9个穗分枝裸大麦突变体的穗部特性及其差异分析

沈真辉，李静烨，陈升位，莫 凡，李应秋，蒲雄艳，吴海燕，黄文甫，罗 平

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201)

9个穗分枝裸大麦突变体的穗部特性及其差异分析

沈真辉，李静烨，陈升位，莫 凡，李应秋，蒲雄艳，吴海燕，黄文甫，罗 平

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201)

穗分枝突变体是大麦穗发育研究的重要种质。利用EMS诱变北青7号的成熟种子，再通过连续7年自交繁殖选育了9个裸大麦穗分枝突变(Ynbs)株系。在不同世代中9个Ynbs株系的穗分枝性状均可稳定遗传，多联穗明显退化，每个主穗着生2～5个分枝穗和10.53±0.53～13.23±0.22个多联穗，每个分枝穗具有1～3个分枝穗轴节，每个多联穗着生10～15个小花。为系统了解Ynbs株系的穗部特性差异，分析了不同材料多联穗数、小花数、结实粒数、结实率、穗茎轴长、穗长、穗轴节数和百粒重的表型差异和偏相关性。结果表明，多联穗数等8个穗部性状在不同材料间均有显著或极显著差异，9个Ynbs株系的多联穗数、结实率和百粒重显著低于诱变亲本，但其小花数极显著高于诱变亲本，多联穗减少、小花增多、结实率和百粒重下降是9个Ynbs株系的共有突变性状；穗分枝性状与多联穗数、结实粒数、结实率、穗长和百粒重5个穗部性状呈极显著偏相关，偏相关系数分别为-0.524、0.584、-0.646、0.418和-0.563。9个Ynbs株系具有穗分枝、多联穗退化、小穗增多等特性，是大麦穗发育等研究的不可替代种质。

裸大麦；穗分枝突变体；穗部性状；表型差异；偏相关性

分枝大麦包括茎分枝和穗分枝两种类型[1-2]，可通过自然因素[3-5]、理化因素[6]和外源DNA导入[7-8]等途径诱变产生，其中穗分枝大麦包括复小穗、并列小穗、支穗和双穗4种类型。除双穗外，其余3种穗分枝性状均可稳定遗传，是大麦穗发育等研究的重要种质资源[1-2]。目前已报道了Foma、 F151和Prbs三个穗分枝大麦突变体[4,7-8]。这3个突变体的穗分枝性状分别受1对不同的隐性基因控制[4-5,8-9]。Foma、Prbs和 F151突变体携带的穗分枝基因分别位于7H[8,10]、4HS[11]和3HS[12-13]上。但黄云碧等发现，Prbs突变体的穗分枝特性还受一些微效基因的影响[8]，且Prbs基因对 vrs1基因具有隐性上位作用[9,14]。

不同突变体携带的穗分枝发育基因及其作用机制不同[12-13]，大麦穗分枝发育的遗传机制还有待深入研究[4-5,9]。进一步培育新突变体，鉴定其携带的突变基因，有利于大麦穗分枝发育遗传等研究。通过EMS诱导北青7号的成熟种子，本课题组从1个M1植株的自交M2代群体筛选到2株穗分枝裸大麦突变材料，再通过连续7代自交繁殖，成功选育出9个裸大麦穗分枝突变(简称为Ynbs)株系及其六棱穗重组自交系(简称为重组自交系)。本研究将描述9个Ynbs株系的穗分枝特性，比较不同材料中多联穗数、小花数、结实粒数、结实率、穗茎轴长、穗长、穗轴节数和百粒重的表型差异，并分析这些性状间的偏相关性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括9个M7代Ynbs株系，以及重组自交系、诱变亲本(多棱裸大麦品种北青7号)和多棱穗分枝(Prbs)突变体4份对照材料(表1)，其中北青7号由迪庆州农业科学研究所提供，Ynbs突变株系及其重组自交系由本课题组创制，Prbs突变体由浙江省农业科学院国家大麦改良中心提供。

