3種穗型大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系分析

彭 澎，熊靜蕾，陳升位，陳疏影，沈真輝，蔡 聰，李靜燁，王新天

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201)

大麥幼穗發(fā)育是其形態(tài)結(jié)構(gòu)不斷分化的持續(xù)過程，可分為二棱期、三棱期、內(nèi)外潁分化期等多個時期[1]。不同大麥品種(系)的幼穗發(fā)育進(jìn)程及其各階段的持續(xù)時間不同，基因型及其與環(huán)境的互作對大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其各階段的持續(xù)時間具有決定性作用，其中基因型是主要的內(nèi)在決定因素[2-3]。目前，一些與大麥幼穗發(fā)育相關(guān)的基因被發(fā)現(xiàn)，如三聯(lián)小穗基因Vr[4]、側(cè)小花育性基因[5]、穗分枝基因Prbs[6]等，但大麥幼穗發(fā)育的遺傳機(jī)制仍是一個未解之謎。

大麥幼穗發(fā)育遺傳機(jī)制研究的必要前提是準(zhǔn)確判斷其發(fā)育進(jìn)程。到目前為止，大多數(shù)學(xué)者采用離體顯微觀察診斷大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程[7-9]，但該方法直接毀壞了試驗材料，并且存在直觀性不強(qiáng)、費(fèi)時費(fèi)力等不足。研究發(fā)現(xiàn)，大麥幼穗發(fā)育的不同時期與葉齡具有明顯的對應(yīng)關(guān)系，葉齡可作為大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程診斷的形態(tài)標(biāo)記[2,7,9-10]，但這種對應(yīng)關(guān)系也受光、溫等環(huán)境因素的影響[2,8-9]。因此，將幼穗發(fā)育的離體顯微觀察與葉齡變化相結(jié)合，有助于對幼穗發(fā)育進(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

Ynbs(Yunnan branched-spike,云南穗分枝)株系是課題組利用北青7號成熟種子誘變、結(jié)合系統(tǒng)選育創(chuàng)制的裸大麥穗分枝突變體[11-12]。與已報道的f151和Prbs穗分枝突變體及二棱、六棱和多棱普通栽培大麥相比，Ynbs株系具有穗分枝增多、分枝穗變長、小花增多等特性[5,11,13]，是適合大麥穗發(fā)育遺傳研究的重要材料。目前，Ynbs株系的幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系尚未見報道。本研究以Ynbs株系及其重組自交系，以及蕭山二棱紫大麥等3種穗型的9個大麥材料為對象，通過幼穗離體顯微檢測技術(shù)觀察幼穗發(fā)育進(jìn)程，分析Ynbs株系的穗分枝發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系，以期為其幼穗發(fā)育進(jìn)程診斷提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料包括蕭山二棱紫大麥、東寧安大麥和蕭山白桿二棱大麥等3種穗型的9個大麥材料，其名稱、穗型和來源見表1，其中3個Ynbs株系和重組自交系1均為北青7號成熟種子EMS誘變M1單株的連續(xù)7代自交株系。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料種植

于2016年11月9日，將試驗材料種植在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)昆明北市區(qū)教學(xué)試驗農(nóng)場，采用隨機(jī)排列設(shè)計，每個材料種植3行，每行120株，株、行距分別20和5 cm。其他栽培管理措施與常規(guī)大田生產(chǎn)的基本一致。

1.2.2 幼穗分化進(jìn)程鑒定

參照盧良恕等[1,7]報道的方法鑒定試驗材料葉齡和幼穗發(fā)育進(jìn)程。在4葉齡、5葉齡、6葉齡、7葉齡和8葉齡分別隨機(jī)取各材料的5個單株主莖用于幼穗發(fā)育進(jìn)程觀察。觀察前，用鑷子、解剖針剝出生長錐或幼穗，然后將其置于SZN745體視鏡(寧波舜宇儀器有限責(zé)任公司銷售)下觀察、拍照。

表1 試驗材料及其編號、名稱、穗型和來源Table 1 Information of materials tested in this study

2 結(jié)果與分析

2.1 分枝穗型大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其葉齡的對應(yīng)關(guān)系

