全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(3): 424−431 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30571159)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 林志珊, E-mail: linzs@caas.net.cn
Received(收稿日期): 2008-06-30; Accepted(接受日期): 2008-09-03.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00424
2Ai-2染色体在小麦部分同源染色体代换背景中的遗传
张 悦 1,2 林志珊 1,* 曹保久 3 郭义强 3 王美蛟 1,4 叶兴国 1 辛志勇 1
徐琼芳 1 郭世华 2
1 国家作物基因资源和基因改良重大科学工程 / 农业部作物遗传育种重点开放实验室 / 中国农业科学院作物科学研究所 , 北京
100081; 2内蒙古农业大学农学院, 内蒙古呼和浩特 010018; 3北方民族大学生命科学与生物工程学院, 宁夏银川 750021; 4吉林大学
植物科学学院, 吉林长春 130062
摘 要: 用中间偃麦草 2Ai-2染色体特异的 EST-PCR标记检测 5个小麦-中间偃麦草二体异代换系(包括端体代换系)
与普通小麦中国春(CS)杂交后代群体, 研究外源染色体 2Ai-2通过杂种向后代的传递率及其结构变异, 并用基因组原
位杂交进行验证。结果表明, 第二部分同源群不同染色体代换背景对外源染色体传递的影响不同, 在 2B代换系的杂
种中外源染色体或片段显示优先传递, 而在 2D代换系的杂种中其传递力则较低, 2B代换背景更有利于 2Ai-2染色体
或片段的传递; 外源染色体在杂种后代传递过程中会发生变异, 在多数组合中, 变异出现在着丝粒处; 与短臂相比,
外源染色体长臂更容易在世代中丢失; 端体代换系中的外源染色体端体在杂种后代传递过程中容易丢失, 且也会发
生结构变异。基因组原位杂交结果证明了分子标记跟踪外源染色体的可靠性。
关键词: 二体异代换系; EST-PCR标记; 染色体; 传递率; 结构变异; 基因组原位杂交
Genetic Behaviour of Thinopyrum intermedium Chromosome 2Ai-2 in Different
Wheat Chromosome Substitution Backgrounds of Group 2
ZHANG Yue1,2, LIN Zhi-Shan1,*, CAO Bao-Jiu3, GUO Yi-Qiang3, WANG Mei-Jiao1,4, YE Xing-Guo1,
XIN Zhi-Yong1, XU Qiong-Fang1, and GUO Shi-Hua2
1 National Key Facility for Crop Genetic Resources and Genetic Improvement / Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding, Ministry of Agricul-
ture / Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Agricultural College, Inner Mongolia Agricul-
tural University, Hohhot 010018, China; 3 College of Life Sciences and Bioengineering, North University for Nationalities, Yinchuan 750021, China;
4 College of Plant Science, Jilin University, Changchun 130062, China
Abstract: Thinopyron intermedium is one of the important gene sources for high resistance to barley yellow dwarf virus, stripe
rust as well as tolerances to cold and drought in wheat (Triticum aestivum L.) breeding. Several wheat-Th. intermedium addition
lines, substitution line, and translocation lines have been developed as breeding materials, including the 2Ai-2 substitution lines
with high resistance to the GPV and GAV strains of barley yellow dwarf virus. The aim of this study was to provide cytogenetical
evidence on the behavour of 2Ai-2 chromosome of Th. intermedium in different wheat chromosome substitution backgrounds.
Five wheat-alien disomic (or ditelosomic) substitution lines were crossed with common wheat variety Chinese Spring to generate
the BC1 and F2 populations, and the populations were detected using EST-PCR markers specific to 2Ai-2 chromosome and ge-
nomic in situ hybridization (GISH). In the F2 generation, plants with 2Ai-2 accounted for 83.1% and 82.4% in offsprings of the
2Ai-2 (2B) substitution lines N420 and N439, respectively, which were higher than the expected ratio of 75%; whereas, the ob-
served ratios in offsprings of the 2Ai-2 (2D) substitution lines N431 and N452 were 67.6% and 53.8%, respectively, which were
lower than the expected value. Especially, the observed value in the hybrids of N452 was significantly different from the expected
value (P < 0.01), inferring that the alien chromosome or fragment might be preferentially transmitted into F2 generation in 2Ai-2
(2B) substitution lines through the corresponding gametes. On the contrary, the transmission ratio of the alien chromosome or
fragment was low in 2D-subsititution background. It was concluded that the effect of different substitution background on the
transfer of the 2Ai-2 chromosome was different. In addition, in both 2B and 2D subsititution backgrounds, the transmission ratio
of the alien chromosome or fragment was obviously higher through male gametes than female gametes. Furthermore, many plants
with 2Ai-2 in F2 and BC1 were detected using 2Ai-2-specific EST-PCR markers in a limited region, but not in other region, indi-
cating that the alien chromosome was unstable when transmitting from hybrid to subsequent generations. From the results, it was
第 3期 张 悦等: 2Ai-2染色体在小麦部分同源染色体代换背景中的遗传 425