1.2 试验方法

1.2.1 材料的诱变和繁育

将8 000粒北青7号成熟种子置于三角瓶中，用pH 8.0的0.05 mol·L-1磷酸缓冲液(PBS)震荡浸泡4 h，再用0.5% EMS震荡浸泡16 h，然后用自来水冲洗4 h。M1代及其自交后代种子均播种于云南农业大学昆明北市区教学试验农场，观察不同世代单株的穗分枝等性状。M1和M2代材料按单株收种，其余各世代按株系分别随机收取5个单株的种子用于繁殖后代。

1.2.2 农艺性状调查

于2014年11月9日，将13份供试材料的种子播种于昆明北市区云南农业大学教学试验农场。采用3重复完全随机区组设计，小区面积0.6 m2，基本苗约为300苗·hm-2，其他田间管理措施与大麦常规栽培管理一致。在成熟期从每个处理随机取5株，调查各供试材料的8个穗部性状，即小花数、小花数、结实粒数、结实率、穗茎轴长、穗长、穗轴节数和百粒重。

1.3 数据分析

利用SPSS 19.0软件中的方差和相关分析模块分别分析不同材料间穗部性状表型值差异及不同性状的偏相关性。方差、多重比较和偏相关分析的显著水平和极显著水平分别设定为5%和1%。

表1 13份供试大麦材料及其编号、名称和类型Table 1 Their number,name and type of thirteen barley materials used in the present study

RIL：Recombinant inbred line.

2 结果与分析

2.1Ynbs株系的穗部特性

采用0.5% EMS诱变北青7号干种子后，从1个M1植株的自交M2代中发现2株穗分枝突变体和13株六棱穗植株。通过连续7年的自交繁育，筛选到穗部性状不同的9个穗分枝突变株系及其13个重组自交系。9个突变株系的穗子均呈不规则棱型，其穗顶部和(或)下部的小穗退化，不同突变株系的退化多联穗数、结实粒数和结实率不同(图1)。在9个突变株系的2～5个主穗轴节上分别着生1个穗分枝，每个穗分枝具有1～3个分枝穗轴节，每个穗分枝着生有1个多联穗。9个突变株系的其余主穗轴节上没有分枝，但可着生1个多联穗，每个主穗可着生10.53±0.53～13.23±0.22个多联穗，每个多联小穗可着生10～15个小花(图1)。相同多联穗的小花大小、育性和籽粒大小均存在明显差异(图1)。在M3、M4、M5等世代中，不同Ynbs株系的穗分枝性状均可稳定遗传。

2.2Ynbs株系的穗部性状差异

在多个不同世代中，9个Ynbs株系的穗分枝与多联穗等性状关联遗传，但不同株系的多联穗数等8个穗部性状的表型值不同。方差分析表明，多联(或三联)穗数等8个性状的F值均达到了极显著水平，说明8个性状在不同株系间存在明显差异(表2)。经多重比较(SSR法)，诱变亲本和重组自交系的小花数显著或极显著低于9个Ynbs株系，其三联穗数、结实率和百粒重均极显著高于9个Ynbs株系，其结实粒数、穗茎轴长和穗长显著或极显著高于部分Ynbs株系，多联穗等7个穗部性状在9个株系中发生了不同程度的变异。Prbs株系的小花数极显著低于9个Ynbs株系，其多联穗数、结实率和百粒重极显著高于9个Ynbs株系，其结实粒数、穗轴节数显著高于部分Ynbs株系，其穗长和穗茎轴长显著或极显著低于部分Ynbs株系的(表3)。

从表3可以看出，9个Ynbs株系的多联穗数的变化范围为10.53±0.53～13.23±0.22，材料间没有显著差异；9个Ynbs株系小花数的变化范围为123.00±20.06～193.90±14.48，其中Szh-2的小花数极显著高于其他8个株系，但其余8个株系间小花数没有明显差异；9个Ynbs株系的结实粒数和结实率的变化范围分别为21.60±8.26～57.45±6.49、11.03%±3.71%～42.40%± 3.61%，其中 Szh-2的结实粒数和结实率分别21.60±8.26和11.03%±3.71%，极显著低于其他7个株系，其余7个株系间结实粒数和结实率也存在不同程度的差异；9个Ynbs株系的穗茎轴长变化范围为-0.45±3.03～6.70±0.87 cm，其中Szh-6和Szh-7的穗茎轴较长，分别达到了6.70±0.87和5.91±1.23 cm，均极显著高于Szh-1、Szh-2和Szh-10，但与其他材料间没有明显差异；9个Ynbs株系的穗长变化范围为6.25±0.17～8.22± 0.55 cm，其中Szh-10的穗长为8.22±0.55 cm，显著或极显著高于Szh-1等5个材料，但与其他材料没有明显差异；9个Ynbs株系的穗轴节数变化范围为18.03±0.72～21.13±0.92，但不同株系间没有显著差异；9个株系的百粒重变化范围为2.19±0.07～2.63± 0.04 g，其中Szh-1的百粒重为2.63±0.04 g，极显著高Szh-3等5个株系，但与其他材料没有明显差异。

