尹婷婷，谷丽丽，闫 锋，任明辉，任振伟，张延辉，李陈建，靳瑰丽，张 博

(西部干旱荒漠区草地资源与生态实验室，新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

【研究意义】老芒麦(ElymussibiricusL.)是披碱草属(Elymusspp.)植物的模式种，是多年生、自花授粉的异源四倍体植物[1-3]，主要分布在北半球的温寒地带，亚欧大陆和北美洲北部[4]。在我国主要分布于西北、东北、华北等地区，为草原和草甸的重要组成成分且能够形成优势种以及建群种[5-7]。老芒麦多数种质质地柔软、叶量丰富、种子产量高。老芒麦粗蛋白含量高，具有较高的营养价值和饲用价值，是高原地区重要的优质牧草[8-13]。因其基因组中含有麦类作物缺乏的优质、高产、抗逆(如抗寒、抗旱)等优异基因，可作为改良麦类作物的重要优质基因库[14-15]。老芒麦分布地区广、生存环境多样，形成了丰富的种质资源多样性[16]，对维持地区间生态平衡起着重要作用[11-12]。【前人研究进展】植物遗传多样性的研究主要从表型、细胞、蛋白质、分子等方面进行分析。表型性状分析因具有操作简单、结果直观等优点，在种质资源的认识、分类和材料的选择中被广泛利用，是种质资源研究的基本方法[19-20]。表型多样性是指特定群体在其分布区域内不同环境下的表型变异，由遗传因子与环境因子共同作用而体现[21-22]。表型研究是通过观测某些在遗传学上比较稳定的性状，运用数学统计方法揭示群体的遗传规律及变异大小，从而了解老芒麦植物的适应机制，为群体保护、育种提供理论支持[20-22]。近几年，由于全球变化和过多的人类破坏活动，引起的非生物胁迫情况增加，很多作者开始关注披碱草属抗性的相关研究，包括耐盐碱性、抗旱性、抗低温胁迫性、由污染所引起关注的重金属胁迫以及各种复合胁迫抗性。目前大多数披碱草属抗逆性方面的研究主要集中于研究不同种质苗期抗性生理指标的测定评价[23]。针对于垂穗披碱草的落粒性进行的研究、农艺性状与生产性能的评价、披碱草属的核型分析的研究也较多。研究地主要集中在西藏地区，且对垂穗披碱草的研究相对较多，主要种质选择为野生型。形态学鉴定包括研究表型的、穗部的，研究内容多围绕表型与海拔、生境等外界环境因素来进行。【本研究切入点】随着全球气候变暖、过度放牧的加剧等，老芒麦的生存环境受到威胁。因此，对老芒麦种质资源进行遗传多样性分析，研究老芒麦的遗传规律，了解植物群体对环境的适应性具有重要意义，也为引种提供一定的理论基础[17]。野生种质资源是育种的重要物质基础。目前，我国审定的披碱草属品种较少，其中一些品种年代较久且退化较严重，再加上育种水平和推广力度较低等原因，导致我国高产优质品种较少。已经严重影响了我国畜牧和生态用草的需要[18]。因此，对披碱草属植物老芒麦野生种质资源的收集和评价成为了当务之急。【拟解决的关键问题】本研究通过对59个野生老芒麦表型多样性分析，探究其表型性状的规律和变异，为老芒麦的引种、优质种质的挖掘以及遗传育种提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验材料为来源于新疆、西藏、青海的59份老芒麦种质资源(表1)，于2018年5月种植于新疆农业大学三坪实验基地资源圃。将种子在培养皿中萌发，待种子萌发后挑选大小一致的植株移至穴盘，1个月后将植株移至田间小区。每份种质材料种植于1个小区，每小区30株，单株种植，株距、行距均为30 cm。小区面积为1.80 m2(1.2 m×1.5 m)，小区间隔1 m。滴灌浇水，不施肥，定期清理杂草。

表1 59份老芒麦种质资源编号和采集地信息

续表1 Continued table 1

续表1 Continued table 1

1.2 测量指标与方法

分别于2019年7—9月和2020年7—9月对老芒麦的各项指标进行测量，每小区随机选15个单株，用卷尺、游标卡尺等(±0.02 mm)测量穗部、叶部、茎部、千粒重等21个性状指标(表2)。观察并记录其生育期、株型、茎绒毛、茎颜色、叶颜色、叶绒毛、叶量、颖颜色、芒性、抗病性、落粒性、花序形。所测指标按照中华人民共和国农业行业标准NY/T2486—2013《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南——披碱草属》中的方法进行测定。

