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小麦-中间偃麦草代换系中233的分子细胞学鉴定



全 文 :麦类作物学报 2014,34(4):449-453
Journal of Triticeae Crops  doi:10.7606/j.issn.1009-1041.2014.04.03
网络出版时间:2014-4-8
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7606/j.issn.1009-1041.2014.04.03.html
小麦-中间偃麦草代换系中233的分子细胞学鉴定
收稿日期:2013-12-19   修回日期:2014-01-19
基金项目:国家科技支撑计划项目(2011BAD07B02);河南省重大科技专项(111100110100);河南省科技攻关项目(132102110031)
第一作者E-mail:yyq891120@163.com
通讯作者:茹振钢(E-mail:rzgh58@sohu.com)
杨永乾1,李小军1,宋 杰1,孙 玉2,茹振钢1
(1.河南科技学院,河南省高校作物分子育种重点开放实验室,河南新乡453003;2.山西省农业科学院作物所,山西太原030006)
摘 要:为了从小麦-中间偃麦草衍生后代中获得具有优良性状的新种质,利用细胞学和分子标记技术
对中间偃麦草衍生系中233进行鉴定。结果表明,中233的根尖细胞染色体数为2n=42,花粉母细胞减数分
裂中期Ⅰ的染色体通常配成21个二价体。以中间偃麦草基因组DNA为探针、中国春基因组DNA为封阻进
行基因组原位杂交(GISH)分析发现,中233含有2条中间偃麦草染色体和40条小麦染色体,在减数分裂中
期I,两条中间偃麦草染色体可以正常配对。利用D基因组特异探针pAs1进行荧光原位杂交(FISH)分析发
现,中233缺少了一对小麦的2D染色体。分子标记鉴定进一步表明,中233的1对小麦2D染色体被中间偃
麦草染色体所代换。说明中233是一个细胞学稳定的小麦-中间偃麦草二体代换系,初步推断其可能携带有
中间偃麦草的优异基因。
关键词:小麦;中间偃麦草;代换系;鉴定
中图分类号:S512.1;S334    文献标识码:A    文章编号:1009-1041(2014)03-0449-05
Molecular and Cytological Identification of Wheat-Thinopyrum
intermediumAlien Substitution Line Zhong 233
YANG Yongqian1,LI Xiaojun1,SONG Jie1,SUN Yu2,RU Zhengang1
(1.Henan Institute of Science and Technology,Key Discipline Open Laboratory on Crop
Molecular Breeding of Henan Institute,Xinxiang,Henan 453003,China;2.Institute of Crop
Sciences,Shanxi Academy of Agricultural Science,Taiyuan,Shanxi 030006,China)
Abstract:In order to obtain new wheat germplasm with excelent characters from Thinopyrum inter-
medium,a wheat-Thinopyrum intermediumalien substitution line Zhong 233were identified using
cytological and molecular marker analysis.The results indicated the chromosome number in root tip
cels of Zhong 233was 42that usualy paired as 21II at the metaphase I of meiosis.Genomic in situ
hybridization in the root tips and polen mother cels with the genome of Thinopyrum intermedium
DNA as a probe and Chinese spring DNA as a block showed that Zhong 233contained a pair of chro-
mosomes of Thinopyrum intermediumand 40chromosomes of wheat.FISH result using pAs1probe
indicated that a pair of 2Dchromosomes of wheat were absent in Zhong 233.Molecular marker analy-
sis showed that the SSR patterns of three markers,Xgwm261,Xgwm296 and Xcfd53 on chromosome
2Dwas present in the wheat parent Laogaidaqingmang but was absent in Th.intermediumand Zhong
233.A specific band of Th.intermediumwas amplified with marker Xcfd116in Zhong 233.Those re-
sults indicated that the 2Dchromosomes of Zhong 233were substituted by apair of Th.intermedium
chromosomes,and Zhong 233was a stable disomic substitution line.Zhong 233might have certain ex-
celent genes fromTh.intermedium.
