裸大麥種質(zhì)資源研究進(jìn)展

李 贏，劉海翠，韓 笑，劉 建，石曉旭，魏亞鳳

（江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226541）

大麥栽培歷史悠久，是主要種植的禾谷類作物之一[1]。大麥?zhǔn)瞧ご篼満吐愦篼湹目偡Q，某些大麥種質(zhì)成熟后穎果易脫出稃體，籽粒裸露，故稱為裸大麥。大麥籽粒皮或裸主要由NUD基因控制[2]。早期裸大麥由于籽粒裸露，易于加工，被人們當(dāng)作主要糧食作物種植。隨著栽培小麥的崛起，裸大麥作為主食的地位開始降低，加上產(chǎn)量遠(yuǎn)低于皮大麥，因此裸大麥僅在高海拔地區(qū)被農(nóng)民作為風(fēng)險規(guī)避性作物得到保留。

隨著人們健康觀念的增強(qiáng)，裸大麥由于其優(yōu)異的營養(yǎng)價值受到廣泛關(guān)注。20世紀(jì)70年代，加拿大育種家在研究大麥種質(zhì)資源營養(yǎng)價值時，發(fā)現(xiàn)裸大麥作為飼料能夠促進(jìn)豬禽的消化，于是開始培育飼用裸大麥品種[3]。相較于水稻、小麥和玉米，裸大麥膳食纖維、不飽和脂肪酸含量和β-葡聚糖含量較高，適用于雜糧保健產(chǎn)品的開發(fā)[4]。此外，裸大麥?zhǔn)窃S多生物活性物質(zhì)的潛在來源，食用裸大麥可以幫助降低患慢性和代謝性疾病如冠心病、Ⅱ型糖尿病、肥胖和癌癥的風(fēng)險[5]。

我國裸大麥分布很廣，主要集中在青藏高原高寒區(qū)和長江中下游及沿海地區(qū)，種質(zhì)資源豐富。本文通過對近年來國內(nèi)外有關(guān)裸大麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性、農(nóng)藝性狀分析以及抗性等方面研究進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為我國裸大麥種質(zhì)資源的篩選利用及裸大麥核心種質(zhì)庫的構(gòu)建提供參考，加快裸大麥種業(yè)的發(fā)展。

1 裸大麥種質(zhì)資源的形態(tài)多樣性

考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)裸大麥最早出現(xiàn)在公元前6 500年左右[6]。在近9 000年的馴化過程中，為了適應(yīng)不同地域的氣候條件和耕作制度，經(jīng)過自然淘汰和人為選擇，逐漸形成了不同形態(tài)特征的裸大麥種質(zhì)。目前，對種質(zhì)資源進(jìn)行形態(tài)多樣性分析是了解種質(zhì)資源基礎(chǔ)狀況最直接的方法，通過鑒定評價，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要，發(fā)掘出有直接利用價值的資源。

作物的性狀是指可遺傳的生物體形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理和行為等特征的總和，對種質(zhì)資源進(jìn)行性狀的鑒定和分析是了解種質(zhì)資源多樣性水平最基本的方法，也是進(jìn)行資源種內(nèi)分組的重要依據(jù)之一。通過形態(tài)多樣性分析可獲得不同表型特征的裸大麥種質(zhì)，為專用型裸大麥育種的親本選擇提供參考。Eticha等將81份不同國家的春性裸大麥品種根據(jù)農(nóng)藝性狀分為7個類群，推薦使用第1、第5、第6、第7類群的裸大麥種質(zhì)材料配置雜交組合[7]。孟霞等對34份西藏青稞材料進(jìn)行表型多樣性分析，發(fā)現(xiàn)34份西藏青稞材料存在植株偏矮、穗數(shù)較多、粒質(zhì)量不足等問題，提出在育種過程中，應(yīng)注重選擇株高適中、穗數(shù)較少和千粒質(zhì)量高的青稞材料來提高育成裸大麥品種的產(chǎn)量[8]。陳麗華等對26份青海青稞主栽品種進(jìn)行農(nóng)藝性狀分析，發(fā)現(xiàn)青海青稞主栽品種形態(tài)多樣性較為豐富，提出在進(jìn)行性狀選擇時，應(yīng)注重提高單株穗數(shù)和千粒質(zhì)量[9]。王蕾等通過考察青藏高原六棱裸大麥和其他地區(qū)大麥種質(zhì)的籽粒性狀，在主成分分析的基礎(chǔ)上采用最小方差法，將323份種質(zhì)分為4個類群，認(rèn)為裸大麥雜交親本為不同棱型時，改良效果較好[10]。白羿雄等對205份青稞種質(zhì)進(jìn)行表型數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)供試種質(zhì)多樣性豐富，并根據(jù)表型數(shù)據(jù)將種質(zhì)分為3類，從中篩選出5份綜合性狀優(yōu)異的青稞種質(zhì)[11]。徐肖等基于形態(tài)性狀將86份西藏青稞種質(zhì)聚為4類，通過基于主成分的M值綜合評價方法對西藏地區(qū)青稞進(jìn)行評價，篩選出了一批適宜江蘇地區(qū)種植的青稞種質(zhì)[12]。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，我國青藏高原地區(qū)裸大麥種質(zhì)資源多樣性較為豐富，具有較大的利用價值。通過考察和分析裸大麥種質(zhì)的農(nóng)藝性狀，根據(jù)裸大麥種質(zhì)的來源、粒色、株高、穗長、粒質(zhì)量等性狀將裸大麥種質(zhì)分為不同的類群，從中篩選綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)配置雜交組合，能顯著提高裸大麥育種的效率。形態(tài)多樣的裸大麥種質(zhì)是進(jìn)行雜交配組的基礎(chǔ)，是培育專用型裸大麥品種的關(guān)鍵，為我國大力發(fā)展裸大麥種業(yè)提供了條件。

