三個(gè)小麥-大麥2H二體異代換系的細(xì)胞學(xué)及補(bǔ)償能力研究

劉宏魁，李世鵬，吳 穎，蘇勝忠，單曉輝，李 賀，韓俊友，陳 孝，原亞萍

(1.吉林大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130062； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

小麥和大麥?zhǔn)莾煞N重要的栽培作物，近百年來(lái)許多中外育種工作者一直致力于小麥-大麥雜交的研究工作并取得了較大的進(jìn)展。1973年，Kruse[1]首次獲得了可證實(shí)的小麥-大麥雜種植株；1978年，Islam[2-4]創(chuàng)造出了6個(gè)小麥-大麥二體異附加系和12個(gè)端體異附加系；1992年，Islam和Shepherd[5]選育出小麥-大麥3、4、6、7二體異代換系。近年來(lái)，研究者獲得了4BS·7HL小麥-大麥易位系[6]、4HL·5DL小麥-大麥易位系[7]及5HS-7DS·7DL小麥-大麥易位系[8]等材料，這些材料的獲得為向小麥轉(zhuǎn)移大麥有益基因奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但有關(guān)小麥-大麥2H二體異代換系的獲得及其遺傳穩(wěn)定性研究在國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)室用中國(guó)春ph1b突變體(CSph1b)與小麥-大麥2H二體異附加系(CS+Betzes 2H)雜交，并對(duì)其幼胚進(jìn)行組培，獲得SC2代材料數(shù)份，經(jīng)基因組原位雜交和與中國(guó)春重雙端體DDT2A、DDT2B及DDT2D測(cè)交及RFLP分析，最終鑒定并獲得了三個(gè)小麥-大麥2H二體異代換系2H(A)、2H(B)和2H(D)。

本研究采用基因組原位雜交(genomic in situ hybridization,GISH)技術(shù)，對(duì)這三個(gè)小麥-大麥2H二體異代換系在細(xì)胞學(xué)水平上的遺傳穩(wěn)定性加以分析驗(yàn)證，同時(shí)評(píng)價(jià)獲得材料的農(nóng)藝性狀，以期為所獲種質(zhì)資源的進(jìn)一步利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

大麥品種Betzes，小麥品種中國(guó)春(CS)，小麥-大麥2H二體異附加系CS+Betzes 2H(CS+2H)，小麥-大麥2H二體異代換系2H(A)、2H(B)和2H(D)。

1.2 方 法

1.2.1 細(xì)胞學(xué)觀察

小麥挑旗后，選取時(shí)期適宜的幼穗，經(jīng)初步鏡檢，將合適的花藥在卡諾固定液中固定半小時(shí)以上，分別用70%的酒精和蒸餾水各處理5 min，60 ℃ 0.5 mol·L-1HCl水解10 min，醋酸洋紅染色。

1.2.2 基因組原位雜交

以大麥品種Betzes的DNA為探針，采用隨機(jī)引物法用生物素Biotin-16-dUTP進(jìn)行標(biāo)記，以小麥品種中國(guó)春DNA作封阻。染色體制片、原位雜交反應(yīng)、洗滌、熒光信號(hào)的檢測(cè)和放大等程序均參照Fukui等[9]和原亞萍等[10]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥-大麥2H二體異代換系的染色體構(gòu)型

細(xì)胞學(xué)分析表明，小麥-大麥2H二體異代換系2H(A)、2H(B)、2H(D)的花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期I染色體構(gòu)型分別為 20.47Ⅱ + 0.30 I、20.43Ⅱ + 1.04 I和20.84Ⅱ + 0.27 I，三個(gè)代換系21Ⅱ的頻率分別為 92.56%、94.12% 和 95.41%，基本構(gòu)型為21Ⅱ(表1)，說(shuō)明它們?cè)诩?xì)胞學(xué)上是穩(wěn)定的。但由于外源染色體的存在，在三個(gè)代換系花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂后末期也觀察到了落后染色體、染色體橋及不同步分裂的現(xiàn)象，其出現(xiàn)的頻率為2H(A)大于2H(B)和2H(D)(表2)。

2.2 小麥-大麥2H二體異代換系細(xì)胞分裂的穩(wěn)定性

三個(gè)小麥-大麥2H二體異代換系2H(A)、2H(B)和2H(D)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期I的GISH結(jié)果表明，三個(gè)代換系分裂正常，含有一對(duì)大麥Betzes 2H染色體(黃綠色染色體信號(hào))和20對(duì)小麥染色體(圖1)，減數(shù)分裂后期正常向兩極分開(kāi)(圖2)，原位雜交圖直觀顯示出了各代換系細(xì)胞分裂的穩(wěn)定性。

表1 供試材料花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期Ⅰ的染色體構(gòu)型及數(shù)目Table 1 Chromosome configuration and its numbers of materials at PMCs MⅠ

括號(hào)中的數(shù)字為鏡檢染色體中單價(jià)染色體、棒型二價(jià)體或鈴型二價(jià)體的數(shù)目范圍。

The numbers in brackets represent the number of monovalent chromosomes,rod or ringbiverlent.

