全 文 ：小麦P hl b、 P h Z。 、 P h Zb突变体与粘果山羊草杂种
及其衍生后代的细胞遗传学研究
叶兴国 樊 路 韩敬花
(中国农业科学院作物育种栽培研究所 , 北京 , l。 。0 8 1 )
利用小麦品种“ 中国春” 及其 p机 b 、 p几2。 、 p而Z b基因突变体与粘果山羊草杂交 , 分析了可交配性方
面的差异 ,观察了 F , 花粉母细胞减数分裂中期 l 染色体配对 , 就 砂 l b、 户 2a 、 p人2 b 3 个基因的作用进
行了比较 。 首次获得了 F : 回交种子和自交种子 , 调查了自交 、 回交一代植株染色体数目 , 分析了 砂基
因对配子育性的影响以及回交结实与染色体配对的关系。 本文还分析了 F : 自交结实的可能原因 。
关键词 : 沙 突变体 ,粘果山羊草 ,染色体配对 , ` 值 ,直接遗传转移
W a l l 用 EM S 处理小麦品种 “ 中国春 ” ( C .
s ) 种子获得 T 户h Z b 基因突变体 , s e a r , 用 x
射线处理 C . S 幼穗先后获得 了 p h l b 、 p h Z。
基因突变体 t’, 一 10 。 10 多年来 , 国内外就 p h lb
基因作用研究较多。 ,` , 刀 , 户h Za 、 户人2吞基因作用
研究很少 , 至于比较研究这 3 个基因与特定近
缘种 、 属染色体配对水平 , 直接遗传转移外源有
益基因给小麦的可行性方面研究 更少 。 S e a r 。
曾报道过不 同条件下 户h l b 、 户h Z a 、 户人z吞 基 因
诱导粘果山羊草 ( A o . 天口 , , ch 厂 ) 与小麦 F : 染
色体配对水平 , 区分为不同程度配对突变体闭。
利用 P h 突变体将近缘种属优 良基因 间 接
遗传转移给 小 麦 , 国 内外 有 很多成功 的报
道伍 6 ]。 但利用它们直接遗传转移外源有益 基
因到小麦 , 还没有成功的例子 , 原因是含有 P无
基因的 F , 远缘杂种回交结实非常困难 , S h ar m a
等用小麦回交 Ph lb 突变体与部分山羊草 种 F :
没有获得成功 m , 从而对直接遗传转移的可能
性提出了怀疑 ,樊路等用小麦回交 Ph lb 突变体
与 3 个山羊草种 F ; 取得了成功 4[] 。 在相同条件
下 ,系统研究 Ph l b 、 Ph Z a 、 Ph Zb 突变体与 山羊
草种 (包括 A o . 如 “ hc y o 杂交 、 回交 、 F ; 染色
体配对及染色体配对与回交结实关系等 ; 还未
见报道 。
材 料 与 方 法
本研究所用 c . s 及其沙 l b 、 户人Za 、 户几Zb
突变体由本所生理遗传室提供 , 最初由美国学
者 S e a r s 和 G i l l 处获得 , A , . 及o t : c h y i ( C u s v ,
2 , ~ 4 x ~ 2 5) 由中国农业科学院品种资源研
究所提供 。 鹭
l ” 8 9年夏以 P入 l b 、 户h Z a 、 户人Z b 突变体和
对照 C . S 为母本分别与 A o . 如 t s ch y i 杂交。
F: 分两批于 1 98 9年秋和 1 9 90 年春种植在温室
和网室中。 孕穗期用卡诺 液 H ( 6份 95 拓 酒
精 : 3 份氯仿 : l 份冰醋酸 )固定幼穗 , 1并醋
酸洋红压片观察花粉母细胞 ( PM C ) 减数分裂
中期 l 染色休配对 , 调查单价体 、二价体和多价
体 , 计算染色体交又数 (X at . ) 和 ` 值图 。 抽穗
后选适宜嫩穗用 C . S 回交 , 剩余穗套袋自交 。
回交一代 ( B C : ) 和 自交一代 ( F : ) 种子 根
尖染色体数 目检查采用低温冰水处理方法 , 卡
Y主` X i招了 g邵 。 ` r a l . : C y t o l o g i e a l s t u d y o f t h e H y -
b r i d s a n d T 五e i r D r i v a t i o n . B e t w e e n M u t a n t -
P人 l b 、 P五2 。 、 夕人Z b T r i ,云e “ m a ` 万: 滚口“ 屏 a n d d e g `l口 -
P` 友o t : e人y i
本文于 1 9 9 1 年 2 月 2 2 日收到 。
诺液 I (3 份5 9 多 酒精 :1 份冰醋酸 )固定 ,
l外醋酸洋红染色 , 朽 .多醋酸压片计数 。
结 果 与 分 析
(一 ) 杂交结果及 F : 生活力
C
.
