中型狼尾草种质特性及遗传多样性研究

中型狼尾草种质特性及遗传多样性研究中型狼尾草（Pennisetumlongissimumvar.intermedium）是陈守良和金岳杏在1984年发现并命名的长序狼尾草新变种，为禾本科（Gramineae）狼尾草属（Pennisetum）多年生疏丛型草本植物，在我国云南、四川、贵州、湖南、甘肃等地均有分布。中国农科院兰州畜牧与兽药研究所经过多年引种驯化，选育出4个中型狼尾草新品系，具有产草量高、萌发力强、易栽培、抗病性强等优良特性，平均株高1.8～1.9m，年均干草产量达到1.60×104kg/hm2，粗蛋白含量18%以上。本论文对中型狼尾草4个新品系的生长特性、生殖特性、细胞学特性、抗逆性进行深入研究，并对包括4个新品系在内的29份中型狼尾草种质材料的表型多样性和分子多样性进行了分析比较，以期为中型狼尾草种质资源的开发利用及新品种选育提供科学依据。主要结果如下：（1）对中型狼尾草3个早熟品系的开花授粉习性及花粉形态进行观察研究。结果显示，日内开花时间主要集中在7:00～11:00，8:00～10:00是开花高峰期。1号品系开花时间7:00开始，11:00结束；2号品系7:30开始开花，11:30结束；3号品系开花始于7:30，11:00结束。1号、2号和3号品系的开花期持续时间分别为13d、20d和15d。1号、2号品系有一个开花高峰期，总体呈现“低—高—低”的态势；2号品系出现两个开花高峰期，总体呈现“低—高—低—次高—低”的态势。中型狼尾草开花变化除受自身开花节律的控制外，与气温变化、空气湿度也有一定关系，20～25℃温度范围较适宜花粉萌发，空气湿度较大时，花药散粉推迟或不散粉。花粉形态近似球形或卵园形，花粉粒表面有皱褶，花粉外壁为细小颗粒饰纹，呈鱼鳞状排列。平均花粉粒大小为47.1μm，平均极轴长为45μm，平均赤道轴长为52μm，平均长/宽比例为0.86。探讨了中型狼尾草开花授粉习性在杂交育种中的应用以及花粉形态与低结实率的关系。（2）采用常规根尖压片法对4个中型狼尾草新品系的根尖细胞有丝分裂中期染色体进行数目统计及核型分析。结果显示，中型狼尾草是以9为基数的4倍体种，4个品系的染色体数目均为36，同属中着丝点的小型染色体，在基因源上是同源性较强的染色体组；1号、3号品系的核型公式为2n=4x=36=17m+1sm，2号品系的核型公式为2n=4x=36=16m+2sm，4号品系的核型公式为2n=4x=36=18m（1SAT），4个品系染色体核型均属于不对称性核型，核型不对称系数的变异范围较小，染色体核型为1B型。1号、3号品系间的核型差异较小，亲缘关系较近；2号、4号品系与1号、3号品系间的核型差异较大，亲缘关系较远。（3）对采自云南省的25份野生种质和4份驯化栽培种质材料的16个主要表型性状进行了多样性分析。结果表明，中型狼尾草各表型在29份材料间均表现出极显著差异（P＜0.01），存在着丰富的表型多样性和变异水平，平均变异系数为17.58%，离散程度较高，极差变幅为0.31～51.60。主成分分析表明，叶长、穗长、穗宽、穗柄长、节间长等茎叶与穗部营养性状的变异是中型狼尾草表型变异的主要来源和贡献者，种子相关性状发芽率和结实率的变异程度低，遗传稳定。聚类分析结果，29份供试材料总体上分为3大类：第Ⅰ类有9份材料，第Ⅱ类有12份材料，第Ⅲ类包含8份材料。表型性状的遗传分化主要受到遗传因素与环境因子的共同影响，没有呈现明显的地域分布规律。（4）运用ISSR标记对采自云南的25份野生种质和4份驯化新品系中型狼尾草材料进行遗传多样性分析。