全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (12): 1785~1790　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.1037 1785
收稿 2014-10-15　　修定 2014-11-21
资助 上海市科委基础研究重点项目(12JC1407800)、上海市种
业发展项目[沪农科种字(2012)第7号]、国家大麦青稞产
业技术体系(CARS-05)和上海市农业科学院学科建设专项
(LY11)。
* 并列第一作者。
** 通讯作者(E-mail: sw1@saas.sh.cn; Tel: 021-62201032)。
大麦DH矮杆突变体的表型分析及其对外源赤霉酸的响应
高润红1,2,*, 郭桂梅1,2,*, 徐红卫1,2, 陈志伟1,2, 刘成洪1,2, 黄亦辰1,2,3, 何婷1,2, 李颖波1,2, 陆瑞菊1,2,
黄剑华1,2,**
1上海市农业科学院生物技术研究所, 上海201106; 2上海市农业遗传育种重点实验室, 上海201106; 3上海海洋大学水产与生
命学院, 上海201306
摘要: 利用物理诱变结合小孢子培养创造新的变异可以为作物遗传改良提供新的遗传资源。本研究利用60Co γ-射线辐照
优良大麦品种‘花30’和‘花11’干种子, 取其植株上花药, 游离小孢子培养获得3份纯合的矮杆突变体。突变体的株高为亲本
的52.4%~61.1%, 株高降低效应显著。苗期以及拔节期赤霉酸处理表明突变体及野生型均为赤霉酸敏感型, 而且不同突变
体对赤霉酸反应的敏感性不同。
关键词: 大麦; 突变体; 矮杆; 赤霉酸
Phenotypic Analysis and Gibberellic (GA3) Response of Barley Double Haploid
Dwarf Mutants
GAO Run-Hong1,2,*, GUO Gui-Mei1,2,*, XU Hong-Wei1,2, CHEN Zhi-Wei1,2, LIU Cheng-Hong1,2, HUANG Yi-Chen1,2,3, HE Ting1,2,
LI Ying-Bo1,2, LU Rui-Ju1,2, HUANG Jian-Hua1,2,**
1Biotech Research Institute, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201106, China; 2Shanghai Key Laboratory of
Agricultural Genetics and Breeding, Shanghai 201106, China; 3College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University,
Shanghai 201306, China
Abstract: Physical mutagenesis combined with microspore culture can create the germplasm with new varia-
tion for crop improvement. In this study, three homogeneous dwarf mutants of two barley cultivars ‘Hua30’ and
‘Hua11’ were obtained through isolated microspore culture on the plants derived from 60Co γ-rays irradiated
seeds. The dwarf mutants showed a significant reduction on plant height, which was 52.4%–61.1% of the wild
types. Both the mutants and their wild types were sensitive to exotic GA3 treatment at seedling and elongation
stages, however, the mutants revealed different sensibility to GA3.
Key words: barley; mutant; dwarf; GA3
利用物理辐射、化学药剂、太空诱发和组织
培养等方法是创造突变体的重要手段 (江树业
2003)。离体培养技术的发展, 为诱变育种奠定了基
