小麦-黑麦1RS/1BL易位系及4RS/4DL新型易位系的鉴定及分子细胞遗传学研究

摘要

小麦(Triticum aestivum L.，AABBDD，2n=6x=42)作为世界主要的三大粮食作物之一，是人类最主要的食物来源，在世界农业的生产与发展中占有举足轻重的地位。然而由于长期的自然定向选择、品种选育以及优良品种的大面积推广使得小麦种内的遗传多样性逐渐丧失，遗传变异范围缩小，从而导致其抗病虫害、抗逆性（干旱、盐碱）的能力严重下降。小麦的近缘种属蕴含着丰富的小麦所缺乏的优良基因资源，对小麦的遗传改良有着巨大的潜在价值。通过易位系将这些外源优良基因转移到普通栽培小麦，是当前小麦遗传改良的一个有效途径。因此，易位系的培育成为许多育种家的研究目标。黑麦是小麦改良中应用最成功的近缘物种之一，其中，以1RS/1BL易位最为典型。然而近30年来，由于新的病原生理小种的产生使得大多数的1RS/1BL易位系小麦品种相继丧失了抗性，最终导致了1RS/1BL易位系在小麦生产上使用频率的下降。因此，创制新的小麦-黑麦易位系迫在眉睫。
　　本实验主要采用C-带、基因组原位杂交(GISH)和荧光原位杂交(FISH)的细胞学方法对小麦植株12-26和12-39的自交后代材料进行了分析。12-26和12-39为小麦品系A42912与威宁黑麦自交系R3远缘杂交的后代材料。结合田间农艺性状表现，选育小麦-黑麦新型易位系，同时研究黑麦外源染色质向小麦遗传背景渐渗的过程中小麦染色体结构和基因组结构的变化。最终得到了以下的一些创新性结果:
　　1.对材料12-39后代进行细胞学鉴定，从中筛选了一个1R单体附加系12-39-5(2n=43)。随后，对1R单体附加系12-39-5的191个后代植株进行细胞学分析，在11个后代植株中观察到了染色体易位现象，易位频率约占5.7％。染色体易位包括了小麦-黑麦染色体易位和黑麦1R染色体臂间的易位。这一结果证实了1R单体附加系能够高频率地诱导染色体易位的产生。
　　2.对材料12-26的8个后代植株进行细胞学鉴定，12-26-1含有1条1RS/1BL易位染色体(2n=42);12-26-2含有1条4RS/4DL易位染色体(2n=42);12-26-3、12-26-4、12-26-5、12-26-6和12-26-7含有1条1RS/1BL和1条4RS/4DL易位染色体(2n=42);而12-26-8不含黑麦染色质成分。其中，4RS/4DL是一个新型的小麦-黑麦易位染色体，这在前人的研究文献中还未见有报道。
　　3.为了解易位染色体在自交过程中的传递规律，我们分别对1RS/1BL杂合易位植株12-26-1、4RS/4DL杂合易位植株12-26-2、以及1RS/1BL和4RS/4DL双杂合易位植株12-26-3、12-26-4、12-26-6的自交后代进行细胞学鉴定。1RS/1BL易位染色体在植株12-26-1、12-26-3、12-26-4和12-26-6的自交后代中的传递率分别是79.8％，63.3％，82.4％和67.3％。4RS/4DL易位染色体在植株12-26-2、12-26-3、12-26-4和12-26-6的自交后代中的传递率分别是56.2％，55.9％，57.0％和56.4％。1RS/1BL易位染色体在自交后代中的传递率均比4RS/4DL易位染色体高，这说明了1RS对1BS具有较强的补偿作用，而4RS对4DS的补偿作用较差。此外，在杂合1RS/1BL易位植株12-26-1和杂合4RS/4DL易位植株12-26-2的自交后代中，纯合易位、杂合易位和不含易位的植株三者的比例偏离了孟德尔分离定律，不符合1∶2∶1的分离比。该结果为育种家在纯合易位系的选育过程中提供了一个新的认知。
　　4.对来自12-26-2的6个纯合4RS/4DL易位系植株的田间抗病性和农艺性状进行调查。纯合4RS/4DL易位系植株对条锈病免疫，而亲本小麦A42912感条锈病。这表明4RS染色体臂上含有条锈病抗性基因。目前，来自黑麦的条锈病抗性基因包含了正式命名的Yr9以及暂时命名的YrR212和YrCN17，并且这3个抗性基因都定位于黑麦1RS染色体臂上。因此，我们推断4RS上的条锈病抗性基因是一个新基因，为小麦条锈病抗性育种提供了一个新的抗源。农艺性状调查结果显示，纯合4RS/4DL易位系植株在田间长势弱，株高都约为50cm左右，分蘖弱，紫壳长芒，穗小，结实差。综合前人的研究，我们推测本实验中导致4RS/4DL易位系植株农艺性状表现差的原因主要有以下两点:(1)黑麦4RS染色体臂对小麦4DS染色体臂的补偿效应差，不能完全补偿;(2)与亲本A42912的遗传背景有关。
　　5.对1RS/1BL和4RS/4DL双杂合易位植株12-26-3、12-26-4、12-26-6的自交后代进行细胞学鉴定，结果发现了大量的染色体结构变异，如染色体断裂、染色体数目变异、罗伯逊易位的产生、双着丝粒染色体、环状染色体以及其它复杂的染色体结构变异。实验中涉及结构变异的小麦染色体有:4A、5A、2B、3B、5B、6B、7B、1D、2D、3D、4D、6D、7D以及重复序列探针不能识别的部分A组染色体。这表明了1RS/1BL和4RS/4DL双杂合易位在遗传上不稳定，容易导致后代植株中产生染色体结构变异。这在前人的研究中还未有报道。
　　6.在1R单体附加系、1RS/1BL和4RS/4DL双杂合易位植株的后代中，我们发现了体细胞有丝分裂存在不均等分离的现象。在这些不均等分裂中，既涉及了黑麦染色体的不均等分裂，又涉及小麦染色体的不均等分裂。这说明了外源染色体单体附加和异源易位都能诱导体细胞不均等分裂，并且异源易位诱导体细胞不均等分裂的现象在前人的研究中还暂无报道。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 小麦远缘杂交

