本專著是以我國(guó)12個(gè)。▍^(qū))的12種披堿草屬牧草的105個(gè)野生居群為對(duì)象,對(duì)披堿草屬牧草進(jìn)行形態(tài)學(xué)多樣性、染色體多樣性、ISSR分子標(biāo)記和ITS基因序列多樣性等方面研究,對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行深入分析討論的基礎(chǔ)上探討和揭示披堿草屬牧草的遺傳多樣性。
前言
披堿草屬(Elymus L)是禾本科(Gramineae)小麥族(Triticeae)重要的一個(gè)屬,按《中國(guó)植物志》記載,我國(guó)有12個(gè)野生種,多數(shù)是草原和草甸的重要組成成分,具有較高的飼用價(jià)值。
因地域遼闊,自然環(huán)境極其復(fù)雜,我國(guó)披堿草屬牧草種質(zhì)資源非常豐富,是我國(guó)發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),具有廣闊的研究和利用前景。近年來(lái),我國(guó)基本完成了一些重點(diǎn)與典型地區(qū)的披堿草屬牧草種質(zhì)資源考察和部分種質(zhì)的采集工作,基本摸清了這些地區(qū)的披堿草屬牧草種質(zhì)資源現(xiàn)狀與家底,但因起步晚、物力、財(cái)力和人力的不足,收集的種質(zhì)很多未能及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的鑒定、評(píng)價(jià)、篩選等深入研究,尤其對(duì)披堿草屬牧草種質(zhì)資源遺傳多樣性、種質(zhì)創(chuàng)新、基因挖掘等研究乏力。所以,在繼續(xù)搜集我國(guó)披堿草屬牧草種質(zhì)資源的情況下,一方面應(yīng)逐步開(kāi)展披堿草屬牧草種內(nèi)的系統(tǒng)鑒定和篩選;另一方面應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)其遺傳多樣性、遺傳分化機(jī)理等方面的深入研究,為合理保護(hù)、高效利用提供依據(jù)。
筆者在同一試驗(yàn)條件下,對(duì)我國(guó)105份野生披堿草屬牧草進(jìn)行了穗部多樣性研究,針對(duì)屬內(nèi)的重點(diǎn)草種老芒麥(Esibiricus)和垂穗披堿草(Enutans)進(jìn)行了形態(tài)學(xué)多樣性和主要農(nóng)藝性狀研究;對(duì)我國(guó)野生12種披堿草屬牧草進(jìn)行了染色體核型分析,同時(shí)進(jìn)行了RAPD遺傳多樣性分析;對(duì)老芒麥種質(zhì)進(jìn)行了染色體核型分析;老芒麥和垂穗披堿草進(jìn)行了ISSR和ITS序列分析。獲得主要結(jié)果如下:
(1)我國(guó)野生披堿草屬牧草居群的遺傳多樣性主要集中在居群內(nèi)部(7211%),居群間的遺傳變異較。2789%),我國(guó)西北部是野生披堿草屬牧草的分布中心,也是披堿草屬牧草的遺傳多樣性中心。穗部性狀指標(biāo)的平均變異系數(shù)為3122%,最大的穎芒長(zhǎng)的變異系數(shù)為58932%,其次為旗葉與穗基部長(zhǎng)度的變異系數(shù)為56683%,最小的外稃長(zhǎng)為14908%。居群總多樣性指數(shù)最高的為小穗長(zhǎng)(2054);其次是穗長(zhǎng)(2049),最低的為小花數(shù)(1404),居群內(nèi)多樣性指數(shù)最高的為旗葉與穗基部長(zhǎng)(1648);其次是小穗數(shù)(1638),最低的為小花數(shù)(0671)。
(2)老芒麥和垂穗披堿草種間差異顯著,二者在種內(nèi)也有顯著差異,且種間的差異大于種內(nèi),表現(xiàn)出較為豐富的表型多樣性。老芒麥表型分化的主要指標(biāo)有12個(gè),垂穗披堿草表型分化的主要指標(biāo)有11個(gè),分化的主要指標(biāo)中有9個(gè)相同,株高和小穗數(shù)是老芒麥和垂穗披堿草最主要的兩個(gè)表型分化指標(biāo)。
