全 文 ：麦类作物学报　 2001, 21( 2): 6～ 9
Journa l of T riticeae Crops
异细胞质在八倍体小黑麦育种中的利用研究
⒇
何聪芬1 , 周春江 1 , 王翠亭 1 , 许景升 1 , 李集临 2
( 1. 河北师范大学生命科学学院 , 石家庄 050016;　 2. 哈尔滨师范大学生物系 , 哈尔滨 150080 )
摘　要: 利用 15个异细胞质中国春及对照中国春分别与黑麦杂交 ,结实率有所不同 ;出苗率差异显著 ;异
细胞质对 F1减数分裂中期Ⅰ 染色体配对有影响 , ( Ae. sharonesis)和 (Ae.bicornis)细胞质分别促进和抑制中国春
与黑麦 F1部分同源染色体配对。用八倍体小黑麦回交 F1 ,回交结实率差异显著。 t检验表明 ,异细胞质对 F1产
生有功能雌配子有影响。继续用八倍体小黑麦回交 ,得到四种异细胞质八倍体小黑麦 ,细胞学观察表明:减数分
裂不稳定 ,多价体明显增多。利用 ( Ae. juvenalis)、 ( T. timopheevi )等 4种细胞质可以将黑麦中有益基因直接转移
给小麦 ,而 (Ae .bicornis)在导入黑麦有益基因方面可能不宜利用。
关键词: 异细胞质中国春 ;黑麦 ;部分同源染色体 ;有功能雌配子 ;异细胞质八倍体小黑麦
中图分类号: S 512. 4; Q 943　　　　文献标识码: A　　　　文章编号: 1009-1041( 2001) 02-0006-04
Study on the Util ization of Alien Cytoplasm in the
Breeding of Octoploid Triticale
HE Cong-f en1 , ZHOU Chun-jiang1 , WANG Cui-ting1 , XU Jing-sheng1 , LI Ji-l in2
( 1. College of Li fe Science, Hebei Normal University, Shi jiazhuang, Hebei 050016, China;
2. Departmen t of Biology, Harbin Normal University, Harbin, Heilonjiang 150080, China)
Abstract: Wheat v arieties “ Chinese Spring” with different alien cy toplasms w ere crossed wi th rye, and
thei r F1 were crossed with stable octoploid tri ticale. Significant dif ferences in seed-set ra te, rate of emer-
gence and plumpness of kernel among dif ferent lines of alloplasmic F1、 BC1 and BC2 were observ ed. Four
lines of alloplasmic octoploid t riticale w ere obtained in BC2 . Different cy toplasms had different effects on
homologous chromosome pairing as show n by chiasma frequency in F1 at metaphase of first meiotic division
and on having active female gamete as show n by backcrossing seed-set rate w ith stable octoploid tri ticale.
The results indicated that g enetic transferring of desirable genes from rye to Chinese Spring wi th timophee-
vi and juvenalis alloplasms w as feasible, but it w as unfeasible wi th bicornis cy toplasm. In BC2 ( alloplasmic
octoploid t riticale lines) , one or more univalents w ere observ ed in PMCs ( pollen mother cells) at metaphase
Ⅰ of meiosis, indicating that thei r meiosis w ere unstable.
