3种穗型大麦幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系分析

彭 澎，熊静蕾，陈升位，陈疏影，沈真辉，蔡 聪，李静烨，王新天

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201)

大麦幼穗发育是其形态结构不断分化的持续过程，可分为二棱期、三棱期、内外颍分化期等多个时期[1]。不同大麦品种(系)的幼穗发育进程及其各阶段的持续时间不同，基因型及其与环境的互作对大麦幼穗发育进程及其各阶段的持续时间具有决定性作用，其中基因型是主要的内在决定因素[2-3]。目前，一些与大麦幼穗发育相关的基因被发现，如三联小穗基因Vr[4]、侧小花育性基因[5]、穗分枝基因Prbs[6]等，但大麦幼穗发育的遗传机制仍是一个未解之谜。

大麦幼穗发育遗传机制研究的必要前提是准确判断其发育进程。到目前为止，大多数学者采用离体显微观察诊断大麦幼穗发育进程[7-9]，但该方法直接毁坏了试验材料，并且存在直观性不强、费时费力等不足。研究发现，大麦幼穗发育的不同时期与叶龄具有明显的对应关系，叶龄可作为大麦幼穗发育进程诊断的形态标记[2,7,9-10]，但这种对应关系也受光、温等环境因素的影响[2,8-9]。因此，将幼穗发育的离体显微观察与叶龄变化相结合，有助于对幼穗发育进程进行准确判断。

Ynbs(Yunnan branched-spike,云南穗分枝)株系是课题组利用北青7号成熟种子诱变、结合系统选育创制的裸大麦穗分枝突变体[11-12]。与已报道的f151和Prbs穗分枝突变体及二棱、六棱和多棱普通栽培大麦相比，Ynbs株系具有穗分枝增多、分枝穗变长、小花增多等特性[5,11,13]，是适合大麦穗发育遗传研究的重要材料。目前，Ynbs株系的幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系尚未见报道。本研究以Ynbs株系及其重组自交系，以及萧山二棱紫大麦等3种穗型的9个大麦材料为对象，通过幼穗离体显微检测技术观察幼穗发育进程，分析Ynbs株系的穗分枝发育进程及其与叶龄的对应关系，以期为其幼穗发育进程诊断提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料包括萧山二棱紫大麦、东宁安大麦和萧山白杆二棱大麦等3种穗型的9个大麦材料，其名称、穗型和来源见表1，其中3个Ynbs株系和重组自交系1均为北青7号成熟种子EMS诱变M1单株的连续7代自交株系。

1.2 试验方法

1.2.1 材料种植

于2016年11月9日，将试验材料种植在云南农业大学昆明北市区教学试验农场，采用随机排列设计，每个材料种植3行，每行120株，株、行距分别20和5 cm。其他栽培管理措施与常规大田生产的基本一致。

1.2.2 幼穗分化进程鉴定

参照卢良恕等[1,7]报道的方法鉴定试验材料叶龄和幼穗发育进程。在4叶龄、5叶龄、6叶龄、7叶龄和8叶龄分别随机取各材料的5个单株主茎用于幼穗发育进程观察。观察前，用镊子、解剖针剥出生长锥或幼穗，然后将其置于SZN745体视镜(宁波舜宇仪器有限责任公司销售)下观察、拍照。

表1 试验材料及其编号、名称、穗型和来源Table 1 Information of materials tested in this study

2 结果与分析

2.1 分枝穗型大麦幼穗发育进程及其叶龄的对应关系

各分枝穗型大麦材料不同单株的幼穗分化进程及其与叶龄的对应关系无明显差异。在4叶龄至8叶龄期间，3个Ynbs株系的幼穗分化经历了二棱期、穗分枝原基分化期、内外颖分化期等6个时期(图1)。其中，Ynbs株系1的内外颖分化期较长，雌雄蕊分化期和药隔期较短；Ynbs株系2的雌雄蕊分化期和Ynbs株系3的内外颖分化期均较短；三者的幼穗分化进程在雌蕊柱头二裂期趋于一致(图1A～图1C)。3个Ynbs株系的4叶龄和5叶龄分别对应二棱期和穗分枝原基化期。Ynbs株系1和Ynbs株系2的6叶龄分别对应内外颖分化期，Ynbs株系3对应雌雄蕊分化期。Ynbs株系1的7叶龄时对应内外颖分化期，Ynbs系2和Ynbs株系3穗分枝突变对应药隔形成期。3个株系的8叶龄均对应雌蕊柱头二裂分叉期。3个Ynbs株系的幼穗幼穗发育进程与6叶龄至7叶龄的对应关系差异较大，其中Ynbs株系1的药隔期、Ynbs株系2的雌雄蕊分化期及Ynbs株系3的内外颖分化期与叶龄均没有明显的对应关系。

