偏凸—柱穗山羊草雙二倍體SDAU18的細胞遺傳學鑒定

摘要：利用壓片法對偏凸山羊草和柱穗山羊草及其雙二倍體SDAU18的細胞學特點進行了鑒定。結果表明：兩親本偏凸山羊草和柱穗山羊草的小孢子發生和花粉發育正常，二者結實率較高，分別為90.5％和93.2％。雙二倍體SDAU18的小孢子發生過程基本正常，花粉母細胞減數分裂中期I(PMC M I)的染色體構型基本上為28Ⅱ；減數分裂后期I，每個細胞落后染色體平均0.95條；四分體期，每個四分體微核數平均為0.58個。在SDAU18花粉發育的每個時期都產生了低頻率的敗育花粉。在三細胞成熟花粉期，SDAUl8可育花粉率為88％，結實率為71.2％，明顯低于雙親。

關鍵詞：偏凸山羊草；柱穗山羊草，J、麥；雙二倍體；鑒定

中圖分類號：$343.244 文獻標識號：A 文章編號：1001—4942(2010)09—0001—04

長期的小麥品種間雜交選育，導致小麥的遺傳變異范圍越來越小，栽培小麥對病蟲、鹽堿等自然災害的抗性越來越弱。為了豐富小麥的遺傳基礎，進一步提高小麥的抗病性、抗逆性及適應性，迫切需要從小麥近緣屬中導入優良基因，以改良小麥性狀。

偏凸山羊草(Aegilops ventricosa，DDNN)和柱穗山羊草(Aegilops cylindrict，DDCC)屬于小麥族山羊草屬的粗山羊草組。二者均為四倍體且都含有與普通小麥(AABBDD)基因組高度同源的D基因組，且具有多種抗病、抗蟲、抗逆等優良性狀，在小麥的遺傳改良中具有重要的研究和利用價值。但是，偏凸山羊草直接與小麥雜交親和性較差以及柱穗山羊草與普通小麥的雜種F₁代高度不育，限制了它們的有效利用。山東農業大學王洪剛等通過偏凸山羊草和柱穗山羊草雜交選育出雙二倍體SDAU18，利用其與小麥的雜交試驗結果表明，它與小麥具有較高的雜交親和性，雜種育性較好，是通過雜交向小麥轉移偏凸山羊草和柱穗山羊草有益基因的優良種質材料。

本研究利用壓片法對SDAU18的主要細胞學特點進行了鑒定，以便為其進一步研究和有效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究利用的植物材料有偏凸山羊草、柱穗山羊草及其雙二倍體SDAU18，偏凸山羊草和柱穗山羊草引自中國農業科學院，SDAU18引自山東農業大學農學院。

1.2 方法

花粉母細胞減數分裂染色體構型分析及根尖染色體數目鑒定，參照林小虎等的方法，略有改動。自交結實率統計，參照王玉海的方法進行。

2 結果與分析

2.1 根尖染色體數目和PMC M I染色體構型分析

利用改良卡寶品紅染色壓片技術對偏凸山羊草、柱穗山羊草和SDAUl8的PMC M I染色體構型進行了分析，統計結果列于表1。可以看出，偏凸山羊草的平均染色體構型為：2n=10.92ⅡR+3.08ⅡO=28，柱穗山羊草的平均染色體構型為：2n=12.73ⅡR+1.27ⅡO=28，即雙親的PMCM I染色體構型均由二價體組成；SDAU18的平均染色體構型為：2n=0.21 I 4-21.28ⅡR+6.50Ⅱ0+0.001Ⅲ+0.004ⅣR+0.001ⅣO=56，其根尖細胞染色體數目為56(圖1A)，這表明，SDAU18是一個偏凸山羊草和柱穗山羊草的完全雙二倍體。對SDAUl8的PMC M I的觀察結果還表明，雖然在PMC M I觀察到低頻率的多價體和單價體(圖1B、圖1c)，但大部分細胞的染色體構型為28Ⅱ(圖lD)，這表明，SDAUl8在細胞學上已基本穩定。

2.2 PMC A I落后染色體分析

對SDAUl8及其雙親花粉母細胞減數分裂后期I(PMC A I)落后染色體出現的頻率進行了統計(表2)，由表2可以看出，在偏凸山羊草減數分裂的后期I，極少觀察到落后染色體；在柱穗山羊草中未觀察到落后染色體；而在SDAU18減數分裂后期I出現了一定頻率的落后染色體(圖2A)，每個細胞平均為0.95條，但多數PMC A I表現正常(圖2B)。

