吳瑞，劉文輝，張永超，秦燕，魏小星，劉敏潔

（青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質資源利用重點實驗室，青海大學畜牧獸醫(yī)科學院，青海西寧810016）

牧草種子的落粒性是多年生禾本科牧草中廣泛存在的一種自然特性，有利于野生牧草在生存過程中繁殖后代、擴大種群及抵御惡劣環(huán)境條件［1-4］。然而，種子落粒性造成牧草種子產(chǎn)量低，提高了牧草種子生產(chǎn)成本，阻礙了老芒麥（Elymus sibiricus）的商業(yè)種子生產(chǎn)［5-6］。據(jù)研究，嚴重的落粒率可導致老芒麥高達80%的產(chǎn)量損失，這增加了老芒麥種子的收獲難度，若提早收獲會降低其品質，若延遲收獲會造成老芒麥種子更嚴重的脫落，造成產(chǎn)量的下降。且研究表明，老芒麥在蠟熟期和完熟期落粒率分別達到75.67%和87.73%［7］。因此，在老芒麥的生產(chǎn)實踐中，種子落粒性造成的種子產(chǎn)量與質量難以平衡，很大程度上制約了老芒麥的推廣［8-9］。而目前研究人員在老芒麥品種選育時重點關注產(chǎn)量、品質和適應性等指標，忽略了落粒性造成的產(chǎn)量損失嚴重和收獲不便等問題。因此，在資源評價及品種選育過程中，有必要將落粒性作為品種選育中的重要性狀進行考慮［8，10］，為解決生產(chǎn)中老芒麥的落粒性奠定基礎。

老芒麥是禾本科（Gramineae）小麥族（Triticeae）披堿草屬（Elymus）成疏叢的多年生優(yōu)良物種，為披堿草屬模式植物［11-13］。老芒麥因具有良好的耐寒、耐旱性及適應性強，在高寒地區(qū)或貧瘠、弱酸弱堿或含較高腐殖質的土壤中均能良好生長，已成為青藏高原高寒草地的優(yōu)勢種和建群種［8，10，14］。此外因老芒麥較高的種子產(chǎn)量和草產(chǎn)量，豐富的粗蛋白含量以及營養(yǎng)豐富、適口性好等特征，為家畜喜食的一種優(yōu)良牧草［12，15-17］。國內老芒麥資源豐富，廣泛分布于內蒙古、新疆、青海、西藏等地，為低落粒種質的篩選和評價提供了物質基礎［11，18］。

近年來由于青藏高原生態(tài)保護等舉措的進行，老芒麥被廣泛應用于天然草被建植，種草護坡、植被恢復和種草養(yǎng)畜等方面，在畜牧業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護中發(fā)揮重要作用［10，19］。但目前老芒麥品種較匱乏，尚缺少適合于青藏高原的抗落粒材料。已選育的老芒麥品種如青牧1號老芒麥是通過野生種質資源馴化而來，田間觀測發(fā)現(xiàn)落?，F(xiàn)象嚴重，很難滿足生態(tài)治理中對老芒麥的大量需求，因此，老芒麥的落粒性制約了其進一步的推廣和應用，是生產(chǎn)上亟待解決的問題，且老芒麥的落粒性受本身遺傳的影響較大，不同的老芒麥資源落粒率存在差異［20］。因此，本研究遂選取15份采自不同生態(tài)區(qū)域的老芒麥資源進行落粒性的評價，同時進行落粒性與表型性狀的相關性研究，對今后老芒麥落粒性的研究和低落粒品種選育提供理論基礎。并且篩選出抗落粒材料，進一步選育抗落粒老芒麥新品系，發(fā)揮老芒麥在青藏高原生態(tài)保護和草牧業(yè)發(fā)展等方面的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省海北州西海鎮(zhèn)多年生牧草種質資源圃，地理坐標為36°59.36′N，100°52.848′E，海拔3156 m，氣候寒冷，持續(xù)時間長。光照充足，輻射強。年均氣溫0.5℃，無霜期短，年降水量369.1 mm，7-9月較集中，年蒸發(fā)量為1400 mm，年日照時數(shù)為2980 h。土壤為栗鈣土，pH 8.43，有機質32.48 g·kg-1。

1.2 試驗材料

對采自青藏高原不同生態(tài)區(qū)域的老芒麥種質資源進行評價篩選，從資源圃近百份材料中通過株型、穗型及落粒性等指標初步篩選出差異較大的15份野生型材料（表1）。

