全 文 ：麦类作物学报　 2000, 20( 3): 1～ 5
Journal of T riticeae Crops
文章编号: 1009-1041( 2000) 03-0001-05
小麦与钩刺山羊草杂种的育性、
抗病性和细胞遗传学研究
⒇
王 洪 刚 , 刘 树 兵 , 高 居 荣 , 孔 凡 晶
(山东农业大学农学系 , 泰安　 271018)
摘　要: 钩刺山羊草高抗条锈、叶锈等病害。以钩刺山羊草为母本与小麦品种鲁麦 15杂交 ,杂交结实率为
55. 26% ,利用鲁麦 15作父本与杂种 F1的回交结实率为 22. 09%。 F1和 F2的自交结实率分别为 13. 8%和
8. 25%。 细胞学观察结果表明 , F1、 F2和 BC1 PMC MI的平均染色体构型分别为 25. 34Ⅰ + 4. 23Ⅱ + 0. 12Ⅲ +
0. 21Ⅳ、 18. 62Ⅰ + 9. 13Ⅱ + 0. 07Ⅲ + 0. 42Ⅳ和 8. 56Ⅰ + 16. 81Ⅱ + 0. 02Ⅳ。在杂种 F1开花期观察到 12. 92%的
可育三胞花粉。 F2、 BC2世代可分离出高抗条锈病和叶锈病的单株。
关键词: 小麦 ; 钩刺山羊草 ; 杂交 ; 育性 ; 细胞遗传学
中图分类号: S 512. 035　　　　　　　　　文献标识码: A
山羊草属 ( Aegilops )植物是小麦近缘物种中与小麦亲缘关系最为密切的属。它不仅抗逆性强 ,适应
性广 ,而且还含有多种抗病虫基因 ,例如抗白粉病基因 ,抗条锈病、叶锈病和秆锈病基因 ,抗眼斑病基因 ,
抗小麦条纹花叶病基因 ,抗黑森瘿蚊基因 [1 ]等 ,此外 ,还携带影响部分同源染色体配对 [3 ]、杀配子 [2, 6 ]基
因等。 因此 ,山羊草属植物在小麦的遗传改良中具有十分重要的利用价值 ,是小麦遗传改良的重要基因
资源。
本文对普通小麦与钩刺山羊草 ( Aegilops triuncialis )的杂交亲和性、杂种的育性、抗病性及细胞遗
传学特点进行了分析。
1　材料和方法
1. 1　材料
本研究利用的材料为普通小麦品种鲁麦 15、钩刺山羊草及其杂种 F1、 F2、 BC1 (图 1)。鲁麦 15小麦
品种和钩刺山羊草均由山东农业大学植物遗传工程实验室保存。田间诱发鉴定结果表明 ,钩刺山羊草轻
感白粉病 ,高抗条锈和叶锈病。
1. 2　方法
1. 2. 1　杂交及育性分析　 1996年 5月在山东农业大学试验网室以钩刺山羊草为母本 ,鲁麦 15为父
本 ,按常规去雄授粉杂交法杂交获杂种 F1 ,以 F1为母本与鲁麦 15回交获回交子代 BC1 ,并根据授粉花
数和结实粒数计算杂交和回交结实率。 F1套袋自交获 F2。开花前将 F1、 F2套袋收获后统计结实率。
1. 2. 2　花粉母细胞染色体观察　镜检选取处于减数分裂适宜时期的花药 ,卡诺液固定 , 1 mol /L盐酸
60℃水浴解离 7～ 8 min,席夫试剂染色压片镜检并照相 ,然后进行染色体数目统计和染色体构型分析。
1. 2. 3　雄配子体发育的细胞学观察　在 F1的四分体及以后各期采用醋酸洋红染色方法直接压片镜
检 ,观察花粉的发育特点。
⒇ 收稿日期: 2000-04-04　　　　修回日期: 2000-06-08
基金项目:本研究受山东省科委“小麦抗病基因多样化和综合抗病种质创新研究”项目 (编号为 1996— 143)资助。
作者简介:王洪刚 ,男 , 1955年生 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,系主任。
1. 2. 4　杂种后代的抗病性鉴定　将杂种后代材料播于试验网室 ,并在其附近种植感染行 ,感染行材料
为辉县红和铭贤 169。白粉病和叶锈病调查是在 5月底当感染行材料充分发病时按 0、 1、 2、 3、 4五级分
级标准调查钩刺山羊草与鲁麦 15杂种后代材料的抗病性 ;条锈病的调查是于 4月初在感染行内用注射
法接种条中 27、 29、 30、 31和水源 46混合菌种 ,于 5月底当感染行材料充分发病时 ,按五级标准调查杂
种后代的抗病性。
①鲁麦 15; ②钩刺山羊草与鲁麦 15的杂种 F1; ③钩刺山羊草 ; ④鲁麦 15与杂种 F1的回交一代
① Lumai 15; ② ( Ae. t riuncia lis× Lumai 15) F1; ③ Ae. t riuncialis; ④ ( F1× Lumai 15) BC1
图 1　主要供试材料的植株
Fig. 1　 The plants of materials used in this trial
2　结果与分析
2. 1　杂交结实率和杂种的育性
以钩刺山羊草为母本 ,鲁麦 15为父本杂交 ,共授粉 266朵小花 ,结实 147粒 ,杂交结实率为 55.
