染色体重组材料创制及外源基因在小麦背景中表达研究

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1、分 类 号：S512.1 单位代码：10183研究生学号： 2021861008 密 级：公开 吉 林 大 学博士学位论文 小-大麦2H染色体重组材料创制及外源基因在小麦背景中表达研究Development of wheat-barley chromosome 2H recombination lines and research on expression of alien genes in wheat background 作者姓名： 邹宏达专 业： 植物学研究方向： 植物种质资源与利用指导教师： 原亚萍 教授培养单位： 植物科学学院2021年12月小-大麦2H染色体重组材料创制及外源基因

2、在小麦背景中表达研究 Development of wheat-barley chromosome 2H recombination lines and research on expression of alien genes in wheat background 作者姓名：邹宏达专业名称：植物学指导教师：原亚萍 教授学位类别：理学博士论文辩论日期： 年 月 日授予学位日期： 年 月 日辩论委员会主席：论 文 评 阅 人：本研究由国家自然科学基金工程(30571152)资助This research was supported by the National Basic Research

3、of China (NO.30571152).未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或局部内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用但纯学术性使用不在此限。否那么，应承当侵权的法律责任。吉林大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。 学位论文

4、作者签名：日期： 年 月 日?中国优秀博硕士学位论文全文数据库?投稿声明研究生院：本人同意?中国优秀博硕士学位论文全文数据库?出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊光盘版电子杂志社的?中国优秀博硕士学位论文全文数据库?投稿，希望?中国优秀博硕士学位论文全文数据库?给予出版，并同意在?中国博硕士学位论文评价数据库?和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：硕士 博士 学科专业：植物学论文题目：小-大麦2H染色体重组材料创制及外源基因在小麦背景中表达研究作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 作者 ： 作者联系 ：摘 要小-大麦2H染色体重组材料创

5、制及外源基因在小麦背景中表达研究小麦Triticum aestivum L.，2n = 6 = 42和大麦Hordeum vulgare L.，2n = 2 = 14)是世界上两大重要的麦类作物，通过小麦和大麦的远缘杂交，可以将大麦的优良基因及其相应性状导入小麦，如早熟、耐生物和非生物胁迫及各种品质性状。小麦成熟期穗发芽是一种世界性自然灾害，穗发芽时小麦-淀粉酶活性提高，对胚乳中淀粉分解能力增强，不仅影响小麦产量，而且还会影响小麦的营养品质和加工品质。位于大麦2H染色体长臂上的Isa基因所编码的大麦-淀粉酶抑制蛋白BASIbifunctional -amylase/subtilisin inh

6、ibitor，可以通过与小麦-淀粉酶相结合而抑制其活性，从而降低小麦穗发芽的危害，提升小麦品质。本研究通过郑麦9023，CB037，中麦16等小麦品种与小-大麦2H染色体异代换系2H(2A)及2H(2B)的杂种幼胚组织培养，经愈伤组织诱导、继代、分化的途径最终获得522株结实的SC1代再生植株。以大麦Betzes、小麦CS、小-大麦2H染色体异附加系、一整套小-大麦2H染色体异代换系2H(2A)、2H(2B)和2H(2D)为材料共筛选出10对分别位大麦2H染色体短臂和长臂的大麦2H染色体特异SSR分子标记。通过大麦第二局部同源群特异SSR分子标记，对组培SC1代再生植株及其自交后代SC2-5代

7、植株进行逐代筛选，以追踪和鉴定大麦2H染色体。通过以大麦Betzes基因组DNA为探针、小麦CS基因组DNA为封阻的基因组原位杂交对局部SC4及SC5植株进行进一步验证，最终获得了携带有大麦2HL染色体的杂合易位、纯合易位、单端体、双端体及单等臂体遗传材料。经大麦Isa基因特异引物进行PCR验证，以上这些材料均携带Isa基因。对小-大麦2HL染色体杂合易位系32-4-9，32-4-18及纯合易位系32-4-11花粉母细胞减数分裂I中期的染色体构型进行检测，说明杂合易位系和纯合易位系染色体配对正常，细胞学上遗传稳定。在将外源种质转移至小麦遗传背景的过程中，会引起小麦基因组结构及基因表达的广泛遗传

