113份饲草型六倍体小黑麦种质饲草产量与品质性状的评价

王珊珊，谷海涛，谢慧芳，何绍冬，甘长波，卫小勇，孔广超

（石河子大学农学院，新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832000）

随着我国畜牧业的发展，对高产优质饲草的需求日益增多。优质饲草的缺乏成了限制集约化养殖业发展的因素之一［1］。小黑麦（×TriticosecaleWittmack）是由小麦属（Triticum）和黑麦属（Secale）经人工有性杂交，染色体加倍培育而成的新作物［2］，具有籽粒产量高、品质优、抗寒、抗病、适应性广的优点［3-5］，同时，小黑麦的生物产量优势也非常明显，其生物量高于小麦（Triticum aestivum）和黑麦草（Secale cereale）［6-8］，被广泛用作饲草作物来种植。小黑麦饲草的营养品质优良、适口性好，为牲畜喜食［9］，已成为我国重要的饲料作物之一。

在小黑麦的生长发育过程中，随着刈割时期的推迟，其饲草产量变化较大，一般在扬花后10 d刈割的饲草产量较高［10］。同时，在开花期、灌浆期与乳熟期刈割的小黑麦饲草产量与营养品质均显著高于燕麦（Avena sativa）［11］，其饲草粗蛋白（crude protein，CP）含量也显著高于黑麦，中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）含量显著低于黑麦［11］。自营养生长期开始，随着小黑麦生育进程推进，饲草的CP含量有所降低，粗纤维含量升高［10］。NDF和ADF含量也是评定小黑麦饲草营养品质的重要指标，开花期的小黑麦饲草的NDF平均含量为57.35%，ADF平均含量为34.52%［11］。不同小黑麦品种间，其饲草产量与品质性状差异较大［12］。

选育饲草产量高、品质优良的小黑麦品种是饲草型小黑麦当前育种的主要目标。种质资源是新品种培育的基础和关键。尽管前人对小黑麦品种适应性、刈割期、不同区域小黑麦的饲草产量与品质特性等方面做了大量研究［6，10-14］，但在大量饲草型小黑麦种质的综合评价方面仍较少。Kuleung等［15］曾通过SSR标记对美国农业部种质库中80份小黑麦种质的遗传多样性进行了评价，认为其遗传多样性为0.07～0.86，平均为0.54。王瑞清等［14］对石河子大学麦类作物研究所育成的59份春性六倍体小黑麦的饲草产量等性状进行了评价，认为这些小黑麦种质资源变异丰富。

本研究拟对国内外113份冬性饲草型小黑麦种质资源的单株鲜草产量（fresh forage weight per plant，FW）、单株干草产量（dry forage weight per plant，DW）、鲜干比（fresh-dry ratio，FDR）、CP含量、NDF含量、ADF含量及相对饲用价值（relative feed value，RFV）进行分析评价，明确其遗传多样性，以期为小黑麦品种改良提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

113份冬性六倍体小黑麦种质中包括国内品种（系）39份，国外种质74份（表1），主要来自俄罗斯、美国、瑞典、阿根廷、保加利亚、波兰、德国、加拿大、罗马尼亚、日本、瑞士、乌克兰、西班牙和匈牙利。

表1 供试饲草型小黑麦种质名称及来源Table 1 The name and source of the tested forage triticale germplasm

续表Continued Table

1.2 田间试验设计

分别于2018-2019年和2019-2020年将参试种质种植于石河子大学试验站。该站位于天山北麓、准噶尔盆地南缘，北纬44°17′，东经86°03′，海拔461 m。该地属于典型的大陆性气候，干旱少雨，年降水量为206.0 mm，年平均气温为7.4℃，平均无霜期为166 d，积温为3457.8℃，全年日照时数为2797.5 h。试验田土壤为灰漠土、肥力中等。

试验采用随机区组设计，4次重复。小区4行，行长2.5 m，行距20 cm，点播粒距5 cm。2年度均于10月初播种。按当地高产栽培技术进行管理。

1.3 产量与品质性状测定

分别在各品种（系）开花期盛期，每个小区选取5株具有代表性的植株，剪取其地上部分植株，测定FW，经105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，测定DW，鲜干比计算公式为FDR=FW/DW。

