种质资源是大麦育种的物质基础,其中蕴藏着各种目标性状基因的丰富等位变异。基于自然群体的候选基因关联分析在挖掘育种重要目标性状功能基因及其优异等位变异方面具有独特的优势。不仅为育种提供具有目标性状优异等位基因的亲本材料,而且可以根据鉴定发现的优异等位变异,为开展分子标记辅助选择开发功能标记,从而提高大麦的育种效率、加快育种速度。抽穗期是决定大麦品种地区与季节适应性的重要农艺性状,在合适的时间抽穗开花不仅为完成其正常生命周期所必需,而且也是实现大麦高产的基本前提。HvVRN1和HvVRN2是春化通路中决定大麦生长习性的主要基因,HvVRN3、PPD-H1和PPD-H2是光周期通路中控制大麦抽穗期的重要基因。本文以中国大麦核心种质为实验材料,对这5个重要基因进行了重测序、基因型分子标记鉴定和单倍型分析;同时,采用SNP芯片技术,结合不同播期处理和多点表型鉴定,开展了基因等位变异和全基因组表型关联分析。主要研究结果如下:1.春化基因HvVRN1和HvVRN2的显隐性基因型鉴定结果表明,在野生大麦中没有发现Hvvrn1(v1)类型,栽培品种中V1和v1的比例分别为54%和46%。春化基因HvVRN2主要以V2为主,占86%,而v2只有14%。从野生大麦到农家品种再到育成品种中,v2的比例明显增加,分别为3%、10%和60%。v2主要分布在高纬度的北方春大麦区,并且随着纬度下降,v2的比例逐渐减少;在南方冬大麦地区,除了西南高原大麦区(XI)有少量分布外,几乎全部是V2的类型。2.开发出了鉴定HvVRN1显性等位基因V1单倍型的分子标记。在1398份中国大麦中,除V1-7之外,HvVRN1的其他9种单倍型均被检测到。其中,V1-2和V1-3是育成品种所特有,系谱分析推断这两个单倍型来源于国外大麦;V1-10为农家品种所特有,由于该单倍型在世界范围内,仅出现在处于亚热带的中国华南冬大麦区,因此认为是起源于中国的自然变异。HvVRN1的9种单倍型在中国大麦中的出现频率依次为:V1-8(35%)>V1-9(7%)>V1-5(6%)>V1-4(4%)>V1-1(3%)>V1-6(3%)>V1-10(2%)>V1-2(0.6%)>V1-3(0.3%)。野生大麦中,只有2种单倍型V1-4和V1-8,农家品种和育成品种分别包含8和9种单倍型。在地理分布上,单倍型V1-8的分布最广,并且,在青藏高原裸大麦区,几乎全部为V1-8;V1-1和V1-5主要分布在北方春大麦区,尤其在北纬44°N以上,只发现V1-5类型;v1和V1-6主要分布在黄淮和长江流域的冬大麦区,是中国冬性大麦品种的主要基因型;V1-9集中分布在西南高原冬大麦区,V1-10只分布在纬度<25°N的华南冬大麦区。本研究共发现HvVRN1和HvVRN2(V1/V2)等位基因变异组合的18种单倍型,地理分布与HvVRN1的一致,其中,单倍型V1-1/v2和V1-5/v2几乎全部分布在高纬度春大麦区。3.通过对703份大麦在北京秋播、春播和夏播,进行冬春性鉴定与HvVRN1等位变异的相关性分析,发现大麦的冬春生长习性首先是由HvVRN1决定,而且第一内含子的核心区段“0.44 kb”直接与冬春性相关,该核心区段缺失的单倍型V1-1、V1-2、V1-3、V1-5和V1-10均表现为强春性,并且不受HvVRN2和其他位点的影响。第一内含子存在该核心区段的单倍型v1、V1-4、V1-6、V1-8和V1-9中,春性、半冬性和冬性都有发现,且同时受到HvVRN2和其他位点的影响;但这些单倍型HvVRN1第一内含子其他区段发生缺失片段的大小与冬春性有一定关系,缺失片段越大春性比例越高。4.采用包含覆盖大麦全基因组的7000个snp位点的9k芯片,进行冬春生长习性的全基因组关联分析发现,不管参试材料分为冬性和春性(抽穗和不抽穗)或者分为冬性、半冬性和春性,hvvrn1(5h)和hvvrn2(4h)均显示为与冬春性相关的最主要位点。另外,位于2h染色体的hvcen基因对生长习性也有一定的影响,但7h染色体上的hvvrn3却对生长习性没有作用。