全 文 ：　文章编号 :100028551 (2001) 0120001205
外源 DNA 导入普通小麦雄性不育变异体的
花粉母细胞减数分裂观察
杨景成　于元杰　齐延芳　沈法富　刘凤珍
(山东农业大学农学系植物遗传工程实验室　山东 泰安　271018)
摘 　要 :将外源λDNA 导入受体普通小麦品系 814527 ,获得一雄性不育变异体。对该
不育变异体和受体花粉母细胞减数分裂过程进行观察。结果发现 ,不育变异体花粉
母细胞染色体异常比率达到 18 % ,而受体花粉母细胞染色体异常比例为 018 % ,二者
存在明显差异。染色体异常类型主要有单价体、染色体落后、染色体断片、染色体桥、
微核及二分体、四分体异常等。染色体异常可能是外源 DNA 导入受体后 ,整合进受
体染色体中的 DNA 片段影响其正常的遗传过程而造成的。花粉母细胞减数分裂过
程染色体异常可以引起部分花粉败育 ,但不是该变异体败育的主要原因。
关键词 :外源 DNA 导入 ;小麦 ;雄性不育变异 ;减数分裂
收稿日期 :2000203213
作者简介 :杨景成 (1971～) ,男 ,山东沾化人 ,作物遗传育种专业硕士 ,现为山东省农业科学院原子能农业应用研究所助
理研究员
70 年代 ,周光宇从分子生物学的角度探讨植物远缘杂交现象 ,提出了不同植物间 DNA 片
段杂交假说[1 ] ,并设计了外源 DNA 导入的花粉管通道技术[2 ] 。之后 ,外源 DNA 导入逐渐受
到人们的重视和认可 ,发展成为一种可行的生物技术 ,被广泛应用于植物育种当中。至此 ,人
们已将 50 余种供体 DNA 导入棉花、水稻、小麦、大豆、花生、高梁、烟草、白菜、茄子、番茄、杨
树、梧桐等 30 余种作物、蔬菜、林木当中 ,获得了广泛变异。变异涉及株型、叶色、生育期、抗
性、品质、产量构成性状等 30 多个质量性状和数量性状[3 - 9 ] 。但目前未见对雄性不育变异进
行详细研究的报道。我们从遗传学、细胞学、分子生物学的角度 ,对外源 DNA 导入普通小麦
产生的雄性不育变异体进行了较为深入的研究。现将在花粉母细胞减数分裂观察方面所获得
的结果报道如下。
1 　材料与方法
111 　供试材料
普通小麦品系 814527 和雄性不育变异体均由山东农业大学农学系植物遗传工程实验室
提供。
112 　实验方法
在旗叶叶鞘抽出 015～3cm 时期 ,取不育变异体和受体 814527 的花药 ,卡诺固定液 (乙醇
1　核 农 学 报　2001 ,15 (1) :1～5Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
∶氯仿∶冰乙酸 = 6∶3∶1)固定 2～4h ,转入 70 %乙醇中保存。固定花药水洗 ,1N 盐酸 60 ℃水浴
解离 8min ,锡夫试剂染色 1～2h ,45 %醋酸处理 ,压片 ,镜检 ,照相记录。
2 　结果与分析
随机取受体 814527 和不育变异体各 15 株 ,进行花粉母细胞减数分裂观察。
所取 15 株不育变异体花粉母细胞在减数分裂过程中均存在染色体异常现象。而在 15 株
受体中只有 2 株发生染色体异常 ,占观察单株的 1313 %。在所观察的 3510 个不育变异体花
粉母细胞中 ,632 个细胞出现染色体异常 ,占观察细胞的 18 %。而在 1224 个受体花粉母细胞
中只有 10 个表现染色体异常 ,占观察细胞的 018 %(表 1) 。
表 1 　受体 814527 和不育变异体花粉母细胞减数分裂染色体异常比较
Table 1 　Chromosome variation of pollen mother cells of receptor and sterile mutant in meiosis
材　　料
materials
植株
plants
观察数目
No. of plants
observed
染色体异常数目
No. of plants of
chromosome variation
