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青藏高原老芒麦种质资源遗传多样性及优异种质筛选

鄢家俊  
【摘要】: 老芒麦(Elymus sibiricus L.)别名西伯利亚披碱草,是禾本科(Gramineae)小麦族(Triticeae)披碱草属(Elymus)的多年生优良牧草,是披碱草属的模式种。老芒麦在北半球温带地区分布较广,在我国特别是青藏高原地区有丰富的野生资源分布。由于其高产优质和对寒冷干旱气候的良好适应性,近年来,老芒麦已经成为青藏高原地区栽培利用最为广泛的当家草种之一。 试验在调查我国青藏高原地区野生老芒麦种群生态分布的基础上,以该地区应用广泛的老芒麦国审品种“川草1号”(Elymus sibiricus L.cv.chuancao No.1)和“川草2号”(Elymus sibiricus L.cv.chuancao No.2)为对照,对收集到的54份野生资源从种群生态与形态学、生产性能、种子醇溶蛋白和DNA分子标记等方面进行系统的遗传多样性研究和优异种质筛选;同时利用穗部性状、SRAP和SSR分子标记对该地区东南缘的13个老芒麦自然居群进行了遗传变异和群体遗传结构分析。主要结果如下: 1、对青藏高原老芒麦野生种群生态分布、生境类型、群落组成和形态学变异研究表明:(1)老芒麦在青藏高原地区分布广泛,群落生境初步划分为:高山亚高山草甸型、河谷草地型和森林灌丛型;群落组成以:高山红柳+老芒麦+发草,沙棘+老芒麦+蒿类,老芒麦+锦鸡儿+鹅观草,老芒麦+披碱草+多节雀麦4种类型最多。(2)野生老芒麦种质形态学性状具广泛变异,其中与牧草产量和种子产量相关的形态性状变异较大,而与分类相关的指标则变异程度较小。(3)聚类分析将不同形态的老芒麦聚为3大类群,聚类结果除与海拔有一定关系外,与其地理分布一致性不明显。(4)主成分分析表明内外颖长、内外颖芒长、旗叶宽、倒二叶片长、株高、内外稃长、外稃芒长、内外稃宽、穗中部节上每小穗的小花数、穗长、叶色、茎粗、灰度和穗中部节上的小穗数是引起老芒麦形态分化的主要指标。 2、物候期观测将供试材料分为早熟型和晚熟型两大类,生育期最短的是SAG205119和SAG205151,仅为115天,最长的是老芒麦品种“川草2号”,为129天。在试验所在地,老芒麦于6月初到7月中旬出现生长高峰期,株高呈直线上升趋势。不同材料的单株产量存在一定的差异,鲜草产量为35.66g/株~87.59g/株,单株平均鲜重为58.16g,干草产量为11.09g/株~29.18g/株,单株平均干重为17.96g。所有老芒麦材料的茎叶比为1.84~2.71,平均值为2.17,粗蛋白含量为8.27%~14.79%,平均值为10.96%。大部分材料的茎叶比低于对照而粗蛋白含量高于对照,说明青藏高原野生老芒麦具有较高的牧草品质。聚类分析将所有材料聚为高产优质和表现一般两大类型,其中的6份材料SAG205167、SAG205179、SAG204089、SAG205230、SAG205124和SAG204451的单株鲜草产量和牧草品质都高于对照品种,开发利用价值较大,而对照品种在本次试验中表现出优良性状退化的现象。 3、基于酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)的醇溶蛋白标记对54份野生老芒麦种质进行遗传多样性分析。供试材料共分离出42条带纹,多态率达92.86%。4个电泳分区(α、β、γ和ω)的平均Shannon指数为0.4627,Nei-Li遗传相似系数(GS)变异范围为0.2424~0.9767,平均值为0.5822。说明供试野生老芒麦材料具有较为丰富的醇溶蛋白遗传多样性。对所有材料的聚类分析发现,在GS为0.562的水平上供试材料可聚成4个大类,绝大部分来自于相同或相似生态地理环境的材料聚成一类,主成分分析显示了相似的结果。基于Shannon多样性指数估算了老芒麦5个地理类群内和类群间的遗传分化,发现地理类群内和地理类群间的遗传变异分别占总变异的68.17%和31.83%。