。BTS值在13份材料間也具有較大的差異，變異系數(shù)為57.43%。先前研究表明，垂穗披堿草種間具有較為豐富的遺傳多樣性[21]，此外，禾本科牧草種子的脫落與當(dāng)年種子生產(chǎn)栽培區(qū)域的氣候、種子的成熟度以及種子收獲方式等有密切關(guān)系，而掌握適宜的收獲時(shí)間及收獲方式能夠減少種子生產(chǎn)過(guò)程中所帶來(lái)的落粒損失[22]。對(duì)13份供試垂穗披堿草的落粒性進(jìn)行聚類(lèi)分析后發(fā)現(xiàn)材料被聚為4類(lèi)，其中第ⅰ類(lèi)材料表現(xiàn)出較低的落粒性。低落粒種質(zhì)是抗落粒垂穗披堿草新品種選育的基礎(chǔ)，而不同落粒性種質(zhì)可為進(jìn)一步開(kāi)展解剖結(jié)構(gòu)、遺傳差異和分子機(jī)理提供重要的研究材料。同時(shí)，也為低落粒垂穗披堿草品種的選育提供了親本來(lái)源，在后續(xù)的育種研究中，可將低落粒種質(zhì)作為親本選配雜交組合材料，改良現(xiàn)有品種[23]。

3.2 垂穗披堿草農(nóng)藝性狀相關(guān)性

光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物是植物生存、生長(zhǎng)、生殖的物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源[24]，倒二葉和旗葉葉面積越大，光合能力就越強(qiáng)，從而植株積累的有機(jī)物質(zhì)就越多，則垂穗披堿草營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)越旺盛。有研究表明，在種子生產(chǎn)時(shí)，分蘗數(shù)越多，莖節(jié)數(shù)就越多，莖粗和穗長(zhǎng)越大，每穗小花數(shù)就越多，種子產(chǎn)量會(huì)相應(yīng)增加[25]。主成分分析中提取了5個(gè)主要因子，其中第1主成分反映與種子落粒性狀相關(guān)，充分利用主成分因子將加快品種選育的進(jìn)程，從而縮短育種周期[26]，對(duì)于與落粒性狀相關(guān)的倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬和穗長(zhǎng)等性狀，可以通過(guò)主成分分析找出它們?cè)谛誀畋硇蜆?gòu)成之間的聯(lián)系，了解它們之間的影響關(guān)系，然后在育種過(guò)程中加以利用。

通過(guò)對(duì)13份材料聚類(lèi)分析，種質(zhì)被分為兩大類(lèi)、四小類(lèi)，本研究發(fā)現(xiàn)采自同一地區(qū)的材料大多數(shù)被聚為一個(gè)類(lèi)群，有趣的是，許多來(lái)自不同地區(qū)的材料也被劃分為同一類(lèi)群，這表明供試材料的遺傳差異與種類(lèi)的特性并沒(méi)有太大的關(guān)系[27]。由于田間試驗(yàn)氣候環(huán)境因素的難于控制使農(nóng)藝性狀的聚類(lèi)分析結(jié)果不穩(wěn)定[28]。因此，為了更有效地對(duì)垂穗披堿草種質(zhì)資源進(jìn)行系統(tǒng)、科學(xué)、全面的評(píng)價(jià)篩選并加快其優(yōu)異種質(zhì)的培育，可以將農(nóng)藝性狀分析與分子標(biāo)記方法相結(jié)合來(lái)綜合分析評(píng)價(jià)垂穗披堿草種質(zhì)資源，尋找與落粒性高度相關(guān)或關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位點(diǎn)，為低落性垂穗披堿草新品種的選育提供參考[29]。同時(shí)，可用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)垂穗披堿草品種的遺傳多樣性進(jìn)行檢測(cè)，為品種的遺傳改良以及雜交親本的選配提供參考[30]。

References:

[1] 王立群,楊靜，石鳳翎.多年生禾本科牧草種子脫落機(jī)制及適宜采收期的研究.中國(guó)草地學(xué)報(bào),1996,18(3):7-16. Wang L Q,Yang J,Shi F L.The study of peremial forage seed fall down function and its collection period.Chinese Journal of Grassland,1996,18(3):7-16.(in Chinese)

[2] Patterson S E.Cutting loose.Abscission and dehiscence inArabidopsis.Plant Physiology,2001,126(2):494-500.

[3] Harlan J R,Dewet J M J.Some thoughts about weeds.Economic Botany,1965,19(1):16-24.

[4] 查普曼.禾本科植物導(dǎo)論.北京:科學(xué)出版社,1996.