8、变异。为了了解由大麦2H染色体导入而引起的小麦基因组结构的变异，采用荧光AFLP对大麦Betzes，小麦CS, 小-大麦2H异附加系，小-大麦2H异代换系2H(2A)、2H(2B)、2H(2D)这一整套材料进行分析。64对引物组合在大麦中获得了3157个条带，在其它材料中获得了4736个条带。AFLP扩增类型说明，附加系中检测到了消减和激活位点，而代换系基因组结构几乎无变化。同时还检测到了多条大麦2H染色体及小麦2A、2B、2D染色体特异的AFLP片段，经回收测序后，将AFLP分子标记转换成STS分子标记并进行验证，共获得2条大麦2H染色体特异的AFLP-STS分子标记，小麦2A、2B、2D染

9、色体特异的AFLP-STS分子标记各1条。为了了解由大麦2H染色体导入而引起的小麦基因组的表观遗传学变异，在荧光AFLP检测的根底上构建了荧光MSAP检测体系，对大麦Betzes，小麦CS, 小-大麦2H异附加系，小-大麦2H异代换系2H(2A)、2H(2B)、2H(2D)这一整套材料的基因组甲基化模式进行分析。MSAP结果说明，大麦2H染色体导入引起了小麦基因组的甲基化变异，同时大麦2H染色体本身也检测到了甲基化的升高。为了了解由大麦2H染色体导入所引起的基因表达差异，通过荧光cDNA-AFLP对大麦Betzes，小麦CS, 小-大麦2H异附加系，小-大麦2H异代换系2H(2A)、2H(2B

10、)、2H(2D)这一整套材料进行了基因表达差异分析，别离和克隆了大量差异表达基因，并初步确定了大麦2H染色体在小麦基因背景中的表达模式。通过iTRAQ技术来了解由大麦2H染色体导入所引起的蛋白表达差异，尝试对以上材料进行差异蛋白质组学分析，目前为止，共鉴定出589个蛋白。关键词：小麦，大麦，2H染色体，易位系，分子标记，基因表达AbstractDevelopment of wheat-barley chromosome 2H recombination lines and research on expression patterns of alien genes in wheat genet

11、ic backgroundWheat (Triticum aestivum L., 2n = 6 = 42) and barley (Hordeum vulgare L., 2n = 2 = 14) are two of the most important cereal crops worldwide. The hybridization of wheat and barley makes it possible to transfer desirable genes and traits, such as earliness, tolerance to biotic and abiotic

12、 stresses, and various nutritional parameters, from barley to wheat.The wheat pre-harvest sprouting is a worldwide natural disaster. In the course of high activity of -amylase, pre-harvest sprouting can not only result in a great decrease in wheat yield, but also dramatically degrade the nutritional

13、 and processing quality of the seeds. The bifunctional -amylase/subtilisin inhibitor (BASI) encoded by the Isa gene on barley chromosome 2HL could inhibit wheat -amylase activity by reducing pre-harvest sprouting and improving the quality of wheat. Regenerated plants were derived from immature embry

14、o culture of hybrids of common wheat varieties Zhengmai 9023, CB037 and Zhongmai 16 with the wheat-barley 2H alien substituion lines 2H(2A) and 2H(2B) after callus induction, subculture and differentiation. 10 SSR molecular markers specific to barley chromosome 2H located on short arm and long arm w

15、ere selected from barley Betzes, wheat CS, wheat-barley 2H addition line, wheat-barley 2H substitution line 2H(A), 2H(2B) and 2H(2D). The presence of barley 2H chromatin was detected in regenerated plants (SC1) and their selfed progenies (SC2-5) using homoeologous group 2 SSR markers from barley, an

16、d further identified in selected SC4 and SC5 lines using genomic in situ hybridization with barley genomic DNA as probe and CS genomic DNA for blocking. The Isa gene from the identified SC4 and SC5 lines was also amplified using Isa specific primers. We identified wheat-barley 2HL chromosome heteroz

17、ygous translocation lines, a homozygous translocation lines, monotelosomic lines, ditelosomic lines, and an isochromosome line carring the Isa gene. Metaphase I pairing of line 32-4-9, line 32-4-18, line 32-4-11 indicated that both the wheat-barley 2HL chromosome heterozygous translocation line and

18、homozygous translocation line should regularly disjoin and be stable in cytology.During the process of alien germplasm introduced into wheat genetic backgroud, extensive genetic variations of genome structure and gene expression could be induced in wheat. To understand genetic changes associated wit

