3種穗型大麥幼穗發育進程及其與葉齡的對應關系分析

彭 澎，熊靜蕾，陳升位，陳疏影，沈真輝，蔡 聰，李靜燁，王新天

(云南農業大學農學與生物技術學院，云南昆明 650201)

大麥幼穗發育是其形態結構不斷分化的持續過程，可分為二棱期、三棱期、內外潁分化期等多個時期[1]。不同大麥品種(系)的幼穗發育進程及其各階段的持續時間不同，基因型及其與環境的互作對大麥幼穗發育進程及其各階段的持續時間具有決定性作用，其中基因型是主要的內在決定因素[2-3]。目前，一些與大麥幼穗發育相關的基因被發現，如三聯小穗基因Vr[4]、側小花育性基因[5]、穗分枝基因Prbs[6]等，但大麥幼穗發育的遺傳機制仍是一個未解之謎。

大麥幼穗發育遺傳機制研究的必要前提是準確判斷其發育進程。到目前為止，大多數學者采用離體顯微觀察診斷大麥幼穗發育進程[7-9]，但該方法直接毀壞了試驗材料，并且存在直觀性不強、費時費力等不足。研究發現，大麥幼穗發育的不同時期與葉齡具有明顯的對應關系，葉齡可作為大麥幼穗發育進程診斷的形態標記[2,7,9-10]，但這種對應關系也受光、溫等環境因素的影響[2,8-9]。因此，將幼穗發育的離體顯微觀察與葉齡變化相結合，有助于對幼穗發育進程進行準確判斷。

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、結合系統選育創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]，是適合大麥穗發育遺傳研究的重要材料。目前，Ynbs株系的幼穗發育進程及其與葉齡的對應關系尚未見報道。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觀察幼穗發育進程，分析Ynbs株系的穗分枝發育進程及其與葉齡的對應關系，以期為其幼穗發育進程診斷提供參考依據。

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業大學昆明北市區教學試驗農場，采用隨機排列設計，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大田生產的基本一致。

1.2.2 幼穗分化進程鑒定

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育進程。在4葉齡、5葉齡、6葉齡、7葉齡和8葉齡分別隨機取各材料的5個單株主莖用于幼穗發育進程觀察。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 結果與分析

2.1 分枝穗型大麥幼穗發育進程及其葉齡的對應關系

各分枝穗型大麥材料不同單株的幼穗分化進程及其與葉齡的對應關系無明顯差異。在4葉齡至8葉齡期間，3個Ynbs株系的幼穗分化經歷了二棱期、穗分枝原基分化期、內外穎分化期等6個時期(圖1)。其中，Ynbs株系1的內外穎分化期較長，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的內外穎分化期均較短；三者的幼穗分化進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葉齡分別對應內外穎分化期，Ynbs株系3對應雌雄蕊分化期。Ynbs株系1的7葉齡時對應內外穎分化期，Ynbs系2和Ynbs株系3穗分枝突變對應藥隔形成期。3個株系的8葉齡均對應雌蕊柱頭二裂分叉期。3個Ynbs株系的幼穗幼穗發育進程與6葉齡至7葉齡的對應關系差異較大，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的內外穎分化期與葉齡均沒有明顯的對應關系。

2.2 二棱大麥幼穗發育進程及其與葉齡的對應關系

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歷了二棱期、三聯小穗分化期、內外穎分化期等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葉齡分別對應二棱期、三聯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三聯小穗分化期、內外穎分化期和藥隔期(圖2B)。3個二棱大麥材料的幼穗發育進程與5葉齡至7葉齡的對應關系差異較大，其中蕭山二棱紫大麥和蕭山白桿二棱大麥的4葉齡和5葉齡均對應二棱期，但藥隔期與葉齡沒有明顯對應關系，東寧安大麥的雌雄蕊分化期與葉齡也沒有明顯對應關系。

