全 文 ：第 28卷　第 1期
　2010 年 3 月　 　 　
四川农业大学学报
Journal of Sichuan Ag ricultur al Unive rsity
　 　 Vol.28　No.1
M ar.2010
　　收稿日期:2009- 12- 24
基金项目:国家自然科学基金(30901052);　四川省科技厅青年基金项目(08ZQ026-036);　四川农业大学青年基金项目
(01130500)。
责任作者:周永红(E-mail:zhouyh@sicau.edu.cn)
两个鹅观草与披碱草属间杂种的染色体配对分析
张海琴 , 凡　星 , 付　敏 , 周永红
(四川农业大学 小麦研究所 , 四川 都江堰 , 611830)
摘要:通过人工远缘杂交 , 成功获得老芒麦(E lymus sibiricus L., 2n=4x=28)与大鹅观草(Roegneria grandis
Keng , 2n=4x=28)及鹅观草(R.kamoji Ohwi , 2n=6x=42)与Wawaw ai披碱草(E.wawawaiensis J.R.Carlson &
Barkw or th , 2n=4x=28)属间杂种 F1 植株。分析杂种减数分裂染色体配对行为显示:E.sibiricus × R.grandis染
色体配对构型为 17.90Ⅰ +4.90Ⅱ+0.10Ⅲ;R.kamoj i × E.wawawaiensis的构型为 11.02Ⅰ +11.96Ⅱ+0.02Ⅲ 。
结果表明:老芒麦与大鹅观草存在一个染色体组的部分同源关系(St), 鹅观草与 Waw awai披碱草具有 2 对同源的
染色体组(St和 H)。本试验结果与前人细胞学报道一致 ,支持大鹅观草具有 StY 染色体组。鹅观草属与披碱草属
具有不同的染色体组组成 ,应为两个独立的属。
关键词:鹅观草;披碱草;属间杂交;减数分裂;染色体配对
中图分类号:S543+.2;S543+.9　　文献标识码:A　　文章编号:1000-2650(2010)01-0005-05
Meiotic Analysis of Two Intergeneric Hybrids between
Roegneria and Elymus(Poaceae:Triticeae)
ZHANG Hai-qin , F AN Xing , F U Min , ZHOU Yong-hong
(T riticeae Research Institute , Sichuan Ag ricultur al Unive rsity , Dujiangyan 611830 , Sichuan , China)
Abstract:Tw o arti ficial hybrids , E lymus sibiricus ×Roegneria g randis and R.kamoj i ×E .
wawawaiensis , were obtained successfully through intergeneric crosses.The meio tic conf igura-
tions of the tw o hybrids w ere 17.90Ⅰ +4.90Ⅱ+0.10Ⅲ in E.sibiricus×R.grand is and 11.02Ⅰ
+11.96Ⅱ+0.02Ⅲ in R.kamoj i×E.wawawaiensis , respect ively.The results indicated that R .
grand is shared one set of modified S t genome w ith E.sibiricus , while R .kamoj i contained tw o ge-
nomes(S tH), which w ere homolo gous to those of E .wawawaiensis.The data obtained from the
experiment agree w ith previous cytogenetic data , which proves that R.grandis contains the S tY
genomes.Species in Roegneria and Elymus possess different genome const itut ion , indicating that
Roegneria and E lymus are tw o valid g enera in Triticeae.
Key words:Roegneria;Elymus;intergeneric hybridizat ion;meio tic pairing;genome
　　鹅观草属(Roegneria C.Koch)是小麦族(Tri t-
iceae Dumor t.)中最大的属 ,全世界约有 130余种 ,
主要分布于北半球的温寒地带[ 1] 。我国约有 70 余
种 ,主要分布于西北 、西南和华北地区 ,模式种为高
加索鹅观草 R.caucasica C.Koch[ 2] 。它们为多年
生植物 ,许多种类是优良的牧草 ,饲用价值较高 ,有
些物种还具有抗赤霉病和白粉病特性[ 3] 。细胞学研
究表明观草属物种大多为四倍体(2n=28),其基本
染色体组为 StY ,但也有一些物种为六倍体(2n=
42),染色体组为 StYH 或 StStY[ 4] 。目前 ,关于鹅
观草属作为一个独立的属 ,还是归并于披碱草属 ,仍
存在争议。中国学者普遍接纳鹅观草属[ 2 , 5 , 6] ,但欧
洲和美洲的许多学者及《中国植物志(英文版)》将鹅
观草属作为披碱草属处理[ 4 , 7 , 8] 。
　　　 四川农业大学学报 第 28卷
披碱草属(E lymus L.)是小麦族中一个重要的
多年生属。根据 Dew ey[ 4]和 Löve[ 7] 的分类处理 ,广
义披碱草属是小麦族中最大的一个属 ,全世界约
150多个种。它们几乎分布于全球温带和暖温带地
区 ,包括欧亚大陆 、南美洲 、北美洲以及大洋洲 ,非洲
北部也有少量分布。在中国 ,采用狭义披碱草属 ,大
约有 12种 ,主要分布于北方高纬度和青藏高寒地
区 , 含有 StH 染色体组 , 模式种为 E.sibiricus
L.[ 5] 。
染色体组分析法 ,即通过种间或属间杂交 ,分析
杂种 F 1的减数分裂染色体配对行为来判断两亲本
间的染色体组关系及探讨物种的染色体组组成情
况 ,在小麦族中已得到广泛应用 ,并建立了一个以染
色体组为分类依据的新分类系统[ 4 , 6 , 7] 。前人已对
鹅观草属与披碱草属进行了大量种间和属间杂交 ,
其中 ,种间杂交的数量远大于属间杂交[ 9-11] 。本试
验在前人研究的基础上 , 新报道老芒麦(E.sibiri-
cus , 2n=4x=28)与大鹅观草(R.grandis Keng , 2n
=4x=28)及鹅观草(R.kamoj i Ohw i , 2n=6x =
42)与 Wawaw ai 披碱草(E.wawawaiensis J.R.