2.3 PMC四分體期微核出現的頻率

在花粉母細胞減數分裂的四分體期，對雙二倍體SDAU18及其雙親的微核出現頻率進行了統計，結果(表3)表明，在偏凸山羊草和柱穗山羊草的四分體中未觀察到微核。在SDAUl8的四分體中則觀察到一定頻率的微核(圖3A)，每個四分體平均為0.58個，每個子細胞平均0.14個。但絕大多數四分體表現正常(圖3B)。

四分體形成后，由于胼胝質的溶解，四個小孢子彼此分開。最初，小孢子細胞質濃厚，細胞核較大，居中，無明顯的細胞壁，即單核居中期。隨著小孢子的進一步發育，出現由小到大的液泡和外壁，小孢子體積迅速增大，細胞核逐漸被液泡擠到細胞一旁，即單核靠邊期。小孢子發生至此完成。

2.4 花粉的發育

偏凸山羊草和柱穗山羊草的花粉發育的各個時期基本相似。即：小孢子單核靠邊期之后，核分裂，形成二細胞花粉，它含有一個具有較多細胞質的營養細胞和一個具有極少細胞質的生殖細胞，并且，前者的細胞核染色較淡，后者較深。繼后，生殖細胞分裂，形成兩個具有近圓形細胞核的精細胞，經進一步發育成為成熟的三細胞花粉，它含有一個營養核和兩個含有極少細胞質的精細胞，兩個精細胞通常具有一頭尖和一頭鈍的細胞核。

SDAUl8的花粉發育過程與其親本基本一致(圖4)，但與其雙親相比存在一定的敗育現象。在花粉發育的單核靠邊期、二細胞花粉期和成熟三細胞花粉期，分別統計了兩個親本及其雙二倍體SDAUl8的花粉敗育率。由表4可看出，在花粉發育的任何時期都可發生花粉敗育，在單核靠邊期，SDAU18花粉的敗育率為8％，明顯高于親本偏凸山羊草和柱穗山羊草1％和2％的敗育率。該時期SDAU18的花粉敗育有多種情況，譬如，有的單核靠邊花粉，細胞質首先敗育，然后細胞核逐漸濃縮，并形成不同大小的團塊，最終消失；有的單核靠邊花粉，細胞質已經敗育或幾乎敗育，隨后細胞核逐漸解體敗育。

在二細胞花粉期，SDAU18的花粉敗育率為11％，也明顯高于兩個親本(均為5％)；隨著花粉的發育，敗育花粉的數量基本不再增加，成熟三細胞花粉期，SDAUl8花粉敗育率為12％，即88％的花粉是可育的，而兩親本偏凸山羊草和柱穗山羊草的敗育率分別為4％和5％，即分別有96％和95％的花粉是可育的。由此可見，在成熟三細胞花粉期，SDAUl8的可育花粉率低于兩個親本。由表4還可看出，偏凸山羊草和柱穗山羊草自交結實率較高，分別為9005％和9302％，而SDAU18的結實率明顯低于其雙親，僅為7102％。

3 結論與討論

偏凸山羊草(DDNN)和柱穗山羊草(DDCC)皆為四倍體種，且都含有兩個D染色體組。從理論上講，由它們合成的完全雙二倍體，在PMC MI中可能聯會成較高頻率的四價體，但染色體構型分析結果表明，在SDAUl8的PMC M I染色體構型中四價體聯會頻率很低，幾乎全部是二價體。這可能是由于柱穗山羊草中含有部分同源染色體聯會的抑制基因——類PH1基因，也可能是由于偏凸山羊草和柱穗山羊草的D染色體組在各自進化過程中，已發生了較大的遺傳分化，這有待于進一步研究。

SDAUl8在減數分裂后期出現的落后染色體數(0.95條／細胞)及四分體期微核出現頻率(0.56個／四分體)均高于兩個親本。這說明SDAUl8的小孢子發生過程還存在一定的紊亂。盡管如此，在成熟三細胞花粉期，SDAU18的可育花粉率仍高達88％，與兩親本偏凸三羊草和柱穗三羊草的可育花粉率(分別為96％和95％)的相對差異并不是太大。因為每朵小花中有3枚花藥，每個花藥有成千上萬粒花粉，所以從可育花粉的數量上來說，SDAU18 88％的可育花粉完全能夠為雌蕊提供足夠的可供選擇的正常花粉，滿足傳粉受精的需要。但實際上，SDAU18植株結實率只有71.2％，明顯低于兩個親本，這表明雜種SDAU18花粉的敗育不是導致其植株結實率偏低的主要因素。至于其雌配子的發生、發育和受精過程以及胚胎發育是否正常有待于進一步研究明確。