表1 試驗老芒麥材料及來源Table 1 The material and source of E.sibiricus

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗小區(qū)面積為3 m×5 m，隨機區(qū)組排列，3次重復。2016和2017年資源分別于2017和2018年播種，播種前對試驗小區(qū)進行深翻平整。采用人工條播進行播種，播深3～4 cm，行距30 cm，各小區(qū)種植10行；以磷酸二銨做底肥，用量75 kg·hm-2。試驗期間不灌溉，不施肥并禁牧，播種當年出苗后和第二年返青期各除雜1次。

1.3.2 表型指標測定方法 于老芒麥開花期（flowering stage，F(xiàn)S）各小區(qū)選取5株長勢一致的單株，測定其小穗數(shù)（花序上著生的小穗總數(shù)，number of spikelet，Ns）。

于乳熟期（milk stage，MS）選取5株長勢一致的單株，分別測定花序長（老芒麥花序的絕對長度，length of inflorescence，Li）、花序寬（老芒麥花序的絕對寬度，width of inflorescence，Wi）、穗軸節(jié)數(shù)（老芒麥穗的穗軸節(jié)數(shù)目，fringe number，F(xiàn)N）、小穗長（穗軸中部小穗的絕對長度，spikelet length，SPL）、小穗寬（穗軸中部小穗最寬處的寬度，spikelet width，SPW）。

于老芒麥完熟期（full ripe stage，F(xiàn)RS）選取5株長勢一致的單株測定種子長（隨機選取每份材料的成熟種子測量種子的最長長度，seed length，SL）、種子寬（隨機選取每份材料的成熟種子測量種子最寬處的寬度，seed width，SW）、外稃長（穗中部小穗第一小花外稃的長度且不包括芒長，lemma length，LL）、外稃寬（穗中部小穗第一小花外稃的寬度，lemma width，LW）、芒長（穗中部小穗第一小花外稃芒的絕對長度，awn length，AL）、單序籽粒數(shù)（成熟期每個花序上的籽粒數(shù)，seed number per inflorescence，SNi）、單序籽粒重（成熟期每個花序上所有籽粒數(shù)的重量，seed weight per inflorescence，SWi）、千粒重（測定1000粒成熟且正常風干種子的重量，thousand kernels weight，TKW）。

1.3.3 老芒麥落粒率測定 開花期，從每份材料中選取10個長勢一致、大小相近的穗子進行標記，統(tǒng)計各穗子的總籽粒數(shù)，完熟期統(tǒng)計剩余籽粒數(shù)，計算自然落粒率（natural shattering rate，NSR）=（總籽粒數(shù)-剩余籽粒數(shù)）/總籽粒數(shù)×100%。

在種質達到乳熟期時，每份種質隨機選取5個長勢相似、成熟度一致的穗子，人工用均一力度將每個穗子振蕩10次，并記錄各組的落粒數(shù)。從老芒麥乳熟期開始每隔3 d進行1次落粒測定，計算動態(tài)落粒率（dynamic shattering rate，DSR）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)的初步整理，采用SPSS 21.0對15份老芒麥資源的14個表型性狀進行差異顯著性分析，并且使用Duncan法進行多重比較（P＜0.05）；使用Person相關系數(shù)進行落粒率和各農(nóng)藝性狀的相關性分析；使用SPSS系統(tǒng)聚類法，基于落粒率和各農(nóng)藝性狀進行聚類分析；根據(jù)累計貢獻率85%的標準，采用SPSS進行主成分分析，表明老芒麥農(nóng)藝性狀的大部分可以由幾個主成分進行概括。并且通過主成分得分與落粒率建立回歸方程；使用Origin 2018繪制箱線圖。

2 結果與分析

2.1 不同老芒麥資源自然落粒率分析

15份老芒麥資源的平均落粒率存在明顯差異（表2），其中17-124的平均落粒率最高，為56.92%；其次為17-149和17-178，分別 為53.94%和51.73%；17-064和17-050最低，分別為17.54%和18.63%，說明其抗落粒性較強。因此，今后研究應重點關注落粒率高和落粒率低的材料來揭示老芒麥的落粒性。

表2 老芒麥資源落粒率變異分析Table 2 Variation analysis of shattering rate of E.sibiricus germplasms（%）

對15份材料的田間落粒率進行變異分析，各材料變異系數(shù)為2.87%～36.24%。材料17-064變異系數(shù)最大，為36.24%，說明該材料在落粒方面存在較大的遺傳差異。17-051和17-149兩份材料的變異系數(shù)較小，分別為2.87%和5.60%，表明這兩份材料在落粒性方面的遺傳差異較小。

