川西北高原野生老芒麦穗部形态遗传多样性及影响因素分析

川西北高原野生老芒麦穗部形态遗传多样性及影响因素分析

丰富的遗传因素对高产、优质、高产稳产的饲料品种非常重要。优良的牧草品种是创造和改良现有饲料的二级基因库。因此，对优良品种和饲料资源的保护具有重要意义。老芒麦(Elymussibiricus)别名西伯利亚披碱草,是禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae)披碱草属(Elymus)多年生疏丛型中旱生植物,具有适应性强、抗寒、粗蛋白含量高、适口性好和易栽培等优良特性,可用于建植人工草地和放牧草地,对退化草地改良和种草养畜具有重要意义。迄今为止,国内许多学者在老芒麦的资源评价、生物学特性、栽培生产和生理生化等方面作了较多的研究工作,近年来,关于老芒麦遗传多样性的研究也广泛开展,但对野生老芒麦居群在原生境下的遗传差异研究未见报道。川西北高原属青藏高原的东南部,该区地形复杂,气候多变,野生老芒麦种质资源丰富,生态类型较多,加强对该地区老芒麦居群遗传多样性的研究对制定该地区老芒麦多样性保护策略和育种工作的开展具有重要意义。穗部性状的变异是导致禾本科物种形态多样性的主要表型性状,为此,对采集自川西北高原野生老芒麦居群的穗部形态变异作了研究,旨在从形态学上检测川西北高原野生老芒麦居群遗传多样性状况,了解其遗传多样性分布格局和引起变异的主要因素,探讨生境对遗传变异的影响,为川西北高原野生老芒麦居群保护策略的制定提供理论依据。1材料和方法1.1野生老芒果麦资源本研究材料由四川省草原科学研究院于2005年9-10月对川西北地区雅江、稻城、理塘、甘孜、松潘、红原、色达、壤塘和阿坝9县13个地区的野生老芒麦资源考察收集所得。为了研究居群(population)间和居群内不同个体(individual)的遗传差异,严格按照居群采样法采集了13个居群的老芒麦,每个居群采样20份,各居群的地理位置和生境概况见表1。1.2穗长度、穗长和穗长测量将野外采集的老芒麦单穗带回实验室考种,测量其穗长、穗宽、单穗重、每穗轴节小穗数、穗节数、穗轴节间长、小穗长、小穗宽、小穗轴节间长、外颖长、内颖长、颖芒长、外稃长、外稃芒长和内稃长。穗长用直尺测量,单穗重用分析天平测量,其余数据用游标卡尺测量。除穗长、单穗重、每穗轴节小穗数和穗节数外其余性状均测量单穗的中部。1.3构建穗部多样性指数采用Excel和SPSS12.0软件进行多样性指数(Shannon-weaver)计算、聚类分析、主成分分析和相关分析。多样性指数计算的划级方法如下:先计算参试材料总体平均数(X)和标准差(δ),然后划分为10级,从第1级到第10级,每0.5δ为1级。每1级的相对频率用于计算多样性指数。多样性指数的计算公式为:H′=-∑PilnPi,式中,Pi为某性状第i级别内材料份数占总份数的百分比,ln为自然对数。通过多样性指数计算可以了解川西北高原野生老芒麦居群穗部形态遗传多样性的大小和分布;用聚类分析方法研究各居群间的亲疏关系;通过主成分分析确定哪些性状是造成居群间穗部特征差异的主要因素;通过相关分析确定穗部性状变异与地理生态因子之间的关系。2结果与分析2.1每穗轴节小穗数及h变幅各居群的穗部性状测量结果见表2。对15个穗部性状指标在居群内和居群总的平均数、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数和多样性指数进行统计分析(表3,4)。结果表明,15个指标在各居群间和居群内均存在较大的变异。