野大麥研究進(jìn)展*

劉葉飛，劉亞玲，韓慧杰，邱 銳，周昕越，趙 彥，*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境(集團(tuán))股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010030)

野大麥[Hordeumbrevisubulatium(Trin.)Link]是禾本科大麥屬多年生草本植物，廣泛分布于我國東北、華北、內(nèi)蒙古、新疆等地[1]。野大麥分蘗株叢密，再生能力強(qiáng)，生產(chǎn)性能較好，有較大的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值；適應(yīng)性強(qiáng)，具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等特性，在-40℃下仍能安全越冬，對土壤要求也不嚴(yán)格[2～3]；野大麥耐濕耐澇性較強(qiáng)，在低濕并有臨時(shí)性積水的草甸黑土上生長良好，是鹽化和堿化草甸草原的建群種[4]；野大麥作為一種優(yōu)質(zhì)牧草，在畜牧業(yè)和生態(tài)環(huán)境改良中具有很大的推廣潛力。野大麥易斷穗、落粒性強(qiáng)，且成熟期不一致，因此種籽產(chǎn)量較低。基于野大麥的這些特性，國內(nèi)外學(xué)者對其研究主要集中在內(nèi)生真菌及其共生體、落粒性、耐鹽性、產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)方面。

1 野大麥的生物學(xué)特性

株高50～80cm；須根系稠密，具短根莖，莖纖細(xì)，直徑約2.0mm，且基部直立或呈膝曲狀；葉片長約30cm，寬2～5mm，葉層集中分布在15～20cm的下層，葉鞘無毛，葉耳尖形呈淡黃色；灰綠色穗狀花序，后期略帶紫色，每節(jié)有3枚小穗，每枚小穗有1個(gè)小花，兩側(cè)小穗不孕，無法形成種子；穎針狀，內(nèi)外長度一致，外稃無芒；穎果寬且短，頂端帶毛[5～7]。兼行有性繁殖和無性繁殖，種子休眠期短、發(fā)芽率高，返青早、枯黃晚，且為長壽命牧草，利用年限可達(dá)6～7年。種植第一年部分主莖可抽穗，但不能成熟，草層高度約45cm，干草產(chǎn)量約0.3萬kg/hm2；第二年干草產(chǎn)量大約為0.45～0.6萬kg/hm2；第3～4年可達(dá)6750kg/hm2左右；第5～7年產(chǎn)量下降，維持在1950～3450kg/hm2。種子較輕，千粒重1.5g左右，種植2～4年種子產(chǎn)量為225～375 kg/hm2?？鼓嫘暂^強(qiáng)，如果幼苗能夠完全越冬，翌年就能開花結(jié)實(shí)，并形成較大的植株[8]。