2 裸大麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性

對裸大麥種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析是對種質(zhì)資源進(jìn)行有效保護(hù)與利用的前提[13]。人們起初通過農(nóng)藝性狀、同工酶和醇溶蛋白來對裸大麥種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，后來，隨著分子標(biāo)記的發(fā)展，由于成本低、效率高、準(zhǔn)確性較好，它越來越受到專家學(xué)者們的青睞，是目前進(jìn)行裸大麥遺傳多樣性研究的主要方法[14-15]。

SSR（簡單重復(fù)序列）標(biāo)記是一種以特異引物PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記技術(shù)，具有數(shù)量豐富、可覆蓋整個基因組、揭示多態(tài)性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于不同作物的遺傳多樣性和群體研究，如水稻[16]、玉米[17]、小麥[18]、高粱[19]和大麥[20]，目前也是進(jìn)行裸大麥種質(zhì)資源遺傳多樣性分析最常用的手段。為了有效利用云南裸大麥種質(zhì)，張建華等利用21對SSR引物分析云南及其他來源裸大麥種質(zhì)的親緣關(guān)系，發(fā)現(xiàn)72份裸大麥種質(zhì)間存在豐富的遺傳多樣性，不同地域的種質(zhì)遺傳多樣性存在較大差異，其中滇西南地區(qū)裸大麥種質(zhì)遺傳多樣性最高，青藏高原的較低[21]。尚毅等利用28對SSR引物對66份浙江裸大麥品種進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)浙江裸大麥的遺傳多樣性較皮大麥更為豐富[22]。巴桑玉珍等利用SSR標(biāo)記分析青藏高原青稞種質(zhì)的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)青藏高原裸大麥種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)狹窄[23-24]。原紅軍等用95對SSR引物對1 220份國內(nèi)外青稞種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性分析，并根據(jù)多樣性分析結(jié)果，構(gòu)建了300份青稞核心種質(zhì)[25]。

隨著分子標(biāo)記的發(fā)展，人們陸續(xù)開發(fā)了一些新的分子標(biāo)記和芯片對青稞種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性鑒定。其中，IT-ISJ（內(nèi)含子-外顯子拼接位點）分子標(biāo)記的穩(wěn)定性較好，引物設(shè)計簡便。余春磊等首次利用IT-ISJ分子標(biāo)記對34份國內(nèi)外栽培青稞進(jìn)行了遺傳多樣性評估，發(fā)現(xiàn)供試材料間的遺傳差異較小[26]。曾興權(quán)等利用內(nèi)含子切接點引物分析西藏青稞種質(zhì)的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)西藏青稞地方品種遺傳多樣性最差，育成品種多樣性較好[27]。ISSR（inter-simple sequence repeat）引物精確度較高，揭示的多態(tài)性水平較高，可以在不同的物種間通用。張超等利用ISSR引物對國內(nèi)外裸大麥種質(zhì)進(jìn)行了遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)亞洲裸大麥的多樣性最高[28]。多樣性芯片技術(shù)（DArT）能實現(xiàn)高通量的檢測，成本低。Xu等利用DArT標(biāo)記對青藏高原的六棱裸大麥進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)除3H染色體外，野生大麥在基因組和染色體水平上的遺傳多樣性均高于地方裸大麥品種，某些環(huán)境地理因素的變化與特定DArT位點等位基因頻率之間具有相關(guān)性[29-30]。Guo等使用SSR標(biāo)記和AFLP（擴(kuò)增片段長度多態(tài)性）標(biāo)記對香格里拉裸大麥進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)SSR標(biāo)記所揭示的群體遺傳多樣性高于AFLP標(biāo)記，2種標(biāo)記結(jié)果表明香格里拉裸大麥遺傳多樣性豐富[31]。Eshghi等結(jié)合農(nóng)藝性狀、醇溶蛋白和分子標(biāo)記來評估63份裸大麥品種的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)ISSR標(biāo)記揭示的多樣性水平較高[32]。多種分子標(biāo)記互補(bǔ)，同時結(jié)合分子標(biāo)記、農(nóng)藝性狀和其他新的測序手段，將有助于科學(xué)評價裸大麥種質(zhì)的遺傳多樣性。