异常率
frequency
( %)
花粉母细胞
pollen mother cells
观察数目
No. of plants
observed
染色体异常数目
No. of plants of
chromosome variation
异常率
frequency
( %)
受　　体
receptor
15 2 1313 1224 10 018
不育变异体
sterile mutant
15 15 100 3510 632 18
花粉母细胞减数分裂染色体异常类型主要有单价体、染色体落后、染色体断片、染色体桥、
微核以及二分体和四分体异常等 (表 2) 。这些异常现象发生在减数分裂中期 Ⅰ和中期 Ⅱ、后
期 Ⅰ和后期 Ⅱ、末期 Ⅰ和末期 Ⅱ。而在前期由于染色体细长而卷曲 ,未发现有异常现象发生。
具体观察结果如下。
表 2 　受体 814527 和不育变异体花粉母细胞减数分裂染色体异常类型和频率
Table 2 　The types and frequencies of chromosome variations of receptor and sterile mutant ( %)
材　　料
materials
中期Ⅰ和中期Ⅱ
metaphase Ⅰand metaphase Ⅱ
单价体
univalent
　
　
落后
chromo2
some
lagging
断片
chromo2
some
fragment
合计
total
　
　
后期Ⅰ和后期Ⅱ
anaphase Ⅰand anaphase Ⅱ
染色体桥
chromo2
some
bridge
断片
chromo2
some
fragment
落后
chromo2
some
lagging
合计
total
　
　
末期Ⅰ和末期Ⅱ
telophase Ⅰand telophase Ⅱ
微核
micro2
nucleus
　
不均衡
分裂
unequal
division
其他
类型
other
types
合计
total
　
　
受　体
receptor
0132 0116 0 0148 0 0 0132 0132 0 0 0 0
不育
变异体
sterile
mutant
3189 2143 1146 7160 5108 2129 1144 8180 0165 0177 0118 1160
2 核　农　学　报 15 卷
图版 Ⅰ
1～17 为不育变异体花粉母细胞减数分裂染色体异常的照片。
1～3 ,10 ,14 ,151 中期Ⅰ单价体和染色体落后 ;4 ,61 后期Ⅰ染色体桥及染色体断片 ;51 后期 Ⅰ染色体落后 ;7 ,111 后期 Ⅰ
微核 ;81 中期Ⅱ单价体 ;91 后期Ⅱ染色体桥及染色体断片 ;121 末期Ⅱ微核 ;13 ,171 末期Ⅱ核穿壁 ;161 后期Ⅱ染色体落后。
Plate Ⅰ
1～17Photographs of chromosome variations of pollen mother cells of male sterile mutant in meiosis
1～3 ,10 ,14 ,151Univalent and chromosome lagging in metaphase Ⅰ; 4 ,61Chromosome bridge and chromosome fragment in
anaphase Ⅰ; 51Chromosome lagging in anaphase Ⅰ; 7 , 111Micronucleus in anaphase Ⅰ; 81Univalent in metaphase Ⅱ;
91Chromosome bridge and chromosome fragment in anaphase Ⅱ;121Micronucleus in telophase Ⅱ;13 ,171Nuclear migration in
telophase Ⅱ;161Chromosome lagging in anaphase Ⅱ.