2.3 六棱大麥幼穗發育進程及其與葉齡的對應關系

在4葉齡至8葉齡期間3個六棱大麥材料的幼穗發育進程跨度較大，先后經歷了二棱期、三聯小穗期、內外穎分化期等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外穎分化期和藥隔期均較短(圖3A～圖3C)，三者的發育進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葉齡分別對應二棱期、三聯小穗分化期、內外穎分化期、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二棱期、三聯小穗分化期、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葉齡對應內外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期與葉齡沒有明顯的對應關系，上虞六棱大麥的7葉齡對應雌雄蕊分化期，其內外穎分化期和藥隔期與葉齡沒有明顯的對應關系。

2.4 不同類型大麥幼穗發育進程及其與葉齡對應關系的比對

與其他兩種穗型材料相比，Ynbs株系分枝幼穗的三聯小穗原基均被穗分枝原基取代，同時其內外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期的分化進程及其對應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，并導致3個二棱大麥的二棱期、三聯小穗期、內外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期及其對應葉齡與其他材料存在差異；六棱大麥材料幼穗的內外穎分化期、雌雄蕊分化期或藥隔期縮短，并導致內外穎分化期、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育進程及其與葉齡的對應關系比較接近，在相同葉齡條件下幼穗分化進程差異達到了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幼穗發育進程及其與葉齡對應關系均比較接近，在相同葉齡條件下，同穗型材料幼穗的發育進程差異小于2個時期(圖4)。與異穗型材料相比，同穗型材料的幼穗發育進程及其與葉齡的對應關系差異較小。

圖中A、B、C分別表示Ynbs株系1、Ynbs株系2和Ynbs株系3的幼穗發育進程。

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育進程。

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程

Fig.2Developmentprocessofyoungspikeofthethreetwo-rowedbarleysatdifferentleafage

3 討 論

通過幼穗離體顯微觀察，發現9個大麥材料的幼穗發育先后經歷了二棱期、三棱期、內外穎分化期等7個不同的發育階段，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小穗中側小穗的育性決定[1,4]，而分枝穗由主穗軸是否生長分枝決定[5,11-13]。大麥三聯小穗和穗分枝發育屬于幼穗發育的范疇，而且基因型是決定大麥三聯小穗[4]和分枝穗[5-6]的主要因素，因此大麥穗型決定與幼穗發育進程的遺傳關聯性是導致同穗型材料的幼穗發育進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育進程趨于一致，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育進程差異，其中3個穗分枝大麥的幼穗發育進程差異較大。宮玉麟等[3,7]發現，早熟3號、浙農12、早熟7號等6個大麥材料的二棱期、三聯小穗期、藥隔期等7個時期的持續時間分別為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，大麥幼穗發育還與小穗、穗軸和小花等穗部特性的發育有關，同穗型大麥具有小穗、小花或者分枝等不同的次級器官構成要素[1,5,11-12]。大麥小花數、小穗數、穗長等性狀屬數量性狀，其遺傳受基因型及其與環境的互作關系控制[5-6,13-16]。因此，同穗型大麥材料幼穗發育進程差異可能與控制大麥穗部次級器官發育的不同基因及其與環境的互作有關。

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育進程。

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程

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

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，本研究發現，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育進程基本一致，但內外穎分化期、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]的結論基本一致。Ynbs株系1的內外穎分化期較長、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的內外穎分化期較短，3個株系幼穗發育基因的表達模式可能不同。從幼穗發育進程與葉齡的對應關系來看，3個Ynbs株系的4葉齡、5葉齡和8葉齡均分別對應二棱期、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育對應時期的形態標記，但其內外穎分化期、雌雄蕊分化期和藥隔期與葉齡的對應關系還有待進一步研究。

[1] 盧良恕.中國大麥學[M].北京:中國農業出版社,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關系研究[J].湖北農學院報,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.大麥若干生物學特性的研究[J].浙江農業大學學報,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.大麥穗分化進程的診斷-葉齡指數法在鑒定中的價值[J].江蘇農學院報,1982,3(4):20.

GONG Y L.The diagnosis of spike-differentiation stages in barley plant by “leaf-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診斷研究[J].云南農業大學學報,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] 翁訓珠,葉信璋,顧自奮,等.大麥的幼穗分化與形態診斷[J].江蘇農學院報,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的對應關系[J].浙江農業大學學報,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聯分析[J].云南農業大學學報(自然科學版),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.