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小麦-华山新麦草易位系24-6的鉴定



全 文 :麦类作物学报 2014,34(5):615-620
Journal of Triticeae Crops  doi:10.7606/j.issn.1009-1041.2014.05.07
网络出版时间:2014-5-12
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7606/j.issn.1009-1041.2014.05.07.html
小麦-华山新麦草易位系24-6的鉴定
收稿日期:2014-01-07   修回日期:2014-03-02
基金项目:农业部948项目(2013-Z28);陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2013JZ007);西北农林科技大学唐仲英育种基金
项目。
第一作者E-mail:sjn227@126.com
通讯作者:陈新宏(E-mail:cxh2089@126.com)
苏佳妮,武 军,赵继新,王秀娟,张 军,
贺晓岚,刘淑会,杨群慧,陈新宏
(西北农林科技大学农学院,陕西杨凌712100)
摘 要:为给小麦-华山新麦草远缘杂交育种提供材料和理论基础,对普通小麦与华山新麦草杂交后代
中选育出的材料24-6进行了形态学观察、细胞学检测和原位杂交(GISH)分析。结果表明:(1)通过根尖细胞
学鉴定,该材料染色体数为42条,2n=42;(2)以华山新麦草 Ns基因组DNA为探针,普通小麦7182基因组
DNA为封阻,根尖与花粉母细胞原位杂交(GISH)显示该材料携带有2条可以配对的华山新麦草染色体臂,
确定24-6为稳定的小麦-华山新麦草易位系;(3)田间观察发现24-6植株紧凑,叶色深绿,籽粒白色、呈半角
质,比其母本(普通小麦7182)株高略有降低,穗长、小穗数、穗粒数、千粒重、分蘖数都有所增加。
关键词:华山新麦草;远缘杂交;易位系;基因组原位杂交(GISH)
中图分类号:S512.1;S330    文献标识码:A    文章编号:1009-1041(2014)05-0615-06
Identification of a Translocation Line 24-6from Offsprings
between Wheat-Psathyrostachys huashanica
SU Jiani,WU Jun,ZHAO Jixin,WANG Xiujuan,ZHANG Jun,
HE Xiaolan,LIU Shuhui,YANG Qunhui,CHEN Xinhong
(Colege of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)
Abstract:Morphological observation,cytological detection and genomic in situ hybridization(GISH)
analysis were carried out on a translocation line 24-6from the offsprings between Wheat-Psathy-
rostachys huashanicain the present paper.The results showed that:(1)This material had 42chromo-
somes(2n=42)as cytology identification of root tip cels;(2)Using the genomic DNA of Psathy
rostachyshuashanicaNs as a probe,and the genome DNA of common wheat 7182as blocking,GISH
analysis with root tips and polen mother cels identified two Psathyrostachys huashanica chromo-
somes which paired with each other in this line;(3)The field observation found that the line 24-6had
dark green leaf color,white grain(half horniness),slightly shorter plant height than the female par-
ent.The spike length,spikelet number,grain number per spike,and tiler number were al in-
creased.Consequentialy,24-6is a stable wheat-Psathyrostachys huashanica translocation line,
which could be exploited as an intermediate material in wheat genetic and breeding programs.
