全 文 ：麦类作物学报　 2004, 24( 4): 6～ 10
Journal of T riticeae Crops
　 加拿大披碱草与肥披碱草杂种 F1的
形态学及细胞学研究

于　卓 , 王晓娟 , 刘　杰 , 马艳红
(内蒙古农业大学农学院 , 呼和浩特 010019)
摘　要: 为了解加拿大披碱草与肥披碱草杂种 F1的育性状况、细胞遗传学基础和育种潜力 ,用定株观测、花粉染
色、染色体制片镜检等方法 ,对杂种 F1的生育特性、染色体构型等进行了研究。 结果表明 ,杂种 F1植株生长势很强 ,
生长速度和株高明显超过其双亲 ,株型倾向母本加拿大披碱草 ,穗较长 ,穗型呈中间型 ,叶片宽大 ,花粉可育率及结
实率均为 0; F1为五倍体 ( 2n= 5x= 35) ,其 PMCMⅠ 平均染色体构型为 5. 79Ⅰ + 14. 31Ⅱ + 0. 17Ⅲ ,后期Ⅰ 出现染色
体桥和落后染色体。
关键词: 小麦族禾草 ; 种间杂种 ; 生育特性 ; 染色体构型
中图分类号: S 326; S 334. 3　　　　文献标识码: A　　　　文章编号: 1009-1041( 2004) 04-0006-05
Analysis on Growth, Development and Cytology of Hybrid F1
betweenElymus canadensis andE . excelsus
YU Zhuo, WANG Xiao- juan, LIU Jie, MA Yan-hong
( Agronomy College, Inner Mongolia Ag ricul tu ral Univ ersi ty, Hohh ot 010019, Ch ina)
Abstract: In order to investig ate the fertility, cy tog enetic basis and breeding potential fo r selecting and
uti li zing interspecific hybrid betw een Elymus canadensis and E. excelsus , the g row th, fer tili ty, cytogenetic
cha racters etc. w ere analyzed wi th the methods o f mea suring fix ed plants, staining po llen and checking
chromosome slide etc. The resul ts show ed that the g row th potentiali ty o f hybrid F1 was much st ronger,
hybrid F1 was superior to it s pa rents in grow th rate and average plant heigh t obviously , the plant type of
F1 tended to maternal parent Elymus canadensis, the ea r was longer, ear type was in the middle of
parents, the leaves w ere broader and larg er , the pollen f terili ty ra te and seedset rate w as 0; the hybrid F1
is pentaploid ( 2n= 5x= 35) , the average ch romosome pairing configurations at metaphaseⅠ in pollen
mother cells is 5. 79I+ 14. 31Ⅱ + 0. 17Ⅲ , and there were bridge f ragment and lagging chromosome at
anaphaseⅠ , the chromosome ir regular behavio r of the po llen mother cell at meiosis w as the main cause to
resul t in hybrid F1 infertility.
Key words: Triticeae g ra sses; Interspeci fic hybrid; Characters o f g row th and development; Chromosome
configura tions
植物远缘杂交是研究物种形成、进化及亲缘关系的重要方法 ,也是实现不同物种间基因交流、创造广泛
