全 文 ：第 21 卷　第 2 期　　　　　　　　　　　　　植　　　物　　　研　　　究 2001年　4 月
Vol.21　No.2　　　　　　　　　　　BULLETIN OF BOTANICAL RESEARCH Apr., 　2001
异细胞质小麦与黑麦 、小黑麦杂交对性状和减数分裂行为的影响
刘伟华　王同昌　何聪芬　徐香玲　李集临
(哈尔滨师范大学 , 哈尔滨　150080)
摘　要　本文利用 17种异细胞质“中国春”小麦与黑麦 、小黑麦杂交 、回交 ,研究其性状与减数分
裂行为的表现。首次观察到 D2型 Ae.crassa.4x 细胞质对同源染色体配对有抑制作用 ,对部分同
源染色体配对有促进作用 ,SV 型 Ae.kotschyi细胞质对同源染色体 、部分同源配对均有抑制作用 ,
S l型 Ae.sharonesis细胞质对部分同源染色体配对有促进作用 。还观察到 G 型细胞质 T.timo-
pheevi 、T .zhukovsky i ,D2型细胞质 Ae.crassa可提高产生有功能雌配子数。首次合成 G型 、SV 型 、
D2型细胞质雄性不育的八倍体小黑麦 , D2型细胞质八倍体小黑麦是光敏性雄性不育 ,在 15小时
以上的长光照条件下表现不育 。这对进一步了解异细胞质的作用 、小黑麦杂种优势的利用和小黑
麦的改良均有重要意义。
关键词　小麦;核质代换;染色体配对
Alien Cytoplasmic Effects on Trait Production and Chromosome Behaviors
at Meiosis in Crossing Alloplasmic Wheat with Rye or Triticale
LIU Wei-hua　WANG Tong-chang　HE Cong-fen　XU Xiang-ling　LI Ji-lin
(Harbin Normal Univ ersity , Harbin 150080)
Abstract　17 types of alien cytoplasm were used to study on the allopasmicef fects on chromosome be-
haviors at meiosis in hybrids betw een alloplasmic Trit icum aestivum with rey and triticale.It w as ob-
served that(a)D2-ty pe cy toplasm from Ae.crassa(4x)appears to inhinit the pairing of homologues
and to promote the homoeologue pairing ;(b)S-type cy toplasm from Ae.sharonesis shows the ef fects
of promoting homologous chromosome pairing;(c)G-type cy toplasm from T .timopheevi and T .
zhukovskyi possesses the ability to produce functional female gametes;(d)sv -ty pe cytoplasm from
Ae.kotshyi inhibits pairing of both homologues and homoeologue.Male sterile octoploid triticale lines
with G ,Sv , and D2-ty pe cy toplasm have been synthesized and the male sterility induced by D2-ty pe
cytoplasm is a photosensitive which w as found to be express under daylight more than 15 hors.
Key words:Alloplasmic;Homoeologue pairing.
　　植物细胞质不仅与光合作用 、呼吸作用有关 ,而
且对核控制的某些性状亦有影响 ,如对雄性不育 、花
器结构 、孤雌生殖 、熟期 、生活力等性状的影
响。[ 1～ 5] 。小麦核质代换的不同细胞质对同一核控
制的性状与减数分裂行为影响不同:Jouve[ 6]获得了
具Ae , ovata 、T , timopheevi的六倍体小黑麦 ,观察到
不同细胞质对减数分裂各期的稳定性有一定的影
响。Hsam等[ 7]报道具普通小麦细胞质的六倍体小
黑麦比具有四倍体小麦细胞质的六倍体小麦有更稳
定的减数分裂 。王桂芝等[ 8]对异细胞质八倍体小
黑麦的性状遗传进行了研究 ,发现不同异细胞质对
染色体交叉和染色体配对频率有明显的影响 , B 型
第一作者简介:刘伟华(1964-),女 ,博士研究生教授 ,植物遗传工程
　　收稿日期:1999-10-13
细胞质减数分裂中期 I的环状二价体和染色体的交
叉频率高于其它类型 , D 型次之 , S 、Cu 型最差 。
Nakata
[ 9]发现 G 型的 T , timopheevi细胞质可促进
小麦与黑麦杂交 F1双单倍体的部分同源染色体配
对 ,而 Cu 型 Ae.umbellulata 细胞质则有相反的作
用。Yasumuro[ 10] 观察到具 T.timopheevi 和 S.ce-
reale 细胞质的小黑麦出现高频率的异常四分孢子
和微核。
本文用 17种不同的细胞质“中国春”小麦与黑
麦 、小黑麦杂交与回交 ,研究不同细胞质对性状与减
数分裂行为的影响 ,这对了解不同细胞质的作用 ,小
黑麦杂种优势利用和小黑麦改良具有重要意义。
1　材料与方法
1.1　材料:母本核质代换系“中国春”小麦的 17 种
细胞质类型为:(T .aestivum B)CS(CK),(T .timo-
pheevi G)CS 、(T .zhukovskyi G)CS 、(Ae.speltoides
S)CS 、(Ae.variablis SV)CS 、(Ae.kotschyi SV)CS 、
(Ae.sharonesis S1)CS 、(Ae.bico rnis Sb)CS 、(Ae.
