大麦驯化过程中主要性状的改变

大麦驯化过程中主要性状的改变

大麦是小麦、水稻和玉米世界上的第四个主要作物，分布广泛。大麦也是最古老的作物之一,距今约1万年以前就有古人对野生大麦进行选择和驯化的历史证据。人们最初对野生大麦的选择,可能是无意识的环境选择,亦或是有意识的人为选择,主要涉及种子数量的增加、种子发育的改良、种子大小和形状的改变、植物株型的改变、生长周期的变化及种子脱落性改变等方面。随着驯化进程的推进,野生大麦物种转变成了栽培广泛的作物。栽培大麦基因组约为5.5GB,约是水稻基因组(粳稻)(OryzasativaL.)的14倍、拟南芥基因组的45倍。2012年国际大麦基因组测序联盟在《Nature》杂志公布了目前为止最完善的大麦基因组测序图谱。了解大麦的驯化历史,研究驯化中关键性状的相关基因即驯化基因可以为我们进行大麦研究提供宝贵的借鉴。本文综述了大麦主要的驯化性状及其基因,初步反映大麦驯化的分子生物学机制,以期为相关研究提供参考。1大麦驯化的主要特征及其相关基因1.1非脆穗轴基因大麦驯化过程中非脆穗轴性状(Non-brittlerachis)的形成十分重要,它决定了大麦种子的传播机制。大麦小穗分为两种,即脆穗轴和非脆穗轴,脆穗轴的种子易脱落,非脆穗轴的种子不易脱落。从解剖学上来看,大麦小穗从穗轴的着生点上脱落后基部形成典型的楔形,脆穗轴表现为穗轴着生点明显收缩,非脆穗轴着生点则不收缩,结果导致前者脱落的伤痕是光滑的,种子容易脱落,如野生大麦;后者穗轴端部分裂形成粗糙伤疤,种子不易脱落,如栽培大麦。这种种子难脱落的性状更有利于种子的收获,而野生大麦穗轴的脆性有助于籽粒与粗糙的芒一起分散,有利于种子的传播。大麦驯化中最重要的非脆穗轴基因是btr1和btr2。Takahashi等研究表明,两个独立的隐性基因btr1和btr2均能导致非脆穗轴性状。Btr1、Btr2(双显性基因型)是脆穗轴性状,强烈收缩穗轴节点,而一个隐性等位基因如btr1Btr2或Btr1btr2则不会导致穗轴节点的收缩。Komat-suda通过自然突变从脆穗轴的野生祖先中分离出这两个隐性基因,随后发现它们是紧密连锁的,并定位在大麦染色体3HS的短臂上。非脆穗轴基因的隐性特点表明它是Btr1和Btr2基因的功能丧失型突变。目前btr1和btr2基因仍在克隆之中,其中btr1基因已经精细作图到0.84cM的区域。Btr1和Btr2基因存在等位变异。Btr1.a和Btr2.k等位基因在显性基因D(染色体7H)存在时产生脆穗轴,野生大麦的Btr1.h和Btr2.h则不需要D基因便可产生脆穗轴。Komatsu-da等的研究表明,除Btr1和Btr2外脆穗轴还有另外两个染色体5H和7H(D基因)的QTL也会影响脆穗轴性状。Konishi等确定了水稻落粒基因qSH1,它是一个编码BEL1型同源盒的基因,位于水稻1号染色体长臂上。大麦染色体3H和水稻染色体1是共线性的,且JuBel2(即qSH1的大麦同源基因)也作图在大麦染色体3H上。但由于JuBel2和btr1/btr2位于大麦染色体3H不同的臂上,因此JuBel2很可能与大麦btr1/btr2无关。进一步的研究表明,脆穗轴基因定位于大麦属、小麦属、山羊草属、簇毛麦属和偃麦草属的同源族第3条染色体上,但这些基因是否同源仍然需要进一步的确定。1.2侧小穗可育性基因的组成及调节机制大麦的穗结构在小麦族中非常独特,在每个穗轴节点上有3个小穗,即一个中间小穗和两个侧生小穗,特称三联小穗。三联小穗的中间小穗可育;两侧生小穗可育或不育。