2 野大麥國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 內(nèi)生真菌及其共生體研究

禾草內(nèi)生真菌是指存在于植物組織內(nèi)部并在其中完成大部分的生命周期，而禾草不顯示外部癥狀的一類真菌[9]。這類真菌與野大麥形成互利共生的關(guān)系，為宿主植物帶來各種有益的性能。在國外，禾本科牧草內(nèi)生真菌的研究最早源于18世紀(jì)，新西蘭學(xué)者Neil進(jìn)行大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，毒麥(Loliumtemulentum)中毒現(xiàn)象是由內(nèi)生真菌所致[10]。Wilson等(1991)首次在野大麥植株中發(fā)現(xiàn)了內(nèi)生真菌[11]，隨后有學(xué)者通過分析內(nèi)生真菌遺傳特征，發(fā)現(xiàn)野大麥可能不止攜帶一種內(nèi)生真菌[12]。這些研究被報(bào)道之后，眾多學(xué)者對內(nèi)生真菌的分布、分類、生理生化、代謝、遺傳以及與宿主植物互作關(guān)系等方面展開了大量的研究工作[13]。我國相關(guān)方面的研究最早始于20世紀(jì)90年代[14]。近30年來，國內(nèi)外野大麥內(nèi)生真菌及其共生體的研究取得了顯著進(jìn)展：一方面明確了野大麥內(nèi)生真菌的分布、帶菌率、除菌方法、生物學(xué)與生理學(xué)特性、檢測方法以及在宿主體內(nèi)的分布特征[15～21]；另一方面明確了內(nèi)生真菌可提高野大麥對多種生物脅迫和非生物脅迫條件下的抗性，如抗病性、抗蟲性、耐酸堿性、耐水澇、耐老化、耐干旱、耐高低溫等[22～32]。在禾草中，內(nèi)生真菌主要存在于葉鞘、莖髓等養(yǎng)分豐富的地方，采用濕熱法和真菌殺菌劑法可以去除野大麥內(nèi)生真菌[33～36]。目前，曹瑩[17]等研究發(fā)現(xiàn)去除野大麥種傳內(nèi)生真菌的有效辦法，就是將甲基托布津稀釋500倍浸泡種子8h，帶菌率可從100%降至12%。野大麥內(nèi)生真菌的檢測方法主要采用分離鏡檢法，王正鳳從內(nèi)蒙古、甘肅和新疆主要牧區(qū)選取130份野大麥，檢測后發(fā)現(xiàn)內(nèi)生真菌平均帶菌率為91%[16]。有關(guān)野大麥生物學(xué)和生理學(xué)特性的研究甚少，陳泰祥對甘肅張掖野大麥進(jìn)行研究的結(jié)果表明,內(nèi)生真菌WBE1菌株的最適pH值為5.09～6.10，最適生長溫度為21～25℃[18]。在野大麥內(nèi)生真菌及其共生體研究體系中，共生體抗性部分的研究成果最多，眾多研究表明野大麥內(nèi)生真菌對其生長有促進(jìn)作用，可提高宿主對生物及非生物脅迫抗性，同時(shí)也能促進(jìn)野大麥植株的生長。

2.2 落粒性研究

落粒性是植物在長期進(jìn)化過程中為了抵御不良環(huán)境、繁衍后代的一種防御機(jī)制，自然界禾本科種子的落?，F(xiàn)象非常嚴(yán)重[37]，種子在收獲前自然脫落，一方面增加了種子的采收難度，另一方面嚴(yán)重影響種子的產(chǎn)量和質(zhì)量。有關(guān)禾本科種子落粒性研究主要集中在以下幾方面：落粒性的影響因素、落粒率的測定方法及落粒機(jī)制的研究。

研究發(fā)現(xiàn)，種子落?，F(xiàn)象受環(huán)境因素的影響，同時(shí)也受品種、收獲時(shí)間的影響[38]。在空氣濕度較大、陰雨天較長、溫度較高的環(huán)境下，種子的落?，F(xiàn)象不明顯[39]；王立群在調(diào)查禾本科牧草采收期時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同牧草在不同的采收期落粒率各不相同[40]。常見的落粒率測定法有人工施壓法、拉力儀法、自然落粒收集法[41]。

