全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 052351205
辐照花粉对小麦与中间偃麦草杂交
及其胚胎发育的影响
李桂英1 　王琳清2 　施巾帼2
(11 中国农业科学院作物科学研究所Π农业部核技术与航天育种重点开放实验室 ,北京 100081 ;
21 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京 100094)
摘 　要 :用γ射线辐照中间偃麦草散粉期的穗 ,用其花粉授予普通小麦“J211”和“中国春”,研究
不同剂量辐照花粉对普通小麦与中间偃麦草杂交结实率、杂交种子含胚率、杂种幼胚培养和杂
种幼苗获得率的影响。结果表明 ,5～9Gy 低剂量γ射线略提高了中国春 ×中间偃麦草的结实
率 ,表现出低剂量辐射的刺激效应 ,但对 J211 ×中间偃麦草却未表现出刺激效应。所有剂量的
辐射对杂种幼胚均有伤害作用 ,杂交种子含胚率、杂种幼胚成苗率随剂量增加而下降。30Gy
处理时有 1219 %～1415 %的杂种幼胚发育成了植株 ,但该剂量应用到小麦中难以获得后代。
在 50～100Gy 高剂量γ射线处理杂交种子胚发育不良 ,通过幼胚培养未能得到植株。将花粉
辐照技术与幼胚拯救技术、花药培养技术有效结合 ,可以快速获得突变体 ,提高诱变育种效率。
关键词 :普通小麦 ;中间偃麦草 ;辐照花粉 ;胚胎发育 ;幼胚拯救
收稿日期 :2005202202
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (39770457)
作者简介 :李桂英 (1964 - ) ,河北卢龙人 ,博士 ,副研究员 ,从事诱变遗传育种研究。Tel : 010 68918601 ; Email :liguiying @caas. net . cn
EFFECT OF POLLEN IRRADIATION ON HYBRIDIZATION OF WHEAT AND
Eltrigia Intermedia AND THEIR EMBRYO DEVELOPMENT
LI Gui2ying1 　WANGLin2qing2 　SHI Jin2guo2
(1 , Key Laboratory of Agricultural Nuclear Technology &Aerospace Breeding , Ministry of AgricultureΠ
Institute of Crop Sciences , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing , 100081 ;
2 , Institute for Application of Atomic Energy , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing , 100094)
Abstract :Spikes of Eltrigia intermedia were radiated with 5～100Gyγ2ray during anthesis , and then their pollens
were collected to pollinate to the common wheat“J211”and“Chinese Spring”. The effects of pollen irradiation on
the seed setting , embryo development , embryo culture and plantlet rate were studied. The results showed that low
dose (5～9Gy) of irradiation enhanced the seed setting for Chinese spring ×E. intermedia , but no such effect for
J211 ×E. intermedia. Irradiation with all doses damaged embryo development , percentage of seeds with embryos ;
rate of immature hybrid embryos developing into plantlets decreases with the increased doses. Percentage of seeds
with abnormal embryos increased significantly with the doses. 1219 %～1415 % of embryos could develop into
plants in 30Gy treatment , which seldom occur to wheat . Embryos in 50Gy～100Gy treatments were affected so
serious that even none of them could develop into plants in vitro culture. It may be an effective approach to
obtaining more mutants and enhancing induced mutation breeding by using combination of pollen irradiation ,
immature embryo rescue and anther culture of the resultant progenies.
