裸大麦的形成机理研究

大麦是世界上继小麦、水稻和玉米之后的第四大重要谷物。栽培大麦中存在一种独特的"皮/裸"植物学性状，而其它禾本科作物不曾出现，即根据颖壳-颖果是否粘连，大麦可分成皮大麦和裸大麦，国内裸大麦主要分布于青藏高原，又称青稞。本研究的主要内容为：1.从颖壳－颖果界面理化分析入手，以裸大麦突变体nud、eibi1及其野生型等为研究材料分析裸大麦形成的物理结构与化学组成，阐明裸大麦形成的理化基础；2.利用TILLING(靶向筛选基因组局部点突变)技术筛选根据裸大麦的形成机理预测的裸大麦突变体；3. 以具裸大麦表型的突变体nud、eibi1及其野生型等为研究材料分析其相应基因的表达，探讨裸大麦形成的分子机理。

大麦的驯化性状-“皮/裸”植物学性状，即根据颖壳与颖果是否粘连分为皮大麦和裸大麦，其中青稞（裸大麦）是青藏高原一种重要的传统粮食作物，在青藏高原具有悠久的栽培历史。本研究是在假设涉及皮裸性状形成的三类相关基因（脂质调控基因、脂质转运基因、脂质合成基因）的基础上，解析裸大麦形成的分子机理。以野生型皮大麦、裸大麦（青稞）及cer突变体等为研究材料，采用电镜及气质（GC-MS）分析方法，分析皮裸性状形成的理化基础。结果表明，皮大麦的颖壳与颖果果皮紧密结合，其结合界面处存在涉及角质层的器官融合现象；裸大麦颖果的颖壳与果皮间没有结合，二者处于离散状态。利用RNA-seq转录组测序技术，以青稞品种“肚里黄”和皮大麦标准品种“Morex”为研究材料，进行皮裸相关候选基因的筛选及表达研究。结果表明，大多数差异表达基因与皮裸性状并不相关，以大麦研究中已知的角质层脂质合成相关基因为基础，从表达差异基因（DEGs）中筛选出了与大麦皮裸性状形成相关的基因，共发现12个脂质合成相关基因、3个脂质调控基因、2个脂质转运基因和1个功能未知基因。同时采用同位素标记定量（iTRAQ）技术开展差异蛋白组定量分析及转录组关联研究，共鉴定到4293个蛋白，其中231个差异蛋白（81个差异蛋白上调，130个差异蛋白下调），主要涉及营养物质的转运、积累和合成调控机制，但与裸大麦形成基本无关。进一步采用定量PCR方法和生物信息学分析，从筛选的基因中确定了FDH基因（脂质合成相关基因），借助德国IPK研究所研究平台开展TILLING研究工作，获得该基因突变体。在以上研究结果的基础上，初步提出皮裸大麦形成的分子调控机制：在皮大麦颖果中，NUD可能下调SHN1，SHN1进一步下调角质相关基因（GPAT6, GPAT8, LACS2, LCR, HTH, FDH1, WAX2, WBC11 和ATT1）的表达，形成酥松而有渗透性的角质层，从而引起皮大麦颖壳-果皮的器官融合。在裸大麦颖果中，由于NUD下调，导致SHN1和MYB96上调，进而上调角质层合成相关基因，形成致密的功能性角质层，起到分界及保护作用。因此，我们认为裸大麦（青稞）中缺陷的NUD不能形成酥松而有渗透性的角质层，颖壳-果皮不融合而离散，故产生裸大麦表型。