落粒機(jī)制的研究是落粒性研究中最重要的一部分，對于生產(chǎn)過程中降低種子落粒率、培育抗落粒新品種具有重要意義。落粒機(jī)制的研究，主要集中在物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)物質(zhì)和遺傳基因三方面。在物理結(jié)構(gòu)方面，離區(qū)結(jié)構(gòu)對種子落粒起著決定性作用，離區(qū)是由多層細(xì)胞和細(xì)胞質(zhì)緊密排列而成的普遍存在的形態(tài)結(jié)構(gòu)[42～43]，離層相鄰的細(xì)胞壁中間膠層的膨脹和溶解決定了離層的斷裂和種子的脫落。種子在自然脫落過程中受水分和化學(xué)激素的影響較大，種子含水量隨著種子成熟度逐漸降低，而落粒趨勢逐漸加?。挥绊懛N子落?，F(xiàn)象的化學(xué)激素有脫落酸、乙烯、赤霉素[44～45]。隨著分子生物技術(shù)的不斷發(fā)展，種子落粒性研究更多地集中在遺傳基因方面，有關(guān)落?；虻难芯恐饕譃镾HATTERING類基因和MADS-box類基因[46]。在禾本科植物中，控制水稻落粒性的基因最為復(fù)雜，水稻落粒性是由多基因控制或由主效基因及微效基因共同控制的數(shù)量性狀，目前克隆出來的與水稻落粒相關(guān)的基因有12個(gè)，其中控制落粒的主效基因有7個(gè)(qSH1、OsSh1、ObSH3、sh4/SHA1、SHAT1、SH5、sh-h/OsCPL1)，多效基因有5個(gè)(OsGRF4/PT2、OsNPC1、GL4、OsLG1和SSH1)[47]，多效基因除了控制落粒性外還控制水稻的農(nóng)藝性狀；在小麥中，控制落粒性的基因是Q基因，Q基因編碼一個(gè)AP2家族的轉(zhuǎn)錄因子[48～49]；單基因SH1控制高粱種子的落粒性，編碼YABBY轉(zhuǎn)錄因子[50]；國內(nèi)外對控制野大麥落粒性基因的研究相對較少，有研究表明Br1、Br2是控制大麥及其野生近緣種種子脫落的基因，落粒性在野大麥和栽培大麥之間表現(xiàn)出明顯的二態(tài)性，野生型大麥為穗基部脆性落粒，栽培型為穗基部非脆性不落粒[51～52]。從解剖學(xué)上看，脆穗野生大麥易于種子散落，主要原因是脆穗穗軸斷裂產(chǎn)生的疤痕是光滑的；而堅(jiān)穗栽培大麥產(chǎn)生的疤痕是粗糙的，種子不易脫落，脆穗野生大麥攜帶雙顯性基因Btr1-Btr2，堅(jiān)穗栽培大麥攜帶隱形基因btr1或btr2，一般情況下btr1是西方栽培大麥的攜帶基因，btr2是東方栽培大麥的攜帶基因，這兩個(gè)基因獨(dú)立存在均能導(dǎo)致非脆穗性狀，當(dāng)大麥基因型為btr1-Btr2、Btr1-btr2時(shí)，植株均表現(xiàn)為非脆穗，此時(shí)種子不易落粒[53～55]。Komatsuda等[54]通過自然突變分離出btr1、btr2這兩個(gè)緊密連鎖基因，并定位在大麥3H染色體的短臂上。堅(jiān)穗軸表型(不易落粒)是Btr1和Btr2的微缺失所致，其中btr1基因缺失1bp，btr2基因缺失11bp[51]。

