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中间偃麦草优良基因向小麦的转移利用



全 文 :中间偃麦草优良基因向小麦的转移利用
张李娜 (山东省临沂市农业科学院 ,山东临沂 276012)
摘要 综述中间偃麦草的生物学特性、染色体组成及其优良基因向小麦中的转移、利用与鉴定等 ,并展望中间偃麦草的利用前景。
关键词 中间偃麦草;小麦;遗传改良
中图分类号 S 512.032  文献标识码 A  文章编号 0517-6611(2007)19-05716-02
Transfer and Utilization of the Useful Genes from Thinopyron intermediumin to Wheat
ZHANG Li-na  (Linyi Academy of Agricultural Sciences , Linyi , Shandong 276012)
Abstract The biological characters , genome composition of Thinopyrum intermedium and the status of the useful gene transfer of Thinopyrum intermedi-
um were summarized in this paper.Then the utilization prospect of Thinopyrum intermedium was forecasted.
Key words  Thinopyrum intermedium;Wheat;Genetic improvement
  随着现代集约化品种的培育和推广 ,小麦品种的亲缘关
系逐渐趋于单一化 ,对不良环境的抵御能力下降 ,而小麦的
野生近缘种属在自然进化中保留了许多普通小麦所缺乏的
优良性状 ,如抗病 、抗虫 、耐盐碱 、耐干旱等。将小麦近缘物
种的有益基因导入到普通小麦中 ,是育种学家迫切而又艰巨
的任务。
1 小麦近缘物种优良基因向普通小麦转移的途径
根据亲缘物种基因组的组成与普通小麦基因组的关系 ,
可将普通小麦基因组分成初级基因库 、次级基因库和 3级基
因库 3类。一般说来 ,小麦第一 、二基因库中的属种与小麦
具有某一个或多个相同的基因组 ,与小麦杂交时 ,可通过同
源染色体配对和交换将这些属种的带有目的基因的染色体
片段转移到普通小麦的染色体上去 ,而不需要其他措施 ,但
小麦的第三基因库则与小麦的亲缘关系较远 ,染色体的配对
与重组困难 ,因而采用诱导产生易位的方法 ,使外源基因导
入小麦。
根据以上论述 ,利用小麦近缘种属中有益基因改良小麦
的途径大致有两条 ,一是把外源物种的整个染色体组导入小
麦 ,即创造双二倍体;二是仅导入携带有用基因的某条外源
染色体或片段 ,即创造异附加系 、异代换系和易位系。不管
是双二倍体 、异附加系 ,还是异代换系 ,都是导入整条染色
体。整条染色体的导入往往带入不良基因 ,同时导入小麦的
外源染色体也会在某种程度上与普通小麦的遗传背景不协
调 ,影响植株的正常发育。而易位系只导入外源染色体的片
段 ,可减少上述现象 ,因此是导入外源有用基因的理想途径。
2 中间偃麦草的生物学特性和染色体组成
2.1 生物学特性 中间偃麦草是禾本科小麦亚族中的多年
生野生草本植物 ,原产于东欧 ,天然分布于高加索 、中亚的东南
部草原地带 ,是强冬性 、长日照、多年生植物。株高 100~ 140
cm ,穗长 20~ 30 cm ,每穗 20 ~ 30个小穗 ,每小穗 3~ 6个小花。
异花传粉 ,结实率低 ,种子细小 ,千粒重 4~6g。它根系发达 ,具
有匍匐地下茎 ,抗寒性强 ,耐旱 ,对小麦的“三锈” 、白粉等病害
