俄罗斯百脉根种质资源农艺性状鉴定与评价
张本瑜, 师尚礼
甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070
通信作者:师尚礼(1962-),男,甘肃会宁人,教授,博士,主要从事牧草种质资源与育种研究。E-mail:shishl@gsau.edu.cn

第一作者:张本瑜(1989-),女,山东潍坊人,在读硕士生,主要从事草地植物多样性保护与利用研究。E-mail:zhangbenyuyu@126.com

摘要

为挖掘利用优质百脉根种质资源,促进其育种工作,采用田间调查和室内考种分析两种方法,对引进的69份俄罗斯百脉根种质材料的9个农艺性状进行了鉴定和评价。结果表明,69份材料各具特点,差异明显,类型广泛。单株重变异系数最大,为57.58%,变异明显;生育期变异系数最小,仅为6.92%。通过主成分分析,从9个农艺性状中提取出3个主成分因子,即草产量、生育期(成熟)和千粒重,提供的信息量占全部信息量的87.468%。利用这3个主成分因子进行系统聚类,将69份俄罗斯百脉根种质材料划分为三大类群。第Ⅰ类群属晚熟半匍匐中产型材料,第Ⅱ类群属早熟匍匐低产型材料,第Ⅲ类群属中熟直立高产型材料。结果表明,第Ⅲ类群材料综合产量性状最好。

关键词: 俄罗斯; 百脉根; 农艺性状; 主成分分析; 聚类分析
中图分类号:S324 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)9-1779-09 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0654
Identification and evaluation on agronomic traits of Lotus corniculatus germplasm resources from Russia
Zhang Ben-yu, Shi shang-li
College of Pratacultural Science, Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-U.S. Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability, Lanzhou 730070, China
Corresponding author: Shi shang-li E-mail:shishl@gsau.edu.cn
Abstract

In order to utilize Lotus corniculatus germplasm resources effectively for breeding, nine agronomictraits of 69 L. corniculatus germplasm resources introduced from Russia were evaluated and classified based on investigation results in field and indoor. The results showed the characteristics of 69 materials had obviously difference and varioustypes. The variation coefficient of the fresh weight per plant was the maximal(57.58%); While the growth period had the minimum variation coefficient of 6.92%. The nine agronomic characters were composed of 3 independent principal components, including grass yield factor, growth period (mature) factor, and thousand seed weight factor. The cumulative contribution of the 3 factors was 87.47%. Through cluster analysis based on the 3 principal components, the 69 Russian L. corniculatus germplasm resources in the present study were divided into 3 groups. Materialsin the first group had the trait of latematuring, half stolon and middle production; The second group was the precocious, procumbent and loweryield materials. The third groups belonged to middle maturity, upright and highyielding materials, and the third group had the best agronomic traits in the comprehensive yield.

Keyword: Russia; Lotus corniculatus; agronomic traits; principle component analysis; cluster analysis

百脉根(Lotus cornioulatus) 又名鸟足豆、瘠地苜蓿[1], 豆科百脉根属, 多年生草本植物。其原产于欧亚湿润温暖地区[2], 具有茎细叶多, 产草量高, 茎枝匍匐生长, 枝叶茂密, 覆盖度大, 在荒坡裸地种植, 护坡保持水土性能好[3]等特点; 种子有落地自生, 自行繁衍习性, 可用来补播天然草地, 可使草地经久不衰, 提高产量和质量[4, 5]。由于我国南方山地草坡大, 降水量多, 土壤偏酸性, 使得苜蓿生长状态不良。而北方地下水位较高, 排水性能不良导致土壤偏碱性等特性使我们不得不考虑引进新的优良牧草品种资源。1980年以后, 从国外引进里奥、迈瑞伯、草地麦库大百脉根等百脉根栽培品种[6]。因其具有适应范围广、抗逆性强、生长周期长等特性, 现广泛分布于我国华东、华中、西南和西北地区, 并适于在我国大部分地区种植[7, 8] 。虽然我国对百脉根研究已取得很多成果, 但受资金、种子等因素制约, 目前仍处于小区试验阶段, 大面积推广还没有起步。百脉根主要农艺性状的分析是百脉根引种、亲本选配及相关遗传研究的重要基础, 为有效开展不同区域百脉根品种的引进, 并对不同百脉根品种进行科学评价, 在2013-2015年本研究对引进的69份俄罗斯百脉根种质资源在甘肃武威地区进行田间种植(小区种植试验), 对主要农艺性状进行变异分析和相关分析[9], 并根据其表型性状进行聚类分析, 以期为百脉根育种和栽培提供科学依据。