2.2 老芒麥動態(tài)落粒率調查

對15份老芒麥資源的動態(tài)落粒率進行了分析（表3），同一資源不同時期，從乳熟后第3天至第15天，落粒率不斷增加，且各時期間存在極顯著差異（P＜0.01）。不同資源在各時期的落粒率也存在極顯著差異（P＜0.01），乳熟后第3和6天，17-149與17-244的落粒率均最高，分別為27.05%、25.87%和38.27%、45.50%。乳熟后第9天16-167和17-149的落粒率最高，分別為54.49%和55.91%。乳熟后第12天，落粒率較高的材料為16-167、17-149和17-244，分別為58.86%、52.95%和53.09%。到乳熟后第15天時，16-167、17-149和17-178落粒率較高，分別為58.44%、59.55%和57.10%。而16-319、17-051和17-064的落粒率在各時期均表現(xiàn)較低，以上各資源的落粒情況與自然落粒率的調查結果相差不大。

供試老芒麥資源乳熟后第3天到第15天落粒率持續(xù)升高。在乳熟后第3天平均落粒率低，僅為17.58%。乳熟后第6天，落粒率增大到26.01%。乳熟后第9天，落粒率升高到35.05%，各資源間落粒的變化幅度小。乳熟后第12天，落粒率升高到40.77%，但乳熟后第9天與第12天平均落粒率差異不顯著。到乳熟后第15天，平均落粒率增加到49.45%，且各資源間變異幅度小。

表3 不同老芒麥資源動態(tài)落粒率方差分析Table 3 Variance analysis of dynamic shattering rate of different E.sibiricus germplasms

2.3 供試老芒麥資源農(nóng)藝性狀變異分析

對15份材料農(nóng)藝性狀進行變異分析（表4），落粒率的變異系數(shù)最大，為31.62%。其次為花序寬和單序籽粒重，分別為24.32%和23.87%，說明老芒麥資源的落粒率、花序寬和單序籽粒重存在較大的遺傳變異。穗軸節(jié)數(shù)、芒長、小穗數(shù)、小穗寬、種子寬、單序籽粒數(shù)和千粒重的變異系數(shù)分別為11.48%、17.24%、12.09%、15.46%、12.63%、15.64%和14.19%，表明這7個性狀也存在較明顯的遺傳變異。而花序長、小穗長、種子長、外稃長和外稃寬的變異系數(shù)相對較小，均在10%以下，表明在老芒麥中上述性狀遺傳變異小。

2.4 供試老芒麥資源農(nóng)藝性狀分析

根據(jù)自然落粒率＜30%、30%～50%和＞50%將15份老芒麥資源進行分類并按農(nóng)藝性狀作箱線圖（圖1），結果表明，落粒率＜30%的材料花序性狀（單序籽粒數(shù)、單序籽粒重、千粒重、穗軸節(jié)數(shù)、花序長、花序寬）的中位數(shù)均高于其他材料，平均值與落粒率在30%～50%的材料相差不大。而落粒率＞50%的材料小穗性狀（小穗數(shù)、小穗長、小穗寬、種子長、種子寬、外稃長、外稃寬、芒長）的平均值和中位數(shù)均高于其他材料。

表4 老芒麥資源農(nóng)藝性狀變異分析Table 4 Variation analysis of agronomic traits of E.sibiricus gemplasms

圖1 不同落粒程度老芒麥資源農(nóng)藝性狀箱線圖Fig.1 Box plots of agronomic traits of E.sibiricus gemplasms with different degrees of seed shattering

2.5 老芒麥落粒率與各性狀相關性分析

對老芒麥14個農(nóng)藝性狀與自然落粒率進行相關性分析（表5），結果表明落粒率與小穗數(shù)呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數(shù)為0.437。落粒率與穗軸節(jié)數(shù)、花序長、小穗寬和外稃長呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數(shù)分別為0.292、0.248、0.271和0.275。而與花序寬呈極顯著負相關（P＜0.01），與芒長呈顯著負相關（P＜0.05），相關系數(shù)分別為-0.348和-0.235。各農(nóng)藝性狀與落粒率的相關性大小依次為：小穗數(shù)（0.437）＞花序寬（0.348）＞穗軸節(jié)數(shù)（0.292）＞外稃長（0.275）＞小穗寬（0.271）＞花序長（0.248）＞芒長（0.235）＞種子寬（0.168）＞外稃寬（0.155）＞種子長（0.070）＞千粒重（0.067）＞單序籽粒重（0.065）＞單序籽粒數(shù)（0.047）＞小穗長（0.008）。

