5个新疆野生黄花苜蓿居群表型变异性

李 倩，若扎·扎尔汗，李陈建，王玉祥，张 博

（1. 西部干旱荒漠区草地资源与生态实验室，新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业大学草业研究所，新疆 乌鲁木齐 830052）

植物表型多样性是遗传多样性与环境多样性的综合体现，其表型性状的变异往往与环境密切相关，研究其群体在各种环境下的表型变异，探讨表型性状变异与生境的关系，能够了解其野生居群变异的分布格局、生态遗传分化状况，对于开展植物种质资源开发与合理利用具有重要意义。黄花苜蓿(Medicago falcata)是蝶形花亚科车轴草族苜蓿属草本植物，具有广泛的适应性，具备的一些优良特性，如抗寒性、多叶性、耐牧性等，蕴含丰富的遗传多样性[1]，是牧草遗传育种改良的优质种质资源。我国黄花苜蓿野生种质资源丰富，有关黄花苜蓿表型变异的研究较多。研究[2]表明，黄花苜蓿居群间有较高的遗传多样性，各个器官中都存在丰富的形态变异，且居群内的变异大于居群间的变异[3]，不同品种的变异十分丰富, 其中叶面积和叶宽具有较高的变异水平[4]。分子标记研究表明，野生黄花苜蓿种群遗传分化程度较高[5]； 张宇等[6]利用SRAP标记研究表明，不同来源的苜蓿具有较高异质性；苜蓿遗传变异主要发生在种群内部[7]；黄花苜蓿具有较高的遗传多样性和基因多样性[8]。

新疆是我国苜蓿起源地，具有丰富的黄花苜蓿种质资源，黄花苜蓿具有分布范围广、垂直跨度大、生长环境多样等特点，其表型性状在居群间和居群内存在极其广泛的遗传多样性，具有很多优良的基因，是苜蓿遗传改良的重要基因源。有关新疆黄花苜蓿表型性状变异的文献资料不少，如，通过测定新疆野生黄花苜蓿的形态、花部及果实形态变异分析了其形态的遗传变异，结果表明，群体间差异大于群体内差异，但都是在同质园条件下开展的研究[9-12]；原始生境下新疆黄花苜蓿居群的表型性状变异的研究还鲜见报道。基于此，本研究在原始生境条件下，对新疆5个野生黄花苜蓿居群的表型性状进行测定，探讨居群间和居群内表型性状变异特点及其与生境的关系，对比分析不同地理居群的表型变异特点，以期为进一步开展新疆黄花苜蓿种质资源评价与利用和苜蓿新品种选育提供理论依据，为新疆黄花苜蓿核心种质资源构建与遗传多样性研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以新疆黄花苜蓿野生居群为研究对象，材料详细信息如表1所列。

表1 黄花苜蓿居群点采集信息Table 1 The sampling site information of Medicago falcata

1.2 试验方法

2017年6月，在黄花苜蓿盛花期，每个居群随机选取30个单株，每个单株随机选取10个叶片和小花，对其叶片和花部形态进行测量。用直尺测量每株黄花苜蓿的株高(自然高度)；叶片选取主枝上正数第4个成熟叶片的中叶，用游标卡尺( ± 0.02 mm)测量叶长、叶宽、叶柄长，每个居群单独计算；并用游标卡尺测量主枝倒数第4茎节的长度以及直径，记录节间数以及分枝数(植株根部数分蘖的分枝数)。每个居群选择10个小花，用游标卡尺测量花序长、花序宽、旗瓣长、旗瓣宽、翼瓣长、翼瓣宽、龙骨瓣长、龙骨瓣宽，单位均为mm，用直尺测量小花长、小花宽，单位为cm，并且记录单枝花序数(主枝上开放的花序以及未开放的花蕾的总个数)和单序小花数(每一个花序上面所有的小花朵数)，每个居群单独计算平均值。参考《黄花苜蓿种质资源描述规范和数据标准制定的原则和方法》[13]测定。

