全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2002) 04-0258-07
加拿大披碱草×披碱草杂种 F1的生育
及细胞遗传学研究
于　卓, 宋永富, 李造哲, 云锦凤
(内蒙古农业大学, 呼和浩特 010019)
摘要: 研究加拿大披碱草与披碱草种间杂种 F 1的生长、形态、花粉育性和细胞学。结果表明,杂种F 1生长势明显超
过双亲, 平均株高 149. 31cm ,穗型呈双亲中间型, 株型偏向母本,生育期偏向父本,花粉可育率 1. 71% , 自然结实率
0。杂种 F1 为五倍体( 2n= 5x= 35) , 其PMCMⅠ平均染色体构型为 19. 014+ 7. 45Ⅱ+ 0. 28Ⅲ+ 0. 02Ⅳ,后期Ⅰ有落
后染色体和染色体桥等不规则现象。
关键词: 小麦族禾草; 远缘杂种;生育特性; 细胞学分析
中图分类号: Q943　　　文献标识码: A
Study on Growth, Development and Cytogenetics of
Elymus canadensis×E. dahuricus Hybrid F1
YU Zhuo, SONG Yong-fu, LI Zao-zhe, YU N Jin-feng
( Inner Mongolia Agr icul tur al Un ivers ity, Huhhot 010019, China)
Abstract: The g row th, morpho logy , pollen fertility , seed set and cytolo gy of Elymus canadensis ×E .
dahur icus hybrid F1 were studied. The results show ed that the grow th potentiality of hybrid F1 was more
than its parents, average height w as 149. 31cm, ear type was in the middle of par ents, plant type tended to
maternal, g row th period tended to pater nal, pollen ster il ity rate w as 1. 71% , seed set w as 0; hybrid F 1 is
pentaploid ( 2n = 5x= 35) , average chromosome pairing configur at ions at metaphase Ⅰ in pollen mo ther
cells is 19. 04Ⅰ+ 7. 45Ⅱ+ 0. 28Ⅲ+ 0. 02Ⅳ, and has lag ging chromosome and bridge fragment at anaphase
Ⅰ.
Key words : T rit iceae grass; W ide hybrid: Grow th-development ; Cytological analy sis
　　植物远缘杂交可使不同物种间的优良基因重
组、创造新种质(新物种、新品种) , 它是传统育种和
现代非常规育种很重要的方法之一,同时也是研究
物种间亲缘关系、系统发育、进化程度的常用方法。
远缘杂交存在杂交困难、杂种育性差或不育、杂种后
代性状“疯狂”分离三大障碍, 因而了解远缘植物间
的可交配性、杂交后代结实性及性细胞染色体配对
行为是远缘杂交研究的基础工作, 对于确定物种间
亲缘关系、系统发育、进化程度以及种质创新等具有
重要指导意义。
小麦族是禾本科植物中与人类生存关系最为密
切的一大类群, 约有 300余种植物,其中多年生牧草
约占小麦族植物的四分之三[ 1, 2]。一般小麦族禾草具
有抗寒、抗旱、抗病虫、耐盐、耐瘠薄等优良抗性或高
产、优质等特性,是牧草及麦类作物品种改良非常丰
富的种质基因库 [ 5～7]。国外,在小麦族多年生牧草
收稿日期: 2002-03-14;修回日期: 2002-05-08
基金项目:国家自然科学基金项目( 30160058)及教育部留学回国人员科研启动基金项目( 2001345)资助
作者简介:于卓( 1958-) ,男,内蒙古托克托县人,教授,博士,主要从事牧草饲料作物种质资源与遗传育种研究,已发表学术论文 47篇,参
编出版专著 2部。E-mail: yz_ yz5810@ s ina. com
第 10卷　第 4期
　Vo l. 10　　No. 4
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2002 年　12 月
Dec. 　2002
远缘杂交育种研究方面取得卓著成就,已育成一批
新品种应用于生产, 收到了巨大的经济效益和社会
效益, 其中 Dew ey 等学者做出了重大贡献[ 9, 10]。国
内,把小麦族多年生禾草优良抗性基因(抗病、抗旱、
耐盐等)通过远缘杂交导入麦类作物的染色体工程
育种已取得较大进展[ 3、4] ,但对小麦族多年生牧草间
的远缘杂交育种研究还很少。本试验以隶属于小麦
族的加拿大披碱草、披碱草及其种间杂种 F1 ( 1999
年获得)为材料,观察并测定杂种 F 1及亲本的生长、
结实性、花粉育性、细胞学特性等, 旨在为揭示种间
亲缘关系、评价杂种的育种潜力和克服杂种的不育
性提供依据。
1　材料与方法
1. 1　供试材料　材料选自内蒙古农业大学牧草试
验场小麦族多年生禾草的亲本圃和杂种圃。♀加拿
大披碱草( E lymus canadensis L. )产于北美洲草原,
四倍体( 2n= 4x= 28) ,染色体组为 SSHH ,长寿命、
叶量大、高产优质、抗寒性强。♂披碱草 ( E lymus
dahur icus Turcz. )产自我国北方草原, 六倍体( 2n=
6x= 42) ,染色体组 S1S1H1H 1YY,中寿命、种子产量
高、茎叶较粗硬、抗旱性较强。种间杂种 F1 ( E.