1 材料和方法
1.1 供试材料

本研究所用69份材料由国家牧草种质资源推广项目从俄罗斯作物种质资源保护中心引进(表1)。

表1 供试材料及其来源 Table 1 The list of germplasms name and origin
1.2 试验地概况

试验地设在武威市黄羊镇甘肃农业大学牧草试验站, 位于甘肃省河西走廊东端, 海拔1 740 m, 大陆性气候。地理位置103° 15' E, 37° 30' N, ≥ 10 ℃有效积温2 985.4 ℃· d, 年平均气温7.7 ℃, 年日照时数> 2 600 h。年平均降水量158 mm, 主要集中在7-9月, 常年平均蒸发量 2 281 mm。冬季寒冷干燥, 雨雪稀少, 全年平均无霜期120 d。

1.3 试验设计

试验材料于2013年4月14日播种, 种植小区采用完全随机区组设计, 每份材料设3个重复, 种植小区面积为3 m× 1.5 m。采用条播方式, 播深为2 cm, 行距50 cm, 播量50 kg· hm-2。小区间间隔为50 cm, 区组间走道1 m, 试验地四周设保护行1.5 m。播前施过磷酸钙1 500 kg· hm-2、尿素75 kg· hm-2作为底肥。播后镇压, 期间不再施肥。

1.4 测定内容与方法

测定指标包括生育期、自然高度、绝对高度、主茎分枝数、主茎节数、直立性系数、茎叶比、单株产量、鲜草产量及千粒重。

生育期(d):植株由返青至种子成熟的天数。

自然高度(cm):刈割前, 每小区随机取10株单株测量从地面至植株的最高部位的高度, 取平均值。

绝对高度(cm):刈割前, 每个小区随机取10株单株测定从地面到枝条拉直后的高度, 取平均值。

主茎分枝数:每个小区随机取10个单株测定分枝数, 取平均值。

主茎节数:每个小区随机测定10株植株主枝从基部到顶端的节间数, 取平均值。

直立性系数:由植株自然高度与绝对高度的比值计算;

直立性系数=(自然高度/绝对高度)× 100%

茎叶比:测产时, 每小区随机取500 g鲜草将茎叶分离, 置于105 ℃下杀青15 min, 后降至65 ℃, 经过24 h烘至恒重, 称重, 计算。

单株重:初花期, 各小区随机取10株刈割后每株称重, 取平均值, 留茬高度为5 cm。

鲜草产量:初花期, 各小区随机样, 取样面积1 m× 1 m, 重复3次。留茬高度为5 cm, 刈割后称重, 换算成鲜草产量(kg· hm-2)。

千粒重:种子成熟收获后, 随机数1 000粒进行称重, 重复3次。

1.5 数据处理

采用Excel2007软件对数据进行基本统计分析; 采用SPSS 19.0软件进行性状相关性分析、主成分分析及聚类分析[10]

2 结果与分析
2.1 俄罗斯百脉根种质不同农艺性状的变异性分析

供试的69份俄罗斯百脉根种质材料各具特点, 差距明显, 类型广泛。单株重变异明显, 变异系数最大, 为57.580%; 主茎分枝数、茎叶比和鲜草产量变异系数较大, 分别为32.530%、37.460%和36.350%, 变异明显; 株高、主茎节数和直立性系数分别为14.840%、12.670%和12.260%, 变异较明显; 千粒重变异系数较小, 为7.900%; 生育期变异系数最小, 仅为6.920%(表2)。

表2 供试俄罗斯百脉根种质资源农艺性状分析 Table 2 Analysis on agronomic traits of tested Lotus corniculatus germplasm resources introduced from Russia
2.2 俄罗斯百脉根种质不同农艺性状的相关性分析

