寒地稗草形态性状多样性探究范文

摘要：采用相关性分析、主成分分析和聚类分析等方法，对43份寒地稗草的21个形态性状进行遗传多样性分析。结果表明：（1）21个形态性状中有6个性状只表现出一种表型，是相对稳定的形态性状，其余15个性状表现出不同程度的遗传差异。其中，叶长、叶宽和总状花序长度的变异系数较大，分别为17．51％、23．28％和16．74％。（2）部分数量性状间表现出显著或极显著的相关性，如叶长与圆锥花序长度和株高、叶宽与主茎直径、圆锥花序长度与总状花序长度均呈极显著正相关。（3）主成分分析表明，叶长、叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、小穗长度、主茎直径、小穗颜色、圆锥花序弯曲程度和株高等性状是造成寒地稗草表型差异的主要因素。（4）寒地稗草在遗传距离12．5处被划分成4大类群，且各类群间形态性状差异显著。第Ⅰ类群植株高大，但茎秆较细；第Ⅱ类群植株矮小纤细；第Ⅲ类群植株矮小但茎秆粗壮；第Ⅳ类群植株高大粗壮。

关键词：寒地稗草；数量性状；质量性状；遗传多样性

稗草隶属于禾本科（Gramineae）稗属（Echino－chloaBesuv．），是一年生或多年生草本植物。全属约有35种，我国仅有8个种6个变种，在全国各地均有大面积分布，其中北方地区最多［1］。稗草草质柔嫩，茎叶丰茂，富含粗蛋白质，其鲜草、干草、种子均为家畜和家禽喜食的优良饲料；稗草的草产量也很高，在高寒地区农牧交错带灌溉条件下种植稗草，鲜草产量一般在50～100t／hm2以上，干草产量在20t／hm2左右，籽实产量可达5t／hm2［2］。稗草繁殖力强，生态适应性广，抗倒伏、抗病虫的能力也很强。因稗草在农田中会危害农作物的生长，过去多把稗草看作杂草来研究其抗药性，忽视了对稗草资源的开发和利用。近年来，稗草逐渐引起了许多学者的重视，并且认为稗草是发展绿色畜产品的新型优质饲草。前人对稗草遗传多样性的研究多利用分子标记技术，如RAPD［3］、AFLP［4］、SSR［5］、ISSR［6］、SNP［7］等。由于形态性状具有直观、操作简便等特点，在育种和生产实践中具有重要意义，因此形态多样性也是研究种质资源最基本、最常用的方法［8～9］。Altop等［3］对不同来源的34份稗草进行了形态差异和遗传变异的比较，结果发现各品种之间的形态差异和遗传变异都比较大，认为这些变异可能是由农业耕作方式、作物生长特性及地理环境差异等因素引起的。陆永良等［10］依据21项形态性状对我国不同地区稻田稗草进行了分类和遗传多样性研究，把206份稗草划分成8个类群，这些类群在叶长、叶宽、小穗芒长、小穗长度等9个性状方面有显著差异。黑龙江省寒地稗草资源丰富，种类多样，但是分布混乱，遗传基础复杂，给其推广和应用带来了很大的困难［11］。刘杰淋等［12］对黑龙江省17份牧草稗进行了遗传多样性的初步研究，发现其数量性状的变异系数分布广泛，且部分性状间表现出一定的相关性。为更全面地了解黑龙江省寒地稗草的遗传变异，本研究采用相关性分析、主成分分析、聚类分析等多种方法，通过田间试验对43份寒地稗草的21个形态性状进行观察和测量，以期为黑龙江省寒地稗草的分类鉴定和种质资源利用提供参考。

1材料与方法

1．1试验材料

试验材料是从黑龙江省内收集到的43份寒地稗草，由黑龙江省农科院牧草研究所提供（表1）。2017年5月将材料播种在黑龙江省哈尔滨市哈尔滨师范大学江北校区试验田（126°42′E、45°24′N）中，随机区组种植，行距50cm，株距2．0～3．0cm，常规管理，定期除草。于2017年9月进行田间数据采集与整理。

