全 文 ：第n 卷第 3期 南 京 农 业 大 学 学 报
15 5 9年 9月 J on u r al o f N an jin gA gr ie u lt t r : al Un i ve r sit y
V o l
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3
S e P t e m b e r 19 8 8
栽培大麦与球茎大麦和平展大麦
种间杂种的细胞遗传学研究
蒋继明 刘 大钧
(南京农业大学 作物遗传育种教研组 )
摘要 利 用幼胚培养技术获得 了栽培 大麦 ( H 。记翻 m 洲 19 。 : 尸 , Z n = Z x = 14 )
X 球茎大麦 (H . b u lb o s o m , Z n = 4 x = 2 8 )和平展大麦 (H . d e P , e s s u ,: , Z n = lt x =
Z s) x 栽培大麦种间杂种 . 杂交结 实率分别 为95 . 8肠和75 . 0肠 。 杂种在形态上 偏 向
野生 大麦亲本 , 自交不孕 , 回 交亦不结 实 。 栽培大麦 x 球茎 大麦杂种在减数 分裂中
期 I 的平均 染色体构型 为 6 。 0 8 1 + 4 . 7 6 ! + 1 . 3 6 1 + 0 . 2 9 万 , 双亲染 色体组 间有比
较高的同源关 系 , 但在染 色体结 构上已有所分化 。 平展大 麦 X 栽培 大麦杂种表现减
数分裂染 色体数 目的不稳定性 , 中期 I 的平均染色 体 构 型 为 1 6 . 0 2 1 + 2 . 47 1 +
.0 0 2 1
, 表明双亲染 色体组间无 同源关系 。 本文付野生大麦种质导入 栽培大麦的可
能性进行 了讨论 。
关健询 大麦 ; 种间杂种 : 幻胞遗传学
1 引 言
大麦属的一些野生种具有某些优良的抗逆性 , 如抗病、 抗寒 、 杭早等 I ’ ` , . 近十年来国
内外在大麦属内广泛开展了种间杂交和细胞遗传学研究 【` ’ . 其口的在于探讨大麦属 内 究竟
有 多 少 个 种及其系统发育关系 , 从而澄清大麦属的染色体组组成和分类问题 “ ’ , 同时 估
价从野生大麦种向栽培大麦转移有用遗传种质的可能性 “ ’ . 本研究的目的在于探讨利 用 幼
胚培养获得种间杂种的可能性及几个种间杂种的细胞遗传学行为 .
2 材 料 与 方 法
球茎大麦是一个多年生野生种 , 基部具球状根茎 , 株高约 1 5 Oc m , 异花授粉 , 具有很强
的杭寒能力 , 并能在南京地 区正常越夏 。 平展大麦是北美 的一种一年生牧草 , 株高约 7 o c m ,
自花授粉 . 本研究所用材料均引自四川农业大学小麦研究所 , 在本校卫岗校园盆栽两年 , 在
温室和网室中 (不进行人工接种 , 以感病小麦品种 中国春为对照 ) 未发现 白粉病 和 其它 病
害, 但在人工接种条件下都感染赤祥病 。 栽培大麦品种包括 宝 山 二 棱 、 牛 古 特~ 和 拜 支
( B e t z e s )
.
杂交于 1 9 8 5 ~ 1 9 8 6年在卫岗校园内进行 . 一般在授粉后 12 ~ 14 天剪取杂交穗子 , 以改 良
的G y o f fy 氏培养基 , 用活体 /离体法进行幼胚培养 , 胚培苗在 10 ~ 15 ℃的简易人工气候室中
本文予 1 , 87年 1 0月 7 日收到 .
2 南 京 农 业 大 学 学 报 19 8 5, 1 1 ( 3 )
越夏 . 杂种苗分孽盛期用 。 . 1肠秋水仙碱 + 3 肠二 甲基亚枫溶液进行染色体加倍处理 .
