全 文 :*通讯作者
收稿日期:2004-08-17
基金项目:国家自然科学基金资助项目(39970458)
作者简介:王黎明(1976-),男 ,山东日照人 ,河南科技大学助教 , 在读博士研究生, 从事生物技术及其在植物遗传改良
中的研究工作.
中间偃麦草的染色体组及其
优良基因向普通小麦的转移
王黎明1 ,2 ,林小虎1 , 3 ,赵逢涛1 ,王洪刚1
(1.山东农业大学农学院/国家小麦改良分中心 , 山东 泰安 271018;
2.河南科技大学农学院 , 河南 洛阳 471003;3.河北科技师范学院 , 河北 秦皇岛 066000)
摘要:中间偃麦草蕴藏丰富的优良基因 ,是普通小麦的三级基因源 , 在小麦遗传改良中具有重要
利用价值。综述了中间偃麦草的染色体构成及其来源 , 明确其染色体构成为 E1E1E2E2XX(S tS t)=
EeEeEbEbS tS t ,详述了小麦黄矮病 、锈病 、白粉病 、条纹病等抗性基因以及繁茂性基因向小麦的转移。
关键词:中间偃麦草;染色体组;优良基因;普通小麦
中图分类号:Q813 文献标识码:A 文章编号:1000-6311(2005)01-0057-07
Genome Configuration of Elytrigia intermedium and Its Valuable Genes Transferred in-
to Wheat.WANG Li-ming 1 , 2 , LIN Xiao-hu-1 , 3 , ZHAO Feng-tao1 , WANG Hong-gang1
(1.Agronomy Col lege of Shandong Agriculture University , S ubcentre of National
Wheat Improvement Centre , Shandong Taian 271018 , China;2.Agronomy Col lege of
Henan University of Science and Technology , Luoyang ,471003 , China;3.Hebei
Normal College of Science and Technology , Qinhuangdao ,066000 , China):Grassland
of China , No.1 ,2005 ,pp.57 ~ 63.
Abstract:Elytria intermedium , the third gene pool for w heat , carries f rui tfully v aluable
genes for w heat genet ic improvement.The chromosome conf igurat ion of Elytria
intermedium and its resources were reviewed , the genome configuration formula of
Elytria intermedium was E1E1E2E2XX(S tS t)=EeEeEbEbS tS t.And transference of resis-
tant genes of barley yellow dwarf vi rus(BYDV), rust ,powder ,wheat streak mosaic virus
(WSMV)and luxuriant gene in Elytrigia intermedium into w heat w ere discussed.
Key words:E ly tria intermedium ;Genome;Valuable genes;Wheat
—57—
第 27卷 第 1期 中 国 草 地 2005 年 1 月
Vol.27 No.1 Grassland of China Jan .2005
