偃麥草屬植物對小麥的遺傳改良研究進展

羅小軍 ，李 欣，喬麟軼，郭慧娟，賈舉慶，張樹偉，梅 超，暢志堅，張曉軍

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院作物科學研究所，作物遺傳與分子改良山西省重點實驗室，山西省主要農作物種質創新與分子育種重點科技創新平臺，山西太原030031；3.山西農業大學農學院，山西太谷030801）

偃麥草屬（Elytrigia）作為普通小麥（Triticum aestivum L.）的三級基因源，具有許多能夠改良小麥的優異基因，如抗病、抗旱、耐鹽、耐寒、耐高溫及優質、高產等。通過遠緣雜交將其優良基因導入小麥基因組中，選育和創造出人類需要的種質資源和新品種，對小麥優質、高產、抗病、抗逆等遺傳改良將起到積極的促進作用[1]。筆者圍繞偃麥草生物學分類、農藝特性、染色體組成及其在小麥遺傳改良中的應用研究進展進行了闡述與展望，以期對小麥遺傳育種實踐中高效利用偃麥草種質資源有所啟發。

1 偃麥草屬的生物學分類

偃麥草屬植物種類多樣，類型豐富，屬內各種間植物形態和生活習性存在許多差異，該屬的生物學分類也較為復雜多變。1753年，林奈最早把偃麥草劃分在小麥屬（Triticum）的多年生組里，1770年蓋特納將其從小麥屬中分出，劃入冰草屬（Agropyron），1810年DESVAUX首次提出了偃麥草屬（E-lytrigia Desv）的概念，1933年蘇聯學者NEVSKI和列夫斯基從形態學、植物地理學、解剖學以及細胞核型分析方面提出偃麥草屬的進化地位，并從冰草屬中分離出若干種，劃分到了偃麥草屬中[2-3]。從此，偃麥草屬作為獨立的屬受到各國學者的廣泛認可。1984年DEWEY[4]又把偃麥草屬歸入類麥屬（Thinopyrum），DEWEY通過30多年大量的種間和屬間雜種染色體配對分析，確定了冰草屬的分類范圍以及偃麥草屬與披堿草屬的細胞學界限，結束了三屬長期分類混亂的局面。顏濟等[5]研究認為，偃麥草屬的模式種偃麥草（Elytrigia repens（L.）Nevski）的染色體組成為StStStStHH，按染色體組成分應將其歸類到披堿草屬（Elymus L.）中，這樣偃麥草屬將失去理論支撐，偃麥草屬也不再作為單獨的一個屬存在。但由于長期的習慣，很多學者仍使用偃麥草屬這個名稱。

2 偃麥草生物特性以及染色體組成

偃麥草屬是禾本科小麥族小麥亞族的多年生草本植物，是許多牧區的優質牧草。全世界約有50多個種，主要分布在溫帶和寒帶，起源于歐洲、中亞和中東，以俄羅斯種類居多[6]。我國有6種，包括偃麥草、中間偃麥草、毛偃麥草、脆軸偃麥草、長穗偃麥草和硬葉偃麥草。在小麥遺傳改良中，應用較為成功的主要是中間偃麥草和長穗偃麥草[7]。

2.1 中間偃麥草的生物特性及染色體組成

中間偃麥草（Thinopyrum intermedium，2n＝6x＝42）又稱為天藍偃麥草、天藍冰草或中間薄冰草，是一種長日照、強冬性、多年生野生草本植物，原產于東歐，天然分布于高加索、中亞等地帶，在我國主要分布于青海、新疆、內蒙古、東北等地區[6]。在其原產區，株高一般為100～140 cm，穗長為20～30 cm，每穗大約有20～30個小穗。在山西晉中，株高80～140 cm，一般5月下旬抽穗，6月中旬開花，花藥淡黃色，花粉量大。它根系發達，耐寒性極強，免疫白粉、條銹、葉銹、稈銹等多種病害，同時高抗根腐病、葉枯病、紋枯病、赤霉病、黃矮病、條紋花葉病等，是小麥遺傳改良中重要的三級基因源[8]。