两侧生小穗不育者为二棱大麦,如野生和二棱栽培大麦;侧生小穗可育者,常为六棱大麦。在大麦的驯化过程中,增加产量最突出的是在中东大麦驯化中出现的六棱穗(Six-rowedspike)。大麦中至少存在5个控制六棱穗表型的独立遗传位点,分别是六棱穗1(vrs1)、六棱穗2(vrs2)、六棱穗3(vrs3)、六棱穗4(vrs4)和六棱穗5(vrs5或int-c)。六棱穗1(vrs1)是一个定位在染色体2HL上的隐性基因。野生大麦为二棱穗表型,含有Vrs1显性等位基因,栽培大麦含有显性Vrs1等位基因或隐性vrs1等位基因,其中六棱穗表型的栽培大麦含有全vrs1隐性等位基因。vrs1.a和vrs1.c等位基因在六棱大麦上也控制侧小穗的芒发育,vrs1.a存在于所有的六棱栽培品种中,侧小穗和中心小穗的芒长度几乎相同,vrs1.c导致侧小穗的外稃上具有芒状的附属物。二棱大麦也有不同的等位基因,Vrs1.p带有尖头侧小穗,Vrs1.b带有圆尖侧小穗,Vrs1.t带有未发育的侧小穗。目前已通过定位克隆分离了六棱穗1(vrs1,HvHox1)基因。野生型二棱大麦的Vrs1等位基因编码一个包括一个紧密连接的亮氨酸拉链的同源结构域的转录因子。Vrs1的表达严格定位于不成熟籽粒的侧小穗原基,表明VRSL蛋白抑制侧小穗的发育,是大麦侧小穗可育性的负调节子。Vrs1基因的功能亏损导致二棱大麦的侧小穗充分发育而完全转化为六棱型。系统发育分析表明,在不同的时间和不同的地区,通过独立的Vrs1突变形成六棱型的反复起源。六棱穗2(vrs2)、六棱穗3(vrs3)和六棱穗4(vrs4)是三个独立的隐性基因,分别定位于染色体5HL、1HL和3HL上,这些基因加强了侧小穗的发育。目前已分离了六棱穗4(Vrs4)基因,它是一个玉米(ZeamaysL.)花序结构基因Ramosa2(RA2)的同源基因。大麦RA2(HvRA2)的十八个编码突变与侧小穗的可育性相关。mRNA原位杂交和基因芯片的表达分析表明,Vrs4(HvRA2)是通过Vrs1(HvHox1)控制棱表型的。此外,Vrs4还可以调节大麦Sisteroframosa3(HvSRA,一个假定的海藻糖-6-磷酸磷酸酶,涉及海藻糖-6-磷酸盐的动态平衡)的转录,以控制小穗的发生。六棱穗5(vrs5或int-c)是位于染色体4HS的一个隐性基因,在许多二棱大麦栽培品种都存在。int-c基因影响了侧小穗的发育程度并产生了一个中间穗型。栽培种中还发现了int-c的两个等位基因int-c.b和Int-c.h。int-c.b阻止侧小穗的花药发育,Int-c.h允许花药发育并偶尔促进侧小穗的种子发育。Vrs1等位基因控制大麦的六棱表型受到中间体-C(Int-C)基因位点的等位基因的修饰。Int-C基因是玉米驯化基因Teo-sinteBranched1(TB1)的同源物,并且大麦TB1的17个编码基因突变与侧小穗的可育性相关。大麦栽培品种中只观察到了vrs1和vrs5/int-c的自然突变,而其他三个六棱穗基因仅在诱导的突变株中发现。六棱大麦的驯化高度依赖于vrs1和vrs5/int-c基因的演变,它们对穗型的影响是彼此对立的,即显性的Vrs1等位基因抑制了侧小穗的发育,而显性的Int-c.h等位基因促进了侧小穗的发育和偶尔的结实。所有六棱栽培大麦中都能观察到隐性vrs1基因,因此推测该基因的隐性突变可能是驯化过程中六棱大麦起源的关键点。1.3选择突变、基因突变与小麦大麦的皮或裸颖果性状(Nakedcaryopsis)是一个重要的农艺性状,它直接与膳食利用有关。