免疫 ,对黑穗病 、叶枯病 、根腐病 、条纹花叶等病高抗 ,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野生亲本之一。
作者简介 张李娜(1979-),女 ,山东青岛人 ,助理农艺师,从事小麦育
种研究。
收稿日期 2007-02-19
2.2 染色体组成 中间偃麦草是一个异源 6倍体 ,染色体
数目 2n=42 。关于其染色体组构成 ,国内外学者进行了大量
研究 ,提出了许多不同的观点。早期的研究主要以减数分裂
过程中的染色体配对行为来分析中间偃麦草的染色体组成 。
Stebbias等(1953)利用黑麦与中间偃麦草杂交 ,根据对杂种F1
减数分裂的观察分析提出 ,中间偃麦草不含有与小麦同源的
染色体组 ,且在中间偃麦草中存在两个节段同源染色体组 ,
因此提出中间偃麦草的染色体组公式为NE1E2 或 EN1N2 。虽
然中间偃麦草不含有普通小麦的染色体组 ,但两者之间存在
部分同源配对 。徐利远等[ 1]研究发现普通小麦与中间偃麦
草杂种F1中 ,小麦的 A 、B、D组染色体的平均配对频率分别
为 24.59%、18.68%、28.67%。将细胞学方法与分子细胞遗
传学方法结合 ,最终阐明了中间偃麦草的染色体组成 。Liu[ 2]
(1993)通过染色体显带分析 ,证明中间偃麦草的两个相似染
色体组一个来自二倍体长穗偃麦草 ,一个来自贝萨偃麦草 ,
并首次提出 ,另一个染色体组来自假鹅冠草。Chen[ 3]利用 St
基因组DNA为探针对中间偃麦草进行原位杂交 ,发现来自
St染色体组的染色体出现遍布整条染色体的杂交信号 ,而来
自 E染色体组的染色体只在两条臂的末端出现杂交信号 ,来
自 J染色体组的染色体只在染色体的着丝粒附近出现杂交
信号 ,并确定不同来源的中间偃麦草含有 13~ 14条 St染色
体 , 6~ 11条 J染色体 ,17~ 21条E染色体。
3 中间偃麦草优良基因向小麦中的转移
中间偃麦草与小麦含有不同的染色体组 ,转移其外源遗
传物质较难 ,属于部分同源性转移。早在 1921年 Percival就
开始利用中间偃麦草与小麦进行杂交试验 , 1928 ~ 1930年
H·B齐津利用它与小麦杂交成功。1953年我国学者孙善澄
等开始利用它进行试验 ,并于 1956年与小麦杂交成功 ,此后
李振声等也开始研究 ,并于 1957年获得了中间偃麦草与小麦
的杂交种子。中间偃麦草向小麦的基因转移一般都是先创
造八倍体小偃麦 、异附加系等这些中间材料。然后 ,通过这
些中间材料 ,再创造出更有利用价值的异代换系和易位系。
3.1 通过远缘杂交创造八倍体小偃麦 Cauderon[ 4](1966)利
用中间偃麦草与小麦杂交育成了八倍体小偃麦 TAF46。孙
善澄等[ 5](1981)利用中间偃麦草与小麦进行杂交育成了 5个
部分双二倍体中1 ~ 中5 及若干异附加系 、异代换系。杨足
君[ 6] 等用中国春连续回交硬粒小麦与中间偃麦草茸毛变种
的杂种 F1植株 ,并自交多代获得了一个农艺性状比较稳定
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri.Sci.2007, 35(19):5716-5717, 5767                 责任编辑 庆  责任校对 俞洁
DOI :10.13989/j.cnki.0517-6611.2007.19.032
的染色体数目为 54 ~ 56条的材料 TE3。刘树兵等[ 7] 选育出
抗白粉病的八倍体小偃麦 990256。
3.2 创造小麦—中间偃麦草异附加系和异代换系 Caud-
eron等[ 8] 利用小偃麦TAF46与小麦杂交选育了 6个小麦异附
加系L1 ~ L6 ,其中 3个附加系分别含抗叶锈 、条锈 、秆锈的基
因 ,利用形态学 、同工酶和蛋白质标记及 C-显带技术等手段