26% ;以鲁麦 15为父本与 F1回交 ,共授粉 172朵小花 ,结实 38粒 ,回交结实率为 22. 09% 。这表明钩刺
山羊草与鲁麦 15具有较好的杂交亲和性 ,不需采用其他辅助措施就可获得杂交后代。分别将 F1和 F2
套袋自交 ,其平均结实率分别为 13. 8%和 8. 25% (表 1) ,在两个世代统计的植株中均出现自交不能结
实的单株。
表 1　钩刺山羊草与鲁麦 15的杂交结实率和杂种的育性
Table 1　 Seed setting frequency of cross and fertility of hybrids between Ae . triuncialis and Lumai 15
项目
Items
统计小花数
No. of f loret s sco red
结实粒数
No. of seeds ob tained
结实率 (% )
Seed set ting f requencies (% )
杂交 Cros s 266 147 55. 26
回交 Backcross 172 38 22. 09
F1套袋自交 Selfing F1 in bag 645 89 13. 80( 0～ 21. 46)
F2套袋自交 Selfing F2 in bag 1309 108 8. 25( 0～ 12. 38)
2. 2　不同杂种世代 ( F1、 F2、 BC1 )的细胞遗传学特点
减数分裂时期细胞学观察结果表明 ,钩刺山羊草花粉母细胞第一次减数分裂中期 ( PMC M I)染色
体构型为 2n= 14Ⅱ (图版 1) ,鲁麦 15 PMC M I染色体平均构型为 2n= 21Ⅱ (图版 2) ,两亲本在第一中
期以后各期基本正常。F1 PMC M I染色体平均构型为 25. 34Ⅰ + 4. 23Ⅱ + 0. 12Ⅲ + 0. 21Ⅳ ,除较高频率
的单价体外 ,还观察到一定频率的二价体和多价体 (图版 3) ,在第一次减数分裂后期染色体基本表现为
·2· 麦　类　作　物　学　报 20卷
随机分离 ,在赤道板可观察到落后单价染色体 (图版 4)。 F2 PMC M I染色体平均构型为 18. 62Ⅰ +
9. 13Ⅱ + 0. 07Ⅲ + 0. 42Ⅳ ,单价体数较 F1明显减少 ,二价体和四价体频率提高 (图版 5～ 6) ,但在不同
单株间染色体构型差异较大。 BC1 PMC M I染色体平均构型为 8. 56Ⅰ + 16. 81Ⅱ + 0. 02Ⅳ ,染色体联会
频率进一步提高 ,单价体进一步减少 (表 2,图版 7～ 8)。
表 2　钩刺山羊草与鲁麦 15的杂种 F1、 F2和 BC1 PMCMI染色体构型
Table 2　 Chromosome conf igurations of PMC MI in F1、 F2 and BC1 between Ae. triuncialis and Lumai15
世代
Generations
观察植株数
No. of
plants
obs erved
统计细胞数
No. of cell s
s cored
染色体构型
Ch romosome configurations
Ⅰ
Univalent
Ⅱ
Biv alen t
Ⅲ
Trivalent
Ⅳ
Quad riv alent
染色体
配对频率 (% )
Percentag es of
ch romosome
pai red(% )
染色体
平均数
Mean of
ch romosomes
in per cell
F1 6 30
25. 34
( 21～ 33)
4. 23
( 1～ 7)
0. 12
( 0～ 1)
0. 21
( 0～ 1) 27. 6 35
F2 35 138
18. 62
( 8～ 22)
9. 13
( 5～ 13)
0. 07
( 0～ 1)
0. 42
( 0～ 1) 51. 9 38. 74