1.3 数据处理

根据所测的不同种质表型性状指标，分别计算其最大、最小值、平均数、标准差、极差、变异系数、多样性指数。采用SPSS、Origin软件对21个数量性状进行主成分分析、聚类分析、隶属函数分析，同时对数量性状与气象因子进行了相关性分析。根据采样点附近74个气象站台数据，利用反距离权重插值法(IDW)进行空间插值，得到空间上的气温、降水和日照时数数据，再提取对应采样点的气温、降水和日照时数数据。其中，气温为多年平均气温，降水和日照时数为2010—2017年生长季(3—9月)期间的年平均降水量和年平均日照时数。

表2 农艺性状指标及观测标准

(1)

式中，pi表示第i等级的分布频率，即第i等级内材料份数占总份数的百分比[15-16]。

在对数量性状进行隶属函数分析时，由于株高、旗叶长、旗叶宽、叶长、叶宽、茎粗、叶层高度，穗长、小穗数、小花数、外稃长、外稃长宽、千粒重这13个指标与产草量和种子产量之间存在正相关。因此，本研究选用升型隶属函数进行分析，计算公式如下[24-25]。

R(xi)=(xi-xmin)/(xmax-xmin)

(2)

式中，xi为指标测定值；xmax、xmin分别为所有测试材料某一指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 表型性状多样性分析

2.1.1 质量性状 59份种质资源材料的12个质量性状的遗传多样性指数(H′)的变化范围为0.00～1.07(表3)，H′大于1.00的是生育期和叶量。其中生育期的H′最高，为1.07，频率分布主要以乳熟为主，占41%，完熟、腊熟分别占37%、22%。叶量的多样性较丰富，H′也相对较高，为1.04，叶量密的占49%，较密的占31%，较疏的占20%。颖颜色和落粒性的多样性指数分别为0.88和0.87，颖颜色以黄色为主，58%的供试材料表现出强落粒性；茎颜色和叶颜色均以绿色为主，分布频率分别为85%和88%；叶绒毛以无绒毛为主，株型以半直为主，仅有3份材料表现为直立；茎绒毛和花序形态多样性指数最低，均为0，全部表现为无茎绒毛和花序下垂。

表3 59份老芒麦质量性状的赋值、频率分布和多样性

2.1.2 数量性状 59份老芒麦两年间21个数量性状群体内和群体间在两年中的变异趋势较为一致(表4)，群体内变异系数最大的是旗叶长(2年均值32.85)，其次是旗叶宽、穗柄长、小穗数，变异系数最小的为千粒重(两年均值2.78)，可见群体内变异主要来自于旗叶长宽、穗柄长、小穗宽；群体间变异较大的是旗叶长、旗叶宽、穗柄长，表明群体间变异主要来自于旗叶长宽、穗柄长；群体间变异系数(12.42～61.47)大于群体内变异系数(2.69～31.64)，说明变异多来源于群体间。各性状群体间遗传多样性指数(H′)在两年间相对稳定，整体在0.09～2.04，株高、穗柄长、叶层高度、千粒重多样性指数较高；各性状两年的观测值之间的相关系数在 -0.02～0.626，其中株高、节间长、旗叶长、穗柄长、穗长、外稃长、外稃芒长7个性状在两年间呈现出极显著相关性(P<0.01)，茎节数、旗叶宽、穗轴第一节间长、叶层高度4个性状呈显著相关性(P<0.05)，其余10个性状无相关性，说明59份野生种质在2019和2020年的表型鉴定结果中差异较明显，表明受环境影响较大。

2.2 相关性分析

从种质资源表型性状的相关性分析结果显示(图1～2)，在表型性状之间，这两年中均出现株高与节间长、茎节数呈极显著正相关(P<0.001)，与茎粗有低显著正相关(P<0.05)，由于年间数据存在一定差异，整体与株高两年均呈正相关的还有穗柄长和穗轴第一节间长；茎粗与节间长有低显著正相关(P<0.05)，与茎粗两年均呈正相关的还有叶长、叶宽；与茎节数两年均呈正相关的是叶层高度；旗叶长与叶长呈极显著正相关(P<0.001)，与穗轴第一节间长呈极显著负相关(P<0.001)，两年均呈正相关的还有旗叶宽、穗长。与旗叶宽两年均呈正相关的是穗长；与叶长两年均呈正相关的是穗长、外稃长，呈负相关的是穗柄长；穗柄长与穗轴第一节间长呈极显著正相关(P<0.001)，两年均呈负相关的还有外稃长；与小穗长度两年均呈正相关的是小穗宽度；小花数与第一颖长呈极显著正相关(P<0.001)；与第一颖长两年均呈正相关的是外稃芒长；节间长、茎节数、叶宽、穗长、小穗宽度、小穗数、穗轴第一节间长、叶层高、外稃长、外稃宽这10个指标与其它指标两年间出现的相关性不一致。

