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穗发芽(PHS，preharvest sprouting)是影响禾本科作物生产的重要的灾害之一。收获时期如遇潮湿天气容易导致穗发芽发生。发生穗发芽的种子内部水解酶(主要是α-淀粉酶)活性急剧升高，胚乳贮藏物质开始降解，造成作物产量和品质严重降低。因此，选育低穗发芽风险的品种是当前作物育种工作中面临的重要任务。
青稞(Hordeum vulgare ssp. vulgare)主要分布于青藏高原，自古以来就是青藏高原人民的主要粮食。近年来，由于青稞丰富的营养成分和特有的保健品质、在燃料工业中的潜力以及在啤酒酿造工业中的利用前景，在发达国家日趋受到重视，掀起综合研究利用的热潮。我国拥有占全世界2/3以上的青稞资源，具有发展青稞产业的得天独厚的条件。然而，由于青稞收获期间恰逢青藏高原雨季来临，常有穗发芽灾害发生，使青稞生产损失巨大。目前对青稞穗发芽研究很少，适用于育种的穗发芽抗性材料相对缺乏，不能很好的满足青稞穗发芽抗性育种的需要。本研究以青藏高原青稞为材料，对其穗发芽抗性的评价指标和体系进行构建，同时筛选青稞抗穗发芽品种并对其抗性进行评价，还利用分子生物学手段对青稞穗发芽抗性的分子机理进行了初步探讨。主要研究结果如下：
1.本试验以来自于我国青藏高原地区的青稞为材料，对休眠性测定的温度范围进行探讨，并对各种穗发芽抗性测定方法的对青稞的适用性进行评测。通过探讨温度对13个不同基因型的青稞籽粒发芽和休眠性表达的影响，对筛选青稞抗穗发芽资源的温度条件进行探索，并初步分析了其休眠性表达的机理。在10，15，20，25，30℃的黑暗条件下，选用新收获的13个青稞品种为材料进行籽粒发芽实验，以发芽指数(GI)评价其休眠性。结果发现，不同品种对温度敏感性不同，其中温度不敏感品种，在各温度条件下均表现很低的休眠性；而温度敏感品种，其休眠性表达受低温抑制，受高温诱导。15℃至25℃是进行青稞休眠性鉴定的较适宜的温度范围。通过对供试材料发芽后的α-淀粉酶活性，发现温度对青稞种子的休眠性表达的影响至少在一定程度上表现在对α-淀粉酶活性的调控上。随后，对分别在马尔康和成都进行种植的34份青稞穗发芽指数(SI)，穗发芽率(SR)，籽粒发芽指数(GI)和α-淀粉酶活性(AA)进行了测定和分析，发现它们均受基因型×栽培地点的极显著影响，且四个参数之间具有一定相关性。GI参数由于其变异系数较低，在不同栽培地点稳定性好，且操作简便，是较可靠和理想的穗发芽评价参数。SI参数可作为辅助，区别籽粒休眠性相似的材料(基因型)或全面评价材料(基因型)的穗发芽抗性特征。AA参数稳定性较差，并且检测方法复杂，因此不建议在育种及大量材料筛选和评价时使用。此外，青稞穗发芽抗性受环境影响较大，评价时应考虑到尽可能多的抗性影响因素及其在不同栽培条件下的变异。
2.对来自青藏高原的青稞穗发芽抗性特征及其与其它农艺性状间的关系进行研究。通过测定穗发芽指数(SI)、籽粒发芽指数(GI)和α-淀粉酶活性(AA)，表明113份青稞材料的穗发芽抗性具有显著差异。SI、GI和AA参数的变幅分别为1.00～8.86、0.01～0.97和0.00～2.76，其均值分别为4.72、0.63和1.22。根据SI参数，六个基因型，包括‘XQ9-5’，‘XQ33-9’，‘XQ37-5’，‘XQ42-9’，‘XQ45-7’和‘JCL’被鉴定为抗性品种。综合SI、GI和AA参数，可以发现青稞的穗发芽抗性机制包含颖壳等穗部结构的抗性和种子自身的抗性(即种子休眠性)，且供试材料中未发现较强的胚休眠品种，除‘XQ45-7’外，所有品种在发芽第四天均能检测出α-淀粉酶活性。穗部结构和种子休眠的抗性机制因基因型不同而不同，在穗发芽抗性中可单独作用或共同作用。农家品种和西藏群体分别比栽培品种和四川群体的穗发芽抗性强，而在不同籽粒颜色的青稞中未发现明显差异。相关性检验发现，青稞的穗发芽抗性，主要是种子休眠性，与百粒重、开花期、成熟期、穗长、芒长和剑叶长呈显著负相关关系，与株高相关性不显著。农艺性状可以作为穗发芽抗性材料选育中的辅助指标。本试验为青稞穗发芽抗性育种研究提供了必要的理论基础和可供使用的亲本材料。
3.α-淀粉酶是由多基因家族编码的蛋白质，在植物种子萌发时高度表达，与植物种子的萌发能力密切相关。在大麦种子发芽时，高等电点α-淀粉酶的活性远大于低等电点的α-淀粉酶。为了研究不同穗发芽抗性青稞品种中编码高等电点α-淀粉酶Amyl基因结构与抗性间的关系，笔者以筛选得到的抗性品种‘XQ32-5’(TR1)、‘XQ37-5’(TR2)、‘XQ45-7’(TR3)，易感品种‘97-15’(TS1)、‘9657’(TS2)以及强休眠大麦品种‘SAMSON’(SAM)为材料，对其Amyl基因的编码区序列进行克隆和结构分析，并对它们推导的氨基酸序列进行比较。结果显示，青稞Amyl基因具有三个外显子、两个内含子，编码区中有13个核苷酸变异位点，均位于2、3号外显子，2个变异位点位于2号外显子。SAM和TS1分别在2号外显子相应位置有5个相同的碱基(GAACT)的插入片段。相应α-淀粉酶氨基酸序列推导发现，所有核苷酸变异中有8个导致相应氨基酸残基的改变，其余位点为同义突变。青稞Amyl基因编码区序列品种间相似度高达99％以上，部分序列变异可能与其穗发芽抗性有关。随后，笔者又通过SYBR Green荧光定量技术对该基因在不同发芽时间(1d～7d)的相对表达水平进行了差异性检测。结果发现，7天内不能检测到SAM的Amyl基因表达，5个青稞品种间的Amyl基因的相对表达量均随着发芽时间延长而上升，但上升方式有所不同。弱抗品种该基因表达更早，转录本增加速率更大，且在4-5天可达到平台期。发芽7天中，抗性品种总转录水平明显低于易感品种。本研究结果表明，青稞Amyl基因的转录水平是与其穗发芽抗性高度相关。
我国青藏高原青稞，尤其是农家品种的穗发芽抗性具有丰富的变异，蕴藏着穗发芽抗性育种的宝贵资源。本研究为青稞穗发芽抗性育种建立了合理抗性评价体系，筛选出可供育种使用的特殊材料，阐明了农艺性状可辅助穗发芽抗性育种，同时还对穗发芽抗性与α-淀粉酶基因的结构和表达关系进行分析，为青稞穗发芽抗性资源筛选奠定了基础。