全 文 ：南京农业大学学报　 1998, 21( 4): 1～ 6
Journal of N anjing Agricultural University
　 　
莜麦与野红燕麦杂交的细胞遗传学研究⒇
　俞　益　陈佩度　刘大钧
(南京农业大学农业部作物细胞遗传重点开放实验室 , 南京 210095)
摘要　为将野红燕麦 ( Avena sterelis L )的高蛋白、抗蚜、抗锈病等优点导入莜麦 (Avena nuda L ) ,进行莜麦
与野红燕麦的杂交研究。 A . nuda× A . sterelis杂交 ( 48朵小花 ) ,获得 1个幼胚和 4粒种子 ,杂交结实率
10. 4% , F1自交结实率 48. 1%。 杂种 F1在穗型、外稃、芒性 、茎节部性状等方面与母本莜麦存在显著差异 ,
来自野红燕麦的野生性状 ,如外稃绒毛、曲强芒、落粒性等均说明 F1是真杂种。 A . nuda× A . sterelis杂种
F1减数分裂中期Ⅰ 染色体构型为 0. 94Ⅰ + 7. 32Ⅱ + 11. 74○Ⅱ + 0. 94Ⅲ + 0. 03Ⅳ ,表明莜麦与野红燕麦亲
缘关系很近 ,可能仅 1～ 2对染色体有较大差异。 同工酶分析结果显示 ,杂种 F1的叶片酯酶带型与母本有
明显差异 ,兼具父本谱带特征。对野红燕麦抗蚜特性研究表明 ,该性状能够遗传。F1减数分裂中期Ⅰ 染色体
配对率高 ,且 F1结实率较高 ,因而可以有效实现基因转移。
关键词　燕麦 ; 莜麦 ; 野红燕麦 ; 种间杂交 ; 细胞遗传学分析
中图分类号　
Cytogenetic study on cross between A . nuda and A . sterelis
Yu Yi, Chen Peidu and Liu Dajun
( Key Lab of Cytogenetics, M inist ry of Agricult ure, Nanjing Ag ric Univ, Nanjing 210095)
ABSTRACT　 Cro sses betw een A . nuda and A . sterelis we re perfo rmed on 48 flor ets in o rder to transfer
useful g enes fr om A . sterelis into A . nuda, such as high pro tein content, aphid-resistance, rust resistance
and so on. One embryo and 4 seeds with seed-setting rate of 10. 4% w ere obtained. The rate of fer tility o f
F1 plants wa s 48. 1% . The wild-type cha racte ristics o f A . sterelis such a s lemma villi, scar. str ong c rook
aw n etc. w ere shown in F1 plants which clear ly indica ted it′s r ea l hybrid natur e. Chromosome configura-
tions in PMCs of the F1 hybrids we re 0. 94Ⅰ + 7. 32Ⅱ + 11. 74○Ⅱ + 0. 94Ⅲ + 0. 03Ⅳ , show ing the clo se ge-
netic r ela tionship be tween A . nuda and A . sterelis , a nd the genome diffe rention betw een these two species
might only 1-2 pair s o f chromosomes. Iso zyme ana ly sis results manifested tha t lea f esterase pheno type o f
the hybrid was distinct from tha t o f ma ternal pa rent, showing cha racte ristic bands o f pa ternal parent. The
expe riment showed the ev idence that aphid-resistance of A . sterelis could be inherited to h ybrid o ffspring.
Gene transfer from A . sterelis into A . sativa w as proved to be feasible , as chromosome pairing and seed
setting ra te we re fairly high in the F1.