inferred that most chromosome variances occurred near centromere. Compared with the short arm, the long arm of the alien
chromosome was lost more often in the next generations. The F2 plants with 2AS-substitution background (N530) were very few
when detected with 2Ai-2S-specific EST-PCR marker(s). The difference between observed and expected values was significant (P
< 0.01), suggesting that the alien telosome might be lost frequently. Structure variation of telosome 2Ai-2S was also observed in
the offsprings with 2AS-substitution background. GISH results confirmed that the EST-PCR markers can be used effectively in
tracing the alien chromosome in wheat background.
Keywords: Disomic substitution lines; EST-PCR markers; Chromosome; Transmission ratio; Structure variation
小麦近缘种中蕴藏着许多抗病、抗逆及优质基
因, 通过外源染色体导入, 目前已育成各种携带外
源优良基因的小麦附加系、代换系和易位系[1-3], 极
大地丰富了小麦基因资源。深入研究外源染色体在
小麦背景中的遗传传递规律, 将促进外源基因向小
麦中的有效转移。张学勇等[4]发现十倍体长穗偃麦
草和六倍体中间偃麦草均含有一些促使部分同源染
色体之间配对的基因, 这些基因分布于不同染色体
组中, 具有很强的传递力。张文俊等[5]在染色体构成
为 2n=20II+6R+6D的杂种中发现, 携带黑麦 6R染色
体的配子在小麦背景中传递率普遍显著下降, 同时
观察到 6R 单体附加、6RL 端体单附加和 6RL 等臂
单附加自交传递率差异不显著。唐顺学等[6]在BYDV
抗性携带染色体的遗传行为研究中发现, 二体异代
换系遗 4212 与普通小麦的杂种 F2代中染色体数目
变异较大, 而结构变异较少, 该外源染色体的传递
率以及携带该染色体配子的传递率分别为 56.3%和
33.0%, 低于 75%和 50%的理论值。这些都为外源有
益基因向小麦中导入提供了重要信息。
中间偃麦草(Thinopyron intermedium)是禾本科
小麦亚族中的多年生野生草本植物, 具有耐寒、耐
旱、多花、抗倒、优质、高抗小麦黄矮病等优良性
状, 是改良小麦的宝贵资源[7-8]。近年来, 育种家通
过染色体工程手段将中间偃麦草中的有益基因导入
小麦遗传背景, 培育了第二、第七部分同源群染色
体异附加系[9-12]、异代换系[12-14]和易位系[15-16]等, 为
进一步研究利用中间偃麦草有益性状提供了中间材
料。我们以高抗我国特有的大麦黄矮病毒 GPV、
GAV 株系的小麦-中间偃麦草第二部分同源群不同
二体异代换系[12,14]为基础材料, 对外源染色体 2Ai-2
在不同小麦代换背景中的传递行为进行了研究, 为
中间偃麦草 2Ai-2 染色体携带的抗黄矮病基因向小
麦中的有效转移提供细胞遗传学依据。
1 材料与方法
1.1 植物材料
小麦-中间偃麦草 2Ai-2(2B)二体异代换系 N420
和N439, 2Ai-2(2D)二体异代换系N431和N452, 2Ai-
2S(2AS)双端体异代换系 N530 由本所选育[12,14], 高
抗大麦黄矮病毒病。N420、N439、N431和 N452都
含有 1 对来源于中间偃麦草的 2Ai-2 染色体, N530
含有 1 对来源于中间偃麦草的 2Ai-2 染色体短臂端
体。普通小麦中国春由本所保存。
以 2Ai-2(2B)异代换系 N420、N439, 2Ai-2(2D)
异代换系 N431、N452, 2Ai-2S(2AS)异代换系 N530
为母本与中国春杂交获得 F1。以 F1为母本与 CS 回
交获得 BC1群体, F1套袋自交得到 F2群体。
1.2 EST-PCR分子标记检测
选择本实验室已开发的 (待发表 )中间偃麦草
2Ai-2染色体长臂特异 EST-PCR标记 P68和 P41, 短
臂特异 EST-PCR 标记 P4 和 P36, 检测 BC1及 F2群
体。其中, P68 和 P4 可在琼脂糖胶上显示多态性,
P36和 P41可在聚丙烯酰胺凝胶上显示多态性。
于小麦苗期用改良的 CTAB 法[17-18]提取 BC1和
F2群体基因组 DNA。先以 P68 和 P4 标记对 BC1及
F2代所有单株进行 PCR扩增, 再以 P36和 P41标记
对每一种代换类型的群体进一步扩增筛选。
显示 2Ai-2 染色体特异的长、短臂双标记阳性
(P4+和 P68+双带型)及单标记阳性(P4+或 P68+单带型)
的植株代表外源染色体或片段存在的植株, 而 P4和
P68无带型(P4−P68−)代表不携带外源染色体植株。本
研究仅以杂种 F1为母本配制了 BC1, 根据 BC1携带
外源染色体雌配子的传递率和 F2群体外源染色体传
递率推导, 外源染色体通过雄配子的传递率 q = 1−B/
A。其中 A 和 B分别为 BC1和 F2群体无特异扩增植
株的百分数。
1.3 基因组原位杂交
以 4个标记均显阳性的花药作为阳性对照, 从 5
个 F2群体中随机选取各种变异类型的植株花药进行
基因组原位杂交, 用以检测中间偃麦草 2Ai-2 染色
体的结构变异并验证标记的可靠性。其中 P4-P36+(源
于 N530组合 R1103)的变异类型未获得合适花药。
用卡诺固定液(乙醇∶醋酸=3∶1)固定花药。以
纤维素酶混合液处理后, 在 45%冰醋酸中进行染色
426 作 物 学 报 第 35卷

