重庆武陵山区野生芒种质资源表型变异研究

何 玮，冉启凡，徐远东，张 丽，范 彦*

(1. 重庆市畜牧科学院，重庆 400015；2. 重庆市草业工程技术研究中心，重庆 400015)

【研究意义】芒(MiscanthussinensisAndersson)，禾本科(Poaceae)芒属(MiscanthusAndersson)多年生苇状草本，秆高1～2 m。遍布于我国海拔1800 m以下的山地、丘陵和荒坡原野，也分布于朝鲜、日本[1]。芒的生态型较多，分布较广，适应各种逆境及边际土地，地上部分冬季常枯萎，易于收割和储运[2]。随着社会对能源需求的不断增加，寻找可再生的替代能源成为研究的焦点，而生物质能有希望成为全球最有前景的可再生替代能源[3-4]。芒因具有生物量大、抗性强、高纤维素含量、低灰分等特点，而被人们广泛关注，已被欧美国家列为具有开发潜力的高效能源植物。【前人研究进展】近年来，国内外对芒的研究主要集中在芒的地理分布[5-6]、抗旱性[7-8]、抗寒性[9]、重金属耐性[10-12]、植物光合特性[13]、核型及细胞学分析[14-15]、遗传多样性及遗传图谱的构建[16-19]方面。在芒的形态多样性分析方面，卢玉飞[20]、黄绍英[21]、肖亮[22]、聂刚[23]和李强[24]对芒属植物的花粉形态、种子表型、表型多样性进行了研究。表型性状多样性体现了遗传的多样性和环境的多样性，而表型性状变异是植物种群的人工驯化和良种选育的基础，也是植物种质资源收集、保存、评价和利用的依据[25]。武陵山区以武陵山脉为中心，平均海拔在1000 m左右，地形绵延起伏，地貌变化复杂，具有独特的气候特点[26]。刘琳[27]通过GIS技术定量分析重庆地区植被净第一生产力(NPP)发现，渝东南翼(武陵山区)的植被NPP最高，植被覆盖好，表明该地区植被类型丰富。【本研究切入点】本研究结合科技部基础资源调查专项，以重庆武陵山区5个区县的10个野生芒居群为研究对象，对野生芒的17个外部形态性状进行调查，通过各性状在居群内和居群间的多样性差异分析来揭示重庆武陵山区野生芒资源的多样性程度和分布规律，为芒种质资源的开发利用和保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2018年10-11月，对重庆市武陵山区的江津区、南川区、石柱县、酉阳县、秀山县野生芒的分布进行考察。各个区(县)随机选择有代表性的芒居群1～3个，居群间距离3 km以上。各居群地理位置和生境信息见表1。

1.2 试验内容与方法

表型性状的测量标准参考《牧草种质资源描述规范和数据标准》，每个居群测定20株单株，居群内单株间隔10 m以上。在植株开花期对材料的15个植株形态性状进行测定，包括分蘖数、叶片数、节数、基部茎粗、第一节间长、株高、叶片长、叶片宽、旗叶长、旗叶宽、花序长、第二外颖长、第二内颖长、第二外稃长、基盘毛长，每个单株每项指标重复测定3次取平均值。测定小穗性状时，每株随机选20个小穗测定，重复3次取平均值。随后将材料带回实验室，测定产量性状(单茎干重、花序干重)。测定结果列于表2。

1.3 数据处理

运用SAS 9.2和Excel软件进行方差分析、多样性指数分析、相关分析、聚类分析、主成分分析，揭示野生芒表型多样性和变异程度。多样性指数的计算采用Shannon-weaver信息指数，数量性状按10级分类，1级

2 结果与分析

2.1 野生芒居群内和居群间形态特征变异分析

10个芒天然居群性状指标的测量及单因素方差分析结果见表3，F检验表明，测定的17个数量及质量性状指标在居群间的差异均不显著(P>0.05)。通过F值比较，发现穗部性状指标第二内颖长在17个性状指标中F值最大(1.12)，花序长F值最小(0.29)。