础。小孢子培养作为单倍体单细胞培养系统, 与诱
变技术结合创造突变体, 不仅避免了嵌合体的发生,
而且隐性突变性状较早就能够得到表现, 从而提
高变异和筛选的效率(黄剑华2007; Das等2000)。
株高是作物主要农艺性状之一, 与抗倒伏性
及产量性状密切相关(Qin等2008)。20世纪五六十
年代, 矮杆和半矮杆基因的应用导致了以水稻和
小麦产量大幅提高为代表的“绿色革命” (Gale等
1975), 因此矮化育种对提高作物产量非常重要。
大麦是种植面积仅次于水稻、小麦和玉米的世界
第四大谷类作物, 在大麦中已经发现了约 30 个不
同类型的矮秆基因, 其中被广泛用于育种的仅有
uz、br、sdw、ert和 denso 等少数几个基因。矮秆
基因和矮源的单一化利用导致大麦遗传基础狭窄,
限制了产量和品质的进一步提高(张京2001)。因
此, 创造新的矮秆基因或矮源对大麦育种具有重
要意义。
在许多植物中, 矮化突变与植物激素赤霉素
(gibberellin, GA)的生物合成和信号途径有关(Gao
等2010; Sun和Gubler 2004)。与GA相关的矮杆突
植物生理学报1786
变体可以分为两种, GA缺陷型及GA不敏感型。
GA缺陷性突变体, 是GA合成途径上基因的突变导
致GA合成受阻引起植株矮化, 外施GA可以使株高
恢复(Hedden和Phillips 2000; Yamaguchi和Kamiya
2000); GA不敏感型矮杆突变体是GA响应途径缺
失, 不能够响应外源GA, 因而突变体的株高不能恢
复(Sun 2000; Richards 等2001)。
本研究利用60Co γ-射线辐照本研究室培育的
优良大麦品种‘花30’和‘花11’的种子, 并结合小孢
子胁迫培养获得了3份矮杆突变体, 研究了其表型
及外源赤霉酸敏感性, 讨论了3份突变体矮化可能
的原因。
材料与方法
1 材料
大麦品种(Hordeum vulgare L.) ‘花30’和‘花
11’。
2 方法
2.1 矮杆突变体的创制
播种前用60Co γ-射线辐照‘花30’干种子, 剂量
率1 Gy·min-1, 剂量为400 Gy, 游离小孢子培养获得
矮杆突变体A4-57; 60Co γ-射线辐照‘花11’干种子,
剂量为500 Gy, 游离小孢子培养获得矮杆突变体
A3-83和A6-32。小孢子培养方法参照陆瑞菊等
(2012)方法。
2.2 矮杆突变体的表型鉴定
在田间以及温室从出苗期到收获期进行全生
育期的观察, 在拔节期对‘花30’、‘花11’以及突变
体的倒二叶长度和宽度进行测量, 成熟后考察株
高、籽粒大小。
2.3 苗期赤霉酸反应
赤霉酸(GA3)处理参照郭保宏(1989)的方法,
并稍作改进。材料选用‘花30’、‘花11’, 突变体A3-
83、A4-57、A6-32以及对赤霉酸敏感的白青稞作
对照。每个材料随机选取100粒种子浸种催芽, 露
白后选取生长一致的种子播于盛有珍珠岩的小钵
里, 放入培养箱中, 试验分3次重复, 每个重复10粒
种子, 设2个处理, 分别用0和100 μmol·L-1的GA3溶
液浇幼苗的基部, 试验在黑暗条件下进行, 控制温
度于25 ℃左右, 待第一叶长基本稳定之后, 测量第
一叶和胚芽鞘的长度进行方差分析。
2.4 拔节期赤霉酸反应
用100 μmol·L-1的GA3溶液喷施处于拔节期的
材料, 3个重复, 每次30 mL, 连续喷施15 d, 观察拔
节期突变体材料对赤霉酸的反应, 同时以喷施水
的材料作为对照。
2.5 数据分析
所有试验结果采用DPS数据处理系统进行统
计分析及差异显著性比较。
实验结果
1 突变体的形态学分析
与对照‘花30’相比, 突变体A4-57矮化丛生, 株
型紧凑, 叶片较宽, 叶片深绿(图1-A)。与对照‘花
11’相比, 突变体A3-83叶片细窄, 株型披散(图1-B);
突变体A6-32也呈现矮化丛生 , 叶片宽而绿(图
1-C)。突变体在籽粒性状也发生改变, A4-57和
A6-32与对照相比籽粒变短变宽, 而A3-83的籽粒
呈细长状(图1-D)。拔节期对对突变体及亲本的倒
二叶的长度和宽度, 成熟期对株高、籽粒长以及
宽进行考察, 结果表明(表1), 突变体A4-57的株高
与‘花30’相比差异达到显著水平, 仅为对照株高的
56.5%; 突变体A3-83和A6-32的株高与‘花11’相比,
株高分别降低了39%和48%, 差异均达到显著水平;
在籽粒性状方面, A4-57粒长显著小于对照‘花30’,
而粒宽显著大于对照; 突变体A3-83的籽粒长度和
宽度都明显小于对照‘花11’, 而A6-32的籽粒长度
显著小于‘花11’, 籽粒宽度与对照无显著性差异。
