全 文 ：麦类作物学报　 2005, 25( 6): 11～ 14
Journa l of T riticeae Crops
　 小麦与长穗偃麦草 (高冰草 )体细胞
杂种后代的性状变异及选育
张其鲁1 , 夏光敏2 , 权太勇 2 , 张元国 1 , 李方贤 1 , 李法孟 1
( 1. 山东省潍坊市农业科学院 , 潍坊 261041;　 2. 山东大学生命科学学院 , 济南 251000)
摘　要: 为了解远缘小麦体细胞杂种后代遗传变异的特点 ,对普通小麦和长穗偃麦草 [高冰草 Agropy ron
elongatum Host ( Nev ski) ]的体细胞杂种后代进行了多年的观察、比较和研究 ,发现体细胞杂种后代变异谱广
泛 ,变异幅度大 (达 120% ) ,杂种后代性状稳定时间短 ,遗传性稳定 ,杂种后代还出现了多种新的高分子量谷蛋
白亚基 ( HMW-GS)。 说明将长穗偃麦草的遗传物质通过细胞杂交技术导入了普通小麦 ,为小麦品质改良提供
了优异基因 ,既丰富了小麦遗传背景 ,又可使杂种后代较快地稳定 ,可以利用杂种后代培育出优良品种和种质
材料。 本研究已培育出几个新品系和不同类型的新种质。
关键词: 小麦 ; 长穗偃麦草 ; 体细胞杂种后代 ; 品质性状 ; 形态性状
中图分类号: S 512. 1; S 334. 3　　　　文献标识码: A　　　　文章编号: 1009-1041( 2005) 06-0011-04
Trait Variation of Somatic Hybrid Progenies fromTrit icum
aest ivum /Agropyron Elongatum Host (Nevski)
ZHANGQi-lu
1
, XIA Guang-min
2
, QUAN Tai-yong
2
, ZHANG Yuang-guo
1
,
LI Fang-xian1 , LI Fa-meng1
( 1. Weifang Acad emy of Agricul tural Sciences, Wei fang, Shandong 261041, China;
2. College of Life Sciences, Sh andong Univ ersi ty, Jinan, Shandong 250100, China)
Abstract: The first somatic hybrids of Triticum aestivum /Agropyron elongatum were produced via asym-
metric somatic hybridizayion in Shandong Univ ersi ty, w hich provided a new technical platform for wheat
breeding. In order to understand the characteristics of heredity and variation of these somatic hybrid proge-
nies and provide guides fo r w heat breeding , those somatic hybrid progeneies w ere studied for several years.
The result show ed that those hybrids possed an abroad variable pedigree ( about 120% ) , wi th stable hered-
ity and high herditary potential of the most t raits. The genetic substance of the Agropyron elongatum was
introduced into w heat and provided some new high molecula r w eight g lutenin subuni ts ( HMW-GS) . It
w as very impo rtant for improving the quali ty of wheat , as well as for enriching the genetic basis of w heat.
Some new hybrid lines and germplasms had already been selected f rom the somatic progenies.