Key words: Alloplasmic Chinese Spring; Rye; Alloplasmic-octoploid t riticale; Homologous chromosome
小麦及其亲缘属植物的细胞质遗传变异及其在小麦品种改良中的利用一直是育种学家们努力探索
的课题之一。 核质杂种的研究在杂种优势的利用、外源基因的导入、遗传资源的拓展及传统育种方法的
革新等方面具有重要的理论价值和实践意义 [ 1]。 Tsunewaki[2 ]、 Kihara[3 ]等在日本 , Panayotov[4 ]等在保加
利亚 ,张炎 [ 5]、徐乃瑜 [6 ]、吴郁文 [7 ]等在中国 ,分别对小麦核质杂种在生长发育、农艺及品质性状、抗病性
及抗逆性等方面的遗传效应进行了研究。利用异源细胞质中国春与黑麦杂交观察其 F1部分同源染色体
配对情况及细胞质对减数分裂行为的影响的研究国内外也有过一些报道 ,但更进一步比较研究异细胞
⒇ 收稿日期: 2000-08-03　　　　修回日期: 2000-11-27
基金项目:河北省自然科学基金资助项目。
作者简介:何聪芬 ( 1966- ) ,女 ,博士 ,副教授 ,从事分子生物学及小麦育种工作。
质影响小麦与其近源种属黑麦的染色体配对水平 ,从而直接影响遗传转移黑麦有益基因给小麦 ,以及培
育异细胞质八倍体小黑麦的可行性的文章却不多见。为此 ,我们进行了将黑麦的有益基因导入小麦、培
育异细胞质八倍体小黑麦的研究。
1　材料和方法
1. 1　材料及来源
本研究所用的 15种核质杂种及其核亲本“中国春” ( Chinese Spring , CS)由日本京都大学农学部常
协恒一郎教授惠赠 (表 1)。丹麦黑麦 (春性 )及八倍体小黑麦 89-289来自哈尔滨师范大学生物系。
1. 2　中国春及异细胞质中国春与黑麦的杂交
1995年 ,在田间以中国春及异细胞质中国春为母本 ,花期人工去雄 ,套袋 , 2 d后用丹麦黑麦授粉 ,
收集杂交种。 F1种子于 1996年 3月初种于大田 ,开花后 2～ 3 d内用八倍体小黑麦 89-289授粉 ,得到的
种子于次年种下后 ,继续用用八倍体小黑麦 89-289回交。
1. 3　 F1杂种的细胞学观察
用卡诺固定液 (乙醇∶醋酸= 3∶ 1)固定幼穗 12～ 24 h,置 70%酒精保存。制片时 , 60℃ 1 mol /L
HCl水解 8～ 10 min, 4%硫酸铁胺媒染 ( 27～ 30℃ ) 2～ 4 h。冲洗干净后用 1%苏木精 ( 27～ 30℃ )染色 2
～ 4 h后 ,放入蒸馏水中置冰箱内保存。制片时在 45%醋酸下压片观察 ,观察每个花粉母细胞 ( pollen
mother cell, PMC)中的单价体 (Ⅰ )、棒状二价体 (Ⅱ )、环状二价体 (Ⅱ 0 )、三价体 (Ⅲ )、四价体 (Ⅳ )和五
价体 (Ⅴ ) ,计算染色体交叉数 (X+ a)。每个组合统计分析了 100个花粉母细胞。
2　结果与分析
2. 1　中国春及异细胞质中国春与黑麦杂交后 F1杂种的染色体配对情况
F1杂种减数分裂中期 I细胞学观察结果 (表 1)表明 ,具 ( Ae. sharonesis )细胞质的中国春与黑麦杂交
后 F1的染色体配对水平最高 ,平均每个细胞有 2～ 4个二价体 ,少数 PMCs中有 1～ 2个三价体 ,与对照
F1染色体配对差异极显著 ;而具 ( Ae.bicornis )细胞质的中国春与黑麦杂交后 F1染色体配对水平最低 ,
大部分细胞为 28个单价体 ,只有少数细胞有 1个二价体。这表明异细胞质能影响部分同源染色体的配
对 ,这一结果与王桂芝等 [ 8]的结论相一致。
表 1　中国春及异细胞质中国春与黑麦杂交后 F1杂种染色体配对情况
Table 1　 Chromosome pairing confriguration at meiotic metaphaseⅠ in F1 hybrids
杂交组合*
Hybrid
combination
单价体Ⅰ
Univalent
平均值
Average
value
幅度
Range
棒状二价体Ⅱ
Clavate bivalen t
平均值
Average
value
幅度
Range
环状二价体Ⅱ 0
Cyclic bivalent
平均值
Average
value
幅度
Range
三价体Ⅲ
Trivalen t
平均值
Average
value
幅度
Range
染色体交叉数 X+
Number of
chiasmata
平均值
Average
value
幅度
Range
CS× S. cereale 26. 42 22～ 28 0. 029 0～ 1 0 0. 815 0～ 3