各分枝穗型大麥材料不同單株的幼穗分化進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系無明顯差異。在4葉齡至8葉齡期間，3個Ynbs株系的幼穗分化經(jīng)歷了二棱期、穗分枝原基分化期、內(nèi)外穎分化期等6個時期(圖1)。其中，Ynbs株系1的內(nèi)外穎分化期較長，雌雄蕊分化期和藥隔期較短；Ynbs株系2的雌雄蕊分化期和Ynbs株系3的內(nèi)外穎分化期均較短；三者的幼穗分化進(jìn)程在雌蕊柱頭二裂期趨于一致(圖1A～圖1C)。3個Ynbs株系的4葉齡和5葉齡分別對應(yīng)二棱期和穗分枝原基化期。Ynbs株系1和Ynbs株系2的6葉齡分別對應(yīng)內(nèi)外穎分化期，Ynbs株系3對應(yīng)雌雄蕊分化期。Ynbs株系1的7葉齡時對應(yīng)內(nèi)外穎分化期，Ynbs系2和Ynbs株系3穗分枝突變對應(yīng)藥隔形成期。3個株系的8葉齡均對應(yīng)雌蕊柱頭二裂分叉期。3個Ynbs株系的幼穗幼穗發(fā)育進(jìn)程與6葉齡至7葉齡的對應(yīng)關(guān)系差異較大，其中Ynbs株系1的藥隔期、Ynbs株系2的雌雄蕊分化期及Ynbs株系3的內(nèi)外穎分化期與葉齡均沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 二棱大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系

與分枝穗型材料相似，在4葉齡到8葉齡期間3個二棱大麥材料的幼穗分化也經(jīng)歷了二棱期、三聯(lián)小穗分化期、內(nèi)外穎分化期等6個時期(圖2)。蕭山二棱紫大麥和蕭山白桿二棱大麥的二棱期較長(圖2A、圖2C)，內(nèi)外穎分化期和藥隔期較短(圖2A、圖2C)，但東寧安大麥的雌雄蕊分化期較短(圖1B)，三者的幼穗發(fā)育在雌蕊柱頭二裂期趨于一致(圖2A～圖2C)。3個二棱大麥材料的4葉齡均對應(yīng)二棱期，蕭山二棱紫大麥和蕭山白桿二棱大麥的5葉齡、6葉齡和7葉齡分別對應(yīng)二棱期、三聯(lián)小穗分化期和雌雄蕊分化期(圖2A～圖2C)，東寧安大麥的則分別對應(yīng)三聯(lián)小穗分化期、內(nèi)外穎分化期和藥隔期(圖2B)。3個二棱大麥材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程與5葉齡至7葉齡的對應(yīng)關(guān)系差異較大，其中蕭山二棱紫大麥和蕭山白桿二棱大麥的4葉齡和5葉齡均對應(yīng)二棱期，但藥隔期與葉齡沒有明顯對應(yīng)關(guān)系，東寧安大麥的雌雄蕊分化期與葉齡也沒有明顯對應(yīng)關(guān)系。

2.3 六棱大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系

在4葉齡至8葉齡期間3個六棱大麥材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程跨度較大，先后經(jīng)歷了二棱期、三聯(lián)小穗期、內(nèi)外穎分化期等7個時期(圖3)。重組自交系1和北青7號的藥隔期和雌雄蕊分化期以及上虞六棱大麥的內(nèi)外穎分化期和藥隔期均較短(圖3A～圖3C)，三者的發(fā)育進(jìn)程在雌蕊柱頭二裂分叉期和雌蕊柱頭毛狀突起時期趨于一致(圖3中8葉齡)。重組自交系1和北青7號的4葉齡、5葉齡、6葉齡、7葉齡和8葉齡分別對應(yīng)二棱期、三聯(lián)小穗分化期、內(nèi)外穎分化期、雌蕊柱頭二裂期和雌蕊柱頭毛狀突起期(圖3A和圖3B)，上虞六棱大麥則分別對應(yīng)二棱期、三聯(lián)小穗分化期、雌雄蕊分化期、雌蕊柱頭二裂期和雌蕊柱頭毛狀突起期(圖3 C)。重組自交系1和北青7號的6葉齡對應(yīng)內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期與葉齡沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，上虞六棱大麥的7葉齡對應(yīng)雌雄蕊分化期，其內(nèi)外穎分化期和藥隔期與葉齡沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

