小麥異源六倍化過程及其在遺傳育種中的應(yīng)用.pdf

1、多倍化在真核生物的進化中發(fā)揮了重要作用?？梢酝ㄟ^同一染色體組加倍產(chǎn)生同源多倍體，或由不同物種雜交后染色體組加倍產(chǎn)生異源多倍體。普通小麥(Triticum aestivum L．，染色體組為AABBDD，2n=6x=42)是異源多倍體物種的一個典型代表。它是一個異源六倍體，由A、B、D三個具有部分同源關(guān)系的染色體組組成，每個染色體組由7條染色體構(gòu)成。普通小麥的起源，曾經(jīng)歷了兩次異源多倍化過程。第一次異源多倍化過程產(chǎn)生了四倍體小麥(T. t

2、urgidum)，第二次異源多倍化是以栽培四倍體小麥為母本與節(jié)節(jié)麥(Aegilops tauschii)為父本天然雜交，然后通過染色體自然加倍，形成具有42條染色體和AABBDD染色體組的新興異源六倍體小麥。人們可以模擬小麥的起源過程，合成新六倍體小麥(人工合成小麥)。近年來，圍繞人工合成小麥進行的相關(guān)研究，為異源多倍化遺傳機制探討和異源多倍體作物種質(zhì)資源開發(fā)及遺傳育種研究提供了十分重要的參考價值。 盡管普通小麥起源、進化的基本

3、輪廓已比較清楚，但是許多細節(jié)問題還有待于進一步研究。普通小麥的異源六倍化起源包括兩個重要過程：一是雜交過程(雜交世代)，通過在共同分布區(qū)的四倍體小麥和節(jié)節(jié)麥遠緣雜交，產(chǎn)生天然雜種F<,1>，從而把不同、但親緣關(guān)系較近的A、B和D染色體組(異源染色體組)聚合在同一個細胞核內(nèi)，實現(xiàn)“異源”，形成具有ABD染色體組的異源三倍體；二是染色體加倍過程(加倍世代)，雜種F<,1>的染色體發(fā)生了自然加倍，產(chǎn)生了具有AABBDD染色體組的六倍體小麥(F

4、<,2>或S<,1>代)，從而實現(xiàn)“六倍化”(Hexaploidization)。本文圍繞這兩個過程進行相關(guān)研究。在不使用幼胚培養(yǎng)等輔助條件下，在大田自然環(huán)境中，通過屬間雜交研究了四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥之間的可雜交性及雜種 F<,1>植株染色體自然加倍過程；以微衛(wèi)星(Microsatellite，SSR)產(chǎn)物為例，研究了異源六倍化過程對基因組的影響及其在分子標記應(yīng)用中的參考價值；通過該研究發(fā)現(xiàn)了一些新的自然加倍種質(zhì)，包括我國的兩份藍麥地方品

5、種．AS2255和AS313，并利用它們?yōu)樾←溸z傳研究和育種改良創(chuàng)制了一批新材料。主要結(jié)果如下： 1．利用屬于7個不同亞種(波斯小麥ssp．carthlicum、硬粒小麥ssp．durum、波蘭小麥ssp．polonicum、東方小麥ssp．turanicum、圓錐小麥ssp．turgidum、栽培二粒小麥ssp．dicoccon、野生二粒小麥ssp．dicoccoides)的196份四倍體小麥與13份節(jié)節(jié)麥配制了372個雜交組

6、合。從66220朵授粉小花中，獲得了3713粒雜交種子，雜交結(jié)實率平均為5．61％(0～75％)。許多雜種能夠發(fā)芽并成長為植株。不同的四倍體小麥亞種與節(jié)節(jié)麥的可雜交性存在差異，野生二粒小麥亞種和栽培二粒小麥亞種與節(jié)節(jié)麥的可雜交性最高，而波蘭小麥最低。在13份節(jié)節(jié)麥中，AS2405和AS2404與四倍體小麥的雜交結(jié)實率高于10％，而AS65、AS77和AS82的雜交結(jié)實率低于2％。利用硬粒小麥品種Langdon以及L,angdon的D-染