遺傳多樣性分析結(jié)果表明，我國青藏高原地區(qū)的地方品種大多存在遺傳基礎(chǔ)狹窄的情況，在后續(xù)的育種工作中，應(yīng)注重引進(jìn)國外和國內(nèi)其他地區(qū)綜合性狀優(yōu)異且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的種質(zhì)，同時加大對我國其他產(chǎn)區(qū)裸大麥種業(yè)的扶持力度，促進(jìn)裸大麥種業(yè)均衡化發(fā)展，避免我國的裸大麥品種過于集中和單一。

3 裸大麥抗性育種

大麥抗逆境生長的能力較強(qiáng)，高海拔地區(qū)的農(nóng)民將裸大麥當(dāng)作主要糧食作物種植，它是重要的風(fēng)險規(guī)避性作物。為了篩選出優(yōu)質(zhì)高抗的裸大麥種質(zhì)，我國專家學(xué)者紛紛開展裸大麥種質(zhì)抗性評價與鑒定，篩選到了一大批高抗種質(zhì)，為裸大麥抗性育種親本的選擇提供了參考。

周天旺等利用人工接種的方法對25份青稞種質(zhì)進(jìn)行抗黃矮病鑒定，獲得了1份抗性材料即康青7號，15份中抗材料，8份感病材料和1份超感病材料[33]。欒運芳等通過田間鑒定的方法對132份西藏春青稞種質(zhì)進(jìn)行抗銹性鑒定，發(fā)現(xiàn)對銹病表現(xiàn)免疫的材料37份，高抗材料46份，中抗材料36份，中感或高感材料13份[34]。田曉等通過苗期人工接種強(qiáng)毒性銹病菌菌株16360-1和2378 F2-10來鑒定青藏高原青稞種質(zhì)的抗條銹性，篩選出對2種菌株表現(xiàn)均抗的品種共26份[35]。楊春葆等對156份F2裸大麥材料進(jìn)行白粉病抗性鑒定，發(fā)現(xiàn)F2分離群體中抗病和感病材料比例為3∶1，提出可能有1對主效基因控制裸大麥對白粉病的抗性表現(xiàn)[36]。魏玲玲等通過廣泛靶向代謝組技術(shù)對36份西藏青稞抗白粉病種質(zhì)進(jìn)行代謝分析，發(fā)現(xiàn)抗白粉病的青稞種質(zhì)葉片中黃酮含量遠(yuǎn)高于其他代謝物，為抗白粉病青稞種質(zhì)的篩選提供了新的思路[37]。

除了抗病性研究外，前人對裸大麥在抗低溫、抗倒和耐鹽等方面也有大量的研究。胡書銀等在裸大麥苗期低溫處理前施用酚類物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)可增加低溫下葉片GSH（谷胱甘肽）和AsA（抗壞血酸）含量，維持葉片較高的SOD（超氧化物歧化酶）和CAT（過氧化氫酶）活性，從而提高裸大麥的抗寒性，其中間苯三酚效果最明顯[38]。白羿雄等通過考察35份青稞種質(zhì)的根系、莖稈和穗部相關(guān)的23個農(nóng)藝性狀，發(fā)現(xiàn)莖稈強(qiáng)度與青稞抗倒性最為密切，提出根干重大、莖稈重、莖稈壁厚、莖稈強(qiáng)度大是裸大麥抗倒伏的主要原因[39]。袁金娥對我國西藏近緣野生大麥和來自我國不同地區(qū)的青稞種質(zhì)進(jìn)行耐鹽性評價，篩選出芽期耐鹽能力達(dá)到1級的野生大麥2份，青稞種質(zhì)51份，青稞種質(zhì)中矮六密和XQ0674的耐鹽性最強(qiáng)[40]。

