《Theoretical and Applied Genetics》：Exploring the potential of naked barley to manage deoxynivalenol accumulation from Fusarium head blight
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针对赤霉病（FHB）引发的脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）污染问题，研究人员对244个裸大麦品系开展了全基因组关联分析（GWAS）。研究发现，裸大麦穗部总DON的32%累积于稃壳，且晚抽穗与稃壳DON含量升高相关。研究定位了多个与DON分布相关的数量性状位点（QTL）和单倍型，证实利用基因组选择可培育低DON污染风险的裸大麦品种。该研究为通过育种手段管理大麦DON污染提供了新策略。
在大麦生产的版图上，有一个令全球种植者和科学家都深感棘手的隐形敌人——赤霉病（Fusarium Head Blight， FHB）。这种由镰刀菌属真菌引起的病害，不仅在田间造成谷物产量和品质的巨大损失，更致命的是其侵染过程中会大量产生一种叫做脱氧雪腐镰刀菌烯醇（Deoxynivalenol， DON）的霉菌毒素。DON对人畜健康构成威胁，一旦在谷物中的含量超标，产品就会被市场拒之门外，给农业经济带来沉重打击。传统的病害管理，如使用化学杀菌剂，虽然有一定效果，但面临环境压力和有机农业无法使用的限制。因此，寻找能够“釜底抽薪”、从源头上降低DON污染的作物自身解决方案，一直是育种家和植物病理学家孜孜以求的目标。
此时，一种特殊的大麦类型——裸大麦（Naked Barley）进入了研究者的视野。它与我们常见的皮大麦（Covered Barley， 即带稃壳大麦）相比，最大的特点是在成熟脱粒时，稃壳会自然脱落，留下裸露的籽粒。此前有零星研究表明，皮大麦中相当一部分DON其实累积在稃壳中，通过物理去壳（pearling）可以将其去除。这不禁让人联想：如果本来就“天生无壳”的裸大麦品种，是否能天然地“甩掉”这部分存在于稃壳中的DON污染？更重要的是，在裸大麦这个特殊的遗传背景中，DON在穗部不同组织（稃壳、籽粒、穗轴）中的分布是否存在遗传变异？是否可以通过遗传改良，筛选出能将DON更多地“封锁”在即将被丢弃的稃壳中、从而保护籽粒安全的优异品系？这些问题至今未有系统性解答。
为了解开这些谜团，来自美国明尼苏达大学等机构的研究团队开展了一项深入的研究。他们以一个包含244个不要求春化处理（facultative）的裸大麦品系多样性面板（F_DIV panel）为研究对象，这些材料在芒型（二棱/六棱）和来源上高度多样。研究团队于2020和2021年，在两个人工接种了Fusarium graminearum（FHB的主要致病菌）的FHB病圃（位于明尼苏达州的圣保罗和克鲁克斯顿）中对这些品系进行了系统评估。他们不仅记录了病害严重度（FHB severity）、抽穗期（Heading Date）、株高（Height）等常规农艺性状，更创新性地将收获后的穗子手工分离为稃壳（Hull）、籽粒（Kernel）和穗轴（Rachis）三部分，并分别测定其中DON的浓度。利用覆盖全基因组的50K大麦SNP芯片对面板进行基因型分析后，研究团队分别采用了单SNP全基因组关联分析（Single-SNP GWAS）和基于单倍型的全基因组关联分析（Haplotype-based GWAS）来解析性状背后的遗传结构。此外，他们还评估了利用基因组选择（Genomic Selection）方法改良这些性状的潜力。这项研究成果最终发表在遗传学领域的重要期刊《Theoretical and Applied Genetics》上。
为开展上述研究，作者主要运用了以下关键技术方法：1) 田间病圃表型精准鉴定：在两个地点的FHB病圃中进行多年多点的田间试验，人工接种混合F. graminearum菌株，创造稳定发病环境，并系统调查病害严重度、抽穗期、株高等表型。2) 组织特异性毒素定量分析：手工分离穗部为稃壳、籽粒和穗轴组织，分别研磨后，采用气相色谱-质谱联用技术精确测定各部分DON浓度。3) 高通量基因型分析：利用Infinium 50K Barley SNP芯片对244个裸大麦品系进行全基因组基因分型，并通过严格质量控制获得高质量标记用于后续分析。4) 群体遗传与关联分析：结合混合线性模型进行单SNP GWAS和单倍型GWAS，以鉴定与DON分布等性状显著相关的分子标记、数量性状位点和单倍型区块，同时分析群体结构和连锁不平衡。5) 基因组预测评估：采用RR-BLUP模型进行五折交叉验证，评估利用全基因组标记对目标性状进行基因组选择的预测能力。