对倒二叶的长度和宽度测量结果表明, A4-57和
A6-32的叶片宽度显著大于对照, 而长度分别为对
照的58.8%和77.3%, 差异显著。而A3-83的叶片长
度与对照没有差异, 但叶片宽度仅为对照的79.7%,
差异显著(表1)。
2 苗期赤霉酸反应
本研究选用对赤霉酸敏感的白青稞作为对照,
经过100 μmol·L-1 GA3处理的白青稞胚芽鞘纤细易
断, 叶片呈乳白色, 与水处理对照相比有显著的差
异, 表现为赤霉酸敏感。对野生型和突变体来说,
经过赤霉酸处理后的幼苗形态表现与白青稞相同,
表明无论是野生型还是突变体, 都为赤霉酸敏感
型(图2)。研究进一步比较了赤霉酸处理第一叶长
和胚芽鞘长的影响, 结果表明(表2), 白青稞的胚芽
高润红等: 大麦DH矮杆突变体的表型分析及其对外源赤霉酸的响应 1787
表1 大麦亲本及突变体的不同性状的考查及差异显著性分析
Table 1 The characteristics of different traits between wild types and mutants barley
材料 株高/cm 粒长/cm 粒宽/cm 倒二叶长/cm 倒二叶宽/cm
‘花30’ 83.20±2.49a 0.95±0.05c 0.41±0.02c 47.30±2.88a 1.18±0.08c
A4-57 47.00±1.58c 0.80±0.03d 0.49±0.02a 27.83±0.78c 1.55±0.05a
‘花11’ 83.00±2.55a 1.08±0.04a 0.43±0.04b 37.97±1.85b 1.07±0.06d
A3-83 50.70±2.54b 0.99±0.03b 0.36±0.01d 36.70±2.00b 0.85±0.05e
A6-32 43.50±1.58d 0.80±0.02d 0.45±0.02b 29.33±0.40c 1.30±0.05b
　　同一列不同小写字母表示0.05水平上的显著性。
图1 大麦亲本及突变体的形态性状比较
Fig.1 The morphological characters of wild types and mutants barley
A: ‘花30’ (左), A4-57 (右); B: ‘花11’ (左), A3-83 (右); C: ‘花11’ (左), A6-32 (右); D: 亲本及突变体籽粒。
鞘长和第一叶长与对照相比达到显著水平。野生
型‘花30’和‘花11’以及相应的突变体的胚芽鞘长和
第一叶长与对照相比达到显著水平, 说明野生型
与突变体均为赤霉酸敏感型。
3 拔节期赤霉酸反应
在拔节期对野生型及突变体喷施100 μmol·L-1
GA3, 同时以喷施水为对照, 15 d后, 喷施赤霉酸的
所有材料与对照相比有显著差异(图3)。对喷施前
和喷施15 d后进行株高测量发现, 喷施水的材料与
15 d前相比株高有所增加 , 增加幅度在0.25%~
13.05%, 而喷施赤霉酸的材料与15 d前株高相比差
异显著, 增加幅度为30.31%~53.30%。对处理前后
株高增加百分比进行方差分析, 差异均达到极显
著水平(表3)。表明不管是野生型还是突变体材料
都对赤霉酸敏感。同时对赤霉酸处理后的株高增
加的相对值进行比较, 从图4中可以看出, 赤霉酸
处理后野生型‘花30’和‘花11’的株高增长量远远高
于突变体, 突变体中A4-57的株高增长量最小。该
结果表明尽管所有的材料都是赤霉酸敏感型的,
但是突变体对赤霉酸的敏感性要低于野生型, 而
且不同突变体之间对赤霉酸的敏感性也不相同, 对
赤霉酸敏感性的顺序为A3-83 > A6-32 > A4-57。
植物生理学报1788
图2 不同大麦株系幼苗对赤霉酸的反应
Fig.2 Effect of GA3 on the seedlings of different barley stains
–表示水处理; +表示100 μmol·L-1赤霉酸处理。
图3 野生型及突变体大麦拔节期对赤霉酸的反应
Fig.3 Effect of GA3 on the wild types and mutants barley at elongation stage
A: ‘花30’; B: A4-57; C: ‘花11’; D: A3-83; E: A6-32。
表2 赤霉酸对野生型及突变体大麦胚芽鞘长及
第一叶长的影响
Table 2 Effect of GA3 on the length of coleoptile and
the first leaf in wild types and mutants barley
材料
胚芽鞘长/cm 第一叶长/cm
对照 GA3 对照 GA3