2.3 耐鹽性研究

野大麥?zhǔn)呛瘫究菩←溩逯心望}性最強(qiáng)的植物。我國對野大麥的耐鹽性研究起步較晚，早期主要對野大麥耐鹽生物學(xué)特性和生理特性進(jìn)行了研究。王萍[56]分析了野大麥在不同鹽堿處理?xiàng)l件下的受害程度，結(jié)果表明高pH值處理?xiàng)l件下野大麥?zhǔn)芎Τ潭茸畲?，其次是Na+處理?xiàng)l件。余玲[57]對野大麥種子萌發(fā)的耐鹽性進(jìn)行研究得出，野大麥種子耐鹽性很強(qiáng)，耐鹽臨界值為-1.13MPa Na2SO4以及-1.34MPa NaCl。此外，內(nèi)生真菌的侵染能夠提高野大麥在鹽堿脅迫下種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚芽和胚根的生長[58～59]。近年來，野大麥耐鹽性研究主要集中在耐鹽新品種選育、耐鹽生理響應(yīng)機(jī)制、耐鹽性相關(guān)基因三方面：(1)耐鹽新品種選育用到的方法有雜交育種法、大田選育法、組織培養(yǎng)法、突變體選擇法和耐鹽基因工程法[60]，李造哲等[61]將野大麥與披堿草(Elymusdahuricus)進(jìn)行雜交和回交，培育出優(yōu)良雜交野大麥新品種；朱進(jìn)等[62]用野大麥的成熟胚作為外植體誘導(dǎo)愈傷組織，在MS培養(yǎng)基上(含NaCl)篩選出穩(wěn)定性較好的耐鹽變異體并分化得到再生植株。(2)野大麥K+/Na+吸收選擇性較強(qiáng)，氯化鈉濃度≤350mmol/L野大麥能正常生長，低鹽脅迫條件下Na+主要分布在液泡和細(xì)胞質(zhì)間，高鹽脅迫下Na+通過莖葉外排，學(xué)者推測野大麥主要的耐鹽適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制可能是Na+區(qū)域化與外排。(3)野大麥耐鹽性受多個(gè)基因的調(diào)控，但主要調(diào)控因子尚不清楚。目前，在野大麥中克隆到的耐鹽基因有HbNHXI、rbcS1、rbcS2、HbCDPK等[63～65]，這些基因的功能已得到驗(yàn)證。

2.4 產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)研究

野大麥草質(zhì)柔軟，產(chǎn)量和營養(yǎng)價(jià)值均較高，是一種優(yōu)質(zhì)牧草。在開花期，野大麥粗纖維含量僅為23.63%，比同類禾草低4～5個(gè)百分點(diǎn)，而粗蛋白質(zhì)含量為9.61%，比同類禾草高1～2個(gè)百分點(diǎn)，家畜必需氨基酸的含量也較豐富，亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸等含量均高于0.35%；在營養(yǎng)期，粗蛋白質(zhì)含量可達(dá)15.30%[66]。禾草的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)受多方面因素的影響，不同的施肥量和施肥時(shí)間對禾草的產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響也不同，施肥可以有效提高野大麥的干草產(chǎn)量、粗蛋白質(zhì)含量和粗脂肪含量，當(dāng)施肥量相同時(shí)拔節(jié)期施肥更有利于提高干草產(chǎn)量，并且此時(shí)粗蛋白質(zhì)含量、粗脂肪含量普遍高于其他施肥時(shí)期[67～68]。刈割強(qiáng)度和刈割高度對野大麥的產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)影響較大，當(dāng)刈割強(qiáng)度為30%、刈割高度為10cm時(shí)，野大麥干草產(chǎn)量較高，留茬高度為10cm時(shí)，野大麥根中可溶性碳水化合物含量顯著偏高[69]。

3 展望

野大麥廣泛分布于我國北方草原地區(qū)，因其草質(zhì)柔軟、適口性好、營養(yǎng)價(jià)值較高成為牛馬喜食的優(yōu)質(zhì)牧草。此外，野大麥耐鹽性較強(qiáng)，是鹽堿地改良的優(yōu)質(zhì)草種之一。目前，野大麥的研究在內(nèi)生真菌、落粒性、耐鹽性、產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)及新品種培育方面已取得一定進(jìn)展，但野大麥還有很大的研究與利用潛力。有關(guān)利用野大麥內(nèi)生真菌進(jìn)行新品種選育的研究較少，分離獲得的內(nèi)生真菌種類比較單一，如何分離出更多種類的內(nèi)生真菌在小麥族植物體內(nèi)利用人工接種方式創(chuàng)造出更多的共生體和選育出不同脅迫條件下的抗逆新品種，是品種選育研究中的一個(gè)新途徑，也是未來內(nèi)生真菌研究的一個(gè)重要方向。關(guān)于野大麥落粒性的研究，雖已分離出一些控制落粒的基因，但調(diào)控野大麥落粒的分子機(jī)制仍不十分清楚，如何從分子育種角度去解決野大麥的落粒性，通過基因調(diào)控培育出非落粒新品種，是今后亟待研究解決的問題。