表2 供試材料花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂后末期的染色體構(gòu)型及數(shù)目Table 2 Chromosome configuration and its numbers of materials in PMCs at meiotic anaphase

2.3 小麥-大麥2H二體異代換系的農(nóng)藝性狀及2H對(duì)2A、2B及2D的補(bǔ)償能力

農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果表明，與CS和CS+2H相比，三個(gè)代換系苗期長(zhǎng)勢(shì)繁茂，分蘗多。同時(shí)各材料的花期也不盡相同，CS開(kāi)花最早，CS+2H、2H(D)比CS晚2 d，2H(A)和2H(B)比CS晚4 d。三個(gè)代換系2H(A)、2H(B)及2H(D)的穗型與親本差異較大，代換系小穗較疏松，2H(A)、2H(D)無(wú)芒，2H(B)頂部具小鉤芒(表3)。三個(gè)代換系籽粒較大、偏長(zhǎng)，粒型似附加系。從外觀品質(zhì)上看CS為半粉質(zhì)，而CS+2H及2H(A)、2H

黃綠色示大麥2H染色體。

Yellow-green indicates barley chromosome 2H.

圖1代換系花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期I(PMCsMI)GISH圖

Fig.1GISHpatternsofsubstitutionlineinPMCsMI

(B)和2H(D)為半角質(zhì)。三個(gè)代換系的株高與對(duì)照CS相近，穗長(zhǎng)及每株穗數(shù)大于親本CS，單株粒重、單株粒數(shù)及每穗的小穗數(shù)代換系2H(B)、2H(D)高于親本CS，而2H(A)卻低于親本(表4)。每穗不育小穗數(shù)及不育率三個(gè)代換系都高于對(duì)照，其中2H(A)的不育率較高，為40.44%，說(shuō)明2H代換2A后在小麥背景下依然具有某種程度的不協(xié)調(diào)。從各代換系的生活力和不育率看，大麥2H染色體對(duì)小麥2B、2D染色體的補(bǔ)償能力好于對(duì)2A染色體的補(bǔ)償能力(表3、表4、圖3)。

黃綠色示大麥2H染色體。

Yellow-green indicates barley chromosome 2H.

圖2 代換系花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂后期I的GISH圖

表4 大麥 2H染色體對(duì)小麥2A、2B及2D的補(bǔ)償能力Table 4 Compensation ability of barley 2H to wheat 2A,2B and 2D

圖3 小麥-大麥2H二體異代換系的穗部和籽粒性狀Fig.3 Spike and grain characters of wheat- barley 2H disomic substitution lines

3 討 論

將近緣物種的基因?qū)胄←準(zhǔn)且环N重要的遺傳改良方法，目前已經(jīng)將大麥[11]、濱麥[12]、長(zhǎng)穗偃麥草[13]和華山新麥草[14]等的遺傳物質(zhì)導(dǎo)入小麥，獲得了大量的異附加系、異代換系及易位系。一個(gè)優(yōu)良的異代換系要滿足以下幾點(diǎn)要求：細(xì)胞有絲分裂和減數(shù)分裂穩(wěn)定性強(qiáng)；外源染色體對(duì)被代換的普通小麥染色體有較好的補(bǔ)償作用；外源染色體(片段)最好攜帶有受體材料所需要的優(yōu)良基因，不帶入或很少帶入不良性狀的外源基因。

本試驗(yàn)對(duì)小麥-大麥2H二體異代換系材料進(jìn)行研究，細(xì)胞學(xué)觀察結(jié)果表明三個(gè)代換系在減數(shù)分裂中期的二價(jià)體數(shù)基本相似，但在減數(shù)分裂后末期2H(A)中出現(xiàn)染色體橋和斷片的比例較高，后末期高頻率的橋和斷片的出現(xiàn)可能是導(dǎo)致不育的主要原因。劉 洋等[12]以硬粒小麥D4286為受體導(dǎo)入八倍體濱麥基因獲得F7代材料，細(xì)胞學(xué)分析表明得到了小麥2D染色體缺失且遺傳穩(wěn)定的異代換系材料。王小華等[13]以小麥栽培種7182為受體導(dǎo)入十倍體長(zhǎng)穗偃麥草基因，獲得了小麥6A染色體被替換的異代換系材料。說(shuō)明小麥能夠接受多種外源基因并使其表達(dá)。

對(duì)三個(gè)代換系的農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其穗長(zhǎng)、每株穗數(shù)、粒數(shù)及粒重都高于小麥中國(guó)春，代換系2H(B)及2H(D)的生活力和育性好于2H(A)，表明大麥2H染色體對(duì)小麥2B和2D染色體的缺失有較好的補(bǔ)償能力。王小華等[13]的研究表明小麥-長(zhǎng)穗偃麥草的異代換系獲得了白粉病抗性，是一個(gè)良好的種質(zhì)資源。劉 洋等[12]的研究也表明，獲得的小麥-濱麥異代換系材料出現(xiàn)矮化性狀，具有較高的利用價(jià)值。Henry[15]與肖世和和陳 孝[16]的研究表明，位于大麥2H染色體上的-淀粉酶抑制蛋白基因，在導(dǎo)入小麥背景以后，可以在小麥背景中進(jìn)行表達(dá)，并且可用于控制小麥穗發(fā)芽。張 艷等[11]和Zou等[17]的研究表明，攜帶大麥2H染色體代換系的籽粒硬度、蛋白質(zhì)組成和淀粉特性等比中國(guó)春都有不同程度的改善。本研究表明2H代換系的農(nóng)藝性狀得到不同程度地改善，大麥2H染色體的導(dǎo)入及其衍生系將為小麥品種改良開(kāi)辟一條新途徑。

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