Key words　 oat; Avena. nuda; Avena. sterelis; inter specific cr oss; cy tog enetics ana ly sis
中国燕麦栽培面积约 100× 104 hm2 ,主要分布于内蒙古、河北、山西等省区 (占 70%以
上 ) ,栽培品种 95%以上为莜麦 (又称裸燕麦、中国燕麦 , A . nuda L. 2n= 6x= 42)。 燕麦属
( Avena )有二倍体、四倍体、六倍体物种 [1 ]。二倍体物种有 AA、 CC两种染色体组 (无 B、 D染
⒇ * 国家自然科学基金委员会主任基金项目 ( 39350001)收稿日期: 1998-02-16
色体组 ) ,四倍体物种有 AAAA、 AACC、 AABB等类型 ,六倍体均为 AACCDD。在中国有二
倍体莜麦 ( A. nuda. L. 2n= 14)、四倍体燕麦和六倍体燕麦。中国很可能是燕麦的次生起源
中心、莜麦的起源中心 [2 ]。
对燕麦亲缘关系的现有研究表明 , A. strigosa ( As As)的 A组是现存六倍体的 A染色
体组供体 [3 ] ,而 B、 C、 D染色体组的二倍体及四倍体祖先种均尚未确定 [4, 5 ]。国外对燕麦种质
资源研究较深入 ,通过种间、属间杂交 [ 6, 7] ,对杂种 F1花粉母细胞 ( PMC)减数分裂中期Ⅰ的
染色体配对分析 ,研究物种间的亲缘关系。
燕麦六倍体种间杂交易成功 ,后代大多可育。因六倍体种存在较多的易位、倒位染色体 ,
所以 F1 PMC的中期Ⅰ 常出现一定比例的单价体和多价体 [8～ 10 ]。 除少量有关燕麦裸性遗传
( A. sat iva× A. nuda )研究外 ,燕麦杂交几乎未涉及莜麦这一中国特色群体 ,有关莜麦与野
红燕麦种间杂交、减数分裂中期Ⅰ 染色体配对情况尚未见报道。 中国燕麦育种基础较为单
一 ,对种质基因库中 A. sterelis等近缘物种的利用研究较少。国外的栽培燕麦改良已从野红
燕麦中获取抗冠锈病、抗线虫病、抗白粉病、抗大麦黄矮病 ( BYDV)的抗原 ,有些 A. sterelis
品系还有抗秆锈病、蛋白质含量高、大粒等优点 [1 1, 12]。本研究试图通过莜麦与野红燕麦杂
交 ,对杂种 F1代进行形态特性和细胞遗传学分析 ,在研究这两个物种间亲缘关系的同时 ,将
野红燕麦的有利基因导入莜麦 ,以丰富莜麦遗传资源 ,改良现有栽培品种。
1　材料与方法
1. 1　亲本材料
莜麦 ( A. nuda L. , 2n= 6x= 42, AACCDD) ,山西省农科院牛天堂研究员提供。籽粒蛋
白质含量 15. 9% ,千粒重 23. 2 g。 感燕麦红叶病、锈病。
野红燕麦 ( A. sterelis L. , 2n= 6x= 42, AACCDD) ,南京农业大学卫岗试验地野生。籽
粒蛋白质含量 25. 4% ,千粒重 10. 9 g。 抗冠锈病。
1. 2　杂交方法
杂交于 1994年在南京农业大学卫岗试验地进行。 莜麦在母本开花前 3 d去雄 ,每小穗
留 1～ 2朵小花 ,次日下午授以新鲜野红燕麦花粉 ,杂交两周后检查结实情况。生长衰弱的种
子剥离后在 1 /2 M S或 1 /2 N6培养基上进行幼胚培养 ,生长正常的种子让其自然成熟。
1. 3　细胞学制片
选取处于减数分裂中期Ⅰ前后的花药 ,用酒精 -冰醋酸混合液 (V (酒精 )∶V (冰醋酸 )=