从杂种根部剪取部分根尖 , 。 ~ 2 ℃冰水中处理 24 小时 , 3 : 1 卡诺氏固定液 固 定 , 孚
尔根法染色 , 在 45 肠醋酸中压 片 . 花粉母细胞 ( PM C )制片时对两个杂种的花药进行了不同
的处理 : 栽培大麦 x 球茎大麦杂种的花药用 1 帕醋酸洋红染色 5 ~ ` 6一小时 : 平展大麦 x 栽培
大麦杂种的花药则用孚尔根法染色 , 都用 45 肠醋酸压片 .
3 结 果 与 分 析
3
.
1 杂种的产生及其形念特征
栽培大麦与球茎大麦及平展大麦的杂交和胚培结果见表 1 . 当以球茎大麦作母本时 , 虽
衰1 毅培大会与球鉴大安、 平展大资杂交和胚培结果
杂交组合 授粉小花数
结实数
( 肠 )
成胚数
(呱 )
成苗数
( 帕 )
球茎大安火 宝山二校
球茎大安又 牛古特
球茎大麦 x 拜支
宝山二校 x 球茎大麦
平展大麦 x 宝山二棱
宝山二桩 x 平展大麦
7 ( 1 1
.
3肠 )
8 ( 1 3
.
5肠 )
6 ( 7
。
7肠 )
1 1 5 ( 9 5
.
8肠 )
3 0 ( 7 5
.
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0
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然辅以重复授粉 , 但结实率仍较低 , 结实种子不含胚乳 , 胚很小 , 胚培很难成苗 : 而当以大
麦作母本时 , 其结实率可达 9 5 . 8呱 , 结实种子大部分含有发育不完善的胚乳 , 胚较大 , 但不
如正常大麦幼胚饱满 . 大部分幼胚在培养基上生长一段时间后便停止发育 , 一部分幼胚到出
根发芽后开始发黄 , 并逐渐枯死 , 最后仅得到少数杂种苗 。 这可能与选用的培养基有关 .
宝山二棱 x 球茎大麦杂种形态偏向父本球茎大麦 , 叶片细长而柔软 , 杂种营养生长旺盛 ,
分萦能力较强 , 但生长发育较为缓慢 。 拔节期检查根部 , 可以看到杂种具有与父本相似的球
状根茎 . 杂种穗部形态与球茎大麦无明显差异 仅芒较父本为长 ,穗轴略短 (图版 I , 1 ~ 2) .
杂种具有较强的抗寒能力 , 在温室不接种条件下不感染任何病害 , 但在南京地 区不能越夏 .
杂种自交不孕 , 分别用父 、 母本花粉对杂种进行回交 , 均未得到回交种子 。 秋水仙碱加倍也
未获成功 .
平展大麦 x 栽培大麦也有较好的可交配性 , 结实率达 7 5 . 0帕 , 但用平展大麦作父本则很
难结实 . 杂交种子一般不含胚乳 , 胚较小 , 但通过胚培养容易得到杂种苗 .
平展大麦 x 宝山二棱杂种苗期和成株期形态都偏向母本 。 杂种分萦力极强 (图版 I , 1 ) ,
一般每株有 40 ~ 50 个分萦 , 杂种茎秆较细 , 叶片短窄 , 根系不发达 , 株高 仅 有 5 c0 m左右 ,
稚部形态呈双亲 中间型 (图版 I , 2 ~ 3 ) 。 杂种自交不孕 , 用栽培大麦回交也不结实 . 由于
根系不发达 , 秋水仙碱加倍容易造成幼苗死亡 .
3
.
2 杂种的细胞遗传学研究
四倍体球茎大麦是一个同源四倍体物种 , 减数分裂中期 1 PM C 中有高 频 率的四价体出
现 (图版 I , 3 ) ,两个同源的染色体组各具一对随体染色体 。 宝山二棱 x 球茎大麦杂种根 尖
细胞检查表明 : 杂种体细胞染色体数目为 Z n = 3 x = 21 , 但分裂细胞中只能看到两 条 随 体
染色体 (图版 I , 4 ) , 说明杂种中双亲之一的核仁组成区活性受到了抑制 .