中間偃麥草是一個異源六倍體，國內外學者對其染色體組成作了大量研究。楊世湖等[9]根據小麥與中間偃麥草F1～F6減數分裂結果，認為中間偃麥草有2個染色體組，分別與普通小麥A組和D組同源，且與A組同源性更高，并把中間偃麥草的染色體組構成表示為AaDaX1。松村清二[10]研究認為，中間偃麥草與小麥共有染色體是B組，并以BEF表示其染色體組構成。STEBBINS等[11]通過（黑麥×中間偃麥草）F1減數分裂，認為中間偃麥草沒有與小麥同源的染色體組，表明了中間偃麥草的部分同源多倍性。直到1982年，樸真三[12]利用C帶技術研究中間偃麥草染色體后，發現有一組染色體與小麥B組染色體帶型有某些相似之處，另兩組則彼此相似。隨著細胞學與分子遺傳學技術的發展，尤其是植物分帶與原位雜交技術的普遍應用，中間偃麥草的染色體組成最終得到了較為統一的觀點：中間偃麥草含有2個親緣關系相近且與小麥具有一定同源性的染色體組。在這2個親緣關系相近的染色體組中，一組染色體可能是另一組染色體經過修飾與變化而來，二倍體長穗偃麥草和百薩偃麥草可能是它們最原始的供體，其染色體組分別表示為EeEe和EbEb或JJ和JsJs。第3組染色體與其他2個親緣關系較遠，其最原始親本供體可能是擬鵝觀草，染色體組表示為StSt或SS。中間偃麥草的染色體組構成可以表示為EeEeEbEbStSt或者JJJsJsSS[13-16]。中間偃麥草是小麥遺傳改良中應用較多，也較為成功的野生親本之一，逐漸成為小麥遺傳改良中具有重要利用價值的遺傳資源。

2.2 長穗偃麥草的生物特性及染色體組成

長穗偃麥主要包括二倍體長穗偃麥草（Thinopyrum elongatum，2n＝14）、四倍體長穗偃麥草（Agropyron elongatum，2n＝28）和十倍體長穗偃麥草（Thinopyrum ponticum，2n＝70）3 種類型[17]。其中，十倍體長穗偃麥草又稱為彭梯卡偃麥草、長穗薄冰草或高冰草，為多年生草本植物，再生能力極強，株高70～120 cm。在山西晉中，一般5月中旬抽穗，6月上旬到中旬開花，小花多，花粉量大，容易與小麥雜交。它根系發達、植株茂盛、抗寒抗旱、耐鹽能力強，同時對小麥葉銹病、稈銹病、條銹病、白粉病、大麥枯黃萎病、條紋花葉病和赤霉病等具有高度的抗性[18]。

一般認為，二倍體長穗偃麥草（2n＝14，EE或EeEe或E1E1）是十倍體長穗偃麥草的供體祖先種之一，其E染色體組是長穗偃麥草所有多倍體種所共有的，但四倍體長穗偃麥草（2n＝48，E1E1E2E2）是否由二倍體自然加倍而來尚無定論[19]。HENEEN等[20]通過四倍體長穗偃麥草與二倍體長穗偃麥草雜種F1減數分裂染色體行為分析認為，四倍體與二倍體為同源染色體組，但佟明友等[21]通過減數分裂染色體的構型和體細胞染色體分帶分析，認為四倍體長穗偃麥草只有一個染色體組來自二倍體長穗偃麥草，支持異源四倍體的觀點。李娜等[22]通過生化和SSR標記也認為，四倍體長穗偃麥草為異源四倍體。鐘冠昌等[8]通過對長穗偃麥草和中間偃麥草雜種后代減數分裂研究證明，十倍體長穗偃麥草和中間偃麥草中都存在一個E染色體組。隨后ZHANG等[23]又通過以擬鵝觀草DNA為探針的GISH和Southern雜交證明，十倍體長穗偃麥草中存在2個St染色體組，來源于擬鵝觀草（Pseudoroegneria spicata），Eb來源于百薩偃麥草（Thinopyrum bessarabicum），Ee來源于二倍體長穗偃麥草（Thinopyrum elongatum），還有一個染色體組未明確其來源，用Ex表示，并將十倍體長穗偃麥草染色體組成表示為：StStStStEbEbEeEeExEx。陸坤等[24]利用St基因組著絲粒附近高特異性反轉錄序列pStC1為探針，對十倍體長穗偃麥草進行了FISH分析，發現其染色體組成為28條St組染色體和42條E組染色體，進一步驗證了ZHANG等[23]的結論。

3 偃麥草在小麥遺傳改良中的應用

3.1 小麥與偃麥草屬中間材料的創制

將偃麥草的有用基因，通過遠緣雜交導入栽培小麥中，是現代小麥遺傳改良的重要研究內容。早在1930年，前蘇聯的H.B.齊津就開始了小麥與偃麥草、中間偃麥草、長穗偃麥草、毛偃麥草的遠緣雜交工作，并于1948年選育出了小冰1號、小冰186和小冰559等小冰麥新品種[25]。孫善澄[26]采用有性雜交、連續回交和后代定向選擇的方法，利用小麥和中間偃麥草選育出了中1、中2、中3、中4、中5等農藝性狀優良的八倍體小偃麥新物種——小麥—中間偃麥草部分雙二倍體，具有高抗條銹、葉銹、稈銹等優良性狀，其中，中4、中5高抗小麥黃矮病。張學勇等[27]利用長穗偃麥草與小麥雜交，獲得了小偃784、小偃7631以及中間偃麥草與小麥雜交的小偃78829等八倍體小偃麥。GAUDERON[28]利用回交法育成的小麥-中間偃麥草部分雙二倍體TAF46，對小麥黃矮病、條紋花葉病具有優良抗性。LIU等[29]在煙農15和中間偃麥草雜交后代中，利用St基因組作探針的GISH方法篩選出了抗白粉病的部分雙二倍體E990256。BAO等[30]綜合利用形態學、細胞學、基因組原位雜交等技術，從普通小麥與中間偃麥草雜種后代中選育出了TE253和TE257等10個TE系列八倍體小偃麥，且這些八倍體小偃麥的外源染色體中，可能攜帶有不同的抗條銹病或抗白粉病基因。