canadensi s×E . dahur icus)理论上为五倍体( 2n= 5x
= 35) ,染色体组SS1HH1Y。试验场位于呼和浩特市
东郊, 年降水量 400mm 左右, 无霜期 145d,土壤为
砂壤质暗栗钙土, pH 7. 8～8. 2, 肥力适中, 地下水
位较高,具有灌水条件。试验于 2001年 4～9月,分
别在田间和室内进行。
1. 2　研究方法
1. 2. 1　生长发育观察　以上年分株繁殖的越冬株
丛为对象,每种供试植物随机选定 50个株丛,自分
蘖期开始每隔 7 日( d) 测量 1 次株丛绝对高度
( cm) , 直至开花期结束。计算各次测量平均产值,绘
出生长速度动态曲线图,用最后 1 次测量高度的平
均值表示各草种群体植株的高度,比较其穗型特征,
观察记录从返青到种子成熟的生育日数( d)。
1. 2. 2　花粉育性和结实性　在开花盛期随机剪取
每种植物穗子 25～30个,在室内镜检。剥取穗上花
药, 置于载玻片上,滴加少许 1%醋酸洋红, 用镊子
挤压去掉药壁, 使花药充分着色,加盖玻片在 100倍
显微镜下观察统计可育与不可育花粉粒数,每种材
料观察 100个视眼以上。
花粉可育性= 可育花粉粒总数观察花粉粒总数×100%
在种子成熟期,随机取 25～30个穗子, 统计结
实数与小花数
结实率= 结实总数观察小花总数×100%
1. 2. 3　染色体观察
1. 2. 3. 1　根尖细胞 ( RT C)染色体: 将亲本及其杂
种 F1 植株移入室内盆栽,使其产生不定根, 取幼嫩
根尖放入指型管中,适量加水,封盖后置于 0℃的冰
水混合物中预处理 20～24h, 卡诺液(无水乙醇∶冰
乙酸= 3∶1)中固定 12～24h, 然后在 60℃恒温下用
1 mol/ L 盐酸解离 10～15min,蒸馏水洗净,用改良
碱性品红染色压片。镜检、统计细胞染色体数目, 并
选择染色体多、分散好的片子进行显微照相。
1. 2. 3. 2　花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ( PMCMⅠ)
染色体:在晴天条件下, 上午 9～11 h 在田间剪取各
供试植物孕穗期的幼穗, 迅速置于装有卡诺液的玻
璃瓶中,带回室内放入冰箱固定24h。制片时将花药
置载玻片上,去药壁滴加改良碱性品红染色, 加盖玻
片轻敲, 酒精灯上微热压片,高倍显微镜下观察, 选
出具有良好分散相的 PMCMⅠ染色体,统计染色体
数目并照相。
2　结果与分析
2. 1　植株生长发育及形态
　　从图 1看出, 加拿大披碱草、披碱草及其杂种
F 1 植株生长动态表现出“慢、快、慢”的缓“S 型”曲
线, 即在生育前期(分蘖期)和生育后期(开花期)植
物生长速度相对较慢, 在生育中期(拔节期一抽穗
期)生长速度最快, F 1植物生长优势明显高于双亲,
♀加拿大披碱草平均株高为 127. 63cm, ♂披碱草
135cm,杂种 F1为 149. 31cm。加拿大披碱草穗型较
松散、芒长,穗轴每节通常具有 2～4个小穗, 每小穗
含小花 3～5枚。披碱草穗型紧密, 芒较短,穗轴每节
259第 4期 于　卓等:加拿大披碱草×披碱草杂种 F1的生育及细胞遗传学研究
通常有 2个小穗,每小穗含3～5枚小花。杂种F 1穗
型较紧密,芒较长,穗轴每节通常 2～3个小穗, 每小
穗含小花 3～5枚,即杂种 F1 穗型呈双亲中间型(图
Ⅰ- 4)。F 1株型偏向♀加拿大披碱草,叶量丰富且
在植株上、中、下各部分布均匀(图Ⅰ- 1、3)。由生育
期观察发现,杂种 F1比其♀加拿大披碱草( 150d)早
13d,比♂披碱草( 135d)晚 2d, 生育期长 137d, 基本
偏向其父本。
图 1　供试植物生长动态
F ig . 1　Grow th dynamics of tested plants
2. 2　花粉育性和结实性