[5] 中國(guó)科學(xué)院植物志委員會(huì).中國(guó)植物志.北京:科學(xué)出版社,1987. Editorial Committee of Chinese Journal of Plant of Chinese Academy of Sciences.Flora of China.Beijing:Science Press,1987.(in Chinese)

[6] 陳智華,苗佳敏,鐘金城,馬嘯,陳仕勇,張新全.野生垂穗披堿草種質(zhì)遺傳多樣性的SRAP研究.草業(yè)學(xué)報(bào),2009,18(5):192-200. Chen Z H,Miao J M,Zhong J C,Ma X,Chen S Y,Zhang X Q.Genetic diversity of wildElymusnutansgermplasm detected by SRAP markers.Acta Prataculturae Sinica,2009,18(5):192-200.(in Chinese)

[7] 張妙青.垂穗披堿草種子落粒性及其相關(guān)MADS-box基因研究.蘭州:蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011. Zhang M Q.Seed shattering and its relatedMADS-boxgenes inElymusnutans.Master Thesis.Lanzhou:Lanzhou University,2011.(in Chinese)

[8] 張普金,徐長(zhǎng)林,周愛(ài)琴.人工垂穗披堿草草地植物量動(dòng)態(tài)研究.草原與草坪,1995(3):19-22.

[9] 梁國(guó)玲,周青平,顏紅波,劉文輝.高寒地區(qū)野生垂穗披堿草農(nóng)藝性狀及生產(chǎn)性能評(píng)價(jià).中國(guó)草地學(xué)報(bào),2011,33(6):51-56. Liang G L,Zhou Q P,Yan H B,Liu W H.Evaluation on agronomic characters and productivity of seven accessions of wildElymusnutansGriseb. in alpine areas.Chinese Journal of Grassland,2011,33(6):51-56.(in Chinese)

[10] 劉建秀,朱志紅,鄭偉.高寒草甸放牧擾動(dòng)與兩種植物的反應(yīng)研究.西北植物學(xué)報(bào),2005,25(10):2043-2047. Liu J X,Zhu Z H,Zheng W.Reponses of two plant species to grazing practice in alpine and cold meadow under grazing and grazing-suspension.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2005，25(10):2043-2047.(in Chinese)

[11] 李新一,王加亭,韓天虎,陳剛.我國(guó)飼草料生產(chǎn)形勢(shì)及對(duì)策.草業(yè)科學(xué),2015,32(12):2155-2166. Li X Y,Wang J T,Han T H,Chen G.China’s fodder production situation and countermeasure analysis.Pratacultural Science,2015,32(12):2155-2166.(in Chinese)

[12] Ren F,Zhou H K,Zhao X Q,Han F,Shi L N,Duan J C,Zhao J Z.Influence of simulated warming using OTC on physiological-biochemical characteristics ofElymusnutansin alpine meadow on Qinghai-Tibetan plateau.Acta Ecologica Sinica,2010,30(3):166-171.

[13] 曾霞.不同海拔垂穗披堿草種子的落粒和發(fā)芽特性.蘭州:蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011. Zeng X.Seed shattering and germination characteristics ofElymusnutansin different elevations.Master Thesis.Lanzhou:Lanzhou University,2011.(in Chinese)

[14] Qin Y,Kim S M,Zhao X,Jia B,Lee H S.Identification for quantitative trait loci controlling grain shattering in rice.Genes and Genomics,2010,32(2):173-180.

[15] 段利云,王通強(qiáng),陽(yáng)標(biāo)仁,秦琴.甘藍(lán)型油菜主要農(nóng)藝性狀的主成分和聚類(lèi)分析.山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2007,26(5):381-385. Duan L Y,Wang T Q,Yang B R,Qin Q.The principal component and cluster analysis of main agronomic traits ofBrassicanapusL.Journal of Mountain Agriculture and Biology,2008,26(5):381-358.(in Chinese)

[16] 孫耀中,東方陽(yáng),陳受宜,杜保興.氯化鈉脅迫下轉(zhuǎn)BADH基因水稻農(nóng)藝性狀的主成分及聚類(lèi)分析.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2003,19(3):23-25.