表1 观测芒居群的地理位置信息

表2 野生芒资源测定项目及标准

对17个数量及质量性状指标总的平均数、最大值、最小值、极差、标准差、变异系数及多样性指数进行分析，发现居群间存在较大的差异(表4)。在各居群间，17个表型性状的变异系数为11.723 %～73.507 %。其中，分蘖数变异幅度最大，极差为155，变异系数高达73.570 %，其次为花序干重，极差为9.65 g，变异系数为62.876 %。从多样性指数看，各指标从大到小的顺序为：盘基毛长>第二内颖长>第二外颖长>基部茎粗>第二外稃长>株高>花序长>叶片宽>叶片数>节数>旗叶长>旗叶宽>单茎干重>花序干重>分蘖数>第一节长。通过数据分析发现，表型性状的变异系数和多样性指数在性状上的表现是不一致的，如：盘基毛长的多样性指数最高，但是变异系数却较低。可见多样性指数和变异系数两个指标反映遗传变异的内涵不同，多样性指数反映的是某一性状的不同表现等级和数量分布，即丰富度和均匀度，变异系数则反映的是某一性状变异的范围[30]。因此，它们在同一性状上表现不一致，相同性状的变异系数和多样性指数差别较大。所以，可以用形态多样性指数差异较大的性状来评价资源的多样性。

对居群内的17项表型性状多样性指数统计分析结果表明(表5)，17项表型性状在居群内存在较大差异。居群间平均多样性指数为1.677(表4)，居群内平均多样性指数为1.880(由表5计算出)，说明遗传变异性主要体现在居群内，这和17个表型性状在居群间差异不显著的结果相一致。

2.2 野生芒居群性状的相关分析

对17个表型性状和采集地海拔进行相关分析(表6)。结果表明，野生芒居群表型性状间存在明显的相关性。海拔作为地理信息被引入相关性分析，结果可以看出，海拔与分蘖数、节数、叶片长、旗叶长、旗叶宽、花序长、第二外颖长、第二内颖长、花序干重、单茎干重呈极显著负相关，与盘基毛长呈极显著正相关，与第一节长呈显著正相关。随着海拔增加，温度降低，影响单茎性状的分蘖数、节数、叶片长变小，引起单茎干重下降，同时，旗叶长、旗叶宽、花序长、第二外颖成、第二内颖长这些穗部性状相关指标也递减，最终引起花序干重下降。

2.3 聚类分析

基于17个表型性状数据对10个居群进行的聚类分析结果表明(图1)，在阈值5处可将10个野生芒居群划分为3类：①CQ1、CQ2聚为一类，这2个居群位于江津区四面山、南川区金佛山低海拔地区，其主要特点为叶片数和节数较多，植株高大，第二外稃长，单茎干重和花序干重较重。②CQ6单独聚为一类，位于酉阳清华林场自然保护区，植株特点为分蘖少，基部茎秆较细，植株矮小，花序干重和单茎干重较轻。③其余7个居群聚为一类，植株性状居于前2个类群中间。

表3 芒各居群表型性状指标及F值

注：X1～X17性状描述见表2。

Notes：x1-x17are shown in table 2.

表4 芒居群各性状变异参数

注：*表示平均变异系数；**表示群体总多样性指数；性状指标X1～X17同上。

Note：*indicates the average coefficient of variation; ** indicates the total population diversity index; Trait indicatorX1-X17is the same as above.

表5 野生芒居群内表型性状遗传多样性指数

表6 野生芒居群性状的相关性分析

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关。

Notes：*show significance at the level of 0.05，** show significance at the level of 0.01.