大麦的麦粒有两类,一类带稃,另一类不带稃,即裸粒。皮大麦麦粒的颖果与稃壳相粘连,用于饲用和酿造,裸大麦的种子颖果与内外稃分离,便于食用。裸大麦在全世界广泛分布,主要分布于东南亚如中国、韩国和日本,尤其在中国西藏和尼泊尔、印度和巴基斯坦北部等地区分布更多。目前关于大麦籽粒皮裸性状的驯化基因研究较少,只有一个nud基因的报道。单隐性基因nud是一个位于染色体7HL上的控制裸颖果性状的基因,该基因的突变造成颖果与稃的分离。同时研究结果表明,nud基因对大麦的许多性状产生影响,如减少种子数量、降低种子重量等。利用AFLP标记的高密度高分辨率图谱将nud基因划定到0.66cM区域,进一步通过染色体步移技术获得一个跨越nud基因的BAC重叠群(240kb)。Taketa在定位克隆的基础上得出结论认为:nud基因是一个乙烯响应因子(ERF)家族的转录因子基因,裸大麦颖壳的易分离现象是由于nud基因功能受损的突变而造成的。该基因由两个外显子和一个内含子组成,其ORF编码一个227个氨基酸的蛋白质。nud基因是拟南芥WIN1/SHN1转录因子的同源基因,而拟南芥WIN1/SHN1转录因子的功能可能是控制脂质生物合成途径。进一步研究发现,只有皮大麦的果皮表皮存在脂质层,所以皮大麦可能是由于颖果表面与外壳内侧的接触处覆盖脂类,产生器官粘连而形成的,而nud基因则调控该脂质的形成。由于nud基因在外种皮的特异性表达,因此Taketa提出以下假设:Nud蛋白可能激活了外种皮的特殊脂质的产生,脂质合成的中间产物或终产物都通过种皮层运输,并从其表皮分泌至果皮。陈国雄在研究以色列野生大麦抗旱性时发现一个野生大麦角质层基因的自然突变体,即eibi1突变体。该突变体对干旱特别敏感,是目前发现的突变体中离体叶片失水最快的突变体,其对应的野生型基因EIBI1对角质层保水性起主要作用。这个基因被定位在大麦3HS上的一个0.11cM区间内,对这个区间内的候选基因的分析表明,EIBI1是一个ABC转运蛋白基因,这个基因的突变致使个别脂质不能被运出表皮细胞,导致eibi1突变体的角质层破损,不能起到正常的保水作用。由于该突变体为裸粒表型,推测该基因可能涉及导致皮大麦籽粒粘连的脂质转运(未发表)。1.4种子休醉基因的ssd休眠期的长短对于种子传播和栽培区域的广泛性具有重要意义。休眠期过长对栽培大麦种植是不利的,同时在麦芽制造时经济上也不可取;休眠期过短会造成大麦收获前发芽,对于农业种植同样不利。因此在大麦驯化过程中,中等水平的种子休眠期是大麦栽培品种的最佳选择。大麦的种子休眠是一种数量性状,受多个基因、环境因子以及基因与环境相互作用的影响。目前在大麦中报道了许多种子休眠的QTL,其原因可能是不同品系的栽培种有不同的休眠基因。目前主要确认的QTL为SD1和SD2,存在于染色体5H的不同位点。SD1位于染色体5H长臂接近着丝粒的区域,是一个主效的休眠QTL(。研究发现SD1对休眠的影响是最大的。SD1由一个显性基因控制,并已定位在染色体5H的4.4cM区域。SD2位于靠近染色体5H长臂的远末端区域,是另一个已检测到的主效种子休眠QTL,该基因使种子休眠期处于中等水平,所以该基因有可能成为大麦育种中极具利用价值和发展前景的基因。SD2的QTL已精细定位到0.8cM区域。利用大麦和水稻基因共线性研究将编码GA20-氧化酶的A基因确定为SD2的候选基因,但其基因功能还有待证实。1.5vrn/ro充填基因和sgh3几乎所有的野生大麦都是冬性,极少数株系被认为是与春季栽培种的杂交种。