对各地理类群基于Nei's无偏估计的遗传一致度的聚类分析表明,各地理类群间的遗传分化与其所处的地理生态环境具有较高的相关性。 4、采用SRAP分子标记技术,对52份野生老芒麦材料进行遗传多样性分析,筛选出的16对随机引物组合共扩增出318条清晰可辨的条带,其中多态性条带275条,占86.48%;每对引物扩增出14~27条带纹,平均为19.88条,多态性信息(PIC)含量为0.122~0.326之间,平均为0.24,SRAP标记效率(MI)为4.26;材料间的遗传相似系数(GS)范围在0.5064到0.9586之间,平均值为0.7921;52份种质的Nei's遗传多样性(He)为0.2270,Shannon's指数(Ho)为0.3472;这些结果说明供试野生老芒麦在分子水平具有较为丰富的遗传多样性。对所有材料的聚类分析和主成分分析发现,在GS=0.80的水平上,供试材料可聚为5类,大部分来自相同或相似生态地理环境的材料聚为一类。对5个老芒麦地理类群基于Shannon's指数的遗传分化估算发现,类群内遗传变异占总变异的65.29%,而类群间遗传变异占总变异的34.71%。对各生态地理类群基于Nei氏无偏估计的遗传一致度聚类分析表明,各生态地理类群间的遗传分化与其所处的生态地理环境具有一定的相关性。 5、利用SSR标记技术对52份老芒麦材料的遗传变异及亲缘关系进行了研究。18对SSR引物共扩增出236条清晰的条带,其中多态性条带204条,多态性位点率(PPB)为86.44%;每对引物扩增出7~20条带纹,平均为13.1条,多态性信息(PIC)含量为0.267~0.471之间,平均为0.35,SSR标记效率(MI)为3.98;材料间的遗传相似系数(GS)为0.622到0.895之间,平均GS值为0.766;52份种质的Nei's遗传多样性指数(He)为0.3286,Shannon's指数(Ho)为0.4851,表明供试材料之间差异明显,具有较为丰富的遗传多样性。根据研究结果进行聚类分析和主成分分析,可将52份老芒麦材料分成5大类,具有相同地理来源或相似生境的材料趋向于聚为一类。 6、对采集自青藏高原东南缘的13个野生老芒麦居群在原生境下的15项穗部性状变异进行了研究。Shannon指数分析表明,13个居群在穗部性状上具有丰富的遗传多样性(He=1.7937)且居群内遗传变异(69.28%)大于居群间(30.72%);聚类分析将这13个居群分为三个组;主成分分析表明单穗长和宽、单穗重、小穗长、内外稃长和每穗轴节小穗数等是造成13个居群老芒麦穗部特征差异的主要因素;相关分析的结果表明海拔、纬度、经度和降水量对青藏高原野生老芒麦居群穗部性状变异贡献较大,而年均温对此影响不大。根据研究结果提出了老芒麦资源的收集和保护策略。 7、基于SRAP和SSR分子标记分析了青藏高原东南缘8个老芒麦自然居群遗传变异及群体遗传结构。16对SRAP引物在90个单株中共扩增出384条可统计条带,其中多态性条带334条,占86.98%。16个SSR位点共检测出等位变异221个,平均每个位点13.8个,其中具有多态性的位点数192个,占86.88%。两种分子标记检测到老芒麦居群水平的基因多样性(He)分别为0.1092和0.1296,而物种水平的基因多样性达0.2434和0.3732。基于两种标记的的Nei's遗传分化指数Gst(0.5525和0.5158)表明老芒麦居群出现了较大程度的遗传分化,居群间的基因流非常有限,分别为0.4050和0.4694。Shannon指数的群体分化系数(56.43%和53.19%)和分子方差变异(AMOVA)分析(58.64%和52.41%)结果与Nei's遗传分化指数基本一致,均显示老芒麦的遗传变异主要分布在居群间,居群内变异相对较小。基于聚类分析结果表明各居群间存在较为明显的地理分化,8个居群分化为采集地范围内的南、北和中部3个分支。通过对老芒麦遗传多样性和遗传结构的分析提出了对该物种遗传多样性的保护策略。


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