9個穗分枝裸大麥突變體的穗部特性及其差異分析

沈真輝，李靜燁，陳升位，莫 凡，李應秋，蒲雄艷，吳海燕，黃文甫，羅 平

(云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術學院，云南昆明 650201)

9個穗分枝裸大麥突變體的穗部特性及其差異分析

沈真輝，李靜燁，陳升位，莫 凡，李應秋，蒲雄艷，吳海燕，黃文甫，羅 平

(云南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學與生物技術學院，云南昆明 650201)

穗分枝突變體是大麥穗發(fā)育研究的重要種質。利用EMS誘變北青7號的成熟種子，再通過連續(xù)7年自交繁殖選育了9個裸大麥穗分枝突變(Ynbs)株系。在不同世代中9個Ynbs株系的穗分枝性狀均可穩(wěn)定遺傳，多聯(lián)穗明顯退化，每個主穗著生2～5個分枝穗和10.53±0.53～13.23±0.22個多聯(lián)穗，每個分枝穗具有1～3個分枝穗軸節(jié)，每個多聯(lián)穗著生10～15個小花。為系統(tǒng)了解Ynbs株系的穗部特性差異，分析了不同材料多聯(lián)穗數(shù)、小花數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗莖軸長、穗長、穗軸節(jié)數(shù)和百粒重的表型差異和偏相關性。結果表明，多聯(lián)穗數(shù)等8個穗部性狀在不同材料間均有顯著或極顯著差異，9個Ynbs株系的多聯(lián)穗數(shù)、結實率和百粒重顯著低于誘變親本，但其小花數(shù)極顯著高于誘變親本，多聯(lián)穗減少、小花增多、結實率和百粒重下降是9個Ynbs株系的共有突變性狀；穗分枝性狀與多聯(lián)穗數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗長和百粒重5個穗部性狀呈極顯著偏相關，偏相關系數(shù)分別為-0.524、0.584、-0.646、0.418和-0.563。9個Ynbs株系具有穗分枝、多聯(lián)穗退化、小穗增多等特性，是大麥穗發(fā)育等研究的不可替代種質。

裸大麥；穗分枝突變體；穗部性狀；表型差異；偏相關性

分枝大麥包括莖分枝和穗分枝兩種類型[1-2]，可通過自然因素[3-5]、理化因素[6]和外源DNA導入[7-8]等途徑誘變產(chǎn)生，其中穗分枝大麥包括復小穗、并列小穗、支穗和雙穗4種類型。除雙穗外，其余3種穗分枝性狀均可穩(wěn)定遺傳，是大麥穗發(fā)育等研究的重要種質資源[1-2]。目前已報道了Foma、 F151和Prbs三個穗分枝大麥突變體[4,7-8]。這3個突變體的穗分枝性狀分別受1對不同的隱性基因控制[4-5,8-9]。Foma、Prbs和 F151突變體攜帶的穗分枝基因分別位于7H[8,10]、4HS[11]和3HS[12-13]上。但黃云碧等發(fā)現(xiàn)，Prbs突變體的穗分枝特性還受一些微效基因的影響[8]，且Prbs基因對 vrs1基因具有隱性上位作用[9,14]。

不同突變體攜帶的穗分枝發(fā)育基因及其作用機制不同[12-13]，大麥穗分枝發(fā)育的遺傳機制還有待深入研究[4-5,9]。進一步培育新突變體，鑒定其攜帶的突變基因，有利于大麥穗分枝發(fā)育遺傳等研究。通過EMS誘導北青7號的成熟種子，本課題組從1個M1植株的自交M2代群體篩選到2株穗分枝裸大麥突變材料，再通過連續(xù)7代自交繁殖，成功選育出9個裸大麥穗分枝突變(簡稱為Ynbs)株系及其六棱穗重組自交系(簡稱為重組自交系)。本研究將描述9個Ynbs株系的穗分枝特性，比較不同材料中多聯(lián)穗數(shù)、小花數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗莖軸長、穗長、穗軸節(jié)數(shù)和百粒重的表型差異，并分析這些性狀間的偏相關性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括9個M7代Ynbs株系，以及重組自交系、誘變親本(多棱裸大麥品種北青7號)和多棱穗分枝(Prbs)突變體4份對照材料(表1)，其中北青7號由迪慶州農(nóng)業(yè)科學研究所提供，Ynbs突變株系及其重組自交系由本課題組創(chuàng)制，Prbs突變體由浙江省農(nóng)業(yè)科學院國家大麥改良中心提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料的誘變和繁育