aucheri G )CS 、(Ae.squarrosa D)CS 、(Ae.crassa 4x
D2)CS 、(Ae.crassa 6x D2)CS 、(Ae.juvenalis D2)CS 、
(Ae.vavillovii D2)CS 、(Ae.cylindrica D)CS(Ae.co-
mosa M)CS 、(Ae.heldreichii M)CS 。均引自日本京
都大学农学部常胁教授。父本:“美国黑麦”(RR),
“小黑麦 73”(AABBDDRR),引自中国农科院 。六
倍体小黑麦;“哈师 89-200”(AABBRR),“哈师 89
-208”(AABBRR),“哈师 84-046”(AABBRR),为
本研究室选育。
1.2　方法
1.2.1　杂交方法:用常规捻穗法。杂种 F1 及回交
各代种子 ,干燥后均用 1%双氧水处理 24小时 ,后
置于培养皿中发芽。干瘪种子于 MS培养基上培养
出苗。由于普通小麦与六倍体小黑麦杂交获得的
F1种子不育 ,采用幼胚培养法 ,取授粉后 10 ～ 15天
的幼胚 ,用 0.1%升汞消毒 5 ～ 8 分钟 ,无菌水冲洗 ,
于超净工作台上剥离幼胚 ,接种在 N6培养基上 , 18
～ 25℃下光照培养 ,成苗后移入花盆中 。
1.2.2　细胞学观察方法:减数分裂观察;于上午 9
～ 10时取材 ,卡诺液固定 ,苏木精染色 。取根尖细
胞观察;上午 11 时左右挖取成株根尖 ,洗净 ,置于
0℃的冰水中 24小时后固定 ,洋红或苏木精染色 ,常
规压片 , OLYMPUS —YANOX 显微镜下观察与照
相。
2　结果与分析
2.1　母本 17种不同细胞质“中国春”小麦与黑麦杂
交 、小黑麦复交的实验结果
2.1.1　不同细胞质对 F1 减数分裂的影响;杂交 F1
植株的染色体数为 2N=28 ,包括来自小麦的 21 条
染色体(ABD组)和来自黑麦的 7条染色体(R组),
染色体组构型为 ABDR ,论理上应当是 28 个单价
体。但在 17个杂交组合 F1 植株的花粉母细胞中 ,
均观察到二价体 ,有的出现频率较高 ,还观察到三价
体。在 17个杂交组合中平均每个细胞单价体数为
26.42 ,二价体数为 0.822 ,三价体数为 0.0085。二
价体中棒状二价体数为 0.755 ,多者达 5 个。(图 1
～ 4)。不同细胞质杂交组合间二价体数不同;B 型
T .aestivum 细胞质 F1 植株减数分裂中期 I ,在检查
70个细胞中平均每个细胞单价体数为 26.42 ,棒状
二价体数为 0.757个 ,最多为 5 ,环状二价体数为 0.