Ca rlson &Barkw or th , 2n=4x =28)两个属间杂种
F1 的减数分裂染色体配对情况 ,进一步充实或证实
小麦族细胞学资料 ,为小麦族生物系统学研究和利
用小麦族种质资源进行麦类作物育种积累资料。
1　材料和方法
1.1　材　料
供试材料的来源及染色体组情况见表 1。PI 编
号材料由美国国家植物种质资源库(N ational Plant
Germplasm System , Pullman , Washing ton , USA)
友情提供;其他材料来自四川农业大学小麦研究所 。
所有材料栽培在四川农业大学小麦研究所多年生种
质圃 ,凭证标本藏于四川农业大学小麦研究所植物
标本室(SA UTI)。
1.2　研究方法
1.2.1　属间杂交
分别以老芒麦和鹅观草为母本 , 大鹅观草与
Wawaw ai披碱草为父本进行属间杂交。对母本小
花人工去雄 ,套以玻璃纸袋 ,当柱头张开后 ,授以父
本新鲜花粉 ,套袋隔离 。成熟时收获杂交种 ,统计杂
交结实率。第二年播种期(9月)将杂种种子在培养
皿中 25 ℃恒温发芽 ,后移栽于盆中。
1.2.2　染色体配对分析
取杂种及亲本减数分裂盛期的幼穗 ,用卡诺氏
Ⅱ(95%乙醇∶氯仿∶冰醋酸 =6∶3∶1 , vol/vol)
固定 ,24 h后转入 75%酒精 ,贮藏于 4 ℃冰箱中备
用 。醋酸洋红染色 ,压片观察并统计至少 50个以上
亲本及杂种 F1 的花粉母细胞(pol len mo ther cel l ,
PMC)减数分裂中期 Ⅰ染色体配对行为 ,计算其染
色体构型 。C-值(平均染色体臂配对频率 , the mean
pairing f requency)按 A lonso 等[ 12]方法计算。当 C-
值>0.50时 ,来自两亲本配对的染色体同源;若 C-
值<0.50 ,则认为亲本的染色体不同源[ 13] 。C-值越
高 ,染色体同源性越高 ,反之 ,C-值越低 ,染色体同源
性越低 。体细胞数目观察按 Lu 等[ 14] 方法进行。
2　结果与分析
2.1　属间杂种的获得
属间杂种未采用幼胚拯救技术 ,直接通过人工
远缘杂交技术获得。两个杂交组合 , E.sibiricus ×
R.grandis和 R .kamoj i × E.wawawaiensis分别
得到 3和 4粒发育良好的杂种种子 ,并得到 2 和 4
株生长旺盛且能正常抽穗的植株(表 2)。所有杂种
植株均不育 ,自交不结实。
2.2　亲本和杂种花粉母细胞染色体配对行为
亲本和杂种的花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ染色
体配对构型列于表 3。亲本的减数分裂正常 ,染色
体配对以环状二价体为主 ,四倍体物种形成 14个二
价体 , R.kamoji大多形成 21个环状二价体 ,有频率
极低的单价体(0.28/细胞)出现 。
表 1　供试材料
Table 1　The materials used in this study
种名
Species
编号
Accession No. 2n 基因组Genome 来源Origin
Roegneria grandis Keng ZY 3158 28 StY 陕西临潼 Lintong , Shanxi
Roegneria kamoj i Ohwi ZY 1007 42 StYH 四川都江堰 Dujiangyan , Sichuan
E lymus sibiricus L. Y 2906 28 StH 甘肃合作 Hezuo , Gansu
E lymus wawawaiensis J.R.Ca rlson & Barkw or th PI 516188 28 StH 美国俄勒冈州 Oregon , USA
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第 1 期 张海琴(等):两个鹅观草与披碱草属间杂种的染色体配对分析 　　　
表 2　鹅观草与披碱草属间杂交结果
Table 2　Results of intergeneric hybridization between Roegneria and Elymus
杂交组合
Combina tions
授粉小花数
No.of emasculated flore ts
结实率 Seed set
No. %
发芽率 Seed germina ted
No. %
E.sibiricus × R.grand is 32 3 9.4 2 66.7
R.kamoj i × E.wawawaiensis 25 4 16.0 4 100　　
表 3　亲本和杂种花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ染色体配对