对外源染色体进行鉴定 ,明确了 L1 具有中间偃麦草的 7Ai-1
染色体。Larkin(1995)等[ 9]利用部分双二倍体中5与小麦杂交
选出了Z1 ~ Z6 6个异附加系 。刘树兵等[ 10] 创造的二倍体异
附加系E99006、E99009、E99010 、E99015-8对白粉病免疫 。
3.3 创造小麦 —中间偃麦草易位系 辛志勇等[ 11] 以L1 为
抗源 ,利用中国春(CS)ph 突变体诱导部分同源染色体重组
和组织培养途径 ,成功地将 L1 抗黄矮病基因导入到小麦基
因组中 ,在世界上首次育成一批抗黄矮病的易位系材料。徐
惠君等[ 12]以中国春小麦品种中 8601、澳大利亚栽培小麦品
种 Sunstar 、Millewa作母本 ,与抗大麦黄矮病毒病的小麦—中
间偃麦草异附加系L1 杂交 ,选育出D1091、D1094、D1658、TC5、
TC6 、TC7等一批抗性稳定或基本稳定的普通小麦易位系。
牟金叶等[ 13]利用提莫菲维细胞质雄性不育的小麦—中间偃
麦草部分双二倍体为母本与普通小麦杂交后再与父本普通
小麦连续回交和自交 ,选育出两个稳定的小麦—中间偃麦草
的小片段易位系H96269-2和H96278 ,易位的中间偃麦草染色
体片段位于一对小麦染色体的短臂端部。
3.4 转移到普通小麦中的中间偃麦草优良基因的鉴定和标
记 具有外源基因的小麦新种质是极其宝贵的育种新材料 ,
快速 、准确地鉴定小麦中的外源基因有利于加速其在育种上
的利用。鉴定外源基因主要方法:①形态学鉴定;②细胞学
鉴定 ,包括细胞学观察 、核型分析和染色体分带;③生物化学
鉴定 ,包括储藏蛋白分析法和同工酶分析法;④分子标记鉴
定 ,包括 RFLP ,RAPD ,AFLP ,SSR和原位杂交等。形态学鉴定
是检测外源基因最常用 、也是最直观的方法 。艾山江·阿布
都拉等[ 14]根据新种质遗 4212对小麦叶 、条 、秆锈和BYDV高
抗至免疫的鉴定结果 ,证明遗 4212的抗病性来自中5 ,而不是
普通小麦。细胞标记是检测外源基因最基本 、最经典的方
法。杨足君[ 6] 对TE3进行 Giemsa C 带分析发现了来源于偃
麦草的 7对染色体 ,证明TE3是一个小麦—偃麦草的部分双
二倍体。贮藏蛋白和同工酶是小麦种 、属很好的生化标记系
统 ,利用这些生化标记可以比较准确地检测到小麦中的外源
基因。聂道泰等[ 15] 通过生化标记对抗小麦黄矮病新种质
(HG295)进行了分析鉴定 ,表明 HG295 是一个 2E(X)/2D双
体异代换系 。分子标记检测技术越来越受到重视 ,特别是在
检测外源小片段染色体时更是倍受青睐。Chen等[ 16]对抗小
麦条斑病的CI15092进行鉴定 ,证明 CI15092上的抗性基因定
位于中间偃麦草的 4Ai-2染色体上 。张增艳等[ 17]利用基因
组原位杂交鉴定表明抗性源于 L1 的抗黄矮病小麦新种质
YW642为小片段易位系 ,易位的中间偃麦草染色体片段位于
小麦染色体的端部 ,染色体配对和抗性分析表明该种质为纯
合易位系 。谢皓等[ 18] 研究发现以 L1 基础选育出的 YW243
是一个小麦 —中间偃麦草 7DS·7DL-7XL易位系 ,易位发生在
7DL的端部 ,携有 1对来自中间偃麦草的 BYDV抗性基因。
张增艳等[ 19] 发现来源于 L1 的YW443是一个小麦—中间偃
麦草 7DS·7DL-7StL易位系 ,易位片段较小 ,属于 St 基因组 。
YW243H和YW443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[ 20] 。
4 中间偃麦草的利用前景
随着育种工作的进一步深入 ,育种目标日趋多样化和高
标准 ,同时与栽培品种内基因资源贫乏 、狭窄的矛盾也越来越
明显 ,据 1982年的统计显示 ,约占我国小麦栽培总面积一半的