Key words:Wheat;Thinopyrum intermedium;Substitution line;Identification
  小麦(Triticum aestivum L.,2n=42)是人
类赖以生存的粮食作物,由于近年来小麦的遗传
基础变得狭窄,对环境胁迫的适应能力被削弱,其
产量的进一步提高和品质改良也受到限制。因
此,具有优良性状的小麦新种质的创制和利用成
为现代小麦育种工作取得突破的关键。
小麦野生近缘物种分布广泛,生态类型多样,
遗传多样性丰富,含有许多可以改良小麦性状的
优良基因[1-2]。将近缘物种的优良基因导入小麦
是拓宽小麦遗传基础的重要途径。目前,通过远
缘杂交的方法已成功将偃麦草[3]、冰草[4]、华山新
麦草[5]和大麦[6]等物种与小麦杂交,而获得了多
种不同类型的小麦新种质。中间偃麦草(Thi-
nopyrum intermedium,2n=42)是强冬性、长日
照的多年生植物。它根系发达,生长势强,大穗多
花且具有抗锈病、黄矮病、白粉病、抗旱、抗寒、耐
盐碱和高蛋白等优良性状,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[7-8]。为从
其衍生后代中获得具有优良性状的新种质,鉴定
这些衍生系材料具有重要的意义。
前人通过染色体工程技术创制出一批小麦-
中间偃麦草衍生中间材料。黑龙江省农业科学院
在国内首先创造和培育出兼有双亲优良性状的八
倍体小偃麦远中1~7号,由于其具有综合农艺性
状突出、结实正常、抗逆性强和抗多种小麦病害等
优点,已被国内外许多育种家作为小麦育种的重
要种质资源[9]。王黎明等[10]对小麦-中间偃麦草
二体异代换系山农0095鉴定后,推测出中间偃麦
草染色体上存在产量相关基因。Hu等[11]对小
麦-中间偃麦草代换系AS1677鉴定表明,AS1677
为一个新的1St(1D)代换系,它的抗条锈基因可
能来自中间偃麦草。Deng等[12]对小麦-中间偃
麦草附加系TAi-27中的外源染色体进行了显微
切割和基因作图,为分离外源染色体及其优异基
因克隆奠定了基础。本研究所用的小麦-中间偃
麦草衍生系中233是八倍体小偃麦远中3号与小
麦品系226-4的杂交后代,具有穗子长和小穗数
多等优点。本研究拟利用细胞学和分子标记技术
对中233进行鉴定,为其在育种中进一步利用提
供参考信息。
1 材料与方法
1.1  试验材料
本研究所用的材料包括中233、中间偃麦草
(均由山西省农业科学院孙善澄先生惠赠),及劳
改大青芒(是远中3号选育中利用的小麦亲本,由
中国农业科学院李秀全同志提供)。
1.2 方 法
1.2.1 细胞学分析
根尖染色体制片观察:种子在室温下浸泡至
露白,放置于4℃冰箱24h后,于25℃暗培养。
当根尖生长到1~2cm 时,取根尖于冰水(0~
4℃)中预处理24h,卡诺氏固定液Ⅰ(无水乙醇
∶冰醋酸=3∶1)固定2d后转入70%酒精,于
-20℃保存。45%的冰醋酸压片,OLYMPUS-
BX51相差显微镜观察照相。选取分裂相较多的
染色体制片,于液氮罐中冷冻8min后揭片,
-40℃保存备用。
花粉母细胞减数分裂观察:在植株抽穗初期
选取适宜的幼穗,经卡诺固定液Ⅱ(无水乙醇∶氯
仿∶冰醋酸=6∶3∶1)处理24h后转入70%酒
精,于-20℃保存。45%的冰醋酸压片,OLYM-
PUS-BX51相差显微镜观察照相。
1.2.2 GISH和FISH分析
选取所需材料的幼嫩叶片,采用CTAB法提
取总基因组 DNA[13]。利用 DIG-Nick-Transla-
tion Mix(Roch公司),按照 DIG-11-dUTP缺口
平移法标记中间偃麦草基因组DNA。普通小麦
中国春基因组DNA经灭菌锅高压处理5min后
作为封阻。原位杂交程序及信号检测参照 Han
等[14]的方法,用OLYMPUS-BX51型荧光显微镜
观察照相。利用 D基因组特异探针pAs1对中
233进行 FISH 分析,探针标记及杂交程序与
GISH分析相同。
1.2.3 分子标记鉴定
选用位于小麦2D染色体上的60对SSR和
EST-SSR引物对中间偃麦草、劳改大青芒和中
233进行PCR扩增。反应体系为10μL,其中包
括1×buffer(0.01mol·L-1 Tris-HCl,pH 8.4,
0.05mol·L-1 KCl)、0.0015mol·L-1 MgCl2、
0.2mmol·L-1 dNTPs、30ng引物和40ng模板
·054· 麦 类 作 物 学 报                  第34卷
DNA。PCR反应程序:95℃预变性5min;然后
94℃变性1min,55~60℃退火50s,72℃延伸
1min,34个循环;72℃延伸10min。扩增产物用
8%非变性聚丙稀酰胺凝胶电泳分离。
2 结果与分析
2.1 中233的主要农艺性状与细胞学特点
中233平均株高113.1cm,旗叶长和宽分别