3期 蒋继明等
栽培大麦与球茎大麦和平展大麦
种间杂种的细胞遗传学研究
日版 I 说明
1
. 宝山二梭大麦 (左 ) 、 球茎大麦 (右 ) 及其杂种 p :穆部形态 . 2 . 宝山二梭 (左 ) 、
球茎大麦 (右 ) 及其杂种 F l小移形态 . 3 . 球茎大麦减数分裂中期 I P M C染色体 构
型 : 示 10 1 十 2 W . 4 . 宝山二校 x 球茎大麦杂种 F l根尖细胞有丝分裂中期染色体 ,
箭头所示为随体染色体 . 5 ~ 8 . 杂种减数分裂中期 1 P M C 染色体构 型 . 5 . 示 5 1
+ 3 1 + 2 1 + 1 万 ; 6 . 示 4 1 + 3 1 + 2 里+ I V : 7 . 示 5 1 + 5 1 + 2 互:
8
. 示 4 1 十 5 1 + 1 1 + 1 F . 9 . 杂种减数分裂后期 I , 示落后染色 体
专
一 夕 , “ 、
` 沙
南 京 农 业 大 学 学 报 1 95 5, 1 1 ( s )
圈版 I 说明
1
. 平展大皮 x 宝山二被大麦杂种 F l 植株形态 。 2 . 平展大麦(左 ) 、 宝山二 桩 (右 )
及其杂种 F l鹅部形态 . 3 . 平展大麦 (左 ) 、 宝山二棱 (右 ) 及其杂种 F l小称 形吝。
4
. 平展大麦 x 宝山二校杂种 F l根尖细胞有丝分裂中期染色体。 5 ~ 6 . 杂种减数 分裂
中期 1 P M C染色体构型 , 5 . 示 1 7 1 + 2 1 , 6 . 示 1 5 1 + 3 1
减数分裂中期 I 时 , 杂种 PM C平均形成 6 . 0 5 ( 2 ~ 1 5 ) 个单 价 体 , 峨. 7 a ( o ~ a ) 个
二价体 , 1 . 3 6 ( o ~ 5 ) 个三价体 , 0 . 2 9 ( 0 ~ 1 ) 个四价体及 0 . 0 3 ( o ~ 1 ) 个五价体 .
P M C平均交叉结频率为 2 . 13 . 杂种中含有多价体的 PM C 占92 帕 (图 版 1 , 5 , 6 , 8 ) , 最高
配对构型为 2 1 + 2 1 + 5 1 。 在绝大多数 P M C 中 , 单价体数 目少于 7 , 在没有 四 价体以
上构象的细胞中 , 二价体和三价体数目之和大多为 7 (图版 I , 7 ) . 三价体有捧状 、 汤勺状
和V字形三种类型 , 四价体和五价体常以一些不太规则的构象出 现 (图 版 I , 5 ) . 后期 I
和后期 I , 落后染色体十分常见 (图版 I , 9 ) , 并有染色体桥、 多分体及微核等现象产生 .
平展大麦是一异源四倍体物种 , 减数分裂中期 I 严格形成二价体 (表 2 ) . 平展大麦 x 宝山
3期 蒋继明等
栽培大麦与球茎大麦和平展大麦
种间杂种的细胞逛传学研究
表 2杂种及其亲本减数分砚中期1染色体平均构皿
二价体
材料 Z n单价休 -一— — -—— 一 三价休 四价体 其它棒状 环状 合计 观察X ta 资料来派细胞数
0
。
0 6 0
。
084
.
4 4 4
.
5 2 0
。
0 6
球茎大麦 28 一 7 2。 8 0
平展大发 2 8
宝 山二棱
x 球茎大麦
1 30本研究
展大麦宝山二
( o ~ 1 )( 0~ 2( ) 2~ 1 ]( )。~ 1 2( )o ~ l )( l ~ 7 )
0
.