体压片。用地高辛缺口平移标记试剂盒(Roche)标记
中间偃麦草基因组 DNA, 用中国春基因组 DNA 作
封阻, 用异硫氰酸荧光素(FITC)偶联的抗地高辛检
测试剂盒(Roche)检测杂交信号。参照 Wei等[19]的方
法进行原位杂交, 以荧光显微镜(OLYMPUS, BX51,
日本)观察、照相。
2 结果与分析
2.1 中间偃麦草 2Ai-2 染色体在杂种后代中的遗
传行为
2.1.1 不同二体异代换系中 2Ai-2 染色体或端体通
过杂种向 F2代的传递 在 2Ai-2(2B)代换系 N420
和 N439 的杂种后代中, 不含外源染色体或片段的
植株数分别占 16.9%和 17.6%, 均低于理论值(25%),
表明外源染色体在 2B 代换背景中可通过杂种优先
向 F2代传递。而在 2Ai-2(2D)代换的两个系 N431和
N452的杂种后代中, 不含外源染色体或片段的植株
数分别为 32.4%和 46.2%, 均高于理论值(25%), 尤
其是 N452 杂种 F2中外源染色体阳性植株检出率大
为下降, 其与理论值的差异达极显著水平, 说明外
源染色体在 2D 代换背景中通过杂种向 F2传递时处
于劣势(表 1)。可见不同代换背景对外源染色体的传
递具有不同的影响。
2Ai-2S(2AS)端体异代换系 N530中的 2Ai-2S通
过杂种向 F2的传递率仅为 32.3%, 与理论值(75%)差
异达极显著水平(表 1)。
2.1.2 不同二体异代换系中 2Ai-2 染色体或端体通
过雌配子向 BC1 代的传递 在 2Ai-2(2B)代换系
N420和 N439的 BC1代中, 2Ai-2染色体通过雌配子
的传递率为 45.0%和 52.9%, 接近理论值 50.0%; 而
在 2Ai-2(2D)代换系N431和N452的 BC1代中, 2Ai-2
染色体通过雌配子的传递率为 38.9%和 21.4%, 低于
50.0%的理论值(表 2)。可见, BC1中 2Ai-2染色体在
2B 代换背景中通过雌配子的传递力高于其在 2D 代
表 1 以特异分子标记 P4和 P68对二体异代换系与中国春杂种 F2代的检测结果
Table 1 Detection of 2Ai-2 in F2 generations derived from crosses between disomic substitution lines and Chinese Spring using
specific markers of P4 and P68
双带型 Double band type 单带型 Single band type 无带型 Null band type 群体编号
Code of
popula-
tion
二体代换系
Disomic substi-
tution line
总株数
Total num-
ber of
plants
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
χ2(3:1) b
R1108 N420 77 43 55.8 21 27.3 13 16.9 2.705
R1110 N439 74 41 55.4 20 27.0 13 17.6 2.180
R1104 N431 80 39 48.8 15 18.8 26 32.4 2.400
R1106 N452 65 24 36.9 11 16.9 30 46.2 15.513**
R1103 N530 a 65 — — 21 32.3 44 67.7 63.185**
** 表示达极显著(P < 0.01)水平。a N530没有 2Ai-2长臂, 故 F2群体中仅有或无 P4谱带两种类型。
b χ20.05,1 = 3.841; χ20.01,1 = 6.635. ** Significant at the 0.01 probability level.
a Only two types (with or without P4 specific band) for the F2 generation because of absence of the long arm of 2Ai-2 in N530.