中间偃麦草是小麦的三级基因源 ,耐寒 、
耐旱 、多花 、抗倒 、优质 ,高抗小麦的黄矮病 ,
对小麦的三锈免疫 ,是小麦的重要抗源和宝
贵资源 。国内外对此展开广泛的研究 ,试图
从其与小麦杂交的育性着手 ,研究其染色体
组成以进一步为小麦的遗传改良服务。
1 概述
1.1 中间偃麦草的植物学分类
中间 偃 麦 草 [ Ely tigia intermedium
(Host)Nevski , Thinopyrum intermedium
(Host)Bark wo rth 和 Dew ey 或 Agropyron
intermedium(Host)Beauv.2n=6x=42]又名
天蓝冰草 ,是禾本科小麦族(Trit iceae)中的
多年生野生草本植物。最早 ,林奈将其划分
在小麦属 (Tri ticum)的多年生组里 , 1770
年盖特纳将其从小麦属中分出划入冰草属
(Agropy ron),1934年苏联植物分类学家列
夫斯基设立偃麦草属(E ly tigia)又将其从冰
草属划入偃麦草属。1984年 Dewey 将偃草
属和类麦属(Thinopyrum)分立 ,又把它由
偃麦草属归入类麦属[ 1] 。根据植物命名应
与植物属性相对应的原则 ,中间偃麦草被称
作中间类麦草更为合适 ,但是因为习惯的原
因本文仍然沿用中间偃麦草这一名称。
1.2 中间偃麦草的地理分布
中间偃麦草原产于东欧 ,天然分布于高
加索 、中亚的东南部草原地带 ,因其适应性
广 ,现在世界很多国家都有分布。
1.3 中间偃麦草的生物学特性
中间偃麦草是一种强冬性 、长日照 、多年
生草本植物 , 在原产区株高一般 100 ~
140cm ,穗长 20 ~ 30cm , 每穗 20 ~ 30 个小
穗 ,每小穗 3 ~ 6个小花 。在山东泰安一般 6
月上旬开花 ,穗长一般 30 ~ 50cm ,株高高者
可达 150cm 以上;异花传粉 ,结实率低 ,主要
是以无性繁殖为主;种子细小 , 千粒重 4 ~
6g 。它根系发达 ,具有匍匐地下茎 ,再生能力
强。抗寒性强 ,在-40℃条件下可安全越冬 。
耐旱 ,在年降雨量 350mm 的地区可良好生
长。耐盐碱 ,可在中轻度盐化土壤上生长 。
由于它生长势强 ,再生性好 ,适应性广 ,茎叶
繁茂 ,而且含有较高的粗蛋白质 、粗纤维 、粗
脂肪等多种化学成分[ 1] ,因此是牧区的一种
优良牧草。另外 ,它对小麦的叶锈 、条锈 、杆
锈 、白粉等病害免疫 ,对黑穗病 、叶枯病和根
腐病 、条纹花叶病等高抗 ,并且是大麦黄矮病
的良好抗源 ,又能与小麦杂交 ,因此它已成为
小麦遗传改良中具有重要利用价值的宝贵亲
本[ 2] 。
2 中间偃麦草的染色体组构成
研究
中间偃麦草是一个异源六倍体 ,染色体
数目是 2n=42。关于其染色体组构成 ,国内
外学者进行了大量的研究 ,并提出了多种不
同的观点(两种根本不同的意见):
一是认为在中间偃麦草中含有与小麦同
源的染色体组 ,但是不同人的研究结果不尽
一致 。Bakap(1936)根据对小麦与中间偃麦
草杂种减数分裂的研究认为 ,中间偃麦草中
有两个染色体组分别与普通小麦的 A 和 B
染色体组同源 ,并且与 A 组的同源程度更
大 ,他把中间偃麦草的染色体组构成表示为
AaDaX1 。Peto(1936)通过分析二粒小麦和
普通小麦与中间偃麦草杂种 F1 的减数分裂
认为 ,中间偃麦草中只有一个染色体组与小
麦的某一染色体组同源 ,但不能够确定是 A
还是 B 组 , 暂把其染色体组构成表示为
AXY 。松村清二(1948)通过研究推断 ,在中
间偃麦草中含有与小麦相同的 B染色体组 ,
以 BEF 表示其染色体组构成。 OHaPeB
(1979)研究提出 ,中间偃麦草的染色体组公
式为 AaBaDa ,认为中间偃麦草中的三个染色
体组分别与小麦 A 、B 和 D 组有同源关系 。