s 及其 Ph l b 、 Ph Z a 、 Ph Zb 突变体与 A , .
及o t : c h y i 杂交结实 率 分 别 为 5 5 . 4外 、 4 6 . 8拓、
4 8
.
8多 和 5 3 . 7多 (表 l) , 3 个突变体与对照比
较 , 在可交配性方面没有明显差别 , 表 明 p h l 、
p耗 位点变异对 K , 基因无影响 , 再次证明 hP l
基因与 K , 1 基因不属同一位点。
F
: 出苗率分别为 8 3 . 6多、 7 6 . 9多 、 9 6 . 9多 和
95
.
7多 , 以 Phl b 为母本 F : 比对照组合低 , 以
Ph Z。 为母本比对照更低 , 以 PhZ b 为母本与对
照相当 。 表明 P再基因对杂种生活力有一定影
响 3[] , 尤其 p h Z。 基因对杂种生活力影响较 大 。
衰 1 杂交结果和 F : 出苗情况
组 合
P几 l b K A , . 乏o r , c而 , i
P人Z a 只 A e . 天。 多, ` h y i
P无Z b 又 A ` . 灸o t ` c人 y f
C
.
5 又 A 口 . 灸o t s c k y i
逻燮塑竺卜兰生竺色
1 , 6 1 7 3
一竺生一卜-二兰一一里二一卜二竺
16 8 1 , 3
4 6
,
8
4 8
。
8
53
。
7
播种拉数 1 出 苗 数 } 出苗率 ( % )
…三二{二三二}二巫二一一竺一一 I_ 一兰一{一一竺二一
, 3
}
8 ,
{
, ,
·
7
(二 ) F : 染色体配对情况
F : 染色体配对观察结果列于表 2。 从表中
看出 , 以 P h l b 、 Ph Z a 、 Ph Zb 为母本 F `的染色
体配对水平均高于对照 F : , x t 。 分别为 19 . 13 、
5
.
2 6
、
9
.
6 5和 3 . 4 0 , 。 值分别为 0 . 6 8 、 0 . 19 、 0 . 3 5和
0
.
1 2。 ( p人l吞 x 才 e
. 友o t , c五y i ) F : 有四 价体和
五价体 , 配对染色体 占 85 . 4多。 ( Ph Z a x A .e
灸。 , s c h y i ) F : 、 ( p h Z b x A o . 及o t , c h y i ) F : 二组
合也观察到了四价体 , 没有发现五价体 , 配对染
色体分别占 28 . 7外和 48 . 6多。 对照 F : 仅观察
到了二价体 、 三价体 , 没有发现四价体 、 五价体 ,
配对染色体仅 占 8 . 1多。
安 Z F : 杂种减橄分裂中期 1 P M C 染 t 体配对
F
: 组 合 观察细 单价体 棒状二价体环状二价体 三价体 四价体 五价体 染色体 ` 值
胞数 I }曰卫匕l 0 111 I V V 交叉数
X t a
P们 b 又 A o . 灸o t s c h y i 12 0 5 。 11 7 。 4` 2 。 0 8 2 。 5 2 0 。 6 6 0 。 1 3 1 , 。 13 0 。 6 8
( l一 9 ) ( 3一 14 ) ( 0一 6 ) ( 0一 5 ) ( 0一 2 ) ( 0一 l ) ( 14一 23 )
户人Z a 又 A e . 灸o t , c入y i 10 0 2 4 。 9 7 4 。 4 5 0 。 . ` 0 。 2 7 0 。 0 5 5。 2 6 0 , 1 9
( 19一 2 9 ) ( 1一 8 ) ( 0一 1 ) (一 2 ) ( 0一 l ) ( 3一 10 )
P汤Z b 丫 才君 . 天o t J `人y i 1 10 17 。 9 8 6 。 29 0 。 5 5 0 。 9 8 0 。 1 0 9 。 6 5 0 。 3 5
( 10一 2 5 ) ( 3一 1 1) ( 0一 3 ) ( 0一 4 ) ( 0一 1 ) ( 5一 墓4)
C
.