‘花30’ 4.39±0.11 5.43±0.11* 11.68±0.28 15.72±0.37*
A4-57 2.81±0.06 3.20±0.13* 5.81±0.02 8.13±0.25*
‘花11’ 4.60±0.18 5.63±0.55* 9.42±0.35 12.53±2.12*
A3-83 4.51±0.10 5.55±0.18* 9.38±0.12 12.67±0.29*
A6-32 2.74±0.14 3.36±0.13* 5.88±0.87 8.83±0.13*
白青稞 5.10±0.09 6.08±0.10* 9.37±0.21 12.45±0.53*
　　*表示0.05水平上的显著性。
讨　　论
优良的矮秆基因或矮源的有效利用是大麦矮
化育种取得成功的关键, 大麦矮杆突变体的创制
不仅是改善株型和培育抗倒、高产新品种的基础,
也为研究矮杆的遗传机理提供了新的宝贵资源。
张京和孙立军(1993)将大麦的矮杆类型分为常矮
杆(50~70 cm)、特矮杆(30~49 cm)和超矮杆(<30
高润红等: 大麦DH矮杆突变体的表型分析及其对外源赤霉酸的响应 1789
表3 赤霉酸处理后野生型与突变体大麦株高增加百分比
Table 3 The percentage increased in plant height of wild types
and mutants barley after the GA3 treatment
材料
株高增长百分比/%
–GA3 +GA3
‘花30’ 0.25 44.72**
A4-57 13.05 30.31**
‘花11’ 4.07 53.30**
A3-83 2.93 42.48**
A6-32 8.21 52.53**
　　**表示0.01水平上的显著性。
图4 赤霉酸处理后野生型及突变体大麦株高相对
增长值的比较
Fig.4 The comparison of relative growth of plant height be-
tween wild types and mutants barley after GA3 treatment
cm)三种类型。在世界各地有代表性的29份矮杆
资源中大都为常矮杆, 特矮杆及超矮杆资源特别
少, 在育种价值上常矮杆>特矮杆>超矮杆。本研
究中突变体A3-83属于常矮杆, A4-57和A6-32属于
特矮杆, 常矮杆和特矮杆突变体的获得丰富了大
麦矮杆资源, 具有一定的育种利用价值。
Gale和Marshall (1975)研究发现, 赤霉酸不敏
感矮秆小麦品种的矮秆特性与GA3不敏感性是由
于同一基因的多效性造成的, GA3反应可用作矮秆
基因的标记性状及化学标记。水稻中GA相关突变
体的典型表现特征为: 矮秆, 叶呈深绿色, 粗糙, 相
似机制导致矮化会有一些共同的表现特征(黄秀芝
等2012)。本研究中突变体A4-57和A6-32株高显著
降低, 叶片变短变宽, 叶色较野生型深, 赤霉酸反
应为敏感型, 但是与亲本相比其敏感性下降, 推测
可能是由于GA信号途径存在一定的缺陷而导致矮
化, 需要进一步研究才能证实。
一些植株在矮化的同时也伴随着籽粒大小的
改变, 水稻GA不敏感型矮化突变体d1以及籼稻赤
霉酸敏感型矮杆突变体Tm049可能是由于与籽粒
发育相关的异源三体G蛋白参与了GA信号途径导
致矮化和籽粒变小(黄秀芝等2012)。本研究得到
的三份矮杆突变体的籽粒大小与对照相比有明显
差异, 小粒的性状与矮杆是否是由于GA的一因多
效引起的尚待研究。
诱变结合小孢子培养是获得突变体的有效途
径(陆瑞菊等2012, 2013, 2014)。本研究通过对60Co
γ-射线辐照并结合小孢子培养获得的三份矮杆突
变体的表型及对赤霉酸的响应进行初步探讨, 不
同突变体对赤霉酸响应的敏感性不同, 为赤霉酸
合成及信号传导途径的研究提供有用材料。关于
这三份突变体的遗传特性研究也正在进行中, 期
望能为大麦的矮化育种提供新的矮源。
参考文献
郭保宏(1989). 小麦矮秆遗传型对赤霉酸反应的初步研究. 作物品
种资源, 3: 13~15
黄剑华(2007). 小孢子和花药培养技术在作物定向遗传改良上的应
用. 作物研究, 3: 167~169
黄秀芝, 丁海东, 梁建生(2012). 籼稻矮杆突变体Tm049的表型分析
及其对外源赤霉素的响应. 玉林师范学院学报(自然科学), 33
(5): 12~18
江树业(2003). 水稻突变群体的构建及功能基因组学. 分子植物育
种, 1 (2): 137~150
陆瑞菊, 徐红卫, 陈志伟, 何婷, 杜志钊, 高润红, 王亦菲, 邹磊, 郭桂
梅, 卜姝明等(2012). 源于小孢子培养的大麦耐盐变异体获取.
