[00128028]大麦特异种质资源发掘与利用

本项目属农业科学技术学科的应用基础研究领域;主要受国家自然科学基金委重点项目（30630047）和面上项目（30771281,30971719）等资助。 作物特异种质资源的挖掘和利用是实现作物遗传研究和新品种选育取得重大突破的关键与基础。大麦是全球第四大禾谷类作物,且集饲料、啤用和粮食作物于一体,在我国也曾是栽培面积达一亿亩以上的主要农作物。近二十年来我国大麦种植面积锐减,目前仅为1400万亩左右,其原因之一是国产啤用和饲用大麦缺乏市场竞争力以及具有广适性的高产品种。因此,发掘与创制啤用、饲用品质性状和抗逆性特异的种质材料对于优质、抗逆大麦品种,从而提升我国大麦理论研究水平和振兴我国大麦生产、扭转啤用大麦依赖进口与饲料生产原料单一化的局面具有重要的科学意义与实践价值。本成果在征集大量大麦种质的基础上,系统地开展了遗传多样性和种质发掘与创制研究,鉴定到一批抗逆和品质性状特异的大麦种质及相关基因,并揭示了这些优异种质的遗传特性与分子机理,主要研究内容及其创新点如下： 1. 阐明了西藏野生大麦具有丰富的遗传多样性,蕴藏着大量品质和抗逆境性状特异的遗传和基因资源。西藏野生大麦是我国独有的珍贵遗传资源,上世纪六、七十年代经多年考察与整理,收集到200余份材料,并有过植物学、农艺学的观察与评价。我们利用覆盖全基因组尺度的分子标记对中东和西藏野生大麦种质以及世界各地的栽培大麦代表性品种进行系统的比较分析,明确了栽培大麦及其祖先野生大麦遗传多样性十分丰富;并从分子水平上证明我国的青藏高原及其周边地区是世界栽培大麦的一个重要进化和起源中心,从而结束了80多年来国际上关于西藏野生大麦存在与否的争论。在此基础上,利用转录组高通量测序技术（RNA-Seq）,系统比较了栽培大麦与中东和西藏这两个主要野生大麦群体间的染色体相似性,从全基因组水平上提出并证明了栽培大麦的多起源理论。研究表明,现代栽培大麦基因组源于中东“肥沃月湾”和我国青藏高原地区的野生大麦,且两地的野生大麦基因组对现代栽培大麦基因组的贡献大致相当,但存在明显的染色体及其片段上的差异。这一研究丰富和发展了农业起源及扩散理论,明确了野生大麦种质资源多样性丰富,为发掘与利用大麦优异种质提供了理论依据。 2. 鉴定到一批抗逆性优异的种质,构建了遗传群体并解析了抗逆的生理与分子机理。利用构建的旱、盐、低温和铝毒抗性鉴定与评估技术平台,先后鉴定到耐旱性强于Tadmar （普遍认同的耐旱栽培品种）的野生大麦XZ5和XZ150、耐盐性强于CM72的野生大麦XZ16和XZ26、耐铝毒强于Dayton 的野生大麦XZ28、XZ29、XZ166和XZ113以及耐低温栽培品种墨103;利用以上种质和综合农艺性状优良的栽培品种,配置杂交组合,通过回交和小孢子培养,构建了多个DH群体和染色体小片段渗入系,丰富了大麦遗传资源。利用蛋白组学、代谢组学、离子组学以及同源基因克隆等技术分析了抗逆的分子机制和遗传体系,并利用全基因组关联分析等技术鉴定到野生大麦所独有的2个耐铝毒遗传位点,提出并佐证了野生大麦藉根系分泌磷酸的耐铝毒新观点,为大麦非生物胁迫耐性分子育种提供了基因资源和技术支撑。 3. 筛选到一批啤用品质性状表现特异种质材料,并明确了遗传表达特点与调控机制。在建立近红外仪测定曲线、实验室微量制麦与制啤技术的基础上,系统分析了大麦种质的籽粒和麦芽混浊蛋白、β－葡聚糖含量、β－淀粉酶活性、糊精酶活性及其热稳定性以及植酸含量等重要啤用与饲用品质性状,筛选到XZ52（高活性β-葡聚糖酶、糊精酶）、XZ174（高β-淀粉酶活性、热稳定性）、XZ6（低混浊蛋白）等啤用品质特异的野生大麦材料。通过全基因组关联分析检测到控制以上品质性状的遗传位点,首次鉴定到与大麦籽粒混浊敏感蛋白相关的分子标记,阐明了啤酒混浊形成的分子机理;阐明了大麦籽粒植酸含量、植酸酶活性、糊精酶活性及其热稳定性的基因型差异和遗传基础,明确糊精酶抑制物的降解程度是决定麦芽糊精酶活性的重要因素,为优质大麦育种提供了理论与技术指导以及优异种质资源和分子标记。 项目执行期间,培养博/硕士生8/2名;发表SCI收录论文44篇,SCI引文567次,其中他引357次;10篇代表作总影响因子54.45,SCI引用总次数238,他引147;显著提升了我国大麦研究在国际上的地位,项目负责人（张国平）担任第11届国际大麦遗传学大会秘书长（2008-2012）、第12届国际大麦遗传学大会主席（2012-2016）;项目组两位成员（张国平、邬飞波）2014－2016年连续三年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。鉴定与创制的大麦种质资源已应用于育种程序,组配杂交并从中选育的后代已进入浙江省联评试验,一些材料亦在其它育种单位应用,有力地推动了西藏野生大麦资源的利用及大麦品质与抗逆研究及育种的发展。