全 文 ：外源种质在大麦遗传育种中的应用
蒋继 明
(南京 农业大学 )
植物育种工作的进展在很大程度上取决于对种质资源的有效利用 。 我国丰富的大麦品种
资源 曾经和正在为大麦育种工作发挥重要作用 。 然而种 内的遗传变异毕竟有限 , 有时为实现
某一育种目标所需要的基因资源在种内己不敷应用 , 育种家们就自然要考虑到如何从亲缘种
属中去挖掘和转移这些基因 。 基因工程和原生质体融合等生物技术的兴起固然为基因在不同
生物类型间的转移 。 开辟了新的可能途径 , 然而这一技术在高等植物 , 尤其是禾谷类作物中
的应用仍然有着一段相当艰巨的路程。 应该承认 , 迄甲为止 , ·从亲缘植物转移有用基因的堪
称实用有效的手段仍然是种属间的有性远缘杂交以及随后的染色体组或染色体工程技术 , 对
大麦育种而言 , 情况也毫不例 外 。
大麦 ( H or de u m v u l g a r e ) 是一个二倍体物种 , 它缺乏普通小麦 ( 异源六倍体 ) 那样
的 “ 遗传缓冲性” , 忍耐外源遗传物质渗入的能力较差 , 所以导入外源种质的成功例子一直
较为鲜见 。 在过去的几十年里 , 虽然有一些学者一直在坚持从事大麦的远缘杂交工作 , 但主
要精力基本上集中在大麦与球茎大麦 ( H 、 b lu ob 一 s u m )的杂交上 。 近年来 , 加拿大植物考
察队以及丹麦一一瑞典联合考察队在小亚细亚 、 北美和南美收集了大量的大麦野生资源 , 并
在大麦属内展开了系统的种间杂交和细 }胞遗传学势研究 , 预计在今后一段时间里 , 大麦属物种
的系统发育关系 、 染色体组 ( g e n o m e ) 组成 以及与此有关的分类等间题将逐步得到澄清 。
这十年里最引人注 目的是大小麦杂交所取得的一系列进展 , ` .虽然 目前还无法预测这些研究对
大麦的育种工作将起多大直接影响 , 但由此积累的一系列基础信息 ( 如大麦各连锁群的基因
定位等 ) 无疑将具有重要的参考价值 。
在我国的大麦育种工作中 , 远缘杂交一直是一项较为薄弱的环节 。 大麦的远缘杂交可能
难以同小麦那样在较短的时间里取得实际效益 , 但从长远利益看 , 这项工作的开展将为育种
家们开拓变异 度更为广阔的育种资源 , 避免某些性状基因型的单一化 , 甚至有可能直接育成
所需要的品种 。 另外 , 远 缘杂交中所涉及的一系列基础工作对于探讨如何将外源种质更有效
地导入到大麦中来也是必不可少的 。
一 、 球茎大安在大麦遗传育种研究中的价值
球茎大麦是大麦属中的一个多年野生种 , 有二倍体和四倍体两种类型 。 球茎大麦具有优
良的抗逆性 , 如抗寒性 , 高抗大麦黄花叶病和白粉病等 , 球茎大麦的花药外露租异交习性在
大麦属中也不多见 。 通过种间杂交把球茎大麦的优良性状导入到大麦中来的尝试一直可以追
踪到三十年代 。 ` 1 9 5 1年 , k 。 n z a k等引入了幼胚培养技术 , 提高了杂交成 功 率 。 以后 , M or
r i s o n和 R a j h a t il y ( i g s g a ) 、 L a n g e ( i 9 7 1 a ) 以及汪丽泉等 ( 一9 5 0 ) 都有过类似报道 。
一 1 0一
k o n z a k等在 19 5 1年就认识到大麦的染色体组 (以 H表示 )与球茎大麦的染色体 (以 B表
示 )有着较高的同源性 。 在三倍体杂种 (H B B )中有高频率的三价体出现 (K o nz a k等 ; M or
r i : o n等 , i 9 5 g b ) 。 根据该型分析的结果 , k a s h a和 s a d a s i v a i a h ( 1 9 7 1 ) 认为在球茎大麦 中
至少有 5 条染色体与相应的大麦染色体有相似的形态 , 这些染 色体可能与大麦中能与球茎大
