老芒麦（Elymus sibiricus）是禾本科披碱草属的多年生牧草,由于其具有较强的耐寒性,抗旱性,产草量高、草品质好、环境适应性强等优点,在我国西北地区,尤其是青藏高原地区的生态修复和草牧业工程中广泛推广应用。然而,严重的落粒性常导致老芒麦种子产量的极大损失,由此限制了老芒麦新品种的研发及推广应用。目前国内仅登记了8个品种,这些品种的育种目标多集中在产量方面,抗落粒品种培育未见报道。本研究在对国内老芒麦分子遗传多样性评价的基础上,从组织学、生理学、转录组学等方面研究了老芒麦种子落粒机制,筛选出一批落粒相关候选基因,同时针对落粒关键基因开展了基因功能验证。主要试验结果如下:1.在前期研究基础上筛选出53份具有落粒差异的国内老芒麦种质,使用SCoT标记研究了这些种质的遗传多样性及其亲缘关系。结果表明:16个SCoT引物共产生173条带,其中159条带是多态性的,多态性条带百分比为91.91%。居群结构分析将这些种质分为5个组。聚类分析将所有种质分为2个主要类群和3个子类群,分类结果与主坐标分析相似。分子遗传变异分析表明,地理区域内的遗传变异比地理区域间大,青藏高原地区的老芒麦种质遗传多样性在所有地理种群中最高,具有重要的育种利用价值。2.结合先前的落粒率评价和遗传多样性分析,筛选出青藏高原东北缘2份低落粒和4份高落粒野生老芒麦种质,通过扫描电镜、石蜡切片及酶联免疫法对这些材料的种子离区开展组织学和生理学相关研究。结果表明,老芒麦种子离区结构的形成时期早于种子脱落,离层由2至3层体积小、椭圆形的细胞紧凑排列组成且这些细胞木质化程度高于周围组织细胞,低落粒材料离层木质化细胞数量多于高落粒材料;低落粒材料在种子成熟期无明显的离层断裂,其断裂面粗糙,离层结构完整,而高落粒材料在种子成熟期出现明显的离层断裂,断裂面光滑且离层结构不完整;6份材料的纤维素酶（CE）与多聚半乳糖醛酸酶（PG）的活性变化趋势在种子发育各时期均有差异,在落粒关键期（抽穗后4⁵周）这两种酶活性均与种子脱落密切相关;供试材料的CE与PG活性在落粒关键期排序一致,且与同时期电镜观察结果一致;高落粒材料XH09在落粒关键期的两种酶活性均为最高(XH09_CE=479.52 IU·L^-1,XH09_PG=188.87 pg·mL^-1),而低落粒材料ZHN03两种酶活性均为最低。3.利用转录组测序技术对不同落粒基因型XH09和ZhN03的不同发育时期种子离区材料进行研究。用XH09和ZhN03离区组织的抽穗后7天、21天和28天样本构建cDNA文库并测序,结果表明:在“XH09-7 vs ZhN03-7”、“XH09-21vs ZhN03-21”和“XH09-28 vs ZhN03-28”基因集中,共注释了86,634个Unigene,并预测了7,110个差异表达转录本。这其中包括2,058个上调的Unigene和5,052个下调的Unigene。使用荧光定量PCR（qRT-PCR）验证了涉及细胞壁降解酶、木质素生物合成和植物激素活性的10个候选转录本的表达谱,其中8个基因在低落粒基因型ZhN03中上调,表明这些基因可能与减少种子落粒有关。同时,本研究也对高落粒基因型材料XH09的4个不同发育时期种子离区材料进行了转录组测序,以XH09离区组织的抽穗后7天、14天、21天和28天样本构建cDNA文库并测序,结果表明:在“DAH7 vs DAH14”、“DAH7 vs DAH21”和“DAH7vs DAH28”基因集中共获得92,832个注释的Unigene以及29,089个差异表达基因。多个分析方法指出“细胞壁组分代谢”、“木质素组分代谢”和“植物激素信号通路”中的大量差异表达基因可能参与落粒过程。加权基因共表达网络分析筛选出38个编码转录因子的核心基因,主要包括RAP2、eRF1、BEL1、HOX4/16、SRF、AGL14、AS1、WRKY11等,推测这些基因可能通过调控离区分化、形成和发育及细胞木质化等方式调节老芒麦种子落粒。4.利用转基因技术将老芒麦落粒关键基因Es-BEL1在拟南芥过表达以验证该基因的具体功能。结果表明:共筛选了3个过表达株系,与野生型拟南芥相比,过表达株系表现出发育迟缓、株型矮化、角果间距缩短、花器官脱落延迟、角果裂荚减少等特点。扫描电镜结果显示过表达株系离区细胞发育迟滞,体积减小。生理学指标检测结果表明过表达株系荚果的生长素含量和多聚半乳糖醛酸酶活性升高,而脱落酸和木质素含量下降。qPCR结果显示参与拟南芥果荚离区发育、离层细胞木质化、果荚（花）脱落的相关基因在过表达株系中均下调表达。由研究结果推测Es-BEL1基因可能参与老芒麦种子离区发育调控,该基因高表达可从多个层面调控并降低种子落粒。