BC1 28 84
8. 56
( 4～ 10)
16. 81
( 11～ 18)
0. 02
( 0～ 1) 78. 74 40. 26
F1、 F2、 BC1三个杂种世代平均染色体数目分别为 35、 38. 74和 40. 26, F2和 BC1虽然同属杂种第二
代 ,但 BC1的平均染色体数明显高于 F2 ,并且染色体配对频率也明显高于 F2。这表明利用小麦亲本与杂
种 F1回交有利于使后代染色体数目趋向小麦的 42条 ,并趋向稳定。
对 13粒 BC1世代种子根尖细胞染色体数目的统计发现 ,它们的染色体数目为 2n= 36～ 44,这说明
杂种 F1通过雌配子传递的染色体数目为 15～ 23条。
2. 3　杂种 F1的雄配子体发育特点
在杂种 F1四分体期观察发现 ,四分孢子中带有微核是一种普遍现象 (图 9) ,除产生四分体外 ,还产
生较高频率的三分体 (图版 10)。四分体时期以后子细胞游离为小孢子 ,小孢子的大小存在较大差异 (图
版 11)。应用醋酸洋红染液于开花期压片结果表明 ,杂种 F1花粉的可染率较低 ,大部分花粉败育不能被
染色 ,有的虽然能染色但内无染色质 ,但有 12. 92%的花粉发育正常 (表 3) ,可观察到两个精细胞和一个
营养细胞 (图版 12)。
表 3　 (钩刺山羊草 /鲁麦 15) F1及其亲本开花期花粉可育率
Table 3　 Percentage of fertile pollen on (Ae . triuncialis /Lumai15) F1 and its parents in flowering phase
材　料
Material s
统计花粉数
No. of pol len observed
败育花粉数
No. of abor tive pollen
可育花粉数
No. of fertil e pollen
可育率 (% )
Percentage of ferti le pollen (% )
钩刺山羊草 874 171 703 80. 43
Ae. t riuncial is
鲁麦 15　 Lumai 15 952 76 876 92. 02
(钩刺山羊草 /鲁麦 15) F1 1 463 1 304 189 12. 92
(Ae. triuncial is /Lumai 15) F1
2. 4　杂种后代的抗病性
对钩刺山羊草、鲁麦 15和它们的杂种后代的抗病性调查表明 ,钩刺山羊草和鲁麦 15轻度感染白粉
病 ,它们的杂种后代虽然感病率较高 ,但不同单株间反应型存在较大差异 ,仍能分离出抗性较好的单株。
钩刺山羊草对条锈病表现高抗 ,它与鲁麦 15杂交产生的 F1、 F2和 BC1的感病率、病情指数和反应型级
值均较低 ,在 F2和 BC1中均分离出高抗或免疫的单株。另外 ,钩刺山羊草对叶锈病也具有较高抗性 ,虽
·3·3期 王洪刚等: 小麦与钩刺山羊草杂种的育性、抗病性和细胞遗传学研究
然 F2和 BC1的发病率较高 ,但大部分植株的反应型级值较小 ,并且可分离出抗性好的个体。这说明利用
钩刺山羊草作抗源选育抗病种质材料是有效的。钩刺山羊草、鲁麦 15和它们的杂种后代抗病性调查结
果列于表 4。
表 4　钩刺山羊草与鲁麦 15号杂种后代的抗病性
Table 4　Results for powdery mildew, stripe rust and leaf rust of Ae . triuncialis、 Lumai15 and the ir hybrid progenies
材料
Material s
白粉病
Powd ery mild ew
调查
株数
No. of
plants
感病率
(% )
Percentage
of infection
病情
指数
Index
of
infection
反应型
Range
of
rcaction
条锈病