029。SV 型 Ae.kotschyi细胞质 F1 植株平均每个细
胞二价体数为 0.477 , S型 Ae.bicornis细胞质 F1 植
株平均每个细胞二价体为 0.259 ,明显低于对照 ,经
t值检测差异显著 ,可能 Sv型 、S型细胞质对部分同
源染色体的配对有抑制作用 。S1 型细胞质 F1 平均
每个细胞二价体数为 2.48 ,明显高于对照 ,差异极
显著 ,多为棒状二价体 ,曾观察到一个细胞中有二个
棒状二价体和二个环状二价体 ,二价体数高者达 6
个 ,D2 型 Ae.juvenalis细胞质 F1平均每个细胞二价
体数为 1.30 、Ae.crassa 4x 细胞质 F1 平均每个细胞
二价体数为 1.00 ,这两种细胞质二价体数均高于对
照 ,经 t值检测差异显著 ,还观察到少数三价体 ,(图
5)推测 S1 型 、D2 型细胞质对部分同源染色体的配
对有促进作用(表 1)
杂种 F1 减数分裂行为不正常 ,中期 I 不形成典
型的赤道板 ,单价体分散在细胞中 ,后期 I 单价体趋
向赤道板 ,但排列不整齐。第二次分裂单价体随机
的趋向一极 ,使四分体的染色体数不等。还出现染
色体桥 、落后染色体 、不均等分离等异常现象 ,在四
分孢子中有大量的微核 ,这是造成花粉败育的主要
原因。在 Sv 型 Ae.ko tschy i、G 型 T .zhukovskyi 细
胞质 F 1 中观察到大量的三分体 ,五分体 ,六分体以
及线形 、“T”形排列的四分体。
杂种 F1 植株自交均表现不育 ,花药用 I —KI 染
色不着色 ,花粉粒无内含物。
2.1.2　F1 植株与八倍体小黑麦“小黑麦 73”复
交的表现;由于 F1 是双单倍体自交不结实 ,用八倍
体小黑麦复交 ,既可以检测大孢子母细胞中出现非
减数配子的频率 ,也可以获得少量结实的种子 。结
果表明;在 17个杂交组合中有 12个组合结了少量
的种子 ,4 个组合完全不结实(授粉小花数平均为
2232 期　　　　　　　　　刘伟华等:异细胞质小麦与黑麦 、小黑麦杂交对性状和减数分裂行为的影响
588个),结实率最高的是 T.timopheevi细胞质为 3.
73%,低的是 T.aestivum 细胞质为 0.163%。12 个
结实的组合平均结实率为 0.857%,种子发芽率为
41.11%。复交一代植株与八倍体小黑麦相似 ,生活
力趋向正常 ,检查根尖细胞的染色体数 ,在 6个复交
一代组合 33 株中有 11株为 2N =56 ,占 33.33%,
其它植株染色体数多变动在 49 ～ 55 间。因此复交
植株是母本大孢子母细胞产生的非减数配子和染色
体数接近 28的雌配子与复交亲本八倍体小黑麦的
雄配子结合发育而来的。复交一代植株花粉母细胞
的减数分裂行为不正常 ,中期 I 二阶体数变动在 21
～ 28间 ,有大量的棒状二阶体和单价体 。后期出现
染色体桥 、落后染色体 、不均等分裂等异常现象 ,四
分孢子中亦有大量的微核 ,花粉粒多数不正常 ,表现
畸形 ,无内含物等。
　　表 1 不同细胞质杂种 F1的染色体配对情况
Table 1 Chromosome pairing at meiosis in hybrid F1 of
alloplasmic ”Chinese Spring” crossed with rye.
