野生大麦中广泛存在的光生理变异与其环境起源密切相关

《New Phytologist》：Extensive photophysiological variation in wild barley is linked to environmental origin

野生大麦光合生理学多样性及适应性研究。通过320份野生大麦的群体实验，发现显著遗传变异和基因型-环境互作，气孔导度（gs）在干旱适应中起关键作用。全基因组关联分析（GWAS）揭示多个光合相关性状的QTL，如NPQ诱导幅度与SLA显著正相关。地理分群显示沙漠亚种群具有更快的开花期和稳定的气孔导度，应对干旱环境。研究证实野生大麦蕴含大量光合特性遗传资源，为作物抗旱改良提供新靶点。

　　本研究聚焦于一种重要的作物野生近缘种——野大麦（*Hordeum spontaneum*）中的光合特性，旨在揭示其在遗传多样性与适应性方面的潜力，为未来作物改良提供新的思路。野大麦作为农作物的祖先，其自然进化过程经历了较为严苛的环境条件，相较于经过人工驯化的栽培大麦，野大麦保留了更丰富的基因变异，并且在多种生态环境中展现出较强的适应能力。这种遗传多样性为提升作物的光合效率、增强产量提供了宝贵的资源，尤其在应对气候变化等环境挑战方面具有重要意义。

为了深入探讨野大麦在不同环境下的适应性，本研究采用了一个包含320个野大麦材料的“Barley 1K”（B1K）多样性集合，并在两个生长季节中进行了田间试验。通过构建一个光合表型分析流程，研究人员对超过30种与光合相关的表型进行了系统测量。同时，结合群体遗传学、全基因组关联分析（GWAS）以及深度表型分析，研究人员验证了野大麦在不同生态环境中的适应性假设。研究结果表明，野大麦中存在显著的遗传变异，并且这种变异在不同环境下的表现差异（G×E）较为普遍。一些子群体在光合特性上的差异，以及与标记位点相关的选择信号和等位基因频率变化，提供了关于野大麦适应性的直接证据。通过在不同水分条件下对代表性材料进行表型分析，研究人员发现气孔导度（*g*_s）在适应干旱环境方面发挥着关键作用。

本研究不仅关注了野大麦的光合特性，还结合了其他多个关键性状，如叶面积、叶面积比（SLA）、光合速率（*A*_sat）、气孔导度、碳氮比（C:N）以及叶元素组成等。通过多种方法，包括遗传结构分析、选择信号检测以及GWAS，研究人员发现这些性状在不同子群体中存在显著的遗传基础，并且部分性状的变化与环境因素密切相关。特别是，气孔导度与光合效率之间的关系在干旱条件下表现出较强的适应性特征。通过分析不同水分处理下野大麦的表型响应，研究人员发现，虽然气孔导度在低水分条件下普遍下降，但野大麦在维持光合能力方面表现出了更强的适应性。这一发现为未来的作物改良提供了重要线索，尤其是在提高作物在资源受限条件下的生产力方面。

本研究还通过群体遗传学分析，识别了野大麦的多个遗传群体，并利用生物气候参数进一步探讨了这些群体之间的适应性差异。通过比较不同子群体在气孔导度、光合速率以及叶元素组成方面的表现，研究人员发现，某些子群体在干旱环境中表现出更高效的资源利用能力，而其他子群体则在较高的光强条件下表现出更强的光保护反应。这些发现表明，野大麦的适应性不仅体现在对环境的直接反应，还可能通过遗传分化来实现。

在研究过程中，研究人员采用了多种方法，包括GWAS、双倍体（BLUEs）和最佳线性无偏预测（BLUPs）来评估光合相关性状的遗传基础。通过联合年份模型，研究人员筛选出22个高可信度的定量性状位点（QTL），其中一些与气孔导度、光合速率以及叶面积相关。这些结果不仅揭示了野大麦在光合特性上的广泛遗传变异，还表明某些性状的变异可能比栽培大麦更为显著。例如，野大麦在干旱环境下的气孔导度表现出更强的适应性，而叶面积和光合效率的变异则与环境条件密切相关。

此外，研究人员还通过比较不同子群体在气孔导度、光合速率以及叶元素组成方面的表型响应，探讨了环境变化对这些性状的影响。通过统计分析，研究人员发现，野大麦的某些性状在不同年份之间的变化较大，而其他性状则表现出较强的稳定性。这些结果表明，野大麦的适应性可能受到多种因素的共同影响，包括遗传变异、环境条件以及表型可塑性。

综上所述，本研究通过系统分析野大麦的光合特性及其与环境的相互作用，揭示了其在不同生态环境中的适应性机制。研究结果不仅为理解野大麦的遗传多样性提供了新的视角，也为未来作物改良提供了重要的基因资源。通过深入研究这些性状的遗传基础和环境响应，研究人员为应对气候变化和资源受限条件下的作物生产提供了科学依据和实践指导。