1．2观测项目与方法

按照参考文献［1，10］对43份稗草的形态性状进行观察和描述，每份材料随机选取10株进行测量。数量性状包括：叶长、叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、芒长、小穗长度、第一颖长／小穗长、主茎直径和株高等9个性状，重复测量5次，求平均值。叶长和叶宽：取植株顶部向下的第3片成熟叶，用直尺测量其叶长和最宽处叶宽。圆锥花序和总状花序长度：用直尺测量其成熟圆锥花序长度和倒数第2个总状花序长度。小穗芒长和穗长：取植株顶部成熟小穗，用游标卡尺测量其芒长和穗长。第一颖长／小穗长：用游标卡尺分别测量第一颖长和小穗长，再计算它们的比。主茎直径：用游标卡尺测量主茎的倒数第2节的直径。株高：用直尺测量植株底部至顶部的垂直高度。质量性状包括：小穗颜色、小穗脱粒性、第一外稃质地、谷粒是否被稃片包裹、总状花序分枝程度、圆锥花序弯曲程度、总状花序疏密程度、总状花序是否贴向主轴、总状花序弯曲程度、总状花序上小穗排列、植株基部狭展程度和植株基部颜色等12个性状，重复观测5次。为便于统计分析，对质量性状分别赋值。

1．3数据处理

用Excel2007软件处理数据，分析各性状的变异程度和多样性水平。

2结果与分析

2．1寒地稗草的形态性状变异及多样性分析

对寒地稗草的21个形态性状进行统计分析，结果显示有6个形态性状在所有样本中表现均一，即43个样本都具有的形态特征为：小穗无芒、第一外稃草质、谷粒均被稃片包裹、总状花序无分枝、小穗非四列排列在花序轴上、植株基部株型紧凑。此外，有7个质量性状、8个数量性状在样本中表现出不同程度的差异。

2．1．1质量性状多样性分析

对寒地稗草的质量性状进行分级处理并赋值，统计各质量性状的频率分布，计算其多样性指数，结果见表3。从表3中可以看出，7个质量性状的多样性指数在0．20～1．36之间，平均为0．62，表现出较丰富的遗传变异。小穗颜色的多样性指数最高，主要以绿色、紫色和深紫色为主，三者占所有种质的83．8％。小穗脱粒性的多样性指数最低，95．3％的种质在成熟时小穗不易脱落。圆锥花序以直立为主（79．1％），其次是稍有弯曲、无显著弯曲。总状花序疏密程度主要为中等（44．2％）和紧密（53．5％）两种类型。大部分种质的总状花序表现为贴向主轴直立生长。植株基部颜色主要以黄色（79．1％）为主，绿色（20．9％）次之，无紫红色。

2．1．2数量性状变异及多样性分析为了解寒地稗草数量性状的变异程度和多样性水平，对其最大值、最小值、极差、平均值、标准差、变异系数和多样性指数等进行分析。从稗草数量性状的基本统计（表4）中发现，其多样性指数在1．74～2．02之间，平均为1．94，明显高于质量性状，说明稗草的数量性状比质量性状的多样性更丰富。8个数量性状的变异系数在6．40％～23．28％之间，平均为13．50％，其中叶长、叶宽和总状花序长度的变异系数高于15％。各数量性状的变异系数依次为：叶宽＞叶长＞总状花序长度＞圆锥花序长度＞主茎直径＞株高＞第一颖长／小穗长度＞小穗长度。各数量性状的变异幅度分别为：叶长17．57～40．33cm，叶宽1．27～3．25cm，圆锥花序长度9．00～14．92cm，总状花序长度2．32～5．00cm，小穗长度0．28～0．36cm，第一颖长／小穗长0．31～0．45，主茎直径0．38～0．66cm，株高83．98～147．30cm。结合多样性指数、变异系数和变异幅度综合评价各数量性状，在数量性状中叶长、叶宽和总状花序长度表现出明显的遗传差异。

2．2数量性状的相关性分析

用SPSS22．0软件对43份寒地稗草的8个数量性状进行相关性分析，结果显示部分数量性状间具有一定的关联性，表现出显著或极显著的相关性。4对数量性状呈极显著正相关，依次是叶长与圆锥花序长度和株高、叶宽与主茎直径、圆锥花序长度与总状花序长度；3对数量性状呈显著正相关，依次是叶长与叶宽、叶宽与圆锥花序长度和总状花序长度；1对数量性状呈极显著负相关，即圆锥花序长度和小穗长度；1对数量性状呈显著负相关，是总状花序长度和小穗长度。其中，圆锥花序长度和总状花序长度的相关系数最高，为0．777；其次是叶宽和主茎直径，为0．544。即寒地稗草叶片越大，圆锥花序和总状花序越长；小穗越小，植株越高大。