麦发生同源或部分同源配对的染色体有密切关系。 在二倍体杂种 ( H B ) 中 , 这种同源 性 表
现得更为直观 , 杂种平均二价体频率为 4 。 25 ~ 5 。 9 7 , 最高二价体数 目 可 达 7 ( B ot h m r e 等 ,
1 9 8 3 )
。 由于双亲染色体间同源性程度高 , 于是双亲遗传物质就有可能相互重组 , 因此 , 从
理论上讲把球茎大麦基因导入到大麦中来的目标是能够实现的 。
应用胚培养技术 已不难获得大麦 x 球茎大麦杂种 , 、但用大麦或球茎大麦花粉对三倍体或
二倍体杂种进行回交却往往很难 结 实 ( k o n z a k等 , 1 9 5 1 , L a n ; e 和 J o 。 h e m s e n , i 9 7 6 a , )
以后发现有些三倍体杂种的花粉是部分可育的 , 用这些花粉给大麦授粉便可得到回交后代 ,
但这些回交后代的染色体常常是不稳定的 , 球茎大麦染色体大部分或全部被排除 , 从而使双
亲性状难 以重组 。 用四倍体大麦 ( H H H H ) 与球 茎大麦杂交产生的四倍体 杂种 ( H H B B )
比较容易得到回交后代 , 但其染色体 同样是不稳定的 ( L an ge 和 J o c he m s e n , 1 9 7 6 a ) ,对 三
倍体杂种进行秋水仙碱处理 已获得过六倍体双二倍体 ( k a s h a 和 S a d a s i v a i a h , 1 9 7 1 ; L a n g e 和
oJ
o n m e s e n
,
1 9 7 6 b )
, 但双二倍体仍因染 色体不稳定而 出现染色体排除现象 ( L a n g e 和 J o c
n e m s e n
, 1 9 7 6 b )
。 迄今虽 已有人报道过将球大麦的一些性状转移给了大麦 , 但由于难 以克
服回交不孕及染色体不稳定等问题 , 因此这种转移仍将是很困难的 。
单倍体的产生本来是大麦与球茎大麦杂交计划的 “ 副产品 ” 。 由于杂种中球茎大麦染 色
体的逐渐排除 , 最后只剩下了大麦染色体套 ( L an ge , 1 9 7 b1 ) 。 后来发现大麦和某些球茎
大麦株系杂交能高频率地产生大麦单倍体 ( k as h a 和 k a 。 , 1 9 7。 ) 。 这一发现引起了人们极
大的兴趣 , 随着技术的逐步完善 , 一些实验室 已开始用此方法来进行大麦单倍体育种 。 eJ sn e
`
( 1 9 7 6 ) 对这一方法进行过详尽的描述 。 H ua gn ( 1 9 84 ) 曾对用球茎大麦法和花药培养法
产生单倍体的效率进行过比较 , 并认为在花培的绿苗率太低及高频率的 自化苗间题解决 以前 ,
球茎大麦法仍将是产生大麦单倍体的最有效方法 。
由于染色体排除而产生单倍性不仅发生于大麦 x 球茎大麦杂种中 , 当球茎大麦与大麦属
的其它物种甚至象小麦这样的近缘属物种杂交时也会产生同类现象 ( H ar o la y , 1 9 7 5 ) 。 用
这种方法已得到过大麦属中 12 个物种的单倍体 ( F de a k , 1 9 8 5 a ) , 这对于了解这些物种的倍
性结构 ( 同源 , 异源或节段异源 ) 、 染 色体组组成及研究配对的遗传控制等无疑都具 有 十
分重要的意义 。 ( sI la m 等 1 9 8 1 b ) 还设计一用小麦一大麦的单体添加系与球茎大麦杂 交 来
获得双体添加系 , 从而为双体添加系的筛选开创了一种新的途径 。
二 、 大麦的属内杂交
大麦属共约包括 30 个种 , 除了栽培大麦和球茎大麦外 , 余均为丛生的禾草 , 这些物种形
态上大同小异 : 穗部 小穗排列较密 , 一般每节具三个小穗 , 每小穗含一朵小花 , 穗轴脆断 。