3　1 期 外源 DNA 导入普通小麦雄性不育变异体的花粉母细胞减数分裂观察
　　(1)中期 Ⅰ和中期 Ⅱ:在这两个时期 ,9815 %的受体花粉母细胞能正常进行减数分裂 ,二价
体整齐地分散在赤道板两侧。只有 4 个细胞中出现单价体 ,2 个细胞中有个别染色体落后。
在不育变异体中大量花粉母细胞出现个别染色体不联合 ,形成单价体 ,同时伴随有一定数量的
染色体断片出现 (图版 Ⅰ21 ,2 ,3 ,10 ,14 ,15) 。这些类型的染色体异常占到各种异常类型的
42 %。
(2)后期 Ⅰ和后期 Ⅱ:受体 814527 只有 4 个花粉母细胞在这两个时期出现染色体落后 ,其
余花粉母细胞同源染色体表现均衡分离 ,未发现异常。不育变异体花粉母细胞则出现多种异
常现象 ,有姊妹染色体单体分离落后 (图版 Ⅰ22 ,5 ,10) ;出现染色体桥 ,包括染色体单桥和染色
体多桥 (图版 Ⅰ24 ,6 ,9) ;同时伴随染色体断片出现 (图版 Ⅰ24 ,9) 。落后的染色体和染色体断
片在后期可以形成微核 ,或随细胞分裂而丢失。这些类型的染色体异常占到 49 %。
(3)末期 Ⅰ和末期 Ⅱ:受体 814527 花粉母细胞在这两个时期各子细胞均衡分离 ,未发现异
常现象。不育变异体花粉母细胞在这两个时期均有微核的形成 ,末期 Ⅱ四分体细胞中有的细
胞细胞核消失 (图版 Ⅰ213) ,还存在细胞核穿壁现象 (图版 Ⅰ213 ,17) 。
3 　讨 　论
311 　雄性不育变异体花粉母细胞减数分裂染色体异常的原因
生物细胞中染色体结构和数目是相对稳定的。但在自然条件下 ,营养、温度、环境等条件
的异常会引起变异。然而 ,自然条件下染色体变异的频率相对较低。外源 DNA 导入受体后
雄性不育变异体花粉母细胞减数分裂过程中染色体异常频率要比正常情况高得多。染色体异
常可能是外源 DNA 导入受体后 ,整合进受体染色体组中的 DNA 片段影响了其正常的遗传过
程而造成的[10 ] 。不育变异体花粉母细胞减数分裂中出现高频率的单价体 ,其原因可能是整合
进变异体染色体组中的外源 DNA 片段抑制了与同源联会有关的基因的正常表达 ,导致部分
同源染色体不能正常联合而形成。单价体的出现可能直接影响到后期 Ⅰ、后期 Ⅱ的染色体落
后。外源 DNA 片段的整合插入可能引起染色体倒位 ,而染色体倒位则产生染色体桥 ,同时产
生染色体断片。单价体和染色体断片在减数分裂后期易形成微核而丢失。
312 　花粉母细胞减数分裂染色体异常与雄性败育
从遗传学的角度讲 ,花粉母细胞减数分裂过程中染色体发生倒位和缺失会造成部分雄配
子体败育。同样 ,减数分裂中一条或几条染色体或染色体断片落后乃至丢失 ,如果它们携带有
与育性有关的基因 ,那么也会引起这部分雄配子败育。研究结果表明 ,18 %的不育变异体花粉
母细胞在减数分裂中染色体发生异常 ,其中中期 Ⅰ和中期 Ⅱ单价体、染色体落后和染色体断片
占 42 % ,后期 Ⅰ和后期 Ⅱ染色体单桥、染色体多桥和染色体断片占 49 % ,二分体和四分体异常
占 9 %。这说明染色体行为异常可导致花粉母细胞部分败育 ,但仍有 82 %的花粉母细胞染色
体表现正常。所以 ,花粉母细胞减数分裂染色体异常不是该不育变异体败育的主要原因。进
一步分子生物学的研究表明 ,该不育变异体雄性败育与叶绿体基因组的改变有关。
4 核　农　学　报 15 卷
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MEIOSIS OBSERVATION OF THE STERILE MUTANT AFTER INJECTION OF
EXOGENOUS DNA INTO WHEAT
YAN G Jing2cheng 　YU Yuan2jie 　Q I Yan2fang 　SHEN Fa2fu 　L IU Feng2zhen
( Plant Genetics Engineering L aboratory , Depart ment of A grinomy of S handong
A gricult ural U niversity , Taian , S handong Prov . 　271018)
ABSTRACT :A male sterile mutant was obtained after injection of exogenousλD NA into wheat
l ine 814527. Meiosis of pollen mother cells( PMC) of the mutant and its receptor( l ine 814527)
were observed. The results showed that the frequency of chromosomal variation of the sterile
l ine was 18 %,and that of the receptor was 018 %. The main types of variation included univa2
lent , chromosome lagging , chromosome fragment , chromosome bridge , micronucleus , abnor2
mal ditrad and tetrad. The fragment of D NA injected into the receptor may influence the normal
genetic process of chromosomes in pollen mother cells , and this may cause variations of chromo2
somes. The chromosome variation in meiosis may cause a part of pollen mother cells to abort ,
but it is not the main cause of abortion.
Key words :exogenous DNA injection ; wheat ; male sterile mutant ; meiosis
5Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2001 ,15 (1) :1～5