变异、选育新品种的有效途径 [1 ]。小麦族是禾本科植物中与人类生存密切相关的一大类群 ,包括麦类作物和
广泛分布于温带地区的优良牧草 (称为小麦族禾草 )。小麦族禾草具有抗寒、抗旱、抗病虫、耐盐、耐瘠薄等优
良抗性或高产、优质等特性 ,是禾草及麦类作物品种改良丰富和宝贵的种质基因库 [2～ 4 ]。 国外在小麦族多年
生禾草远缘杂交育种方面成果卓著 [ 5, 6] ;国内把小麦族多年生禾草优良抗性基因导入麦类作物的染色体工程
育种已取得较大进展 [7, 8 ] ,但对小麦族多年生禾草间的远缘杂交育种研究还很少 [9～ 12]。
2001年我们将引自北美洲具高产优质特性的加拿大披碱草 (四倍体 )与产于内蒙古草原具抗寒、抗倒
伏、抗病虫、耐瘠薄等优良抗性的肥披碱草 (六倍体 )进行杂交 ,成功地获得了种间杂种 F1代。 本试验拟对该
杂种 F1的生育特性、染色体构型等进行研究 ,旨在为小麦族禾草杂种的育种潜力评价、育性恢复及作为优良
收稿日期: 2004-03-01　　　　修回日期: 2004-05-21
基金项目:国家自然科学基金项目 (30160058) ;教育部留学回国人员基金项目 ( 2001345) ;内蒙古自然科学基金项目 ( 2002305)。
作者简介:于　卓 ( 1958- ) ,男 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,从事牧草、饲用作物种质资源与遗传育种研究。
牧草种质资源的利用提供依据。
图 1　供试材料生长动态
Fig. 1　 Growth dynamics of tested plants
1　材料和方法
1. 1　供试材料
母 本加 拿 大披 碱 草 ( Elymus
canadensis L. , 2n= 4x= 28,染色体组
SSHH)、 父 本 肥 披 碱 草 ( Elymus
excelsus Turcz. , 2n= 6x= 42,染色体
组 SeSeHeHeYY)及其种间杂交种 F1
代。各供试材料种植在内蒙古农业大
学农作物试验场内 ,试验于 2002年 3
～ 10月在田间和室内进行。
1. 2　方法
1. 2. 1　生长速度测定及株型、穗型观
察　生长速度采用定株测量法。每个
材料随机选株编号 40株 ,从分蘖期开
始 ,每隔 7 d测量 1次单株绝对高度
(cm ) ,直至开花期结束 ,计算各次测量平均值 ,绘出生长速度动态曲线图 ,并利用最后 1次高度测量值的平
均值表示各供试群体植株的高度。同时观察记录 F1植株的株型和穗型特征 ,与双亲进行比较。
1. 2. 2　花粉育性及结实性观察
( 1)花粉育性　在开花盛期随机剪取供试材料穗 25～ 30个 ,剥取花药置载玻片上 ,醋酸洋红染色 ,在
100倍显微镜下观察并统计可育与不育花粉粒数 ,每种供试材料观察 150个视野。确定花粉是否可育的标准
是:花粉粒大、饱满、着色深者为可育 ;花粉瘦小、着色浅或不着色者为不育。 花粉可育率= 可育花粉粒总数 /
观察花粉总数× 100% 。
( 2)结实性　在种子成熟期 ,从供试材料群体中随机取 30～ 35穗 ,统计结实数和小花数 ,结实率= 结实
总数 /观察小花总数× 100% 。
1. 2. 3　染色体观察
( 1)根尖细胞染色体　将杂种 F1植株移入室内盆栽 ,使其产生不定根 ,取幼嫩根尖置于 0℃的冰水混合
物中预处理 20～ 24 h,然后在卡诺液中固定 18～ 22 h,室温下盐酸解离 30～ 40 min,清水洗净 ,用卡宝品红
染色制片 ,镜检、统计细胞染色体数目 ,选择分散好的片子照相。本试验杂种 F1染色体数目是观察 167个根
·7·4期 于　卓等:加拿大披碱草与肥披碱草杂种 F1的形态学及细胞学研究
尖细胞的平均值。
( 2)花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ ( PMCMⅠ )染色体　晴天上午 9: 00～ 11: 00在田间剪取供试材料孕穗
期的幼穗 ,迅速置于装有卡诺液的玻璃瓶中 ,带回放入冰箱固定 24 h,取花药用卡宝品红染色制片 ,选出分
散相好的 PMCMⅠ 染色体 ,观察统计染色体配对数目并照相。
表 1　亲本及杂种 F1的花粉育性和结实性观测结果
Table 1　 Pollen fertility and seed set of parents and hybrid F1
材料
Material
花粉育性
Pollen fertili ty
可育数
Ferti lit y
No.
不育数
Inferti lit y
No.
总数
Total
可育率 (% )
Fer tili ty
rate
结实性
Seed set
结实总数
Seed No.