　　由表 1可知,♀加拿大披碱草和♂披碱草的花
粉可育率均较高,分别为 79. 77%和 77. 70%, 自然
结实率分别为 55. 13%和77. 11%。♀加拿大披碱草
结实率相对较低, 其原因可能是生育期长, 开花时正
逢雨季, 影响授粉。杂种 F 1 花粉可育率仅为
1. 71%,且观察到花药不易开裂,在开放授粉情况下
结实率为 0,杂种 F1 不育与其来自双亲染色体配对
频率有关(见细胞学结果)。
表 1　供试植物花粉育性和结实性
T able 1　Pollen fer tilit y and seed set
牧草名称
Grasses
花粉育性　Pollen fert ilit y 结实性　Seed set　　　　　
育数
Fertil it y No.
不育数
Infert ilit y No.
总数
T otal
可育率%
Fert ilit y rate
结实总数
Seed No.
小花总数
T otal f loret s
结实率%
Seed set
♀加拿大披碱草
E lymus canadensis
1171 297 1468 79. 77 1745 3165 55. 13
♂披碱草
E . dahur icus
2446 702 3148 77. 70 2146 3019 71. 11
杂种 F1
Hybrid F1
56 3228 3284 1. 71 0 1023 0
2. 3　细胞染色体特征
2. 3. 1　根尖细胞( RTC)染色体　♀加拿大披碱草
的 RTC 染色体数目 2n= 28, 为四倍体; ♂披碱草的
RT C 染色体数目 2n= 42, 为六倍体(表 2)。其种间
杂种F 1的 RTC 染色体数为 2n= 5x= 35( 244个细胞
的观察结果,见表2) , 即F 1的染色体数目正好等于双
亲染色体数目总和的平均数,为五倍体(图Ⅱ- 3)。
2. 3. 2　PMCMⅠ染色体　♀加拿大披碱草和♂披
碱草 PMCMⅠ二价体频率很高, 分别为 13. 98Ⅱ和
20. 90Ⅱ,表明双亲的染色体配对行为规则(图Ⅱ- 1
～2, 表 2)。观察分析杂种 F1 的 313 个花粉母细胞
( PMC)在减数分裂中期Ⅰ的染色体可知, F 1平均每
个细胞的二价体为 7. 45个, 且棒状二价体显著多于
环状, 单价体为 19. 04 个, 三价体 0. 28个, 四价体
0. 02个, 在减数分裂后期Ⅰ偶尔可观察到染色体桥
和落后染色体(图版Ⅱ- 5～8,图Ⅲ- 1～8,表 2)。这
些结果表明五倍体 F 1的 PMCMⅠ染色体配对行为
很不规则, 单价体的普遍存在与少部分多价体、落后
染色体、染色体桥的出现都是造成杂种不育的重要
原因。
260 草　地　学　报 第 10卷
表 2　亲本及杂种 F1 的 RTC染色体数目和 PMCMⅠ平均染色体配对构型
Table 2　Chromosome number of RT C and aver age chr omosome pair ing configur ation at PM CMⅠ of parents and F1
牧草名称
Name of gras ses
观察细胞数
C ell n umber
RT C　PMCMⅠ
染色体数 2n
Ch romosomes
RTC　PM CM
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
棒状
Rod
环状
Ring
总数
Total
♀加拿大披碱草 298 122 28 28 0. 04 1. 26 12. 72 13. 98
E . canadensis ( 0～2) ( 0～3) ( 10～14) ( 13～14)
♂披碱草 161 140 42 42 0. 06 9. 05 11. 85 20. 90 0. 04