19、h introduction of barely chromosome 2H into wheat genome, a set of barley Betzes, wheat CS, wheat-barley 2H addition line, wheat-barley 2H substitution line 2H(A), 2H(2B) and 2H(2D) were analyzed by fluorescence AFLP. Using 64 primer combinations, 3157 bands were obtained in barley and 4736 bands in

20、 other materials. AFLP amplification patterns indicated that elimination bands and novel bands were detected in addition line, but on genome variation were dectected in substitution lines. Several AFLP bands specific to chromosome 2H, 2A, 2B, 2D were recoveried and sequenced respectively, for STS pr

21、imers design. Finally, 2 AFLP-STS molecular markers specific to barley chromosome 2H and 1 AFLP-STS molecular markers specific to each one of wheat chromosome 2A, 2B, 2D were established.To understand epigenetic variations associated with introduction of barely chromosome 2H into wheat genome, fluor

22、escence MSAP detection system was constructed based on fluorescence AFLP, for the methylation patterns detection of a set of barley Betzes, wheat CS, wheat-barley 2H addition line, wheat-barley 2H substitution line 2H(A), 2H(2B) and 2H(2D) . The results that methylation variations were detected in w

23、heat and the methylation extent increased in barley chromosome 2H.To understand gene expression characteristics associated with introduction of barely chromosome 2H, we used the fluorescence cDNA-AFLP to analyse the different expression of a set of barley Betzes, wheat CS, wheat-barley 2H addition l

24、ine, wheat-barley 2H substitution line 2H(A), 2H(2B) and 2H(2D) . A large number of differentially expressed genes were isolated and express patterns of barley 2H chromosome were confirmed In order to understand the protein expression differences associated with introduction of barely chromosome 2H,

25、 iTRAQ technology was used for differential proteomics analysis for above materials, and a total of 589 proteins were identified.Key words: Wheat, Barley, chromosome 2H, translocation line, molecular markers, gene expression目 录英文缩写词I第1章 文献综述11.1 小麦穗发芽11.1.1 小麦穗发芽的危害11.1.2 影响小麦穗发芽的因素21.2 大麦-淀粉酶抑制蛋白51

26、.2.1 大麦-淀粉酶抑制蛋白结构特点和功能51.2.2 大麦-淀粉酶抑制蛋白的时空表达及影响因素51.2.3 大麦-淀粉酶抑制蛋白的作用机制61.2.4 大麦-淀粉酶抑制蛋白的应用前景71.3 大麦有益基因向普通小麦的导入71.4 小麦背景中大麦染色体的鉴定121.4.1 基因组水平121.4.2 表观遗传学水平151.4.3 转录水平171.4.4 蛋白质水平191.5 研究目的和意义22第2章 小-大麦2H染色体重组材料创制与鉴定232.1 实验材料232.2 实验方法232.2.1 杂交组合配制232.2.2 幼胚组织培养232.2.3 基因组DNA提取、纯化与浓度测定小量提取242.

27、2.4 SSR分子标记252.2.5 基因组原位杂交292.2.6 Isa基因特异分子标记332.2.7 花粉母细胞染色体构型332.3 结果与分析342.3.1 小-大麦重组材料创制342.3.2 大麦2H染色体特异SSR分子标记342.3.3 SSR分子标记鉴定筛选筛选重组材料352.3.4 基因组原位杂交382.3.5 Isa基因特异分子标记分析402.3.6 花粉母细胞减数分裂I中期染色体构型分析402.3.7 易位系农艺性状412.4 讨论422.4.1 组织培养与易位系选育422.4.2 SSR分子标记和基因组原位杂交相结合鉴定筛选易位系432.4.3 小-大麦易位系的利用价值44

28、第3章 小麦遗传背景中大麦2H染色体基因组结构分析453.1 实验材料453.2 实验方法453.2.1 基因组DNA提取、纯化与浓度测定大量提取453.2.2 AFLP分析荧光标记检测463.2.3 AFLP分析银染检测503.2.4 差异片段回收、克隆523.2.5 差异片段序列分析及同源性比拟573.2.6 AFLP-STS分子标记的设计与验证573.3 结果与分析583.3.1 AFLP荧光检测583.3.2 AFLP银染检测603.3.3 AFLP扩增类型613.3.4 AFLP-STS分子标记的设计和验证633.4 讨论653.4.1 AFLP荧光检测同AFLP银染检测比拟653.