小花总数
Total
f lo ret s
结实率
(% )
Seed
set
加拿大披碱草
E. canadensis
1 171 297 1 468 79. 77 1 745 3 165 55. 13
肥披碱草
E. excelsus
2 313 462 2 773 83. 41 2 263 2 892 78. 25
杂种 F1
Hybrid F1
0 8 483 8 483 0 0 4 781 0
2　结果与分析
2. 1　植株生长速度、株型、穗型
比较
植株生长动态如图 1所示。
图 1表明 ,供试亲本及其杂种 F1
生长速度明显不同 , F1植株生长
速度最快 ,父本肥披碱草较慢 ,母
本加拿大披碱草居中 ,它们的生
长动态均呈现“慢 -快 -慢”的缓“ S
型”曲线 ,即在分蘖期和开花期植
株生长速度相对较慢 ,拔节期～ 抽穗期生长速度较快 ; F1平均株高 146. 07 cm ,较母本加拿大披碱草高出
18. 44 cm,较父本肥披碱草高出 28. 07 cm ,生长势很强。
杂种 F1株型偏向其母本加拿大披碱草 ,叶片宽大且在植株上、中、下各部分布较均匀 ,叶片数目较多 (图
2-A、 B、 C) ; F1代的穗型呈双亲的中间型 ,穗长明显超过其双亲 (图 2-D)。
2. 2　花粉育性和结实性
由表 1看出 ,加拿大披碱草和肥披碱草的花粉育性和结实性均较好 ,花粉可育率分别为 79. 77%和
83. 41% ,自然结实率分别为 55. 13%和 78. 25% (母本加拿大披碱草结实率相对较低 ,其原因可能是生育期
长 ,开花时正逢雨季 ,影响授粉 ) [11 ] ;试验观察到杂种 F1花药瘦小不开裂 ,花粉空瘪 ,花粉可育率和结实率均
为 0。
2. 3　细胞染色体特征
2. 3. 1　根尖细胞染色体　已知加拿大披碱草染色体数目 2n= 4x= 28,肥披碱草染色体数目 2n= 6x=
42[12 ] ,对其杂交种 F1植株的 167个根尖细胞压片观察可知 ,其体细胞染色体数目为 2n= 5x= 35,即种间杂
种 F1染色体数目正好等于双亲染色体数目总和的平均数 ,为五倍体 (图 3-c)。
表 2　亲本及杂种 F1的 PMCMⅠ 平均染色体构型
Table 1　 Average chromosome pairing conf iguration of parents and F1 at PMCMⅠ
材料
Material
细胞数
Cell No.
染色体数 2n
Ch romosom e
No.
Ⅰ
Ⅱ
棒状
Rod
环状
Ring
总和
Total
Ⅲ Ⅳ
加拿大披碱草
E . canadensis 122 2n= 4x= 28
0. 04
( 0～ 2)
1. 26
( 0～ 3)
12. 72
( 10～ 14)
13. 98
( 13～ 14)
肥披碱草
E. excelsus 136 2n= 6x= 42
0. 03
( 0～ 2)
0. 10
( 0～ 4)
20. 83
( 17～ 21)
20. 93
( 17～ 21)
0. 04
( 0～ 1)
杂种 F1
Hybrid F1
150 2n= 5x= 35
5. 79
(3～ 15)
8. 41
( 4～ 14)
5. 90
( 3～ 12)
14. 31
( 7～ 16)
0. 17
( 0～ 2)
注: Ⅰ 为单价体 ,Ⅱ为二价体 ,Ⅲ为三价体 ,Ⅳ为四价体。 　　 Note: Ⅰ is u niv alent , Ⅱ i s biv alen t, Ⅲ is trivalent , Ⅳ i s quad rivalent .
2. 3. 2　 PMCM I染色体　从表 2、图 3和图 4可知 ,亲本加拿大披碱草和肥披碱草的 PMCMⅠ二价体频率
均很高 ,分别接近 14Ⅱ和 21Ⅱ ,且环状二价体比例占绝对优势 ,单价体 (Ⅰ )及多价体 (Ⅳ )频率很小 ,只占
0. 03～ 0. 04,这表明双亲的染色体配对行为规则。杂种 F1平均每细胞二价体频率为 14. 31,其中棒状二价体
比例明显多于环状 ,为 8. 41,表明来自双亲染色体的同源性区段比例较低 ; F1细胞内单价体和三价体频率较
高 ,分别为 5. 79和 0. 17,并在减数分裂后期Ⅰ 可观察到染色体桥和落后染色体 (图 3-d、 e、 f ) ,这些现象说明
五倍体 F1的 PMCMⅠ 染色体配对行为很不规则 ,这是造成杂种不育的原因。
3　讨　论
本试验表明 ,加拿大披碱草与肥披碱草种间远缘杂交产生的杂种 F1代的生长动态呈缓“ S”型曲线 ,植株
·8· 麦　类　作　物　学　报 24卷　
生长速度明显超过其双亲 ,生长势很强 ; F1代株型倾向其母本加拿大披碱草 ,穗型呈双亲的中间型 ,穗较长 ,
叶片宽大且在植株各部分布较均匀。 这些特性作为饲草利用显示了较大的潜力。
杂种 F1代花粉可育率和自然结实率均为 0,其原因可能是 F1来自双亲的染色体彼此在结构和数量方面
不相适应 ,染色体配对频率发生改变 ,影响生殖器官内的细胞分裂过程和配子发生过程而造成不育。 细胞学
研究表明 ,该杂种 F1代 PMCMⅠ 染色体联会较松弛 ,单价体和多价体频率较高 ,减数分裂后期Ⅰ 出现落后
染色体和染色体桥等不规则现象 ,这些都是导致杂种 F1高度不育的重要原因 ,可为进一步开展杂种 F1育性
恢复研究提供细胞遗传学依据。
参考文献:
[1 ]　卢宝荣 ,刘继红 . 染色体组分析及小麦族的系统学 [ J ]. 植物学通报 , 1992, 9( 1): 26— 31.
