一個大麥矮稈突變體m1062 的表型鑒定和遺傳分析

羅忠躍，謝思宇，賈巧君

（浙江理工大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)藥學(xué)院/浙江省植物次生代謝調(diào)控重點實驗室，浙江杭州310018）

大麥?zhǔn)侨蛟耘嗟牡谒拇蠛坦阮愖魑?，集啤用、飼用和食用于一體。2002 年以來，我國成為世界第一啤酒生產(chǎn)和消費大國，大麥需求量逐年攀升。與其他作物相比，大麥由于莖稈的機械組織不發(fā)達，纖維化程度低，在高水肥栽培條件下，大麥易出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象[1]。倒伏不但造成大麥減產(chǎn)，而且間接影響麥芽品質(zhì)[2]。20 世紀(jì)60—70 年代以來，大麥育種家先后選育出矮稈品種，減少了大麥倒伏，提高了大麥產(chǎn)量。

大麥矮化育種的基因主要是sdw1/denso、ari-e.GP、uzu1以及它們的等位基因。在美國、加拿大和澳大利亞，矮稈品種的選育主要依賴sdw1基因[3-4]；大部分歐洲矮稈啤酒大麥選育依賴于sdw1的等位基因denso[5-6]。目前，sdw1/denso基因已克隆，其與水稻綠色革命基因sd1同源，編碼赤霉素合成途徑關(guān)鍵基因GA20 氧化酶，參與赤霉素合成[6-7]。通過開發(fā)sdw1/denso分子標(biāo)記并對我國大麥矮稈品種檢測發(fā)現(xiàn)，我國甘肅、云南等地選育的大麥品種也攜帶sdw1/denso基因[8]。此外，矮稈品種Golden Promise攜帶的矮稈基因命名為ari-e.GP[9]，Golden Promise及其衍生系也是歐洲尤其是英國啤酒大麥育種的重要矮源之一[10]?；蚩寺“l(fā)現(xiàn)該基因編碼G 蛋白γ亞基，其在第1508、1509 位點間插入1 個堿基A 導(dǎo)致翻譯提前終止，造成該基因功能缺失，植株表現(xiàn)矮稈[11]。

在我國，矮稈育種使大麥株高降低20～25 cm，產(chǎn)量增長4.7 倍[1]，顯示矮稈品種在大麥增產(chǎn)上的巨大作用。但我國大麥育種中矮源單一，主要是尺八大麥、蕭山立夏黃、滄州裸大麥和矮稈齊，且這些品種的矮稈基因都是uzu1基因[1]。單一的矮源容易導(dǎo)致品種遺傳多樣性的喪失[12]，因此有必要篩選、誘變創(chuàng)制大麥矮稈資源，豐富我國大麥矮稈資源的多樣性。

本研究從輻照誘變啤酒大麥品種秀麥3 號的M2 代中篩選到1 份矮稈突變體m1062，并對該突變體的表型特征、色素含量、產(chǎn)量和遺傳特點進行分析，以期為該矮稈突變體的育種應(yīng)用、基因克隆和功能研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

矮稈突變體m1062來源于啤酒大麥品種秀麥3 號的60Co-γ 射線輻射誘變。以突變體m1062為母本，秀麥3 號為父本雜交，獲得F1、F2和F3代。以中高稈品種浙大9 號為母本，m1062為父本獲得雜交后代F1和F2。

1.2 田間試驗和農(nóng)藝性狀測定

將秀麥3 號和突變體m1062播種于田間，2015、2016 年連續(xù)2 年測定其抽穗期、株高、莖節(jié)長、穗長、芒長、旗葉長等性狀。將m1062/秀麥3 號的雜交種子F1點播于試驗田，成熟后種子混收獲得F2。m1062/秀麥3 號組合的F2種子及其親本播種于試驗田，分別在苗期、抽穗期和成熟期調(diào)查其生長特性、株型和株高，成熟期收獲高稈和矮稈株系各100 株。對F2代高稈株系進行表型鑒定，確定獲得純合的高稈株系。秀麥3 號、m1062突變體和m1062/秀麥3 號組合的F3代高稈純合單株和矮稈純合單株點播于田間，調(diào)查群體及親本的每穗粒數(shù)、穗數(shù)、百粒質(zhì)量、單株質(zhì)量等重要農(nóng)藝性狀，分析矮稈基因的多效性。采用t- 檢驗分析各性狀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，檢驗野生型、突變體及群體后代間的顯著性差異。