Key words :wheat ; Eltrigia intermedia ; irradiated pollen ; embryo development ; embryo rescue
中间偃麦草耐盐 ,适应性广 ;对小麦的叶锈、条锈、杆锈、白粉等多种病害免疫 ,对黑穗病、叶枯病和
153　核 农 学 报　2005 ,19 (5) :351～355Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
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根腐病、条纹花叶病等高抗 ,且是大麦黄矮病的良好抗源。中间偃麦草能与小麦杂交。因此 ,通过杂交
将中间偃麦草优良基因转移到小麦已成为小麦遗传改良的有效途径之一[1 ,2 ] 。
辐照花粉杂交类似于不对称体细胞杂交[3 ] ,由于父本的许多性状在 M1 代或 M2 代丧失 ,辐照花粉
后代常出现偏母分离现象 ,育种中减少回交次数[4～6 ] 。另外 ,由于射线有可能将基因的紧密连锁打破 ,
在 M1 或 M2 代中找到用通常的回交难以得到的优良组合。因此 ,将辐照花粉技术应用到中间偃麦草有
益基因转移中 ,将会提高其有益基因利用效率。
辐照花粉诱变育种通常是用经过辐照的花粉授粉后得到的种子直接播种。由于花粉对辐射较为敏
感 ,经过辐照的花粉获得的胚的发育受到很大影响 ,使所得的种子发芽困难[7～11 ] 。所以要得到一定数量
的处理后代 ,需要降低辐照剂量 ,或者加大处理种子量。但处理剂量小时 ,损伤小 ,突变几率也小 ,处理
剂量稍大则容易导致后代低发芽率。如果利用辐照花粉、结合幼胚离体培养技术 ,淘汰正常幼胚 ,专门
拯救受损伤的幼胚可能会得到更多的突变体。
本文研究了辐照花粉对小麦与中间偃麦草杂交结实率、杂种胚胎发育、幼胚培养的影响 ,以及幼苗
获得率的剂量效应 ,为提高辐照花粉促进中间偃麦草有益基因转移的效率提供依据。
1 　材料与方法
111 　材料
普通小麦“J211”和“中国春”(CS) ,中间偃麦草 (Z1141) 。
112 　方法
11211 　花粉辐照、授粉与 2142D 处理 　取散粉期中间偃麦草穗在中国农业科学院原子能利用研究所标
准60 Coγ射线辐照室进行辐照。辐照剂量为 5、9、15、30、50 和 100Gy ,剂量率为 0186GyΠmin。以未经辐照
的为对照。经处理的穗子散粉后取花粉授予提前 1～2d 人工去雄的母本小麦 ,授粉约 115h 后向茎秆中
注入 015mgΠL 2142D。
11212 　解剖观察幼胚发育情况　授粉后 12～15d 逐一解剖种子 ,以正常的种子胚、胚乳为对照 ,幼胚形
状有明显畸形的计为畸形胚 ,胚乳组织结构明显异常的计为异常胚乳。
11213 　幼胚离体培养　解剖出的杂种幼胚于 MS 基本培养基中培养 ,1 个月后观察培养结果。
113 　计算
杂交结实率 = (结实种子数Π授粉小花数) ×100 % ;杂交种子含胚率 = (含胚种子数Π解剖种子数) ×
100 % ;杂种幼胚培养成苗率 = (幼胚培养获得幼苗数Π培养幼胚数) ×100 % ;杂种幼苗获得率 = (幼胚培
养获得幼苗数Π授粉小花数) ×100 % = 杂交结实率 ×杂交种子含胚率 ×杂种幼胚培养成苗率。
2 　结果与分析
211 　花粉的辐照对小麦 ×中间偃麦草杂交结实的影响
未经辐照的中间偃麦草花粉授予普通小麦“J211”和“中国春”后 ,所结种子胚发育完善 ,能正常成
熟。“J211”在人工去雄授粉的情况下 ,结实率达到 9212 % ,接近正常结实。当用 5 和 9Gy 辐照中间偃麦
草花粉时 ,结实率与对照相比略有降低 ,没有表现出低剂量的刺激效应 ,这可能是因为“J211”本身有 4
对隐性可交配基因 ( kr1 、kr2 、kr3 、kr4 ) ,与中间偃麦草非常容易杂交。当辐照剂量达到 15 Gy 时 ,结实率
显著降低 1315 个百分点 ;当辐照剂量达到 30～100Gy 时 ,结实率降至 6515 %～5517 % ,降幅 2617～3615
个百分点。由于“中国春”比“J211”少一对 kr 基因 ,其对照的结实率低于“J211”,为 7316 %。5 和 9Gy 射
线辐照中间偃麦草花粉结实率略有提高 ,表现出低剂量射线的刺激效应。当辐照剂量大于 15Gy 时 ,结
实率降低趋势与“J211”类似。
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表 1 　花粉的辐照对小麦 ×中间偃麦草杂交结实率的影响