( Ae. speltoides ) CS× S. cereale 26. 56 24～ 28 0. 069 0～ 1 0 0. 766 0～ 2
( Ae. variabl is ) CS× S. cereale 26. 45 24～ 28 1. 000 0～ 2 0 0. 015 0～ 1 1. 045 0～ 2
( Ae. kotsch yi ) CS× S. cereale 27. 05 26～ 28 0. 757 0～ 3 0. 048 0～ 1 0 0. 477 0～ 1
( Ae. sharonesis ) CS× S. cereale 23. 00 18～ 24 0. 628 2～ 4 0. 28 0～ 2 0. 022 0～ 1 2. 804 2～ 5
( Ae.bicorr is ) CS× S. cereale 27. 48 26～ 28 0. 259 0～ 1 0 0 0. 259 0～ 1
( Ae. aucher i) CS× S. cereale 26. 59 24～ 28 0. 653 0～ 2 0. 021 0～ 1 0 0. 695 0～ 2
( T . timopheevi ) CS× S. cereale 26. 00 20～ 26 0. 953 1～ 4 0. 047 0～ 2 0 1. 047 1～ 4
( T . zhukovskyi ) CS× S. cereale 26. 54 21～ 28 0. 710 0～ 3 0 0. 02 0～ 1 0. 704 0～ 3
( Ae. squarrosa) C S× S. cereale 26. 37 24～ 28 0. 815 0～ 2 0 0 0. 815 0～ 2
( Ae. crassa4) CS× S. cereale 26. 00 24～ 28 0. 964 0～ 3 0. 036 0～ 1 0 1. 036 0～ 3
( Ae. crassa6) CS× S. cereale 26. 43 24～ 28 0. 838 0～ 2 0 0 0. 838 0～ 2
( Ae. juvenalis) CS× S. cereale 25. 30 20～ 26 1. 18 1～ 5 0. 12 0～ 2 0. 032 0～ 1 1. 484 1～ 5
( Ae. cylind rica ) CS× S. cereale 26. 66 24～ 28 0. 523 0～ 2 0 0 0. 523 0～ 2
( Ae. comosa ) C S× S. cereale 26. 22 24～ 28 0. 643 0～ 3 0 0 0. 643 0～ 3
( Ae. held rehii) CS× S. cereale 26. 00 22～ 28 0. 580 0～ 3 0. 04 0～ 2 0 0. 66 0～ 3
　 CS= 中国春 ; (　 ) CS= 异细胞质中国春 ; S. cereale= 丹麦黑麦 (春性 )。
* C S= Wheat variety “ Chinese Spring” ( T . aestivum ) ; (　 ) CS= Wheat variet ies “ Chinese Spring” wi th di fferent alien cytoplasms;
S. cereale= Spring rye f rom Denmark.
·7·2期 何聪芬等: 异细胞质在八倍体小黑麦育种中的利用研究
2. 2　 F1用八倍体小黑麦回交的结实率
用八倍体小黑麦 89-289对中国春及异细胞质中国春与黑麦杂交后的 F1杂种进行回交 ,其中 ( T .
timopheevi ) F1与八倍体小黑麦杂交的结实率最高 ( 3. 73% ) ; ( Ae. speltoides ) F1与八倍体小黑麦杂交的
结实率最低 ( 0% )。 15种异细胞质 F1与八倍体小黑麦杂交的难易程度不同 ,这种不同取决于 F1产生有
功能雌配子的多少。以对照 F1与八倍体小黑麦杂交的结实率为对照 ,进行 t检验 ,结果表明异细胞质影
响 F1产生有功能雌配子。
2. 3　 BC1与八倍体小黑麦回交后的结实率、种子饱满度、出苗率及 BC2八倍体的细胞遗传
六种 BC1 (回交一代 )减数分裂均不正常 ,雄性不育。选择 2n= 56的植株继续用八倍体小黑麦回交 ,
各种细胞质类型组合的结实情况、种子饱满度及 BC2出苗率列于表 2。
BC2植株中 ,具 G型 T. timopheevi、 D2型 Ae. juvenalis、 M型 Ae. heldrehii细胞质的株系生长良好 ,
分蘖数较多 ,穗大 ,小花数多。具 T. timopheevi和 Ae. juvenal is细胞质的 BC2植株表现雄性不育 ;具 Ae.