2 2 0
.
3 01 3
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4 4 1 3
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8 9_ 一 一 2 8. 7 8
( o ~ 2( )。~ 1 ( )1 1~ 1 4 )( l 丁~ z魂 )
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I G礴· 7 61 · 36 0· 2 9 0· 1 0 32. 1 5
( 2~ 1 5 )( e~ 3( )o ~ 7 ( ) c~ 8( )o ~ 5( ) 0一 1 ( ) 0~ l )
1 6
.
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5 0 0
.
61 2
·
4 7 0
·
02一 一 3. 1 2
(￡~ 21 )( o ~ 7 ( )o ~ 3( )o ~ 7 ( )o ~ l )
Ka s ha
等 , 1 9 7 1
B o t h m e r
等 , 1 9 8 3
1 26 本研究平x故
二棱杂种根尖细胞具有 2n = 3x = 21 条染色体 (图版 I , 4 ) . 减数分裂中期 I 时 , 杂 种 P M C染
色体数目可以变动在17 ~ 2 之间 , 其中染色体数 目为 20 的细胞占15 肠 ~ 2 0肠 . 中期 I 时 P M C
平均形成 2 6 . 0 2 ( g ~ 2 1 ) 个单价体 , 2 . 4 7 ( o ~ 7 ) 个二价体和 0 . 0 2 ( o ~ l ) 个 三 价体
(图版 l , 5 ~ 6 ) 。 平均交叉结频率为3 . 12 .
4 讨 论
K o n z a k在 1 95 1年就已认识到栽堵大麦和球茎大麦的染色体之 间 有较 高程 度 的 同 像
性 l ” . 虽然 M o r r i s o n 和R a j h a t h y 用同一材料得出相反的结论 ` ” ’ , 但 K o n z a k的观点现已
被一些学者所验证 【’ · ` 1 . 宝山二棱 x 球茎大麦杂种中 , 90 帕以上的 P M C 在中期 I 时具有三价
体以上的构象 , 三价体的最高数目可达 5 . 从这一结果可以初步推测 : 栽培大麦中至少有 5
条染色体与球茎大麦有一定程度的同源性 , 这一推测与由核型分析得出的结论基本吻合 “ ’ .
由于双亲染色体结构上已有所不同 , 因此杂种中球茎大麦两个同源的染色体组有优先配对的
可能性 。 由此推测 : 杂种中的单价体可能多数属于栽培大麦染色休 ; 二价体主要由球茎大麦
的同源染色体之间形成 ; 三价体则涉及到双亲染色体 的联会 ; 四价体以上构象的形成可能是
由于双亲染色体间存在易位或其它结构变异差异所引起的 . 在四倍体 杂 种 ( V V B B , V V和
B B分别代表栽培大麦和球茎大麦的染色体组 ) 中 , 四价体频率仅为 1 . 06 , 而双 亲 (V V V V
和 B B B B ) 中可分别达 4 . 64 和 4 . 68 “ ’ , 这可能也是由于双亲染色体结构有所不同而分 别 相
互优先配对 的结果 。
平展大麦有二倍体和四倍体两个种 . 由于四倍体是严格的异源多倍体 , 因此四倍体类型
不可能是二倍体类型的简单加倍 . 四倍体平展大麦 x 黑麦属间杂种减数分裂中期 I 平均只形
成 1 . 7个二价体 『` 。 , , 因此 , 平展大麦的二个染色体组可能只有部分同源性 . 平展 大 麦 x 栽
培大麦杂种 P M C的二价体频率为 2 . 47 , 这与平展大麦 x 黑麦杂种的二价体频率并无显 著 差
异 , 因此 , 栽培大麦与平展大麦染色体组间可能没有同源 关 系 . G u p at 和 F e d a k ( t 9 8 5) 对
大麦属中多倍体减数分裂染色体配对的遗传控制进行了分析总结 , 认 为大麦属中的这种控制
系统是由多基 因控制的 , 黑麦和栽培大麦的染色体组对这种控制系统有抑制或促进作用 . 由
于平展大麦与不同栽培大麦基 因型所构成 的杂种其配对频率有一定差异 I ” ` ” , 因此不同大
6 南 京 农 业 大 学 学 报 19 5 5, 1 1 ( 3 )
麦墓因型对杂种中的部分同源配对可能有不同程度的影响 .