E . dahur icus ( 0～2) ( 9～10) ( 17～21) ( 19～21) ( 0～1)
杂种 F1 244 313 35 35 19. 04 6. 69 0. 76 7. 45 0. 28 0. 02
Hybrid F1 ( 9～28) ( 2～12) ( 0～3) ( 2～12) ( 0～3) ( 0～1)
图Ⅰ　亲本及 F1株型和穗型
Fig. I　Plant type and ear type of parents and F1
1.♀加拿大披碱草; 2.♂披碱草; 3. 杂种 F1; 4. 加拿大披碱草、杂种 F1、披碱草
1. E . canadensi s; 2. E. dahuri cus; 3. Hybrid F1; 4.E . canad ensi s, h ybrid F1 and E. dahuri cus
261第 4期 于　卓等:加拿大披碱草×披碱草杂种 F1的生育及细胞遗传学研究
图Ⅱ　亲本及 F1细胞染色体特征
F ig . II　Chromosome o f par ents and F 1
1.♀加拿大披碱草 PMCMⅠ染色体构型: 2n= 28( 14Ⅱ) ; 2.♂披碱草 PMCMⅠ染色体构型: 2n= 42( 21Ⅱ) ; 3. 杂种 F1 体细胞染色体数目: 2n
= 5x= 35; 4. 杂种 F1PM CMⅠ显示 1个四价体; 5. 5～8杂种 F1 后期Ⅰ显示染色体桥和落后染色体
1. Chromosome conf igurat ion s of E. canadensi s; 2n= 28( 14Ⅱ) ; 2. Chrom osome conf iguration of E . dahuri cus: 2n= 42 ( 21Ⅱ ) ; 3. Somat ic cel l
ch romosome number of F1: 2n= 5x = 35; 4. T et ravalent of F1; 5. Bridge f ragm ent an d laggin g of F1 chromosome in f ig. 5～8
262 草　地　学　报 第 10卷
图Ⅲ　F1 PMCMⅠ染色体构型　　
Fig . Ⅲ　Chromosome configurat ions of F 1 at PMCMI
1. 17I+ 9II; 2. 16I+ 8II+ 1II; 3. 11I+ 12II; 4. 17I+ 9II; 5. 23I+ 6II; 6. 21I+ 7II; 7. 23I+ 6II; 8. 16I+ 5II+ 3III
263第 4期 于　卓等:加拿大披碱草×披碱草杂种 F1的生育及细胞遗传学研究
3　讨论与结论
3. 1　关于植物远缘杂种 F 1不结实的原因,在多数
情况下是由于亲本染色体组型差异大所致 [ 8, 9]。一方
面,染色体数量不平衡的杂种, 在减数分裂时,染色
体不能正常联会, 形成单价体或多价体,导致不均衡
分离,产生异数性的配子,从而引起不孕。另一方面,
两个供试亲本各有彼此不完全相同的染色体组, F1
减数分裂时, 出现两亲来源的染色体联会松弛(棒状
多)及不联会的情况,即缺乏同源性而导致不育,本
试验亦证明了这一点。
3. 2　F1 植株生长优势明显高于双亲,其生长动态
呈缓“S 型”曲线,穗型呈双亲中间型,株型偏向♀加
拿大披碱草, 生育期偏向♂披碱草,株高 149. 31cm,
叶量丰富,育种潜力大。F1花粉育率 1. 71% ,自然结
实率为 0。
3. 3　F 1的 PMCMⅠ染色体构型为 19. 04Ⅰ+ 7. 45
Ⅱ+ 0. 28Ⅲ+ 0. 02Ⅳ, 减数分裂后期Ⅰ出现染色体
桥和落后染色体等不规则现象。落后染色体的形成,
可能是双亲细胞分裂周期不同的缘故。
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264 草　地　学　报 第 10卷