29、4.2 大麦2H染色体导入小麦背景中后的基因组结构变异663.4.3 AFLP分子标记转化STS分子标记68第4章 小麦遗传背景中大麦2H染色体基因组甲基化分析754.1 实验材料754.2 实验方法754.2.1 基因组DNA提取、纯化与浓度测定大量提取754.2.2 MSAP分析荧光标记检测754.2.3 MSAP分析非荧光标记检测784.2.4 差异片段回收、克隆804.2.5 差异片段序列分析及同源性比拟804.3 结果与分析804.3.1 MSAP荧光检测804.3.2 MSAP扩增类型824.3.3 MSAP差异片段回收、测序与同源性分析844.4 讨论86第5章 小麦遗传背景中大

30、麦2H染色体基因组表达分析915.1 实验材料915.2 实验方法915.2.1 实验材料处理915.2.2 总RNA提取915.2.3 cDNA第一链合成925.2.4 cDNA第二条链的合成935.2.5 cDNA第二条链的纯化935.2.6 cDNA-AFLP荧光检测945.2.7 差异片段序列分析及同源性比拟945.3 结果与分析955.3.1 cDNA-AFLP荧光检测955.3.2 cDNA-AFLP差异片段回收与测序985.4 讨论100第6章 小麦遗传背景中大麦2H染色体蛋白质组分析1156.1 实验材料1156.2 实验方法1156.2.1 品质测定1156.2.2 籽粒胚乳

31、超微结构观察1156.2.3 2D-PAGE分析1156.2.4 iTRAQ分析1206.3 结果与讨论1236.3.1 品质测定1236.3.2 籽粒胚乳超微结构观察1236.3.3 籽粒种子总蛋白双向电泳分析1246.3.4 籽粒总蛋白iTRAQ分析126第7章 结论131参考文献133攻读学位期间发表的学术论文151致 谢153英文缩写词英文缩写英文全称中文全称及注释ABAAFLPAmpAbscisic acidAmplified fragment length polymorphismAminobenzyl penicillin脱落酸扩增片段长度多态性氨苄青霉素BASIBLASTBar

32、ley -amylase/subtilisin inhibitorBasic Local Alignment Search Tool大麦-淀粉酶抑制蛋白根本局部比对搜索工具DDTEBDithiothreitoEthidium bromide二硫苏糖醇溴化乙锭EDTAEthylenediamine tetraacetic acid乙二胺四乙酸ELISAGAEnzyme linked immunoserbent assyGibberellin酶联免疫吸附赤霉素IPTGIsopropyl -D-thiogalactoside异丙基硫代半乳糖苷LMLater mature -amylase迟熟-淀粉酶

33、MSAPMethylation sensitive amplification甲基化敏感扩增多态性PAGEPolyacrylamide Gel Electrophoresis聚丙烯酰胺凝胶电泳PHSPre-harvest Sprouting穗发芽PMSFPhenylmethanesulfonyl fluoride苯甲基磺酰氟PVPPCrossl inking polyvinylpyrrolidone交联聚乙烯吡咯烷酮PCRPolymerase chain reaction聚合酶链式反响SDSSodium dodecyl sulfate十二烷基磺酸钠SNPsSingle nucleotide p

34、olymorphisms单核苷酸多态性SSRSimple Sequence Repeat简单重复序列STSSequence tagged site序列标签位点TCATDFTEABTrichloroacetic acidTranscripit derived fragmentTriethylammonium bicarbonate三氯乙酸转录衍生片段三乙基碳酸氢铵第1章 文献综述穗发芽是一种世界范围的自然灾害，包括小麦、大麦、黑麦、小黑麦、玉米、水稻和高粱等在内的诸多谷物均会受其影响。穗发芽Pre-harvest Sprouting，简称PHS，通常是指谷物临近收获期时，由于持续降雨而处在高湿度