[17] 魏永勝,梁宗鎖,山侖,張辰露.利用隸屬函數(shù)值法評(píng)價(jià)苜?？购敌?草業(yè)科學(xué),2005,22(6):33-36. Wei Y S,Liang Z S,Shang L,Zhang C L.Comprehensive evaluation on alfalfa drought-resistance traits by subordinate function values analysis.Pratacultural Science,2005,22(6):33-36.(in Chinese)

[18] 席萬(wàn)鵬,王有科,孫飛達(dá).利用隸屬函數(shù)值法綜合評(píng)價(jià)花椒的抗旱性.甘肅林業(yè)科技,2004,29(1):5-6. Xi W P,Wang Y K,Sun F D.Comprehensive evaluation onZanthoxylumbungeanumdrought-resistance traits by subordinate function values analysis.Gansu Forestry Science and Technology,2004,29(1):5-6.(in Chinese)

[19] 康健,匡彥蓓,盛捷.10種作物秸稈的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分析.草業(yè)科學(xué),2014,31(10):1951-1956. Kang J,Kuang Y B,Sheng J.Analysis of nutritive value of 10 forages straw.Pratacultural Science,2014,31(10):1951-1956.(in Chinese)

[20] 張妙青,王彥榮,張吉宇,劉志鵬,張磊,聶斌,周晶.垂穗披堿草種質(zhì)資源繁殖相關(guān)特性遺傳多樣性研究.草業(yè)學(xué)報(bào),2011,20(3):182-191. Zhang M Q,Wang Y R,Zhang J Y,Liu Z P,Zhang L,Nie B,Zhou J.A study on genetic diversity of reproductive characters inElymusnutansgermplasm resources.Acta Prataculturae Sinica,2011,20(3):182-191.(in Chinese)

[21] 馬嘯,周永紅,于海清,張海琴.野生垂穗披堿草種質(zhì)的醇溶蛋白遺傳多樣性分析.遺傳,2006,28(6):699-706. Ma X,Zhou Y H,Yu H Q,Zhang H Q.Genetic diversity of gliadin in wild germplasm ofElymusnutansGriseb.Genetic,2006,28(6):699-706.(in Chinese)

[22] 范樹(shù)高,王彥榮,張妙青,劉文獻(xiàn),謝文剛.禾本科牧草種子的落粒性.草業(yè)科學(xué),2013,30(9):1420-1427. Fan S G,Wang Y R,Zhang M Q,Liu W X,Xie W G.Research progress of forage grass seed shattering.Pratacultural Science,2013,30(9):1420-1427.(in Chinese)

[23] 趙旭紅,姜旭,趙凱,趙希花,殷錦,謝文剛.低落粒老芒麥種質(zhì)篩選及農(nóng)藝性狀綜合評(píng)價(jià).植物遺傳資源學(xué)報(bào),2015,16(4):691-699. Zhao X H,Jiang X,Zhao K,Zhao X H,Yin J,Xie W G.Screening of germplasm with low seed shattering rate and evaluation on agronomic traits inElymussibiricusL.Journal of Plant Genetic Resources,2015,16(4):691-699.(in Chinese)

[24] 張小晶,宗仁旭,游明鴻,劉金平,雷雄,馬嬌.灌漿期虉草不同位葉對(duì)光照強(qiáng)度響應(yīng)能力及光合貢獻(xiàn)率.草業(yè)科學(xué),2016,33(5):942-948. Zhang X J,Zong R X,You M H,Liu J P,Lei X,Ma J.Photosynthetic contribution rate and response ofPhalarisarundinaccaleaves at the different position in filling stage to light intensity.Pratacultural Science,2016,33(5):942-948.(in Chinese)

[25] 韓建國(guó),李敏,李楓.牧草種子生產(chǎn)中的潛在種子產(chǎn)量與實(shí)際種子產(chǎn)量.草原與草坪,1996(1):7-11.

[26] 李陳建,付彥博,萬(wàn)江春,王玉祥,張博.30份蘇丹草種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析.草業(yè)科學(xué),2015,32(1):85-93. Li C J,Fu Y B,Wan J C,Wang Y X,Zhang B.Genetic diversity of agronomic characteristics of 30Sorghumsudanensegermplasm.Pratacultural Science,2015,32(1):85-93.(in Chinese)

[27] 周麗艷,郭振清,馬玉玲,東方陽(yáng),林小虎.春小麥品種農(nóng)藝性狀的主成分分析與聚類(lèi)分析.麥類(lèi)作物學(xué)報(bào),2011,31(6):1057-1062. Zhou L Y,Guo Z Q,Ma Y L,Dongfang Y,Lin X H.Principal component and cluster analysis of different spring wheat cultivas based on agronomic trait.Journat of Triticeae Crops,2011,31(6):1057-1062.(in Chinese)

