全 文 ：第 3 卷
V o l
.
3 N o
.弄1 期 草 地 学 报A C T A A G R E S T IA S IN ICA 1 9 9 5 年1 9 9 5
多花黑麦草又苇状羊茅属间
杂种的细胞学研究
米福贵
(内蒙古农牧学院 , 呼和浩特 , 01 0 0 1 8)
C
.
Po is s o n
(IN R A 一S A PF , 8 6 6 0 0 L u sig n a , F r a n ee )
2
.
Z w ier z ysk o w sk i
(In s titu te o f P la n t G e n etie 一 P o lis h A e a d e m ie o f Sc ie n ee , Po lo g n e )
摘要 : 在法国农研所吕尼西昂饲用植物育种站 , 通过远缘杂交以及多倍体人工诱导 , 获得了
多花黑麦草 (ZX )与苇状羊茅(4 X )间的三倍体 、 四倍体和六倍体属间杂种 。 这些杂种的细胞学资
料表明 , 苇状羊茅的两个染色体组及其与黑麦草染色体组相互之间均存在着一定程度的亲缘关
系 ;保持并利用 四倍化的双二倍体是可行的 , 但六倍化双二倍体的前景则难以予测 。总之 , 苇状羊
茅与黑麦草染色体之间可以交换的事实得以将多花黑麦草的基因导入到苇状羊茅中 , 进而使后
者得以改良 。
关键词 : 属间杂交 ;多花黑麦草 ;苇状羊茅
1 前言
苇状羊茅 (F es tuc a a ru n d 动ac ea S ch re b , 2n 一 6x 一 42 )是一种优 良的禾本科牧草 , 产草量
高 , 抗逆性强 , 具多年生习性 , 故而是建植长期集约化经营人工草地的主要草种 。但该草种也
存在着一个致命的缺陷 , 即营养价值问题 , 尤其是适 口性和消化率远远低于其它禾本科牧
草 。
自本世纪初以来 , 人们一直试图改善苇状羊茅的品质 , 主要是通过种内选择和杂交育种
提高其适 口性和消化率 。 美国(B u e k n e r 等 , 1 9 6 0 ; B u e k n e r , 1 9 6 0 ; S le p e r , 1 9 8 5 ) 以及法国的牧
草育种家们 (Ja d a s 等 , 1 9 7 8 ; Ja d a s , 1 9 8 2 ; G liie t 等 , 1 9 8 6 ; G liie t 等 , 1 9 8 8 ; G u y , 1 9 8 8 )等对 此
均做了大量工作 , 特别是法 国吕尼西昂饲用植物育种站的工作颇有建树 。该站筛选培育并登
记注册了一系列优良品种 。 然而种内的选择和杂交 , 其潜力毕竟有限 。 故此 , 近年来禾草育
种学者以 小麦 (T rzt ic u m ae st iv u m L . )与黑麦 (S ec 硫 ce re旋 L . )杂交成功并培育出新型作物
类型 一小黑麦的工作为鉴 , 将与黑麦及小麦染色体组结构类似的黑麦草与羊茅杂交 , 以期
将前者所具备的品质好 , 生长迅速等优良农艺性状转移到后者中去 。
前人发表的大量文献中涉及这方面的工作主要是利用多花黑麦草任刁亡iu m m u lt 价明止m
L a m ; 2n 一 2 只 一 1 4 ) X 草地羊茅 (F . prat 、舀 Hud s 。 2n 一 2x 一 1 4) 以及多花黑麦草 x 苇状羊
茅间的属间杂种 。在后一种情况下 , 人们一方面想创造双二倍体杂种 , 但结果杂种常常不育 ;
另一方面又企图用多花黑 麦草的染色体片断代替苇状羊茅的染色体片断 (Buc k ne r 等 ,
1 9 6 3 ; B u e kn e r 等 , 1 9 8 3 ; S le p e r , 1 98 5 ; T h o m a s 等 , 1 9 9 2 ) , 结果虽使人们获益非浅 , 但需时较
草 地 学 报 1 9 9 5 年
长 , 且具有一定的随机性 。 因而 1 98 4 年在法国吕尼西昂饲用植物育种站羊茅与黑麦草的杂
交育种程序中将一种四倍体类型的苇状羊茅 (F . a o nd ~ ea v ar
. 多au ce sen : Bo is s , 2n 一 4x 一
28 ) 作为亲本 , 以便用它与二倍体多花黑麦草杂交 , 再经秋水仙碱处理产生双二倍性的六倍
体 , 或者直接使两个亲本种的染色体组相融产生四倍体杂种 。
本文的目的是从细胞遗传学的角度探讨和分析四倍体苇状羊茅与多花黑麦草杂种的减
