大麥馴化過程中主要性狀的改變

大麥馴化過程中主要性狀的改變

大麥是小麥、水稻和玉米世界上的第四個主要作物，分布廣泛。大麥也是最古老的作物之一,距今約1萬年以前就有古人對野生大麥進行選擇和馴化的歷史證據(jù)。人們最初對野生大麥的選擇,可能是無意識的環(huán)境選擇,亦或是有意識的人為選擇,主要涉及種子數(shù)量的增加、種子發(fā)育的改良、種子大小和形狀的改變、植物株型的改變、生長周期的變化及種子脫落性改變等方面。隨著馴化進程的推進,野生大麥物種轉(zhuǎn)變成了栽培廣泛的作物。栽培大麥基因組約為5.5GB,約是水稻基因組(粳稻)(OryzasativaL.)的14倍、擬南芥基因組的45倍。2012年國際大麥基因組測序聯(lián)盟在《Nature》雜志公布了目前為止最完善的大麥基因組測序圖譜。了解大麥的馴化歷史,研究馴化中關鍵性狀的相關基因即馴化基因可以為我們進行大麥研究提供寶貴的借鑒。本文綜述了大麥主要的馴化性狀及其基因,初步反映大麥馴化的分子生物學機制,以期為相關研究提供參考。1大麥馴化的主要特征及其相關基因1.1非脆穗軸基因大麥馴化過程中非脆穗軸性狀(Non-brittlerachis)的形成十分重要,它決定了大麥種子的傳播機制。大麥小穗分為兩種,即脆穗軸和非脆穗軸,脆穗軸的種子易脫落,非脆穗軸的種子不易脫落。從解剖學上來看,大麥小穗從穗軸的著生點上脫落后基部形成典型的楔形,脆穗軸表現(xiàn)為穗軸著生點明顯收縮,非脆穗軸著生點則不收縮,結果導致前者脫落的傷痕是光滑的,種子容易脫落,如野生大麥;后者穗軸端部分裂形成粗糙傷疤,種子不易脫落,如栽培大麥。這種種子難脫落的性狀更有利于種子的收獲,而野生大麥穗軸的脆性有助于籽粒與粗糙的芒一起分散,有利于種子的傳播。大麥馴化中最重要的非脆穗軸基因是btr1和btr2。Takahashi等研究表明,兩個獨立的隱性基因btr1和btr2均能導致非脆穗軸性狀。Btr1、Btr2(雙顯性基因型)是脆穗軸性狀,強烈收縮穗軸節(jié)點,而一個隱性等位基因如btr1Btr2或Btr1btr2則不會導致穗軸節(jié)點的收縮。Komat-suda通過自然突變從脆穗軸的野生祖先中分離出這兩個隱性基因,隨后發(fā)現(xiàn)它們是緊密連鎖的,并定位在大麥染色體3HS的短臂上。非脆穗軸基因的隱性特點表明它是Btr1和Btr2基因的功能喪失型突變。目前btr1和btr2基因仍在克隆之中,其中btr1基因已經(jīng)精細作圖到0.84cM的區(qū)域。Btr1和Btr2基因存在等位變異。Btr1.a和Btr2.k等位基因在顯性基因D(染色體7H)存在時產(chǎn)生脆穗軸,野生大麥的Btr1.h和Btr2.h則不需要D基因便可產(chǎn)生脆穗軸。Komatsu-da等的研究表明,除Btr1和Btr2外脆穗軸還有另外兩個染色體5H和7H(D基因)的QTL也會影響脆穗軸性狀。Konishi等確定了水稻落?；騫SH1,它是一個編碼BEL1型同源盒的基因,位于水稻1號染色體長臂上。大麥染色體3H和水稻染色體1是共線性的,且JuBel2(即qSH1的大麥同源基因)也作圖在大麥染色體3H上。但由于JuBel2和btr1/btr2位于大麥染色體3H不同的臂上,因此JuBel2很可能與大麥btr1/btr2無關。進一步的研究表明,脆穗軸基因定位于大麥屬、小麥屬、山羊草屬、簇毛麥屬和偃麥草屬的同源族第3條染色體上,但這些基因是否同源仍然需要進一步的確定。1.2側(cè)小穗可育性基因的組成及調(diào)節(jié)機制大麥的穗結構在小麥族中非常獨特,在每個穗軸節(jié)點上有3個小穗,即一個中間小穗和兩個側(cè)生小穗,特稱三聯(lián)小穗。三聯(lián)小穗的中間小穗可育;兩側(cè)生小穗可育或不育。兩側(cè)生小穗不育者為二棱大麥,如野生和二棱栽培大麥;側(cè)生小穗可育者,常為六棱大麥。在大麥的馴化過程中,增加產(chǎn)量最突出的是在中東大麥馴化中出現(xiàn)的六棱穗(Six-rowedspike)。