[2 ]　王世金 ,李健华 . 小麦族植物作为牧草种质资源的初步评价 [ J ]. 草业科学 , 1993, 2( 1): 60— 70.
[3 ]　陈佩度 ,翁益群译 . 遗传资源和植物育种存在的问题与前景 [ J ]. 国外农学—麦类作物 (现已更名为《麦类作物学报》 ) , 1990, ( 2): 11— 19.
[4 ]　云锦凤 ,王照兰 . 加拿大披碱草与老芒麦种间杂交及 F1代细胞学分析 [ J] . 中国草地 , 1997, 19( 1): 32— 35, 48.
[5 ]　 Dewey R D. Wid e hyb ridi zation and induced polyploid breeding s t rategies for perennial g rass es of th e Tri ticeae t ribe [ J ] . Iow a Jour.
Res. , 1984, 58: 383— 399.
·9·4期 于　卓等:加拿大披碱草与肥披碱草杂种 F1的形态学及细胞学研究
a. 11Ⅰ + 12Ⅱ ; b. 11Ⅰ + 12Ⅱ ; c. 13Ⅰ + 8Ⅱ + 2Ⅲ ; d. 14Ⅰ + 9Ⅱ + 1Ⅲ ;
e. 10Ⅰ + 11Ⅱ + 1Ⅲ ; f . 9Ⅰ + 13Ⅱ ; g. 15Ⅰ + 10Ⅱ ; h. 12Ⅰ + 10Ⅱ + 1Ⅲ .图 4　杂种 F1的 PMCMⅠ 染色体构型
Fig. 4　 Chromosome conf igurations of hybrid F1 at PMCMⅠ
[6 ]　 Sadasivaih R D, Weijer J. Cytogenetics of some natural intergeneric h ybrids b etw een Elymus and A gropyron species [ J ] . Cana. J.
Genet. , 1981, 23: 131— 140.
[7 ]　陈漱阳 . 小麦远缘杂交育种研究的新进展 [M ]. 北京:科学出版社 , 1993, 86— 116.
[8 ]　王长有 ,李小忠 ,吉万全 ,等 . 普通小麦与 Elymus rectisetus衍生后代的细胞遗传学和形态学研究 [ J ]. 麦类作物学报 , 2003, 23( 4): 5— 9.
[9 ]　于　卓 ,云锦凤 ,马有志 ,等 . 几种小麦族禾草及其杂交后代基因组 DNA的 RAPD研究 [ J ]. 草地学报 , 1999, 7( 4): 287— 292.
[10 ]　于　卓 ,宋永富 ,李造哲 ,等 . 加拿大披碱草×披碱草杂种 F1的生育及细胞遗传学研究 [ J ]. 草地学报 , 2002, 10( 4): 258— 264.
[ 11 ]　于　卓 ,云锦凤 ,李造哲 . 加拿大披碱草与野大麦及其属间杂种细胞遗传学研究 [ A ]. 草业科学进展 [ C ]. 北京: 《草业科学》编辑部出
版 , 2002, 33— 37.
[12 ]　于　卓 ,李造哲 ,云锦凤 . 几种小麦族禾草及其杂交后代农艺特性的研究 [ J] . 草业学报 , 2003, 12( 3): 83— 89.
[13 ]　闫贵兴 ,富象乾 ,张素贞 . 33种禾本科饲用植物的染色体核型研究 [ J] . 中国草地 , 1991, 13( 5): 1— 13.
·10· 麦　类　作　物　学　报 24卷