数分裂行为以及亲本间可能存在着的亲缘关系 。
2 材料和方法
杂交工作于 1 9 8 4一 1 9 90 年在法国农业研究所 吕尼西昂饲用植物育种站进行 (I N R A 一
St a tio n d
‘
A m e lio r a t io n d e s p la n t e s F o u r r a g e r e s d e L u sig n a n )
。 材料采自法国境内阿尔卑斯山
地四倍体类型的苇状羊茅和普通类型的多花黑麦草 , 以其为亲本互为正反交 。杂交时将预先
分株种植在花盆的母本材料人工去雄 , 2一 3 天后从选定的父本植株剪取 6一 7 个花序置 于
盛水的小玻璃瓶中固定在母本株花盆内的竹竿上 , 以稍高于母本穗为宜 , 并套袋隔离授粉
杂交 。 通过加倍杂种和利用已加倍的亲本直接杂交的方法 , 以及借助于杂种幼胚培养技术
(成功率在 15 %左右 ) , 获得了倍数性不同的系列苇状羊茅一多花黑麦草杂种 (图 l)
L一AB一些IJJ
(Z n = 2 8)
L _
一 : 二- 八lj
L
(Zn = 2 8 )
X (Z n = 1 4 )⋯
1沪LB
X
es
.
.
we! wels甲、夕QU,曰一nO自护
召、
IJ二
IJ二
L
L
(Zn = 1 4 ) (Zn 一 2 1 )
色染体加倍
汽旧、
x⋯L一les甲l土V‘esl亨Xwelewls土v(Zn = 2 8 )
L(A B )
1沪己
L (AB )
1」J
L(A B )
L (A B )
一 7 (AB 习 旦里L A13
(Zn = 4 2 ) (Zn = 2 8 ) (Zn ~ 2 8 ) (Zn = 1 4 一 2 1 ) (Zn = 4 2 )
图 1 多花黑麦草与苇状羊茅杂交示意图
Fig 1 C r o s F o r m u la be tw e e n Ita lia n rye g r a ss a n d ta llfe se u e
器:F一nd ~ eo V ar . 、la uC es en ·的染色体组公式
Ge
n o m ie fo rm
u la o f F
.
a
ru nd lnae
c a v a r
.
g la uce
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L
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万 , ‘ m 毗lJ ~ m 田果巴体组公双
G en o m ie fo rm u la o f L
.
m 政滋刀邵“m
第 1 期 米福贵等 :多花里麦草 X 苇状羊茅属间杂种的细胞学研究
经胚培养而成的杂种幼苗于生长季节移植大田 。 在适宜的生长发育阶段从中选取杂种株花
序或花穗用卡诺液固定后经醋酸洋红染色压片 , 观察分析各类杂种花粉母细胞减数分裂时
染色体的变化特征 。
3 结果与分析
通过杂交获得各类杂种 , 对其中三种主要类型即三倍体和六倍体杂种 70 个以上的花粉
母细胞进行减数分裂行为的观察与分析 。其中对四倍体杂种 , 从第一代开始连续观察三个世
代 , 均作上述内容的观察研究 , 以区别比较各杂种世代间染色体配对方式的差异 (表 1 ) 。 观
察结果表明 , 尽管倍数性水平有别 , 但所观察的各类杂种其二价体出现的频率都很高 , 至少
有半数以上的染色体联会成为二价体 , 且有一定比例的三价体 , 甚至出现 四价体 , 而单价体
出现的频率却较低 。 这说明四倍体类型的苇状羊茅与二倍体多花黑麦草染色体组之间存在
着一定的亲缘关系 , 以其为材料进行杂交得以将其优良特性从一个种转移到另一个种实现
基因渐渗 , 或者将两个亲本种的特性综合在一个杂种中是完全可能的 。但由于杂种二价体配
对频率因倍数性水平而异 , 故此综合双亲优良性状于一个杂种中的育种工作成败与否主要
取决于不同倍数性水平杂种的配置 。
表 1 羊茅与黑麦草间不同倍数性水平杂种的减擞分裂习性
T a b le 2 M
eo isis of in te rg e n e rie h yb rid s in d iffe r e n t p lo idy le v e lbe twe
e n ta l fe sc u e a n d a n n u a l rye g r a s
基因型 观察植株数
G en tyPe N o
.