研究结果
1. 表型变异与广义遗传力估计
研究发现，F_DIV面板在所有性状上均存在显著变异。其中，株高和抽穗期表现出高遗传力（H2> 0.9），这与预期一致。而衍生性状，如稃壳DON比例（Hull DON proportion）和稃壳-籽粒DON比值（Hull-kernel DON ratio）遗传力较低，主要受较高的残差方差影响。
2. DON在籽粒、稃壳和穗轴中的分布
分析揭示，在完整谷粒（稃壳+籽粒）中，平均有32%的总DON位于稃壳中。六棱品系在稃壳和完整谷粒中的总DON含量均显著高于二棱品系。更重要的是，63%的品系其穗轴中的DON浓度高于稃壳，97%的品系其穗轴DON浓度高于籽粒。
3. 性状间的表型相关性
DON在稃壳中的含量与在穗轴中的含量呈强正相关（r = 0.80）。一个关键发现是，抽穗期与稃壳DON含量呈正相关，但与籽粒DON含量无关。这表明晚抽穗可能导致病菌侵染更多地局限在稃壳，而向籽粒的深层渗透因感染时间窗口缩短而受到抑制。
4. 单SNP GWAS
单SNP GWAS共鉴定出132个标记-性状关联，这些关联被定位到13个QTL，涉及除FHB严重度外的所有性状。大多数显著标记（72%）集中在2H染色体上。研究发现，在2H染色体上，抽穗期、稃壳DON含量、穗轴DON含量、株高、稃壳DON比例等性状的QTL区域存在重叠，揭示了性状间遗传基础的相互关联。其中27个标记在克鲁克斯顿和圣保罗两个地点均被检测到，表现出稳定性。
5. 单倍型GWAS
单倍型GWAS在结合环境中发现了12个显著的单倍型-性状关联，同样主要集中在2H染色体上，涉及稃壳DON（2个）、株高（2个）、穗轴DON（3个）和抽穗期（5个）。单倍型分析不仅验证了单SNP GWAS的结果，还额外发现了7个单SNP分析未检测到的基因组区域。例如，单倍型区块“chr2_hap92”与较低的稃壳DON、穗轴DON和较早的抽穗期相关联，其解释的表型变异与最显著的单SNP相当或更优。
6. 基因组预测
利用RR-BLUP模型进行的基因组预测显示，各性状的预测能力（predictive ability）从中等到较高不等，其中株高的预测能力最高（~0.72），稃壳DON的预测能力为0.38。这证实了利用基因组选择策略改良裸大麦、培育低DON污染风险品种的可行性。
研究结论与讨论
本研究系统性地证实了利用裸大麦管理DON污染的潜力。关键结论指出，裸大麦因其天生无稃壳的特性，可以在收获时自然去除占总DON约32%的稃壳部分，从而显著降低最终产品的毒素污染风险。这是裸大麦相较于皮大麦在应对FHB挑战时的一个独特优势。
研究揭示了裸大麦中DON分布的关键遗传规律。与皮大麦中常见的“晚抽穗与低DON相关”的模式不同，本研究在裸大麦中发现晚抽穗与稃壳中更高的DON含量相关，但与籽粒DON含量无关。这一颠覆性的发现可能意味着，在裸大麦中，晚抽穗造成的较晚侵染，其病菌和毒素的扩散更多地被限制在外部组织（稃壳），而未能充分侵入籽粒。这为通过调整抽穗期来定向调控DON在“可丢弃组织”（稃壳）与“可食用部分”（籽粒）间的分配提供了遗传学思路。
通过综合运用单SNP和单倍型GWAS，研究成功在2H染色体上鉴定出多个与DON分布、抽穗期、株高等性状紧密相关的QTL和单倍型区块。值得注意的是，位于2H染色体24.13–27.99 Mb区域的一个主效QTL与抽穗期和稃壳DON含量均相关，该区域内包含已知的光周期响应基因Ppd-H1的标记（如BK_15和JHI-Hv50k-2016–73422），这为阐明抽穗期与DON分布协同变异的分子机制提供了关键线索。
此外，研究中观察到的“穗轴DON浓度普遍高于稃壳和籽粒”的现象，对传统认为大麦具有优越的II型抗性（限制病菌在穗轴扩展）的观点提出了新问题，提示需要更深入地研究镰刀菌在大麦穗轴中的定殖与毒素产生动态。
最后，中等至较高的基因组预测能力表明，即使对于遗传力较低的复杂性状（如DON分布），基因组选择仍是一种有效的育种工具。这为快速聚合优良等位基因、培育兼具低DON污染风险与优良农艺性状的裸大麦新品种铺平了道路。
综上所述，这项工作不仅首次在大型多样性面板中量化了裸大麦DON的器官特异性分布，而且解析了其背后的遗传架构，将裸大麦从一个相对“冷门”的作物类型，提升为解决FHB毒素污染这一全球性难题的潜在“明星选手”。它为作物育种家提供了明确的遗传靶点和可行的育种策略（标记辅助选择与基因组选择），有望推动裸大麦在食品、饲料乃至麦芽生产等多用途领域的发展，帮助农民降低经济风险，提升产业韧性。
