大麦EMF1L基因调控芒发育的遗传基础与功能解析

《Theoretical and Applied Genetics》：A pendant awn phenotype linked to the EMBRYONIC FLOWER 1 LIKE (EMF1L) gene in barley

本研究针对大麦芒发育遗传调控网络复杂的科学问题，通过EMS诱变筛选到"pendant awn"突变体，利用遗传作图和全基因组重测序技术，将控制性状的关键基因定位至3H染色体356.8 Mbp区间，发现HvEMF1L基因的提前终止密码子突变是导致芒变短、变薄和非直立的成因。该研究揭示了HvEMF1L作为表观调控因子在芒发育中的新功能，为谷物花序发育研究提供了新视角。

　　

在谷物家族中，芒（awn）作为颖片的顶端延伸结构，不仅是重要的分类特征，更在光合作用、蒸腾调节和碳水化合物积累等生理过程中发挥着关键功能。尽管芒的发育调控网络在多种禾本科作物中已有研究，但其复杂的遗传机制仍存在大量未知。特别是在大麦中，芒发育的分子调控网络尚不完善，这限制了我们通过遗传改良优化芒性状以提高作物产量的潜力。

近期发表在《Theoretical and Applied Genetics》的一项研究，通过综合运用诱变育种、遗传作图和基因组学技术，揭示了大麦芒发育调控的新机制。研究人员从一个EMS（ethyl methanesulfonate）诱变群体中鉴定到一个独特的"pendant awn"（下垂芒）突变体，该突变体表现出芒变短、变薄且非直立的表型特征。

为解析这一性状的遗传基础，研究团队开展了系统的实验分析。他们首先通过形态学观察发现，突变体的芒长度较野生型减少了93.3%，且芒的横截面积均匀减小，这主要是由细胞数量减少而非细胞大小变化所致。通过扫描电镜对早期穗发育阶段的观察显示，突变体在W4.5阶段后出现芒伸长的延迟，表明HvEMF1L可能影响芒祖细胞的分化过程。

在遗传分析方面，研究人员利用F₂分离群体确认该性状为单基因隐性遗传，并通过基因分型测序（GBS）将目标区间定位在3H染色体上。进一步的精细作图将候选区间缩小至356.8 Mbp，随后通过全基因组重测序（WGS）在EMBRYONIC FLOWER 1 LIKE（HvEMF1L）基因中发现了一个提前终止密码子突变，该突变导致蛋白质被截短62.3%。

研究还发现，HvEMF1L在76个大麦泛基因组（BPGv2）基因型中呈现高度序列保守性（99.9% pairwise identity），且表达分析显示该基因在花序组织中特异性上调，进一步支持了其在花序发育中的重要作用。Tajima's D分析显示该基因位点呈现负值（-0.14），提示其可能受到纯化选择的作用。

关键技术方法包括：EMS诱变创制遗传材料、基于GBS（Genotyping-by-Sequencing）和KASP（Kompetitive Allele Specific PCR）标记的遗传作图、全基因组重测序（WGS）进行变异检测、共聚焦激光扫描显微镜和扫描电镜进行形态学分析、以及利用大麦泛基因组（BPGv2）和泛转录组数据进行序列保守性和表达模式分析。研究材料来源于冬季大麦品种'I gri'的EMS诱变群体和品种'Alraune'的杂交后代。

Reduced awn length is the most prominent phenotype in the barley EMS mutant M4IGRI_11

突变体最显著的表型是芒长度减少93.3%，同时芒的横截面均匀变窄，这主要是细胞数量减少所致。突变体芒的维管系统发育不良，细胞壁自发荧光减弱，表明细胞壁成分可能发生改变。

Delayed awn outgrowth in M4IGRI_11 spike meristems is evident in early developmental stages

扫描电镜分析显示，突变体在W4.5阶段后出现芒伸长的延迟，但早期分生组织的起始和模式建成未受影响，表明HvEMF1L主要影响芒祖细胞的分化而非初始器官形成。

A single recessive gene mapped on chromosome 3H controls the pendant awn phenotype

遗传分析表明该性状为单基因隐性遗传，通过GBS作图将位点定位在3H染色体上，利用KASP标记将区间精细定位至356.8 Mbp。

EMBRYONIC FLOWER 1 LIKE(EMF1L) is likely the gene responsible for the pendant awn phenotype barley

全基因组重测序在目标区间内发现HvEMF1L基因的提前终止密码子突变，该突变导致蛋白质被截短62.3%，而其他候选基因或因注释不完整或因表达量低被排除。

HvEMF1L is highly conserved across global barley germplasm and significantly upregulated in the inflorescence

HvEMF1L在76个大麦基因型中呈现高度序列保守性，表达分析显示其在花序中特异性上调，支持其在花序发育中的重要作用。

研究结论强调HvEMF1L作为表观遗传调控因子，在大麦芒发育和花序建成中发挥关键作用。该基因的功能缺失导致芒细胞分裂受损、细胞壁成分改变以及可能的器官身份转化。研究不仅证实了HvEMF1L在芒发育中的新功能，还展示了综合运用诱变、作图和测序技术解析复杂性状的有效性。这些发现为理解谷物花序发育的遗传调控网络提供了新见解，对作物遗传改良具有重要参考价值。