表 2 以特异分子标记 P4和 P68对二体异代换系与中国春回交 BC1代的检测结果及 2Ai-2染色体或片段通过雌配子的传递率
Table 2 Detection of 2Ai-2 in BC1 generations derived from the backcrosses between disomic substitution lines and Chinese Spring
using specific markers of P4 and P68 and the transfer rate of chromosome 2Ai-2 or its fragment via female gamete
双带型
Double band type
单带型
Single band type
无带型
Null band type 群体编号
Code of
popula-
tion
二体代换系
Disomic sub-
stitution line
总株数
Total number
of plants
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
植株数
No. of
plants
比例
Ratio (%)
传递率
(%)
χ2(1:1) b
R1126 N420 20 8 40.0 1 5.0 11 55.0 45.0 0.050
R1129 N439 17 9 52.9 0 0.0 8 47.1 52.9 0.000
R1117 N431 18 1 5.5 6 33.3 11 61.1 38.8 0.500
R1123 N452 14 2 14.3 1 7.1 11 78.6 21.4 3.500
R1114 N530 a 14 — — 1 7.1 13 92.9 7.1 8.640**
a N530没有 2Ai-2长臂, 故 BC1群体中仅有或无 P4谱带两种类型。
b χ20.05,1 = 3.841; χ20.01,1 = 6.635. ** Significant at the 0.01 probability level.
a Only two types (with or without P4 specific band) for the F2 generation because of absence of the long arm of 2Ai-2 in N530.

第 3期 张 悦等: 2Ai-2染色体在小麦部分同源染色体代换背景中的遗传 427


换背景中的传递力。
2Ai-2S 端体在异代换系 N530 的 BC1代中通过
雌配子的传递率仅为 7.1%, 与理论值(50.0%)差异
达极显著水平(表 2)。
2.1.3 不同二体异代换系中 2Ai-2 染色体或端体通
过雄配子向 F2代的传递 依据中间偃麦草 2Ai-2
染色体在 BC1群体中通过雌配子的传递率和表 1 中
F2 代标记检测结果, 2Ai-2 染色体在二体异代换系
N420、N439、N431、N452通过雄配子向杂种 F2代
的传递率依次为 69.3%、62.6%、47.0%和 41.2%。
可以看出, 2Ai-2 染色体在 2Ai-2(2B)代换背景中通
过雄配子的传递力略高于其在 2Ai-2(2D)代换背景
中。2Ai-2S 端体在异代换系 N530 的 BC1代中通过
雄配子的传递率约为 28.2%。
2.2 用 EST-PCR 检测中间偃麦草 2Ai-2 染色体
的结构变异
2.2.1 双臂标记分离(臂间变异) 利用中间偃麦
草 2Ai-2 染色体特异 EST-PCR 标记 P4 和 P68 分别
对第二部分同源群二体异代换系与中国春杂交 F2群
体进行检测, 发现部分植株中外源染色体长、短臂
间标记的分离(表 3)。说明该染色体在向 F2代传递过
程中长、短臂间发生了结构上的变异(图 1和图 2)。

表 3 二体异代换系与中国春杂交 F2群体中 2Ai-2染色体臂间特异标记的分离
Table 3 Segregation in F2 generations derived from the crosses between disomic substitution lines and Chinese Spring
detected using 2Ai-2 specific markers of P4 and P68
P4单带型
Single band of P4 marker
P68单带型
Single band of P68 marker
变异株
Variant
群体编号
Code of
popula-
tion
二体代换系
Disomic
substitution
line
总株数
Total num-
ber of
plants
植株数
No. of plants
比例
Ratio (%) a
植株数
No. of plants
比例
Ratio (%) a
植株数
No. of plants
比例
Ratio (%) b
R1108 N420 77 18 85.7 3 14.3 21 27.3
R1110 N439 74 19 95.0 1 5.0 20 27.0
R1104 N431 80 7 46.7 8 53.3 15 18.8
R1106 N452 65 10 90.9 1 9.1 11 16.9
a 占变异株的比例。b 占群体总株数的百分比。
a Percentage of the plants with single band of P4 or P68 marker to the total variant plants。b Percentage of the total plants with single
band to total plants of the generation.



