苜蓿有限和无限生长型鉴别方法研究
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摘要：在灌溉和旱作栽培条件下多年多点的研究发现，苜蓿茎的生长存在有限和无限型，类似于大豆生长习性的研究范畴。通过对40个苜蓿材料有限和无限型典型生长特性研究发现，采用大豆生长习性鉴别方法(茎顶花序，LRV和PRV)不能对苜蓿生长型进行分类。只有选择成熟期封顶枝比例、根茎新枝数量及其高度、4个时期的营养器官与生殖器官干物质比例、最长一级次生侧枝长度为鉴别指标，结合不同生长型典型对照品种的归属进行重心法聚类分析和判别分析，结果40个苜蓿材料有9个归为有限型，12个归为无限型，19个归为中间型。进一步分析表明，选择的分析变量从不同方面反映了生长型的差异，但影响变量的最佳测定时期需要深入研究确定。
关键词：苜蓿；无限型；有限型；鉴别方法
中图分类号：S54.037 文献标识码：A 文章编号：1009-5500(2009)03-0024-07
在灌溉和雨养栽培条件下对100余份苜蓿(Medicago sativa)材料多年多点进行了观察，苜蓿茎的生长具有无限和有限习性。无限型苜蓿指营养器官生长与生殖器官生长的并进时间长，二者对光合产物的竞争性强烈；成熟期营养生长变缓甚至终止时，如果及时供给水分和养分，则营养器官生长可能会重新占有优势。有限型苜蓿营养器官生长与生殖器官生长的并进时间短；成熟期水分和养分充足会促进根茎新枝的强烈生长，形成新枝和宿存枝混生的格局。典型的中间类型苜蓿在灌溉栽培条件下表现出无限习性的生长特性，在少雨干旱的栽培条件下表现出有限习性的特性。研究表明，苜蓿的有限无限生长习性具有研究价值的形态性状及与水分相关的生态性状，同时在育种中对于引入作物“理想株型”理论具有重要意义。
栽培学研究中，苜蓿茎生长习性分类主要有直立、半直立和匍匐型等类型，故本文将苜蓿茎的有限和无限习性统称为生长型。有报道称大豆生长习性的研究范畴与苜蓿有限无限生长型类似，由于其性状在生态和育种中的重要性，历来为大豆研究者所重视。借鉴大豆生长习性的研究理论和方法，有助于加快苜蓿生长型的研究进程。
大豆茎生长习性称茎端类型、结荚习性，通常分为有限型，无限型和亚有限型。“结荚习性”划分所依据的指标性状不属于“结荚”的范畴，其类型的划分一直以Bernard R L的方法作为经典分类标准。该方法的不足之处是包含性状众多，难以掌握。Thseng FS等研究分别依据一个或两个性状的表现划分类型，但划分结果却与Bernard R L的方法的结果有较大差异，未得到承认和推广。针对Bernard R L的分类方法和其他方法的不足，国家大豆改良中心组织了一系列的研究。根据王晋华、刘顺湖等最新研究结果，认为有茎顶花序的大豆品种的生长习性为有限型或亚有限型，无茎顶花序的大豆品种的生长习性为无限型。进一步鉴别有限型和亚有限型，则采用茎顶花序－1／3节位相对值法。
苜蓿是异花授粉植物，种质材料之间的杂合度较高，其中有很多材料反映的是亦此亦彼的关系，要用简单的方法对生长型进行分类具有难度。由于苜蓿研究中其类型鉴别没有可参考的资料，本研究在借鉴大豆研究成果的基础上，对苜蓿有限和无限生长型的分类性状及鉴别方法进行了初步研究。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
甘谷试验点试验设在甘谷县渭北半干旱山区，位于E 105°08’，N 54°56’，海拔1750 m。年均降水量300 mm，年均温7.9℃，≥10℃积温为2 300℃，无霜期160 d。土壤为黄绵土，pH值7.9。
兰州试验点在兰州大洼山试验站进行，地处E103°45’，N 36°01’，海拔1750 m，属于兰州盆地黄河南岸3级阶地。年均降水量324.5 mm，蒸发量1450.0mm，年均温9.3℃。最高温39.1℃，最低温－23.1℃；日照时数2751.4 h。气候区域属半干旱区，植被类型为典型草原。
1.2 研究材料
前期研究在榆中定远镇灌溉条件和甘谷渭北山区旱作栽培条件下进行，从120个苜蓿材料中选出了9个典型对照品种，其中：有限型对照材料有雷西斯、游客、中兰1号；无限型对照材料有陇中、甘谷(地方生态型)、苏联36号；中间型对照材料有杜普梯、阿尔冈金、美国2号。