(3)老芒麥生育期差異大于垂穗披堿草,在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi),老芒麥從分蘗期到孕穗期株高變化幅度最大,而垂穗披堿草株高變化幅度最大是從分蘗期到開(kāi)花期;老芒麥和垂穗披堿草葉面積指標(biāo)變化最快的時(shí)期都是分蘗期到拔節(jié)期。在完熟期,來(lái)自高海拔地區(qū)的老芒麥株高都大于低海拔地區(qū),高緯度地區(qū)的垂穗披堿草植株都矮于來(lái)自低緯度地區(qū)的;高緯度地區(qū)的老芒麥葉面積大于來(lái)自低緯度地區(qū),而高海拔地區(qū)的垂穗披堿草葉面積大于來(lái)自低海拔地區(qū)。老芒麥中以晚熟材料居多,而垂穗披堿草以早熟材料居多,晚熟材料表現(xiàn)為植株較矮,葉面積較大,分蘗數(shù)較多;而早熟型材料則表現(xiàn)為植株高大,葉面積較小,分蘗數(shù)較少。
(4)垂穗披堿草的鮮干比大于老芒麥,所有供試材料中ES018和EN004的鮮干比最大,營(yíng)養(yǎng)較豐富;來(lái)自高海拔地區(qū)的老芒麥單穗重都比較;通過(guò)綜合比較,ES010、ES011、ES014、ES021、ES024、EN010、EN011、EN015的穗莖干重、分蘗數(shù)以及單穗重等表現(xiàn)最好,在生產(chǎn)中可優(yōu)先利用。ES031可作為培育早熟品種的原始材料深入研究。
(5)我國(guó)12種野生披堿草屬牧草核型分析,結(jié)果表明它們?nèi)旧w基數(shù)為7,數(shù)目分別2n=28、2n=42和2n=56,其中老芒麥為四倍體,2n=4x=28,無(wú)芒披堿草為八倍體,2n=8x=56,其余10種均為六倍體。染色體主要由中部著絲粒(m)和近中著絲粒(sm)染色體組成。平均臂比介于1317~1511。其核型類型分 2B、2A、1B、1A 四種類型。核型進(jìn)化由高到低依次為:2B[老芒麥、披堿草(Elymusdahuricus)、青紫披堿草(Edahuricus varvioleus)] >2A[無(wú)芒披堿草(Esubmuticus)、黑紫披堿草(Eatratus)、肥披堿草(Eexcelsus)、毛披堿草(Evillifer)] >1B[垂穗披堿草、麥薲草(Etangutorum)、圓柱披堿草(Ecylindricus)、紫芒披堿草(Epurpuraristatus)] >1A[短芒披堿草(Ebreviaristatus)] 。
我國(guó)12種野生披堿草屬牧草的核型似近系數(shù)(λ)范圍為0994~0863,其中披堿草與青紫披堿草的核型似近系數(shù)最大,親緣關(guān)系十分密切。聚類分析可分為兩類,第一類老芒麥;第二類分為兩組,第一組為披堿草、青紫披堿草、黑紫披堿草、肥披堿草、無(wú)芒披堿草、毛披堿草和短芒披堿草,第二組為垂穗披堿草、麥薲草、圓柱披堿草和紫芒披堿草。根據(jù)核型似近系數(shù)進(jìn)行的聚類分析,能夠體現(xiàn)披堿草屬種間的親緣關(guān)系。其聚類結(jié)果明顯地按照核型類型分類,且與形態(tài)分類部分吻合。
(6)4份老芒麥染色體核型公式均不同,類型包括1B和2B,染色體組絕對(duì)長(zhǎng)度變異范圍13444~3850m,相對(duì)長(zhǎng)度變異范圍10975%~4040%,平均相對(duì)長(zhǎng)度變異范圍為7143%,核型不對(duì)稱系數(shù)變異范圍為60140%~58390%;相互間的核型似近系數(shù)范圍是0994~0913,平均為0955,即同一物種染色體同源性較高。