性状的相关性分析可揭示不同性状间的关系[11, 12]。相关分析结果(表3)表明, 主茎节数与生育期、株高, 茎叶比与株高, 单株重与主茎分枝数、茎叶比, 鲜草产量与株高、主茎节数、主茎分枝数、茎叶比、单株重, 直立性系数与株高均呈极显著正相关(P< 0.01); 株高与生育期, 主茎节数与主茎分枝数、单株重呈显著正相关(P< 0.05); 千粒重与茎叶比、鲜草产量呈显著负相关(P< 0.05)。以上结果说明, 生育期越长、株高越高则主茎节数越多, 株高越高则茎叶比越大, 主茎分枝数越多、茎叶比越大则单株重越重, 株高越高、主茎节数越多、主茎分枝数越多、茎叶比越大、单株重越重则鲜草产量越高, 生育期越长则株高越高, 主茎分枝数与单株重越大则主茎节数越多。但是, 随着茎叶比与鲜草产量的增大, 千粒重却在降低。

表3 主要农艺性状间的简单相关分析 Table 3 Coefficients of simple correlation among agronomic traits
2.3 俄罗斯百脉根种质主成分分析

主成分分析表明, 9个农艺性状中前3个特征根的累积贡献率达87.468%(表4), 说明9个农艺性状的绝大部分相关信息可由这前3个主成分来概括[13]

表4 9个农艺性状相关矩阵的特征根、贡献率及累计贡献率 Table 4 Latent roots and contributions of correlation matrix nine agronomic traits

根据累积贡献率85%的标准[14], 选取前3个主成分及特征向量列于表5, 特征向量的大小表示供试俄罗斯百脉根各农艺性状对主成分贡献的大小[15]。第1主成分的特征值是2.754, 贡献率为39.604%。同时, 在第1主成分中以鲜草产量的特征向量值最大(表5), 其次是单株重, 说明对第1主成分的影响最大的为鲜草产量, 单株重次之。因此, 将第1主成分称为草产量因子。增大第1主成分值, 可以使鲜草产量和单株重增加, 提高鲜草产量, 而第1主成分的分量中千粒重为负值, 说明千粒重越小, 鲜草产量越高。第2主成分的特征值是1.886, 贡献率为27.117%(表4)。同样, 第2主成分中特征向量值最大的为生育期(表5), 其次是株高, 然后是主茎节数和直立性系数, 说明生育期对第2主成分影响最大, 株高次之, 所以将第2主成分称为生育期(成熟)因子。由第2主成分的分向量值可以看出, 生育期越长的材料, 株高越高, 主茎节数越多, 千粒重越重, 直立性系数越大, 而分枝数、单株重、茎叶比、鲜草产量却越低, 因此, 从草产量的角度来考虑第2主成分的值不宜太高, 适中即可[16]。第3主成分的特征值是1.443, 贡献率为20.747%(表4)。第3主成分中千粒重的特征向量值最大(表5), 说明千粒重对第3主成分的影响最大, 其次是茎叶比(负值)和分枝数。因此, 将第3主成分称为千粒重因子。千粒重增多, 茎叶比、株高和生育期等因素值减少, 因此, 第3主成分值不宜太大。

表5 前3个主成分对应的特征向量 Table 5 Eigenvector of the first three principal components
2.4 供试俄罗斯百脉根聚类分析结果

用上述3个主成分因子作为综合指标, 依据欧氏距离采用离差平方和法[17]对69份百脉根种质材料进行系统聚类分析, 将69份材料划分成三大类群(图1)。其中, 第Ⅰ 类群包括Zxy08p-4768等共34份材料, 占总资源数的49.28%; 第Ⅱ 类群包括Zxy09p-5778等共12份材料, 占总资源数的17.39%; 第Ⅲ 类群包括Zxy08p-4589等共23份材料, 占总资源数的33.33%。

图1 69份俄罗斯百脉根材料的聚类分析图Fig.1 Cluster analysis of 69 Lotus corniculatus germplasm resources introduced from Russia