Table 1 　Effect of pollen irradiation on embryo development of wheat ×E. intermedia
组合
crosses
结实性
seed setting
剂量 dose ( Gy)
0 5 9 15 30 50 100
J211 ×中间偃麦草
J211 ×E. intermedia
中国春×中间偃麦草
Chinese Spring ×
E. intermedia
小花数 No. of florets pollinated 90 61 128 267 148 122 149
结实数 No. of seeds 83 56 115 210 97 77 83
结实率 seed setting( %) 9212 9118 8918 7817 6515 6311 5517
小花数 No. of florets pollinated 87 115 209 206 286 207 140
结实数 No. of seeds 64 87 165 139 191 119 60
结实率 seed setting( %) 7316 7517 7819 6715 6618 5715 4219
212 　辐照花粉对小麦 ×中间偃麦草杂种胚胎发育影响
授粉后 12～15d 后 ,解剖杂交种子 ,将种子按照胚和胚乳发育情况统计见表 2。
表 2 　辐照花粉对普通小麦 ×中间偃麦草杂种胚胎发育影响
Table 2 　Effect of pollen irradiation on embryo development of wheat ×Eltrigia intermedia
组合
crosses
剂量
dose
( Gy)
解剖
种子数
No. of
dissected
seeds
含胚种子
Seeds with embryos
胚正常种子
seeds with
normal embryos( %)
胚异常种子
seeds with
abnormal embryos( %)
胚乳正常
NE 3 胚乳异常AE 33 合计total 胚乳正常NE 胚乳异常AE 合计total 含胚种子合计total ofseeds withembryos( %) 无胚种子seeds without embryos正常胚乳NE( %) 无或异常胚乳AΠOE( %) 合计total( %)
J211 ×
中间偃
麦草
J211 ×
E. inter2
media
中国春×
中间偃
麦草
Chinese
Spring
×E. inter2
media
0 (CK) 25 10010 010 10010 010 010 010 10010 010 010 010
5 49 7916 1212 9118 210 611 811 10010 010 010 010
9 108 4514 2519 7113 218 1914 2212 9315 119 416 615
15 75 2010 2913 4913 410 2913 3313 8216 113 1610 1713
30 219 317 416 813 114 4616 4810 5613 010 4318 4318
50 102 010 010 010 010 1916 1916 1916 010 8014 8014
100 110 010 010 010 010 614 614 614 010 9316 9316
0 (CK) 55 10010 010 10010 010 010 010 10010 010 010 010
5 20 9010 1010 10010 010 010 010 10010 010 010 010
9 130 7311 1115 8416 1018 311 1319 9815 018 018 116
15 136 3318 219 3617 714 3812 4516 8213 017 1619 1716
30 198 015 115 210 215 4119 4414 4614 010 5316 5316
50 163 010 010 010 010 1616 1616 1616 010 8314 8314
100 101 010 010 010 010 919 919 919 010 9011 9011
Note :NE stands for normal endosperm ; AE stands for abnormal endosperm ; AΠOE stands for abnormal or without endosperm.