上述这些观点都说明中间偃麦草中的三个染
—58—
中国草地 2005 年 第 27卷 第 1期
色体组之间没有什么同源关系 。朴真三[ 3]
通过对小麦和中间偃麦草的形态和 C 带带
型的比较分析 ,发现中间偃麦草只有一组染
色体的带型与普通小麦的 B 组染色体相似 ,
另外两个染色体组的带型相似 , 因而用
B2X1X2 表示中间偃麦草染色体组构成。高
明君等[ 4]通过同工酶电泳分析认为 ,中间偃
麦草可能含有两组分别与小麦 A 组和提莫
菲维小麦(Triticeae timopheevii 2n=4x=28 ,
AAGG)组同源的染色体 ,所以把其染色体构
成表示为 EA1EA2NG 或 EG1EG2 NA 。在上述
各研究结果中 ,共同的特点是都认为在中间
偃麦草中含有与小麦同源的染色体组 ,其中
一种观点认为中间偃麦草中三个染色体组之
间没有什么同源关系;另外一种则认为中间
偃麦草中有两个染色体组亲缘关系比较相
近 ,一个较远。
二是认为中间偃麦草中不存在与小麦同
源的染色体组 。S tebins等(1953)利用黑麦
与中间偃麦草杂交 ,根据对杂种 F 1减数分裂
的观察发现 ,花粉母细胞中的二价染色体是
中间偃麦草自身的染色体联会形成的 ,并提
出中间偃麦草的染色体组公式为 NE1E2 或
EN1N2 ,认为在中间偃麦草中不含有与小麦
同源的染色体组 。Cauderon(1958)[ 5] 和
Dewey(1962)[ 6]也赞同或原则同意用 NE1E2
或 EN1N2来表示中间偃麦草的染色体组构
成。Dvo rak(1981)用中国春单臂端体和小麦
异附加系单臂双端体与中间偃麦草杂交研究
认为 ,中间偃麦草具有两个与 E 组远缘的染
色体组 N 、Ni , 另一组的来源不知 , 并以
NNiX表示其染色体组构成。Dew ey(1982)
研究提出 , 中间偃麦草的染色体组公式为
E1E2X。张大明等[ 7]的研究赞同 NE1E2 为中
间偃麦草的染色体组公式。杨世湖等[ 8] 根
据不同类型小麦与中间偃麦草杂种 F1 的减
数分裂资料和对减数分裂染色体的 N 带分
析 ,认为中间偃麦草中没有与小麦 B组同源
的染色体组 ,并建议以 NNiX代表其染色体
组构成。Liu 等(1993)[ 9]的研究认为 ,中间
偃麦草的染色体组构成为 JeJeJeJeSS 。韩方
普[ 10]的研究建议将中间偃麦草的染色体组
构成定为 XE1E2 ,这与 Dewey 的研究结果类
似。Chen等[ 11](1998)根据荧光原位杂交的
结果 ,用 JJJsJsSS 表示中间偃麦草染色体组
的构成。吉万全等[ 12]对中间偃麦草进行基
因组原位杂交分析 ,发现中间偃麦草含有两
组亲缘关系相近的染色体组分别与二倍体的
长穗偃麦草(Th.elongatum , 2n=2x =14 ,
EeEe)、比萨偃麦草(Th.bessa rabicum 4 , 2n
=2x =14 , EbEb)的染色体组基本相似 ,另一
个亲缘关系较远的染色体组与拟鹅冠草
〔 Pseud oroegneria strigosa(Ps.strig osa),
2n=4x =28 ,S tS tS tS t〕的基因组基本相似 ,并
用 EeEeEbEbS tS t表示中间偃麦草的染色体组
成。上述各研究结果中 ,共同的特点就是普
遍认为中间偃麦草不存在与小麦同源的染色
体组。至于三个染色体组之间亲缘关系问
题 ,大多数认为中间偃麦草中含有两个亲缘
关系相近的染色体组 ,这两个染色体组可能
与长穗偃麦草有关 ,二倍体长穗偃麦草可能
是其最原始亲本供体[ 12~ 14] ;另一个染色体
组与这两个亲缘关系较远 ,其起源可能来自
于拟鹅冠草基因[ 12] 。
随着实验技术的发展 ,尤其是分子生物
学和原位杂交技术的广泛应用 ,中间偃麦草
染色体组的构成及其来源问题人们基本达成
一致意见:中间偃麦草中含有两个亲缘关系