大部分物种为多年生 , 但也有一年生和 两年生的 。 多数物种花药较小且 自花授粉 ( D e w e y ,
1 9 8 4 )
。
一 1 1一
大麦属内的染色体组组成情况仍不十分明了 , 从到 目前为止的细胞遗传学资料看 , 除了
H
、
S P o o t a n e u m
、
H
、 a g r i o : r i一 t羊: o n ( 有人把它们归属于 H 、 v u l g a r e ) 和球茎大麦外 ,
栽培大麦的染色体组与大麦属其它物种为染色体组之间缺乏同源性 ( B o t h m e r 等 , 1 9 8 3 ) ,
当然 , 这一结论还有待于更多的证据 。 根据 已经了解的染色体组组成情况 , 有人提出将目前
的大麦属划分为大麦 ( H o r d e u m ) 和芒麦草 ( 。 r i t e s io n) 两个属 : 新的大麦属只含 栽 培 大
麦 ( 包括H 、 sP o nt a n e u m和 H 、 a gr i。 : r i t h o a ) 和球茎大麦两个种 , 其余为都归属于芒麦
草属 ( D e w e y , 19 8 4 ) 。 由于大麦与大麦属的大部分野 生种之间缺乏染色体同源性 , 于是给
基因的转移增加 了难度 。
大麦属 (本文以下提到的 “ 大麦属 ” 均按旧的分类法 ) 中除了球茎大麦具有优异的抗逆性
外 , 抗病 、 生理或生态适应性 ( 如抗寒 、 抗旱等 ) 基因 乏普遍存在为 。 这方面尚块乏系统而
严格的筛选 、 鉴定工作 , 一些优异的材料可能还有待于发现 , 如 H 。 g ! au c u m有 良好的 抗 除
草剂特性 ( sI la m , 私人通讯 ) 。 表 1 列举了部分大麦属物种为抗病性和 抗逆生情况 。
近年来 , 大麦属内的种间杂交工作得到了迅速开展 , 其主要目的是为了了解属内种间的
系统发育关系 , 另外也为通过远缘杂交来改 良大 麦 奠 定 一 些 基 础 。 aJ o ob s en 和 B o ht m e r
( 1 9 8 1) 已对这些工作作了总结 。 在大麦与不同野生种的杂交中 , 幼胚培养往往是获得杂种
所必需的步骤 。 随着杂交技术和胚培养技术的改进 , 大麦属内的所有种间组合可能都是可以
获得成功的 ( J a e o b s e n 和 B o t h m e r , 1 9 8 1 ) 。
表 1 部分大麦属物种某些农艺性状的评价 .
抗早性寒抗性物 种
生长 !一般{
}抗病 }习性 …性 {
ABAD ABH
。
b o g d a n i i
H
。 v i o l a e e u m
H
。
t u r k e s t a n
-
I C U l l
H
。 s e e a l i n u m
H
.
g l a u e u m
H
。
m u r i n it m
H
。
j u b a t u m
H
。
P u s i l l u m
H
。 e o m P r e s s
-
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多年生
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一年生
多年生
一年生
多年生
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根据 R a ih a t h y 等 ( 1 9 6 4 ) , 有删节
A
: 极好 B : 好 C : 中等
D
: 差
虽然大麦与大部分大麦属野生种的杂交
都已获得了成功 , 但从育种意义上来说这仅
仅是初步的 , 回交 、 加倍等一系列进一步的
工作都还很育 限 , 仅根据 目前所取得的一些
结果还很难对 “ 大麦属野生仲对于大麦改良
的价值 、 潜力 、 方法 ” 等间题下明确结论 。