　　用未经辐照的中间偃麦草花粉授粉“J211”和“中国春”,所得种子的胚和胚乳均发育正常。
辐照后授粉 ,杂交种子含胚率随辐照剂量的升高而下降 ,异常胚、胚乳的比率随辐照剂量的增加而
增加 ,且辐照剂量越大胚的发育越差。
对于“J211”ד中间偃麦草”,当用 5Gy 辐照中间偃麦草花粉时 ,所得种子均含有胚 ,其中 9118 %的
种子胚发育正常 ,811 %的种子胚发育异常 ;胚、胚乳均正常的种子占 7916 % ,胚正常、胚乳异常的种子占
1212 % ,种子胚和胚乳均异常的占 611 %。
当用 9Gy 时 ,含胚种子占 9315 % ,但胚正常种子的比率显著下降 ,为 7113 % ,胚异常种子比率上升
到 2212 % ,615 %的种子无胚 ;胚、胚乳均正常的种子的比率降到 4514 % ,下降 5416 个百分点 ,胚正常、胚
乳异常的种子的比率上升到 2519 %。
当辐照剂量为 15Gy 时 ,含胚种子比率 8216 % ,胚正常种子显著下降 ,为 4913 % ,胚异常种子比率上
升到 3313 % ,1713 %的种子无胚 ;胚、胚乳均正常的种子的比率显著降低 ,降到 2010 % ,胚正常、胚乳异常
的种子的比率上升到 2913 %。
353　5 期 辐照花粉对小麦与中间偃麦草杂交及其胚胎发育的影响
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当辐照剂量为 30Gy 时 ,含胚种子比率 5613 % ,比 5 和 9Gy 处理显著降低 ,胚正常种子的比率下降为
813 % ,胚异常种子比率增加到 4810 % ,无胚种子的比例提高到 4318 % ;胚、胚乳均正常的种子只有
317 %。当辐照剂量为 50Gy 以上时 ,只有 1916 %～614 %的种子含有胚 ,所有种子幼胚发育极差 ,或者没
有胚乳 ,或者胚乳极度异常。中国春 ×中间偃麦草的情况与 J211 ×中间偃麦草类似。
213 　不同剂量γ射线辐照花粉获得的幼胚的离体培养结果
经不同剂量γ射线辐照花粉获得的幼胚培养的结果见表 3。
表 3 　不同剂量γ射线辐照花粉获得幼胚的离体培养结果
Table 3 　Culture effect on immature hybrid embryo recovered after pollination
with irradiated Eltrigia intermedia pollens by r2ray irradiation
剂量
dose
( Gy)
组合 crosses
J211 ×中间偃麦草 J211 ×E. inter 中国春×中间偃麦草 Chinese Spring ×E. inter
培养胚数
No. of
embryos
cultured
成苗率
rate of embryos
developing to
plantlets ( %)
仅胚根或胚芽
rate of
embryos only
radicle or plumule
developed( %)
未萌发胚
rate of embryos
ingeminated
( %)
培养胚数
No. of
embryos
Cultured
( %)
成苗率
rate of embryos
developing to
plantlets( %)
仅胚根或胚芽
rate of embryos
only radicle or
plumule
developed( %)
未萌发胚
rate of
embryos
ingeminated
( %)
0 (CK) 25 8810 1210 010 29 8218 1712 010
5 40 7510 2510 010 40 6010 4010 010
9 88 4819 4312 719 136 4711 4711 518
15 64 3113 4212 2615 97 3611 3511 2819
30 124 1219 2117 6514 76 1415 2214 6312
50 13 010 717 9213 24 010 412 9518
100 3 010 010 10010 6 010 117 9813