在兰州大洼山试验点观测了40个苜蓿种质材料(对照9个品种)，材料来源(1)国外原种材料；(2)正在推广的国外的商品种；(3)国内地方品种和生态型；(4)国内已推广育成品种。
1.3 鉴别性状选择和鉴别方法
1.3.1 鉴别性状选择 在甘谷和兰州试验点3年观察茎顶生长点的动态变化、茎顶花序的形成、茎顶停止生长后的形态；观测了开花期以后根茎新枝的发生时间、密度及其高度变化；在兰州试验点分期测定生殖器官(花、荚、花序轴和苞叶)和营养器官(地上茎和复叶)的干物质比例；在兰州试验点成熟期测定最长1级次生侧枝和2级次生侧枝长度。
参照文献方法采用鉴别大豆生长习性类型最大叶着生节位相对值(LRV)和最长叶柄着生节位相对值(PRV)，在兰州试验点测定了苜蓿的相应性状，计算公式为：
LRV=枝条最大叶着生节位以上节位／枝条总节数
PRV=枝条最长叶柄着生节位以上节位／枝条总节数
1.3.2 鉴别方法研究 苜蓿茎生长的有限和无限性是由基因型和环境因素共同作用的结果，采用一两个指标或定性的方法进行分类，难免存在分类性状不稳定或因人而异的问题，所以，首先借鉴大豆鉴别方法同时进行综合鉴定，依据不同生长型的典型品种所具有的生长特点，选择反映类别差异的多个性状进行聚类分析，然后，根据典型品种在动态聚类图中的位置，确定各供试材料的类别，最后，进行判别分析，对个别材料的类别进行调整。
试验数据选用SPSS软件分析处理。
2 结果与分析
2.1 鉴别性状和指标的选择
2.1.1 成熟期的茎顶特征 茎顶花序的有无是鉴别大豆有限和无限生长习性的主要指标。苜蓿茎端停止生长后，茎顶生长点形成白色干枯球状物(属花序或叶片尚未从解剖学获得证明)，不同生长型间基本相同。将茎顶端生长点形成干枯球状物的枝条称为“封顶枝”。通过封顶枝的茎端特征来鉴别苜蓿有限和无限生长习性有待进一步研究。从典型的有限型和无限型材料之间封顶枝出现的动态变化分析，二者的有明显差异，一是有限型材料封顶枝出现时间要早于无限型；二是有限型材料封顶枝比例高于无限型。因此，封顶枝的比例动态可作为鉴别苜蓿茎生长型的指标依据。
2.1.2 LRV和PRY测定结果对40个苜蓿成熟期节位的测定。平均枝条总节数为15.7～24.1节，最大叶平均着生在3.2～5.4节，最长叶柄平均着生3.6～5.6节。计算出各供试材料LRV的变化范围为0.695～0.879，PRV的变化范围为0.661～0.849。
观测和计算分析，利用LRV和PRV区分苜蓿有限和中间型存着如下问题：首先，区分有限和无限型尚没有找出简单的方法；其次，最大叶和具有最长叶柄的叶容易脱落，生长后期很难精确测定；其三，LRV和PRV在品种之间的变幅较小，从观测值来看，投有显示出大豆分类中的变化趋向。所以。LRV和PRV不能作为鉴别苜蓿生长型的指标。
2.1.3 根茎新枝数量及其高度的变化 对不同生长型的几个典型品种结荚期根茎新枝数量测定发现，有限型苜蓿根茎新枝数量发生最多，中间型次之，无限型(除苏联1034外)最少。3个类型之间具有明显差异(表1，2)。苏联1034根茎新枝数量较多，可能是品种特性、环境条件、栽培方式等因素综合作用的结果。
有限型苜蓿品种根茎新枝发生早，水分良好时生长更迅速；无限型品种营养生长快，往往会抑制根茎新枝的发生和生长。但在稀疏草地或生育后期部分品种的根茎新枝会快速发育。此外，对兰州大洼山试验点40个供试材料分析发现，根茎新枝数量和根茎新枝高度之间呈显著正相关，相关系数为0.335，这与长期观察的结果一致(表3)。可见，根茎新枝数量及其高度在一定程度上反映了不同苜蓿生长型的特性。可作为区分苜蓿有限和无限型的指标。
2.1.4 营养器官和生殖器官干物质比例动态 有限生长型的特点是生殖器官生长和营养器官生长的交叠期短，无限生长型的特点是二者的交叠期比较长。3个典型品种分4期重复4次测定，反映了生殖器官生长和营养器官生长的变化动态(表2)。有限和无限生长型的特点，决定了营养器官和生殖器官干物质积累的比例变化将成为判别类型的指标。
2.1.5 次生枝的发生情况观测发现，典型的无限型苜蓿在生育后期可发出1级甚至1级以上的次生侧枝。灌溉条件较早作条件下生长迅速；典型的有限型品种在干旱条件下次生枝出现较晚或不出现次生枝。据此将最长1级次生枝的长度作为分类指标，结果2级次生侧枝由于变异较大(表3)。没有纳入分析。需要说明的是水分良好时，有限型品种一般会出现次生枝，但生长较无限型弱。