大麥中至少存在5個控制六棱穗表型的獨立遺傳位點,分別是六棱穗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)是一個定位在染色體2HL上的隱性基因。野生大麥為二棱穗表型,含有Vrs1顯性等位基因,栽培大麥含有顯性Vrs1等位基因或隱性vrs1等位基因,其中六棱穗表型的栽培大麥含有全vrs1隱性等位基因。vrs1.a和vrs1.c等位基因在六棱大麥上也控制側(cè)小穗的芒發(fā)育,vrs1.a存在于所有的六棱栽培品種中,側(cè)小穗和中心小穗的芒長度幾乎相同,vrs1.c導致側(cè)小穗的外稃上具有芒狀的附屬物。二棱大麥也有不同的等位基因,Vrs1.p帶有尖頭側(cè)小穗,Vrs1.b帶有圓尖側(cè)小穗,Vrs1.t帶有未發(fā)育的側(cè)小穗。目前已通過定位克隆分離了六棱穗1(vrs1,HvHox1)基因。野生型二棱大麥的Vrs1等位基因編碼一個包括一個緊密連接的亮氨酸拉鏈的同源結構域的轉(zhuǎn)錄因子。Vrs1的表達嚴格定位于不成熟籽粒的側(cè)小穗原基,表明VRSL蛋白抑制側(cè)小穗的發(fā)育,是大麥側(cè)小穗可育性的負調(diào)節(jié)子。Vrs1基因的功能虧損導致二棱大麥的側(cè)小穗充分發(fā)育而完全轉(zhuǎn)化為六棱型。系統(tǒng)發(fā)育分析表明,在不同的時間和不同的地區(qū),通過獨立的Vrs1突變形成六棱型的反復起源。六棱穗2(vrs2)、六棱穗3(vrs3)和六棱穗4(vrs4)是三個獨立的隱性基因,分別定位于染色體5HL、1HL和3HL上,這些基因加強了側(cè)小穗的發(fā)育。目前已分離了六棱穗4(Vrs4)基因,它是一個玉米(ZeamaysL.)花序結構基因Ramosa2(RA2)的同源基因。大麥RA2(HvRA2)的十八個編碼突變與側(cè)小穗的可育性相關。mRNA原位雜交和基因芯片的表達分析表明,Vrs4(HvRA2)是通過Vrs1(HvHox1)控制棱表型的。此外,Vrs4還可以調(diào)節(jié)大麥Sisteroframosa3(HvSRA,一個假定的海藻糖-6-磷酸磷酸酶,涉及海藻糖-6-磷酸鹽的動態(tài)平衡)的轉(zhuǎn)錄,以控制小穗的發(fā)生。六棱穗5(vrs5或int-c)是位于染色體4HS的一個隱性基因,在許多二棱大麥栽培品種都存在。int-c基因影響了側(cè)小穗的發(fā)育程度并產(chǎn)生了一個中間穗型。栽培種中還發(fā)現(xiàn)了int-c的兩個等位基因int-c.b和Int-c.h。int-c.b阻止側(cè)小穗的花藥發(fā)育,Int-c.h允許花藥發(fā)育并偶爾促進側(cè)小穗的種子發(fā)育。Vrs1等位基因控制大麥的六棱表型受到中間體-C(Int-C)基因位點的等位基因的修飾。Int-C基因是玉米馴化基因Teo-sinteBranched1(TB1)的同源物,并且大麥TB1的17個編碼基因突變與側(cè)小穗的可育性相關。大麥栽培品種中只觀察到了vrs1和vrs5/int-c的自然突變,而其他三個六棱穗基因僅在誘導的突變株中發(fā)現(xiàn)。六棱大麥的馴化高度依賴于vrs1和vrs5/int-c基因的演變,它們對穗型的影響是彼此對立的,即顯性的Vrs1等位基因抑制了側(cè)小穗的發(fā)育,而顯性的Int-c.h等位基因促進了側(cè)小穗的發(fā)育和偶爾的結實。所有六棱栽培大麥中都能觀察到隱性vrs1基因,因此推測該基因的隱性突變可能是馴化過程中六棱大麥起源的關鍵點。1.3選擇突變、基因突變與小麥大麥的皮或裸穎果性狀(Nakedcaryopsis)是一個重要的農(nóng)藝性狀,它直接與膳食利用有關。大麥的麥粒有兩類,一類帶稃,另一類不帶稃,即裸粒。皮大麥麥粒的穎果與稃殼相粘連,用于飼用和釀造,裸大麥的種子穎果與內(nèi)外稃分離,便于食用。裸大麥在全世界廣泛分布,主要分布于東南亞如中國、韓國和日本,尤其在中國西藏和尼泊爾、印度和巴基斯坦北部等地區(qū)分布更多。