內麥系列小麥品種(系)的染色體結構變異分析

2021-09-23 08:42:46關淑仙黃輝躍汪仁全王相權王仕林榮飛雪楊杰智鐘光躍周海燕陳新媛黃書盈

麥類作物學報 2021年6期

關淑仙，黃輝躍，汪仁全，王相權，王仕林，榮飛雪，楊杰智，鐘光躍，周海燕，陳新媛，李明，黃書盈

(四川省內江市農業科學院，四川內江 641000)

由于大多數育種單位多年的定向育種，導致小麥的遺傳基礎日益狹窄，抵御風險的能力逐漸下降[1-2]。評價材料的遺傳多樣性有利于小麥育種親本的選擇，從而避免使用同一骨干親本。在遺傳分析中，分子標記是常用的工具。這些分子標記能方便和快捷地跟蹤一些優良性狀/基因，但是分子標記不能反映染色體區段的具體結構變異。而植物染色體核型分析是研究植物染色體數量及結構變異、形態結構特征和物種起源與進化關系的重要方法，在植物育種中具有重要應用價值[3-6]。近年來，在植物染色體核型分析中越來越多的研究采用某些克隆重復序列或寡核苷酸序列為探針，利用熒光原位雜交技術(FISH)技術建立FISH核型圖。FISH技術是一種根據堿基互補配對原則，使帶有熒光物質的探針與目標DNA接合，最后用熒光顯微鏡可直接觀察目標DNA所在的位置。近幾年利用FISH技術，在小麥染色體結構變異和外源染色體識別方面已經有很多報道[7-8]。利用寡核苷酸探針和FISH技術，可以反映不同小麥品種(系)的染色體結構差異[9]。Tang等[10]利用寡核苷酸序列探針pTa535和pSc119.2，清晰地識別了小麥A、B和D基因組染色體，并建立了中國春的標準FISH核型圖。Huang等[9 ]利用一系列寡核苷酸序列探針，對373個栽培品種及骨干親本進行FISH分析，發現了大量的多態類型和結構變異，并根據FISH核型對其進行分類。蒽瑋等[11]通過對南麥號系列小麥品種進行FISH核型分析，明確了南麥號系列小麥品種及其親本的染色體結構特點。因此，利用基于寡核苷酸探針的FISH技術，可以快速、方便地分析小麥親本及其衍生系的染色體結構差異，進而跟蹤親本染色體結構在衍生系中的變異情況。內麥系列品種(系)是由四川省內江市農業科學院選育的高產且高抗條銹病品種(系)，連續多年遴選為四川省及全國主導品種，在長江上游區廣泛種植，取得顯著的社會經濟效益。本研究利用內麥號系列品種(系)進行染色體核型分析，研究這些材料的染色體結構變異情況，以期為小麥育種提供更為直觀的遺傳變異參考。

1 材料與方法

1.1 材料

21份普通小麥(AABBDD,2n=42)材料(表1)，均由四川省內江市農業科學院選育。中國春(CS)作為FISH核型的對照。

1.2 方法

每份材料隨機選取5粒種子，置于濕潤濾紙的培養皿中，4 ℃過夜(約24 h)，露白后轉移到 23 ℃恒溫培養箱中。待根長達到1～2 cm時剪取，用一氧化二氮密封處理4 h，之后用乙酸固定5～10 min，70%乙醇保存[13]。取根尖2～3 mm部分，在纖維素酶/果膠酶溶液(2∶1，w/w)中酶解，得到的懸浮液滴到載玻片上，于顯微鏡下鏡檢并拍照[12]。

熒光原位雜交過程參照Hao等[13]的方法進行，所有材料的FISH核型分析參照Tang等[9]的標準。利用TAMRA(6-carboxytetramethylrhodamine)和6-FAM(6-carboxy-fluorescein)分別標記的寡核苷酸pTa535和pSc119.2作為探針(pTa535和pSc119.2探針能清晰識別普通小麥A、B和D基因組所有染色體)，對所有材料進行FISH核型分析。pTa535和pSc119.2兩種重復序列最初分別來源于普通小麥和黑麥。pTa535和pSc119.2兩種寡核苷酸探針均由上海生工生物工程股份有限公司合成。

2 結果與分析

2.1 21份小麥材料和中國春的FISH分析

利用pSc119.2和pTa535探針對21份材料和中國春根尖細胞進行原位雜交分析，建立了FISH標準核型圖(圖1)。從pSc119.2的FISH帶型看，有5份材料(內麥482、內麥0821、內麥919、內麥071和內麥854)含1RS/1BL易位染色體。這5份1RS/1BL易位系材料在之間的試驗中高抗條銹病，為今后培育高抗條銹病材料提供了新的育種資源。