Key words:Psathyrostachys huashanica;Distant hybridization;Translocation line;Genomic in situ
hybridization(GISH)
  小麦是我国仅次于水稻的第二大粮食作物, 在粮食安全中占有重要地位。但我国当前生产上
推广的小麦品种普遍存在对光温等环境条件反应
敏感,对水肥等生产条件要求严格,适应性差,在
冻害、病害、倒伏、干旱等情况下减产严重,综合抗
逆性差等问题,严重制约着我国小麦生产水平的
提高。究其原因,主要是亲本材料的遗传基础过
于狭窄,而小麦的近缘种属中蕴藏着大量栽培小
麦所不具备的有益基因,如抗病、抗逆、耐盐碱及
高蛋白等基因[1],是丰富小麦遗传基因库和改良
现代小麦的重要种质。迄今为止,全世界科学家
已通过远缘杂交共育成小麦异源附加系、代换系、
易位系400多个[2]。然而异附加系和异代换系在
遗传上都存在不同程度的不稳定性,而易位系由
于只导入优良目标性状的染色体片段,不改变染
色体的数目和倍性,所以能更好地与受体植株的
其它基因相匹配,而且避免了整条异源染色体进
入带来的不良基因和对生长发育的不良影响,在
遗传学上是稳定的,所以可直接应用于生产实践。
自Sears[3]1956年创造出第一个小麦与小伞山羊
草易位系以来,小麦近缘种属的许多有益基因已
经转移到了普通小麦中并获得了许多小麦易位
系。我国20世纪80年代黄淮流域推广的小麦品
种小偃6号(小麦-长穗偃麦草的易位系),它不仅
高产、抗病、优质、适应范围广,还是我国小麦育种
重要的骨干亲本之一,用其作为亲本或直接系统
选育的品种达40余个;当前生产上一些抗白粉
病、条锈病的品种大都有小麦-簇毛麦6VS/6AL
易位系的背景。尤其是小麦-黑麦的1RS/1BL易
位系,成功地将黑麦1RS上的抗条锈基因Yr9,抗
叶锈基因Lr26,抗秆锈基因Sr3,抗白粉病基因
Pm8和抗蚜虫基因Gb等有益基因和与丰产性、适
应性有关的基因转移进栽培小麦品种,并且由于
1RS在遗传上能很好地补偿1BS缺失引起的负
效应,因而在世界范围内广为利用,被认为是远缘
种质用于小麦品种改良最成功的范例[4-8],在小麦
的遗传改良中发挥了巨大作用。
华山新麦草 (Psathyrostachys huashanica
Keng,2n=14,NsNs)[9]系小麦近缘属的一个种,
为多年生、异花授粉二倍体草本植物,仅在我国陕
西华山地带生长。华山新麦草具有抗寒、抗旱、耐
瘠薄、早熟等多种优良特质,是小麦遗传改良重要
的基因来源。万永芳等[10]、井金学等[11]、王美南
等[12]对华山新麦草进行了抗赤霉病、抗条锈病和
全蚀病的研究,表明华山新麦草在小麦赤霉病表
现中抗,在小麦条锈病和全蚀病中表现高抗,是十
分难得的抗病资源。
开展小麦与华山新麦草的远缘杂交,不仅有
利于研究小麦与华山新麦草间的亲缘关系、丰富
小麦的遗传多样性,还有利于向小麦中转移华山
新麦草的优异基因,提高小麦的抗病性和抗逆性。
自20世纪90年代以来,许多研究者都从事华山
新麦草的研究。陈漱阳等[13-15]首先进行了普通小
麦与华山新麦草的杂交研究,成功获得了小麦与
华山新麦草的杂交后代材料 H8911,选育出了一
系列具有优良基因的异代换系和异附加系。赵继
新[16-17]、武军[18]、王益[19]等对普通小麦-华山新麦
草的衍生后代进行了一系列鉴定分析和细胞遗传
学方面的研究。但截止目前,对小麦-华山新麦草
杂交后代易位系鉴定的研究还少见报道。本研究
利用形态学观察、细胞学检测和原位杂交等方法,
对小麦与华山新麦草的杂交后代中选育出的一个
材料24-6进行了鉴定,以期为小麦-华山新麦草
远缘杂交育种的进一步研究与利用提供理论和材
料基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
普通小麦7182、华山新麦草及普通小麦7182
×华山新麦草衍生后代24-6。
1.2 研究方法
1.2.1 形态学观察
将24-6及其亲本普通小麦7182和华山新麦
草种植于原西北植物研究所东院试验地,进行形
态学观察,对株高、穗粒数、穗长、小穗数、小穗粒
数、有效分蘖数等性状进行考察统计。
1.2.2 根尖有丝分裂中期染色体观察
在24℃恒温箱中培养种子,待根长1.5~
2cm时,剪取生长健壮的根尖,冰水预处理24h,
卡诺氏I固定液(1体积冰乙酸:3体积无水乙醇)
固定后置于4℃冰箱保存。检测时,取已经固定
1~3d的根尖,用1mol·L-1的 HCL 60℃中解
离5~7min,去掉HCL,再用希夫试剂(亚硫酸复