图 1 以短臂特异 EST-PCR标记 P4检测部分 F2群体的琼脂糖
凝胶电泳图
Fig. 1 Agarose gel electrophoresis of partial F2 plants using
specific EST-PCR marker P4 on 2Ai-2S
1–7: F2 plants; 8: Chinese Spring; 9: Common wheat Zhong 8601;
10: Th. intermedium; 11: 2Ai-2(2D)-substitution line N431; 12:
2Ai-2(2B)-substitution line N439. Arrow shows specific band of
chromosome 2Ai-2.



图 2 以长臂特异 EST-PCR标记 P68检测部分 F2群体琼脂糖凝
胶电泳图
Fig. 2 Agarose gel electrophoresis of partial F2 plants using
specific EST-PCR marker P68 on 2Ai-2L
1–10: F2 plants; 11: Chinese Spring; 12 and 13:
2Ai-2(2D)-substitution lines N431 and N452. Arrow shows specific
band of chromosome 2Ai-2.

在 2Ai-2(2B)代换系 N420 和 N439 的 F2代中,
2Ai-2染色体发生结构性变异的植株(P4或 P68单带
型)所占的比例几乎相同(27.3%和 27.0%), 且短臂
P4阳性株(P4单带型)比例均远大于长臂 P68阳性株
(P68单带型)比例, 短臂阳性株数分别约为长臂阳性
株数的 6倍和 19倍。暗示 2Ai-2染色体短臂更容易
在配子中保留, 而长臂则更容易丢失。
在 2Ai-2(2D)代换系 N431 和 N452 的 F2代中,
2Ai-2 染色体发生结构性变异的植株所占的比例也
较接近 (18.8%和 16.9%), 但 N431 的 F2 代群体
(R1104)中长、短臂标记阳性株比例相近 , 各占
53.3%和 46.7%; 而 N452的 F2代群体(R1106)中, 短
臂 P4阳性株比例远高于长臂 P68阳性株比例, 此结
果与 2Ai-2(2B)代换系杂种 F2代的结果一致。
对比来看, 2Ai-2 染色体在小麦 2B 代换背景中
的变异率高于在 2D背景中的变异率。
2.2.2 同臂双标记分离(臂内变异) 从 4个二体异
代换系的 F2群体中随机选择 2个群体 R1104和 R1110
(2B、2D代换各一个), 长、短臂各增加 1个标记(短
臂标记 P36, 长臂标记 P41), 进行更详尽的检测(图 3
和图 4)。发现 R1104的长、短臂双标记检测结果与
428 作 物 学 报 第 35卷

单标记的结果几乎完全吻合(R1104 的 74 株中, 有
73株同臂双标记结果完全一致, 仅 1株 R1104-88出
现 2 个长臂标记的分离, 表现为 P68 标记有带, P41
标记无带)。推断 2Ai-2 染色体在二体异代换系与中
国春杂种后代中的结构变异很可能主要由着丝点处
断裂和错融合造成。然而, 在 R1110 的 74 株中, 有
61株与单标记结果完全吻合, 13株发生同臂双标记
分离。R1110 是由 3 个 F1 单株(R1110-1, R1110-2,
R1110-3)自交后代组成, 在 3 个 F2株行中, 随机取
29株, 24株和 21株提取 DNA。在发生同臂双标记
分离的 13 个单株中, 有 12 株来自同一株系 R1110-
2。且同臂双标记分离的 13株全部出现于短臂(均表
现 P4 标记有带, P36 标记无带)。R1110-2 中出现较
多臂内双标记分离的单株, 原因尚待进一步研究。
以短臂标记 P36 对 R1103 的检测结果表明, 该
群体也存在同臂双标记分离现象, 但与 R1110 群体
的类型不同。R1110主要类型为 P4标记有带 P36标
记无带, 而 R1103中 P4标记无带 P36标记有带的类
型比例较高, 其中在双标记检测的 65 个单株中有 7
株发生了同臂双标记分离, 变异率达 10.8%。可见
2Ai-2S(2AS)代换背景中的外源端体在杂种后代中
也发生了结构变异。