St ripe rust
调查
株数
No. of
plants
感病率
(% )
Percentage
of infection
病情
指数
Index
of
infection
反应型
Range
of
rcaction
叶锈病
Leaf rus t
调查
株数
No. of
plants
感病率
(% )
Percentage
of infection
反应型
Range
of
reaction
钩刺山羊草 15 73. 3 28. 47 2～ 3 20 5. 0 0. 96 0～ 1 15 20. 0 0～ 1
Ae. triuncial is
鲁麦 15 15 60. 0 19. 52 1～ 3 20 20. 0 6. 44 1～ 3 15 33. 3 1～ 2
Lumai 15
(钩刺山羊草 /鲁麦 15) F1 25 48. 0 18. 69 1～ 3 30 3. 3 1. 72 0～ 1 20 15. 0 0～ 1
(Ae. triuncial is /Lumai15) F1
F2 54 85. 2 36. 91 1～ 4 50 12. 0 8. 03 0～ 2 45 64. 6 0～ 3
BC1 49 83. 7 33. 28 1～ 4 45 15. 6 8. 87 0～ 2 45 68. 9 0～ 3
3　讨 论
钩刺山羊草分蘖力强 ,耐干旱 ,高抗条锈等病害 ,在小麦遗传改良中具有重要利用价值。本研究结果
表明 ,它与小麦杂交较易成功 ,杂种具有一定育性 ,从而为将其有利基因转移进小麦提供了可能。在与小
麦的杂种后代中 ,可分离出高抗条锈、叶锈等病害的个体 ,因此利用它作为抗源选育抗病种质材料是有
效的。
钩刺山羊草含有 C和 U组染色体 ,其染色体组构成为 CCUU,是一个异源四倍体。它与小麦杂交产
生的 F1杂种 ,在减数分裂时 ,染色体具有一定的联会频率 ,染色体构型中不仅有二价体 ,也有三价体和
四价体 ,其原因可能是由小麦的部分同源染色体联会而成 ,也可能表明在小麦与钩刺山羊草染色体之间
存在部分同源性。这第二种染色体间的联会有利于实现两亲本染色体间的重组 ,从而将钩刺山羊草的有
利基因转移到小麦染色体上。此外 ,染色体的联会对于染色体的规则分离和保证杂种具有一定的育性可
能是十分重要的。
杂种 F1小孢子发生和雄配子体发育的观察结果表明 ,经减数分裂产生的小孢子体积不同 ,其内含
的染色质量也不一样 ,体积较小的小孢子含有的染色质量也较少 ,一般不能发育为有功能的三胞花粉。
在雄配子体的发育过程中 ,不同时期发生了不同频率的败育 ,开花期花粉的败育率较高 ,这是远缘杂种
的重要特点之一 ,这与王洪刚 [4 ]等、亓增军等 [ 5]对其他远缘杂种的观察结果是一致的。本研究获得的钩
刺山羊草与鲁麦 15的杂种 F1开花期有 12. 92%的花粉正常可育 ,从而保证了其自交具有一定的结
实率。
·4· 麦　类　作　物　学　报 20卷
参　考　文　献
[1 ]　金善宝主编 . 中国小麦学 [M ] . 北京:中国农业出版社 , 1996, 254～ 298.
[2 ]　薛秀庄著 . 小麦染色体工程与育种 [M ]. 石家庄:河北科学技术出版社 , 1993, 76～ 122.
[3 ]　叶兴国 ,徐惠君 ,杜丽璞 . 东方山羊草、尾状山羊草中染色体配对控制机制的存在和作用 [ J] . 遗传学报 , 1997, 24( 2): 149～ 153.
[ 4 ]　王洪刚 ,亓增军 ,孔凡晶 ,等 . (普通小麦 /长穗偃麦草 ) F1小孢子发生和雄配子体发育的细胞学特点 [ J] . 西北植物学报 , 1998, 18
( 1): 14～ 18.
[5 ]　亓增军 ,王洪刚 ,李晴祺 . 普通小麦与黑麦属间杂种 ( F1)育性特点的研究 [ J] . 实验生物学报 , 1998, 31( 3): 291～ 298.