3∶ 1)固定 ,然后在醋酸洋红中压片观察 ,统计中期Ⅰ 染色体构型。
1. 4　酯酶同工酶分析
提取缓冲液: 0. 1 mol /L Tris-HCl ( pH 7. 8) , 10 mmol /L ED TA, 0. 1 mmol /L Vc. ,
167% ( g /L)蔗糖 , 14 mmol /L 2-巯基乙醇。
称取新鲜刚展嫩叶 0. 4 g左右 ,用液氮冷冻研磨后迅速转移至 4倍重量的提取液中 ,搅
匀 ,离心取上清液 ,即为制备好的样品 ,点样量 25μL。
分离胶 ( 190 mm× 110 mm× 1 mm): Tris-HCl ( 0. 3 mol /L , pH 8. 8) 14. 3 mL+ Acr
( 28% ) -Bis( 0. 74% ) 13. 3 mL+ DDW 10. 25 mL+ AP ( 1% ) 0. 6 mL+ TEMED 40μL,总
体积 38. 5 mL。
2 南 京 农 业 大 学 学 报 21卷
在 4℃、恒流 ( 20 mA)条件下电泳 ,当指示剂前沿将抵胶底时停止电泳 ,取下胶块。称
Fast Blue RR Salt 150 mg+ α-N AA 40 mg+ β -N AA 20 mg ,用少量丙酮溶解之后 ,加 Tris-
HCl ( pH 6. 0) 100 mL稀释 ,放入泳动后的胶块 ;染色至适度取出 ,放入体积分数为 7%的
醋酸中过夜。 干制 ,照相。
2　结果与分析
2. 1　杂交结实情况
用野红燕麦做父本给莜麦授粉。杂交小花数为 48朵 ,共获得 1个幼胚和 4粒种子 ,杂交
结实率为 10. 4%。 F1种子播下后 , 2株成活 ,皆能结实 ,自交结实率为 48. 1%。
2. 2　A. nuda× A. sterel is杂种 F1形态特征
杂种 F1植株兼有父母本的典型形态特征。小花梗伸长是莜麦的物种特性 (野红燕麦及
其它燕麦都表现为小花梗不伸长 ) ,杂种 F1的表现与母本莜麦相同 ;而 F1植株更倾向于表
现父本的野生性状 ,例如 ,节部有绒毛、小穗脱落、外稃绒毛较多、芒强且弯曲、种子基部有蹄
口 ,等等 ,这些表型都与莜麦性状有较大差异。 这一方面表明这些野生性状是由显性基因控
制 ,另一方面也证明了杂种的真实性。详细的形态比较见表 1和图 1, 2。
图 1, 2:小穗、节部比较 (从左到右依次为: 莜麦、 A . nuda× A . sterelis杂种 F1、野生燕麦 )。 图 3, 4:杂种
F1中期Ⅰ 染色体构型 (图 3: 1Ⅰ + 5Ⅱ + 14○Ⅱ + 1Ⅲ 。 图 4: 7Ⅱ + 11○Ⅱ + 2Ⅲ )。
Fig. 1, 2: Spikelet ( Fig. 1) and node ( Fig . 2) compa rison among A . nuda, A . nuda× A . sterelis hybrid
F1 , A . sterelis ( fr om left to right ) . Fig. 3, 4: Chromosome configurations a t MⅠ in PMCs o f A . nuda× A . sterelis hybrid F1 ( Fig. 3: 1Ⅰ + 5Ⅱ + 14○Ⅱ + 1Ⅲ . Fig. 4: 7Ⅱ + 11○Ⅱ + 2Ⅲ ) .