表5 老芒麥資源落粒率與農(nóng)藝性狀相關性分析Table 5 Correlation analysis of seed shattering rate（SR）and agronomic characters of E.sibiricus gemplasms

2.6 老芒麥農(nóng)藝性狀的主因子分析及回歸方程的建立

對老芒麥資源14個農(nóng)藝性狀進行主成分分析，表明老芒麥前5個特征根的累計貢獻率達81.441%，表明這5個主成分可以代表老芒麥14個農(nóng)藝性狀所代表的大部分信息。各農(nóng)藝性狀的特征向量可以表示其對主成分的貢獻量，第1主成分主要受小穗數(shù)（0.845）、小穗寬（0.731）和穗軸節(jié)數(shù)（0.704）的影響（表6），表明第1主成分集中反映老芒麥穗部特性，且主成分1的特征值為3.517，貢獻率為25.125%。因此，第1主成分對老芒麥的貢獻最大。第2主成分主要受單序籽粒重（0.919）和千粒重（0.889）的影響，表明第2主成分主要反映老芒麥種子的產(chǎn)量特征，其貢獻率較主成分1小，為22.248%。第3主成分的特征值為2.102，貢獻率為15.011%，主要受小穗長（0.682）和花序長（0.619）的影響，表明第3主成分反映老芒麥的穗部長度特征。第4主成分特征值為1.470，貢獻率為10.499%，第5主成分特征值為1.198，貢獻率為8.558%，這兩個主成分均以外稃長的特征向量值最大，分別為0.500和0.655。

基于主成分分析，通過5個主成分的得分與落粒率建立回歸方程得到最優(yōu)方程：Y=38.310-6.186PC1+4.092PC3-2.135PC5（R=0.908，R2=0.824），結果顯示，第1、3和5主成分與老芒麥落粒率密切相關。由主成分分析可知，第1主成分主要受小穗數(shù)和小穗寬的影響，第3主成分主要受小穗長和花序長的影響，第5主成分主要受外稃長的影響。此回歸模型對預測結果的可解釋度為82.4%，模型擬合度好，可解釋程度較高。

為了找出影響落粒的關鍵因素，本研究選取相關性分析得出的與落粒率相關的7個指標進行回歸分析，得到落粒率最優(yōu)方程：Y=-35.160-1.256Wi-3.951AL+1.274Ns（R=0.963，R2=0.927）。該模型可解釋92.7%的預測結果，模型擬合度很高。結果顯示，花序寬、芒長和小穗數(shù)與老芒麥落粒率的關系密切，當試驗中其他條件不變的情況下，花序寬和芒長每增加1個單位，落粒率就分別減少1.256%和3.951%。當小穗數(shù)每增加1個單位時，落粒率分別增加1.274%。

表6 老芒麥農(nóng)藝性狀主成分分析Table 6 Principal component analysis of agronomic traits in E.sibiricus gemplasms

2.7 供試材料農(nóng)藝性狀的聚類分析

對15份老芒麥材料基于農(nóng)藝性狀和落粒率進行聚類分析得到樹狀圖（圖2），以相對距離為15進行分類，供試材料被分為4類。第Ⅰ類包括11份材料，分別為16-167、16-319、17-335、17-298、16-033、16-032、17-178、17-124、17-149、17-263和17-051，結合農(nóng)藝性狀和自然落粒率發(fā)現(xiàn)該類群小穗數(shù)多，單序籽粒數(shù)較多，落粒率高，平均為41.24%；第Ⅱ類僅有17-050這1份材料，該類群芒長最長，單序籽粒數(shù)最多且落粒率低，僅為18.63%；第Ⅲ類僅包括16-301和17-244兩份材料，該類群小穗數(shù)較多，但單序籽粒數(shù)最少，平均落粒率為42.41%。第Ⅳ類僅有17-064，該類群單序籽粒數(shù)少，千粒重及單序籽粒重均較低，且落粒率低，僅為17.54%。因此，第Ⅱ和Ⅳ類的兩份材料可以作為低落粒種質選育的候選材料。