2.2 二棱大麦幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系

与分枝穗型材料相似，在4叶龄到8叶龄期间3个二棱大麦材料的幼穗分化也经历了二棱期、三联小穗分化期、内外颖分化期等6个时期(图2)。萧山二棱紫大麦和萧山白杆二棱大麦的二棱期较长(图2A、图2C)，内外颖分化期和药隔期较短(图2A、图2C)，但东宁安大麦的雌雄蕊分化期较短(图1B)，三者的幼穗发育在雌蕊柱头二裂期趋于一致(图2A～图2C)。3个二棱大麦材料的4叶龄均对应二棱期，萧山二棱紫大麦和萧山白杆二棱大麦的5叶龄、6叶龄和7叶龄分别对应二棱期、三联小穗分化期和雌雄蕊分化期(图2A～图2C)，东宁安大麦的则分别对应三联小穗分化期、内外颖分化期和药隔期(图2B)。3个二棱大麦材料的幼穗发育进程与5叶龄至7叶龄的对应关系差异较大，其中萧山二棱紫大麦和萧山白杆二棱大麦的4叶龄和5叶龄均对应二棱期，但药隔期与叶龄没有明显对应关系，东宁安大麦的雌雄蕊分化期与叶龄也没有明显对应关系。

2.3 六棱大麦幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系

在4叶龄至8叶龄期间3个六棱大麦材料的幼穗发育进程跨度较大，先后经历了二棱期、三联小穗期、内外颖分化期等7个时期(图3)。重组自交系1和北青7号的药隔期和雌雄蕊分化期以及上虞六棱大麦的内外颖分化期和药隔期均较短(图3A～图3C)，三者的发育进程在雌蕊柱头二裂分叉期和雌蕊柱头毛状突起时期趋于一致(图3中8叶龄)。重组自交系1和北青7号的4叶龄、5叶龄、6叶龄、7叶龄和8叶龄分别对应二棱期、三联小穗分化期、内外颖分化期、雌蕊柱头二裂期和雌蕊柱头毛状突起期(图3A和图3B)，上虞六棱大麦则分别对应二棱期、三联小穗分化期、雌雄蕊分化期、雌蕊柱头二裂期和雌蕊柱头毛状突起期(图3 C)。重组自交系1和北青7号的6叶龄对应内外颖分化期、雌雄蕊分化期和药隔期与叶龄没有明显的对应关系，上虞六棱大麦的7叶龄对应雌雄蕊分化期，其内外颖分化期和药隔期与叶龄没有明显的对应关系。

2.4 不同类型大麦幼穗发育进程及其与叶龄对应关系的比对

与其他两种穗型材料相比，Ynbs株系分枝幼穗的三联小穗原基均被穗分枝原基取代，同时其内外颖分化期、雌雄蕊分化期和药隔期的分化进程及其对应叶龄与其他材料存在差异；萧山二棱紫大麦和萧山白杆二棱大麦材料的二棱期延长，并导致3个二棱大麦的二棱期、三联小穗期、内外颖分化期、雌雄蕊分化期和药隔期及其对应叶龄与其他材料存在差异；六棱大麦材料幼穗的内外颖分化期、雌雄蕊分化期或药隔期缩短，并导致内外颖分化期、雌雄蕊分化期、药隔期、雌蕊柱头二裂期和雌蕊柱头毛状突起及其对应叶龄与其他材料存在差异(图4)。在异穗型材料中只有Ynbs株系2与东宁安大麦的幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系比较接近，在相同叶龄条件下幼穗分化进程差异达到了4个时期(图4)。在同穗型材料中，萧山二棱紫大麦与萧山白杆二棱大麦，以及六棱大麦北青7号与重组自交系1幼穗发育进程及其与叶龄对应关系均比较接近，在相同叶龄条件下，同穗型材料幼穗的发育进程差异小于2个时期(图4)。与异穗型材料相比，同穗型材料的幼穗发育进程及其与叶龄的对应关系差异较小。

图中A、B、C分别表示Ynbs株系1、Ynbs株系2和Ynbs株系3的幼穗发育进程。

A,B and C show the development processes of young spike of Ynbs lines 1,Ynbs line 2 and Ynbs line 3,respectively.

图13个Ynbs株系不同叶龄的幼穗分化进程

Fig.1DevelopmentprocessofyoungspikeofthethreeYnbslinesatdifferentleafage

图中A、B、C分别表示萧山二棱紫大麦、东宁安大麦和萧山白杆二棱大麦的幼穗发育进程。

A,B and C show the development process of young spike of Xiaoshanerlengzidamai,Dongningandamai and Xiaoshanbaiganerlengdamai,respectively.