7、色體組代換系對可雜交性進行了遺傳研究。代換系Langdon 7D(7A)和Imngdon 4D(4B)的雜交結(jié)實率顯著高于對照，表明Langdon的7A和4B染色體攜帶可雜交性的抑制基因。 2．未經(jīng)幼胚拯救及激素處理，獲得了圓錐小麥(T. turgidum ssp．turgidum)與節(jié)節(jié)麥的F<,1>雜種。該雜種高度可育，F(xiàn)<,1>植株的平均自交結(jié)實率達25％。大約96％的F<,2>代種子能夠正常發(fā)芽，其中，大約67％的F<,

8、2>植株為自發(fā)雙二倍體(2n=42，AABBDD)。對F<,1>植株雄配子形成的細胞學分析表明，一種“類有絲分裂減數(shù)分裂”途徑產(chǎn)生了未減數(shù)配子，使得F<,1>雜種高度可育。圓錐小麥．節(jié)節(jié)麥(T. t．turgidum-Ae．tauschii)雙二倍體與易變山羊草(Ae．variabilis)和黑麥(rye)的測交表明，“類有絲分裂減數(shù)分裂”受核基因控制并在其衍生后代起作用。這一發(fā)現(xiàn)暗示著該基因在加倍單倍體方面有重要的潛在應(yīng)用價值。

9、 3．四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥自發(fā)產(chǎn)生的三倍體F<,1>雜種產(chǎn)生有功能的配子是普通小麥起源的關(guān)鍵性步驟。第一次分裂核再組(first-division restitution，F(xiàn)DR)或發(fā)生在第一次分裂過程中的單次減數(shù)分裂(single division meiosis，SDM)，導致了有功能的未減數(shù)配子產(chǎn)生。未使用幼胚拯救和激素處理，得到了硬粒小麥Lmngdon及二體代換系Langdon 1D(1B)與節(jié)節(jié)麥的雜種F<,1>，這些雜種Fl

10、都高度可育。觀察了F<,1>植株未減數(shù)雄配子的產(chǎn)生，同時預(yù)測了Fl未減數(shù)雌配子的產(chǎn)生。SDM是未減數(shù)配子產(chǎn)生的主要減數(shù)分裂途徑。環(huán)境、基因型或環(huán)境與基因型互作都會影響未減數(shù)配子的產(chǎn)生。除整倍單倍體配子外，SDM產(chǎn)生了許多非整倍單倍體配子。 4．以異源六倍體小麥為例，比較了四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥合成六倍體小麥前后，位于普通小麥D染色體組不同染色體臂上的特異性引物揭示的微衛(wèi)星位點變化特點。結(jié)果表明，在從四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥雜交，將A、B與

11、D染色體組結(jié)合在一起并加倍得到AABBDD的六倍體小麥這一異源六倍化過程中： (1)微衛(wèi)星的側(cè)翼序列發(fā)生了變化導致：出現(xiàn)了供體物種沒有的新帶紋或供體物種的帶紋消失。其中，供體物種的帶紋消失是主要的。 (2)供體物種的帶紋消失不是隨機的，而是四倍體小麥消失頻率遠高于節(jié)節(jié)麥的頻率，即發(fā)生在A、B染色體組的消失頻率比發(fā)生在D染色體組的頻率高得多。 (3)微衛(wèi)星側(cè)翼序列的變化在多倍化的早期(F<,1>代或S<,1>代)就開始發(fā)生。由此看來，微衛(wèi)

12、星兩邊的側(cè)翼區(qū)域在多倍化過程中很活躍，是容易發(fā)生變化的區(qū)域。微衛(wèi)星的生物學功能可能與多倍體進化過程有關(guān)，微衛(wèi)星兩邊的側(cè)翼區(qū)域在多倍化過程的早期迅速發(fā)生有方向性的改變可能有利于新形成異源多倍體的迅速進化，從而使不同染色體組在遺傳上迅速達到協(xié)調(diào)。 5．微衛(wèi)星分子標記已廣泛用于普通小麥遺傳和進化研究。由于人工合成小麥與小麥品種之間存在高的遺傳多樣性，人工合成小麥已被大量應(yīng)用于小麥分子標記工作中。但是，目前還缺乏人工合成小麥的異源六倍化