图 3 以短臂特异 EST-PCR标记 P36检测部分 F2群体的聚丙烯
酰胺凝胶电泳图
Fig. 3 Polyacrylamide gel electrophoresis of partial F2 plants
using specific EST-PCR marker P36 on 2Ai-2S
1: Chinese Spring; 2: Th. intermedium; 3 and 4: 2Ai-2(2D)- substi-
tution lines N431 and N452; 5: 2Ai-2S(2AS)-ditelosome substitu-
tion line N530; 6: Wheat-2Ai-2 disomic addition line Z6; 7:
2Ai-2(2B)-substitution line N420; 8–18: F2 plants. Arrow shows
specific band of chromosome 2Ai-2.



图 4 以长臂特异 EST-PCR标记 P41检测部分 F2群体的聚丙烯酰胺凝胶电泳图
Fig. 4 Polyacrylamide gel electrophoresis of partial F2 plants using specific EST-PCR marker P41 on 2Ai-2L
1: Chinese Spring; 2: Th. intermedium; 3 and 4: 2Ai-2(2D)-substitution lines N431 and N452; 5–29: F2 plants. Arrow shows specific
band of chromosome 2Ai-2.

2.3 用基因组原位杂交检测中间偃麦草 2Ai-2 染
色体的结构变异
荧光显微镜下观察到作为阳性对照的 R1106-1-
5中一条完整 2Ai-2染色体单价体显示黄绿色荧光的
杂交信号(图 5-a), 长臂标记阳性、短臂标记阴性的
R1104-62 中一条单价体的一个臂显示黄绿色荧光杂
交信号(图 5-b), 说明 2Ai-2 染色体长臂与某一小麦
染色体在着丝点断裂处连接形成了易位。短臂标记
阳性、长臂标记阴性的 R1110-3-6中, 一对显示黄绿
色信号的姊妹染色体端体在后期 I提早分离(图 5-c),
表明 2Ai-2 染色体在着丝点处发生断裂, 长臂丢失,
短臂以端体形式存在于 F2代。而短臂末端区(即 P4
标记)阳性、其他标记阴性的 R1110-2-21中仅有一小
片段显示黄绿色荧光信号(图 5-d, 图 5-e)。由于该变
异类型在 F2群体中占有一定的比例, 推测 2Ai-2 染
色体在短臂近末端区某处易发生断裂。以上原位杂
交显示的结果与分子标记检测结果完全吻合, 说明
利用定位的 EST 转化的中间偃麦草 2Ai-2 染色体特
异 PCR标记手段检测外源染色体的变异类型和传递
力是一种可靠的方法。
3 讨论
普通小麦是典型的异源多倍体物种, 拥有 3 个
亲源关系密切的基因组。外源染色体的导入可能产
生 A、B或 D 3种不同类型的代换系。某些外源染色
体携带的性状在不同代换系间表现明显差异, 如大
麦 2H染色体携带 α-淀粉酶抑制剂基因, 当 2H导入
小麦后, 各代换系种子中 α-淀粉酶的活性均比对照
中国春明显降低, 其中降落值以 2H(2B)最高, 2H(2A)
次之, 2H(2D)最低[20]。但对同一外源染色体产生的
不同代换系之间, 外源染色体通过杂种向后代的遗
传传递力是否存在差异的研究, 目前鲜见报道。
本试验尽管 BC1 群体偏小, 可能在数据分析上
存在一定的偏差, 但两个 2D代换系中 BC1含外源染
色体的植株数一致低于期望值, 相比之下两个 2B代
换系中 BC1 含外源染色体的植株数一致接近理论
值。因此仍反映出不同遗传背景对 2Ai-2 染色体传
递力影响的差异。在 2B 代换背景中, 2Ai-2 染色体
第 3期 张 悦等: 2Ai-2染色体在小麦部分同源染色体代换背景中的遗传 429