o f Pla n t
观察的花粉
母细胞数
N o
.
o fP
.
M
.
C
染色体联会 C hro m o so m i。 asoc i
a tio n
L : F -
A B L
.
总数 T o ta l
%
每一花粉母细胞的平均数
M
e a n s b y P
.
M
,
C
总数 T o t a l
%
每一花粉母细胞的平均数
M
ea n s by P
.
M
.
S
总数 T o ta l
%
每一花粉母细胞的平均数
M
ea n s by P
.
M
.
S
总数 T o t a l
%
每一花粉母细胞的平均数
M
ea n s by P
.
M
.
S
总数 T o ta l
%
每一花粉母细胞的平均数
M
ea n s by P
.
M
.
S
7 4 (0 一 1 4 ) +
2 1
.
5 0
4
.
5 2
8 6 1 (l一 9 )
5 0
.
0 0
5
.
2 5
3
.
9 (0 一 6 )
2 7
.
7 9
1
.
9 4
6 (0 一 l )
0
.
7 0
0
.
0 4
L ; F s
L (A B )
L (A B )
9 2 (0 一 1 2 )
2
.
8 8
1
.
2 1
1 4 4 4 (1 4 一 2 1 )
9 0
.
4 8
1 9
.
0 0
1 6 (0 一 4 )
1
.
5 0
0
.
2 1
4 1 (0 一 2 )
5
.
1 4
0
.
5 4
L ‘F ‘ G l
L (A B )
L (A B )
3 9 8 (0 一 8 ) 2 8 4 2 (6 一 1 4 )
7 8
.
6 8
1 1
.
0 1
5 8 (0 一 4 )
6
.
5 6
0
。
6 1
1 6 7 (0 一 4 )
5
.
5 1
1
。
5 4
9
.
2 5
0
.
6 4
1 0 2 2 4 1 8 4 (0 一 6 ) 2 6 1 1 (6 一 1 4 )
8 3
.
2 6
1 1
.
6 6
1 4 1 (0 一 5 ) 1 1 1 (0 一 4 )
2
.
9 3
0
。
8 2
6
.
7 4 7
.
0 7
0
.
6 3 0
.
5 0
9 8 (0 一 5 ) 5 3 (0 一 2 )
3
.
5 0
0
。
9 8
1 1 5 1 (5 一 1 4 )
8 2
.
2 1
1 1
.
5 1
5
.
6 8
0
.
5 3
6 2 (0 一 2 )
8
.
86
0
.
6 2
, :杂种的染色体组公式 G e n o m ie fo r m u la o f th e hyb rid s
#
:括号中的数学表示最低和最高观察值 T h e m im im u m a n d m a x im u m v a lu e
草 地 学 报 1 9 9 5 年
3
.
1 三倍体杂种 (Zn = 3x = 2 1 )
该类杂种由二倍体多花黑麦草与四倍体苇状羊茅直接杂交所得 。 对 6 株杂种 1 64 个花
粉母细胞减数分裂行为的观察结果表明 , 其不同分裂相的染色体配对频率可总结为 4 . 5 2 ‘
+ 5
.
25
’
+ 1
.
94
’
+ 0
.