5 X A o
. 灸o r : c 人y i 12 0 2 8 。 ` 8 2 。 t Z 0 。 1 8 0 。 1 1 3 。 4 0
( 2 1一 35 ) ( 0一 7 ) ( 0一 1) ( 0一 1) ( 0一 8 )
注 F , 染色体组型为 A B D C . vs , 染色体数为 2 , 二 , x 二 3 , 。
上述结果表明 , 户h l b 、 户丙z a 、 户人Zb 基因诱
导小麦与 A o . 和 , s` h厂 F ; 染色体配对作用顺
序是 P五l b > Ph Z b > 户h Z a 。 由观察到的四价
体和五价体可以推测 , 3 个 hP 基因都能够诱导
小麦染色体与 A o . 和打 c h y i 染色体间的配对 。
(三 ) F , 自交和回交结果
由表 3 看出 , 除以 Ph Z a 为母本的 F : 自交
不结实外 , 其它 3 个组合 F : 均获得 了 自交种
子 , 其中以 Ph lb 为母本 F : 自交结实率与对照
相当 , Ph bZ 为母本 F : 自交结实率比对照略低 ,
自交结实率分别为 1 . 28 多 、 。 . 54 外 和 1 . 30 沁。
用 c . s 对 F : 进 行 回交 , 结实 率 分 别 为
3
.
5 2
、
2
.
2 6务 、 1 . 4 5和 7 . 5 6多 , 以 P入基因系为母
本 F : 的回交结实率均低于对照 tF , 其中 ( p h lb x
襄3F :杂种自交和回交结实倪况
F
, 组 合 自交结实情况
自交小花数 色空竺`竺王}
-竺竺竺 }一竺竺竺二 {竺- - }一翌一 {一竺一
二二二二……二三…二亚二…一兰一!~ ~一 ~全二i ~ _ ! _一 199 }
户丙l b 只 A o . 及o r , ` 无y i 18 0 0 2 3
户人Z a 只 才 。 . 灸o r , c 人y i 1 3 2 0 0
P h Z b 丫 A o . 灸o t s c h y , 2 0 50 l l
C
.
5 又 才口 . 及o x , `人 y f 1 9 2 5 2 5
授粉小花数 结实校数 结实率 (% “
1 4 4 0 , , 3
。
8 2
, 砂 O I J】 ` 一 ` O
. . .目卜 . .口 . . . .户网. 户 . . . . ,~ ~ ~ ~ 目. .
. ~ . . . .
8 80 1 3
A e
. 及o t s c h y f ) F , 回交结实率高于 ( p吞Z a x A o .
左o t s c h , i ) F , 和 ( P h Zb x 刁 e . 天o t s c h y i ) F l ,
伽 h Z石 X A e . 及。 , s c人y i ) F : 回交结实率最低 。
F ; 自交和回交结果均在组合间呈现 差异 ,
表明 Ph 基因对自交和回交结实有影响 。 可能
是 P h 基因促 进了 F , 染色体配对 , 产生了具有
不同染色体数目的雌雄配子 , 少数配子能够存
活 , 多数配子遗传不平衡而败育 。 不同 hP 基因
影响染色体分离方式不同 , 最终产生配子染色
体数 目及其比例不同 , 或 p人基因影响育性 。
(四 ) F : 和 B C : 根尖细胞染色体观察
F : 和 B CI 植 株染色体 观察结 果 见表 钻
表 4 F : 和 B C : 植徐根尖细胞染色体橄目分布
组 合 播种 出苗数
}
染色体数目及其分布 (比例 , 平均染色
粒数 体数 目3 6一 39 4 0一 4 3 4 4一 47 4 8一 51 5 2一 5 5 , 6 以上
( P几l吞 又 才 e .走o r , c人 y i ) F : 25 2l l 3 7 l 3 9 。 3
( 6 1
.