35、环境下所导致的谷物籽粒在穗上萌动乃至发芽的现象 原亚萍，陈孝，肖世和. 小麦穗发芽的研究进展J. 麦类作物学报，2003, 23(3):136-139.。谷物穗发芽的明显表征与谷物籽粒正常萌发类似，表现为籽粒肿胀，胚变色，种皮开裂，根、芽露出等。穗发芽不仅会降低谷物的产量，还会严重影响到谷物品质、加工品质、储存质量及播种质量等 Buonocore V, Petrucci T, Silano V. Wheat protein inhibitors of a-amylaseJ. Phytochemistry, 1977, 16:811-820., Orton T J. Chromosomal va

36、riability in tissue cultures and regenerated plants of HordeumJ. Theoretical and Applied Genetics, 56:101-112.，给农民、种子经营者、谷物加工等相关从业人员和相关行业带来严重的经济损失和不便。随着穗发芽危害程度的增加，逐渐引起了国内外众多研究学者的重视与关注，自1975年举办了第一届国际谷物穗发芽研讨会International Symposium on Pre-Harvest Sprouting in Cereals以来，截止至2021年8月，已经举办了12次国际会议来交流穗发芽研究进

37、展并商议、探讨如何解决并降低穗发芽所带来的损失。1.1 小麦穗发芽1.1.1 小麦穗发芽的危害小麦穗发芽危害在世界范围内于小麦收获季节易降雨地区十分的普遍。据报道，几个主要的小麦生产区域，如南北美洲地区的美国、加拿大、巴西，澳洲的澳大利亚、新西兰，亚洲的印度、日本等国的局部地区及欧洲全境，尤其是英国、瑞典、波兰等国均有发生 肖世和，闫长生，张海萍，孙果忠. 小麦穗发芽研究M. 北京：中国农业科学技术出版社，2004.。据美国农业部网站发表的软质冬小麦品质的遗传和生化 (Genetic and biochemical basis of soft winter wheat quality) 根底工

38、程的会议摘要显示，全世界范围内，每10年中有3-4年均会发生不同程度的小麦穗发芽危害，并且仍会持续发生。在穗发芽比拟严重的小麦出口大国加拿大，包括局部地区穗发芽率高达80% 的1989年在内 Derera NF. Preharvest field sprouting in cerealsM. 1989, CRC Press, Boca Raton.，平均每年由小麦穗发芽所造成的各项经济损失高达1亿美元 Depauw R M, Knox R E, Singh A K, Fox S L, Humphreys D G, Hucl P. Developing standardized methods

39、for breeding preharvest sprouting resistant wheat, challenges and successes in Canadian wheatJ. Euphytica, 2021, DOI: 10.1007/s10681-011-0611-y.。在我国，东北春麦区、西北春麦区、黄淮冬麦区、北部冬麦区、长江中下游地区以及西南冬麦区这几个小麦主要产区，在不同地区、不同年份，均有不同程度的小麦穗发芽危害发生，其中东北春麦区、西南冬麦区和长江中下游地区为穗发芽常发地区，但由于穗发芽的出现并无规律且难以预测，所以过去我国对穗发芽的危害鲜有报道4。据报道1987

40、年收麦季节的连续阴雨，导致黄淮麦区的陕西关中发生严重的穗发芽 张海峰，卢荣禾. 小麦穗发芽抗性机理与遗传研究J. 作物学报, 1993, 19(6):523-530.。1998年总后嫩江农场达30万亩小麦全部发生穗发芽，造成了严重损失 原亚萍. 大麦2H染色体上的-淀粉酶抑制蛋白基因Isa-H1向普通小麦的导入、鉴定及表达D. 北京：中国农业科学院研究生院，2001.。2021年上旬，由于江苏淮北及苏中地区麦收季节遭遇连续阴雨，当地的白皮小麦均发生了不同程度的穗发芽10 周凤明，解晓林，陈春，张晓慧，吕玉亮，王子明. 穗上发芽对小麦种子发芽率的影响J. 江苏农业科学，2021, 4:69-70

41、.。2021-2021年，我国北部麦区以及湖北、河南、江苏、安徽、山东等多个省份种植的小麦均发生了不同程度的穗发芽 麦S. 想给小麦种子管理部门一点建议-关于小麦穗发芽EB/OL. :/songyinming33.blog.163 /blog/#m=0.,。本文作者自2007年于小麦实验田吉林省长春市吉林大学农学部植物科学学院网室种植和筛选抗穗发芽的小-大麦2H染色体重组材料以来，连续几年的小麦收获季大约在每年的7月中旬均有大量降水，小-大麦2H染色体重组材料的农艺亲本郑麦9023、CB037及其它穗发芽敏感的遗传材料均发生了不同程度的穗发芽，两个农艺亲本，均为白皮，穗发芽敏感的品种，其穗发芽