为24.0cm和1.5cm,穗长14.9cm,穗纺锤型。
每穗平均小穗数 26.4 个,平均结实率达到
65.2%,单株平均有效分蘖6.6个。
根尖体细胞染色体观察表明,中233的染色
体数为2n=42(图1-A);花粉母细胞减数分裂中
期I染色体构型统计表明,中233在多数细胞中
染色体构型为2n=21Ⅱ,表明其在细胞学上已经
稳定(图1-B)。
图1 中233根尖细胞染色体数(A)和减数分裂中期I染色体构型(B)
Fig.1 Chromosome number in root-tip cel (A)and its configuration in PMC MI of Zhong 233
图2  中233的根尖细胞(A)和减数分裂中期I(B)原位杂交图
Fig.2 GISH in root-tip cel (A)and PMC MI(B)of Zhong 233
图3 中233的pAs1探针FISH分析
Fig.3 FISH identification of Zhong 233with pAs1probe
2.2 GISH和FISH分析结果
以地高辛标记的中间偃麦草总 DNA 为探
针、普通小麦中国春DNA为封阻进行 GISH 分
析发现,中233根尖体细胞的42条染色体中有2
条中间偃麦草染色体和40条小麦染色体(图2-
A);减数分裂中期I中233含有的两条外源染色
体可以正常配对,是一对同源染色体(图2-B)。
这表明中233是一个稳定的小麦-中间偃麦草二
体代换系。
为了明确中233被代换的小麦染色体,以普
通小麦中国春基因组DNA为封阻、小麦D基因
组特异探针pAs1进行FISH分析发现,中233缺
·154·第4期 杨永乾等:小麦-中间偃麦草代换系中233的分子细胞学鉴定
少了一对小麦2D染色体(图3)。
2.3 分子标记分析结果
利用小麦2D染色体上的SSR和EST-SSR
标记对小麦亲本劳改大青芒、中间偃麦草和中
233进行 DNA扩增,发现3对引物Xgwm261、
Xgwm296 和Xcfd53 可以在小麦亲本劳改大青
芒中扩增出清晰的SSR带型,但在中间偃麦草和
中233中均未扩增出相应的 SSR 带型;引物
Xcfd116 能在中233中扩增出中间偃麦草的特异
条带。通过分子标记分析,从分子水平进一步证
明了中233的一对小麦2D染色体被中间偃麦草
染色体所代换(图4)。
     1:劳改大青芒;2:中间偃麦草;3:中233;箭头所指为中间偃麦草特异带
   1:Laogaidaqingmang;2:Th.intermedium;3:Zhong 233;The arrow indicated the specific band of Th.intermedium
图4 中233及其亲本的分子标记分析
Fig.4 SSR patterns in Zhong 233and its parents
3 讨 论
GISH用基因组总DNA作探针进行荧光原
位杂交,是直接检测远缘杂交后代中外源染色体
或染色体片段的一种理想方法。尽管GISH具有
快速、准确和不需分离特异性探针等优点,但单
纯用GISH无法确定代换系所取代的特定染色
体。FISH是利用物种专化重复DNA序列和单
拷贝或寡拷贝DNA序列做探针进行荧光原位杂
交的技术,利用相应的质粒探针通过FISH 分析
可以确定代换系所取代的特定染色体。本研究利
用GISH和FISH 鉴定相结合的方法,明确了中
233是一个小麦-中间偃麦草二体代换系,其中一
对2D染色体被中间偃麦草染色体所代换。
本研究在细胞学分析的基础上,进一步利用
2D染色体上的SSR和EST-SSR引物从分子水
平证明了中233是一个小麦-中间偃麦草二体代
换系。同时由于中间偃麦草特异标记Xcfd116
位于小麦2D染色体,表明中233含有的外源染
色体来自中间偃麦草的第2同源群。许多研究表
明,小麦-中间偃麦草衍生系的抗病性等优良性状
与小麦中的2D染色体被中间偃麦草染色体所代
换具有密切关系[15-18]。任永康等[15]鉴定表明,小
麦-中间偃麦草衍生系CH-9916在苗期和成株期
均对条锈病表现免疫、中抗白粉病,进一步通过
SSR标记分析推测出CH-9916中的2D染色体被
中间偃麦草染色体所代换。唐顺学等[16]研究发
现2个小麦黄矮病抗性种质遗4212和77422中
的2D染色体被中间偃麦草染色体所替换,其抗
病性来自其携带的一对中间偃麦草染色体。Liu
和 Wang[17]、司玉君等[18]也分别明确了抗白粉病
种质E99018和03012是由中间偃麦草代替了小
麦2D染色体的代换系。另外,祁适雨等[9]研究
发现代换系中233的亲本远中3号具有小穗数
多、抗多种小麦病害和品质优等优点。因此,初步
推断代换系中233可能携带有中间偃麦草的优异
基因,目前正在对其进行鉴定分析。
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