1.3 葉綠體色素含量測定

大麥播種6 周后，分別取秀麥3 號和突變體m1062植株的最新全展開葉，參照趙紹路等提取葉片葉綠素和類胡蘿卜素的方法[13]，用分光光度計測定665、649 和470 nm 下的吸光值，計算葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的含量，重復(fù)3 次。采用t-檢驗分析野生型和突變體間的顯著性差異。

1.4 遺傳分析

將浙大9 號/m1062組合的F1播種于田間，觀察其株型、株高、芒長等特征，F(xiàn)1表現(xiàn)為中高稈，沒有出現(xiàn)矮稈表型。F1混合收獲后，F(xiàn)2點播于田間，隨機調(diào)查其株高分離情況，利用卡方檢驗分析其遺傳方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 突變體的表型特征

田間試驗結(jié)果（表1、圖1）表明，m1062矮稈突變體的株高較野生型秀麥3 號顯著降低，2 年試驗株高分別降低26.77、28.11 cm，降低幅度分別為34.2%、36.4%。但矮化效應(yīng)并不在于減少莖節(jié)數(shù)，而是通過減少各莖節(jié)長度來降低株高。矮稈突變體m1062第1 莖節(jié)長度較秀麥3 號分別降低1.19、0.67 cm，降低幅度分別為26.6%、21.1%；第2 莖節(jié)長度分別降低2.56、2.98 cm，降低幅度分別為35.4%、38.5%；第3 莖節(jié)長度分別降低3.58、3.94 cm，降低幅度分別為33.9%、35.4%；第4 莖節(jié)長度分別降低6.54、6.59 cm，降低幅度分別為36.8%、37.2%；穗下莖長度分別降低12.81、11.60 cm，降低幅度分別為38.0%、37.2%。各莖節(jié)長度都降幅明顯，穗下莖長度和第4 莖節(jié)長度降低幅度較大，是植株矮化的主要原因。矮稈突變體在降低株高的同時，抽穗期比野生型晚5～6 d。此外，矮稈突變體m1062的穗長、芒長和旗葉長都顯著降低，但旗葉寬的變化相對較小。

表1 野生型秀麥3 號和矮稈突變體m1062 的株高及相關(guān)性狀

2.2 野生型與突變體葉綠體色素含量變化

由圖1 表型觀察發(fā)現(xiàn)，突變體m1062葉色較秀麥3 號深，而葉色一般與色素含量密切相關(guān)。由圖2可知，突變體的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量均顯著高于秀麥3 號，分別比秀麥3 號增加21.9%、12.2%、27.1%、18.8%。葉綠素a/葉綠素b 比值和類胡蘿卜素/葉綠素比值變化不大?？梢?，秀麥3 號矮稈突變體中葉綠素和類胡蘿卜素的含量變化與葉色存在一定關(guān)系。

圖1 野生型秀麥3 號與矮稈突變體m1062 表型

圖2 野生型秀麥3 號和突變體m1062 葉片色素含量

2.3 突變體的遺傳分析

浙大9 號/m1062組合的F2代株高出現(xiàn)高稈和矮稈分離，隨機調(diào)查299 個植株，其中72 個植株表現(xiàn)為矮稈、短芒特征。對基因型分析比（227︰72）進行卡方檢驗表明，符合3︰1 的孟德爾單基因分離比（χ2=0.09＜χ20.05=3.84），因此m1062突變體的矮稈性狀受1 對隱性單基因控制。