所有材料的B基因組染色體以及2D和4D染色體上都有pSc119.2信號。A基因組染色體上的pSc119.2信號有7種類型：1、1A、2A、5A和6A染色體上均有pSc119.2信號(內麥366); 2、4A、5A和6A染色體上均有pSc119.2信號(內麥9號、杏麥2號、靖麥19、內麥2889、內麥836和內麥316)；3、5A和6A染色體上均有pSc119.2信號(內麥5348); 4、4A和6A染色體上均有pSc119.2信號(內麥482)；5、4A和5A染色體上均有pSc119.2信號(中國春、內麥561、內麥919、內麥071和內麥673); 6、僅5A染色體上有pSc119.2信號(內麥416、內麥866和內麥101)；7、僅4A染色體上有pSc119.2信號(內麥0821、內麥538、內麥7538、內麥854和內麥5348)。以上結果說明，A基因組染色體遺傳變異較豐富，尤其是在5A染色體上。在D基因組中，pSc119.2信號還出現在1D(內麥673和內麥101) 和3D(內麥482、內麥0821、內麥538、內麥7538、內麥854、內麥510、內麥561、內麥919、內麥071、內麥673、內麥416和內麥866)染色體上。pSc119.2信號在1D、2D、3D和4D染色體的變異類型只有1～2種(圖2)，說明D基因組染色體遺傳變異低。所有B染色體上都有pSc119.2信號，但變異類型也只有1～2種(5B和6B染色體除外)(圖2)，說明B基因組染色體遺傳變異較低。pTa535在所有材料的D基因組染色體、除5A外的其他A基因組染色體以及3B、6B和7B染色體上分別有強、較強和弱信號。同時，在中國春和內麥101的5A染色體長臂上有較強的pTa535信號。pSc119.2和pTa535探針信號表明，A基因組染色體有較高的變異，而B和D基因組染色體有較低的變異。所以在今后的育種過程中，選擇雜交親本時要注意B和D基因組染色體的遺傳變異，這樣才能豐富育成品種的遺傳多樣性。

表1 21份材料的來源及審定情況Table 1 Source and approval status of the 21 materials

2.2 21份小麥材料的FISH核型多樣性分析

在21份小麥材料中共鑒定出49種染色體多態類型(圖2)。A基因組染色體多態類型數量最多(22種)，其次是B基因組(14種)和D基因組(13種)。所有材料每條染色體上多態類型出現頻率最高的被認定為類型1(5A除外)，其頻率范圍為29%～100%，平均約83%。類型1是每條染色體上最占優勢的類型。每條染色體上多態類型頻率次于類型1的被認定為類型2，頻率為 5%～38%，平均約19%。類型2是每個染色體上第二常見的類型，有一定的選擇優勢。每條染色體除類型1和類型2外，其他多態類型頻率為5%～19%，平均約8%。這些較低頻率的染色體多態類型可能在適應特定環境的品種中具有優勢。

在A基因組染色體中，5A和6A染色體分別有7種和4種變異類型，而其余染色體都不超過3種。在B基因組染色體中，5B染色體有4種變異類型，其余染色體都不超過3種。在D基因組染色體中，變異類型最高的是3D染色體(3種)，其余染色體的變異類型為1～2種(圖2)。以上結果表明，不同染色體的變異類型數量不一致，推測在育種過程中變異類型數量多的染色體在不斷進化，而沒有變異或者變異少的染色體比較保守。5B、6B、3D和7D染色體的同源染色體之間存在不對稱核型(圖2)。pSc119.2信號分別在一條5B染色體的長臂和一條6B染色體的短臂上消失，pTa535信號分別在一條3D染色體的長臂和一條7D染色體的短臂上消失。以上染色體的不對稱核型可能是由染色體結構變異引起。

2.3 21份小麥材料的FISH核型分類

根據A、B和D基因組染色體的FISH核型類型，把21份材料分為16類(表2)。其中內麥538、內麥7538和內麥510的FISH核型一致；靖麥19、內麥2889和內麥836的FISH核型一致；內麥919和內麥071的FISH核型一致。其他材料的FISH核型都不一致。內麥538、內麥7538與內麥510的親本不同，但其FISH核型一致，這說明它們的雜交親本的遺傳背景可能相似。內麥5348與內麥101的親本相同，但其FISH核型卻不一致，說明親本一樣的衍生系后代在染色體結構上可能會發生變異(表1和表2)。

3 討論

3.1 染色體FISH類型的多態性

構建植物染色體FISH核型圖，在植物的分類、進化以及育種研究中具有重要意義[14-15]。Huang等[9]根據373個小麥栽培品種及骨干親本的高清FISH核型，鑒定出167種染色體多態類型。同時在148個品種中發現14種染色體結構變異類型，包括易位、倒位和缺失等。在染色體多態類型方面，本研究結果與Huang等[9]結果一致，多態類型的數量都是A基因組>B基因組>D基因組。本研究只發現49種染色體多態類型，可能是研究材料比較少的原因造成的。本研究只發現5B、6B、3D和7D染色體上均出現核型不對稱的現象。原因可能是所用探針只有pSc119.2和pTa535，而這兩個探針不能識別出更多的染色體的結構變異。

3.2 FISH核型分類與遺傳背景的關系

FISH核型對小麥的分類以及親本的追溯起到重要作用[9,11]。本研究選取21份內麥系列小麥品種(系)材料，根據它們的雜交親本了解雜交后代染色體結構變異，結果發現，雜交組合親本相同的后代品種FISH核型不一致，可能是由于染色體結構變異造成的[11]；同時也發現，雜交組合親本不同的后代品種FISH核型一致，可能是親本FISH核型一致或者是遺傳背景相似[9]。21份材料根據A、B和D基因組染色體的FISH核型將這些材料分成了16類，說明這些材料遺傳多樣性較高，并且一些品種(系)有自己獨特的FISH核型[7]。本研究結果發現，在這16類中很多只是在少數染色體(5A、6A、5B、6B和1D等)上有信號差異，同時每條染色體多態類型出現頻率最高的占比29%～100%，其他類型占比5%～38%(圖 2)，在育種過程中，一些染色體有選擇優勢，而其他染色體較保守[9]。本研究結果表明，FISH技術可以推測小麥品種系譜，反映染色體之間的交換重組關系。因此，可以建立內麥系列小麥品種(系)染色體FISH核型，從染色體結構水平來反映品種間的遺傳多樣性，從而推斷小麥品種(系)的演變過程。