在表型性状与气候因素之间，综合两年研究结果显示，与经度呈一定正相关的是旗叶长、叶长指标；与纬度呈一定负相关的是旗叶长、叶长、外稃长；与海拔呈一定正相关的是穗柄长、穗轴第一节间长，呈一定负相关的是旗叶长、叶长、外稃长；与年均降水量呈一定正相关的是穗柄长、穗轴第一节间长，呈一定负相关的是旗叶长、叶长、外稃长；年均温与外稃长有一定正相关性；年均日照时数与节间长、旗叶长、叶长、外稃长呈一定正相关性，与穗柄长、穗轴第一节间长呈一定负相关性。

2.3 聚类分析

对59份老芒麦种质资源材料的21个性状进行聚类分析(表5)，在遗传距离为15处将其划分为4个类群。

2019年聚类结果中，4个类群分别包含52份、3份、1份和3份种质材料。第Ⅰ披碱草属类群中，以叶部(旗叶、叶)较短较窄、穗部较短、穗柄和穗轴第一节间较长为主，其他指标在四大类中趋于中间水平；第Ⅱ披碱草属类群以叶部较长较宽、小穗较多、叶层较高、千粒重较重为主，其它指标在四大类中界于中间水平，且大多性状略优于第一类；第Ⅲ披碱草属类群中，株高、节间长、茎节数、穗长度、小花数、第一颖长、外稃长、外稃芒长为各类群中最优；第Ⅳ类群仅包括1份材料，大多性状指标表现较差。

2020年聚类结果中，4个类群分别包含39份、11份、8份和1份种质材料。第Ⅰ类群中，茎节、穗长、小穗数指标最优，其他指标在四大类中趋于中间水平；第Ⅱ类群材料多以株高、节间长、穗柄长、穗轴第一节间长指标最优，旗叶长宽、叶长、外稃宽较差；第Ⅲ类群中，各性状指标整体比第Ⅰ、Ⅱ类材料差，第Ⅳ类群仅有1份材料，株高、节间长、茎节数、穗柄、穗长、小穗数表现等指标表现较差，叶部长宽、小穗长、小花数、茎粗、叶层高、外稃长宽、外稃芒长、千粒重表现最优。

2019和2020年聚类相同的材料有32份，且仅在第Ⅰ类群中出现，总体上2年类群划分结果较一致的出现在第一类，重复率为54%。两年聚类相同的材料各指标大致处于中间水平。2019年所测各性状指标优于2020年，其中相差最大的指标是株高(最大相差30 cm)，其次是穗轴第一节间长、节间长，可能受2020年试验区整体自然环境影响，春夏季降雨量较少、气候干旱所致。

表4 59份老芒麦种质资源数量性状遗传多样性分析

表5 59份老芒麦种质资源聚类分析

*P≤0.05;**P≤0.01;***P≤0.001图1 2019年59份老芒麦种质资源表型性状相关性矩阵图Fig.1 Correlation matrix of phenotypic traits of 59 Elymus sibiricus germplasm resources in 2019

*P≤0.05;**P≤0.01;***P≤0.001图2 2020年59份老芒麦种质资源表型性状相关性矩阵图Fig.2 Correlation matrix of phenotypic traits of 59 Elymus sibiricus germplasm resources in 2020

2.4 隶属函数分析

对59份老芒麦种质资源所测指标中可能影响产草量的株高、旗叶长、旗叶宽、叶长、叶宽、叶层高度、茎粗7个指标用R1表示；和可能影响种子产量的穗长度、小花数、小穗数、外稃长、外稃宽、千粒重的6个指标，用R2表示，分别进行隶属函数分析(表6)。2019年R1、R2的平均隶属函数分别为0.49和0.42，小于平均值的种质在R1、R2中分别有30和32份；隶属函数值较大的种质材料，其综合性状较好。2020年R1、R2的平均隶属函数分别为0.47和0.49，小于平均值的种质，在R1、R2中分别有28和30份；2019年隶属函数值R1大于0.55的有5份，2020年有6份，主要表现为植株较高、叶片较大。2019年R2大于0.55的有2份，2020 R2有14份，主要表现为植株穗部性状优良，种子产量高。