除前人报道的这些位点以外,还发现1h、2h和6h染色体上也存在与生长习性显著相关的位点。5.为消除春化基因的干扰,采用包含7000个snp位点的9k芯片,对281份春化不敏感的春性大麦品种,进行了抽穗期全基因组关联分析。发现大麦光周期基因ppd-h1(2h)在哈尔滨、北京和青海等多地春播的较长日照条件下,对抽穗期具有显著作用,并且在哈尔滨春播环境下,ppd-h1对抽穗期的影响最大,但是在北京和驻马店两地秋播的较短日照下,对抽穗期没有作用。光周期基因ppd-h2(1h)在驻马店秋播和青海春播环境下,对抽穗期具有一定的作用,但在北京夏播和春播以及哈尔滨春播环境下,对大麦抽穗期似乎都没有影响。这进一步证明ppd-h1在长日照下发挥作用,而ppd-h2在短日照下发挥作用。研究还发现,在大麦2h染色体上与抽穗期相关的位点比其他染色体多,并且其53.47-58.78cm区段在多种环境下均极显著影响大麦抽穗期;除哈尔滨和北京顺义春播以外,在其余所有环境条件下,该区段都对大麦抽穗期的影响效应最大。6.在377份中国大麦中,共发现hvvrn3基因67个等位变异位点,包括61个snp和6个插入/缺失,除4个发生在内含子外,其余都在启动子上。根据启动子snp927(t/c)和第一内含子(tc-ag)变异类型,可以区分hvvrn3的显性和隐性。在中国大麦中,hvvrn3(v3)占97.1%,hvvrn3(v3)只占2.9%。hvvrn3基因的67个等位变异共形成10种单倍型。其中,h1和h9主要分布在青藏高原地区,并且h1是该区特有的单倍型;h4只分布在高纬度的东北春大麦区;h2、h7和h8是中国大麦地理分布最广的单倍型。根据多点鉴定,h4是晚熟单倍型,h8为早熟单倍型,两者的抽穗期相差4-15天,在需要早熟品种的生态区,h8具有较大的应用价值。在hvvrn3重要等位变异位点的组合中,t-0-4-ag类型在所有春播环境下都表现晚熟,与c-0-4-tc和c-4-0-tc之间的差异极显著,相差4-12天。7.在381份中国大麦中,共检测到ppd-h1基因44个等位变异位点,包括5个indel和39个snp,分布在启动子、内含子和外显子上,其中外显子上的12个snp变异导致氨基酸突变。ppd-h1基因的这44个等位变异共形成17种单倍型。其中,h2、h4、h5、h6、h12和h15是中国大麦的主要单倍型,h2和h12为青藏高原地区的主要单倍型,h4主要分布在高纬度的东北春大麦区,h5、h6和h15为其余各生态区的主要单倍型。在中国大麦中,光周期基因ppd-h1大部分是以显性ppd-h1形式存在,占87.9%,隐性ppd-h1只占12.1%。8.ppd-h1等位变异与表型之间的线性关联分析发现,位于cct结构域内的一个单核苷酸变异snp37与抽穗期相关显著,并且这个位点只在春播较长日照条件下影响抽穗期,在驻马店和北京两地秋播较短日照下对抽穗期没有影响。在ppd-h1主要的单倍型中,除了驻马店秋播以外,单倍型h5、h6和h15在哈尔滨、北京和青海春播,均表现为早抽穗,与晚抽穗的单倍型h2、h4和h12相差4-14天。在长日照环境下,ppd-h1较ppd-h1早抽穗,并且差异达到极显著水平;但在日照较短的环境下,该基因的显、隐性等位变异之间抽穗期没有差异。9.分子标记鉴定发现,中国大麦以ppd-h1为主,在364份携带显性ppd-h1的材料中,共检测到13个等位变异位点,包含11个SNP和2个插入/缺失,构成9种单倍型。关联分析显示,SNP10(A/G)在除秋播以外的所有环境下,与抽穗期显著相关。根据SNP10(A/G),将PPD-H2的主要单倍型分为早熟和晚熟两种类型。早熟类型包含H2、H3、H4和H6等单倍型。在这4种早熟单倍型中,H6在所有环境下都表现早抽穗,H4在除驻马店以外的所有环境下表现早抽穗。晚熟类型包含H7、H8和H9,在除驻马店秋播环境以外的所有环境下都表现晚抽穗。早熟和晚熟类型两者的抽穗期相差3-13天。