2.4 不同類型大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡對應(yīng)關(guān)系的比對

與其他兩種穗型材料相比，Ynbs株系分枝幼穗的三聯(lián)小穗原基均被穗分枝原基取代，同時其內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期的分化進(jìn)程及其對應(yīng)葉齡與其他材料存在差異；蕭山二棱紫大麥和蕭山白桿二棱大麥材料的二棱期延長，并導(dǎo)致3個二棱大麥的二棱期、三聯(lián)小穗期、內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期及其對應(yīng)葉齡與其他材料存在差異；六棱大麥材料幼穗的內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期或藥隔期縮短，并導(dǎo)致內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期、藥隔期、雌蕊柱頭二裂期和雌蕊柱頭毛狀突起及其對應(yīng)葉齡與其他材料存在差異(圖4)。在異穗型材料中只有Ynbs株系2與東寧安大麥的幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系比較接近，在相同葉齡條件下幼穗分化進(jìn)程差異達(dá)到了4個時期(圖4)。在同穗型材料中，蕭山二棱紫大麥與蕭山白桿二棱大麥，以及六棱大麥北青7號與重組自交系1幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡對應(yīng)關(guān)系均比較接近，在相同葉齡條件下，同穗型材料幼穗的發(fā)育進(jìn)程差異小于2個時期(圖4)。與異穗型材料相比，同穗型材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程及其與葉齡的對應(yīng)關(guān)系差異較小。

圖中A、B、C分別表示Ynbs株系1、Ynbs株系2和Ynbs株系3的幼穗發(fā)育進(jìn)程。

A,B and C show the development processes of young spike of Ynbs lines 1,Ynbs line 2 and Ynbs line 3,respectively.

圖13個Ynbs株系不同葉齡的幼穗分化進(jìn)程

Fig.1DevelopmentprocessofyoungspikeofthethreeYnbslinesatdifferentleafage

圖中A、B、C分別表示蕭山二棱紫大麥、東寧安大麥和蕭山白桿二棱大麥的幼穗發(fā)育進(jìn)程。

A,B and C show the development process of young spike of Xiaoshanerlengzidamai,Dongningandamai and Xiaoshanbaiganerlengdamai,respectively.

圖23個二棱大麥材料不同葉齡的幼穗分化進(jìn)程

Fig.2Developmentprocessofyoungspikeofthethreetwo-rowedbarleysatdifferentleafage

3 討 論

通過幼穗離體顯微觀察，發(fā)現(xiàn)9個大麥材料的幼穗發(fā)育先后經(jīng)歷了二棱期、三棱期、內(nèi)外穎分化期等7個不同的發(fā)育階段，最終形成其特定的二棱、六棱和分枝3種穗型。在3種穗型材料中，二棱穗和六棱穗由三聯(lián)小穗中側(cè)小穗的育性決定[1,4]，而分枝穗由主穗軸是否生長分枝決定[5,11-13]。大麥三聯(lián)小穗和穗分枝發(fā)育屬于幼穗發(fā)育的范疇，而且基因型是決定大麥三聯(lián)小穗[4]和分枝穗[5-6]的主要因素，因此大麥穗型決定與幼穗發(fā)育進(jìn)程的遺傳關(guān)聯(lián)性是導(dǎo)致同穗型材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程差異小于異穗型材料的主要原因。雖然同穗型材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程趨于一致，但同穗型材料間在5葉齡至7葉齡期間也存在不同程度的幼穗發(fā)育進(jìn)程差異，其中3個穗分枝大麥的幼穗發(fā)育進(jìn)程差異較大。宮玉麟等[3,7]發(fā)現(xiàn)，早熟3號、浙農(nóng)12、早熟7號等6個大麥材料的二棱期、三聯(lián)小穗期、藥隔期等7個時期的持續(xù)時間分別為3.7葉齡至8.8葉齡、4.9葉齡至9.8葉齡和5.3葉齡至10.0葉齡等，與本研究報道的基本一致。除了穗型外，大麥幼穗發(fā)育還與小穗、穗軸和小花等穗部特性的發(fā)育有關(guān)，同穗型大麥具有小穗、小花或者分枝等不同的次級器官構(gòu)成要素[1,5,11-12]。大麥小花數(shù)、小穗數(shù)、穗長等性狀屬數(shù)量性狀，其遺傳受基因型及其與環(huán)境的互作關(guān)系控制[5-6,13-16]。因此，同穗型大麥材料幼穗發(fā)育進(jìn)程差異可能與控制大麥穗部次級器官發(fā)育的不同基因及其與環(huán)境的互作有關(guān)。