[ 6 ]　 Tsujim oto H. Gametocidal genes in wh eat and i t s relat ives. Ⅳ . Fu nctional relat ionships betw een six gametocidal gen es [ J ].
Genome, 1995, 38: 283～ 289.
Study on Fertility, Disease resistance and Cytogenetics of Hybrid
BetweenTriticum Aestivum and Aegilops Tr iuncialis
WANG Hong-gang, LIU Shu-bing, GAO Ju-rong, KONG Fan-jing
( Agronomy Departmen t of Sh andong Ag ricul tu ral Universi ty, Taian　 271018)
Abstract: Ae. Triuncialis used a s female pa rent w as crossed w ith w hea t va riety Lumai15 and F1
was backcrossed wi th it s pollen parent tha t w as used as male pa rent in backcro ss, thei r seed set ting
f requencies w ere 55. 26% and 22. 09% respectiv ely. Th e seed setting frequencies o f F1 and F2 , when
they w ere selfed, w ere 13. 8% and 8. 25% respectiv ely. The results of cy tolo gic observ ation show ed:
the means of chromosome configurations in F1 , F2 and BC1 were 25. 34Ⅰ + 4. 23Ⅱ + 0. 12Ⅲ + 0. 21Ⅳ ,
18. 62Ⅰ + 9. 13Ⅱ + 0. 07Ⅲ + 0. 42Ⅳ and 8. 56Ⅰ + 16. 81Ⅱ + 0. 02Ⅳ . 12. 9% fer tile 3-nucleated pollen
w as observed in f low ering phase of hybrid F1 . Plants w ith good resistance fo r st ripe rust and lea f rust
can be appeared in F2 and BC1 .
Key words: Wheat; Aegi lops triuncial is; Cross; Fer ti li ty; Cy to genetics
·5·3期 王洪刚等: 小麦与钩刺山羊草杂种的育性、抗病性和细胞遗传学研究
王洪刚等:小麦与钩刺山羊草杂种的育性、抗病性和细胞遗传学研究 图版
WANGHong-gong et al. 　 Studies on Fertility, Disease resistance and Cytogenetics
of Hybrid Between Trit icum Aestivum and Aegilops Triuncial is Plate
1.　钩刺山羊草 PM C MI染色体构型: 2n= 14Ⅱ　　　　　　　　　　　　　
　 Ch romosome conf igu ration of Ae. t riuncia lis PM C M I: 2n= 14Ⅱ
2.　鲁麦 15 PM C M I染色体构型: 2n= 21Ⅱ
　 Ch romosome conf igu ration of Lumai 15 PM C M I: 2n= 21Ⅱ
3.　钩刺山羊草与鲁麦 15杂种 F1 PMC M I染色体构型: 2n= 19Ⅰ + 6Ⅱ + 1Ⅳ
　 Ch romosome conf igu ration of F1 PM C MI: 2n= 19Ⅰ + 6Ⅱ + 1Ⅳ
4.　杂种 F1 PM C AI,落后染色体
　 F1 PM C AI, sh owing lagging chromosomes
5.　 F2 PM C MI染色体构型: 2n= 12Ⅰ + 11Ⅱ + 1Ⅲ
　 Ch romosome conf igu ration of F2 PM C MI: 2n= 12Ⅰ + 11Ⅱ + 1Ⅲ
6.　 F2 PM C MI染色体构型: 2n= 8Ⅰ + 13Ⅱ
　 Ch romosome conf igu ration of F2 PM C MI: 2n= 8Ⅰ + 13Ⅱ
7.　 BC1 PMC MI染色体构型: 2n= 4Ⅰ + 18Ⅱ
　 Ch romosome conf igu ration of BC1 PMC MI: 2n= 4Ⅰ + 18Ⅱ
8.　 BC1 PMC MI染色体构型: 8Ⅰ + 15Ⅱ
　 Ch romosome conf igu ration of BC1 PMC MI: 2n= 8Ⅰ + 15Ⅱ
9.　 F1带微核四分体　　　 Tetrad w i th micronucleoli of F1
10.　 F1三分体　　　　 Triad of F1
11.　 F1小孢子　　　Microspo res of F1
12.　 F1三胞花粉　　　 3-nucleated pol len of F1