圖2 基于老芒麥農(nóng)藝性狀的聚類Fig.2 The cluster of E.sibiricus based on agronomic traits

3 討論

3.1 老芒麥落粒率研究

落粒性是制約老芒麥發(fā)展的重要因素之一，對老芒麥的種子生產(chǎn)造成了嚴重影響。牧草的落粒性與其種、品種、環(huán)境條件等有直接關系［1］，本研究選用的15份材料均為野生種，馴化時間短，加之試驗所在地生長期短，氣候寒冷且風大等特點，可能是造成老芒麥落粒率高的根本原因。本試驗對15份老芒麥資源的田間落粒率測定表明，15份材料中17-064的落粒率最低，為17.54%，表明其抗落粒性強，可作為低落粒種質選育和研究落粒機理的理想材料。17-124的落粒率最高，為56.92%，表明該資源易落粒。動態(tài)觀測表明，在種子成熟過程中落粒率不斷增大。乳熟后第3天各材料平均落粒率僅為17.58%，個別材料低于10%。而在乳熟后第15天平均落粒率增加到了49.45%，個別資源增加到近60%，因此，乳熟期落粒率增幅開始變大。為了避免籽粒在成熟過程中的嚴重脫落，今后可進行含水量、淀粉及各時期種子發(fā)芽率等指標的測定，選取適宜的收獲期完成收獲。

通過農(nóng)藝性狀與落粒率對15份老芒麥材料的聚類分析將種質分為4類，分析表明第Ⅰ類群落粒率高，但小穗數(shù)多，單序籽粒數(shù)多。因此今后研究中該類群資源可以通過栽培措施、使用外源激素等手段降低落粒率，提高產(chǎn)量；第Ⅱ和Ⅳ類群的兩份材料落粒率低，可以作為低落粒種質選育的材料，并且可以作為探究落粒機理的供試材料。

3.2 老芒麥落粒率變異分析

本研究發(fā)現(xiàn)同一份資源各單株間存在較大差異（表2），并且各資源間落粒率變異系數(shù)達31.62%（表4），表明各單株和各資源間落粒性存在較大遺傳差異。趙旭紅等［10］研究發(fā)現(xiàn)老芒麥落?？傮w變異達24.58%，本研究結果與其結果相似。目前篩選低落粒種質是落粒性研究的重點，而落粒率存在較大差異的這些材料是老芒麥落粒性研究的理想材料。通過落粒率不同的材料進行進一步的生理、分子等方面的研究確定老芒麥的落粒機理，為老芒麥低落粒新品種的選育提供基礎。

3.3 老芒麥落粒性相關因素分析

農(nóng)藝性狀是篩選不同落粒程度老芒麥的重要指標，本研究通過落粒率與農(nóng)藝性狀的相關性分析發(fā)現(xiàn)，15個農(nóng)藝性狀中有7個性狀與老芒麥種子落粒率存在顯著相關。其中，落粒率與小穗數(shù)呈極顯著正相關，與穗軸節(jié)數(shù)、花序長、小穗寬和外稃長呈顯著相關，因此在篩選低落粒材料時應重點關注小穗數(shù)這一性狀，并選取穗較短的材料。此外落粒率與花序寬呈極顯著負相關，與芒長呈顯著負相關，表明在低落粒老芒麥篩選時應重點選取花序較寬且芒長的材料。并且通過將15份材料按落粒率分類，發(fā)現(xiàn)落粒率＜30%的材料花序性狀表現(xiàn)好，這與相關性分析的結論一致。張俊超等［14］通過對6份來自青藏高原的老芒麥為研究材料，測定了其落粒率并且分析了落粒和其他農(nóng)藝性狀的關系，發(fā)現(xiàn)老芒麥的落粒性與其花序長、芒長、小穗數(shù)、小穗小花數(shù)和千粒重存在密切相關性。游明鴻等［21］將老芒麥落粒性與產(chǎn)量性狀進行分析，發(fā)現(xiàn)花序柄長、芒長等性狀與落粒率存在一定關系。本研究結果與前人研究結果相似，小穗數(shù)、芒長和花序寬等性狀是影響老芒麥落粒的主要表型因素。主成分分析表明第1主成分反映的老芒麥穗部特性是影響落粒率的主要因子，回歸分析表明芒長、小穗數(shù)和花序寬與老芒麥落粒關系密切。因此，可充分利用主成分和回歸分析的研究結論，深入研究種子落粒性，加快育種進程，縮短育種的周期。

4 結論

1）老芒麥各資源落粒率存在明顯差異，低落粒的17-064和17-050可作為培育低落粒品種和研究落粒機理的理想材料。2）動態(tài)落粒率研究表明，在種子成熟過程中老芒麥的落粒率不斷增加，且各時期存在極顯著差異（P＜0.01）。3）綜合相關性分析、主成分分析和回歸分析，小穗數(shù)、芒長和花序寬等是影響老芒麥落粒率的關鍵因素。