Key words: Triticum aest ivum; Agropyron elongatum; Somatic hybrid progenies; Quality t rait;
Morphological t rai t
种质资源是小麦育种的基础材料。小麦育种中所用亲本多数为不同地区生产上应用的品种 (系 ) ,遗
传背景狭窄 ,后代中难以产生具有突破性的变异类型。小麦近缘属种植物中存在着许多抗病、抗逆、优质
的基因 ,但是导入这些优良基因受到各种限制 ,诸如杂交不育、不良基因连锁、后代难以稳定等。 小麦不
对称细胞融合技术的应用 ,从理论上讲可以解决上述问题。山东大学生命科学学院 1996年获得了小麦
与长穗偃麦草 (高冰草 ) [Agropyron elongatum Host( Nevski) ]体细胞杂种植株及后代 ,并利用染色体、同
工酶、 RAPD和 GISH等方法证明长穗偃麦草基因被导入普通小麦中 [1～ 3 ]。通过连续种植该体细胞杂种
植株后代 ,分离出了多种变异类型 ,并筛选出几个优异的新种质。 笔者对该细胞杂种后代的遗传规律进
收稿日期: 2005-01-07　　　　修回日期: 2005-03-10
基金项目: 山东省农业良种产业化重点项目 (鲁科农字 2000-484)。
作者简介: 张其鲁 ( 1955- ) ,男 , 研究员 ,主要从事小麦高产育种研究。
行了观察研究 ,旨在为相关研究提供依据和基础资料。
1　材料与方法
1. 1　材料
细胞融合的受体为普通小麦品种济南 177,供体为长穗偃麦草。小麦与长穗偃麦草的体细胞杂交及
杂种后代的形成和鉴定见夏光敏等 [ 4]的报道。
1. 2　杂种后代的处理及分析
1. 2. 1　杂种后代处理　细胞杂种后代的 F2代全部收获种植 ; F3代株系单穗收获 ,尽量多地收获分离、
变异类型单株 ; F4代将每一种可见类型按单穗收获 ,保持类型 ,同时进行筛选 ; F5代后进入常规选育程
序 ,不同品系的保存以单穗为主。
1. 2. 2　杂种后代的性状分析　对杂种后代优良品系的株高、分蘖、叶角、株型、籽粒性状、抗病性、芒性、
穗粒数、千粒重、产量、沉降值等主要性状进行调查和分析 ,并参赵同军等 [ 5]的方法分析 HMW-GS,并选
择优异的材料进行杂交组配研究。
1. 2. 3　性状观察和分类　按收获的单穗种植成小区 ,每小区种植 2行 ,行长 2 m ,行距 26. 6 cm,株距
10 cm,每 30个小区设 1个对照。以小区为单位 ,按照冬小麦区域试验记载标准观察。根据观察结果进
行分类 ,首先按芒性分为有芒和无芒 ,其次按株高分为高秆和矮秆类型 ,再按穗大小和分蘖成穗分为大
穗和多穗类型 ,最后按株型、穗型分成小类。 在分类时兼顾田间抗病性、叶片形态和室内测定结果等
性状。
表 1　受体与体细胞杂种后代部分主要农艺性状比较
Tabl e 1　 Agronomic trait comparation between
receptor and somatic cell hybrid progeny
性状
Character
受体
Receptor
体细胞杂种后代
Somatic cell h ybrid progeny
平均值
Av erage
变幅
Range
变异系数 (% )
CV
株高 ( cm)
Plant h eigh t
78 81 40～ 120 17. 6
单株成穗 (个 )
Tiller numbers
5 5. 9 1～ 13 62
穗长 ( cm)
Spike leng th
9 7 7～ 13 13. 1
千粒重 ( g)
1000-grain w eigh t
40 41. 6 18～ 68 35. 6
穗粒数 (粒 )
Kernel per spike
30 49 30～ 67 23
蛋白质含量 (% )
Protein content
13 12～ 18
沉淀值 ( mL)
Sedim entation value
28 28～ 60
2　结果与分析
2. 1　小麦受体和远缘供体的性状特征
细胞融合的受体为普通小麦济南
177,冬性 ,幼苗半匍匐 ,分蘖力强 ,成穗
率高 ,株型较紧凑 ,株高 78 cm,穗纺锤
型 ,穗粒数 30粒 ,白壳、白粒、粉质、千粒
重 40 g,蛋白质含量 13% ,抗病性一般。
细胞杂种供体为长穗偃麦草 [Agropyron
elongatum Host ( Nevski ) ] ,多年生 ,分蘖