將8 000粒北青7號成熟種子置于三角瓶中，用pH 8.0的0.05 mol·L-1磷酸緩沖液(PBS)震蕩浸泡4 h，再用0.5% EMS震蕩浸泡16 h，然后用自來水沖洗4 h。M1代及其自交后代種子均播種于云南農(nóng)業(yè)大學昆明北市區(qū)教學試驗農(nóng)場，觀察不同世代單株的穗分枝等性狀。M1和M2代材料按單株收種，其余各世代按株系分別隨機收取5個單株的種子用于繁殖后代。

1.2.2 農(nóng)藝性狀調查

于2014年11月9日，將13份供試材料的種子播種于昆明北市區(qū)云南農(nóng)業(yè)大學教學試驗農(nóng)場。采用3重復完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積0.6 m2，基本苗約為300苗·hm-2，其他田間管理措施與大麥常規(guī)栽培管理一致。在成熟期從每個處理隨機取5株，調查各供試材料的8個穗部性狀，即小花數(shù)、小花數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗莖軸長、穗長、穗軸節(jié)數(shù)和百粒重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 19.0軟件中的方差和相關分析模塊分別分析不同材料間穗部性狀表型值差異及不同性狀的偏相關性。方差、多重比較和偏相關分析的顯著水平和極顯著水平分別設定為5%和1%。

表1 13份供試大麥材料及其編號、名稱和類型Table 1 Their number,name and type of thirteen barley materials used in the present study

RIL：Recombinant inbred line.

2 結果與分析

2.1Ynbs株系的穗部特性

采用0.5% EMS誘變北青7號干種子后，從1個M1植株的自交M2代中發(fā)現(xiàn)2株穗分枝突變體和13株六棱穗植株。通過連續(xù)7年的自交繁育，篩選到穗部性狀不同的9個穗分枝突變株系及其13個重組自交系。9個突變株系的穗子均呈不規(guī)則棱型，其穗頂部和(或)下部的小穗退化，不同突變株系的退化多聯(lián)穗數(shù)、結實粒數(shù)和結實率不同(圖1)。在9個突變株系的2～5個主穗軸節(jié)上分別著生1個穗分枝，每個穗分枝具有1～3個分枝穗軸節(jié)，每個穗分枝著生有1個多聯(lián)穗。9個突變株系的其余主穗軸節(jié)上沒有分枝，但可著生1個多聯(lián)穗，每個主穗可著生10.53±0.53～13.23±0.22個多聯(lián)穗，每個多聯(lián)小穗可著生10～15個小花(圖1)。相同多聯(lián)穗的小花大小、育性和籽粒大小均存在明顯差異(圖1)。在M3、M4、M5等世代中，不同Ynbs株系的穗分枝性狀均可穩(wěn)定遺傳。