通过幼胚培养很容易得到栽培大麦 x 球茎大麦杂种 , 杂种减数分裂时存在高度的异亲配
对 , 因此从理论上讲双亲间的基因重组是能够实现的 . 由于杂种减数分裂后期很不正常 , 从
而导致杂种完全不育 , 而且不同倍性的杂种在细胞学上都很难稳定 ` ” . L o n g e 和 oJ o he m s e n
发现六倍体双二倍体 ( V V B B B B ) 在细胞学上同样是不稳定的 t ’ 1 . 由于以上种种原 因 , 至
今要把球茎大麦的某些性状转移到栽培大麦中去仍是十分困难的 . 平展大麦 x 栽培大麦也很
容易获得杂种植株 , 但杂种的回交和染色体加倍都十分困难 , 从而难以开展进一步的工作 ,
因此 , 用这样的杂种作为桥梁 向栽培大麦转移有用基因尚需作 出更大的努力 .
今 冷 文 欲
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B o t il m e r
,
R ` v o n . e t a l . , P h y l o g e n y a n d t e x o n o nt y i n t h e g o n u s H o r d e “ 拼 . P r o e .
一t h . I n t e r n a t . B a r l e y G e n e t . S y nr P . 1 9 8 1 : p p · 1 2~ 2 1
2
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B o t h m e r
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. 节 o n . e t a l . , I n t e r s p e e i f i e h y b r i d i z a t i o n 布 i t h e u l t i v a t e d b a r l e y
( H o r d e “ 价 , “ 互g a r` L . ) . H e r e d i t a s 1 0 5 3 : 9 9 : 2 1￡~ 2峨礴
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G e n e t i e e o n t r o l o f m e i o t i e e il r o 口 o s o m e p a i r i n g
i n P o l y P l o i d s i n t h e g e n u s H o r d e u价 . T h e o r . A P P I . G e n e t . 2 9 5 5 : 2 7 . 5 1E~ 53 0
` . J a e o b s o n , N . a n d R . 7 o n B o t h口 e r , I n t e r s P e e i f i e 五y b r i d i z a t i o n i n t h e g e n u s
H o r d o u 滋 L . P r o e . 4 t h . I n t e r n a t . B a r l e y G e n e t . S y m P . z。吕1 . p P . 7 z e~ 2 1 5
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p 一0 i d il y b r i d s b e t w e e n “ o r d e “ 价 , u互心a r o a n d H . b u 一吞o s u 协 . P r o e . 3 r a . I n t e一 ’
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3期 蒋继明等
栽培大麦与球茎大麦和平展大麦
种间杂种的细胞遗传学研究 7
户
C Y T O G EN 皿 T I C S T U D I E S O F H O R D E U M V U L G A R E x H
B U L 〔 O S U M A N D H _ D E P R E S S U M X H . V U L G A R E H YB R I D S
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t h a t h o m o l o g y o r h i g h h o m o l o g y a n d d i f f e r e n t i a t i o n o f e h r o m o s o m e s t r “ e
t u r e e x i s t e d i n t h e P a r e n t a l g e n o m e s
.
T h e a v e r o g e e h
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0 2 1 + 2
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.
T h e p o s s i b i l i t y o f g e n e
t r a n s f e r b e t w e e n c u l t i v a t e d b a r l e y a n d w i ld H O r d e。优 s p e e i e s w a s d i s e u s s e d .
K e y w o r d s H o r d: u m ; I n t e r s p o e i f i c h y b r id s ; C y t o g e u e t i e s