从聚类分析结果可以看出, 来自同一系列的材料多数被分在同一个类群, Zxy08p系列的26份材料中有19份材料被分在第Ⅰ 类群, 其余Zxy08p-4589、Zxy08p-5344、Zxy08p-4649、Zxy08p-4693、Zxy08p-4645、Zxy08p-4916、Zxy08p-5484被分在第Ⅲ 类群; Zxy06p系列的15份材料中的9份材料被分在第Ⅲ 类群, 5份被分在第Ⅰ 类群, 其余1份被分在第Ⅱ 类群; Zxy09p系列的28份材料中11份被分到第Ⅱ 类群, 其余10份被分在第Ⅰ 类群, 7份被分在第Ⅲ 类群。说明Zxy08p、Zxy06p系列中资源其亲缘关系较近, Zxy09p系列资源中部分材料亲缘关系较近。同一类群中也包括不同的系列。因此, 选配杂交亲本组合时, 应该从不同类群进行选择[18]

对各类群的农艺性状特征分析发现(表6), 第Ⅰ 类群的材料, 属晚熟半匍匐型材料, 生育期最长, 千粒重最大, 株高、主茎节、分枝数、茎叶比、鲜草产量、直立性系数适中, 单株重最低; 第Ⅱ 类群的材料, 属早熟匍匐型材料, 单株重与千粒重处于中等水平, 其余性状生育期、株高、主茎节、分枝数、茎叶比、鲜草产量及直立性系数均低, 同时直立性系数小, 匍匐程度较大。第Ⅲ 类群的材料, 属中熟直立高产型材料, 除生育期处于中等, 千粒重处于最低水平外, 其余株高、主茎节、分枝数、茎叶比、单株重、鲜草产量及直立性系数均高于第Ⅰ 、Ⅱ 类群。

表6 3个类群俄罗斯百脉根9个农艺性状的平均值 Table 6 Average values of nine agronomic traits in the three groups of Lotus corniculatus germplasm resources introduced from Russia
3 讨论

百脉根品种丰富, 综合利用价值高, 而且具有非常广阔的应用前景[19, 20]。因此, 筛选出优质高产及适应性强的百脉根品种是提高其利用价值的重要途径。本研究对引进的69份俄罗斯百脉根种质资源选取9个农艺性状通过变异性分析、相关性分析、主成分分析及聚类分析进行综合评价[21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]。9个农艺性状中, 以单株重变异最明显, 变异系数最大, 其次为鲜草产量、主茎分枝数、茎叶比, 生育期变异系数最小, 在百脉根种质资源内个体间性状中表现出差异最不明显[27]。相关分析结果表明, 生育期越长, 鲜草产量越大。但是, 随着鲜草产量的增大, 千粒重却在降低, 这可能是营养生长时间过长、生殖生长时间缩短导致的[28]。主成分分析中提取出3个主要因子, 其中, 第1主成分反映与鲜草产量性状相关的影响, 增大第1主成分值, 可以使鲜草产量和单株重增加。因此, 为了缩短育种周期加快育种进程, 应该充分利用主成分因子[29]

通过聚类分析, 将69份材料分成3个类群。第Ⅰ 类群为晚熟、半匍匐、中产型, 适于在甘肃中部地区种植[6, 7]; 第Ⅱ 类群生育期短, 可在高寒地区试验推广[30], 同时直立性系数小, 匍匐程度较大, 盖度较大, 是景观植物的佳选[31], 但草产量有待提高。第Ⅲ 类群为中熟、直立、高产型, 是百脉根作为牧草资源的重要选培材料, 可在大部分地区试验推广种植。本研究发现, 来自同一地区亲缘关系较近的材料大多数被分在一个类群, 只有少数被分在不同的类群。同时, 许多来自不同地区的材料被划分为同一类群, 说明参试材料的遗传差异与种类的特性并不相关[32]。表明本试验的聚类结果准确可靠, 与其他学者的研究具有一致性[6, 21, 33], 可以指导引种实践。聚类分析的结果对于指导亲本选择, 合理搭配组合确实有实际意义[34]。但是依据农艺性状的聚类分析结果不稳定, 究其原因是田间试验难于控制环境因素[35]。因此, 为了更好地对百脉根种质资源进行科学的评价、全面的筛选和快速的培育, 需对试验进行更加合理的设计, 并且统一标准的农事操作也是保证聚类分析结果准确可靠的前提[32]。另外, 将农艺性状聚类分析的结果与用分子标记方法分类的结果结合起来综合评价百脉根种质资源效果会更科学合理[36]

The authors have declared that no competing interests exist.

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