heldrehii细胞质的 BC2表现部分可育 ( 0. 049% ) ;具 G型 T. zhukovskyi细胞质的株系 ,植株生长受到抑
制 ,雄性不育。当 4种细胞质 BC2植株进入孕穗期时 ,对各个单株做细胞学观察 ,发现除大部分植株表现
2n= 56外 ,还有一些非整倍体 29 < 2n < 56。选择 2n= 56的 4种细胞质 BC2植株进行细胞遗传学分析 ,
中期 I染色体配对构型列于表 3。
表 2　 BC1与八倍体小黑麦回交后的结实率、种子饱满度及出苗率
Tabl e 2　 Seed-set rate of bl ack crossing BC1 with octoploid triticale, kernel plumpness and emergence in BC2
杂交组合
Hybrid combination
授粉小花数
Number of
pollinated f loret
结实粒数
Number of bearing
结实率 (% )
Rate of bearing
种子饱满度
Kernel plumpness
BC2出苗率 (% )*
Rate of em ergence
( Timopheevi ) BC1× AABBDDRR 284 20 7. 04 + 100
( T . zhukovskyi ) BC1× AABBDDRR 328 4 1. 22 + - 100
( Ae. crossa4× ) BC1× AABBDDRR 260 0 0 -
( Ae. crossa6× ) BC1× AABBDDRR 321 0 0
(Ae. juvenal is ) BC1× AABBDDRR 116 3 2. 59 + 100
( Ae. held rihii) BC1× AABBDDRR 142 8 5. 63 + - 100
注: “+ ”表示较饱满 ;“- ”表示极瘪 ;“+ - ”表示饱瘪不一 ; * 所萌发种子均为饱满种子。
Note: + mean plump; - m ean ex treme imperfect; + - mean plump and imperfect; * Only plump seed could germinate.
表 3　 BC2异细胞质八倍体小黑麦类型植株染色体配对情况
Table 3　 Chromosome pairing at meiotic metaphase I in all ocytoplasmic octoploid triticale at BC2
组合
Hybrid combination
观察细胞数
Cells
of
observed
单价体Ⅰ
Univalent
平均值
Average
value
幅度
Range
二价体Ⅱ
Bivalent
平均值
Av erage
v alue
幅度
Range
三价体Ⅲ
Trivalent
平均值
Average
value
幅度
Range
四价体Ⅳ
Quad rivalent
平均值
Average
value
幅度
Range
五价体Ⅴ
Quinquevalen t
平均值
Average
value
幅度
Rang e
八倍体小黑麦 Octoploid t ri ticale 40 1. 4 0～ 8 27. 27 24～ 28 0 0 0 0 0 0
( T . timopheevi ) BC1× AABBDDRR 50 9. 32 4～ 14 22. 4 21～ 26 0. 12 0～ 2 0. 08 0～ 1 0. 08 0～ 1
( T . zhukovskyi ) BC1× AABBDDRR 40 13. 73 7～ 26 20. 3 15～ 24 0. 35 0～ 2 0. 125 0～ 1 0. 025 0～ 1
(Ae. juvenal is ) BC1× AABBDDRR 47 7. 19 0～ 14 23. 96 21～ 28 0. 17 0～ 1 0. 043 0～ 1 0. 016 0～ 1
( Ae. held rih ii ) BC1× AABBDDRR 40 11. 51 4～ 22 21. 59 17～ 26 0. 245 0～ 2 0. 06 0～ 1 0. 04 0～ 1
从表 3和图版 A～ H可以看出 ,上述 4个异细胞质八倍体小黑麦类型植株 PMCs染色体配对极其
复杂 ,二价体低于 28Ⅱ ,差异极显著 ,变动在 15～ 28Ⅱ之间 ,以环状二价体为主。少数细胞中出现多价体
(图版 F)。第二次分裂后期 ,有较多的落后染色体 ,花粉粒不正常。选择上述 4种异细胞质八倍体小黑麦
类型植株继续用八倍体小黑麦回交 ,可望产生稳定的异细胞质八倍体小黑麦。
3　讨论
3. 1　异细胞质对 F1部分同源染色体配对的影响
异细胞质中国春与黑麦 F1为异源双单倍体 ,其染色体组型为 ABDR( 2n= 28)。 F1减数分裂中染色
体配对为部分同源染色体配对。在本研究中 , ( Ae. sharonesis)和 ( Ae. juvenalis )细胞质中国春与黑麦杂交
F1染色体交叉数分别为 2. 804和 1. 484(表 1) ,均明显高于对照的 0. 815(差异极显著 )。而 ( Ae. biconis )、
( Ae. kotschyi )、 ( Ae. cylindrica)细胞质中国春与黑麦杂交 F1染色体交叉数分别为 0. 259、 0. 477、 0. 523
·8· 麦　类　作　物　学　报 21卷
(表 1) ,均明显低于对照 ,染色体配对水平低。由此可以认为 Ae. sharonesis和 Ae. juvenalis细胞质能够促
进小麦染色体与黑麦染色体的部分同源染色体配对 ,而 Ae. biconis、 Ae. kotschyi和 Ae. cylindrica细胞质
对小麦染色体与黑麦染色体的部分同源染色体配对具有抑制作用。这些结果表明:利用 Ae. sharonesis和
Ae. juvenalis细胞质可以将黑麦中有益基因以易位方式直接转移给小麦 ,而 Ae.biconis、 Ae. kotsch yi、 Ae.