表6 59份老芒麦种质资源平均隶属函数评价

3 讨 论

植物表型多样性是由遗传因子与环境因子共同作用的，反映了群体遗传变异能力和植物对环境的适应力，对表型性状的研究可以从整体上了解研究对象的多样性程度。对遗传多样性的研究，有助于了解物种内部遗传变异的大小和时空分布及其与环境的关系，有利于保护遗传资源的多样性[18,26]。本研究对59份老芒麦种质材料两年的34个表型性状的遗传多样性(H′)进行分析，其中质量性状H′在群体间的变化范围为0.00～1.07，数量性状H′在群体间的变化范围为整体为0.90～2.04，表明数量性状比质量性状的平均遗传多样性指数高，说明文中所选材料老芒麦的数量性状比质量性状存在更大的变异，这与加依娜·吾永巴衣[27]在高粱遗传多样性分析中的结果一致。群体内的变异系数范围是2.69～31.64，变异主要来自于旗叶长>旗叶宽>穗柄长>小穗数；群体间的变异系数范围是12.42～61.47，变异主要来自于旗叶宽>旗叶长>穗柄长>小穗宽>第一颖长>小穗长，可见59份材料中与牧草产量相关的形态指标变异程度大于与种子产量相关指标，这与白史且等[28]在青藏高原老芒麦野生种群生态特性与形态变异研究中的结果类似，均为叶部指标变异大于穗部大于。其次群体间变异大于群体内变异，即老芒麦在不同生境下的变异均大于各个群体内部，变异主要来自于群体间，这与刘新亮[29]对老芒麦和垂穗披碱草的研究结果一致，与白史且[17]对老芒麦的研究结果较一致。大部分植物的群体差异来源于种群间的，这与外界环境差异有一定关系，一定程度上群体间存在差异比群体内存在差异更有意义，因为群体间的变异是不同环境选择的结果，能真正反映物种在地理、生殖隔离上的差异[30]。变异性越高，说明遗传多样性越高，则该种群对环境的适应能力越强，越容易扩展其分布范围和开拓新环境。大量实验证明，生物居群中遗传变异的大小与其进化速率成正比[31]。由此可知，本研究中的老芒麦植物对环境适应能力强，如连续观测几年，有助于推测其进化潜力[33]。

地理位置(纬经度、气温、降水、日照)是影响披碱草属居群遗传分化的最重要因素，其次是海拔[33]。德英与刘新亮等人的研究表明，表型性状与种内材料的聚类均受海拔和纬度的影响较大，并且也受其生境的影响[28，33-34]。综合两年各性状与气候因素的相关性研究结果显示，老芒麦易受经纬度影响的表型指标为叶部长度，其与经度呈一定正相关，与纬度呈一定负相关；叶部长度、外稃长与海拔、降水量呈一定负相关性，与年日照时数呈一定正相关性；穗柄长、穗轴第一节间长与海拔、年降水量呈一定正相关性，与年日照时数呈一定负相关。说明气候因素对老芒麦生长过程有一定影响，且主要影响的性状指标为叶部长度、穗柄长、穗轴第一节间长、外稃长。说明植株的伸长生长指标更容易受环境影响，随着纬度、海拔、年降水量的增加或是经度、年日照时数的减小，植株叶片、茎秆有变短的趋势[35]；陈钊在海拔对披碱草属植物形态可塑性的研究中表示，海拔与株高呈显著负相关(P<0.05)[36]。本研究中只在第一年发现株高与纬度有低显著负相关，再未发现株高与任何气候因素呈某种明确的线性关系，而各气候因素与旗叶长、叶长、穗柄长、穗轴第一节间长指标有一定相关性，在植物表型相关性分析中可见，株高与穗柄长、穗轴第一节间长存在正相关关系，为何株高与各气候因素没有表现出一定的相关性，这可能由于在2020年气候相对干旱的因素下，植物株高对外界干旱缺水环境的响应大于穗柄长和穗轴第一节间长。且陈钊的研究也表明，不同种质披碱草属的表型性状对海拔的敏感程度不同[36]。则推断不同种质老芒麦植物的表型性状对不同环境因子的敏感程度也不同。

4 结 论

本试验通过对老芒麦数量性状和质量性状研究发现，数量性状比质量性状存在更大的变异，这为挑选优良株系奠定了基础。老芒麦在不同生境下的各群体变异均大于各个群体内部，影响变异程度的主要指标是旗叶长宽、穗柄长。文中发现老芒麦叶部适应环境的能力大于穗部，推测产草量指标受环境影响程度小于种子产量指标；叶部长度、穗柄长、穗轴第一节间长、外稃长这4个性状在遗传过程中受环境影响较大，其它所测的17个性状在遗传学意义上相对稳定，即植株的伸长生长指标更容易受环境影响，可为后续老芒麦在新环境中种植应注重哪方面的问题提供一定参考。上述可知，外稃长也是受环境因子影响较大的一项指标，而它作为披碱草属植物传统意义上的一项分类指标是否可以一直被沿用，需要更多的实验去论证。

试验筛选出14份具有优质性状的种质材料，其中不同的种质材料具有不同的优良性状，个别种质材料同时具有多个优良性状，如43和46号种质材料，在育种培育过程种应着重考虑。同时，我们发现老芒麦性状表现有很大差异，这为老芒麦种质创新提供了材料基础。

致 谢：感谢青海省畜牧兽医科学院的刘文辉老师，为本实验提供的青海、西藏披碱草属种质资源，感谢新疆农业大学孟岩老师在种质资源鉴定工作中提供技术指导。