由于缺乏染色体同源性 ( 这一观点可能
还不是结论性的 ) 和某些其它生物学上的障
碍 , 将野生大麦基因转移给大麦将是十分困
难的 。 虽然有人列举过成功的例子 : 如品种
M
a s s e y 的抗白粉病和抗高温 ( s e a i d r e s i s t
a n c e ) 习性及品种 L e g e r 的抗倒性可能都来
自H . l e p o r i n : m ( F e d a k , i g s s a ) , 但这种
实例毕竟很少 。 如果要在较短的时间内利 用
野生冲质 , 最育用的材料可能还是 H 。 s p o nt
a n e u m及 H . a g r i O : r i t h o n , 因为这些物仲在
染色体水平上和栽培大麦没有显著为差异 ,
杂种中染色体的配对是基本正常的 , 也不存
在其它生物学上的障碍 ( 如杂种坏死 、 杂种不育及染色体不稳定等 ) , 用常规的杂交方法便有
可 能达到预期的目标。
一」2一
三 、 大密的侧间杂交
1
、 大麦与小麦的杂交
就现有的研究资料来看 , “ 大小麦杂交” 这一概念的含义现在实际上应该延伸为 “ 大麦
属物种与小麦属物种之间的杂交” , 但本文仍将只就栽培大麦与栽培小麦 〔包括普通 小麦 ( T
r i t i e u m
’
a e s t i v u m ) 和硬粒 ,\J麦 ( T . d。 r 。 m ) 等 〕之间的杂交情况作一点总结 。
有记载的第一篇关于大小麦杂交的报 道 是 澳 大利 亚 的 W川 ia m F ar r e r于 1 9 0 4年发表
的 , 以后 , p r id h a m ( 1百1 4 ) 、 p y e ( 1 0 2 1 ) 、 W a t e r h o u s e ( 1 9 3 0 ) , G o r d o n 和 R a w ( 1
9 3 2 ) 及 A h o k s ( 1 9 7 0 ) 等都有过类似报道 ( 引自 S h e p h e r d和 15 ! a m , 1 9 5 1 ) 。 1 0 5 4年 。 月在
江苏省农科院召开过一次全国性的大小麦杂交学术研讨会 , 会上提到 : 我国在 50 ~ 70 年代也
一直有人在从事这方面的研究 。
1 9 7 3年 ,丹麦的首 K r us e 先获得了 e s具有细胞学证据的令人确信的大小麦杂种 , 从而使这
一领域的研究取得了突破性的进展 。 以后 , 许多国内外学者采用与K r su e类似的方法都获得
T 大小麦杂种 ( I s l a m等 , 1 9 7 5 、 1 9 7 8 , F e d a k , 1 9 5 0 ) 。 大小麦之间的杂交是十分困难的 ,
其结实率很低 , 一般来说 , 大麦与二倍体 、 四倍体 小麦的杂交要比大麦与六倍体小麦的杂交
更困难些 , 杂交时如用小麦作母本则要比大麦作母本更难以成功 。 但也发现了一些可交配性
比较好的基因型和组合 , 如 中国春小麦 x B e t z e s大麦的正反交结实率可以分别 达 到 1。 3% 和
15
.
4%
, 我国大麦地方品种宝山二棱与普通小麦也有较好的可交祝性 ( 蒋继明 , 1 9 8 6 ) 。 大
小麦杂种在形态上明显偏向小麦 , 自交不孕 , 祖用小麦花粉回交可以获得回交一代 。
从育种意义上讲 , 大小麦杂交的 自的不外乎两个 : 其一是获得具双亲优良性状的新的作
物类型 , 即产生具有 A A B BH H或 A A B B D D H H染色体组的双二倍体类型 , 其二是将一个
作物的某一优 良性状导入到另一个作物中去 。 就育种实践而言 , 小麦育种家对大小麦杂交更
有兴趣 : 如果能将大麦的早熟性生耐盐碱性等优良性状转移到小麦中去 , 那么将会产生 巨大
的经济效益。 .