34期　 俞　益等: 莜麦与野红燕麦杂交的细胞遗传学研究
表 1　莜麦、野红燕麦及其杂种 F1形态比较
Table 1　Morphological comparison among A. nuda , A. sterelis and their hydrids F1
比较项目
Compa ring item s
莜麦
A . nuda
A . nuda× A . sterelis杂种 F1
Hybrids F1
野红燕麦
A . sterelis
株高 h /cm 150～ 160 135 120～ 130
单株成穗数 Spikes /plant 4～ 6 11或 12 6～ 12
穗型 Spike mo rpho log y 紧密型 Compact 侧散型 Lax 侧散型 Lax
结实率 /% Seed set 87. 2 48. 1 91. 4
小穗 Spikelet 每小穗 3～ 6小花 ,
成熟时不易脱落
3-6 flo re ts /spikelet,
difficult to dr op
每小穗 3～ 5小花 ,成熟时大
部分小穗脱落
3～ 5 flor ets /spikele t, easy to
dr op
每小穗 3～ 4小花 ,
成熟时小穗脱落
3-4 flo rets /spikelet,
easy to drop
外稃 Lammas 草质
With g ra ss nature
第 1小花外稃革质 ,外披较多
长绒毛 ;第 2小花外稃大部分
革质 ,外披极少量绒毛 ;第 3
朵以上小花革质稃少 ,外稃无
绒毛
1st f loret: leather, vi llous; 2nd f lo-
ret: leather, lit tl e vil la; 3rd f loret:
leath er, glabrous
革质 ,第 1, 2朵小花
外稃密披长绒毛。其
余小花无绒毛
With lea th er natur e,
1st and 2nd flo ret:
v illous; other flo-
ret s: glabrous
小花梗 Flow er stalk 伸长 Ex t ended 伸长 Ex tended 不伸长 Non-ex tend-
ed芒 Awn 每小 穗弱芒 1～ 2
根 ,生于第 1, 2朵小
花
1-2 sho rt aw n /
spikelet, o n the 1st
o r ( and) 2nd flo ret
每小穗曲强芒 1根 ,生于第 1
朵小花
One long and cr ooked awn /
spikelet, o n the 1st flor et
每小穗有曲强芒 2
根 ,着生于第 1, 2朵
小花
Two long and crooked
aw n /spikelet, on 1st and
2nd f loret
籽粒 Seed 大粒 ,长形 ,种毛极
少
Large , long and
w ith scarce villa
较长 ,大粒 ,种子外披较密绒
毛
La rge, long w ith some v illa
细长 ,周身密披绒毛
Thin, long and with
much villa
熟期 Mature period 晚熟 La te 中熟 Middle 早熟 Ear ly
叶片 Leaf 叶缘有刚毛 ,叶面极
少量刚毛
Some sting s on the
ma rgin and few on
the leaf
叶缘有刚毛、少量长刺毛 ,叶
面刚毛较多
Few long sting s on the margin
and some on th e leaf
叶缘长刺毛、刚毛较
多 ,叶面刚毛密布
Some sting s on the
marg in and much on
the lea f
叶鞘 Leaf shea th
　
光滑
Smooth
有一些长刺毛
Some tho rns
有较多长刺毛
Many tho rns
茎节部 Node 光滑 Smoo th 少量绒毛 Little villa 密生绒毛 M uch v illa
3. 3　细胞学行为
亲本莜麦和野红燕麦染色体数均为 42条。 观察莜麦 35个中期Ⅰ ( M I)花粉母细胞
( PMC) ,平均每个 PMC有 1. 91Ⅱ + 19. 09○Ⅱ ,具 2Ⅱ + 19○Ⅱ构型的 PMC比例最高 ,占观察
细胞总数的 31. 4% 。观察野红燕麦 19个 M IPMC,平均每个 PMC有 3. 42Ⅱ + 17. 58○Ⅱ ,
4 南 京 农 业 大 学 学 报 21卷
图 5: 杂种 F1后期Ⅰ 出现滞后染色体 ( 3条 )和染色体桥 ( 1个 )。图 6:杂种 F1四分体形成时出现的微核。
图 7: 叶片酯酶同工酶比较 ,箭头 A示莜麦特征带 ,箭头 B示野红燕麦特征带。 (从左到右依次为: 莜麦、
A . nuda× A . sterelis杂种 F1、野红燕麦 )
Fig. 5: AnaphaseⅠ lag ga rds ( th ree) and bridge ( one) in hybrid F1 plant. Fig. 6: Micronuclei in qua rte t
o f hybrid F1. Fig . 7: Leaf estera se iso enzyme compa rison among A . nuda , A . nuda× A . sterelis hybrid
F1 , A . sterelis ( from left to right) , a rrow A show ed char acteristic band o f A . nuda, ar row B show ed
charac teristic band of A . sterelis.