图1 Ynbs株系的穗型(A)、籽粒大小和颜色(B)、多联小穗(C)以及穗分枝(D)

性状Trait自由度Freedom均方MeansquareF值Fvalue小穗数Numberofspikelet12179.70050.707**小花数Numberoffloret127168.32510.976**结实粒数Grainnumberperspike121275.7706.898**结实率Settingpercentage/%120.35350.238**穗茎轴长Lengthofspikestemaxes/cm1254.3004.092**穗长Lenghtofspike/cm126.45411.731**穗轴节数Numberofspikerachisnode1230.4044.025**百粒重100-grainweight/g121.69897.039**

**：P<0.01; *:P<0.05.

2.3Ynbs株系穗部性状的偏相关性

偏相关分析(表4)表明，Ynbs株系穗分枝数分别与多联(或三联)穗数、结实粒数、结实率、穗长和百粒重呈极显著偏相关，偏相关系数分别为-0.524、0.584、-0.646、0.418和-0.563。多联穗数与小花数和穗长呈显著或极显著偏相关，偏相关系数分别为0.261和-0.372。小花数与结实粒数、结实率呈极显著偏相关，相关系数分别为0.770、-0.783。结实粒数与结实率和穗长呈极显著或显著偏相关，偏相关系数分别0.949、-0.391。结实率与穗长呈极显著著偏相关，偏相关系数为0.454。除上述性状外，其他性状间的偏相关性均不显著。

表3 不同材料中8个穗部性状的表型平均值Table 3 Phenotypic means of eight spike traits of different materials

同列数值后大写字母不同分别表示不同材料间差异极显著和显著。

Different capital and small letters after the values in the same column indicate significant differences among the materials at 0.01 and 0.05 levels,respectively.

3 讨 论

已报道的3个穗分枝突变体均具有小花数增多等特性，是大麦穗发育等研究的重要种质[4,7-8]。这3个大麦穗分枝突变体均在主穗轴节上着生分枝穗，其中 F151的分枝穗着生在主穗中部的1～5个穗轴节上，分枝穗具有1～2个分枝穗轴节[4]；Prbs的分枝穗着生在主穗中部的2～3个穗轴节上，分枝穗具有1～3个分枝穗轴节[7]。Ynbs株系的主穗轴节上可着生2～5分枝穗，分枝穗具有1～3个分枝穗轴。与 F151和Ynbs穗分枝突变体相比，Ynbs株系具有典型的穗分枝性状。根据李集临等[1,4,7]报道的分枝大麦分类标准，可将Ynbs株系归为穗分枝大麦。

表4 9个穗部性状间的相关系数Table 4 Partial correlation coefficients between 9 spike traits

**：P<0.01; *:P<0.05。表中左下角和右上角数值分别为性状间的偏相关系数和二元相关系数。

**:P<0.01; *:P<0.05. The values in the top left and top right corners of the table are partial and two element correlation coefficients,respectively.