对大麦来说 , 大小麦杂交的主要意义在于由这一工作所衍生的一系列理论研究 。 首先 ,
小麦一一大麦添加 系的产生为大麦的基因定位工作创造了一种新的工具 。 虽然在添加系中难
以鉴别出大麦所特有的 形态特征 , 但一系列控制大麦所特有的同功酶和结构蛋白的基因却能
在小麦遗传背景下得到表达 ( H at t等 , 1 9 8。 ) , 这样 , 只要在双体或双端体添加系中 鉴 别
出大麦的替一同功酶或结构蛋白 , 便可把相应的基因定位到特定的大麦染色体或染色体臂上
去 。 用这种方法 已对近 3 0个大麦基因进行了染色体定位 ( I s l a m和 S h e p h e r d , 1 9 s l a , S a 艺i n a s
等 , 1 9 8 5 ) 。 对大小麦杂种及其衍生材料的研究还表明 : 大麦和小麦染色体之间仍存在某种
程度同源关系 , 如控制 乙醇脱氢酶和谷草转氨酶一 2 同功酶的大 、 小麦基因产物 , 在小麦一
大麦添加系及七倍体回交一代中能形成有活性的异二聚体 ( H ar t等 , 1 9 8。 ) 。 对小麦 、 大麦
相似基因 ( 控制同一种蛋 白质形态性状 ) 的染色体位置的比较研究以及对部分小麦一大麦染
色体代换系的研究表明 : 大麦的第 1一 7 条染色体可能分别与小麦的 7 、 2 、 3 、 4 、 1 、
6 和 5 同源转化群是部分同源的 ( I s l a m和 S h e p h e r d , 1 9 8 1a ) 。
2
, 大麦与黑麦的杂交
一 1 3一
大麦与黑麦的杂交要比大麦与小麦杂交更为困难 , 虽然有许多人作过这样的尝试 。 但成
功的例子并不多见 。 我们曾用宝山二棱大麦与荆州黑麦杂交 , 其结实率可 接 近 1 0 % , 一但幼
胚 在早期就开始退化 , 授粉后 10 ~ 14 天解剖种子时发现子房里的内含已完全崩解 。 不同为学
者 曾用不同为大麦品种与不同为黑麦种 ( 包括 s e e a l e e e r e a l , s 、 a f r i e a n t 二和 S 、 v a v i芭o
vi i ) 和品种 进行杂交 , 并获得过生 活力较差或完全正常的不同类型的后代 , 包括杂种 ( S h
u m n 了等 , 1 9 a z ) 、 大麦单倍体 ( F e d a k , 1 0 7 7 ) 和三 倍 体 杂 .种 ( 转引自F e d a k , i o 3 5 a )
等 , 有些杂种的染色体数目是正常的 ,而另一些却呈镶嵌状态 , 杂种的细胞遗传学研究表明 :
大麦和黑麦染色体之间不存在同源性 ( F e da k , 1 9 7 9 ) 。大麦 x 黑麦杂种自交是不孕为 , 回交不
结实 , 而且双二倍体也是不育的 ( T h o m as 和iP c k e lr 协g , 1 9 7 9 ) 这些结果都表明 : 要在大
麦和黑麦之间相互转移有用基因将是十分困难的 `
3
、 大麦与其它远缘种属的杂交
染色体组分析的结果表明 : 小麦族 ( T r i t i o e a e ) 的若干个属中含有来自大麦属的 I 染
色体组 ( D e w e y , 1 9 7 1 、 1 9 8 4 ) ( I 染色体组广泛存在于大麦属的野生种甲 , 与栽培大麦的
H染色体组不同源 ) , 如披碱草属 ( lE y m : s ) 、 鹅观草属 ( R oe g en r ia )等 。 甚至有人认 为 :
大麦与类似 A g r o p y r o n t r a e h y e a u l u m 、 E ly m u s a r e n a r i u s这样为外属物种之间约关系要
比大麦与大麦属内的许多物种之间关系更近些 (引自Bar fe y G e en t ic R e s o ur o e s ) 。 大 麦 与
冰草 ( A g r o p一 y r o n ) ( F e d a k , i g s s b ) 、 披碱李 ( s e h o o 二e r 和 A n d e r s o n , 1 9 5 0 , M u j e e b
和 R o 已r i g u e z 2 9 5 2 ) 、 惬麦草 ( E ly t r i g i a ) ( F e d a k , i g s 5C ) 及新麦草 ( P s a t h r o s t a
c h y ) (转引自 F e da k , 1 9 8 5 a ) 之间的杂种已被 分 别报道时 , 这说明大麦与这些属之间的杂
交不亲和性都是可以被克服的 。 预计将来能与大麦杂交的远缘属 、 种的数目将进一步增加 。
一 冰草 、 堰麦草 、 披碱草约一些物种具有某些优良为抗逆生和其它农艺性伏 。 长穗堰麦草
( E
、 e ! o n g a t : m ) 和中间堰麦草 ( E 、 i n t e r m e d i u m ) 已被广泛地用于小麦为改良。 当然 ,
要把这些物种的优 良性状导入到大麦中来显侯要比导入到 小麦中去困难得多 。 除 了 已 提 到
的大麦的 “ 遗传缓冲性 ” 差以及大麦与这些物种的染色体间缺乏同源性外 , 大麦染色体组有
时还会表现 出抑制同源或部分同源配对的效应 ( eF d a k , 19 8 5。 , 蒋继明 , 1 9 8 6 ) , 这些因素
都给基因传移带来了困难 。
参考文献40 篇略
一 1 4一