小麥族含StH基因組植物的分子系統(tǒng)學(xué)及細(xì)胞學(xué)研究.pdf

1、小麥族( Triticeae Dumortier)是禾本科(Poaceae)植物中一個(gè)非常重要的類(lèi)群。該族約有350-450多個(gè)種，廣泛分布于世界各地，特別是北半球溫帶地區(qū)。小麥族多年生植物含有Ns、H、P、St、Y、W、E等20多個(gè)基本基因組，這些基因組的二倍體供體通過(guò)不同天然雜交組合形成了大量的含有不同基因組組成，如StP、StY、StH、StYW、StYP等多倍體植物，進(jìn)而形成了大約70％～75％的小麥族多倍體物種。其中，具有St

2、H基因組多倍體物種由二倍體的擬鵝觀草屬植物（St基因組）和二倍體的大麥屬植物（H基因組）經(jīng)異源多倍化形成。這些物種多為草原和草甸的優(yōu)良牧草，具有較高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，同時(shí)還具有抗寒、抗旱、耐鹽堿等特性，以及具有麥類(lèi)作物缺乏的優(yōu)良抗病蟲(chóng)害和抗逆基因，是牧草遺傳育種和麥類(lèi)作物遺傳改良重要的基因資源。
　　 具有StH基因組多倍體物種全世界約有20種，分布于全球溫帶和暖溫帶地區(qū)，生長(zhǎng)在草原、山谷、林下、草地邊緣等環(huán)境中。形態(tài)上，含St

3、H基因組的小麥族植物存在每穗節(jié)小穗從單小穗（如ElymuscaninusL.）到著生2枚小穗(如ElymussibiricusL.)到著生3枚小穗（如ElymuscanadensisL.）；穎從狹長(zhǎng)(如Elvmuselvmoides(Raf.)Swezey)到缺失（如ElymushystrixL.）等一系列形態(tài)特征變異。含StH基因組物種擁有兩個(gè)地理分布區(qū)：歐亞大陸和北美。盡管它們含有相同的基因組組成，卻表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征、不同的地理

4、分布和生境。此外，不同學(xué)者對(duì)StH基因組植物具有不同的分類(lèi)處理，在小麥族分類(lèi)歷史上，具StH基因組物種的分類(lèi)處理存在很大的分歧，它們?cè)粴w在披堿草屬（Elymus）、猬草屬（Hvstrix）、裂穎草屬（Sitanion）及偃麥草屬（Elytrigia）等不同的屬中，且許多物種還作為屬的模式種處理。因此，不同學(xué)者不同的分類(lèi)處理，使得它們間的關(guān)系顯得非常復(fù)雜，分類(lèi)處理困難。
　　 本研究基于多拷貝的細(xì)胞核ITS序列、單拷貝的細(xì)胞核A

5、cc1(plastidacetyl-CoAcarboxylase)和DMC1(disruptedmeioticcDNA)基因序列、葉綠體trnL-F以及線粒體CoxⅡ序列的分子系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)合胚乳細(xì)胞學(xué)特征和雜種染色體配對(duì)資料，探討含StH基因組物種的種間系統(tǒng)關(guān)系、不同地理分布下植物類(lèi)群間的系統(tǒng)關(guān)系、基因組供體來(lái)源、物種形成的母本供體、復(fù)制基因的進(jìn)化動(dòng)力學(xué)、植物類(lèi)群發(fā)生地理分化的生物學(xué)理論依據(jù)。主要結(jié)果如下：
　　 1.運(yùn)用n

6、rDNAITS序列對(duì)16個(gè)具StH基因組組成的物種及5個(gè)擬鵝觀草屬(St)和3個(gè)大麥屬(H)的二倍體物種進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果表明：(1)過(guò)去歸屬于裂穎草屬的Sitanionjubatum、Sitanionhystrix和猬草屬的Hystrixpatula與披堿草屬物種關(guān)系較近，應(yīng)當(dāng)劃入披堿草屬中；(2)地理分布相同或相近的StH基因組物種聚類(lèi)在一起，其親緣關(guān)系較近；(3)北美StH基因組物種與歐亞大陸StH基因組物種在ITS序列上存