目前關于大麥籽粒皮裸性狀的馴化基因研究較少,只有一個nud基因的報道。單隱性基因nud是一個位于染色體7HL上的控制裸穎果性狀的基因,該基因的突變造成穎果與稃的分離。同時研究結果表明,nud基因?qū)Υ篼湹脑S多性狀產(chǎn)生影響,如減少種子數(shù)量、降低種子重量等。利用AFLP標記的高密度高分辨率圖譜將nud基因劃定到0.66cM區(qū)域,進一步通過染色體步移技術獲得一個跨越nud基因的BAC重疊群(240kb)。Taketa在定位克隆的基礎上得出結論認為:nud基因是一個乙烯響應因子(ERF)家族的轉(zhuǎn)錄因子基因,裸大麥穎殼的易分離現(xiàn)象是由于nud基因功能受損的突變而造成的。該基因由兩個外顯子和一個內(nèi)含子組成,其ORF編碼一個227個氨基酸的蛋白質(zhì)。nud基因是擬南芥WIN1/SHN1轉(zhuǎn)錄因子的同源基因,而擬南芥WIN1/SHN1轉(zhuǎn)錄因子的功能可能是控制脂質(zhì)生物合成途徑。進一步研究發(fā)現(xiàn),只有皮大麥的果皮表皮存在脂質(zhì)層,所以皮大麥可能是由于穎果表面與外殼內(nèi)側(cè)的接觸處覆蓋脂類,產(chǎn)生器官粘連而形成的,而nud基因則調(diào)控該脂質(zhì)的形成。由于nud基因在外種皮的特異性表達,因此Taketa提出以下假設:Nud蛋白可能激活了外種皮的特殊脂質(zhì)的產(chǎn)生,脂質(zhì)合成的中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物都通過種皮層運輸,并從其表皮分泌至果皮。陳國雄在研究以色列野生大麥抗旱性時發(fā)現(xiàn)一個野生大麥角質(zhì)層基因的自然突變體,即eibi1突變體。該突變體對干旱特別敏感,是目前發(fā)現(xiàn)的突變體中離體葉片失水最快的突變體,其對應的野生型基因EIBI1對角質(zhì)層保水性起主要作用。這個基因被定位在大麥3HS上的一個0.11cM區(qū)間內(nèi),對這個區(qū)間內(nèi)的候選基因的分析表明,EIBI1是一個ABC轉(zhuǎn)運蛋白基因,這個基因的突變致使個別脂質(zhì)不能被運出表皮細胞,導致eibi1突變體的角質(zhì)層破損,不能起到正常的保水作用。由于該突變體為裸粒表型,推測該基因可能涉及導致皮大麥籽粒粘連的脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(未發(fā)表)。1.4種子休醉基因的ssd休眠期的長短對于種子傳播和栽培區(qū)域的廣泛性具有重要意義。休眠期過長對栽培大麥種植是不利的,同時在麥芽制造時經(jīng)濟上也不可取;休眠期過短會造成大麥收獲前發(fā)芽,對于農(nóng)業(yè)種植同樣不利。因此在大麥馴化過程中,中等水平的種子休眠期是大麥栽培品種的最佳選擇。大麥的種子休眠是一種數(shù)量性狀,受多個基因、環(huán)境因子以及基因與環(huán)境相互作用的影響。目前在大麥中報道了許多種子休眠的QTL,其原因可能是不同品系的栽培種有不同的休眠基因。目前主要確認的QTL為SD1和SD2,存在于染色體5H的不同位點。SD1位于染色體5H長臂接近著絲粒的區(qū)域,是一個主效的休眠QTL(。研究發(fā)現(xiàn)SD1對休眠的影響是最大的。SD1由一個顯性基因控制,并已定位在染色體5H的4.4cM區(qū)域。SD2位于靠近染色體5H長臂的遠末端區(qū)域,是另一個已檢測到的主效種子休眠QTL,該基因使種子休眠期處于中等水平,所以該基因有可能成為大麥育種中極具利用價值和發(fā)展前景的基因。SD2的QTL已精細定位到0.8cM區(qū)域。利用大麥和水稻基因共線性研究將編碼GA20-氧化酶的A基因確定為SD2的候選基因,但其基因功能還有待證實。1.5vrn/ro充填基因和sgh3幾乎所有的野生大麥都是冬性,極少數(shù)株系被認為是與春季栽培種的雜交種。