相近的但与小麦远同源的染色体组 ,他们与
长穗偃麦草有关 ,可能是来源于二倍体长穗
偃麦草;另外一个染色体组与其他两个亲缘
关系较远 ,拟鹅冠草可能是其最原始亲本供
体;中间偃麦草的染色体组的构成可以表示
为 E1E1E2E2XX(S tS t)=EeEeEbEbS tS t或者是
JJJSJSSS
[ 11 ,12 , 15 ~ 18] 。
—59—
王黎明 林小虎 赵逢涛 王洪刚 中间偃麦草的染色体组及其优良基因向普通小麦的转移
3 中间偃麦草中优良基因向小
麦的转移
3.1 黄矮病抗性基因向小麦的转移
小麦黄矮病是小麦重要病害之一 ,是一
种由蚜虫传播大麦黄矮病毒而引起的病毒
病。目前 ,栽培小麦品种黄矮病抗性基因贫
乏(Fedak-G , 2001),只能向小麦的近缘物
种寻找抗源。中间偃麦草对黄矮病表现免
疫 ,因而被研究和利用最多。孙善澄[ 19] 、辛
志勇等[ 20]都开展了向小麦导入黄矮病抗性
基因的研究 ,选育出中 1 ~ 中 5 等八倍体小
偃麦 ,其中多个小偃麦高抗黄矮病 ,尤以中 4
和中 5抗性最强;以此为基础选育出了 Z1 ~
Z6(2n=44)等多个异附加系 、HG295遗 4212
等异代换系 、易位系 HW240 、YW060等多个
抗黄矮病的小麦新种质 ,抗性均来源于中间
偃麦草[ 21~ 28] ,该抗性基因是一个单显性基
因 ,被定位于中间偃麦草的 2Ai-2 染色体
上。法国的 Canderor 运用小麦与中间偃麦
草杂交 、回交选育出部分双二倍体 TAF-46
(2n=56),进而选育出 L1 ~ L7 等异附加系
(2n=44),其中 L1高抗黄矮病 ,以此为基础
选育出了 YW243 、YW443 、H960642等多个
高抗黄矮病的易位系[ 29~ 32] ,抗性均来源于
中间偃麦草 ,其中的抗性基因被定位于中间
偃麦草的 7Ai-1长臂上 ,是一个单显性基
因 ,并被命名为 Bdv2[ 33 , 34] 。
3.2 锈病基因向小麦的转移
小麦三锈(条锈 、叶锈 、秆锈)是小麦重要
病害 ,在世界很多国家都发生 。目前 ,防治该
病最安全和有效的方法就是选育抗性品种。
中间偃麦草对三锈免疫 ,是小麦抗锈病育种
的良好抗源。小麦条锈病(Puccinia stri-
formis f.sp.t ri tici)是小麦的主要病害之一 ,
目前已经命名的抗条锈病基因 28个 ,主要来
自于小麦 ,其余来自于黑麦(S cale , 2n=2X
=14 , RR)、顶芒山羊草(Aegilops comosa
Sibth和 Sin ,2n=2x=14 ,MM)、野生二粒小
麦(Triticum dicoccoides , 2n =4x =28 ,
AABB)、斯卑儿脱小麦(Triticeae spelta , 2n
=6x=42 ,AABBDD)等小麦野生近缘种 ,还
没有来自于中间偃麦草而被命名的基因[ 35] 。
但是 ,中间偃麦草对条锈病免疫 ,国内外利用
中间偃麦草与小麦杂交 ,已经选育出多个高
抗条锈病的小麦-中间偃麦草的异附加系 、
异代换系和易位系[ 28 , 36 ~ 43] ,抗性的鉴定结
果表明 ,这些种质(系)的条锈病抗性均来源
于中间偃麦草。小麦叶锈病 (Puccinia
recodcita f.sp.tritici)和秆锈病(Puccinia
coriticioides f.sp.t rit ici)的发生也很普遍 ,截
至 1999年已正式登记命名了 58个抗叶锈病
基因(Lr基因),统一编号到 Lr47[ 44 ,45] ,其中
Lr38来源于中间偃麦草[ 46] ,在八倍体小偃
麦中 4中被发现 。另外 ,国内外选育出小麦
-中间偃麦草异代换系 、附加系等抗叶锈或
(和)秆锈的种质材料[ 28 , 47] ,其抗性来源于中
间偃麦草 。
3.3 白粉病抗性基因向小麦的转移
小麦白粉病(Erysiphe graminus DC.f.