7、在地理分布的異質(zhì)性；(4)St基因組和H基因組的二倍體物種分別存在較大的分化；(5)探討了造成小麥族StH基因組物種變異和分化的可能原因。
　　 2.獲得了16個(gè)StH基因組物種的葉綠體trnL-F和線粒體CoxⅡ內(nèi)含子序列，并與小麥族二倍體供體物種的trnL-F和CoxⅡ序列構(gòu)建ML系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)、BI系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)和MJ網(wǎng)狀支系結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示：(1)所有具StH基因組組成的物種與擬鵝觀草屬物種聚在一起，表明了StH基因組物種母本為S

8、t基因組供體；(2)StH基因組物種的母本來(lái)源存在多源化，其中Pseudoroegneriaspicata或其祖先種可能充當(dāng)了部分StH基因組物種的母本供體；(3)具St基因組的二倍體物種和StH基因組物種發(fā)生了一定程度的分化；(4)Hystrixpatula、Sitanionhystrix和Sitanionjubatum與披堿草屬物種聚在一起，將它們劃入到披堿草屬中是合適的；(5)Elytrigiarepens與披堿草屬物種存在差異，

9、其系統(tǒng)地位還有待進(jìn)一步研究。
　　 3.從15個(gè)含StH基因組物種中分離到29個(gè)Acc1基因單倍型序列，單倍型序列覆蓋了所有供試物種的Acc1基因在不同基因組上的直系同源序列。將這29個(gè)單倍型序列與5個(gè)擬鵝觀草屬物種和3個(gè)大麥屬植物類(lèi)群的Acc1基因序列進(jìn)行了序列、系統(tǒng)發(fā)育及基因多態(tài)性分析，結(jié)果顯示：(1)Elymusvirginicus（H基因組拷貝類(lèi)型）和Elvmushystrix（H基因組拷貝類(lèi)型）中擁有173bp的反轉(zhuǎn)錄

10、轉(zhuǎn)座插入序列；(2)北美StH基因組物種和歐亞的StH基因組物種的Acc1基因在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中己發(fā)生了遺傳分化；(3)不同的擬鵝觀草屬植物可能作為St基因組供體參與了StH基因組物種的形成；(4)地理分布上相近的大麥屬二倍體供體與StH基因組物種具有較近的親緣關(guān)系；(5)Acc1基因在StH基因組物種中多態(tài)性水平高于二倍體的基因多態(tài)性水平。
　　 4.從16個(gè)含StH基因組物種中分離到31個(gè)DMC1基因單倍型序列。將這31個(gè)單

11、倍性序列與4個(gè)擬鵝觀草屬物種和3個(gè)大麥屬植物類(lèi)群的DMC1基因序列進(jìn)行了序列和系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果顯示：(1)北美StH基因組物種和歐亞的StH基因組物種在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中已發(fā)生了遺傳分化；(2)不同的擬鵝觀草屬植物可能作為St基因組供體參與了StH基因組物種的形成；(3)Elymussibiricus的H基因組可能存在多重起源；(4)DMC1基因比Acc1基因在StH基因組物種中具有更多的簡(jiǎn)約信息位點(diǎn)比率。
　　 5.對(duì)小麥族含

12、StH、St、H基因組的16個(gè)物種的胚乳細(xì)胞特征進(jìn)行觀察測(cè)量，結(jié)果表明StH基因組植物種子胚乳細(xì)胞存在豐富的多樣性，不同物種的胚乳細(xì)胞在大小、形狀和數(shù)量上均表現(xiàn)出明顯的差異，但不能很好的反映屬以及基因組間的差異。
　　 6.采用屬間和種間雜交的方法，對(duì)來(lái)自6個(gè)不同地區(qū)的擬鵝觀草屬二倍體物種Pseudoroegneria libanotica、Pse.cognata、Pse.tauri、Pse.spicata、Pse.strigo

13、sa和Pse.stipifolia，和4個(gè)不同地區(qū)的大麥屬二倍體物種Hordeumbogdanii、Hbrevisubulatum、H chilense、Hstenostachys與16個(gè)StH基因組物種進(jìn)行相互雜交，目前僅得到了E.wawawaiensis和E.Hystrix與亞洲分布的擬鵝觀草屬物種間的4組雜交組合。對(duì)其雜種F1花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期Ⅰ染色體配對(duì)行為及繁育特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)分布于中東和中亞的擬鵝觀草屬二倍