图1 芒居群各性状聚类分析

2.4 主成分分析

对17项芒表型性状的主成分分析结果表明，17项主成分中前7项的累积贡献率为81.15 %，这7个主成分可代表原始因子所代表的信息。由表7可见，第一主成分贡献率为32.17 %，单茎干重、基部茎粗和株高对它的作用很大，反映了植株株型的指标特征；第二主成分贡献率为14.51 %，第二外颖长、第二内颖长和第二外稃长对它的作用很大，反映了小穗的指标特征；第三主成分贡献率为21.03 %，节数和叶片数对它的作用很大，反映了植株叶片数量的指标特征；第四主成分贡献率为7.49 %，旗叶长对它的作用很大；第五主成分贡献率为5.59 %，旗叶宽和叶片宽对它的作用很大；第六主成分贡献率为5.18 %，第一节长对它的作用很大；第七主成分贡献率为4.18 %，分蘖数对它的作用很大。

3 讨 论

3.1 重庆武陵山区野生芒表型变异的多样性

表型性状研究是植物遗传多样性研究中最基础、最直观的方法，可以从整体上了解研究对象的多样性程度，挖掘更加广泛的基因资源[31]。本研究以重庆武陵山区不同生境下采集的10个野生芒居群为材料，采用Shannon-weaver信息指数对居群的17个表型性状进行遗传多样性分析，得出群体间的平均多样性指数为1.677，居群内平均多样性指数为1.880，因此，野生芒居群的遗传变异主要体现在居群内。居群内的变异主要受遗传作用，居群间的变异受遗传和环境共同作用[32]。Hamrick和Godt等[29]对涉及165个属、499个种的不同类型植物遗传变异和居群分化程度进行统计，结果发现异交风媒植物只有9.9 %的遗传变异存在于居群间。芒作为异花授粉、自交不亲和植物[1]，其居群内遗传多样性丰富，变异程度大，这与茶条槭[33]和野生玫瑰[34]等植物的表型多样性研究结果相同。笔者在资源调查时发现，同一居群内存在个别植株内稃有芒/无芒及盘基毛为黄色/紫色2种情况，因此，芒自身所具有的遗传物质差异和地理微环境差异导致了野生芒居群内植株在形态特征方面产生了不同程度的变异，从而保持了居群内的高度多样性。

表7 野生芒17个性状对前8个主成分的因子负荷矩阵

3.2 重庆武陵山区野生芒表型地理变异规律

植物形态变异或表型多样性研究，往往采用对形态性状与地理、生态因子进行相关分析以获取植物某些性状与地理或生态因子之间的变化规律[23]。本文对野生芒17个表型性状与海拔进行相关性分析，结果表明，分蘖数、节数、叶片长、旗叶长、旗叶宽、花序长、第二外颖长、第二内颖长、花序干重、单茎干重与海拔呈极显著负相关；随着海拔升高，气温降低，紫外线照射增强，芒植株的分蘖数减少，节数变少，叶片、花序变短，最终导致了花序重量和单茎重量变轻。因此，海拔对芒植株的生物产量和生殖器官影响很大。

3.3 重庆武陵山区野生芒居群主成分分析和聚类分析

对芒居群的17个形态特征进行主成分分析，得出前8个主成分累积贡献率为85.06 %，代表了大部分信息，是主要因素。而聚类分析将10个芒居群分为3类，第一类共性为叶片数和节数较多，植株高大，生物产量高，可作为较好的生物能源资源；第二类是分蘖少，茎秆纤细，植株矮小，生物产量低的类型；第三类则是处于中间的类型，分布广泛，适应能力强，通过进一步选育，可从中选育出适应各种地域的材料。

3.4 重庆武陵山区芒野生资源的合理利用和保护策略

芒属植物虽然在国际上被公认为是具有开发潜力的能源植物，我国又是芒属植物的分布中心，但是通过野生植物的普查及调查发现，在重庆西部农业相对发达的平原地区，很难发现大片的野生芒居群，而在渝东南翼的丘陵山地则有广泛分布，项目组主要是在自然保护区或林场调查中才能发现野生芒居群分布，如在江津地区，只在四面山自然保护区才发现大量野生芒分布，南川区也只在金佛山自然保护区及其周边发现有大量野生芒分布，因此，随着城市化进程的发展和人为破坏，野生芒属植物的分布范围会进一步缩小。笔者建议，对野生芒资源的保护除了加强自然保护区野生植被保护力度，还应该在资源收集上下功夫，尽可能多地收集野生芒居群，并且由于其遗传多样性集中在居群内，应尽量多采集单株，最大程度保证野生芒的多样性。