4Ⅱ + 17○Ⅱ构型出现比例最高 ,占观察细胞总数的 26. 3%。说明亲本的纯合度均很高。对亲
本的整个减数分裂各阶段进行观察 ,未发现滞后染色体、染色体桥、微核 ,说明亲本减数分裂
正常。 亲本的染色体组均为 AACCDD。染色体 C分带难以区分这两个物种。
观察莜麦×野红燕麦杂种 F1的 34个 M I PMC,并进行染色体配对构型分析。平均每个
PMC含有 0. 94Ⅰ + 7. 32Ⅱ + 11. 74○Ⅱ + 0. 94Ⅲ + 0. 03Ⅳ , M I染色体构型有 7Ⅱ + 12○Ⅱ +
1Ⅳ、 1Ⅰ + 19○Ⅱ + 1Ⅲ (比例最高 ,占 70. 6% )、 2Ⅰ + 6Ⅱ + 14○Ⅱ、 7Ⅱ + 11○Ⅱ + 2Ⅲ等 (图 3,
4)。减数分裂后期Ⅰ有染色体桥和滞后染色体 (图 5) ,末期Ⅱ也存在滞后染色体 ,四分体形
成时依然可见 ,并逐渐演变成微核 (图 6) ,在有些小孢子中尚能见到微核。根据杂种 F1 PMC
的中期Ⅰ染色体构型 ,其二价体比例占 95%以上 ,表明莜麦与野红燕麦亲缘关系密切 ,仅一
至二对染色体有较大差异。
3. 4　酯酶同工酶电泳结果
双亲的叶片酯酶同工酶谱带有明显差异 ,母本莜麦的带纹 A很深 ,父本野红燕麦的带
纹 B明显 (图 7)。 杂种 F1兼具双亲的特征带 A和 B,说明杂种是真杂种。
3. 5　抗蚜特性
燕麦红叶病是大麦黄矮病毒病 ( BYDV )在燕麦上的一种表现 ,蚜虫是传播大麦黄矮病
的媒体。自小麦植株引入蚜虫繁殖 ( 15只 /盆 ) ,亲本各种 10盆 ,杂种 2盆 ,混和放置。半个月
后观察 ,结果发现莜麦植株受害严重 ,单株蚜虫密度 20～ 90头 ,平均 31. 2头 /株 ;而野红燕
麦、莜麦×野红燕麦杂种 F1植株平均每株不到 1头蚜虫 ,说明野红燕麦有抗虫特性并能遗
传给后代。但是其抗虫性是由于植物体内有抗虫基因 ,还是因为蚜虫对野红燕麦有回避性而
嗜食莜麦尚未确定 ,具体作用机制有待进一步研究。 田间观察与室内试验结果一致 ,即野红
54期　 俞　益等: 莜麦与野红燕麦杂交的细胞遗传学研究
燕麦植株上的蚜虫危害轻 ,而莜麦植株受害严重。因此可根据抗虫特性选育杂种后代 ,使莜
麦获得抗蚜能力 ,从而切断燕麦红叶病传播途径 ,达到防治燕麦红叶病目的。
4　讨　论
莜麦与野红燕麦的杂交亲和性较高 , F1植株生长正常 , PMC减数分裂中期Ⅰ二价体比
例高 ,表明这两个物种的亲缘关系很近 ,利用常规杂交可有效实现基因转移。 二价体比例高
意味着同源染色体发生交换的频率也高 ,发生交换、重组的可能性较大 ,因此有可能迅速导
入目的基因或染色体片段 ,同时排除不良野生性状的干扰 ,达到改良莜麦品种的目的。 本研
究中莜麦与野红燕麦的杂交结实率较低的原因 ,可能是去雄时的机械损伤和杂交期间高温、
干旱的影响 ,因为燕麦生长需水量大 ,开花期对水分敏感 ,缺水易导致不实。从莜麦与野红燕
麦杂交结果看 ,野红燕麦的许多有利性状如抗蚜等均能遗传给 F1 ,但 F1植株也显示了许多
不良野生性状。因而 ,有必要跟踪野生性状的遗传 ,确定它们是否与目的性状连锁及连锁的
紧密程度 ,建立合适的筛选群体 ,选出理想植株 ,消除野生性状的不利影响。
(山西省农科院牛天堂和内蒙古自治区乌盟农科所杨海鹏先生为本研究提供莜麦种子并提出宝贵意见 ,作
者深表谢忱。 )
参　考　文　献
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