2．3主成分分析主成分分析

能够把很多相关的随机变量转变为几个综合指标，并反映出全部变量的大部分信息，从而使问题简单化［15］。采用SPSS22．0软件进行的主成分分析表明：前8个主成分特征值的累积贡献率高达86．480％，能够反映全部形态指标的大部分信息（表6）。第1主成分的特征值为3．514，贡献率为23．424％。其中，叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、小穗长度、主茎直径和小穗颜色等性状的信息载荷量绝对值较高，分别为0．674、0．687、0．669、0．621、0．655、0．657。特征向量符号为正的性状有叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度和主茎直径，说明在高产育种中应选择植株叶片大、圆锥花序长、茎秆粗壮的材料。此结果与表型变异分析结果一致，因第1主成分的贡献率最大，所以在高产育种时应优先考虑这4个形态性状。第2主成分的特征值为2．118，贡献率为14．119％。其中，叶长、株高、圆锥花序弯曲程度和总状花序是否贴向主轴的信息载荷量绝对值较高，分别为0．646、0．701、0．676、0．591。特征向量符号为正的性状有叶长和株高，表明在一定范围内叶长和株高的增加对于高产具有重要意义，因此在育种中应适当把握。综合分析前8个主成分的方差贡献率及各性状的信息载荷量，叶长、叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、小穗长度、主茎直径、小穗颜色、圆锥花序弯曲程度和株高等性状是造成黑龙江省寒地稗草表型差异的主要因素，也是黑龙江省寒地稗草种质选育过程中应重点参考的形态指标。

2．4聚类分析

对稗草样本的形态数据进行标准化处理后，用SPSS22．0对其进行聚类分析。以欧式距离为遗传距离，聚类方法采用Ward法，在遗传距离12．5处将43份寒地稗草划分成4大类群（图1）。第Ⅰ类群包含1号、3～5号、7号、8号、10～14号、19号、20号、28号、30号、32号、34～36号、40号、41号，共21份种质，占全部种质的48．84％；叶片长17．57～37．10cm，宽1．30～2．37cm，与其他类群相比，叶片较小；圆锥花序和总状花序也相对较短，分别为9．00～14．92cm和2．32～4．42cm；小穗长度变化范围大，为0．29～0．36cm；主茎直径变化范围大，为0．38～0．61cm；株高变化范围大，为100．17～147．30cm。第Ⅱ类群包含2号、6号、9号、15号、16号、27号、33号、39号，共8份种质，占比为18．60％；叶片长20．5～39．87cm，宽1．27～1．8cm，呈细长型；圆锥花序较短，为9．94～13．54cm；总状花序较长，为3．24～4．16cm；小穗长0．3～0．35cm，平均为0．32cm；主茎直径为0．46～0．61cm，株高为83．98～119．7cm，属矮小型。第Ⅲ类群仅包含23～26号材料，共4份种质，占比为9．30％，植株间形态差距小；叶长20．93～28．10cm，叶宽1．57～2．13cm，圆锥花序长度9．66～14．92cm，总状花序长度2．72～4．42cm，小穗长0．28～0．34cm，主茎直径0．54～0．61cm，株高101．60～123．66cm。第Ⅳ类群包含17号、18号、21号、22号、29号、31号、37号、38号、42号、43号，共10份种质，占比为23．26％；叶片长29．8～40．33cm，叶片宽1．97～3．25cm，圆锥花序长11．96～14．78cm，总状花序长3．44～5．00cm，这4个性状明显大于其他类群；小穗长为0．28～0．32cm；主茎直径0．53～0．66cm，株高115．03～138．97cm，属粗壮型。聚类分析结果表明，形态性状相似的稗草聚到了一起。第Ⅰ类群特点是植株高大，但叶片相对较小，圆锥花序和总状花序较短，小穗较长，茎秆较细；第Ⅱ类群特点是植株矮小纤细，叶片呈细长型，圆锥花序、总状花序和小穗均较长；第Ⅲ类群特点是植株矮小但茎秆粗壮，叶片呈短宽型，圆锥花序和总状花序较长，小穗较短；第Ⅳ类群特点是植株高大粗壮，叶片宽大，圆锥花序和总状花序长，该类群稗草具有很高的丰产潜力，可作为培育新品种的原始材料。通过聚类分析将全部种质划分成四大类群后，对各类群间的形态性状差异进行方差分析和显著性检验。从表7中可知，一共有11个形态性状在4大类群间表现出显著性差异，分别为叶长、叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、小穗长度、主茎直径、株高、小穗脱粒性、圆锥花序弯曲程度、总状花序是否贴向主轴和总状花序弯曲程度等，即依据这11个形态指标能够清晰地把全部种质划分为4大类群。

