小麥族猬草屬植物基因組組成及其分類地位研究.pdf

1、猬草屬HystrixMoench是禾本科Poaceae小麥族Triticeae的一個多年生小屬，全世界約10余種，主要分布于北美和中亞、西亞。Moench(1794)把Linneus(1753)描述的ElymushystrixL.因為其穎強烈退化甚至缺失的特點而建立了猬草屬Hystrix，其模式種為H.patulaMoench。迄今為止，報道的Hystrix物種約11個種，中國有3種。Badenetal.(1997)認為Hystrix有

2、6種3變種：H.patula，H.californica，H.duthieissp.duthiei，H.duthieissp.longearistata，H.duthieissp.japonica，H.komarovii，H.coreana和H.sibirica。Church(1967a，1967b)報道H.patula與加拿大披堿草復(fù)合群物種具有較近的親緣關(guān)系。Dewey(1982，1984)認為H.patula含有StH基因組，將猬

3、草屬物種合并到披堿草屬Elymus中。Jessen和Wang(1997)通過染色體組分析以及基因組特異RAPD標記表明Elymuscoreanus(H.coreana)和E.californicus(H.californica)具有賴草屬Leymus的NsXm染色體組，將E.coreanuS組合到Leymus中。 目前關(guān)于猬草屬的界限和它的分類地位一直處在爭論中，主要是把這些物種置于Hystrix(郭本兆1987；Watson&

4、Dallwitz1992；Badenetal.1997)；還是作為披堿草屬Elymus(s.lat)的一部分(蔡聯(lián)炳等1997；L(o)ve1984；Dewey1984；Barkworth1993)以及還是放在賴草屬Leymus中(Jensen1993；Jessen&Wang1997)。本研究通過屬間、種間雜交，形態(tài)學(xué)、細胞學(xué)和細胞遺傳學(xué)等特征分析，結(jié)合繁育學(xué)資料、基因組原位雜交(GISH)、基因組特異性的RAPD標記分析和細胞核rDN

5、A的ITS區(qū)序列分析，探討猬草屬物種的染色體組組成、種間關(guān)系、種內(nèi)分化變異，解決長期爭議的猬草屬的系統(tǒng)地位、物種分類處理疑慮。主要結(jié)果如下： 1.通過觀察猬草屬物種屬間和種間雜種F1減數(shù)分裂中期Ⅰ花粉母細胞染色體配對，結(jié)果表明：(1)模式種H.patula(2n=4x=28)與H.duthieissp.longearistata(2n=4x=28)的種間雜種平均每細胞形成25.36個單價體，表明它們具有不同的基因組組成；(2)H

6、.patula×Pseudoroegneriaspicata(2n=2x=14，St)和H.patula×Pse.libanotica(2n=2x=14，St)平均每個細胞形成6.53和5.62個二價體，表明H.patula具有一組St基因組；(3)Elymussibiricus(2n=4x=28，StH)×H.patula和H.patula×E.wawawaiensis(2n=4x=28，StH)平均每細胞形成10.08和12.83個

7、二價體，表明H.patula具有StH基因組組成;(4)Roegneriaciliaris(2n=4x=28，StY)×H.patula和H.patula×R.grandis(2n=4x=28，StY)平均每細胞形成3.57和3.98個二價體，表明H.patula的基因組與鵝觀草屬的StY基因組的同源性較低；(5)H.duthieissp.duthiei(2n=4x=28)×Psathyrostachysjuncea(2n=2x=14，

8、Ns)和H.duthieissp.longearistata×Psa.juncea平均每細胞形成6.26和6.13個二價體，表明它們具有一組Ns基因組；(6)Leymusmulticaulis(2n=4x=28，NsXm)×H.duthieissp.duthiei和L.multicaulis×H.duthieissp.longearistata平均每細胞形成11.81和10.15個二價體，表明H.duthieissp.duthiei和H