与亲本相比，Prbs或 F151突变体的小花数增加，结实率、穗长或百粒重下降[4,7]，如Prbs突变体的小花数增加了108.92%，穗长减少了37.54%[7]，在2个穗分枝突变体中小花数、结实粒数和结实率3个穗部性状均属突变性状。与诱变亲本相比，9个Ynbs株系的小花数极显著增加，但结实率和百粒重极显著降低，这与季慧强等的研究结果基本一致。除小花数、结实粒数和结实率外，9个Ynbs株系的多联穗数、穗长、穗茎轴长、穗轴节数和百粒重与诱变亲本也存在不同程度的差异，其中9个株系的多联穗数均极显著低于诱变亲本。由于13个试验材料的生长环境基本一致，因此可以认为9个Ynbs株系的7个穗部性状属突变性状，其中多联穗数、小花数、结实率和百粒重 4个穗部性状是9个株系的共有突变性状。

虽然9个Ynbs株系上共有7个穗部性状出现突变，但在9个Ynbs株系中多联穗数等几个穗部性状的表型值差异不同，如Szh-2的小花数较多、结实粒数和结实率较低。从偏相关分析的结果来看，小花数与结实粒数和结实率、结实粒数与结实率，以及结实率与穗长等性状呈极显著偏相关，这与沈会权等[15-16]所报道的结果基本一致。除此之外，穗分枝数与多联小花数、结实粒数、结实率、穗长和百粒重间存在显著或极显著的偏相关性。虽然大多数Ynbs株系的小花数显著或极显著地高于诱变亲本等4个对照材料，但穗分枝数与小花数的偏相关不显著。由于小花数分别与多联(或三联)穗数、结实粒数和结实率呈显著或极显著偏相关，因此推测小花数与多联穗数、结实粒数和结实率的相关性影响了穗分枝数与小花数的偏相关性。在Ynbs株系中，穗分枝数与多联穗数等5个性状具有不同程度的遗传关联。

与 F151[ 4]和Prbs[7]突变体相比，Ynbs株系具有明显的多联穗退化特性，例如Szh-2具有21.13个穗轴节及13.10个多联穗，其8个穗轴节上的多联穗已退化。但在9个株系中，单个多联穗的小花数均超过了10个，远远高于4个对照材料的单个多联或三联穗的小花数(约为3个小穗)。说明Ynbs株系主要通过增加单个多联穗的小花数而提高其总小花数，从而表现出小花数明显增加的特性。除此之外，Ynbs株系的多联穗数等3个穗部性状表型值明显降低，穗分枝数与多联穗数等5个穗部性状存在遗传关联特性。因此，在大麦穗分枝发育、多联穗退化、小穗发育等穗部性状研究中Ynbs株系具有不可替代的作用。

[1] 李集临.野生大麦族某些植物的异常分枝现象[J].哈尔滨师范学院学报(自然科学版),1963,130.

LI J L.Abnormal branch phenomenon of some wild barley plants [J].JournalofHarbinnormalCollege(NaturalScienceEdition),1963,130.

[2] PRESAD G.Branching in barley spikes [J].BarleyGeneticsNewsletter,1976,6:50.

[3] 李逸平,李万几.大麦多节分枝天然突变体的形态及遗传分析[J].中国农业科学,1994,27(4):1.

LI Y P,LI W J.Morphological and genetic analysis of natural multi-noded,branched mutant from barley cultivar [J].ScientiaAgriculturaSinica,1994,27(4):1.

[4] FEN Z Y,GOU L,LI M,etal.Inhritance for multi-branching trait of F151——a natural mutant of Qinke bayley(H.Hvulgnrevar.nudum) landrace from Sichuan of China [J].BarleyGenetics,2002(3):145.

[5] LARSSON H E B.Branching spike mutants from two loci in two-row barley [J].BarleyGeneticsNewsLetter,1981,11:25.

[6] 张 京,瞿德昌.大麦多节矮秆分枝多穗突变体“93-597”[J].大麦科学,1995,44(3):46.

ZHANG J,QU D C.“93-597”,a barley mutant with multi-node,dwarf stem and branch [J].ChineseJournalofBarleySciance,1995,44(3):46.

[7] 季慧强,陈启锋,林学健.DNA直接导入育成多棱分枝大麦的研究[J].福建农业大学学报,1995,24(1):9.

JI H Q,CHENG Q F,LIN X J.Study on poly-row barley with multi-branches of spikelets emarged by directly of DNAs [J].JournalofFujianAgriculturalUniversity,1995,24(1):9.

[8]RYAN H,BROWN,PHIL B.A Ds insertional mutant of a barley miR172 gene results in indeterminate spikelet development [J].CropScience,2011,51:1664.