力强 ,丛状 ,分蘖数 30～ 50个 ,茎杆实
心 ,株高 100～ 120 cm ,叶片细长 (长 30
cm,宽 0. 5～ 0. 8 cm) ,穗长 18～ 25 cm ,
无芒 ,着生 19排小穗 ,每小穗 2朵小花。
抽穗晚 (在本地 6月上旬抽穗 ) ,自花不
育 ,成熟晚。具有抗病、抗盐、抗旱等特
性 [7 ] ,适应性广。 杂种后代性状主要表现为小麦的特征 ,外观基本上不具备长穗偃麦草的特征。
2. 2　体细胞杂种后代的遗传特点
体细胞杂种后代的遗传特点是变异谱宽 ,变异幅度大 ,杂种后代稳定快 ,性状遗传力高 ,并且出现
新的小麦 HMW-GS类型 ,对新种质资源的创造十分有利。
2. 2. 1　变异谱宽　细胞杂种后代变异范围涉及到小麦的形态性状和品质性状。其中植株性状变异包括
株高、株型、茎秆粗度、叶片与植株夹角、分蘖性 ;穗部性状变异包括穗型、芒性、穗长、千粒重、穗粒数、籽
粒颜色、质地 ;叶部性状变异包括叶型、叶相、叶片厚度等 ;生理性状变异包括幼苗习性、抗病性、抗倒性、
落黄性、耐盐碱性等 ;品质性状变异包括蛋白质含量、 HMW-GS类型等 ,共计 30多个性状。
2. 2. 2　变异幅度大　从表 1可看出 ,体细胞杂种后代主要农艺性状变幅较大。 其中株高变幅为 40～
110 cm ,变异系数 17. 6% 。旗叶宽度的变幅为 1～ 2. 5 cm,叶基角变化从直立 30°到下垂 180°。穗型以纺
锤型为主 ,兼有方穗型 ,棒状穗型及常见的穗型。籽粒变化:千粒重从 18～ 68 g ,穗粒数从 30～ 67粒。株
·12· 麦　类　作　物　学　报 25卷
型变化: 常规品种的 4种类型紧凑型、常规型、扩张型、桶型都存在于杂种后代之中。单株成穗变化:在大
田条件下从成穗 1～ 13个不等。
表 2　杂交组合 (中国春 /01-51)F2代株高的分布频率
Table 2　 Distribution frequency of F2 plant height ( Chinese Spr ing /01-51)
株高 ( cm)
Plant heigh t
43. 4 55. 1 64. 9 73. 6 85. 4 93. 7 103 112
频率
Frequency
0. 05 0. 06 0. 15 0. 12 0. 27 0. 22 0. 13 0. 02
2. 2. 3　杂种后代稳定快 ,性状遗传
稳定　杂种 F2代中未出现不育现
象 ,到 F3、 F4代开始出现了主要性
状稳定的材料 [3 ]。例如编号为 01-51
的矮杆材料 ,其矮秆特性从 F3代出
现后 ,至今未发生大的变异。 编号
10-7的细胞杂种后代材料 ,在 F2代其穗大粒多特点就有所表现 ,到 F4代大穗特点仍然保持 ,且株高、穗
型、株型等主要性状已趋于稳定。
利用这些材料组配杂交组合 ,其主要性状遗传力较强。表 2列出了中国春与体细胞杂种后代 01-51
矮杆品系杂交 F2代的分离情况 , F2代株高分离从 45～ 110 cm,可知 ,矮杆品系的株高遗传为加性效应 ,
遗传力较高。另外 10-7品系的方型大穗的遗传力较高 ,几个相关组合的调查表明 ,平均有 30%分离单
株是方型大穗。
2. 2. 4　出现新的小麦 HMW-GS类型　体细胞杂种后代在 HMW-GS的变异方面非常突出。表 3表明 ,
体细胞杂种后代出现了小麦亲本不具有的亚基类型。杂种群体中 Glu-B1位点类似普通小麦 13+ 16亚
基出现的频率高达 56% ,组合频率高达 46% 。宋健民等 [ 6]的研究表明 ,中国小麦 HMW-GS对品质的影
响与其他国家和地区有所差异 , 13+ 16亚基优于其它所有等位变异形式 (包括 5+ 10) ,在小麦品种资源
中 13+ 16还比较稀少。本研究的杂种后代中的类似小麦 13+ 16亚基基因已经被克隆 ,证明是通过体细
胞杂交产生的新基因 [ 7] ,其中的 16亚基与长穗偃麦草的一个亚基电泳迁移率一致 ,两者基因序列的相
似性达到 99% ,高于与亲本及所有小麦已发表基因序列的同源性 ( Liu et al . , 私人通讯 )。
表 3　体细胞杂种后代 HMW-GS组合频率
Table 3　 Frenquency anal ysis of HMW-GS of somatic hybrid progenies
体细胞杂种
Somatic h ybrid s
亚基组合
Subunit type
样本数
Sample
频率 (% )