各干样品经高速粉碎机（RT-04，台湾）粉碎、过孔径为0.42 mm的筛后装入自封袋保存以备测定饲草品质。饲草CP含量参照GB/T 6432-2018方法［16］采用全自动凯氏定氮仪（BUCHI K-375，瑞士）测定，NDF与ADF含量均采用范氏纤维测定法［17］进行，相对饲用价值的计算公式为

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理并计算各性状变异系数（coefficient of variation，CV）、标准差。采用SPSS 19.0进行相关性与主成分等分析。采用Origin Pro 2021的最长距离法对参试种质进行聚类。利用Shannon-Wiener指数H′对小黑麦饲草产量和品质性状的遗传多样性进行评价［19］，先对数量性状进行质量化处理，以各性状极差1/10为间距对每个性状进行分类，其中1级＜X-2S，10级≥X+2S，中间每级间隔0.5 S，X为平均数，S为标准差，H′计算公式如下：

式中：Pi为某一性状在第i个级别出现的频率。

2 结果与分析

2.1 小黑麦种质的饲草产量与品质性状

参试的113份冬性饲草型小黑麦的饲草产量与品质性状如表2所示，FW在2个年度分别为36.000～111.560 g与36.310～159.780 g，DW分别为12.000～27.000 g与9.150～30.150 g，FDR分别为2.380～4.370与2.610～6.210，CP含量分别为6.894%～13.259%与6.680%～14.304%，NDF含量分别为48.480%～74.850%与53.850%～67.980%，ADF含量分别为26.600%～42.780%与29.000%～39.280%，RFV分别为69.650～128.150与79.840～113.170。

表2 小黑麦饲草产量与品质性状及方差分析Table 2 The yield，quality traits and variance analysis of triticale forage

方差分析表明各性状在品种间差异达到了极显著（P＜0.01）水平。两个年度间各性状均表现为差异极显著（P＜0.01），其中2018-2019年度的FW平均值（60.252 g）低于2019-2020年度（67.821 g），而NDF含量平均值（64.834%）高于2019-2020年度（60.461%）。在品种与年份互作效应中，除DW和FDR差异不显著外，其余性状均表现为差异极显著（P＜0.01）。

各性状2年平均值的变异系数为4.565%～21.274%，平均为10.829%，其中，FW的变异系数最大，其次为DW（17.941%）和FDR（10.296%），NDF含量的变异系数最小。参试小黑麦种质的饲草产量与品质性状的多样性指数为1.974～2.075，7个饲草产量与品质性状的多样性指数依次为：ADF含量（2.075）＞RFV（2.059）＞FDR（2.057）＞CP含量（2.042）＞DW（2.037）＞NDF含量（2.006）＞FW（1.974）。

2.2 不同来源的小黑麦饲草产量与品质性状分析

供试小黑麦种质中，中国种质占34.513%，俄罗斯种质占16.814%，美国种质占15.929%，瑞典种质占7.965%，其余几个国家的种质共占24.779%。不同国家种质间的CP含量差异显著（P＜0.05）（表3），ADF含量差异达到极显著（P＜0.01）水平，其中参试的中国小黑麦种质CP含量平均值为10.330%，ADF含量平均为35.213%；俄罗斯种质的CP含量平均为10.100%，ADF含量平均为34.792%；美国种质的CP含量平均为10.063%，ADF含量平均为33.716%；瑞典种质的CP含量平均为9.239%，ADF含量平均为35.964%；其余国家种质的CP含量平均为9.914%，ADF含量平均为33.971%。参试种质国家间的FW变异系数均最大，平均为20.098%；NDF含量的变异系数均最小，平均为4.192%。其中，国内种质的CP含量较高，美国种质的NDF与ADF含量较低，RFV较高，CP含量中等；其余国家种质的饲草产量较高。

表3 不同来源的小黑麦饲草产量与品质性状的变异Table 3 Variations in forage yield and quality traits of triticale germplasms from different sources