红液)染色到根尖变为紫色后用醋酸洋红复染压
片,用Olympus BH-2显微镜观察有丝分裂中期
的染色体形态并计数。
1.2.3 根尖细胞染色体荧光原位杂交(GISH)
(1)用Gil 的 CTAB法[20]提取供试材料基
因组DNA。
(2)根尖处理:在24℃恒温箱中培养种子,待
·616· 麦 类 作 物 学 报                  第34卷
根长至1.5~2cm时剪取生长健壮的根尖,冰水
预处理24h左右,然后用卡诺氏I固定液固定。
2~5d后用 45% 醋酸压片,液氮冷冻后揭片
备用。
(3)染色体制片处理:60℃烘染色体制片3h,
加1mg/mL RNase A溶液37℃保湿处理1h,
2×SSC溶液室温下洗5min,70%去离子甲酰胺
溶液70℃变性5min,然后分别用70%、90%及
无水乙醇脱水各5min,晾干备用。
(4)GISH程序参照Chen等[21]的方法,略作
调整。用缺刻平移法对华山新麦草基因组DNA
进行标记。探针与封阻DNA用量比例为1∶50。
探针杂交信号用荧光素(FITC)检测。经PI复染
封片后,在450~490nm波长下观察照相。
2 结果与分析
2.1 24-6的农艺性状
24-6田间表现为植株紧凑,叶色深绿,籽粒
白色、呈半角质,穗部形态倾向于母本小麦7182。
相比母本7182,24-6的株高略有降低,而穗长、小
穗数、穗粒数、千粒重、分蘖数都有所增加(表1)。
24-6及其亲本7182、华山新麦草的穗部性状见图1。
2.2 24-6的根尖有丝分裂染色体
对24-6进行根尖染色体压片观察,发现该材
料根尖细胞中的染色体条数为42条(图2),由于
普通小麦的染色体数目也是42条,据此推断该材
料可能为普通小麦7182与华山新麦草杂交后代
的易位系或代换系。
2.3 24-6的根尖细胞基因组原位杂交(GISH)
分析
以华山新麦草Ns基因组DNA为探针,普通
小麦7182基因组DNA为封阻,通过对24-6的根
尖细胞GISH分析,检测到有两条染色体臂具有
杂交信号,即有2条小麦的染色体臂被华山新麦
草的2条染色体臂所替换(图3),确定该材料为
普通小麦7182与华山新麦草杂交后代的易位系。
图1 24-6与其亲本7182和华山新麦草的形态比较
Fig.1 Morphological comparison of the line 24-6and its parent
wheat 7182and Psathyrostachys huashanica
表1 24-6与其亲本的农艺性状表现
Table 2 Agronomic traits of the line 24-6and its parents
材料
Materials
株高
Plant
height/cm
穗长
Spike
length/cm
小穗数
Spikelet
number
穗粒数
Kernels
per spike
小穗粒数
Grains per
spikelet
千粒重
1000-grain
weight/g
分蘖数
Tiler
number
7182  85  10  19  60  3  36.0  11
华山新麦草
P.huashanica 50  3  21 - - - 丛生Clump
24-6  77  11  22  63  3  41.7  20
·716·第5期 苏佳妮等:小麦-华山新麦草易位系24-6的鉴定
2.4 24-6花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ(PMC
MI)基因组原位杂交结果
为了进一步确定24-6是稳定的小麦-华山新
麦草易位系材料,以华山新麦草Ns基因组DNA
为探针,普通小麦7182基因组DNA为封阻,采
用花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ基因组原位杂交对
其进行配对关系的研究。经鉴定,在花粉母细胞
的中期分裂相中,所有染色体都能够正常进行配
对,形成稳定的二价体。2条有黄绿色杂交信号
的外源染色体也正常配对并排列于赤道板上(图
4箭头所示),表明两条外源染色体能够在此期进
行配对,即所易位的2条外源染色体为华山新麦
草的一对同源染色体,由此确定24-6为稳定的普
通小麦与华山新麦草杂交后代的易位系。
图2 24-6的根尖细胞学观察
Fig.2 Cytological observation in root
tip cel of the line 24-6
  箭头所指为华山新麦草染色体片段。图4同
Arrows show the chromosome segment of Psathyrostachys.