植物生理学报, 48 (11): 1069~1078
陆瑞菊, 陈志伟, 何婷, 徐红卫, 杜志钊, 高润红, 王亦菲, 邹磊, 郭桂
梅, 卜姝明等(2013). 化学诱变剂和60Co处理对大麦小孢子低
氮胁迫培养的影响. 植物生理学报, 49 (12): 1442~1446
陆瑞菊, 刘成洪, 何婷, 陈志伟, 徐红卫, 杜志钊, 高润红, 王亦菲, 邹
磊, 郭桂梅等(2014). 源于大麦小孢子诱变-氮胁迫培养的DH
株系田间耐低氮性表现. 核农学报, 28 (3): 412~417
张京(2001). 中国大麦矮秆种质资源的基因分析. II. 矮秆基因的染
色体定位. 遗传学报, 28 (1): 56~63
张京, 孙立军(1993). 大麦矮秆品种株型特征及对赤霉酸反应的比
较研究. 北京农业科学, 11 (2): 1~5
Das A, Gosal SS, Sidhu JS, Dhaliwal HS (2000). Induction of muta-
tions for heat tolerance in potato by using in vitro culture and
radiation. Euphytica, 114 (3): 205~209
Gale MD, Law CN, Marshall GA, Worland AJ (1975). The genetic
control of gibberellic acid insensitivity and coleoptile length in a
“dwarf” wheat. Heredity, 34: 393~399
Gale MD, Marshall GA (1975). The nature and genetic control of gib-
berellin insensitivity in dwarf wheat grain. Heredity, 35: 55~65
Gao Y, Li T, Zhao Y, Lin W, Wang M (2010). Characterization of the
植物生理学报1790
gibberellic acid response of the Brassica napus L. em. Metzg.
dwarf mutant NDF-1. Genet Resour Crop Evol, 57: 481~485
Hedden P, Phillips AL (2000). Gibberellin metabolism: new insights
revealed by the genes. Trends Plant Sci, 5: 523~530
Qin R, Qin Y, Cheng Z, Shan X, Guo X, Zhai H, Wan J (2008). Ge-
netic analysis of a novel dominant rice dwarf mutant 986083D.
Euphytica, 160: 379~387
Richards DE, King KE, Ait-ali T, Harberd NP (2001). How gibberel-
lin regulates plant growth and development: a molecular genetic
analysis of gibberellin signaling. Annu Rev Plant Physiol Plant
Mol Biol, 52: 67~88
Sun TP (2000). Gibberellin signal transduction. Curr Opin Plant Biol,
3: 374~380
Sun TP, Gubler F (2004). Molecular mechanism of gibberellin signal-
ing in plants. Annu Rev Plant Biol, 55: 197~223
Yamaguchi S, Kamiya Y (2000). Gibberellin biosynthesis: its regula-
tion by endogenous and environmental signals. Plant Cell Phy-
siol, 41 (3): 251~257