图 5 2Ai-2染色体变异株花粉母细胞的原位杂交图谱
Fig. 5 GISH analysis of 2Ai-2 chromosome in pollen mother cells for structural variance
a~d: 箭头示中间偃麦草 2Ai-2 染色体或片段(地高辛标记的黄绿色荧光信号), 可明显地区别于小麦染色体(红色信号, PI 染色)。a:
R1106-1-5 花粉母细胞减数分裂中期 I, 显示黄绿色荧光的完整中间偃麦草 2Ai-2 染色体以单价体形式存在 , 作为阳性对照; b:
R1104-62 花粉母细胞中期 I, 一单价体的一臂显示黄绿色信号, 表明 2Ai-2 染色体长臂与小麦某染色体臂发生了易位; c:R1110-3-6 花
粉母细胞减数分裂后期 I, 一对提早分离的姊妹染色体短臂端体显示黄绿色信号; d和 e: R1110-2-21花粉母细胞减数分裂中期 I, 对比
e (绿光激发)中箭头所指可以明显观察到 d (蓝光激发)中显黄绿色荧光信号的中间偃麦草 2Ai-2染色体片段。
a–d: GISH patterns of the pollen mother cells (PMC) at metaphase I (MI) and anaphase I (AI), the probe signal color in yellow–green of the
Th. intermedium 2Ai-2 chromosome or its fragment (shown by arrowhead) can be distinguished from the red color (PI) of wheat chromo-
somes. a: PMC of R1106-1-5 in MI. As control, a whole univalent of 2Ai-2 chromosome shows the probe signal color in yellow–green. b:
PMC of R1104-62 at MI, one arm of an univalent shows the probe signal color and another one shows red color. c: PMC of R1104-3-6 at AI,
in which a pair of telosomic daughter chromatids display the hybridization signal. d and e: PMC of R1110-2-21 at MI, showing a small
fragment of 2Ai-2 chromosome, with fluorescence excitated by blue (d) and green light (e), respectively.

在杂种中通过雌配子的传递力正常, 而通过雄配子
的传递力略高于 2B染色体, 因此, F2代携带外源染
色体的植株比例比理论值高; 而在 2D 代换背景中,
2Ai-2 染色体在杂种中通过雌配子的传递力比理论
值下降幅度较大, 通过雄配子的传递力也略低于 2D
染色体, 导致 F2代携带外源染色体的植株比例比理
论值低。从实际应用角度考虑, 选配亲本时以异代
换系为父本 , 后代中将有较大概率获得携带 2Ai-2
染色体或片段的植株 , 而选用 2B 异代换系也将比
2D异代换系更容易产生具有 2Ai-2染色体或片段的
植株。
张文俊等[5]在研究携带黑麦 6R染色体的配子在
小麦背景中传递率时发现 6R 通过雄配子的传递率
(10.3%)高于通过雌配子的传递率(8.8%), 但二者差
异不显著, 且传递率均较低。本研究中 2Ai-2染色体
通过雌配子的传递率达到 21.4%~52.9%, 而通过雄
配子的传递率达到 41.2%~69.3%, 依不同遗传背景
而异。说明不同外源染色体的传递率差异较大。贾
旭等 [6]以中 5 为桥梁亲本用不同的选育方法获得 3
个具有 BYDV抗性的二体异代换系(遗 4212、77422
和 HG295)。唐顺学等[21]用原位杂交的方法证明, 遗
4212 和 HG295 中携带 BYDV 抗性的染色体是中间
偃麦草 St-E易位染色体, 也即为附加到 Z1、Z2、Z6
中的外源染色体 2Ai-2。本实验室创造的 5个二体异
代换系正是以二体异附加系 Z6 为原始亲本[12]获得
的。唐顺学等[6]曾证明以上 3个二体异代换系虽然选
育方法不同, 但都是 StE/2D代换系,认为在二体代换
系选育过程中 StE染色体有优先代换小麦 2D染色体
的倾向, 并认为可能是因为该染色体与小麦 2D 染
色体亲缘关系更近导致。本研究结果显示, 与 2D染
色体代换的 2Ai-2 染色体在杂合状态下的传递率却
不如 2D, 在 2个 2Ai-2(2D)代换系的杂种 F2代中, 外
源染色体的植株比例比理论值低, 而在 2 个 2Ai-2
(2B)代换系的杂种 F2 代中, 携带外源染色体的植株
比例比理论值高, 说明小麦 2B染色体与 2Ai-2染色
体处于杂合状态时, 外源染色体 2Ai-2比 2B表现优
430 作 物 学 报 第 35卷