2.2 类型鉴别方法及分类
2.2.1 聚类分析 在兰州大洼山试验点测定分析了40个苜蓿材料(包括9个典型品种)性状结果(表3)，利用SPSS软件进行聚类分析结果(图1)。
运用SPSS软件对40个苜蓿供试材料进行重心法聚类分析(图1)，发现类间平均链锁法，重心法和中间距离法所得聚类结果非常接近，且符合本研究聚类目的，而其他聚类方法所得结果有较大差异。根据重心法聚类分析结果和3类典型对照品种的所属类别分类，其中9个供试材料归为有限型(典型对照材料雷西斯、游客、中兰1号)，12个供试材料归为无限型(典型对照材料陇中、甘谷、苏联36号)，19个供试材料归为中间型(对照材料杜普梯、阿尔冈金、美国2号)。需要注意的是，阀值T的选择要十分谨慎，如果机械地确定一个阀值T作为分类标准，会存在类型过多过少或结果难以描述等问题。
2.2.2 判别分析 聚类分析后进行判别分析。再进行样品的识别(图2)。聚类结果40个供试材料可分为3类，其中前郭苜蓿为中间型典型品种所属类别，在判别分析后变为无限型典型品种所属类别，这样无限型供试材料有13个，中间型有18个，有限型有9个。聚类分析分类结果的准确率为97.5％。判别分析结果的生长型与实际观测经验基本一致。
2.2.3 分类性状在不同生长型类别中的平均数差异及独立性鉴别指标选择的准确性直接关系到分类结果的稳定性。判别分析过程包含有大量信息，为进一步探索简单有效的鉴别方法提供了研究基础。
分类性状在不同生长型类别中的平均数差异以生长型类别为自变量，8个分类指标为因变量，分析预测变量在3个生长型类别中的平均数差异，表明8个分类指标中，封顶枝比例、根茎新枝数量、生殖器官／营养器官Ⅱ(6月27)共3个性状在不同生长型类别中的平均数差异达到显著水平(P
生长型类别中分类变量的独立性分析结果表明，生长型类别内8个分类性状变量的相关性均没有达到显著水平。证明8个变量的独立性比较理想。
3 小结与讨论
(1)借鉴大豆生长习性的最新研究成果，测定40个苜蓿材料相应的指标，发现利用茎顶花序的存在与否无法区分苜蓿有限和无限型；其次，最大叶和具有最长叶柄的叶容易脱落，生长后期很难精确测定；其三，LRV和PRV在品种之间的变幅较小，从几个典型材料的观测值来看，没有显示出大豆分类中的变化趋向。
(2)依据苜蓿生长型各类别典型品种所具有的生长特点，在兰州大洼山旱作栽培条件下成熟期选择测定能够反映类别差异的封顶枝比例、根茎新枝数量、根茎新枝高度、最长一级次生侧枝长度和不同期测定的生殖器官重量与营养器官重量比例，共8个性状参数进行聚类分析；然后，根据典型品种在动态聚类图中的位置以及观测经验，确定阀值进行初步分类；最后，进行判别分析，对个别材料的类型进行调整。结果40个供试材料可分为3类，其中无限型供试材料有13个，中间型有18个，有限型有9个。聚类分析分类结果的准确率为97.5％。
(3)分类性状在不同生长型类别中平均数差异及独立性分析表明，上述8个变量的独立性比较理想，其中封顶枝比例、根茎新枝数量、生殖器官／营养器官Ⅱ(6月27)共3个性状，在不同生长型类别中的平均数差异达到显著水平(P
(4)分类结果在不同年份、不同环境条件下有稳定一致的表现，类别之间界限明确。苜蓿有限型和无限型的遗传机制是质量遗传还是数量遗传，或者是主基因一多基因共同控制的遗传尚仍不清楚。本研究中选定的苜蓿类型鉴别指标较为复杂，有些指标在不同环境中有非常大的变异。如在较为干旱的条件下，任何苜蓿品种或者生长停滞或者早熟；水分过多时，成熟期延期甚至不能成熟。所以，本研究鉴别结果的准确性和稳定性需要在更广泛的条件下再进行验证。
(5)苜蓿茎生长的有限和无限型是对水分条件适应的生态性状，其生长性状同时也反映了对栽培利用措施的不同。鉴别生长型的目的是满足生产实践中对品种管理的要求。由于极端典型的有限和无限型品种数量较少，而相当多的品种性状或者接近于有限型、或者接近于无限型，加之种植区气候条件特别是降水条件差异较大，导致一些中间型品种的生长习性变异较大，因此，一级分类中有限和无限型类别应包括典型品种和接近典型品种的中间类型。生长型同时在育种或相关研究中显示出重要的价值，所以其微小差异可能具有较大意义，可进一步研究在1级分类的基础上进行2级分类。