抗性育種是降低作物面對病害及逆境條件下造成損失最經(jīng)濟(jì)有效的途徑，豐富的抗性種質(zhì)資源是抗性育種的基礎(chǔ)。前人對裸大麥種質(zhì)資源的抗性鑒定，可為育種家高效利用種質(zhì)資源、提高裸大麥抗性育種效率創(chuàng)造條件。然而，目前抗性育種的研究主要是通過性狀考察對裸大麥抗性進(jìn)行鑒定，分子水平上對裸大麥抗性進(jìn)行分析和鑒定的報道還較少。因此，注重裸大麥抗性基因挖掘和抗性機(jī)理研究是開展更高水平抗性育種的關(guān)鍵。

4 展望

目前，大麥主要有3大用途：飼用、食用和釀酒。相較于皮大麥，裸大麥由于擁有較高的蛋白水平、富含β-葡聚糖和更高的麥芽提取率而越來越受到人們的重視[41]。通過對裸大麥種質(zhì)形態(tài)和遺傳多樣性進(jìn)行分析，可降低裸大麥新育成品種間的遺傳重復(fù)，提高優(yōu)異種質(zhì)的利用效率，促進(jìn)裸大麥種業(yè)的發(fā)展。雖然我國裸大麥育種已取得一些進(jìn)展，但與水稻、玉米和小麥等主要農(nóng)作物相比，仍存在較大差距。

目前，有關(guān)裸大麥形態(tài)多樣性的研究主要集中于農(nóng)藝性狀的考察和分析，應(yīng)逐步著重于抗性表型的鑒定，篩選出具有優(yōu)異抗性的種質(zhì)，以適應(yīng)極端天氣頻發(fā)的現(xiàn)狀，保障糧食安全。傳統(tǒng)的表型鑒定主要依靠人工，費時費力，且易出現(xiàn)誤差，因此，確保鑒定環(huán)境穩(wěn)定，高通量、自動化和精準(zhǔn)化的表型鑒定是日后作物表型鑒定的主要趨勢。

分析裸大麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性是進(jìn)行裸大麥遺傳改良的基礎(chǔ)。起初，人們主要通過農(nóng)藝性狀分析來鑒定裸大麥種質(zhì)，然而農(nóng)藝性狀易受地域和環(huán)境的影響，不能科學(xué)客觀地評價。后來人們通過研究裸大麥的醇溶同工酶和蛋白來研究其遺傳多樣性，但發(fā)現(xiàn)多樣性結(jié)果受多態(tài)性數(shù)量的制約[14-15]。分子標(biāo)記由于其準(zhǔn)確度高、成本較低和效率高等優(yōu)勢，為從分子水平上進(jìn)行遺傳多樣性分析提供了技術(shù)保障，是目前進(jìn)行裸大麥遺傳多樣性分析的主要手段之一。從SSR、SNP、AFLP、ISSR等單一的分子標(biāo)記到多種分子標(biāo)記互補(bǔ)、分子標(biāo)記與其他手段相結(jié)合，人們對于裸大麥遺傳多樣性的研究取得了一定的進(jìn)展，為科學(xué)高效地利用裸大麥種質(zhì)提供了參考[31-32]。

近些年，異常氣候頻發(fā)，病蟲害形勢較往年更為嚴(yán)峻，因此，裸大麥抗性育種是裸大麥種業(yè)發(fā)展的重要方向。前人通過人工接種與田間考察的方式，初步篩選出一批抗黃矮病、條銹病和白粉病的種質(zhì)，為裸大麥抗性育種親本的選擇提供了參考[31-35]。然而，這些抗性研究主要集中于青藏高原青稞品種，對其他裸大麥產(chǎn)區(qū)如甘肅、江蘇等裸大麥抗性材料的研究卻很少。同時，青藏高原的青稞種質(zhì)大多為六棱裸大麥，由于南方雨水較多，引種至江蘇往往株高較高、赤霉病較重、結(jié)實率較低及產(chǎn)量較低，難以直接利用[12]。因此，在注重青藏高原地區(qū)青稞種質(zhì)抗性育種的同時，加強(qiáng)青藏高原地區(qū)外裸大麥產(chǎn)區(qū)抗性材料篩選是拓寬裸大麥種質(zhì)基礎(chǔ)、避免育成裸大麥種質(zhì)過于單一的重要途徑。此外，相較于水稻、玉米、小麥等作物，裸大麥在抗性基因挖掘和抗性機(jī)理研究等方面還存在較大差距，還有待進(jìn)一步研究。