圖中A、B、C分別示重組自交系1、北青7號和上虞六棱大麥的幼穗發(fā)育進(jìn)程。

A,B and C show the development process of young spike of recombinant inbred line 1,Beiqing 7 and Shangyuliulingdamai,respectively.

圖3 3個六棱大麥在不同葉齡的幼穗分化進(jìn)程

在本研究中，9個大麥材料的4葉齡均對應(yīng)其二棱期，未出現(xiàn)差異，5葉齡、6葉齡7葉齡和8葉齡與幼穗發(fā)育進(jìn)程的對應(yīng)關(guān)系均存在不同程度的差異，同穗型材料的幼穗發(fā)育進(jìn)程與葉齡對應(yīng)關(guān)系的差異程度小于異穗型材料，但9個大麥材料幼穗發(fā)育進(jìn)程與4葉齡至8葉齡的對應(yīng)關(guān)系與宮玉麟等[7-10]的報道基本一致，決定穗部次級器官發(fā)育的基因型差異是影響大麥幼穗發(fā)育進(jìn)程與葉齡對應(yīng)關(guān)系的主要因素，因此可在特定試驗條件下建立大麥材料幼穗發(fā)育進(jìn)程與葉齡的對應(yīng)關(guān)系。通過對不同材料幼穗發(fā)育進(jìn)程與葉齡對應(yīng)關(guān)系的比對分析，9個大麥材料的4葉齡、5葉齡、6葉齡、7葉齡和8葉齡分別與二棱期等7個不同的幼穗發(fā)育階段對應(yīng)，但不同材料的內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期、藥隔期或雌蕊柱頭二裂期的持續(xù)時間短，與葉齡沒有明顯的共性對應(yīng)關(guān)系。

在9個大麥材料中，3個Ynbs株系具有穗分枝、小穗退化和小穗小花增多等典型的穗部特性，是大麥幼穗發(fā)育遺傳研究的寶貴資源[4,10-11]。通過幼穗離體顯微觀察，本研究發(fā)現(xiàn)，3個Ynbs株系幼穗的二棱期、穗分枝原基分化期和雌蕊柱頭二裂期的發(fā)育進(jìn)程基本一致，但內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期存在差異，其中穗分枝原基分化期與尚 毅等[14]的結(jié)論基本一致。Ynbs株系1的內(nèi)外穎分化期較長、雌雄蕊分化期和藥隔期較短，Ynbs株系2的的藥隔期較長、雌雄蕊分化期較短，Ynbs株系3的內(nèi)外穎分化期較短，3個株系幼穗發(fā)育基因的表達(dá)模式可能不同。從幼穗發(fā)育進(jìn)程與葉齡的對應(yīng)關(guān)系來看，3個Ynbs株系的4葉齡、5葉齡和8葉齡均分別對應(yīng)二棱期、穗分枝原基分化期和雌蕊柱頭二裂期， 3個葉齡可作為幼穗發(fā)育對應(yīng)時期的形態(tài)標(biāo)記，但其內(nèi)外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期與葉齡的對應(yīng)關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

[1] 盧良恕.中國大麥學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1996:327-328.

LU L S.Chinese barley [M].Beijing:China Agriculture Press,1996:327-328.

[2] 陶采成,王鶴卿.大麥穗分化和葉齡與各生育階段的對應(yīng)關(guān)系研究[J].湖北農(nóng)學(xué)院報,1990,10(3):1.

TAO C C,WANG H Q.Studies on the homolocous relation of ear-differentiation and leaf-age to growth stages of barley [J].JournalofHubeiAgriculturalCollege,1990,10(3):1.