大麥分布區(qū)擴大的一個先決條件是其生長習性由冬性轉(zhuǎn)為半冬性或春性。大麥主要種植在中緯度地區(qū),包括北非、南歐和亞洲等地區(qū),在大麥馴化過程中對春化要求降低導致大麥種植區(qū)的擴大,同時保證了大麥的春播特點,避免了冬季低溫對幼苗的損傷?？刂拼篼湸夯誀畹娜齻€基因sgh1、sgh2、sgh3分別定位在染色體4H、5H和7H上,這三個基因也被稱為大麥Vrn-H1(相當于Sgh2)、Vrn-H2(相當于Sgh1)和Vrn-H3(相當于Sgh3)。目前已定位克隆分離了小麥Vrn1、Vrn2和Vrn3基因,它們分別是大麥Sgh2、Sgh1和Sgh3的同源基因,Yan等提出的模型認為Vrn2負調(diào)控Vrn1和Vrn3,Vrn2受春化信號的下游調(diào)控。春大麥中檢測到sgh1、Sgh2和Sgh3,冬大麥中檢測到Sgh1,sgh2和sgh3。由于基因間的上位效應,只有一個Sgh1sgh2sgh3基因型顯示冬性。目前推測第一個馴化大麥可能是冬性的,Sgh1Sgh2sgh3(I型)的春大麥是由sgh2位點的共線性突變所導致的。對sgh2基因區(qū)域的分子生物學分析發(fā)現(xiàn),Sgh2突變是獨立多次發(fā)生的。類型I中Sgh1和sgh3的突變可能是獨立發(fā)生的,因為sgh1和Sgh3這兩個基因大多與Sgh2的突變有關。其他基因型應該是雜交產(chǎn)生的,但Sgh2的多重起源意味著這可能是一個更復雜的情形。類似的上位作用和圖譜定位表明大麥和小麥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麥的野生祖先對光周期有嚴格要求,隨著大麥的馴化,人類不斷對光周期進行選擇,這對大麥地理區(qū)域的分布產(chǎn)生了重大影響。野生大麥是長日照植物,馴化后春大麥對長日照(LD)不敏感的突變有利于大麥種植擴大到高緯度地區(qū)。大麥開花時間是受多基因調(diào)控的。大麥中決定長日照響應的主要因子是位于染色體2HS的Ppd-H1基因座。野生大麥在Ppd-H1基因座上含有一個顯性等位基因。栽培大麥可分為兩類:含有或缺乏該顯性等位基因。大麥Ppd-H1基因是一個偽響應調(diào)節(jié)器(Pseudo-re-sponseregulator,PRR),與水稻的主要光周期響應基因Hd1和Hd3a不同,但很可能是水稻Hd2的同源基因(OsPRR37),與小麥染色體組2的Ppd-1系列基因同源。長日照條件(16h光照)下,Ppd-H1植物比ppd-H1植物提前20d抽穗。ppd-H1的隱性特性表明顯性基因Ppd-H1的突變造成了大麥對光周期的響應不敏感。Ppd-H1基因座在長日照下對植物株高、單株產(chǎn)量、分蘗率、穗長、每個分蘗上的穗粒數(shù)具有顯著的多效性作用,這表明光周期不敏感基因的存在提高了大麥的經(jīng)濟價值。大麥第二個主要的光周期響應基因Ppd-H2已定位于染色體1H的長臂。Ppd-H2在短日照(10h)下導致開花時間的差異顯著,但其在長日照(13~16h)下影響不大。大麥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)14個光周期不敏感性基因和突變體,這些基因的不同組合可適應世界各地的大麥生長。大麥光周期對決定開花時間具有重要影響,并且與春化效應有互作效應。春化和光周期敏感性可保持植物處于營養(yǎng)階段和耐低溫基因的表達,從而有助于提高植物的耐低溫性。在野生大麥和栽培大麥中,對四個與開花時間有關的基因進行多樣性的起源和分布研究發(fā)現(xiàn),野生大麥擴展到歐洲前光周期基因Ppd-H1和Ppd-H2已經(jīng)發(fā)生了等位基因突變,栽培大麥春化基因Vrn-H1和Vrn-H2發(fā)生了突變。野生大麥到栽培大麥的過渡是與多個開花時間位點單倍型的加倍相關,由此產(chǎn)生的變異有助于栽培種適應大麥種植時所遇到的不同的生態(tài)環(huán)境。2水基因發(fā)現(xiàn)與育