0 4 “
, 染色体数为 2 1 , 它来自苇状羊茅的两个染色体组 A 、 B 以及多花
黑麦草的一个染色体组 L 的组合 。 从平均数字来看 , 近半数的染色体联会形成二价体 , 1 /3
的染色体形成三价体 。 高频率二价体的出现表明染色体组 L 与 A , L 与 B 以及 A 、 B 之间优
先配对的可能性 ;而一定比例三价体的存在也说明 L 、A 、 B 这三个染色体组相互之间的联会
也完全是可能的 。 至于存在的大量单价体则是由于杂种本身染色体数的奇倍性造成的 。
3
.
2 六倍体杂种 (Zn = 6 x = 4 2 )
该类型的杂种是由三倍体杂种经秋水仙碱处理染色体加倍而来 ; 在杂交前预先加倍亲
本 , 由染色体数 目加倍了的四倍体类型多花黑麦草 (2n ~ 2 8) 与八倍体类型的苇状羊茅 (2n
一 4 2) 杂交亦可获得 。 其染色体数为 2n 一 42 , 可能的染色体组公式为 “A A BBL L ” 。
通过对 5 株杂种 76 个花粉母细胞的观察 , 发现其染色体的配对频率可用公式 : “ 1 . 2 1 ’
+ 19
·
0
’
+ 0
.
21
1
+ 0
.
5 4 “ ”表示 。 从理论上讲该杂种的染色体在减数分裂中期 I 可完全配
对 。 实际观察结果与这一理论的推断非常吻合 , 约 90 %以上的染色体配对联会为二价体 。这
种高频率二价体的存在说明几乎所有的染色体都趋向于同源配对 , 即苇状羊茅的 A 染色体
组与 A 相配 , B 染色体组与 B 相配 ; 多花黑麦草的 L 染色体组与 L 相配 。 除此之外 , 处于减
数分裂中期 I 的花粉母细胞中也存在着少量的三价体和 四价体 , 它们的出现证实了 3 个不
同染色体组之间的部分同源性 。 A 、 B 、 L 三个同源染色体组各自进行优先配对 , 但它们相互
之 间的联会也可能发生 。
3
.
3 四倍体杂种 (Zn = 4 x = 2 8 )
该类杂种来自四倍体苇状羊茅与加倍了的多花黑麦草的杂交 , 染色体数为 2n 一 28 。 通
过对三个世代 2 株杂种 5 82 个花粉母细胞减数分裂行为的观察 , 将各种分裂相的染色体
配对频率总结如下 : 1 . 1 7 ’ + n . 35 ’ + 0 . 60 ’ + 0 . 58 “ 。不同世代间的杂种染色体配对频率的
差异很小 , 在三个世代 ,其二价体出现的平均频率均在 n 左右 , 而该杂种理论上形成二价体
的最大频率为 14 , 这也进一步说明 : 在四倍体倍数性水平方面 , 多花黑麦草 x 苇状羊茅杂种
的大多数染色体在减数分裂中期 I 可配对联会为二价体 。与此形成鲜明对照的是 , 三价体及
四价体出现的频率均较低 , 与前人所做多花黑麦草 x 多年生黑麦草 (L . Pe re n ne L . )种间杂
种的分析结果一致 。 由于四倍体多花黑麦草与四倍体苇状羊茅间的杂种含有多花黑麦草的
两个相同染色体组 , 据此可作如下假设 , 如果多花黑麦草的所有染色体之间都相互配对 , 那
么尽管苇状羊茅两个染色体组的构成同源性较差 , 而它们所含的几乎所有染色体自然而然
也要相互配对 。上述假设与所观察到的三倍体杂种减数分裂的行为虽稍有不符 ,但也不能否
认苇状羊茅的两个染色体组之间及其各 自与多花黑麦草的染色体组之间确实存在着比较相
近的同源关系这一事实 。 毕竟三倍体和四倍体的存在业已证实了来自双亲的三个不同染色
体之间的部分同源性 , 况且这种同源性是绝对不能被忽视的 。因此采用适当的方法对其加以
利用是完全可行 的和极有希望的 。
第 1 期 米福贵等 :多花里麦草 x 苇状羊茅属间杂种的细胞学研究
4 结论与讨论
三倍体 、四倍体以及六倍体杂种的减数分裂行为表明亲本种苇状羊茅的两个不同染色
体组之间的部分同源性 , 这两个染色体组各自与多花黑麦草的一个染色体组之间同时也存
在着一定程度的亲和性 , 以其为材料进行杂交育种 , 以便将双亲的优良性状综合在一个杂种
组合中是完全可行的 。在观察花粉母细胞减数分裂行为统计二价体加以区分 ,故此暂不能用
Es P~
se 等人 (1 9 8 1 )的数理统计方法对杂种做进一步的深入分析 , 有关双亲三个染色体组
的同源程度还未能确定 。
苇状羊茅 x 多花黑麦草四倍体杂种的减数分裂比较规律 ,后代的性状表现也较稳定 。从