cylindrica细胞质在导入黑麦有益基因方面不宜利用。
3. 2　异细胞质对异细胞质中国春与黑麦杂交后 F1产生有功能雌配子的影响
本实验所用 15种异细胞质中国春与黑麦 ( S. cereal RR)杂交 ,结实率均较高。用八倍体小黑麦回交 ,
利用 F1产生有功能雌配子而获得 F2 ( BC1 )。在我们的实验中 , F1有功能的雌配子为染色体数目在 21～
28( 21≤ n≤ 28)的配子。通过对 F1与八倍体小黑麦回交结实率的 t检验 , G型 T . timopheevi为 3. 73% ,
T. zhukovskyi为 1. 07% ; D2型 Ae. juvenalis为 1. 51% , Ae. crassa ( 6× )为 1. 01% ,均明显高于对照
0. 163% ,表明这四种细胞质可以促进 F1产生有功能的雌配子 ;而 Sv型的 Ae. speltoides细胞质组合的
F1授粉 1 396朵小花 ,无一结实 ,表明这种细胞质抑制 F1产生有功能的雌配子。王铁帮在转育异细胞质
六倍体小黑麦时发现 , Ae. speltoides细胞质使 [ ( Ae. speltoides )×广 74]×广 74(广 74为一种六倍体小黑
麦 )回交结实率与其它细胞质相比几乎降低了 1倍。这些结果表明异细胞质对 F1 ( ABDR )产生有功能
雌配子是有影响的。
3. 3　 T . t imopheevi、 Ae. juvenalis细胞质在八倍体小黑麦育种中的应用问题
G型 T . timopheevi细胞质八倍体小黑麦类型植株生长健壮、穗大、小花多、雄性不育。重要的是回交
后代籽粒的饱满度有所提高。据此 ,作者初步认为 ,利用 T . timophevvi细胞质为改良八倍体小黑麦提供
了一条新的途径。D2型 Ae. juvenalis细胞质八倍体小黑麦类型植株完全雄性不育 ,减数分裂过程中染色
体配对不稳定。 Weimark的研究证实 ,八倍体小黑麦细胞中染色体数目和育性之间关系密切 ,整倍体明
显比非整倍体育性高 ,而减数分裂混乱程度与不育性之间无正相关性。 Kihara认为细胞质对细胞核有
修饰作用 ,就雄性不育而言 ,是由核基因中特定染色体上的不育基因与细胞质相互作用所控制 [ 3]。如具
Ae. kotsch yi和 Ae. variablis细胞质的“中国春”表现完全可育 ,而当细胞质为 Ae. kotschyi和 Ae.variablis,
细胞核为 1B /1R异位系 Salmon或斯脾尔脱小麦 ( T . spelta)时则表现雄性不育。 进一步的研究证明: 在
T. spelta 1B染色体的短臂 ( 1BS)上或 Salmom 1B /1R易位系的 1R短臂 ( 1RS)上均有一个对 Ae.
kotschyi和 Ae. variabl is细胞质专一的雄性不育基因。据 Tsunewaki报道 [2 ]: Ae. juvenalis细胞质普通小
麦 ( AABBDD)雄性可育 ,而 Ae. juvenalis细胞质六倍体小黑麦 ( AABBRR)雄性不育。我们获得的 Ae. ju-
venalis细胞质八倍体小黑麦 ( AABBDDRR)类型植株雄性不育。综上所述 ,作者初步认为:控制 Ae. juve-
nalis细胞质雄性不育的基因位于 R组染色体上。在我们的实验中 ,继续用八倍体小黑麦回交并定向选
择 ,可望产生稳定的 Ae. juvenalis细胞质八倍体小黑麦。 对 Ae. juvenal is细胞质专一的雄性不育基因究