以H′的变幅为例,穗长为0.95027～1.83437,穗宽为0.67301～1.79176,单穗重为1.05492～1.60944,每穗轴节小穗数为0～0.63651,穗节数为1.01140～2.02533,穗轴节间长为1.25548～1.83437,小穗长为0.95027～1.60944,小穗宽为0～1.22753,小穗轴节间长为0.56234～1.74807,外颖长为0.45056～1.88670,内颖长为0.69315～1.88670,颖芒长为0.94335～1.83437,外稃长为1.32089～1.88670,外稃芒长为0.50040～1.73287,内稃长为0.86756～1.88670,H′的变幅由大到小的顺序依次为:外颖长>外稃芒长>小穗宽>内颖长>小穗轴节间长>穗宽>内稃长>穗节数>颖芒长>穗长>小穗长>每穗轴节小穗>穗轴节间长>外稃长>单穗重。从总体来看,居群总H′为1.7937(表3),居群内平均H′为1.2433(表4),则居群间H′为0.5504。因此,川西北高原野生老芒麦居群的遗传多样性主要集中在居群内部(69.31%),居群间的遗传变异较小(30.69%)。2.2选育抗改良品种聚类分析是多指标分类的一个有效方法,许多研究者采用这种方法对不同种质材料进行遗传差异的研究,认为这种分析方法能较好地反映种质材料之间的亲缘关系。根据对居群的聚类分析结果,在杂交育种过程中可以有目的地进行种质资源的优化组合,通过不断选育而培育出适合不同用途的优良品种。对野生老芒麦15个穗部性状的聚类分析结果表明,13个老芒麦居群可以分为具有各自明显特征的3类(图1)。第I类包括0079、0084、0083、0043和0092五个居群,其中采自色达县的2个居群(0083和0084)都聚在了一起,该类的主要特点是内外颖较长而外稃芒较短。第II类包括0068、0070、0072、0073和0088五个居群,其中采自松潘县不同地区的3个居群(0070、0072和0073)都聚在该类中,该类的主要特点是单穗长且重,小穗也相对比较长,穗节数多但穗轴节间较长。第III类包括0056、0067和0050三个居群,该组的特点是单穗短且轻,小穗也相对比较短,但穗轴节间较短。2.3原始因子ndf分析将15个穗部性状指标数据进行主成分分析(表5,6)。结果表明,在15个主成分中前4个主成分的贡献率分别是33.637%,19.355%,16.901%和9.097%,主成分累积贡献率为78.992%,所以,这4个主成分完全可以代表原始因子所代表的大部分信息。第1主成分主要受穗长(0.851)、内稃长(0.848)、小穗长(0.798)、外稃长(0.762)和颖芒长(0.708)的影响,说明第1主成分主要反映了常用分类指标的特征;第2主成分主要受每穗轴节小穗数(0.612)、单穗重(0.601)、内颖长(0.556)和穗宽(0.552)的影响,说明第2主成分主要反映了与种子产量密切相关的指标特征;对第3主成分起较大作用的性状是穗宽(0.658)和小穗轴节间长(0.547);第4主成分中外稃芒长(0.648)和小穗轴节间长(0.501)作用较大。总的看来单穗长和宽、单穗重、小穗长、内外稃长、小穗轴节间长和每穗轴节小穗数等性状是对这次主成分分析影响较大的几个因素,也是造成川西北高原不同居群老芒麦穗部形态差异的主要因素。2.4相关分析生物的变异是和环境条件相结合的,通过穗部性状与地理生态因子的相关分析(表7)可看出不同居群老芒麦穗部性状随环境变化的变异趋势。3讨论3.1多样性指数较高,但布局密度较低,区域分布广,建议设立多个专门居群,并在其实地调查过程中执法对13个川西北高原野生老芒麦居群15个穗部性状的多样性分析表明:川西北高原野生老芒麦居群存在丰富的遗传多样性,居群总遗传多样性指数H′为1.7937。