细胞质类型
Cy toplasm
Type
观察细胞数
No.of
observ ed cells
单价体数
Ⅰ
二价体总数
Ⅱ
棒状二价体数
Ⅱ
状二价体数
Ⅱ
三价体
Ⅲ
T.aestivumB 70 26.42 0.786 0.757 0.029 0
T.timopheeviG 64 26.00 1.000 0.953 0.047 0
T.zhukovskyiG 50 26.54 0.700 0.700 0 0.02
Ae.speltoidesS 43 25.66 0.697 0.628 0.069 0
Ae.variablisSv 65 26.45 1.000 1.0000 0.015 0
Ae.kotschyiSv 42 27.05 0.477 0.429 0.048 0
Ae.sharonesisS1 45 23.00 2.760 2.200 0.280 0.022
Ae.bicornisS 54 27.48 0.259 0.259 0 0
Ae.AucheriG 49 26.59 0.674 0.653 0.021 0
Ae.squarrosaD 59 26.37 0.815 0.815 0 0
Ae.crassa 4xD 55 26.00 1.000 0.964 0.036 0
Ae.crassa 6xD 56 26.43 0.838 0.838 0 0
Ae.juvenalisD 50 25.30 1.300 1.180 1.210 0.022
Ae.vaviloviiD2 65 26.10 0.971 0.950 0.016 0
Ae.cy lindricaD 65 26.66 0.538 0.532 0.015 0.015
Ae.comosaM 70 26.22 0.643 0.643 0 0
Ae.he tdrchiiM 50 26.20 0.624 0.580 0.040 0
　　复交一代植株继续与八倍体小黑麦回交 ,结实
率有所提高 ,植株形态表现为八倍体小黑麦 ,减数分
裂行为趋向正常 。新合成的不同细胞质八倍体小黑
麦随着回交代数的增加育性出现差异 ,在 G 型(T .
timopheevi t.zhukovskyi)、D2 型(Ae.crassa Ae.juve-
nalis)细胞质回交的后代中均出现完全的雄性不育
植株 ,获得 G 型 、Sv 型 、D2 型细胞质雄性不育的八
倍体小黑麦 。在生育期上 M 型(Ae.heldreichii Ae.
comosa)细胞质的杂交组合 , 明显的比回交亲本延
迟 ,熟期可比回交亲本延长两周左右。
2.2　不同细胞质“中国春”与六倍体小黑麦杂交的
结果 。
2.2.1不同细胞质“中国春”(AABBDD)与六倍体小
黑麦 84-200杂交 F1 的减数分裂行为;异细胞质
“中国春”(AABBDD)与六倍体小黑麦“ 84 -200”
(AABBRR)杂种 F 1 有两组相同的染色体组和两组
不同的染色体组 ,染色体组型理论上应当是 AABB-
DR(14 II+14I)。不同细胞质的杂交组合间二价体 、
单价体数有差异 ,(图 6)反映不同细胞质对杂种 F1
减数分裂行为有影响(表 2)。
2.2.2　不同细胞质 F1 与亲本杂交的减数分裂
行为:为了提高杂种的结实率 ,选育不同细胞质的六
倍体小黑麦 ,将不同组合的杂种 F1与亲本回交 ,回
交当代 6 个组合平均结实率为 34.33 ,种子萌发率
平均为 39.22 ,不同细胞质间差异较大。BC1 的性
状表现 ,倾向六倍体小黑麦 ,不同细胞质间的差异主
224 　　　　　　植　　物　　研　　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　21 卷
要表现在育性 、雄蕊雌化 、生育期长短上 。减数分裂
中期 I ,二价体数变动在14 ～ 15间 ,回交2代二价体
数变动在 18 ～ 19间 ,回交 3代 ,二阶体数变动在 20
～ 21间(图 7 ～ 8),回交 4代 ,二价体数多为 21。从
中选育出不同细胞质的六倍体小黑麦。G 型细胞质
六倍体小黑麦有的是不育的 ,有的是可育的 ,不育类
型花粉多于二核期败育。D2 型细胞质六倍体小黑
麦也获得可育的与不育的两个类型 ,不育的是长光
照敏感性雄性不育 ,对 15小时以上长光照反应敏