小麦良种都具有南大 2419、阿夫 、阿勃 、欧柔 4个品种的血缘系
统 ,而小麦近缘种属却是一个巨大的基因库 ,它可以为普通小
麦提供许多抗性基因。因此 ,远缘杂交是创造新物种 、新资源
和转移异源遗传物质的有效途径 ,在理论和实践上都具有重要
意义。著名细胞遗传学家E R Sears认为:未来作物改良之最
大希望在于有利外源基因的导入。中间偃麦草含有许多普通
小麦所没有的优良基因 ,而这些基因大部分还没有被转移和利
用 ,同时随着组织培养 、高体受精 、体细胞融合 、激光切割技术 、
染色体工程 、基因工程等技术手段的应用 ,将为中间偃麦草在
小麦远缘杂交中的利用带来广阔的前景。
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(下转第 5767页)
571735卷 19期                张李娜 中间偃麦草优良基因向小麦的转移利用
松的立地质量 ,也解决了有林地和无林地统一评价的问题 ,
是一个重要的发展方向[ 22] 。实现树种代换评价的主要方式
有:建立树种地位指数代换方程进行树种代换评价;利用数
量化多树种地位指数预测表进行树种代换评价;利用标准化
地位指数进行树种代换评价。
2.2.2.2 以生活因子进行立地质量评价 。应用生活因子进
行立地质量评价 ,对于少林或无林地区是一个有效的方法。
张健康等以黄土高原干旱季节土壤水分相对稳定层的含水
率作为因变量 ,以坡度 、坡向 、植被覆盖度 、坡位 、海拔等为自
变量进行数量化回归 ,以此为基础 ,实现了无林地立地质量
的定量评价[ 8] 。
2.2.2.3 通过环境因子评价立地质量。目前常用环境因子
与地位指数之间建立回归方程 ,从中筛选出主导因子并提供
各种主导因子组合情况下的生长预测 ,在此基础上划分立地
类型 ,使有林地和无林地的立地分类 、评价统一[ 9] 。
3 辽西半干旱低山丘陵区森林立地分类与评价研究 辽西
半干旱低山丘陵区 ,由于人类活动频繁 ,经过反复破坏和垦
殖 ,原生植被已破坏殆尽 ,就是灌木 、草本也经常受到人为活
动的强烈干扰 ,植物对立地的指示性能严重下降 ,因此 ,非生
物环境则成为划分立地类型的主要依据。在非生物环境中
气候与林木生长关系密切 ,常作为区域划分的依据。在同一
区域范围内 ,大气候条件趋于一致 ,小气候差异可通过地形
和土壤因子反映 ,因此地形和土壤因子成为划分半干旱地区
立地类型的主要依据 ,植被仅作为参考。如赵荣慧[ 8] 、赵
刚[ 23] 、杨运来[ 24]等针对辽西半干旱地区森林立地分类的研
究都是基于地形和土壤因子的分级组合。对该地区主要造
林树种立地生产力评价的研究还不多 ,只有关于油松 、刺槐
的研究[ 24-25] ,评价方法都是应用地位指数的直接评价法 。
4 森林立地研究的发展趋势
林业科学和技术的发展对森林立地分类和评价提出了
愈来愈高的要求 ,其总的发展趋势是 ,从早期的为特定目的
而进行的单因子分类发展到今天的为多用途森林资源管理
而进行的生态综合多因子分类系统;从早期的定性描述分类
发展到现在以综合性原则和主导因子为基础的 、应用现代数
学方法进行的定性和定量相结合的分类系统 ,对森林植被与
环境因子之间的相互作用有更深入的理解 ,并获取更准确的
立地信息 ,为林业经营提供科学的基础资料。为满足现代林
业的要求 ,单树种的立地生产力评价将向多树种的综合立地
评价方向发展;单一利用方式评价将向多利用方式叠加评价
方向发展。伴随着计算机技术 、空间分析技术的不断发展 ,
在森林立地研究领域已广泛应用计算机和空间分析技术进
行立地分类和生产力评价 ,为不同的应用目的开发专家信息
系统成为该领域研究的热点[ 26-29] 。
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