9、.duthieissp.longearistata具有與賴草屬相似的NsXm基因組組成；(7)R.ciliaris×H.duthieissp.duthiei和R.ciliaris×H.duthieissp.longearistata平均每細胞形成0.50和0.46個二價體，表明H.duthieissp.duthiei和H.duthieissp.longearistata的基因組與鵝觀草屬的StY基因組不存在同源性關(guān)系。 2.對4

10、個猬草屬物種和11個近緣屬物種，包括2種含St基因組的Pseudoroegneria、含H基因組的Hordeumbogdanii、2種含Ns基因組的Psathyrostachys、含Eb基因組的Thinopyrumbessarabicum、2種含StH基因組的Elymus、3種含NsXm基因組的Leymus進行Giemsa-C帶核型分析，結(jié)果表明：(1)模式種H.patula的C-帶與Elymus物種的C-帶相似，支持細胞學(xué)染色體組分析

11、結(jié)果，H.patula含有StH基因組；(2)H.duthieissp.duthiei和H.duthieissp.longearistata的C-帶型與L.multicaulis的C-帶型存在較大的一致性，表明它們與L.multicaulisNsXm基因組相近；(3)H.coreana顯示非常明顯的末端帶，與L.arenarius和L.racemosus的C-帶型一致，表明H.coreana與Leymus的一些物種關(guān)系近。 3.

12、對3個猬草屬物種：H.patula、H.duthieissp.duthiei和H.duthieissp.longearistata進行單色和雙色基因組原位雜交(GISH)分析。利用具不同基因組的4個二倍體物種分別作為探針DNA和封阻DNA.Pse.spicata(St)、H.bogdanii(H)、Psa.huashannica(Ns)和Lophopyrumelongatum(Ee)。結(jié)果表明：(1)H.patula具有StH基因組組成

13、；(2)H.duthieissp.duthiei和H.duthieissp.longearistata具Ns基因組，與Ee基因組存在重復(fù)片段的同源。GISH可以清楚的鑒別出猬草屬三個物種的基因組組成，且與染色體組分析結(jié)果一致，表明GISH是一種物種基因組組成分析的有效實驗方法，可以作為染色體組分析方法的一種有效補充方法，尤其是當屬間或種間雜交不能夠正常進行時。 4.對3個猬草屬物種和13個近緣屬物種進行基因組特異性RAPD標記研

14、究。選用5個基因組特異的RAPD引物(st、H、Ns、Ee和Eb)進行PCR擴增，結(jié)果顯示：(1)H.patula具有St和H基因組特異的RAPD標記，而沒有Ns、Ee和Eb特異的RAPD標記;(2)H.duthieissp.duthiei和H.duthieissp.longearistata具有Ns基因組特異的RAPD標記，而沒有St、H、Ee和Eb特異的RAPD標記。RAPD特異性標記與染色體分析和基因組原位雜交結(jié)果一致，表明基因組

15、特異的RAPD分析可以作為染色體分析組分析的一種有效輔助方法。 5.對4個猬草屬物種及18個其近緣屬物種的nrDNAITS序列進行分析，構(gòu)建了ITS系統(tǒng)發(fā)育樹。 6.通過染色體配對、基因組原位雜交、Giemsa-C帶核型、基因組特異性的RAPD分子標記和細胞核rDNA的ITS區(qū)序列分析。 7.H.patula在形態(tài)上呈現(xiàn)出明顯的多樣性，包括外稃毛的有無、小穗與穗軸的角度(30°-90°)、穎的有無、大小等特征。為

16、了研究H.patula的形態(tài)變異，我們將不同形態(tài)類群進行種內(nèi)雜交，通過形態(tài)特征比較、染色體配對行為、花粉育性以及雜種結(jié)實率等分析，結(jié)果表明：(1)H.patula分為三個類群，類群Ⅰ為正常的具有垂直張開的小穗和退化的穎特征；類群Ⅱ為外稃密被纖毛和具線狀穎的類群；類群Ⅲ為具有披針形穎和外稃光滑的類群;(2)H.patula不同類群之間的雜種F1染色體配對程度很高，花粉育性和結(jié)實率也較高，表明H.patula不同形態(tài)的類群為H.patula