感 ,不育类型多表现雄蕊雌化 ,无花粉粒或花粉粒败
育上。SV 型细胞质六倍体小黑麦由于 1R上有 SV
型细胞质雄性不育的保持基因 ,因此表现雄性不育 。
　　表 2 不同细胞质“中国春”小麦与六倍体小黑麦杂交 F1减数分裂行为
Table 2 Meiotic behaviors of F1 in crossing
alloplasmic “Chinese Spring” with hexaploid triticale “Hashi84-200”
细胞质类型
Cy toplasm
type
二价体数
Ⅱ
范围
range
CV
% t值
单价
体数
Ⅰ
范围
range
CV
% t值
T.aestivum B 13.28 11 ～ 14 8.73 15.52 14～ 20 15.93
T.zhukovskyi G 13.43 10 ～ 15 8.94 0.691 15.15 12 ～ 22 15.84 1.384
Ae.speltoides S 13.17 12 ～ 15 8.81 0.655 14.20 12 ～ 19 15.77 0.877
Ae.kotschy i SV 12.24 9 ～ 14 11.11 4.380 17.60 14 ～ 24 15.91 4.113
Ae.crassa4x D2 12.63 9 ～ 14 11.52 1.991 16.55 14 ～ 24 18.45 2.095
Ae.comosa M 13.10 10 ～ 14 7.40 0.975 15.70 14 ～ 24 12.61 0.898
　　观察细胞数:40 , t0.05=1.989 t0.01=2.638
3　讨论
3.1　不同细胞质对性状的影响
Kihara、Maan 、Tsunewaki[ 1 ～ 5]研究小麦不同细
胞质对核质代换系性状的影响 ,发现不同细胞质可
引起雄性不育 ,花器变异 ,孤雌生殖 ,发育延迟 ,生长
弱化 ,花斑叶等 。本项研究用不同的细胞质“中国
春”小麦与黑麦杂交 ,F1 是双单倍体 ,核基因组是相
同的 ,仅细胞质有差异 ,观察到不同细胞质 F1 性状
表现不同 ,有的经 t值检测差异显著 ,在 D2 型细胞
质中出现雄蕊雌化现象 ,M 型细胞质使生育期延长
12 ～ 15天 。G 型 D2 型 SV 型细胞质均出现完全不
育株。细胞质对性状的影响有的是细胞质作用 ,如
不同细胞质在同一核条件下出现的性状差异:有的
是核质互作的 ,如同一细胞质在不同核的条件下表
现的性状差异 ,例如 SVV型细胞质在核内具有 1R条
件下表现雄性不育 ,在无 1R条件下表现可育 。也
有的是细胞质 、核与环境条件三者共同作用的结果 ,
如 D2型细胞质“中国春”小麦是可育的 ,与“小黑麦
73”核代换 ,在每天 15小时以上的光照条件下表现
雄性不育 ,而在 14小时以下的光照条件下表现可育
,因此细胞质对性状的影响是复杂的。受核与环境
条件的影响较大 。
3.2　不同细胞质对减数分裂行为的影响:
Nakata 、Panayotov 、王桂芝等[ 9 , 11 ,8]均观察到不
同细胞质对减数分裂的影响 ,认为 G 型细胞质可促
进部分同源染色体配对 、CU 型细胞质可抑制部分同
源染色体配对.本实验用 17 种不同细胞质“中国
春”小麦与黑麦杂交 ,发现 S1 型 Ae.sharonesis 、SV
型 Ae.variablis 、D2 型 Ae.juvenalis 、Ae.crassa4x 二
价体数均高于 B型 T.aestivum ,经 t值检验差异显
著 ,说明上述 4种山羊草细胞质对部分同源染色体
配对有促进作用 ,而 Sb 型 Ae.bicornis的二价体数
明显低于 B型细胞质 ,对部分同源染色体配对有抑
制作用。在 6种不同细胞质“中国春”小麦与六倍体
小黑麦“84—200”杂交 , F1 植株的减数分裂中期 I ,
SV 型 Ae.kotschyi和 D2 型 Ae.crassa细胞质的二价
体数比对照 B 型 T.aestivum 细胞质的二价体数明
显减少 ,说明这两种山羊草细胞质对部分同源染色
体配对有抑制作用。细胞质影响同源染色体或部分
同源染色体配对 ,推测是异细胞质影响 pH 基因表
达的结果 。
3.3　不同细胞质对 F 1产生有功能雌配子的影响:
我们发现不同细胞质“中国春”小麦与黑麦杂
交 ,杂种 F1 植株产生有功能的雌配子数 ,有的明显
比对照 B型 T .aestivum 高 ,如 G型细胞质 T .timo-
pheevi产生有功能雌配子数为 3.73%, (对照 B 型
为 0.163%)T .zhukovskyi产生有功能雌配子数为
1.09%,D2 型细胞质 Ae.juvenalis产生有功能雌配
2252 期　　　　　　　　　刘伟华等:异细胞质小麦与黑麦 、小黑麦杂交对性状和减数分裂行为的影响
子数为 1.51%,Ae.crassa.6x 产生有功能雌配子数
为 1.01%,经 t值检验差异均显著;有的比对照低 ,
如SV 型 Ae.speltoides细胞质产生有功能雌配子数
为 0 , 王桂芝[ 8] 、王铁邦[ 12] 亦曾看到类似的现象 。
这可能是某些细胞质对产生非减数配子有影响。
3.4　不同细胞质的八倍体小黑麦 、六倍体小黑麦选
育;
用 17种不同细胞质“中国春”小麦与黑麦杂交 ,
F 1再与八倍体小黑麦复交与连续回交 , 已选育出
D 、S 、SV 、G 、D2 、M 型细胞质八倍体小黑麦 ,在 G 、
SV 、D2 型细胞质中均获得雄性不育系 , D2 型细胞质
是光敏性雄性不育 ,在 15 小时以上的长光照条件
下表现不育 ,在 14 小时以下的光照条件下表现可
育。用 6种不同的细胞质“中国春”小麦与六倍体小
黑麦杂交与回交 ,已选育出 G 、D2 型细胞质雄性不
育的六倍体小黑麦 , D2型细胞质雄性不育株亦为光
敏性雄性不育。异细胞质小黑麦的获得 ,对小黑麦
杂种优势的利用与小黑麦的改良具有重要意义。
参　考　文　献
1.Kihara ,H;Cytologia , 1951 , 16:177～ 193.
2.Kihara ,H;Cytologia, 1981 , 47:435 ～ 450.
3.Maan , S , S;Proc 5th Int , Whea t , Gene t , Symp.1978 , 135 ～
140.
4.Tsunew aki.k;Japan.Soc.Prom.Sci.Tokyo.1980 , 159 ～
237.
5.Tsunew aki.k;Jap.J.Gene t.1984 , 59:215 ～ 224.
6.Jouve.N;Cereal Research Communications.1978 , 6(3):235
～ 241.
7.Hsam.S.et al.Can.J.Genet.Cy to.1974 , 16:333 ～ 340.
8.王桂芝 ,李集临等.异细胞质八倍体小黑麦的获得及其
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9.Naka ta , N.e t al.J.Fac.Agri.To ttori.Univ.1985 , 21:1 ～ 9.
10.Yasumuro , Y.J.Fac.Agri.Tottori.Univ.1984 , 20:1～ 7.
11.Panayo tov , L.Proc.6th.I nt.Wheat Genet.Symp.1983 , 481
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12.王铁邦 , 李集临等.异细胞质中国春与八倍体小偃麦杂
交的细胞遗传研究.遗传学报 , 1992 , 19(1):39～ 46.
图　版　说　明
1(Ae.ko tschyi)cs×Rey F1:28Ⅰ
2(Ae.crassa 4X)cs×Rey F 1:20Ⅰ +4Ⅱ
3(T.timopheevi)cs×Rey F 1:20Ⅰ +1Ⅱ+3Ⅱ
4(Ae.sharonesis)cs×Rey F1:20Ⅰ +2Ⅱ+2Ⅱ
5(Ae.juvenalis)cs×Rey F1:17Ⅰ +3Ⅱ+1Ⅱ+1Ⅲ
6(T.aestivum)cs×Hashi84-200Rey F1:10Ⅰ +10Ⅱ+6Ⅱ
7(Ae.crassa)cs×Hashi84-200 F1:10Ⅰ +15Ⅱ+6Ⅱ
8(T.zhukovskyi)cs×Hashi84-200 F1:6Ⅰ +19Ⅱ+1Ⅱ
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