[3] 丁守仁,徐紹英.大麥若干生物學(xué)特性的研究[J].浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1980,6(1):25.

DING C R,XU S Y.Studies on some biological characteristics of barley[J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity(NaturalScience),1980,6(1):25.

[4]RAVI K,NADIA A,SHUN S,etal.Six-rowed spike 4( Vrs4) controls spikelet determinacy [J].PNAS,2013,10(32):13198.

[5] 黃碧光,吳為人,劉思衡,等.大麥多棱分枝穗突變體的遺傳分析[J].遺傳,2004,26(6):903.

HUANG B G,WU W R,LIU S H,etal.Genetic analysis on poly row and branched spike mutant in barley [J].Hereditas(Beijing),2004,26(6):903.

[6]HUANG B G,WU W R .Mapping of mutant gene Prbs controlling poly-row-and-branched spike in barley(HordeumvulgareL.) [J].AgriculturalSciencesinChina,2011,10(10):1501.

[7] 宮玉麟.大麥穗分化進(jìn)程的診斷-葉齡指數(shù)法在鑒定中的價值[J].江蘇農(nóng)學(xué)院報,1982,3(4):20.

GONG Y L.The diagnosis of spike-differentiation stages in barley plant by “l(fā)eaf-index” [J].JournalofJiangsuAgriculturalCollege,1982,3(4):20.

[8] 吳興如,李懷麗,趙俊秀.大麥不同品種不同播期幼穗分化時期形態(tài)診斷研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,15(1):42.

WU X R,LI H L,ZHAO J X.Studies on young panicle differentiation and phenotype diagnoses of barley [J].JournalofYunnanAgriculturalUniversity,2000,15(1):42.

[9] 翁訓(xùn)珠,葉信璋,顧自奮,等.大麥的幼穗分化與形態(tài)診斷[J].江蘇農(nóng)學(xué)院報,1985,6(2):27.

WANG X Z,YE X Z,GU Z F,etal.The immature panicle differentiation and morphological diagnosis of barley [J].JournalofJiangsuAgriculturalCollege,1985,6(2):27.

[10] 鐘代彬,李正瑋.長日和春化條件下大麥幼穗分化與外部形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系[J].浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1995,21(3):289.

ZHONG D B,LI Z W.studies on the homologous relation of ear-differentiation and morphological characteristics with long day length and verbalization treatment in barley [J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity,1995.21(3):289.

[11] 王家曦,李靜燁,陳升位,等.不同穗分枝裸大麥株系中變異性狀的表型差異和關(guān)聯(lián)分析[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,32(3):1.

WANG J X,LI J Y,CHEN S W,etal.The identification of mutant traits of 9 naked barley lines with spike branch and the analysis of the association between these mutant traits [J].JournalofYunnanAgriculturalUniversity(NaturalScience),2017,32(3):1.

[12] 沈真輝,李靜燁,陳升位,等.9個穗分枝裸大麥突變體的穗部特性及其差異分析[J].麥類作物學(xué)報,2017,37(1):66.

SHEN Z H,LI J Y,CHEN S W,etal.Spike characteristics and difference analysis on nine branched-spike mutants of naked kernel barley [J].JournalofTriticeaeCrops,2017,37(1):66.

[13] FEN Z Y,ZHANG L L,ZHANG Y Z,etal.Chromosomal location of gene for earbranching of barley natural mutant “F151” using SSR markers [J].HighTechnologyLetters,2004,10(2):5.

[14]SHANG Y,ZHU J H,HUA W,etal.Charcterization and mapping of aPrbsgene controlling spike development inHordeumvulgareL.[J].GenesGenomics,2014,36:275.

[15]WANG J,SUN G L,REN X F,etal.QTL underlying some agronomic traits in barley detected by SNP markers [J].BMCGenetic,2016,17: doi:http://dx.doi.org/10.1186/ s12863-016-0409-y.

[16]KRZYSZTOF M,PIOTR O,KORNELIA G,etal.Quantitative trait loci for yield and yield-related traits in spring barley populations derived from crosses between European and Syrian cultivars[J].PLOSONE|DOI:10.1371/journal.pone.0155938May26,2016.