13、過程對微衛(wèi)星影響的研究。本研究直接比較了四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥遠緣雜交并經(jīng)染色體加倍獲得人工合成小麥前后，位于普通小麥A/B染色體組不同染色體臂上的66個特異引物揭示的微衛(wèi)星位點的保守性和可轉(zhuǎn)移性。結(jié)果表明，除了一個引物在新合成小麥中擴增出供體親本沒有的新帶，一個引物在節(jié)節(jié)麥擴增出的產(chǎn)物在新合成小麥中消失，其它的所有微衛(wèi)星引物的擴增產(chǎn)物在小麥合成前后是保守的，沒有變異發(fā)生。所有的引物能夠在四倍體小麥中擴增出微衛(wèi)星產(chǎn)物，四倍體小麥中的擴增產(chǎn)物

14、也出現(xiàn)在新的人工合成小麥中：有70％的引物能夠在節(jié)節(jié)麥擴增出產(chǎn)物，其中的絕大多數(shù)產(chǎn)物也出現(xiàn)在新的人工合成小麥中。因此，普通小麥A/B染色體組的這些微衛(wèi)星引物除了在人工合成小麥的A/B染色體組中擴增出產(chǎn)物，還能在其D染色體組中擴增出產(chǎn)物，也就是說，這些引物對人工合成小麥而言，并非是A/B染色體組特異的。根據(jù)該研究結(jié)果，討論了小麥微衛(wèi)星的可轉(zhuǎn)移性和特異性問題，重點討論了在應(yīng)用人工合成小麥構(gòu)建的遺傳群體進行微衛(wèi)星分子標記中的應(yīng)用價值及其應(yīng)該注

15、意的問題。 6.利用5個四倍體小麥與節(jié)節(jié)麥雜交，通過形成未減數(shù)配子進行染色體自然加倍，得到了新合成六倍體材料，并通過形態(tài)學和細胞學觀察對這些材料進行了鑒定。創(chuàng)制了編號為Syn-SAU-N-X-Y的231個新合成小麥株系。除了遺傳育種研究價值，這些材料的創(chuàng)制過程中未使用幼胚培養(yǎng)及秋水仙堿染色體加倍處理技術(shù)等可能誘發(fā)遺傳變異的化學藥品，因此它們是小麥異源多倍化過程研究的理想材料。這套材料為準確和精確地進行相關(guān)研究提供了基礎(chǔ)。

16、 7.利用Langdon D-染色體組代換系與節(jié)節(jié)麥雜交，通過形成未減數(shù)配子進行染色體自然加倍，得到了6個新的缺體.四體材料(Svn-SAU N1ATlD、Syn-SAUN1BTlD、Syn-SAU N2BT2D、Syn-SAU N3AT3D、Syn-SAU N4BT4D和Syn-SAUN7AT7D)。通過形態(tài)學、細胞學和分子標記對這些材料進行了鑒定。這些缺體-四體材料與中國春對應(yīng)的缺體.四體不同，是一種新型的遺傳工具材料。主要表現(xiàn)在：

17、(1)對某一四體中的4條D染色體，2條來自節(jié)節(jié)麥，2條來自中國春； (2)用人工合成小麥途徑獲得，除了涉及相應(yīng)四體的1對D染色體來自中國春外，其它遺傳背景全部來自四倍體小麥和節(jié)節(jié)麥。 8.通過使用秋水仙堿處理圓錐小麥與節(jié)節(jié)麥的雜種植株，人工合成了一個具有56條染色體的可育小麥材料(SHW-L2)。在花粉母細胞減數(shù)分裂中期I，新合成小麥SHW-L2的56條染色體的配對構(gòu)型為2.82個單價體、6.18個棒狀二價體、19.39個壞狀二

18、價體、0.5個三價體和0.14個四價體。細胞學分析表明，除了普通小麥的42條染色體外，SHW-L2還有7對染色體分別來自于A和D染色體組。SHW-L2特殊的染色體構(gòu)成可能源自秋水仙堿處理幼苗進行染色體加倍和隨后的雌雄配子自然加倍。對目前的結(jié)果及其在理論及應(yīng)用方面的特殊價值進行了討論。 9.運用中國四倍體藍麥AS2255與中東節(jié)節(jié)麥AS60創(chuàng)制的SHW-L1進行了小麥育種改良的應(yīng)用研究，初步表明節(jié)節(jié)麥和藍麥在小麥產(chǎn)量性狀育種上有價