42、情况见图1。图1.1 小麦穗发芽Figure 1.1 Wheat pre-harvest sprouting小麦品种郑麦9023；小麦品种CB037；摄于2021年7月18日小麦穗发芽可以引起小麦籽粒的一系列生理变化，由于水解酶的活性增强和植物激素的含量的变化，籽粒的总蛋白、贮存物质和氨基酸的组成都会发生剧烈变化，从而会急剧降低小麦产量，而且还会显著影响小麦的营养品质和加工品质 Jiang G L, Xiao S. Factorial cross analysis of pre-harvest sprouting resistance in white wheatJ. Field Crop R

43、esearch, 2005, 91:63-69.。穗发芽的小麦容重降低淀粉水解，面筋含量和沉降值急剧下降蛋白质结构发生变化，制粉率低，面团粘度高蛋白质、淀粉水解，对面包烘焙和面条制作品质有着很大的影响，通常只能作为动物饲料而大大降低了小麦的经济价值 Morad M M, Rubenthaler G L. Germination of soft white wheat and its effect on flour fractions, breadbaking, and crumb firmnessJ. Cereal Chemistry, 60:413-417., Groos C, Gay G,

44、 Perretant MR, Gervais L, Bernard M, Dedryver F, Charmet. Study of the relationship between preharvest sprouting and grain color by quantitative trait loci analysis in a white red grain bread-wheat cross. Theoretical and Applied Genetics, 2002, 104:39-47.。1.1.2 影响小麦穗发芽的因素小麦穗发芽是一个由多基因控制的复杂性状，并且很大程度上受

45、外部环境影响 何震天，陈秀兰，韩月澎. 白皮小麦抗穗发芽研究概况J.种子, 2000, 2:36-38.。影响小麦穗发芽的因素主要通过影响小麦籽粒对水份的吸收，籽粒的枯燥程度，籽粒的休眠程度，以及籽粒萌发时物质的转换来实现小麦穗发芽这个特殊的生理过程。现在普遍认为小麦成熟籽粒的休眠水平是小麦穗发芽的最大决定因素 Mares D J. Preservation of dormancy in freshly harvested wheat grainJ. Austrialian Jouranl of Agricultural research, 1983, 34:33-38.。1) 环境外部环境条

46、件在小麦籽粒成熟前、后均对小麦穗发芽有影响。外部环境对穗发芽的影响主要通过水分 King R W. Water uptake in relation to preharvest sprouting damage in wheat: grain characteristicsJ. Austrialian Jouranl of Agricultural research, 1984, 35:337-345.和温度 Nielsen M T. Effects of weather variables during maturation on preharvest sprouting of hard w

47、hite winter wheatJ. Crop Science, 1984, 24(2):779-782., Kihachi U. Eeffects of desiccation and a change in temperature on germination of immature grains of wheat (Triticum aestivum L.)J. Euphytica, 2002, 126:107-113.来实现。小麦籽粒成熟前，温度对穗发芽的影响决定于小麦品种和水分的供给。枯燥条件下通常来说小麦籽粒的穗发芽机率较低。小麦籽粒成熟前，低温可以使小麦休眠水平增加从而降低穗发

48、芽产生的机率，而小麦籽粒成熟后，凉爽、湿润的环境却会使小麦籽粒穗发芽的机率增加。此外，小麦籽粒经历的干湿转换越频繁，就越有可能打破小麦籽粒的休眠，从而使其穗上发芽。其原因是水分必须通过渗透种皮，进入种子后才能促使籽粒萌发，而干湿转换越频繁，大量的水分迅速进入种子也就越容易。2) 穗部及籽粒性状小麦穗部及籽粒的许多形态性状，如芒长 King R W, Richar R A. Water uptake in relation to preharvest sprouting damage in wheat: ear characteristicsJ. Austrialian Jouranl of A