1.3 数据分析

采用Excel 2007 软件进行差异性分析，采用SPSS 19.0软件对表型株高、叶片、花等性状数据进行方差分析、相关性分析以及主成分分析，并计算形态性状变异系数。

2 结果与分析

2.1 黄花苜蓿表型性状方差分析

F检验表明，不同居群间相同性状指标均达到显著水平(P＜0.05)(表2)，由此，所有指标均可进行后续分析。居群间节间长F值最大(75.564)，其次是旗瓣宽(60.253)、小花数(48.387)、株高(31.432)、龙骨瓣长(30.449)，其余15个指标的F值均小于30。同一花部性状在不同居群间的差异性不同，其中H1居群的花序宽、旗瓣长、翼瓣长、龙骨瓣宽与H2之间无显著差异(P ＞ 0.05)，与其他居群差异显著 (P＜0.05)；花序宽在 H3、H4、H5居群之间无显著差异；H3和H4居群旗瓣长无显著差异，但与H5之间差异显著。分枝数较多的是H3居群，高达67.21个，最少的是H5，只有2个，与其他居群差异显著。叶长、叶柄长、茎秆粗、花序长在H2、H3和H4居群间无显著差异，在其他居群差异显著。旗瓣宽在居群H3与H4之间差异不显著，在其他居群之间差异显著。

表2 不同居群黄花苜蓿表型性状方差分析Table 2 Analysis of phenotypic trait variance of different population of Medicago falcata

2.2 黄花苜蓿表型性状变异分析

从对5个居群20个表型性状差异性分析表明，表型性状在居群内和居群间均存在丰富的变异，是较好的育种资源。不同居群之间存在较大差异，表现出较高的遗传多样性(表3)。居群内平均变异系数在7.66%～35.23%，变异系数最大的是单枝花序数，最小的是龙骨瓣长，小花数的变异系数居第二，达到了34.46%，说明居群内的变异主要来源于小花数和花序数。居群间变异系数最大是分枝数，达到73.80%，最小的变异系数是龙骨瓣长，为11.77%。通过对数据进一步分析表明，黄花苜蓿具有丰富的多态性，表型性状在居群内平均变异系数20.19%，居群间为27.66%，且居群间差异大于居群内，表明黄花苜蓿不同居群表型差异主要来源于居群间。

2.3 黄花苜蓿表型性状相关性分析

相关分析表明(表4)，经度与株高、叶长、小花数、花序长、花序宽、小花宽、旗瓣长、旗瓣宽、翼瓣长、翼瓣宽、龙骨瓣长、龙骨瓣宽呈极显著正相关关系(P＜0.01)，相关系数分别为0.338、0.404、0.485、0.545、0.805、0.620、0.638、0.751、0.691、0.699、0.636、0.617；与分枝数和小花长无显著相关性(P ＞ 0.05)。纬度与株高、节间数、花序宽、小花宽、旗瓣长、旗瓣宽、翼瓣长呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.360、0.315、0.401、0.514、0.293、0.365、0.334；与小花长呈不显著负相关关系，与分枝数呈极显著负相关关系(P＜0.01)。即经纬度与分枝数、小花长呈负相关关系，与其他指标呈正相关关系。海拔与叶长、小花数、花序长、花序宽、旗瓣宽、翼瓣宽、龙骨瓣长、龙骨瓣宽呈极显著正相关关系，与株高呈显著负相关关系，相关系数为-0.224。

表3 黄花苜蓿表型性状变异性分析Table 3 Analysis of variability of morphological character of Medicago falcata

