大麦皮裸性状的结构基础及其分子机理研究

As one of the oldest crops, barley important domestication traits - hulled or hulless caryopses, based on which barley can be divided into covered and naked barley according hull-caryopsis adhesion, are important agronomic traits linking to use purposes directly. We found hull-caryopses adhesion isn’t simple lipid adhesion, there is also an organ fusion involved cutin. And the barley landrace variety ‘Dulihuang’ transcriptome studies found the correlation between the cuticle development related genes and hulled or naked caryopses traits and the hulled or hulless caryopses trait related gene-nud gene was non-­deletion in Tibetan hulless barley. But we failed to carry out in-depth research on structural changes between hull and caryopsis involved cutin and nud gene. This study will do research on structure bases and molecular mechanism of naked caryopses traits based on the former research. The main contents are: 1. Using TEM and GC-MS analysis, in-depth analysis of the differences and changes in the contact interface involved cutin between hull and caryopsis and clarify the structural basis for the formation of hulled or hulless caryopses trait; 2. nud gene sequence analysis of different areas of hulless barley to understand the naked barley’s nud gene evolution; 3 nud mutants caryopsis transcriptome analysis at different developmental stages for nud gene regulatory network analysis, exploring the molecular mechanism of the formation of hulled or hulless caryopses trait.

大麦作为最古老的作物之一，其重要的驯化性状-皮裸性状，即根据颖壳-颖果是否粘连分为皮大麦和裸大麦，因其直接与膳食利用有关而备受关注。我们在前期的研究中发现皮大麦颖果和稃壳的粘连不是简单的脂质粘连作用，还存在与角质相关的器官融合，同时通过青稞本地品种“肚里黄”的转录组研究发现角质层相关基因与皮裸性状的相关性、皮裸相关的脂质调控基因nud在青稞中的非缺失。但未能对皮裸大麦颖果和稃壳之间角质参与的结构区别和nud基因开展深入研究。本研究在已有研究的基础上针对大麦皮裸性状的结构基础和分子机理开展研究，主要内容为：1. 采用透射电镜、气质联用分析方法深入剖析皮裸大麦颖果和稃壳之间的结构差异与角质变化，阐明皮裸性状的结构基础；2. 开展不同区域青稞的nud基因序列分析，了解裸大麦的进化问题；3.进行nud突变体颖果不同发育时期的转录组分析，分析nud基因的调控网路，从而深入探讨大麦皮裸性状的分子机理。

大麦作为最古老的作物之一，其重要的驯化性状-皮裸性状，即根据颖壳-颖果是否粘连分为皮大麦和裸大麦，因其直接与膳食利用有关而备受关注。本研究在已有研究的基础上针对大麦皮裸性状的结构基础和分子机理开展深入研究。在大麦皮裸性状的结构基础研究中，结合传统的石蜡切片和扫描电镜对皮裸品种和皮裸突变体材料的不同发育时期进行研究，结果发现皮大麦颖果外稃-颖果间界面结合紧密，存在特殊成分的脂质层，裸大麦颖果外稃-颖果间分界明显，处于离散状态。采用气质联用仪发现该脂质层物质为多成分脂质，烷烃含量较多，并且C27烷烃显得更为重要，与角质层成分对比其脂质成分有一定区别，说明该物质是类似于角质层的物质。在皮裸大麦NUD基因的研究中，对所收集的皮裸大麦和青稞材料进行nud基因序列分析，结果发现7个裸品种均未发生nud基因删除现象。采用ISSR方法分析裸大麦遗传多样性，表明亚洲，尤其中国地区具有较高的遗传多样性，而且裸大麦的遗传多样性与其地理来源具有相关性。对大麦品种及其裸品种或突变体开展RNA-Seq表达谱和转录组研究。发现两者结果基本一致，在表达差异基因中发现角质层相关基因，包括NUD基因在内，绝大多数角质层基因的基因表达在裸表型中同样出现下调趋势。同时一致的是ATT1基因可能在皮裸性状形成中起到关键作用。主要对皮大麦及其裸品种开展了小RNA组和降解组研究，分别检测到300个miRNA，预测到miRNA靶基因6,927个。检测到29和39个靶基因被降解, 29和39个靶基因降解位点。在转录组基础上开展大麦脂质转运蛋白（LTP）、同源异型域-亮氨酸拉链（HD-Zip）、长链酰基辅酶A合成酶（LACS）、甘油-3-磷酸酰基转移酶（GPAT）基因家族研究，确定了皮裸性状相关家族基因成员。研究进一步揭示皮裸性状的理化基础及大麦皮裸形成的分子机理，为未来研究皮裸颖果性状形成的机理提供了一个良好的起点，对提高我国麦类作物功能基因研究水平具有重要意义。