1．2 小麦-黑麦远缘杂交育种概况

1．2．1 小黑麦

1．2．2 小麦-黑麦附加系、代换系

1．2．3 小麦-黑麦易位系

1．3 异源易位系的检测

1．3．1 形态学标记

1．3．2 染色体分带技术

1．3．3 原位杂交技术

1．3．4 生化标记

1．3．5 分子标记

1．4 立题依据

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．2 实验方法

2．2．1 发根及预处理

2．2．2 中期染色体制片

2．2．3 Giemsa C-带

2．2．4 基因组原位杂交(GISH)

2．2．5 荧光原位杂交(FlSH)

2．2．6 抗病性调查及田间农艺性状调查

3 结果与分析

3．1 构建双亲的标准C-带和FISH图

3．2 单体附加诱导产生易位

3．3 远缘杂交后代12-26的细胞学鉴定以及新型小麦-黑麦4RS／4DL易位染色体的鉴定

3．4 小麦-黑麦1RS／1BL和4RS／4DL易位染色体的自交传递率

3．5 4RS／4DL易位的抗病性及农艺性状表现

3．6 小麦基因组重复序列变异及染色体结构变异

3．6．1 小麦染色体断裂

3．6．2 染色体数目变异

3．6．3 新的罗伯逊易位产生

3．6．4 双着丝粒染色体和环状染色体

3．6．5 其它染色体结构变异

3．7 体细胞不均等有丝分裂

4 讨论

4．1 外源染色体单体附加诱导产生易位

4．2 小麦-黑麦4RS／4DL新型易位的鉴定筛选

4．3 易位染色体的自交传递规律以及从杂合易位到纯合易位的遗传学

4．4 4RS／4DL易位的遗传学效应

4．4．1 4RS／4DL易位的抗病性

4．4．2 4RS／4DL易位的农艺性状表现

4．5 远缘杂交过程中的遗传变异

4．6 体细胞不均等有丝分裂

参考文献

致谢

附录

作者在读期间发表的论文