2.2Ynbs株系的穗部性狀差異

在多個不同世代中，9個Ynbs株系的穗分枝與多聯(lián)穗等性狀關聯(lián)遺傳，但不同株系的多聯(lián)穗數(shù)等8個穗部性狀的表型值不同。方差分析表明，多聯(lián)(或三聯(lián))穗數(shù)等8個性狀的F值均達到了極顯著水平，說明8個性狀在不同株系間存在明顯差異(表2)。經(jīng)多重比較(SSR法)，誘變親本和重組自交系的小花數(shù)顯著或極顯著低于9個Ynbs株系，其三聯(lián)穗數(shù)、結實率和百粒重均極顯著高于9個Ynbs株系，其結實粒數(shù)、穗莖軸長和穗長顯著或極顯著高于部分Ynbs株系，多聯(lián)穗等7個穗部性狀在9個株系中發(fā)生了不同程度的變異。Prbs株系的小花數(shù)極顯著低于9個Ynbs株系，其多聯(lián)穗數(shù)、結實率和百粒重極顯著高于9個Ynbs株系，其結實粒數(shù)、穗軸節(jié)數(shù)顯著高于部分Ynbs株系，其穗長和穗莖軸長顯著或極顯著低于部分Ynbs株系的(表3)。

從表3可以看出，9個Ynbs株系的多聯(lián)穗數(shù)的變化范圍為10.53±0.53～13.23±0.22，材料間沒有顯著差異；9個Ynbs株系小花數(shù)的變化范圍為123.00±20.06～193.90±14.48，其中Szh-2的小花數(shù)極顯著高于其他8個株系，但其余8個株系間小花數(shù)沒有明顯差異；9個Ynbs株系的結實粒數(shù)和結實率的變化范圍分別為21.60±8.26～57.45±6.49、11.03%±3.71%～42.40%± 3.61%，其中 Szh-2的結實粒數(shù)和結實率分別21.60±8.26和11.03%±3.71%，極顯著低于其他7個株系，其余7個株系間結實粒數(shù)和結實率也存在不同程度的差異；9個Ynbs株系的穗莖軸長變化范圍為-0.45±3.03～6.70±0.87 cm，其中Szh-6和Szh-7的穗莖軸較長，分別達到了6.70±0.87和5.91±1.23 cm，均極顯著高于Szh-1、Szh-2和Szh-10，但與其他材料間沒有明顯差異；9個Ynbs株系的穗長變化范圍為6.25±0.17～8.22± 0.55 cm，其中Szh-10的穗長為8.22±0.55 cm，顯著或極顯著高于Szh-1等5個材料，但與其他材料沒有明顯差異；9個Ynbs株系的穗軸節(jié)數(shù)變化范圍為18.03±0.72～21.13±0.92，但不同株系間沒有顯著差異；9個株系的百粒重變化范圍為2.19±0.07～2.63± 0.04 g，其中Szh-1的百粒重為2.63±0.04 g，極顯著高Szh-3等5個株系，但與其他材料沒有明顯差異。

圖1 Ynbs株系的穗型(A)、籽粒大小和顏色(B)、多聯(lián)小穗(C)以及穗分枝(D)

性狀Trait自由度Freedom均方MeansquareF值Fvalue小穗數(shù)Numberofspikelet12179.70050.707**小花數(shù)Numberoffloret127168.32510.976**結實粒數(shù)Grainnumberperspike121275.7706.898**結實率Settingpercentage/%120.35350.238**穗莖軸長Lengthofspikestemaxes/cm1254.3004.092**穗長Lenghtofspike/cm126.45411.731**穗軸節(jié)數(shù)Numberofspikerachisnode1230.4044.025**百粒重100-grainweight/g121.69897.039**

**：P<0.01; *:P<0.05.

2.3Ynbs株系穗部性狀的偏相關性

偏相關分析(表4)表明，Ynbs株系穗分枝數(shù)分別與多聯(lián)(或三聯(lián))穗數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗長和百粒重呈極顯著偏相關，偏相關系數(shù)分別為-0.524、0.584、-0.646、0.418和-0.563。多聯(lián)穗數(shù)與小花數(shù)和穗長呈顯著或極顯著偏相關，偏相關系數(shù)分別為0.261和-0.372。小花數(shù)與結實粒數(shù)、結實率呈極顯著偏相關，相關系數(shù)分別為0.770、-0.783。結實粒數(shù)與結實率和穗長呈極顯著或顯著偏相關，偏相關系數(shù)分別0.949、-0.391。結實率與穗長呈極顯著著偏相關，偏相關系數(shù)為0.454。除上述性狀外，其他性狀間的偏相關性均不顯著。