9% ) ( 3 3
.
3% ) ( 4
.
8% )
( P几Z b 义 A e .走o r s c左夕i ) F : l 1 8 2 2 3 1 马4 , 6
( 2 5
·
0% ) ( 25
.
0 % ) ( 3 7
.
5% ) ( 12
.
5帕 )
( C
.
S 又 才。 , 夜o r 了c 丹y f ) F : 2 0 l 2 l 6 1 2 2 4 9 . 3
( B
。
3% ) ( 5 0
。
0% ) ( 8
。
3% ) ( 16
.
7% ) ( l ` 。 7 % ) {一
{ _
_
凡 总 计 5 6 4 1 l 5 l 0 l 0 l , 3 4 3 。 3
( 3 6
.
6% ) ( Z峨
。 呼% ) ( 2礴
.呼肠 ) ( 2 . 呜% ) ( 4 . 9% ) ( , 。 3% )
〔户人 l b 火 A e .无o r: c h y f ) F : C . S l 2 9 7 2 3 8 。 6
( 7 7
。
8% ) ( 22
。
2% )
(户h Z a 又 才诊 .无。 苦` c几 , i ) F : 1l 9 5 咚 3 , , 6
C
.
S ( 5 5
。`肠 ) ( 4斗。 4呱 )
( P无Z b 又 A 口 .天o r s c h y i ) F , l 1 9 4 3 2 今l 。 6
C
.
S ( 4 4
。
4肠 ) ( 3 3 。 4% ) ( 2 2 . 2% )
( C
.
5 火 才 , . 无o l s c再夕i ) F l l 0 8 3 3 2 4多。 牙
C
。
S ( 37
.
5肠、 ( 3 7 . 5% ) ( 2 5 . 0% )
B C
: 总 计 4 4 3 5 1 6 1 2 5 2 4 1 . 3
( 4 5
。
7% ) ( 3呼。 3肠) ( 1峪. 3肠 ) ( 5 . 7% ) }
伽再l b x A , 4 泛。 , : c h夕i ) F Z 染色体数目为 3 6一
4呼条 , 其中 3 6一 3 9条 F : 植株占 6 1 .夕多 , 4 0一 4 3
条占 3 3 . 3肠 , 平均 3 9 . 3 条。 ( P k Zb x A o . 夜。 -
t s c h y i ) F
: 染色体数 目 3 7一 6 0 条 , 3 7一 3 9条 占
2 5
.