[28] 駱凱,狄紅艷,張吉宇,王彥榮,李治錢(qián).19份草木樨種質(zhì)農(nóng)藝學(xué)與品質(zhì)性狀初步評(píng)價(jià).草業(yè)科學(xué),2014,31(11):2125-2134. Luo K,Di H Y,Zhang J Y,Wang Y R,Li Z Q.Preliminary evaluation of agronomy and quality traits of nineteenMelilotusaccessions.Pratacultural Science,2014,31(11):2125-2134.(in Chinese)

[29] 景蕊蓮,昌小平.小麥抗旱種質(zhì)資源的遺傳多樣性.西北植物學(xué)報(bào),2003,23(3):410-416. Jing R L,Chang X P.Genetic diversity in wheat (T.aestivum) germplasm resources with drought resistance.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2003,23(3):410-416.(in Chinese)

[30] 陳立強(qiáng),師尚禮.42 份紫花苜蓿種質(zhì)資源遺傳多樣性的SSR分析.草業(yè)科學(xué),2015,32(3):372-381. Chen L Q,Shi S L.Genetic diversity of 42 alfalfa accessions revealed by SSR markers.Pratacultural Science,2015,32(3):372-381.(in Chinese)

(責(zé)任編輯 武艷培)

Assessment of seed shattering and analysis of agronomic traits inElymusnutans

Zhao Yong-qiang1，2，3, Zhang Jun-chao1，2，3, Zhao Xu-hong1，2，3, Zhang Zong-yu1，2，3, Zhang Jian-quan1，2，3, Wang Yan-rong1，2，3, Xie Wen-gang1，2，3

(1.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and
Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China; 2.National Demonstration Center for Experimental Grassland Science Education (Lanzhou University) , Lanzhou 730020, China; 3.Key Laboratory of Grassland Livestock Industry Innovation, Ministry of Agriculture, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China)

To understand its germplasm resources and promote breeding inElymusnutans, variation coefficient, correlation-ship, principal component and cluster analyses were carried out on 15 agronomic traits of 13 accessions from 2015 to 2016. The results showed that the value of the seed shattering rate variation coefficient was the maximal (57.43%) and ear length was the minimum (5.77%) among 15 agronomic traits. PI619516 showed the best shattering resistance (breaking tensile strength, BTS = 70.05 gf) among 13 accessions, while the shattering rate of PI639855 (BTS = 13.99 gf) was the highest. Variation analysis of BTS suggested that PI639852 had the largest variation (CV=45.09%), which indicated there was great genetic differentiation among individuals. Correlative analysis revealed high significantly positive correlation (P<0.01) between length of the second leaf from the inflorescence and flag leaf length, as well as flag leaf width; flag leaf width had a high significantly positive correlation (P<0.01) with flag leaf length. Florets per ear and ear length showed a significantly positive correlation (P<0.05), as well as stem diameter. Breaking tensile strength and ear length were significantly negatively correlated (P<0.05), as well as stem diameter, showing that the larger the ear length and stem diameter, the higher the shattering rate (BTS was smaller). Cluster analysis of BTS showed that 13 accessions were clustered into four groups. Group ⅰ showed the lowest shattering rate. Group ⅱ and ⅲ seed shattering were highest shattering rate. Group ⅳ seed shattering was medium cluster analysis for 15 agronomic traits showed that all accessions were clustered into four groups. The subordinate function analysis showed PI547396 had the best comprehensive performance with subordinate function value of 0.55. These screened materials are important for future breeding programs.

Elymusnutans; seed shattering; breaking tensile strength; agronomic traits; germplasm evaluation; correlation analysis; breeding

Xie Wen-gang E-mail:xiewg@lzu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2017-0073

2017-02-16 接受日期：2017-05-12

國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(973項(xiàng)目)(2014CB138704)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(LZUJBKY-2016-7)；草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題

趙永強(qiáng)(1991-)，男，甘肅武威人，在讀碩士生，主要從事牧草種質(zhì)資源與育種研究。E-mail:zhaoyq16@lzu.edu.cn

謝文剛(1982-)，男，四川資中人，副教授，博士，主要從事牧草遺傳育種研究。E-mail:xiewg@lzu.edu.cn

S543+.9;S509.9

A

1001-0629(2017)08-1711-10

趙永強(qiáng)，張俊超，趙旭紅，張宗瑜，張建全，王彥榮，謝文剛.垂穗披堿草落粒性評(píng)價(jià)及農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析.草業(yè)科學(xué),2017,34(8)：1711-1720.

Zhao Y Q,Zhang J C,Zhao X H,Zhang Z Y,Zhang J Q,Wang Y R,Xie W G.Assessment of seed shattering and analysis of agronomic traits inElymusnutans.Pratacultural Science，2017,34(8)：1711-1720.