2.4 突變體對大麥產(chǎn)量性狀的影響

由表2 可知，與秀麥3 號相比，m1062矮稈突變體的穗粒數(shù)和穗數(shù)分別增加2.48 粒/穗、1.39 穗/株，增幅分別為8.3%、12.0%，百粒質(zhì)量降低0.69 g，下降幅度為13.3%，且差異顯著（P＜0.05）；而m1062矮稈突變體的單株質(zhì)量沒有顯著變化。m1062/秀麥3 號組合的純合F3代株中，矮稈株系的每穗粒數(shù)、穗數(shù)顯著大于高稈株系，百粒質(zhì)量低于高稈株系，但兩者單株產(chǎn)量差異不顯著?？赡苁怯捎趩沃晁霐?shù)和粒數(shù)的增加彌補了百粒質(zhì)量，使得單株產(chǎn)量兩者基本保持穩(wěn)定。

表2 秀麥3 號、矮稈突變體m1062 及其F2 純合株系產(chǎn)量組成性狀

3 討論與結(jié)論

m1062矮稈突變體株高降低27 cm 左右，但旗葉寬和產(chǎn)量沒有變化。有研究表明，sdw1/denso使大麥株高降低10～20 cm[5]，uzu1使大麥株高降低38.0～46.5 cm[14]，而ari-e.GP使大麥株高降低6.2～9.2 cm[11]，說明不同的矮稈基因降稈效應(yīng)差異較大。此外，m1062突變體對穗下莖和第2～4 莖節(jié)長度的抑制程度相當(dāng)，都超過34%，而有研究表明，sdw1/denso對莖節(jié)的矮化作用主要體現(xiàn)在第1、2 莖節(jié)，對穗下莖相對較小[15]。m1062突變體的穗長、芒長和旗葉長明顯變短，這與uzu1和ari-e.GP相似[11,16]，說明矮稈突變體除使株高受影響外，其他器官也都存在不同程度的變短。此外，突變體m1062的葉綠素含量和類胡蘿卜素含量明顯高于秀麥3 號，因此其葉色較秀麥3 號深，這與uzu1突變體相似[16]。

本研究中，m1062突變體抽穗期比秀麥3 號晚5～6 d，可能會減少長江中下游地區(qū)“倒春寒”的危害，但這種晚熟特性也可能縮短最佳灌漿時間，從而導(dǎo)致其百粒質(zhì)量降低。矮稈突變體sdw1/denso為赤霉素敏感型突變體，其抽穗期也推遲，可能是赤霉素合成途徑關(guān)鍵基因HvGA20ox2缺失或表達降低，使植株體內(nèi)赤霉素含量降低[7]。本研究材料m1062在拔節(jié)期噴施赤霉素并未能恢復(fù)株高，因此該突變體不同于sdw1/denso突變體，表現(xiàn)為赤霉素不敏感。

雖然m1062突變體的百粒質(zhì)量低于秀麥3 號，但其穗粒數(shù)和穗數(shù)高于秀麥3 號，最終兩者的產(chǎn)量相當(dāng)。這可能是突變體中葉綠素含量的增加顯著提高了光合速率，同時該矮稈突變體m1062分蘗能力增強，表現(xiàn)為穗數(shù)增加，因而與產(chǎn)量密切相關(guān)的性狀穗數(shù)和總粒數(shù)增加，彌補了百粒質(zhì)量的降低，使得單株產(chǎn)量基本保持不變。在生產(chǎn)上，矮稈材料可通過增加基本苗數(shù)達到增產(chǎn)目的，如sdw1/denso矮稈突變體[15]。另外，由于矮稈突變體m1062受隱性單基因控制，并影響抽穗期和百粒質(zhì)量，因此在育種中可通過與其他優(yōu)良品種的雜交或回交，改良該矮稈突變體的抽穗期和百粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀，進一步達到增產(chǎn)目的?？傮w來說，m1062矮稈突變體可用于在生產(chǎn)上培育系列矮稈大麥材料。