0务 , 4 0一 4 3 条占 2 5多 , 44一 4 7条 占 3 7 . 5外 ,
4 8条以上 占 1 2 ` 5外 , 平均 4 4 . 6 条。 对照 ( C . S x
才 e . 及。 ; , c h夕i ) F: 染色体数 目 4 2一 63 条 , 4 4一 4 7
条占 5 0 . 0外 , 4 8 条以上占 4 1 . 7关 , 斗2一 4 3 条仅
占 .8 3 多 , 平均 秒 . 3 条 。
伽八z b x A e . 及o r s c h y i ) F : B CI 植株染色体
数目 3 7一 41 条 , 其中 37 一 ” 条植株 占 7 . 8多 ,
平均 3 8 6 条。 ( P再Z a x 月 。 . 天o t s c h夕i ) F : B C : 染
色体数目 37 一 42 条 , 37 一” 条植株 占 5 . 6多 ,
平均 弓9 . 6 条 铮人Zb X A e . 互o t s c h , i ) F , BC , 染
色体数目 38一64 条 , 38 一 ” 条植株占 4 4书 ,
平约 d ! . 6 条。 ( C . S x A , . 及o t , c h y i ) F , B C I 染
色体数目 4 0一 54 条 , 40 一 47 条植株占 70 . 0多 ,
平均 45 . 9 条 。
综合分析 (图版 , I , 卜 1 2 ) , F : 植株平均染
色体数目 4 3 . 3 条 ( 3 6一 6 3 条 ) , 3 6一 4 7 条染色
体植株占 75 . 4拓。 B C 、 平均染色体数目 41 . 3 条
( 3 7一 5 4 条 ) , 3 6一 4 7 条染色体植株占 9 4 . 3拓。
结果表明 , F: 植株染色体数 目多于 BC ; 植 株 ,
且染色体数 目分布范围宽 。 ( p hl b x A o . 灸口 -
打` h y O F : 绝大多数植株染色体数 目为 36 一”
条 , 而 B C ; 为 37 一 4 1条 , 表明其 F : 减数分裂产
生可育配子染色体数 目为 16 一 20 条。 ( p h bZ x
A o
. 如 ,了` h y` ) F ; 自交 、 回交后代绝大部分植株
染色体数目为 37 一 47 条 、 38 一 46 条 , 表明其
F , 减数分裂产生可育配子染色体 数 目为 17 一
25 条 , 以及少量不减数或近 乎 不 减数 配 子 。
(户h Za X A e · 及o t s e h y ` ) F , B C : 植株染色体 3 7一
42 条 , 表明其 F : 减数分裂产生可育配子染色体
1 6一 2 1 条 。
讨 论
p盖Z b突变休 。
(三 ) 回交结实率与染色休配对有关。 p介
基因促进了 F : 染色体配对 , 后期 I 染色体近均
等分向二极 , 配子染色体数 目 16 一 21 条 , 多数
雌配子由于缺失染色体较多 、 遗传上失去平衡
而败育 , 只有极少量遗传上平衡的雌配子可育
并受精 , 回交结实率较低。 而 ( C . 5 x A e . 如 -
,s ` h y i ) F
: 染色体配对少 , 后期 I 染色体随机分
离 , 配子染色体数 目差异很大 , 含有较多染色体
或不减数染色体的雌配子可育并受精 , 所以回
交结实率相对较高 。 上述分析与 BC : 植株根尖
细胞染色体检查结果吻合。
P h l b
、
Ph Zb 突变体及对照与 A e . 及o t , c h y奋
F , 能够 自交结实 , 原因可能有这样几个方面 :
1
· 小麦与 A o . 如“ hc 厂 亲缘关系较近 , 染色体
代偿能力强 , 缺失少量染色体雌 、 雄配子仍然有
一定可育率 。 2 . 雄配子对染色体多或少的忍受
能力差 ,容易失去遗传平衡 , 能够参与受精雄配
子染色体接近 21 条 。 3 . 少量不减数或近于不减
数雌 、 雄配子的受精结合 (多为雌配子 ) 。 4 . 环
境条体有利于配子发育并自交结实 。 ( p kZ o x
A e
. 夜o t s c 人y i ) F : 自交不结实 , 可能是因为 p h Z a
突变体抽穗期晚以及 P h aZ 基因对育性 的不 良
影响 , 花粉完全败育或胚中途夭亡 。
参 考 文 献
叶兴国 、樊 路 、 韩敬花 : 19 , :0 中国农业科学 , 2 3 ( , )o
8 9
。
辛志勇 、周广和 、 徐惠君等 ; l , ,。。 作物杂志 , 3 : 卜 -
2 o
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樊 路 、 韩敬花等 : 1 , 8, 。 中国科学 B辑 , 1 1 , 1 156 一
1 16 0
。
D r i s e o l l
,
C
.
J
. ,
L
.
M
.
B i e l i g a n d N
.
L
.
D a r v e 丫食
1 9 79
.
G e n e 才 i c 了
,
9 1 : 7 5 5一 76 7 .
K n o t t
,
D
.
R
. : 19 8 7
.
1 月 : W h e a t a n d W h e a r I m P r o
-
v e m e n t
,
P P
.
4 6 2一 4 7 1 .
S h a r m a
,
H
.
C
.
a n d B
.
5
.