表3 不同材料中8個穗部性狀的表型平均值Table 3 Phenotypic means of eight spike traits of different materials

同列數(shù)值后大寫字母不同分別表示不同材料間差異極顯著和顯著。

Different capital and small letters after the values in the same column indicate significant differences among the materials at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

3 討 論

已報道的3個穗分枝突變體均具有小花數(shù)增多等特性，是大麥穗發(fā)育等研究的重要種質[4,7-8]。這3個大麥穗分枝突變體均在主穗軸節(jié)上著生分枝穗，其中 F151的分枝穗著生在主穗中部的1～5個穗軸節(jié)上，分枝穗具有1～2個分枝穗軸節(jié)[4]；Prbs的分枝穗著生在主穗中部的2～3個穗軸節(jié)上，分枝穗具有1～3個分枝穗軸節(jié)[7]。Ynbs株系的主穗軸節(jié)上可著生2～5分枝穗，分枝穗具有1～3個分枝穗軸。與 F151和Ynbs穗分枝突變體相比，Ynbs株系具有典型的穗分枝性狀。根據(jù)李集臨等[1,4,7]報道的分枝大麥分類標準，可將Ynbs株系歸為穗分枝大麥。

表4 9個穗部性狀間的相關系數(shù)Table 4 Partial correlation coefficients between 9 spike traits

**：P<0.01; *:P<0.05。表中左下角和右上角數(shù)值分別為性狀間的偏相關系數(shù)和二元相關系數(shù)。

**:P<0.01; *:P<0.05. The values in the top left and top right corners of the table are partial and two element correlation coefficients,respectively.

與親本相比，Prbs或 F151突變體的小花數(shù)增加，結實率、穗長或百粒重下降[4,7]，如Prbs突變體的小花數(shù)增加了108.92%，穗長減少了37.54%[7]，在2個穗分枝突變體中小花數(shù)、結實粒數(shù)和結實率3個穗部性狀均屬突變性狀。與誘變親本相比，9個Ynbs株系的小花數(shù)極顯著增加，但結實率和百粒重極顯著降低，這與季慧強等的研究結果基本一致。除小花數(shù)、結實粒數(shù)和結實率外，9個Ynbs株系的多聯(lián)穗數(shù)、穗長、穗莖軸長、穗軸節(jié)數(shù)和百粒重與誘變親本也存在不同程度的差異，其中9個株系的多聯(lián)穗數(shù)均極顯著低于誘變親本。由于13個試驗材料的生長環(huán)境基本一致，因此可以認為9個Ynbs株系的7個穗部性狀屬突變性狀，其中多聯(lián)穗數(shù)、小花數(shù)、結實率和百粒重 4個穗部性狀是9個株系的共有突變性狀。

雖然9個Ynbs株系上共有7個穗部性狀出現(xiàn)突變，但在9個Ynbs株系中多聯(lián)穗數(shù)等幾個穗部性狀的表型值差異不同，如Szh-2的小花數(shù)較多、結實粒數(shù)和結實率較低。從偏相關分析的結果來看，小花數(shù)與結實粒數(shù)和結實率、結實粒數(shù)與結實率，以及結實率與穗長等性狀呈極顯著偏相關，這與沈會權等[15-16]所報道的結果基本一致。除此之外，穗分枝數(shù)與多聯(lián)小花數(shù)、結實粒數(shù)、結實率、穗長和百粒重間存在顯著或極顯著的偏相關性。雖然大多數(shù)Ynbs株系的小花數(shù)顯著或極顯著地高于誘變親本等4個對照材料，但穗分枝數(shù)與小花數(shù)的偏相關不顯著。由于小花數(shù)分別與多聯(lián)(或三聯(lián))穗數(shù)、結實粒數(shù)和結實率呈顯著或極顯著偏相關，因此推測小花數(shù)與多聯(lián)穗數(shù)、結實粒數(shù)和結實率的相關性影響了穗分枝數(shù)與小花數(shù)的偏相關性。在Ynbs株系中，穗分枝數(shù)與多聯(lián)穗數(shù)等5個性狀具有不同程度的遺傳關聯(lián)。