50条ISSR引物中共筛选出10条能扩增出清晰条带且多态性明显的引物，29份材料DNA共获得72个扩增位点，其中多态性位点62个，多态性比率为87.4%，平均每条引物扩增位点为7.2个；平均观察等位基因数（Na）、有效等位基因数（Ne）、Shannon多样性信息指数（I）和Nei’s基因多样性指数（H）分别为1.8611、1.7428、0.5610和0.3959；种质材料间的遗传相似性系数变幅为0.236～0.903，表现出丰富的遗传多样性。利用UPGMA聚类分析，以遗传相似系数0.51为界，29份材料划分为4大类，但Mantel检测表明种质材料的遗传聚类和地理距离之间不存在显著的正相关关系（r=0.4370,P=0.2046）。首次从分子水平揭示了中型狼尾草的遗传多样性和变异水平，为科学合理地引种、驯化、保护和利用中型狼尾草野生资源提供重要的参考依据和数据支持。（5）采用PEG-6000、低温和NaCl处理模拟逆境胁迫的方法，系统研究了中型狼尾草幼苗在3种不同胁迫下生理生化特性的变化，并对其抗逆性、各生理生化指标的相关性进行了综合评价与分析。结果显示，①随着PEG浓度的增加，可溶性蛋白含量表现为先增后降再增的趋势；可溶性糖含量先增后降，在PEG浓度为5%时达到最大；脯氨酸含量显著升高，在20%PEG处理下含量是CK的6.0倍；MDA含量呈现“急剧增加—相对稳定—迅速下降”的变化趋势，5%PEG处理下MDA累积量达到最大；SOD活性总体上呈“急剧下降—微增—迅速上升”的趋势，PEG浓度为5%时最低，PEG浓度为20%时达到最大。②低温胁迫过程中，可溶性蛋白和可溶性糖含量均随温度降低总体呈现先升高后下降的趋势；脯氨酸含量随温度的降低均呈升高趋势；MDA含量随低温处理时间的延长而增大；SOD活性随温度的降低总体呈现先升高后下降的趋势。③随着NaCl胁迫水平的加强，可溶性蛋白含量表现先增后降的变化趋势；可溶性糖、脯氨酸和MDA含量均随NaCl浓度的增大而增加；SOD活性则呈现“微增—缓慢降低—急剧下降”的变化趋势。相关性分析显示：PEG胁迫下，脯氨酸含量与可溶性糖含量呈显著负相关；低温4h胁迫下，MDA含量与可溶性糖含量显著正相关，与脯氨酸含量极显著正相关；NaCl胁迫下，可溶性糖含量与脯氨酸含量和MDA含量极显著正相关，SOD活性与可溶性糖含量、MDA含量呈显著负相关，而与可溶性蛋白显著正相关。以上结果表明，中型狼尾草适应逆境胁迫受到多种生理生化的调节，且各生理生化物质之间存在一定的相关性，其生理指标的动态变化是中型狼尾草应答逆因子胁迫的重要生理调节机制，体现了其抵抗逆境胁迫、减轻伤害的适应性反应。（6）通过田间试验，比较研究了4个中型狼尾草野生栽培新品系在甘肃永登秦王川盐渍土区的物候期、生长速度、叶面积及分蘖数等性状的变化特征，运用灰色系统理论对其生产性能进行了综合评价。结果表明，1号、2号和3号品系出苗快，成熟早，生育天数147d左右；4号品系出苗迟，成熟晚，生育天数160d。1号品系生长最快，其株高在各个生育时期均显著高于其他3个材料（P＜0.05），在开花期达最高（187.94cm）；3号品系生长较慢，株高最矮（150.51cm）。生育前中期，参试材料单株叶面积、茎粗逐步增长，抽穗期以后，趋于平稳甚至有所下降，1号、2号和4号品系变化一致且明显高于3号品系。2号品系分蘖能力最强，其次是1号、3号和4号品系。综合生产性能较好的是1号和2号，年干草产量分别达到15300kg/hm2、14700kg/hm2。综合评价认为，中型狼尾草1号、2号新品系生长速度快，分蘖能力强，产草量高，成熟早，综合生产性能优良，适宜在永登秦王川盐渍土区推广种植。综上所述，中型狼尾草属于异花授粉植物，其花粉粒表面有皱褶，花粉外壁为细小颗粒状饰纹；细胞染色体数为36，染色体核型为1B型；29份中型狼尾草种质材料表