大麦分布区扩大的一个先决条件是其生长习性由冬性转为半冬性或春性。大麦主要种植在中纬度地区,包括北非、南欧和亚洲等地区,在大麦驯化过程中对春化要求降低导致大麦种植区的扩大,同时保证了大麦的春播特点,避免了冬季低温对幼苗的损伤。控制大麦春化性状的三个基因sgh1、sgh2、sgh3分别定位在染色体4H、5H和7H上,这三个基因也被称为大麦Vrn-H1(相当于Sgh2)、Vrn-H2(相当于Sgh1)和Vrn-H3(相当于Sgh3)。目前已定位克隆分离了小麦Vrn1、Vrn2和Vrn3基因,它们分别是大麦Sgh2、Sgh1和Sgh3的同源基因,Yan等提出的模型认为Vrn2负调控Vrn1和Vrn3,Vrn2受春化信号的下游调控。春大麦中检测到sgh1、Sgh2和Sgh3,冬大麦中检测到Sgh1,sgh2和sgh3。由于基因间的上位效应,只有一个Sgh1sgh2sgh3基因型显示冬性。目前推测第一个驯化大麦可能是冬性的,Sgh1Sgh2sgh3(I型)的春大麦是由sgh2位点的共线性突变所导致的。对sgh2基因区域的分子生物学分析发现,Sgh2突变是独立多次发生的。类型I中Sgh1和sgh3的突变可能是独立发生的,因为sgh1和Sgh3这两个基因大多与Sgh2的突变有关。其他基因型应该是杂交产生的,但Sgh2的多重起源意味着这可能是一个更复杂的情形。类似的上位作用和图谱定位表明大麦和小麦的春化基因是直系同源的。1.6光周期基因和抗寒性基因大麦的野生祖先对光周期有严格要求,随着大麦的驯化,人类不断对光周期进行选择,这对大麦地理区域的分布产生了重大影响。野生大麦是长日照植物,驯化后春大麦对长日照(LD)不敏感的突变有利于大麦种植扩大到高纬度地区。大麦开花时间是受多基因调控的。大麦中决定长日照响应的主要因子是位于染色体2HS的Ppd-H1基因座。野生大麦在Ppd-H1基因座上含有一个显性等位基因。栽培大麦可分为两类:含有或缺乏该显性等位基因。大麦Ppd-H1基因是一个伪响应调节器(Pseudo-re-sponseregulator,PRR),与水稻的主要光周期响应基因Hd1和Hd3a不同,但很可能是水稻Hd2的同源基因(OsPRR37),与小麦染色体组2的Ppd-1系列基因同源。长日照条件(16h光照)下,Ppd-H1植物比ppd-H1植物提前20d抽穗。ppd-H1的隐性特性表明显性基因Ppd-H1的突变造成了大麦对光周期的响应不敏感。Ppd-H1基因座在长日照下对植物株高、单株产量、分蘖率、穗长、每个分蘖上的穗粒数具有显著的多效性作用,这表明光周期不敏感基因的存在提高了大麦的经济价值。大麦第二个主要的光周期响应基因Ppd-H2已定位于染色体1H的长臂。Ppd-H2在短日照(10h)下导致开花时间的差异显著,但其在长日照(13~16h)下影响不大。大麦中已经发现14个光周期不敏感性基因和突变体,这些基因的不同组合可适应世界各地的大麦生长。大麦光周期对决定开花时间具有重要影响,并且与春化效应有互作效应。春化和光周期敏感性可保持植物处于营养阶段和耐低温基因的表达,从而有助于提高植物的耐低温性。在野生大麦和栽培大麦中,对四个与开花时间有关的基因进行多样性的起源和分布研究发现,野生大麦扩展到欧洲前光周期基因Ppd-H1和Ppd-H2已经发生了等位基因突变,栽培大麦春化基因Vrn-H1和Vrn-H2发生了突变。野生大麦到栽培大麦的过渡是与多个开花时间位点单倍型的加倍相关,由此产生的变异有助于栽培种适应大麦种植时所遇到的不同的生态环境。2水基因发现与育