The same are as in Fig.4
图3 24-6根尖GISH分析
Fig.3 GISH analysis in root tip cel of line 24-6
图4 24-6花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ
基因组原位杂交结果
Fig.4 GISH analysis in PMC MI of the line 24-6
3 讨 论
华山新麦草具有抗寒、耐旱、耐瘠薄、早熟、抗
病等多种优异基因,具有多分蘖、复小穗、耐瘠薄、
优质等多种优良特性[22-26],与小麦杂交具有较高
的受精率(36.67%)和成胚率(26.67%)[27],所以
华山新麦草的优异基因可以通过与小麦远缘杂
交,染色体同源配对、基因交换等方式转移至普通
小麦中,对小麦品种改良具有重大意义。自20世
纪90年代以来,科学家们先后从生理特性、抗病
性、遗传结构[28]等各方面对其进行了研究,并持
续进行其与小麦的杂交工作,以期改良部分栽培
小麦的耐寒性、耐旱性和抗病性。随着这一系列
研究工作的不断深入,小麦与华山新麦草衍生系
后代的鉴定工作也取得了较大的成就,如赵继新
等[29]利用染色体C-分带和荧光原位杂交技术,鉴
定出了一系列小麦-华山新麦草异代换系和异附
加系。目前来说,异附加系与异代换系的鉴定工
作进展较为顺利,而易位系鉴定则稍微滞后。但
是在小麦远缘杂交育种中,异附加系、异代换系等
多作为育种中间材料,而真正能直接推广应用于
生产的是相对稳定的易位系。尤其一些多基因控
制的优良性状,例如耐盐、耐旱等,很难通过分子
生物学方法转入小麦,而用染色体易位的方法导
入则有可能实现。所以长远来说,易位系鉴定工
作具有更重要的研究价值。
本研究在前人工作的基础上,对小麦与华山
新麦草衍生系后代的鉴定工作做了更进一步的补
充,同时对细胞学制片及原位杂交技术进行了细
节调整和改进。对普通小麦7182与华山新麦草
·816· 麦 类 作 物 学 报                  第34卷
杂交后代经多代选育出的种质材料24-6进行了
形态学观察,发现其综合农艺性状优于母本小麦
7182,细胞学检测与GISH鉴定显示24-6是稳定
的普通小麦与华山新麦草的易位系,且其易位的
2条外源染色体为华山新麦草的一对同源染色
体。这使得24-6既可作为小麦育种的新材料,为
改良普通小麦的抗病性和抗逆性等提供新的可
能,也可为小麦远缘杂交和染色体工程开辟新的
研究方向。在未来的研究工作中,可以考虑进一
步分析24-6所具有的其它优良性状基因,并研究
它们的表达与抑制等问题,把位于华山新麦草特
定染色体上的优异基因易位于小麦染色体上,从
而进一步扩大华山新麦草优异基因的应用范围和
提高它的使用价值,让华山新麦草的优异基因在
小麦遗传改良中发挥更大作用。
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《麦类作物学报》论文中图和表的有关要求
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择性粘贴法粘贴到文章中来即可激活);电泳图要条带清晰,无拖尾、跑偏现象。
图、表的大小要与页面相称,比例应协调。表要竖排,不要横排,且一般不宜超过一个版面。图、表
内都用六号宋体字,不宜为了将表缩小而采用更小的字号。聚类图、地形图、种植分布图等图片上的字
迹要清晰,字的行间距要适当。图、表中的所有汉字都要有英文,中英文之间空4格。
《麦类作物学报》编辑部
·026· 麦 类 作 物 学 报                  第34卷