先传递的倾向。
当外源染色体处于单价状态时表现不稳定, 极
易发生断裂。基于细胞学观察, 张学勇等[4]发现, 小
麦与长穗偃麦草杂种回交后代的部分植株在减数分
裂后期出现多条染色体同时断裂现象, 使不同染色
体通过断口联结形成新的易位成为可能 ; 任正隆
等[22]观察到附加在小麦细胞中的黑麦染色体单体在
减数分裂过程中高频率断裂、破碎和丢失, 同时引
起小麦染色体的断裂和丢失, 断裂的黑麦和小麦染
色体以较高频率重新融合形成罗伯逊易位, 破碎的
黑麦染色体的 DNA 片段可以整合在小麦染色体上;
Sears 等[23]认为处于单价状态的小麦和外源染色体
错分裂后在着丝点处进行错融合是着丝点融合形成
的细胞遗传学机制。本研究中用于检测小麦背景中
的中间偃麦草 2Ai-2染色体的特异 EST-PCR标记是
根据定位于小麦 2B 染色体不同区段上的 EST 序列
所设计。由于中间偃麦草 2Ai-2 染色体和小麦第二
同源群染色体的部分同源性和共线性, 2Ai-2染色体
不同区段上的特异 EST-PCR 标记检测结果的分离,
可大致反映出该染色体的结构变异情况。在 4 个二
体代换系的杂种 F2 中均发现异臂标记分离的植株,
变异率 16.9%~27.3%, 且大多数同臂双标记检测结
果一致。原位杂交结果印证了外源染色体在传递过
程中的多数变异确实是由着丝粒处断裂产生。同时
也证明了利用分子标记研究染色体变异的可靠性。
标记检测将减少大量盲目的细胞学镜检工作, 将其
重点聚焦在带有目标染色体的植株上。根据本研究
异臂双标记检测结果, 短臂标记阳性植株比例远大
于长臂标记阳性植株比例, 说明 2Ai-2 染色体短臂
更利于在杂种后代中保留和传递。本实验室曾筛选
获得 3份短臂端体材料 2Ai-2S(2D)代换系 N523, 2Ai-
2S(2AS)代换系 N530 和 2Ai-2S 附加系 N545[24], 而
用相同的选育方法未获得 2Ai-2 长臂端体材料, 这
与上述结论吻合。唐顺学[6]对异代换系与小麦杂种
F2群体的原位杂交并未发现 2Ai-2 染色体这种结构
性变异, 可能反映出小麦遗传背景对 2Ai-2 染色体
结构变异作用的差异。此外, 本研究发现少数植株
出现同臂双标记的分离(包括 2AS代换系 N530的杂
种后代), 其中 85.7%的变异植株来自于同一株系 ,
说明 2Ai-2 染色体短臂上的某一位点容易发生断裂,
产生比短臂更小的片段。然而这种片段如果不通过
同源易位连接到小麦染色体上, 则由于缺少着丝粒
而容易在减数分裂后期丢失。
研究外源染色体在小麦背景下的遗传行为可以
通过抗病性(源于携带的外源染色体)鉴定方法, 统
计抗、感病单株频率来进行[25-26]。通过表型标记的
鉴定, 较为简单, 但抗病性受发病条件等环境条件
的影响, 可能导致结果不准确。同时, 单一性状也不
能反映外源染色体的变异情况。通过分带研究传递
率 [27-28], 除细胞学工作量大外, 分带受实验条件影
响较大, 不易稳定。通过染色体原位杂交检测外源
染色体传递[6]较为直观、稳定, 而且能了解特定染色
体组成类型的频率, 也很容易检测染色体结构变异,
是研究小麦背景下外源染色体遗传行为快速而准确
的方法, 但对实验条件和染色体制片技术要求较高,
有一定的难度, 工作量大且成本高。利用分子标记
辅助手段追踪外源染色体或片段来研究传递率, 方
法简单、经济, 可以直接以 DNA 的形式表现, 在生
物体的各个组织、各个发育阶段均可检测, 不受季
节、环境限制, 也不存在表达与否等问题; 许多标记
表现为共显性的特点, 能区别纯合体和杂合体; 使
用定位的 EST-PCR标记在研究外源染色体传递率的
同时还能了解外源染色体的变异情况, 因此它不失
为研究小麦背景下外源染色体传递行为和结构变异
的一种简便快捷而有效的方法。试验选择了本实验
室已开发的较为稳定且重复性较好的 EST-PCR标记
用于大量群体的检测, 特别针对双臂标记出现分离
的植株和同臂双标记出现分离的植株进行了 1~2 次
重复, 结果是可靠的。
4 结论
不同的小麦代换背景对 2Ai-2 染色体在杂种后
代的传递具有不同的影响。与 2D代换相比, 2B代换
背景更利于 2Ai-2 染色体在杂种中的传递; 且其雄
配子比雌配子传递率更高; 2Ai-2染色体传递过程可
发生以着丝粒断裂为主的结构性变异, 长臂在传递
过程中比短臂更容易丢失。同时证明了分子标记是研
究外源染色体传递行为的一种快捷而有效的方法。
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