理论上讲 , 借助于回交改良以及株系选择法对该类杂种加以利用是毫无问题的 。 目前的关键
是应着手制定和实施这样的育种程序 , 以使得基因从一个物种渐渗到另一物种成为可能 , 其
证据已从四倍体杂种与多花黑麦草的回交后代中找到 。从叶部的形态解剖特征分析 , 一些多
花黑麦草所不具备 , 而苇状羊茅所特有的性状 ,诸如膨胀细胞就 明显存在于这样的回交后代
植株中(待发表 ) 。 然而要预测这些杂种的潜力 , 目前的选择工作尚为时过早 。
最后有必要提及 , 尽管六倍体杂种的合成与稳定 比较困难 , 但是在第二代杂种中必竟观
察到了农艺性状优良 , 且结实率也完全可以接受的后代植株 。
主要参考文献
1 B u e n e r R
.
C
.
a n d N
.
fe r g u s
,
196 0
,
Im p r o v em e n t o f ta ll fes e u e p a la ta bility b y se le e tio n w ith in in b re d lin e s
,
A g r o n
.
J
. ,
5 2
,
1 7 3 一 1 7 6
2 B u ek n e r R
.
C
.
1 9 6 o
,
P e rfo rm a n e e o f in b r e d li n e s
,
p o lye r o s s
,
p r o g e n ie s a n d s yn th e tie o f t a ll fe s e u e se lee te d
fo r im p r o v ed p a t a ta bility
,
A g r o n
.
J
. ,
5 2 : 1 7 7 一 1 80
3 B u e k n e r R
.
C
.
e t a l
.
1 9 6 3
,
C yto g e n et ie s a n d m o r ph o lo g ie a l e ha r a e te ris ties o f er o ss e s o f e r o sse s o f a n n u a l
r ye g r as s X ta ll fe sc u e h y brid s a n d th eir a m Ph iPlo id d e riv es
,
C r o P Sc i
. ,
3
:
4 5 3 一 4 5 4
4 B u e k n e r R
.
C e t a l
. ,
1 9 8 3
,
Im p r o v e m e n t o f fo r a g e q u a lity o f t a l fe se u e th r o u g h Lo l
; u m 一 F e s t盯a h y-
b rid iz a tio n
.
Pr o e
.
X IV In te r n
.
G r a ss l
.
Co n g
. ,
L e x in t o n
,
K Y
. ,
1 5 7 一 1 5 9
5 G ille t M
.
a n d C
.
p o is so n
,
1 9 8 6
,
B r e ed in g fo r q u a lity in fo r a g e e r o p s
.
In X Ith E u e a rp ia C o n g
.
Q u a lit y in
p la n t b r e e d in g
,
V a r v o v ie
,
j
u in 2 3 一 2 5
6 G ille t M
.
e t a l
. ,
1 9 8 8
,
Se le e tio n d e s g r a m in e e s fo u r r a g e re s p o u r la q u a lity
:
d e s e r ite r e s ba se s su r d es r e fe r
-
e n c e s a v e e a n im a u x
,
Pr oc
.
In t
.
G r a s sl
.
Co n g
. ,
N iee
7 G u y Y
. ,
1 9 8 8
,
R e e h er eh e d e e r ite r e s e h im iq u e s d e m es u r e d e la p p e tib ilite d e la fet u q u e e le r e e
.