竟位于哪一条染色体上 ,有待进一步研究。
参　考　文　献
[1 ]　刘春光 ,吴郁文 ,张翠兰 ,等 . 小麦异源细胞质遗传效应及其利用研究 [ J] . 遗传 , 1999, 21( 5): 57— 61.
[2 ]　 Tsunew aki K. Genet ic div ersi ty of the cytoplasm in Triticum and Aegilops [C ] . Japan society for the promotion of science, Tokyo,
Japan, 1980.
[3 ]　 Kihara H. An attempt of NC-h eterosi s reeding in common w heat having cytoplasm of Aegi lops squarrosa [ J] . Seik en Ziho, 1980, 29:
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[4 ]　 Panayotov I. Th e cytoplasm in Triticinae [ C] . 6th IWGS, 1983, 481— 498.
[5 ]　张　炎 ,张翠兰 ,吴郁文 ,等 . 细胞培养筛选小麦抗赤霉病突变体 [ J] . 科学通报 , 1991, 3: 216— 219.
[6 ]　徐乃瑜 ,易自立 ,何瑞锋 . 小麦异源细胞质对主要病害抗性影响的研究 [ J] . 作物学报 , 1991, 17( 5): 326— 328.
[7 ]　吴郁文 ,张翠兰 ,刘春光 ,等 . 异源细胞质小麦育种技术 [ J ]. 中国科学 ( C辑 ) , 1998, 28( 1): 57— 64.
[8 ]　王桂芝 ,薛　玺 ,王同昌 ,等 . 异细胞质八倍体小黑麦的获得及其细胞遗传 [ J ]. 遗传学报 , 1988, 15( 5): 340— 347.
[责任编辑:周桂莲 ]
·9·2期 何聪芬等: 异细胞质在八倍体小黑麦育种中的利用研究
何聪芬等　异细胞质在八倍体小黑麦育种中的利用研究 图版
HE Cong-fen et al.　 Study on the Util ization of Al ien Cytopl asm in the
Breeding of Octoploid Tritical e Plate
异细胞质八倍体小黑麦减数分裂染色体配对情况
Chromosome pairing at meiotic metaphaseⅠ in al locytoplasmic octoploid triticale
A, B: ( T . zhukorskyi )八倍体小黑麦　　 A: 2n= 56= 17Ⅰ + 18Ⅱ + 1Ⅲ　　 B: 2n= 56= 10Ⅰ + 23Ⅱ
C, D: ( Ae.held reh ii )八倍体小黑麦　　 C: 2n= 56= 17Ⅰ + 20Ⅱ + 1Ⅳ　 D: 2n= 56= 14Ⅰ + 21Ⅱ
E, F: ( T . timopheevi )八倍体小黑麦　　 E: 2n= 56= 8Ⅰ + 22Ⅱ + 1Ⅳ　 F: 2n= 56= 12Ⅰ + 20Ⅱ + 1Ⅳ
G, H: ( Ae. juvenalis)八倍体小黑麦　　 G: 2n= 56= 2Ⅰ + 27Ⅱ　 H: 2n= 56= 4Ⅰ + 26Ⅱ