2.4 黄花苜蓿表型性状主成分分析

为进一步分析影响黄花苜蓿不同表型差异主要影响因子，对叶片和花部形态等20个性状进行主成分分析(表5)。结果表明，前6个主成分的累计贡献率达到71.75%( ＞ 70%)，代替了原始因子所包含的主要信息。第一主成分贡献率为34.701%，对其作用较大的性状有花序长宽(0.825、0.831)、旗瓣长宽(0.723、0.905)、翼瓣长宽(0.746、0.826)和龙骨瓣长宽(0.717、0.711)，反映的是花部的特征，6个性状与第一主成分有较强的正相关关系。第二主成分贡献率为11.683%，对其作用较大的是叶长(0.439)、叶宽(0.549)、叶柄长(0.457)、分枝数(-0.791)，反映的是叶片的特征，叶长、叶宽、叶柄长与第二主成分有较强的正相关，分枝数与其呈显著负相关关系。第三主成分贡献率为7.532%，对其作用较大的是节间数(0.582)、节间长(0.472)，反映的节间的性状，节间长、节间数与第三主成分之间呈显著正相关关系。第四主成分贡献率为6.782%，与其呈显著正相关关系的是株高和小花长，与其呈负相关关系的是小花宽，反映的是株高性状。第五主成分贡献率为6.615%，与其呈明显负相关的是花序数。第六主成分贡献率为4.888%，与其呈负相关关系的是小花数、小花长和龙骨瓣长。进一步分析表明，居群间表型性状变异主要来自叶片、节间及花部特性。

3 讨论与结论

植物的表型变异有表型可塑性和遗传分化两种来源。表型可塑性是由环境的异质性导致的。植物表型差异主要受经纬度、海拔、温度、湿度、日照长短以及土壤微环境等环境因子的影响[14]，遗传分化由植物遗传背景以及演化路径所决定，植物表型变异是由环境与遗传两方面共同作用的结果[15]。植物表型性状的变异幅度越大，表型多样性越丰富[16]。本研究对原始生境下新疆5个野生黄花苜蓿居群的20个表型性状进行变异性分析，结果表明，5个居群的20个表型性状差异显著，进一步说明不同生境条件下的黄花苜蓿居群经过长期的自然选择和适应，表型性状在居群间已产生明显的分化，这与于林清等[17]的研究结果一致，黄花苜蓿野生居群拥有较丰富的遗传多样性，在居群内和居群间存在着丰富的变异性[17-18]。海拔与株高呈现显著负相关关系，这与索默等[19]研究一致，随着海拔的升高，株型变矮。黄花苜蓿不同居群间表型性状变异系数最大的是分枝数，达到73.80%，与赵丹在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中的研究相一致[20]，分枝数的变异能力较高，更容易在地区间产生遗传分化。黄花苜蓿居群间和居群内的表型性状变异较丰富，这些变异是自身遗传因素、地理隔离造成的遗传差异和环境因素共同作用的结果，反映了居群遗传稳定性与环境复杂性的互作关系及其适应环境压力的广泛程度。

表4 黄花苜蓿表型性状与地理位置间的相关性分析Table 4 Correlative analysis between phenotypic characters and geographical position of Medicago falcata

表5 黄花苜蓿表型性状主成分分析Table 5 Principle components analysis on morphological character of Medicago falcata

本研究进一步分析发现，新疆黄花苜蓿居群间的差异大于居群内的差异，在野生大豆(Glycine soda)[21]和野生扁蓿豆(Melissitus ruthenica)[22]的研究中也有类似的结果，这与栽培品种差异主要来源于居群内的研究结果相反[23]，表明野生种与栽培品种之间遗传距离较远，遗传改良的潜力巨大。这与在同质园中差异主要来源于居群内的研究结果也相反[24-26]，表明个体之间有显著的遗传多样性，表型变化受生境影响较大。

本研究仅仅对异质生境下新疆黄花苜蓿表型性状进行初步研究，未在同质园中进行验证性研究，因此只能说明原始生境下黄花苜蓿表型性状的主要差异来源于居群间，不能确定其变异来源于表型可塑性还是遗传分化；同时，研究种质居群范围较小，仅从株高、叶片以及花部形态上很难完全揭示黄花苜蓿的遗传及亲缘关系。在今后的工作中，应扩大取样的范围，选用更多的指标，如种子和果实，结合营养器官与生殖器官数据以及原始生境与同质园数据，并结合分子标记等技术进行研究，为优良品种选育以及为后续进一步开展新疆黄花苜蓿分子遗传多样性及种质创新研究提供基础数据。