sp.t ritici)是小麦世界性病害 ,近年来在我国
各麦区常有发生和流行 ,已成为我国小麦生
产的第一大病害。培育和推广抗病品种被公
认为是防治小麦白粉病最经济 、安全 、有效的
途径 。据研究[ 48 ,49] ,中间偃麦草对白粉病基
因表现抗性 ,其中可能含有抗性基因。我们
在开展小麦与中间偃麦草的育性研究基础
上 ,选育出了多个小麦-中间偃麦草的八倍
体小偃麦 、附加系 ,并筛选出多个抗白粉病的
异附加系 、异代换系 、易位系[ 50 ~ 55] 。抗性鉴
定得出 ,中间偃麦草对白粉病免疫 ,其中可能
含有新的抗白粉病基因 ,位于中间偃麦草的
E基因组染色体上[ 15] 。
3.4 条斑病抗性基因向小麦的转移
小麦条斑病是有小麦卷叶螨作介体传播
的一种病毒病 ,是小麦的一种很重要的病毒
—60—
中国草地 2005 年 第 27卷 第 1期
病 ,曾在加拿大 、美国引起毁灭性灾害 ,在其
他国家也时有发生 ,其研究引起世界的关注。
目前 ,普通小麦中缺乏该病的抗性基因 ,需要
到小麦的近缘物种寻找抗源。经研究发现 ,
中间偃麦草对该病表现免疫。运用小麦与中
间偃麦草杂交 ,已经选育出抗小麦条斑病的
中5 、TAF46 、CI15092等多个材料[ 56] ,经鉴
定这些材料的抗性均来源于中间偃麦草 ,其
中C I15092上的抗性基因被定位于中间偃麦
草的 4Ai-2染色体上[ 57~ 59] 。
3.5 其他优良基因向小麦的转移
中间偃麦草中除去上述的抗性基因外 ,
还有报道向小麦转移抗寒 、耐旱 、耐盐抗性以
及增加蛋白质含量的报道[ 59 ~ 63] ,但对于其
他农艺性状鲜见报道 。我们利用普通小麦烟
农 15与中间偃麦草杂交 ,除选育几个八倍体
小偃麦 、一套附加系以及抗白粉病的材料外 ,
我们还从中选育出一个农艺性状和细胞学稳
定的材料山农 0095(2n=42),该材料与其亲
本烟农 15相比穗大 、粒大粒多 ,茎秆粗壮 ,叶
子长而且宽 ,尤其是旗叶既长又宽 ,繁茂性明
显增强 ,具有中间偃麦草牧草的特点。经细
胞学 、生化和分子生物学联合鉴定 ,该材料可
能是一个小麦-中间偃麦草的异代换系 。据
此 ,我们初步认为中间偃麦草中可能含有控
制小麦繁茂性的基因 ,我们可能已经把有关
的基因导入到烟农 15的遗传背景当中。目
前 ,我们正在设计遗传实验 ,以进一步验证山
农 0095是否具有这些基因。
作为一种牧草 ,中间偃麦草发挥了其重
要作用 。从遗传进化的角度来看 ,中间偃麦
草又是小麦族的近缘植物 ,而且容易与普通
小麦杂交 ,理应在小麦作物改良中发挥其重
要作用 。拓宽中间偃麦草的研究领域 ,加大
其研究力度 ,扩大作物学科与牧草学科间交
叉融合 ,也是今后许多科技工作者的重要研
究方向。
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王黎明 林小虎 赵逢涛 王洪刚 中间偃麦草的染色体组及其优良基因向普通小麦的转移