49、gricultural research, 1984, 35:327-336.、穗的伸展角度 King R W, Wettstein-Knowles Von P. Epiticular waxes and regulation of ear wetting and pre-harvest sprouting in barley and wheatJ. Euphytica, 122:157-166.、籽粒的形状 秦代红. 小麦抗穗发芽特性的研究J. 四川农业大学学报，1989,7(3):188-193.、颖壳的类型 Derera N F, Bhatt G M. Germination inhib

50、ition of the bracts in relation to preharvest sprouting tolerance in wheatJ. Cereal Research Communications, 1980, 8:199-201. , 沈正兴，俞世蓉，吴兆苏. 小麦品种穗发芽抗性的研究J. 中国农业科学，1991, 24(5):44-50.等均能通过影响小麦的穗和籽粒保持水分的能力，从而影响穗发芽的进程。麦穗保持直立的小麦品种所保持的水分往往比麦穗弯曲的小麦品种要少，因此穗发芽率也就更低，但这仅是影响小麦穗发芽特性的一个方面，并不一定起着决定性的作用。颖壳的紧密程度同样可以

51、影响小麦穗发芽，颖壳紧密性较差的品种往往会接触到更多的水分，因此更易发生穗发芽。无芒或短芒的品种对水分的保持往往要少于长芒的品种，因此穗发芽的机率相对长芒品种来说会低一些。以上因素相对于小麦穗发芽的遗传因素和环境因素来说，仅为次要因素，但是在生产实践中可以通过以上性状对穗发芽不敏感的品种进行辅助选择。3) 种皮颜色早期的研究说明，小麦穗发芽局部由遗传所控制 Metzger R J, Silbaugh B A. Location of Genes for Seed Coat Color in Hexaploid Wheat, Triticum aestivum LJ. Crop Science,

52、 1970, 10(5):495-496., Flinthan J E, Humphray S J. Red coat genes and wheat dormancyJ. Aspects of Applied Biology, 1993, 36:135-141.。白色种皮的品种往往比红色种皮的品种更易穗发芽。种皮的红色和白色，由3个独立的基因所控制，并且控制穗发芽的基因同控制种皮颜色的基因是相互连锁的，或者是在同一染色体的位置上十分接近。因此，当育种家在选育白色种皮的小麦品种时，就相当于间接地选择了休眠水平较低的品种。当所有这三个独立的种皮颜色基因纯合时种皮的颜色才会为白色。红色相对于白色是

53、显性，而且这种红色种皮基因是加性基因，这就意味着一个品种只具有一个红色种皮基因时，其种皮颜色只呈现略浅的红色，假设携带有三个红色种皮基因，那么种皮的红颜色为最深。通常来说，休眠水平越高的品种其所携带的红色种皮基因就越多。但有些时候，不同品系之间即使携带有相同数目的红色种皮基因，其籽粒的休眠水平却不同，这是因为还存在着独立于种皮颜色的另外一些可以控制小麦籽粒休眠水平的基因。4) 休眠大多数小麦品种均呈现不同程度的休眠，即在小麦籽粒发育完全后，通常要经历一个后熟阶段才能在适宜条件下正常萌发。休眠是一种经长期自然选择和人工选择的遗传性状，其程度主要是与不同基因型种子发育过程中的生理进程和外部环境密切

54、相关 梅籍芳，曾道孝，赵德芳. 麦类作物M. 北京：农业出版社，1990.。小麦籽粒尤其是白皮小麦籽粒的穗发芽抗性可由籽粒休眠性所决定，籽粒体眠期长短与其穗发芽率呈极显著负相关，即籽粒体眠期越长，越不容易发生穗发芽具有较强抗性，而体眠期短或无体眠的品种，那么比拟容易发生穗发芽 蒋国梁，吴兆苏，陈兆夏. 小麦穗发芽抗性鉴定与白粒抗源的筛选J. 上海农业学报，1992，8(3): 9-14.。5) 激素 小麦穗发芽是一个类似小麦种子萌发的生理过程，因此在种子发育、成熟及萌发过程中起着重要调节作用的植物激素对小麦穗发芽也具有重要作用，如ABAAbscisic acid，脱落酸和GAgibberell

55、in, 赤霉素。其中，ABA可以诱导种子休眠、抑制种子萌发过程中最主要的水解酶-淀粉酶-amylase，并通过促进淀粉酶抑制蛋白的合成来抑制萌发 Gubler F, Millar A A, Jacobsen J V. Dormancy release, ABA and pre-harvest sproutingJ. Current Opinion in Plant Biology, 2005, 8(2):183-187.。GA的作用同ABA正相反，GA能够解除休眠，并通过诱导降解胚乳中贮藏物质的水解酶产生来促进种子的萌发 Bewley J D. Seed germination and dor