M
e m o ir e d e
fin d
’e t u d e s
,
E N S A 一 D IJo n
8 Ja d a s一 H e e a r t J. , 1 9 8 2 , E t u d e e n p a t u r e d e l, a p p e tibilite d e fet u q u e e le re e (F e st以 a a r u n d in a c e a se h r e b . ) a
l
, a id e d e m o u t o n s
.
A g r o r o m ie
,
2 (5 )
:
4 8 7 一 4 9 2
本项研究工作得到法国农研所吕尼西昂饲用植物育种站 P . Le Q uil lec 与 C . La rg ea ud 两位女士的大力
帮助 , 文稿又蒙 M . G hes qu ier 研究员悉心校阅 , 谨此致谢 。
1 4 草 地 学 报 1 9 9 5 年
9 Ja d a s一 H ee a r t J M . G ile t , 1 9 7 8 , N o te s u r 1e s e a r a e te r e s a g r o n o m iq u e s d e s h yb rid es e n t r e fe tu q u e e le r e e
e u r o p e en n e s e t m ed it
e r r a n e n n
e s a v a n t e t a p r es d o u b le m e n t
.
E ffe ts d e la se lec
tio n d a n s le s a m ph ip fo id e s
.
A n n
.
A m e li o r
.
Pla n t
. ,
28 (5 ) : 5 0 1 一 5 1 1
10 S le p er D
.
A
. ,
1 9 85
,
Bre ed in g t
a l fe sc u e
.
Pla n t B r eed in g R
e v iew
,
3 : 3 1 3一 3 4 2
11 T ho m a s H
.
a n d M
.
0
.
H u m 伴ys , 1 9 9 1 , R e v ie w p ro g re s a n d 卯te n t ia l o f in te r s详e ifie byb rid s o f L刃l扭m
a n d Fest uc
a
.
J
.
A g ri e
.
Sc i
. , e h a m br id g e 1 1 7
,
1一 8
M efo tic Stu d ic s o f In te r g e n e r ic H yb r id s be tw e n
R ye g r as a n d T a l1 Fe se u e
Mi F u g u i
(In n e r M o n 创lia Co le 罗 o f A g r ie u lture a n d A n im a l H u sba n d ry , H u h e h o t , 0 1 0 0 1 8 )
C
.
Poi s s o n
(IN R A 一 S ta tio n d ‘A m elio ra t io n d e s pla n te s F o ur rge re s , 8 6 6 0 0 L u s ig n a n , Fr a n e e )
2
.
Zw ie r z ysk o w ski
(In s titu te o f Pla n t Ge
n e tie 一 Po lis h A e a d e m y o f反ie n ee )
A加tr a c t : 3 x 、 4 x a n d 6 x in te r sp e e ifie h yb rid s ha v e be en o b ta in e d fr o m e ros e s be tw ee n 肠liu m m 以tifl 介
r u m (Z x ) a n d F estuc
a
aru nd tnace
v a r
.
g la
uces ens
(4 x ) a s w e ll a s from 4
x a n d sx p a r e n ta l s p e e ie s a fte r 卯ly-
pfo id iza tio n in d u ee d by e o le hiein e a t IN R A 一 L u sig n a n F o r a g e P la n t B re din g st a tion , Fr a n e e ·
Fr o m m eio sis a n a lysis o f 3 x
、
4 x a n d F
.
a
ru nd lnac
ea v a r
.
g la uc
esm
a re a b le to p a ir to g e th er a s w e ll as e a e h
o f th e m w ith th e g e n o m e s o f L
.
m ult i刀or u m . It se m s th e re fo r e pos ib le t o ae h ie v e a g 《x 心 sta b iliz a tio n o f te-
tr a p fo id a m p h iplo id h ybr id s b u t it 15 stil d o u btfu l a s the h e x a plo id hy b rid s a r e e o n e e r n e d
,
A s g e n e e x c ha n g e s
e a n oc
e u r be tw ee n L刃liu m and F estuca
sp ec ie s
, a n a lte r n a tiv e br ee d in g a p p roc h
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