不同复水条件下干旱胁迫大麦基因组的分蘖可塑性研究及其育种意义

《BMC Plant Biology》：Tillering plasticity of drought-stressed barley genotypes under different re-watering regimes

本研究针对气候变化下粮食安全挑战，通过高通量表型分析平台系统评估了26个大麦基因型在五种水分处理下的分蘖动态。研究发现全复水处理(90-20-90%)能显著诱导分蘖再生，但过量分蘖与穗粒重呈负相关。模拟田间水分波动处理(90-20-90-20%)与多地田间试验数据呈现最高相关性(r=0.82)，为抗旱育种提供了精准筛选方案。

　　

随着全球气候模式的剧烈变化，农业生产正面临着前所未有的挑战。降水模式逐渐向"少雨多暴雨"转变，导致干旱期延长与强降雨交替出现的极端天气频发。这种气候不稳定性对大麦(Hordeum vulgare L.)等主要粮食作物的生产构成严重威胁，特别是在决定产量的关键阶段——分蘖形成期。分蘖作为禾本科作物重要的农艺性状，直接关系到穗数形成和最终产量，但其发育过程对水分胁迫极为敏感。传统观点认为大麦分蘖数在茎伸长初期达到峰值后趋于稳定，然而近年研究发现某些基因型在抽穗后仍能产生新分蘖，这种现象被称为"分蘖再生"(re-tillering)，尤其在干旱后降雨情况下表现显著。

为探究这一现象背后的生理机制，德国马丁·路德大学与莱布尼茨植物遗传与作物研究所的科研团队在《BMC Plant Biology》发表了创新性研究。他们利用高通量植物表型平台(APPP-B)对包含野生大麦渗入系的26个基因型进行精准控水实验，设置了五种水分处理：持续充足供水(90%FC)、完全复水(90-20-90%FC)、中度复水(90-20-40%FC)、持续干旱(90-20-20%FC)以及模拟田间波动条件(90-20-90-20%FC)。通过57天内7个时间点的分蘖数追踪，结合成熟期穗部性状分析，系统揭示了不同基因型对干旱胁迫及复水响应的分蘖可塑性规律。

研究团队采用的高通量表型平台具备自动化传送带系统和精准灌溉控制，能实时监测520个盆栽植物的生长状况。通过嵌套关联作图群体(NAM)HEB-25的基因型筛选，结合齐名期(Zadoks stage 31)启动水分处理策略，确保了实验条件的标准化。统计分析采用R语言进行方差分析(ANOVA)和Tukey HSD检验，并利用重复性评估验证数据可靠性。

分蘖动态分析

研究发现在全复水处理中分蘖数显著高于其他处理，表明水分供给量直接影响分蘖再生能力。基因型HEB_20_110和HEB_13_142表现出最强的分蘖再生潜力，而品种Keel由于快速发育节律未能显现该特性。值得注意的是，分蘖数增加并未转化为有效穗数提升，全复水处理的穗蘖比反而最低，说明大量新生分蘖未能完成生殖转化。

产量性状关联

中度复水处理(90-20-40%FC)的穗粒重仅次于对照组，显著优于全复水处理。尽管后者分蘖数更多，但过量分蘖导致营养生长与生殖生长失衡，收获指数显著降低。特别值得注意的是，分蘖数斜率与收获指数呈显著负相关(r=-0.62)，证实过度分蘖再生会降低籽粒生产效率。

穗育性调控

三个复水处理均表现出显著高于对照组的穗不育率，表明干旱后复水虽能刺激分蘖发生，但可能造成不可逆的生殖损伤。模拟田间条件处理(90-20-90-20%FC)的千粒重显著最高，这与较少籽粒数导致的营养集中效应有关，这一特性对酿造大麦品质提升具有特殊价值。

田间验证关联

通过将盆栽试验数据与6个地点田间试验进行相关性分析，发现模拟田间水分波动处理与实地产量数据相关性最高(平均r=0.82)。这表明传统持续供水方案难以模拟真实田间条件，而水分波动处理能更准确地预测基因型在变化环境中的表现。

研究结论强调分蘖可塑性是一把双刃剑：适度分蘖再生有助于胁迫后恢复，但过度分蘖会导致资源分配失衡。野生大麦渗入系HEB-25中鉴定出的优异等位基因为改良收获指数提供了遗传资源。该研究创新性地提出将90-20-90-20%FC处理作为早期育种筛选方案，为应对气候变化下大麦生产挑战提供了新思路。通过精准调控分蘖可塑性与穗育性的平衡，有望培育出既能抵抗干旱胁迫又具备高效水分利用能力的新品种，为保障未来粮食安全提供种质支撑。