2.3 小黑麦饲草产量与品质性状的相关性及主成分分析

对参试的小黑麦种质饲草产量与品质性状的相关性分析表明（表4），FW与DW、FDR之间呈极显著正相关（P＜0.01），DW与FDR之间呈极显著负相关（P＜0.01），NDF与ADF含量之间呈极显著正相关（P＜0.01），与RFV之间呈极显著负相关（P＜0.01）；ADF与RFV之间呈极显著负相关（P＜0.01）。DW与FDR、CP、NDF、RFV间，以及CP含量与NDF、ADF、RFV之间也存在极显著（P＜0.01）或显著（P＜0.05）相关，尽管相关系数不高。

表4 小黑麦种质饲草产量与品质性状间的相关性Table 4 Correlation between forage yield and quality traits of triticale germplasm

小黑麦种质的饲草产量与品质性状的主成分分析表明（表5），前3个主成分累计贡献率为82.198%，其中第1主成分的特征值为1.894，可解释总变异的31.573%，特征向量中除FW的载荷为负外，其余均为正，载荷较高的性状为NDF与ADF含量，特征向量值分别为0.957和0.963，可见第一主成分为饲草纤维品质。第二主成分特征值为1.618，可解释总变异的26.970%，载荷较高的性状为FW与DW，特征向量值分别为0.900、0.886，可见第二主成分为饲草产量主成分。第三主成分的特征值为1.419，可解释总变异的23.655%，载荷较高的性状为CP含量与RFV，其特征向量值分别为0.821、0.842，因此，第三主成分为综合品质主成分。

表5 小黑麦饲草产量与品质性状的主成分分析Table 5 Principal component analysis of forage yield and quality traits of triticale forage

2.4 小黑麦种质资源的聚类

依据主成分分析结果与饲草产量和品质性状间的相关性，选择了饲草产量与品质性状的关键指标即DW、CP含量、RFV将113份小黑麦种质进行聚类分析（图1），在欧式距离为15时，将参试种质聚为三类，其中第Ⅰ类群包含17份种质，其主要特征为高DW（平均为19.297 g）、高RFV（平均为103.346），可以作为高产、优质种质；第Ⅱ类群含50份种质，主要特征为低DW（平均为15.726 g）、较高RFV（平均为94.513），属于饲草产量较差、品质较优的种质；第Ⅲ类群含有46份种质，主要特征为中等DW（平均为18.742 g）、中等CP（平均为9.715%）与较低RFV（平均为86.817），属于饲草品质较差、产量中等的类群。但第Ⅰ类（CP平均为10.197%）与第Ⅱ类（CP平均为10.331%）的CP含量差异不大。同时，从聚类结果看，各类群无明显的来源特点，即各类群材料存在来源交叉现象。

3 讨论

3.1 小黑麦种质饲草产量与品质的多样性

饲草产量是评价饲草生产性能的重要指标。在小黑麦生长发育进程中，其鲜草产量与干草产量随着生育期的推进逐步上升［20］，在灌浆期达到最大［13］。尽管成熟期的单株鲜草产量高于开花期［21］，但随着刈割期的推迟，NDF和ADF含量升高［22］，其饲草品质已明显不及开花期。本研究中，在开花盛期进行饲草产量与品质性状分析，该时期供试小黑麦种质的FW为37.210～113.290 g，DW为11.340～23.950 g，同时其饲草产量在品种间存在显著差异，可见这些种质的饲草产量的多态性强。

饲草品质是评价饲草营养价值的重要指标。优质饲草须具有较高的CP、碳水化合物等营养物质，易被家畜所喜食。NDF含量是评价牧草适口性的重要指标之一，ADF含量是评价牧草消化率的一个重要指标［23］。RFV是利用NDF与ADF来预测饲草质量的指数，其值越高，饲草料营养价值越高，牲畜的饲喂效果越好。本研究中，参试的小黑麦种质的饲草CP含量为7.684%～12.802%，NDF含量为53.920%～68.750%，ADF含量为29.000%～39.370%，RFV为79.240～112.930。与赵方媛等［24］研究报道的开花期小黑麦NDF含量为53.88%～62.99%，ADF含量为34.49%～42.46%相比，参试种质的NDF与ADF含量的多态性更丰富。