(7)30條有效引物對(duì)我國(guó)野生12種披堿草屬牧草種間材料進(jìn)行RAPD分析,其遺傳一致性變異范圍為07514~04859;披堿草和青紫披堿草的親緣關(guān)系最近。利用遺傳一致性進(jìn)行聚類分析,可分為兩類,即:第一類為老芒麥;第二類分為兩組,第一組為短芒披堿草、無(wú)芒披堿草、垂穗披堿草和黑紫披堿草;第二組為披堿草、青紫披堿草、肥披堿草、麥賓草、圓柱披堿草、紫芒披堿草和毛披堿草。聚類結(jié)果與形態(tài)分類基本一致。
(8)老芒麥和垂穗披堿草ISSR-PCR反應(yīng)最優(yōu)化體系為:25 L反應(yīng)體系中,25 L 10buffer(不含Mg2 ),TaqDNA聚合酶10 U,Mg2 20mmol/L,模板DNA 30~120 ng,NTPs 025mmol/L,引物025 mol/L;最佳擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性2min,94℃變性1min,51℃退火1min(根據(jù)引物而定),72℃延伸15min,共41個(gè)循環(huán),72℃后延伸10min,擴(kuò)增完后4℃保存。
12條引物對(duì)31份老芒麥和19份垂穗披堿草進(jìn)行擴(kuò)增,共檢測(cè)出111條譜帶,有107條多態(tài)性譜帶,多態(tài)性比例達(dá)到了9640%,50份材料總的有效等位基因數(shù)Ne為1552,Neis基因多樣性指數(shù)為0304,Shannon指數(shù)為0459,31份老芒麥的ISSR多態(tài)性片段比例為9279%,有效等位基因數(shù)Ne為1442,Neis基因多樣性指數(shù)為0273,Shannon指數(shù)為0424,19份垂穗披堿草的多態(tài)性為8468%,有效等位基因數(shù)Ne、Neis基因多樣性指數(shù)和Shannon指數(shù)分別為1433、0263、0403,不同老芒麥材料間的遺傳差異大于垂穗披堿草。
(9)老芒麥和垂穗披堿草進(jìn)行ITS多序列比對(duì),發(fā)現(xiàn)4個(gè)有明顯種性變異的位點(diǎn),分別是100位堿基垂穗披堿草為T(mén),老芒麥為C;195位堿基垂穗披堿草為A,老芒麥為G;438位堿基垂穗披堿草為A,老芒麥為C;547位堿基垂穗披堿草為A,老芒麥為C。
此項(xiàng)研究受到中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所)資助項(xiàng)目(2008-Z-1)、國(guó)家自然科技資源共享平臺(tái)牧草植物種質(zhì)資源標(biāo)準(zhǔn)化整理、整合及共享試點(diǎn)(2005DKA21007)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所草遺傳資源與育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助。
雖然筆者在本書(shū)撰寫(xiě)過(guò)程中認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn),但由于水平有限,書(shū)中難免有不足之處,敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正!
德英2018年10月
德英(1978-),女(達(dá)斡爾族),內(nèi)蒙古呼倫貝爾市人,副研究員,主要從事牧草資源與育種研究,主持完成項(xiàng)目4項(xiàng),參加20余項(xiàng),第一完成獲發(fā)明專利1項(xiàng)和實(shí)用新型專利3項(xiàng);第五完成人審定登記育成品種1個(gè);第一主編著作2部,第3主著2部;第一作者發(fā)表論文12篇,獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(二級(jí)證書(shū))。