G i l l : 1 98 6
.
2
.
P f l a 移 z 亡
_
丹 z “ c h t g . , 9 6 : l一 7 .
S e a r s
,
E
.
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. : 1 9 7 7
.
C 口 ,
.
J
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G e 招 ` t . C y r o l . , 一9 :
5 8 5一 5 9 3 .
S e a r s
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E
.
R
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: 19 8 2
.
C a 二 J . G 口招君 , . C夕r o l . , 2 4忿
7 1 5一 7 1 , -
W
a l l
,
A
.
M
.
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: 1 9 7 1
.
G e 月 e t
.
R “ 二 18 : 3 1 1一
3 19
-
,J.ó1,`r.L护.ó
[ 3 ]
[ 4 ]
1.JJj、J孟U时JSr.胜`LFL户ó
1.JlJ .
9l0
ù哥L,
(一 ) 本研究结果表明 , 户h l b 、 户n Z a 、 户n Z吞
基因诱导小麦与 A o . 如 t : ` 爪厂 F : 染色体配对
作用顺序是 P h l b > P h Zb > 户h Z a , 这与作者
新近报道小麦与黑麦 F : 染色体配对研 究 结 果
一致 1t] , 但与 s ea r s 报道结果不尽相同 91[ , 这可
能是前人和我们选用 A o . 如 st ` h厂 不 属 同一
品系 , 且前人以 A o . 如 ; , ` h y i 为母本与小麦杂
交 , 而我们采用相反杂交方式 , 以及环境条件对
染色体配对的影响 。
(二 ) 在这项研究工作中 , 我们首次获得了
P而突变体与 A o . 如打 `丙厂 F ; 自交种子和回交
种子 , 这在理论和实 践 上 都 具有重 要 意 义 。
Ph l b
、
p h Z b 突变体与 A o . 友o t s c介y i F : 染色体
配对水平高 , 而且能 自交 、 回交结实 , 认为利用
这两个基因可以 A e 灸口。 ` h厂 有益基 因直 接
遗传转移给小麦 。 (户h Za x A o . 互o t ; c人夕i ) F ; 染
色体配对水平低 , 自交不结实 , 但能回交结实 ,
具有转移外源基因的可能性 ,其效果不及 p h l b 、
叶兴 国等 :小麦 p l hb、 p hZ 。 、 p hZ b突变体与粘果山羊草杂种及其衍生后
代细胞遗传学研 究 图版 I
一篡臀毅
1一 6 :F, 减数分裂期花粉母细胞 。
、 . ( C
.
S 火 粘果山羊草 ) F : ,牛,期 l p M C , 2。 = 2 3 1 + 2⑧ + t l l l么 2 . (户人Z a 义 粘果山羊草 ) F : 中期 l p M C , 2。 一
2 6 1 + 3⑧ + 川 I ; 3 . (产h Zb K 粘果一力羊草 ) F : ,扫绷 I p M C , Z n = 1 8 1 + 9@ 共 4 · (户h l b K 粘果 lLJ 羊草 ) F l 中期
I P M C
, Z n 二 5 1 + 9⑧ + 1@ + 2 11 1 + I I V : 5 · (产h l b 丫 粘果 l上I羊草 ) F : 后期 I p M C , 1 7一 1 8 分离 ; 6 · ( C · s 义
粘果 r垃羊草 ) F . 后期 I P M C , 1 4 一 2 1 分离 。
7一 1 2 : B C . 和 F : 植株根尖细胞 有丝分裂中期 。
7
.
( P h l b 丫 粘果山羊草 ) F , B C , , 2刀 一 3 7 ; 8 ( P h l b X 枯果 l上z羊草 ) F : , Z n 一 4 0 ; 9 . ( P h Z b火粘 果 LJJ羊草 ) F : B C , ,
2。 = 4 2 ; 1 0 . ( Ph Zb 义 粘果山羊草 ) F : , Z n 一 4 4 : 1 1 . ( C · S 义 粘果山羊草 ) F . B C : , Z n 一 4 7 ; 12 . ( C . S 又 粘果
山羊草 ) F Z , Z n = 6 , 。