3讨论

植物遗传多样性研究是育种工作的基础，其不仅是种质资源收集、保存和鉴定的目的，也是种质创新和新品种培育的前提［16］。植物形态性状能够最直观地表现出其遗传多样性，通过对种质资源形态变异的研究，可以较快地了解其遗传多样性［17］。因其生存范围广，同种类稗草在不同的生存环境下，其形态特征如植株高度、小穗颜色、芒长等均有较大的差异［18］。陆永良等［10］研究了我国田间杂草稗的遗传多样性，结果显示稗草的形态性状变异幅度很大，小穗芒长、株高、主茎直径、叶宽和叶长等性状的变异系数大于30％，其中小穗芒长的变异幅度最大，高达174．99％。刘杰淋等［12］在研究一年生牧草稗时发现，不同品种间数量性状的差异较大，变异系数在7．39％～25．71％之间。本试验选择了21个形态性状对黑龙江省寒地稗草的遗传多样性进行分析，发现叶长、叶宽和株高等性状的变异幅度明显高于刘杰淋等［12］报道的结果，但比陆永良等［10］报道结果小；尤其是小穗芒长，在陆永良的研究结果中小穗芒长的变异幅度最大，而在本研究中小穗均无芒，说明从广泛的地理位置中选择材料更有利于筛选出优良品种，因此在选择试验样本时应尽可能地扩大收集范围。性状间的相关性对于育种前期工作中性状的选择具有一定的指导意义［19］。本研究结果表明，寒地稗草数量性状间具有一定的相关性，且部分性状间表现出显著或极显著正相关，如叶长与叶宽、圆锥花序长度和株高，叶宽与圆锥花序长度、总状花序长度和主茎直径等。说明在寒地稗草早期选育过程中，可以根据其叶片形态特征来选择优良高产的品种。在种质资源评价中，对受很多因子影响的性状进行统计分析时，明确几个主要的影响因子，对种质资源的评价和品种选育能够起到事半功倍的作用［20］。本研究中前8个主成分因子主要反映了寒地稗草叶、花序和小穗等性状的信息，表明这些性状是造成黑龙江省寒地稗草表型差异的主要因素。在高产育种时，应重点考虑这几个形态指标。通过聚类分析，将全部供试材料划分为4大类群。研究发现有些来自于同一地区名称相同的稗草没有划分到同一类群中，说明这些这些稗草并不属于同一品种，应加以区分。如绥化市的米稗2、16和21，哈尔滨呼兰区的鹅头稗20和38以及雁头稗7和25。此外，在分析各类群之间的差异时发现部分来源于同一地区的种质并未划分到同一类群中，说明聚类结果与种质地理来源没有明显的相关性，这与王丽侠等［21］的研究结果一致。这可能是因为参试种质是地方品种，遗传背景复杂。此外，聚类方法和性状的选择也会有一定的影响［22］。

4结论

本研究采用相关分析、主成分分析和聚类分析等方法，对43份寒地稗草的21个形态性状进行了遗传多样性分析。结果表明，黑龙江省寒地稗草具有丰富的遗传多样性，在种质变异和创新方面蕴藏着很大的潜力。主成分分析表明，前8个主成分中叶长、叶宽、圆锥花序长度、总状花序长度、主茎直径和株高的贡献率最大，这些性状是造成黑龙江省寒地稗草表型差异的主要因素，也是育种过程中应重点考虑的性状。聚类分析将全部供试材料划分为4大类群，其中第Ⅱ类群的种质特点是花序和小穗都比较大，适合加工成精饲料或做酿酒的原料；第Ⅳ类群的植株高大粗壮、茎叶丰茂，可作为优质牧草进一步推广和利用。由此可见，寒地稗草种质资源的应用潜力和发展前景是十分广阔的。

作者：张婉茹；姜韵佳；王晓萍；吴姝菊 单位：哈尔滨师范大学生命科学与技术学院