在所有居群中0043(H′为1.43210)、0092(H′为1.42340)和0088(H′为1.41470)居群遗传多样性水平最高,而0056(H′为1.03760)和0084(H′为1.08930)居群的遗传多样性水平相对较低。根据对所有居群的实地考察发现,多样性指数较高的几个居群基本上位于人迹罕至、生境破坏较小的地方,而多样性指数低的居群附近有农牧民居住或位于主要交通要道边,有大量的人畜活动和车辆干扰,生境破坏较严重,使通过风力等外界作用传播到此地的种子找到适宜生境得以存活的几率变小,观察发现,这些地方的老芒麦分布稀疏,长势差。因此,有的居群老芒麦遗传多样性降低,生境遭破坏可能是一个重要的因素。3.2老针织植物早期居群间的遗传分化对川西北高原野生老芒麦居群遗传结构的分析发现,该地区老芒麦居群的遗传分化主要存在于居群内(遗传变异为69.31%),居群间的分化则相对较小(遗传变异为30.69%)。Hamrick和Godt曾对涉及165个属、449个种的不同类型植物的遗传变异水平和居群分化程度进行统计,结果发现自花授粉植物51%的遗传变异存在于居群间,异交风媒植物只有9.9%的遗传变异存在于居群间,所以从这个结论来看老芒麦似乎不是严格的自花授粉植物,其大量的变异性有可能被保存在杂合子状态下的隐性基因里,再通过居群内的遗传重组被释放出来,因而造成居群内个体间保持较丰富的遗传多样性。除了居群的繁育系统外,生境和地理因子也对物种的遗传分化有很大影响。徐炳声和解新明等研究认为植物表型数量性状的变异与土壤因子有着密切的相关性,本研究中的老芒麦居群主要采自河流冲积土和坡地石谷子土2种土壤类型,因此差异较小的土壤生境可能是造成川西北高原野生老芒麦居群间变异较小的原因。同时前面的聚类分析和相关性分析显示老芒麦穗部性状的变异与海拔等地理因子有一定的相关性,王丽等也指出海拔差异会限制居群间的基因流,由于本次采样范围有限,加之老芒麦主要分布在海拔3000m以上的地方,本研究中的各老芒麦居群海拔差异不是很显著,各居群间可能保持着一定的基因流,从而使居群间的差异相对较小。但是,由于川西北高原复杂的自然环境和特殊的气候条件,即使在很小的面积就会形成不同的微环境,在采集材料时就在同一居群内发现了叶鞘光滑和叶鞘有小刺2种老芒麦,因此认为这种微环境的差异可能是导致川西北高原野生老芒麦在居群内保持较高多样性的原因。3.3川西北高原老桩麦居群遗传多样性的比较因自然因素与人为因素(如过度利用)造成的生境恶劣程度若超过物种对生境压力适应的最大极限,那么必将导致该物种遗传多样性的丧失。虽然老芒麦在我国的自然分布比较广泛,但随着开发利用的不断扩大,特别是西部退耕还林还草和退牧还草工程的开展,一些外来物种的引进导致老芒麦生长的自然环境不断遭到破坏,遗传多样性也受到威胁。因此,对川西北地区野生老芒麦制定有效的保护策略和措施,从而开展合理的保护工作就显得十分关键。通过前面的分析可以知道川西北高原老芒麦居群有较高的遗传多样性,且在居群内和居群间都有较高的分布(69.31%和30.69%),所以可对其进行就地保护和迁地保护。就地保护时,在尽可能多地保护不同种群的同时还要对遗传多样性高的居群进行重点保护,如0043居群和0088居群。同时由于川西北老芒麦野生居群的遗传多样性更多的集中在居群内,在迁地保护时应在每个居群中收集尽可能多的单株,以涵盖该物种的基因库,最大程度地保护老芒麦的遗传多样性。与海拔的相关分析表明,穗长、穗节数、小穗长、颖芒长、外稃长和内稃长与海拔呈极显著或显著的负相关关系,说明在其自然分布区内随着海拔的升高,这些性状指标有减少的趋势;小穗轴节间长和外稃芒长与海拔呈显著的正相关关系,即随着海拔的升高,这些指标也相应增加。与纬度的相