　　J211 ×中间偃麦草 (对照) 8810 %幼胚发育成正常植株 ,即成苗率 8810 % ,但随着辐照剂量的增加 ,
成苗率逐步下降。5Gy 处理时 ,所有幼胚均能萌发 ,但成苗率为 7510 % ,2510 %的胚只有胚芽或胚根发
育 ,说明即使低剂量处理 ,也使胚芽或胚根的发育受到影响 ,而导致胚不能发育成正常植株 ,使成苗率显
著下降。当 9 Gy 处理时 ,9211 %的幼胚能够萌发 ,但成苗率显著下降到 4819 % ,4312 %的幼胚只有胚芽
或胚根发育。当 15Gy 处理时 ,幼胚萌发率降至 7315 % ,成苗率显著下降到 3113 % ,4212 %的幼胚只有胚
芽或胚根发育。当 30Gy 处理时 ,幼胚萌发率降至 3416 % ,成苗率显著下降到 1219 %。当 5～100Gy 时 ,
9213 %～100 %的幼胚不能够萌发。中国春 ×中间偃麦草有类似的结果。
214 　幼苗获得率的剂量效应
图 1 　小麦 ×中间偃麦草杂种幼苗获得率的
剂量效应曲线
Fig. 1 　Dose effect curves of rate of plantlets
acquired in crosses between wheat
(J211 and Chinese spring) and E. intermedium根据杂交结实率、种子含胚率和幼胚成苗率计算出不同处理杂种幼苗获得率 ,即每杂交 100朵小花通过幼胚培养获得幼苗的百分率 ,并得到杂种幼苗获得率的剂量效应曲线 (图 1) 。由表 4 可见 ,对于J211 和中国春 ,幼苗获得率均随辐射剂量增加而下降。未经辐射的对照杂种幼苗获得率为 8111 % (J211) 和 6019 % (中国春) ,9Gy 处理幼苗获得率下降接近 50 % ,30Gy 时幼苗获得率只有 415 %～418 % ,50Gy 以上未获得杂种幼苗。在辐射育种中 ,通常以半致死剂量作为适宜辐射剂量 ,如种子发芽率降低 50 %的剂量。从图 1 看出 ,若辐照花粉与幼胚培养结合 ,杂种幼苗获得率降低约 50 %的辐射剂量是 9Gy。
453 核　农　学　报 19 卷
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3 　讨论
辐照花粉对胚胎发育的影响的研究结果 ,对于有效利用辐照花粉技术进行诱变遗传改良具有重要
的指导意义。低剂量辐照花粉常常能提高远缘杂交结实率[4 ,12 ,13 ] 。李桂英等[12 ,14 ] 利用 9Gyγ射线辐照
窄颖赖草花粉可明显提高普通小麦 J211 和中国春与窄颖赖草的杂交结实率 ,而未能促进没有可交配基
因的新疆小麦与窄颖赖草间的杂交。本研究中 5～9Gy 辐射略提高了中国春 ×中间偃麦草的结实率 ,表
现出低剂量辐射的刺激效应。但对于结实性很好的 J211 ×中间偃麦草组合 ,却没有表现出低剂量的刺
激效应。这些研究结果说明低剂量辐射刺激效应的表现与处理对象的遗传背景有关。本研究还表明 ,
无论遗传背景如何 ,所有剂量的辐射花粉对胚胎发育均有损伤效应 ,而且剂量越大损伤越大。在育种实
践中 ,若能充分利用辐射的损伤效应 ,可以有效提高诱变遗传改良的效率。
γ射线辐照小麦成熟花粉进行诱变的适宜剂量为 10～20Gy[15 ] 。李新华等[11 ] 用 5～30Gy 不同剂量
的60 Coγ射线辐照 4 个小麦品种的成熟花粉 ,通过对 M1 代的生理损伤和 M2 代的诱变效应综合分析认
为 ,10Gy 是处理成熟小麦花粉的适宜诱变剂量。李桂英等[12 ,14 ]利用 9Gy 辐照窄颖赖草花粉诱发产生了
明显的染色体数目与结构变异。为了获得一定规模的诱变群体 ,研究中一般采用半致死剂量处理诱变
材料[15 ] 。如果将辐照花粉技术与幼胚拯救技术结合 ,原来不能成苗的胚通过幼胚可以获得幼苗 ,因此 ,
当采用幼胚拯救技术时 ,可适当提高诱变剂量 ,也可获得足够的选择群体 ,但较高剂量处理是否能够提
高诱变效率有待进一步研究。
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