3.2 饲草产量与品质性状的年份间差异

小黑麦的饲草产量在年份间存在显著差异，其中，2019-2020年度饲草产量与鲜干比表现最突出，其FW与FDR的最大、最小值及平均值均高于2018-2019年度，DW的最大值与平均值均高于2018-2019年度。小黑麦饲草品质性状在年份间存在显著差异，2018-2019年度的NDF与ADF含量平均值高于2019-2020年度，2019-2020年度的RFV平均值高于2018-2019年度。这与魏常敏等［25］、郭艳红等［26］、赵方媛等［27］的研究结果小黑麦的鲜草产量、CP、ADF和NDF含量在年份间均存在极显著差异相一致，也与Lekgari等［7］对小黑麦饲草产量、NDF和ADF在位置效应及年份×位置交互效应中均差异显著的研究结果相一致。可见生态因子对小黑麦饲草产量与品质性状的影响也较大，这可能是因为环境条件、栽培方式甚至取样的具体生育时期有差异。本试验的饲草产量与品质受取样时期与环境的影响较大，若想取得更为理想的分析结果，应严格控制试验环境条件以及取样时期。

3.3 不同来源小黑麦种质的饲草产量与品质性状差异

由于育种目标、环境影响和地域适应等因素影响会造成不同来源种质的性状间存在较大差异，即不同地理来源的种质其饲草产量与品质具有特异性。本研究对15个国家的小黑麦种质的饲草产量与品质性状比较发现，参试的美国小黑麦种质的NDF与ADF含量较低而RFV较高，其品质较为优良；其他国家种质的饲草产量较高，其FW平均为68.438 g，DW平均为18.526 g。这可能与小黑麦饲草可作为青贮、放牧或干草等牲畜饲料的利用方式不同有关，有些国家与地区小黑麦主要以籽粒作为精饲料利用［22，28-30］。

3.4 饲草产量与品质性状的相关性

性状间的相关性反映了不同性状间相互独立又错综复杂的关系。本研究表明，小黑麦饲草的ADF含量与DW间存在弱负相关性，DW与NDF含量呈极显著正相关关系，但与CP含量及FDR间呈极显著负相关关系；而CP含量与NDF及ADF含量间呈极显著负相关关系，与FDR呈极显著正相关；NDF含量与FDR呈极显著负相关。这与王彦华等［31］在紫花苜蓿（Medicago sativa）中的研究结果一致。主成分分析表明，前3个主成分依特征值从大到小依次为饲草纤维品质因子、饲草产量因子与综合品质因子，这与谭秀英等［32］、张阳等［33］、杨彦忠等［34］在燕麦、一年生牧草、小黑麦中的结论相一致，即RFV、CP含量以及干物质产量是造成饲草产量与品质性状差异的主要因子。

3.5 小黑麦种质资源的分类与利用

依据主成分分析结果与饲草产量、品质性状间的相关性，选择DW、CP、RFV，将参试的113份小黑麦种质聚为3类，其中以中饲237、甘农C6、Odesskij Kormovoj等为代表的17份种质具有较高的饲草产量、高的相对饲用价值，可以作为小黑麦饲草产量与品质改良的优质亲本。但各类群种质之间无明显的地理来源差异，即具有共同的地理来源的材料并未完全聚为一类，这与前人对小黑麦、陆地棉（Gossypium hirsutum）及羊草（Leymus chinensis）的研究结论一致［15，35-36］，这可能是由广大育种家之间进行了频繁的种质交换造成的，也同现代小黑麦品种主要是通过品种间杂交选育而来的实际情况相吻合［1］。

4 结论

供试小黑麦种质资源来源广泛，遗传变异丰富，遗传多样性指数（H′）变幅为1.974～2.075。小黑麦的DW、CP含量与RFV是评价小黑麦饲草产量与品质性状的关键指标。根据这些小黑麦饲草产量与品质的关键指标对参试种质进行聚类，中饲237、甘农C6、Odesskij Kormovoj等17份材料可以作为饲草型小黑麦改良的优质亲本来利用。本研究为饲草型小黑麦遗传改良奠定了基础。