與 F151[ 4]和Prbs[7]突變體相比，Ynbs株系具有明顯的多聯(lián)穗退化特性，例如Szh-2具有21.13個穗軸節(jié)及13.10個多聯(lián)穗，其8個穗軸節(jié)上的多聯(lián)穗已退化。但在9個株系中，單個多聯(lián)穗的小花數(shù)均超過了10個，遠遠高于4個對照材料的單個多聯(lián)或三聯(lián)穗的小花數(shù)(約為3個小穗)。說明Ynbs株系主要通過增加單個多聯(lián)穗的小花數(shù)而提高其總小花數(shù)，從而表現(xiàn)出小花數(shù)明顯增加的特性。除此之外，Ynbs株系的多聯(lián)穗數(shù)等3個穗部性狀表型值明顯降低，穗分枝數(shù)與多聯(lián)穗數(shù)等5個穗部性狀存在遺傳關聯(lián)特性。因此，在大麥穗分枝發(fā)育、多聯(lián)穗退化、小穗發(fā)育等穗部性狀研究中Ynbs株系具有不可替代的作用。

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Spike Characteristics and Difference Analysis on Nine Branched-Spike Mutants of Naked Kernel Barley

SHEN Zhenhui,LI Jingye,CHEN Shengwei,MO Fan,LI Yingqiu,PU Xiongyan,WU Haiyan,HUANG Wenfu,LUO Ping

(College of Agronomy and Biotechnology,Yunnan Agricultural University,Kunming,Yunnan 650201,China)

The mutant with branched-spike is an important germplasm for spike development study in barley. Through the EMS mutation on the mature seeds of Baiqin 7 and consecutive self-propagation of these mutated materials for seven generations,nine mutant lines with branched-spike (Ynbslines) of naked kernel barley were developed successfully. The branched-spike of nineYnbslines can be inherited stably,and the degeneration of multiple-spikes on their main spike are showed in different generations. Every main spike of nineYnbslines has two to five branched spikes,and 10.53±0.53 to 13.23±0.22 multiple spikes. Each branched-spike contains one to three spike nodes,and each multiple-spike contains ten to fifteen florets. SPSS 19.0 was employed to analyze the phenotype difference among different materials on eight spike traits,such as multi-spike number,floret number,grain number per spike,setting percentage,length of spike stem axes,length of spike,number of spike rachis node,100-grain weight,respectively.The partial correlations between these eight traits of the spike in different materials were calculated,too.The results showed that the phenotypic value of eight spike traits show significant difference between different materials. Of these eight traits,the phenotypic value of three spike traits including number of multi-spike,setting percentage,100-grain weight are lower in nineYnbslines than those in mutant parent,but their floret number are all higher than that of mutant parent. All nineYnbslines exhibited less multi-spike,more floret,lower setting percentage and lower 100-grain weight. It showed that there are significant partial correlations between branched-spike and number of multi-spike,grain number per spike,length of spike and 100-grain weight,and correlation coefficients are -0.524,0.584,-0.646,0.418,and -0.563,respectively. NineYnbslines show many characteristics including branched-spike,multi-spike degeneration and more spikelets,which can be valuable materials for spike development study in barley.

Naked kernel barley; Branched-spike mutant; Spike characteristics; Phenotype difference; Partial correlation

時間：2017-01-03

2016-05-30

2016-08-23

國家自然科學基金項目(31660434)；云南省教育廳重點基金項目(A3007944)；云南省教育廳云南高教發(fā)展專項(A3008221)

E-mail：1947843434@qq.com

陳升位(E-mail:ynkmcws@126.com)

S512.3；S330

A

1009-1041(2017)01-0066-07

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170103.1626.020.html