为满足日益增长的人口对粮食的需求,大量的氮肥投入到农业环境中。然而投入农田的氮肥有一半以上损失在空气和水中,对人类健康和环境产生负面影响。提高作物的氮效率(Nitrogenuse efficiency,NUE),减少田间氮肥施用,可以从源头上减少由于氮素流失而造成的环境污染,是农业可持续发展中一项经济有效的措施。大麦(Hordeum vulgare L.)是最早被驯化的作物之一,由于现代育种的发展和精耕细作,大麦品种的遗传多样性越来越狭窄,已经成为遗传改良的瓶颈。随着大麦基因组测序的完成,大麦已成为禾谷类作物中一个重要的二倍体模式作物。培育氮高效利用的大麦品种需要足够多的遗传多样性材料,因此创制氮高效突变体的种质资源成为大麦氮高效育种的一种有效方法。随着大麦小孢子培养技术的成熟,利用小孢子诱变结合低氮胁迫培养的方法获得新种质为创制大麦氮高效突变体材料提供了一条捷径。本研究利用小孢子化学诱变和低氮胁迫培养成苗,经过连续多年的田间筛选,获得了一些氮高效的突变株系。通过对突变株系和野生型的苗期干重、氮素积累量和根系形态进行比较分析,明确了突变株系和野生型的表型差异;进一步对参与氮素吸收和同化的相关基因的表达量进行分析,从分子水平阐明了突变株系氮素吸收增强的原因;并利用转录组测序的手段对野生型和突变株系的耐低氮差异机制进行研究,在突变株系中获得了一些响应低氮胁迫的差异表达基因。主要研究结果如下:1小孢子诱变结合低氮胁迫和田间筛选创制氮高效突变株系大麦品种花30的小孢子经过EMS和平阳霉素诱变结合低氮胁迫培养共获得了 356个双单倍体(DH)株系,对其中的229份DH株系通过连续四年的田间高氮和低氮筛选,以有效分蘖为指标筛选出5份表现优异的株系(A1-28、A1-84、A1-226、A9-29和A16-11),其中A1-28、A1-84、A1-226和A9-29通过小孢子EMS诱变结合低氮胁迫培养获得,A16-11通过小孢子平阳霉素诱变结合低氮胁迫培养获得。随后对这五份DH株系的氮效率相关指标包括氮素吸收效率、氮素利用biocontrol agent效率和氮素转移效率进行分析。其中四个突变株系(A1-84、A1-226、A9-29和A16-11)在高氮条件下具有较高的氮素吸收效率,两个株系(A1-84和A9-29)在低氮条件下具有较高的氮素吸收效率,而且这些株系的氮效率也显著提高。此外A1-28在低氮条件下的氮素转移效率显著高于野生型。这些结果表明,通过游离小孢子诱变结合低氮胁迫培养获得的DH株系经过田间筛选可以创制氮高效的突变株系,突变株系氮效率的提高主要依赖于氮素吸收能力的增强。2突变株系A9-29苗期形态特征及氮代谢相关基因的分析以高NUE突变株系A9-29和野生型花30为试验材料,分别在高氮水平(2.5mM NH4NO3)和低氮水平(0.1mM NH4NO3)下进行水培培养,测定苗期干重、氮素积累量、根系形态等指标,并在低氮下对参与硝酸盐吸收和同化的相关基因的表达量进行分析。结果表明,在高氮水平下,A9-29和花30在干物质和氮素积量方面DS-3201体外差异不明显;而低氮水平下,A9-29的干物质量、氮素积累量、氮吸收速率和根系吸收面积均高于花30。同时在低氮胁迫下,A9-29根系中的硝酸盐转运蛋白基因(HvNRT2/3)表达量较高,尤其是HvNRT2.1、HvNRT2.5和HvNR T3.3。同样,氮同化基因HvNIA1、HvNIR1、HvGS1_1、HvGS1_3和HvGLU2在A9-29根系中表达量显著增加。由此可见,突变株系A9-29在应对低氮胁迫的过程中的根系面积增大、硝酸盐转运蛋白和氮同化基因上调表达可能有助于提高其对氮素的吸收能力,从而促进A9-29的生长和氮素积累。3突变株系A9-29根系响应低氮的分子机制为揭示根系对低氮的响应及其氮高效相关的分子机制,对低氮条件下的突变株系A9-29和花30的根系形态和转录组进行比较分析。结果表明,低氮胁迫对A9-29的根系发ICI 46474采购育有显著影响,根系形态包括根长、根表面积和根体积随着处理时间的延长均显著提高。转录组分析发现,在低氮胁迫下,A9-29中有1779个差异表达基因上调表达,1487个差异表达基因下调表达。A9-29中特异性的差异表达基因主要富集在能量代谢、脂质代谢和其他氨基酸代谢中。此外,转录因子ERFs和生长素(IAA)相关基因在A9-29中特异性表达。这些相关基因可能参与调节根系生长和形态从而来抵御低氮胁迫。综上所述,在低氮胁迫下A9-29能够产生更多的能量,具有更强的抗逆性来促进根系形态的生长性能,从而增强低氮条件下对更多氮养分的吸收。本研究为大麦根系响应低氮胁迫的分子机制提供新的思路,同时为培育耐低氮大麦新品种奠定理论基础。