培育小麥-偃麥草的雙二倍體及部分雙二倍體，并以這些雙二倍體為橋梁創制與小麥親緣關系更近的異附加系、異代換系和易位系等，是克服直接遠緣雜交困難、雜種不育和雜種后代瘋狂分離的有效手段。CHANG等[31]利用普通小麥與中間偃麥草雜交獲得了 TAI7044，TAI7045，TAI7047，TAI8335等多個八倍體小偃麥，并用這些八倍體小偃麥作為橋梁親本，繼續與小麥進行雜交、回交，選育出了CHadd7001，CHadd7002[32]，CH13-21 等多抗性附加系和易位系。石丁溧等[33]在普通小麥與中間偃麥草的雜交后代中選育出了對條銹病和白粉病免疫的異附加系AF-2，并通過GISH證明了AF-2中附加了2條來自中間偃麥草的染色體。等[34]利用中國春與二倍體長穗偃麥草創制了中國春小麥-二倍體長穗偃麥草雙二倍體，并通過這個雙二倍體進一步創制了中國春的整套21個異附加系，為偃麥草染色體功能研究提供了寶貴的工具材料。

3.2 易位系的創制以及新品種的選育

較理想的異源易位系是將僅含目標基因的外源染色體小片段導入到小麥中，不僅不會破壞小麥原有的遺傳平衡，還避免了不良基因對小麥農藝性狀的影響。這樣的易位系能夠保證細胞學和遺傳學穩定性，可作為品種直接用于生產。辛志勇等[35]利用中國春ph1突變體誘導和組織培養技術，在世界上首次將中間偃麥草的黃矮病抗性導入小麥，育成了抗黃矮病易位系119880和119899。張增艷等[36]利用基因組原位雜交、RFLP標記等對抗黃矮病小麥新品系H960642進行了分析鑒定，確認已將攜帶抗黃矮病基因的中間偃麥草染色體片段易位到小麥7D染色體端部。董玉琛[37]用十倍體長穗偃麥草與小麥雜交，并通過回交、輻射等手段，成功培育出小偃4號、小偃5號、小偃6號等系列新品種，其中，1978年選育的小偃6號抗病、優質、高產，能夠適應不同的栽培環境，曾一度成為黃淮麥區的主栽品種。在此之后，國內外又有多名育種家通過各種手段，利用八倍體或六倍體小偃麥選育出了大量偃麥草與普通小麥的附加系、代換系、易位系以及漸滲系，例如，小偃503、小偃22、西農509、西農511、西農529等[38]，在小麥生產及抗病、抗逆研究中被廣泛應用。

3.3 偃麥草新基因向小麥的轉移及利用

截至目前，已在偃麥草中發現了多個抗病基因，其中，抗白粉病基因Pm40，Pm43來源于中間偃麥草，Pm51來源于十倍體長穗偃麥草；抗條銹病基因Yr50來源于中間偃麥草，Yr69來源于十倍體長穗偃麥草；抗葉銹基因 Lr19，Lr24，Lr29，抗稈銹基因 Sr24，Sr25，Sr26，抗赤霉病基因 Fhb7，都來源于長穗偃麥草，其中，抗赤霉病基因Fhb7已被定位于7E染色體的長臂上[39]；抗黃矮病基因Bdv2來源于中間偃麥草7Ai-1染色體長臂。這些抗病基因已被轉移到普通小麥中，在小麥抗病育種及糧食生產中已發揮或即將發揮重要作用。此外，也有一些偃麥草耐寒、耐旱、耐高溫、耐鹽堿及低磷耐受基因向小麥中轉移的報道。

4 展望

偃麥草屬植物中含有大量能夠改良小麥的有用基因，國內外雖對其進行了一定程度的研究和應用，但由于技術的局限性和偃麥草基因組的復雜性，偃麥草所含有的大量有用基因資源并沒有得到充分利用。目前應用較多的是偃麥草屬的抗病、抗逆基因，其他農藝性狀如優質、高產等方面的報道較少。因此，繼續加強對偃麥草屬植物的研究，創造偃麥草優良基因或染色體小片段快速導入小麥的程序和方法，為小麥進一步遺傳改良提供豐富的基因資源。