图23个二棱大麦材料不同叶龄的幼穗分化进程

Fig.2Developmentprocessofyoungspikeofthethreetwo-rowedbarleysatdifferentleafage

3 讨 论

通过幼穗离体显微观察，发现9个大麦材料的幼穗发育先后经历了二棱期、三棱期、内外颖分化期等7个不同的发育阶段，最终形成其特定的二棱、六棱和分枝3种穗型。在3种穗型材料中，二棱穗和六棱穗由三联小穗中侧小穗的育性决定[1,4]，而分枝穗由主穗轴是否生长分枝决定[5,11-13]。大麦三联小穗和穗分枝发育属于幼穗发育的范畴，而且基因型是决定大麦三联小穗[4]和分枝穗[5-6]的主要因素，因此大麦穗型决定与幼穗发育进程的遗传关联性是导致同穗型材料的幼穗发育进程差异小于异穗型材料的主要原因。虽然同穗型材料的幼穗发育进程趋于一致，但同穗型材料间在5叶龄至7叶龄期间也存在不同程度的幼穗发育进程差异，其中3个穗分枝大麦的幼穗发育进程差异较大。宫玉麟等[3,7]发现，早熟3号、浙农12、早熟7号等6个大麦材料的二棱期、三联小穗期、药隔期等7个时期的持续时间分别为3.7叶龄至8.8叶龄、4.9叶龄至9.8叶龄和5.3叶龄至10.0叶龄等，与本研究报道的基本一致。除了穗型外，大麦幼穗发育还与小穗、穗轴和小花等穗部特性的发育有关，同穗型大麦具有小穗、小花或者分枝等不同的次级器官构成要素[1,5,11-12]。大麦小花数、小穗数、穗长等性状属数量性状，其遗传受基因型及其与环境的互作关系控制[5-6,13-16]。因此，同穗型大麦材料幼穗发育进程差异可能与控制大麦穗部次级器官发育的不同基因及其与环境的互作有关。

图中A、B、C分别示重组自交系1、北青7号和上虞六棱大麦的幼穗发育进程。

A,B and C show the development process of young spike of recombinant inbred line 1,Beiqing 7 and Shangyuliulingdamai,respectively.

图3 3个六棱大麦在不同叶龄的幼穗分化进程

在本研究中，9个大麦材料的4叶龄均对应其二棱期，未出现差异，5叶龄、6叶龄7叶龄和8叶龄与幼穗发育进程的对应关系均存在不同程度的差异，同穗型材料的幼穗发育进程与叶龄对应关系的差异程度小于异穗型材料，但9个大麦材料幼穗发育进程与4叶龄至8叶龄的对应关系与宫玉麟等[7-10]的报道基本一致，决定穗部次级器官发育的基因型差异是影响大麦幼穗发育进程与叶龄对应关系的主要因素，因此可在特定试验条件下建立大麦材料幼穗发育进程与叶龄的对应关系。通过对不同材料幼穗发育进程与叶龄对应关系的比对分析，9个大麦材料的4叶龄、5叶龄、6叶龄、7叶龄和8叶龄分别与二棱期等7个不同的幼穗发育阶段对应，但不同材料的内外颖分化期、雌雄蕊分化期、药隔期或雌蕊柱头二裂期的持续时间短，与叶龄没有明显的共性对应关系。

在9个大麦材料中，3个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，是大麦幼穗发育遗传研究的宝贵资源[4,10-11]。通过幼穗离体显微观察，本研究发现，3个Ynbs株系幼穗的二棱期、穗分枝原基分化期和雌蕊柱头二裂期的发育进程基本一致，但内外颖分化期、雌雄蕊分化期和药隔期存在差异，其中穗分枝原基分化期与尚 毅等[14]的结论基本一致。Ynbs株系1的内外颖分化期较长、雌雄蕊分化期和药隔期较短，Ynbs株系2的的药隔期较长、雌雄蕊分化期较短，Ynbs株系3的内外颖分化期较短，3个株系幼穗发育基因的表达模式可能不同。从幼穗发育进程与叶龄的对应关系来看，3个Ynbs株系的4叶龄、5叶龄和8叶龄均分别对应二棱期、穗分枝原基分化期和雌蕊柱头二裂期， 3个叶龄可作为幼穗发育对应时期的形态标记，但其内外颖分化期、雌雄蕊分化期和药隔期与叶龄的对应关系还有待进一步研究。

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