56、mancyJ. Plant Cell 1997, 9:1055-1066.。6) -淀粉酶穗发芽使小麦籽粒品质下降的主要原因就是因为以-淀粉酶为主的水解酶活性的增强所引起的籽粒贮藏物质的分解。虽然小麦穗发芽过程较多复杂，并受多种因素影响，但小麦穗发芽的整个生理过程都与-淀粉酶活性的上下密切相关，-淀粉酶活性高的品种易穗发芽，而活性低的品种那么不易穗发芽，因此-淀粉酶的活性可以作为小麦穗发芽鉴定的重要指标 张海峰，Zemetra R S, Liu C T. 冬小麦穗发芽抗性及其鉴定方法研究J. 作物学报, 1989, 15(2):116-122.。而抑制或降低小麦籽粒内源-淀粉酶活性那么是控制小

57、麦穗发芽的最有效途径 胡汉桥，原亚萍，王罡. ASI蛋白的特性及其应用研究进展J. 麦类作物学报，2000，20(4):81-85.。小麦-淀粉酶通过水解-1,4-糖苷键来分解小麦籽粒中的直链淀粉和支链淀粉，具有多种同功酶，目前，遗传和功能上研究的比拟清楚的小麦-淀粉酶主要有以下四种：-amy1基因编码合成的-淀粉酶-1和-amy2基因编码合成的-淀粉酶-2 Lazarus C M, Baulcombe D C, Martienssen R A. Alpha amylase genes of wheat are two multigene families which are differen

58、tially expressedJ. Plant Molecular Biology, 1985, 13-24.，-amy3基因编码合成的-淀粉酶-3 Baulcombe D C, Huttly A K, Martienssen R A, Barker R F, Jarvis MG. A novel wheat alpha-amylase gene (alpha-amy3) J. Molecular and General Genetics, 1987, 209:33-40.以及-amy1基因编码合成的迟熟-淀粉酶Later mature -amylase，LM Mares D J, Gitt

59、a Oettler. -amylase activity in developing tricales grainsJ. Journal of Cereal Science, 1991, 13:151-160.。和小麦穗发芽相关的淀粉酶主要为-淀粉酶-1和-淀粉酶-2。-淀粉酶-1由位于小麦第六局部同源群的-amy1基因编码合成于临近成熟后期或发芽期的 Sargeant J G. -Amylase enzymes and starch degradationJ. Cereal Research Communications, 1980, 8:77-86.。-淀粉酶-2由位于小麦第七局部同源群的

60、-amy2 Jacobsen J V, Higgins T J V. Characterization of the alpha amylases synthesized by aleurone layers of Himalaya barley in response to gibberellic acidJ. Plant Physiology, 1982,70:1647-1653.。值得注意的是大麦的-淀粉酶的等电点类型与小麦正相反，大麦-淀粉酶-1为低等电点，而大麦-淀粉酶-2为高等电点。由于位置和功能的关系，小麦-淀粉酶-2水解籽粒贮藏物质的能力并不强，真正起着主要作用的是小麦-淀粉酶

61、-1，-淀粉酶-1在小麦萌发的过程中活性约占-淀粉酶总活性的比例高达84%。在禾谷类作物中，普遍存在着一类可以抑制-淀粉酶活性的蛋白，被称做-淀粉酶抑制蛋白。在禾谷类作物籽粒成熟的过程中，可合成一种低分子量的蛋白，在对-淀粉酶有抑制作用的同时，还可以使枯草杆菌蛋白酶失活，因此被称为双头的或双功能的-淀粉酶/枯草杆菌蛋白酶抑制蛋白-amylase/subtilisin inhibitor，ASI。迄今为此，在小麦、大麦、黑麦、水稻中均发现报道了此种蛋白，分别简称为WASI Mundy J, Hejaard J, Svendsen I B. Characterization of a bifunctional wheat inhibitor of endogenous -Amylase and subtilisinJ. FEBS Letters, 1984, 167:210-214.、BASI Mundy J, Svendsen I B, Hejaard J. Bar