[9] 黄碧光,吴为人,刘思衡,等.大麦多棱分枝穗突变体的遗传分析[J].遗传,2004,26(6):903.

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

[10] Person G.An attempt to find suitable genetic markers for dense ear lcoi in barley [J].JournalHeredity,1969,62:25.

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

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

[13]HUNAG B G,WU W R.Mapping of mutant genePrbscontrolling poly-row-and-branched spike in barley(HordeumvulgareL.) [J].AgriculturalSciencesinChina,2011,10(10):1501.

[14] 刘思衡,黄碧光,吴秀莲,等.多棱分枝大麦穗粒性状及其遗传研究 [J].福建稻麦科技,2000,18(S):37.

LI S H,HUANG B G,WU X L,etal.Grain traits and their inheridity of barley with poly-row-and- branched spike [J].FujianScienceandTechnologyofRiceandWheat,2000,18(S):37.

[15] 沈会权,张英虎,栾海业,等.江苏二棱大麦农艺、籽粒和品质性状的特征及其相关性分析[J].麦类作物学报,2016,36(3):379.

SHEN H Q,ZHANG Y H,LUAN H Y,etal.Characteristics and correlation of the agronomic,grain and quality trait of the two-row barley in Jiangsu [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(3):379.

[16] 邓 婷,陈华萍,蒲至恩,等.北美主要栽培大麦品种农艺性状分析[J].西南农业学报,2009,22(3):563.

DENG T,CHEN H P,PU Z E,etal.analysis of agronomic characters of north american cultivated barley [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalScience,2009,22(3):563.

Spike Characteristics and Difference Analysis on Nine Branched-Spike Mutants of Naked Kernel Barley

SHEN Zhenhui,LI Jingye,CHEN Shengwei,MO Fan,LI Yingqiu,PU Xiongyan,WU Haiyan,HUANG Wenfu,LUO Ping

(College of Agronomy and Biotechnology,Yunnan Agricultural University,Kunming,Yunnan 650201,China)

The mutant with branched-spike is an important germplasm for spike development study in barley. Through the EMS mutation on the mature seeds of Baiqin 7 and consecutive self-propagation of these mutated materials for seven generations,nine mutant lines with branched-spike (Ynbslines) of naked kernel barley were developed successfully. The branched-spike of nineYnbslines can be inherited stably,and the degeneration of multiple-spikes on their main spike are showed in different generations. Every main spike of nineYnbslines has two to five branched spikes,and 10.53±0.53 to 13.23±0.22 multiple spikes. Each branched-spike contains one to three spike nodes,and each multiple-spike contains ten to fifteen florets. SPSS 19.0 was employed to analyze the phenotype difference among different materials on eight spike traits,such as multi-spike number,floret number,grain number per spike,setting percentage,length of spike stem axes,length of spike,number of spike rachis node,100-grain weight,respectively.The partial correlations between these eight traits of the spike in different materials were calculated,too.The results showed that the phenotypic value of eight spike traits show significant difference between different materials. Of these eight traits,the phenotypic value of three spike traits including number of multi-spike,setting percentage,100-grain weight are lower in nineYnbslines than those in mutant parent,but their floret number are all higher than that of mutant parent. All nineYnbslines exhibited less multi-spike,more floret,lower setting percentage and lower 100-grain weight. It showed that there are significant partial correlations between branched-spike and number of multi-spike,grain number per spike,length of spike and 100-grain weight,and correlation coefficients are -0.524,0.584,-0.646,0.418,and -0.563,respectively. NineYnbslines show many characteristics including branched-spike,multi-spike degeneration and more spikelets,which can be valuable materials for spike development study in barley.

Naked kernel barley; Branched-spike mutant; Spike characteristics; Phenotype difference; Partial correlation

时间：2017-01-03

2016-05-30

2016-08-23

国家自然科学基金项目(31660434)；云南省教育厅重点基金项目(A3007944)；云南省教育厅云南高教发展专项(A3008221)

E-mail：1947843434@qq.com

陈升位(E-mail:ynkmcws@126.com)

S512.3；S330

A

1009-1041(2017)01-0066-07

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170103.1626.020.html