Frequency
常规品种
Convetional variety
亚基组合
Subuni t type
样本数
Sam ple
频率 (% )
Frequency
2* , 12, 13 2 4. 4 2* , 5+ 12, 7+ 9 1 3. 3
2* , 2+ 12, 13+ 16 1 2. 2 2* , 5+ 10, 7 2 6. 7
2* , 2+ 12, 7+ 8 1 2. 2 2* , 2, 7+ 9 1 3. 3
2* , 2+ 12, 7+ 9 1 2. 2 1, 5+ 10, 7+ 8 1 3. 3
2* , 5+ 12, 13+ 16 21 46. 7 Null, 5+ 10, 7 2 6. 7
2* , 5+ 12, 7 2 4. 4 Null, 2+ 12, 7 1 3. 3
2* , 5+ 12, 7+ 8 1 2. 2 Null, 2+ 10, 7 1 3. 3
Null, 2+ 12, 13+ 16 3 6. 7 - 0 0
Null, 2+ 12, 7+ 8 1 2. 2 Null, 2+ 12, 7+ 8 4 13. 3
Null, 2+ 12, 7+ 9 12 26. 7 Null, 2+ 12, 7+ 9 17 56. 7
合计　 Sum 45 100 - 30 100
2. 3　利用体细胞杂种后代选育的
新种质
通过对体细胞杂种后代的观
察、鉴定和连续选择 ,现已选育出了
几个不同类型的品系。
2. 3. 1　综合性状优良的材料　以
山大 5号为代表的大穗、综合农艺
性状好的一类材料 ,其主要特征是:
株高 80 cm左右 ,大穗 ,方穗型 ,顶
端小穗密集 ,长芒 ,穗粒数 45～ 50
粒 ,茎秆粗壮 ,丰产性好。其中方穗
型、大穗性状的遗传力较强。其代表
品种已参加山东省小麦区域试验 ,
该材料的出现比较早 ,频率约为
20%。
2. 3. 2　大粒材料　该类型材料以 II-2为代表 ,主要特点是长纺穗型 ,穗长 13 cm,芒特长 ,小穗排列稀 ,
每朵小花结实 2～ 3粒 ,千粒重达 68 g , 70%的籽粒为角质。植株健壮 ,株型紧凑 ,叶片宽大 ,其大粒特点
具有较高的利用价值。
2. 3. 3　高蛋白矮秆材料　该类材料以 01-51为代表 ,出现的比例为 5% ～ 10%。 这类材料蛋白质含量
最高达 20% ,稳定时间达 25 min,籽粒小 ,半角质～ 角质。株高 50～ 60 cm ,比济南 177明显矮。分蘖力
极强 ,基部叶片密集 ,易感白粉病 ,单株成穗可达 15个 (大田密度 )。抽穗晚 ,穗下节间长。其利用价值主
要在于蛋白质含量高 ,含有类似 13+ 16的新亚基。
2. 3. 4　抗盐碱材料　通过室内的耐盐试验 ,细胞杂种后代幼苗耐盐指数明显高于济南 177,其抗盐特
·13·6期 张其鲁等: 小麦与长穗偃麦草 (高冰草 )体细胞杂种后代的性状变异及选育
征可能来自长穗偃麦草 [8 ]。 通过选择育成了山大 3号耐盐品系 , 2004年通过山东省农作物品种审定委
员会审定 ,定名为山融 3号。
2. 3. 5　其他类型材料　其他类型的材料主要包括茎秆壁厚、穗下节长的抗病、抗倒类型材料 ,无芒 ,密
穗、小粒、高成穗率的材料以及一般性丰产材料。
3　讨 论
小麦与长穗偃麦草体细胞杂种后代出现了广泛的变异 ,其范围超出一般杂交种的变异 ,但未出现远
缘杂交的疯狂分离和不育现象。其变异的原因可能是融合的外缘染色体小片段插入小麦基因组引起 [9 ]。
异源染色体小片段的渐渗在常规的远缘杂交和染色体工程育种中很难实现 [10 ]。在利用花粉管通道
技术将不同外源 DNA导入小麦的研究中 ,同样发现其后代也发生一系列的变异 [11, 12 ] ,这说明细胞融合
所引起的变异也可能与花粉管通道法的的 DNA导入有一些共同之处。 例如引起一些基因的激活或重
排。这种温和的、宽范围的变异有利于小麦新种质的创造和利用。
细胞杂种后代出现了许多有益的性状 ,例如高产、耐盐、大穗、矮秆、抗盐等 ,同时亦出现了一定数量
的优异个体和含有类似 13+ 16等优质亚基的株系。 但是在一些优质株系中也同时存在不良性状 ,如对
白粉病抗性较低 ,株型和叶型结构不合理等 ,不能直接用于生产。 出现的问题可能与普通小麦亲本的遗
传背景有关 ,在选择小麦受体亲本时 ,要注意品种的综合性状和抗病性。
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·14· 麦　类　作　物　学　报 25卷