Table 3　Meiotic associations at metaphase Ⅰ in PMCs of the parental species and the F1 hybrids
亲本和杂种
Pa rents and
hybrids
2n
观察细胞数
No.of cells
observed
染色体构型 Chromosome associations
Ⅰ
Ⅱ
总计
To tal
环状
Ring
棒状
Rod
Ⅲ
交叉值
Chiasmata/cell
C-值
c-value
大鹅观草
Roegneria grandis
28 50 - 14.00(14) 13.43(11 ～ 14) 0.57(0～ 3) - 27.43(25～ 28) 0.98
鹅观草
Roegneria kamoj i
42 50 0.28(0 ～ 2) 20.86(20～ 21) 20.40(19 ～ 21) 0.46(0～ 2) - 41.24(39～ 42) 0.98
老芒麦
E lymus sibiricus 28 50 - 14.00(14) 13.43(12 ～ 14) 0.57(0～ 2) - 27.43(26～ 28) 0.98
Wawaw ai披碱草
E lymus wawawaiensis 28 50 - 14.00(14) 13.64(13 ～ 14) 0.36(0～ 1) - 27.64(27～ 28) 0.99
老芒麦×大鹅观草
E.sibiricus × R.grand is 28 83 17.90(0 ～ 24) 4.90(2～ 8) 0.94(0 ～ 5) 4.01(0～ 6) 0.10(0 ～ 1) 6.08(2 ～ 12) 0.22
鹅观草×Wawaw ai披碱草
R.kamoj i × E.wawawaiensis 35 50 11.02(9 ～ 23) 11.96(6～ 13) 10.06(1 ～ 10) 1.99(2～ 8) 0.02(0 ～ 1) 15.43(10～ 23) 0.55
　　杂种 E.sibiricus × R.grandis 体细胞数为
28。在减数分裂中期 Ⅰ ,平均形成 17.90个单价体 ,
4.90个二价体和 0.10个三价体。每细胞平均交叉
频率为 6.08 , C-值为 0.22(图)。在观察的 83 个
PMCs中 ,形成 5个二价体的细胞最多 ,占 36.15%
(图 1 , A);其次为出现 4 个和 6 个二价体 ,分别占
28.92%和 21.69%(图 1 ,B , C)。57.83%的 PMCs
在减数分裂中期 Ⅰ形成 5 ～ 6个二价体 , 10.00%的
细胞出现了三价体(图 1 , D)。杂种 R.kamoj i ×
E.wawawaiensis体细胞数为 2n =35。观察 50 个
杂种 PMCs减数分裂中期 Ⅰ染色体配对行为显示 ,
染色体配对频率较高 ,平均每细胞形成 11.96个二
价体 ,其变化范围为 6 ～ 13;11.02个单价体 ,变化范
围为 9 ～ 23;0.02个三价体 ,变化范围为 0 ～ 1(图 1 ,
E , F)。平均每细胞交叉数为 15.43 ,C-值为 0.55。
在减数分裂后期 Ⅰ和后期 Ⅱ ,两个杂交组合均
出现不规则减数分裂现象 ,如出现落后染色体 ,染色
体桥 ,多极分裂及微核等 。
3　讨　论
3.1　大鹅观草染色体组分析
Zhang 等[ 10] 通过分析一系列种间和属间杂种
染色体配对结果显示 , 大鹅观草含有鹅观草属的
StY染色体组 。但于海清[ 15] 基因组原位杂交结果
显示 ,大鹅观草可能具有两组部分同源的 S t染色体
组 。若大鹅观草含有两组 St染色体组 ,则其与披碱
草属物种(含 S tH 染色体组)杂交 ,应出现较高频率
的三价体 ,如 Lu 等[ 11] 报道的同源三倍体杂种 R.
elytrigioides ×Pseudoroegneria spicata(St1St2St)平
均每细胞形成 2.86 个三价体 ,最高的达 6 个三价
体/细胞 。但本实验中 ,杂种 E.sibiricus(2n=28 ,
StH 染色体组)×R.grand is的染色体配对构型为
17.90Ⅰ +4.90 Ⅱ +0.10 Ⅲ ,平均每细胞仅形成
0.10个三价体 ,在观察的 83 个 PMCs 中 ,仅 8 个
(10.00%)细胞形成了三价体 ,变幅为 0 ～ 1。Zhang
等[ 1 0] 报道的相似组合 R.grandis ×E.caninus(2n
=28 , StH 染色体组)染色体构型为 15.93Ⅰ+5.84
Ⅱ+0.13 Ⅲ ,三价体出现的频率也较低。此两组杂
交组合出现三价体的频率远低于 Lu等[ 11] 报道的同
源三倍体杂种 ,表明大鹅观草具有两组部分同源的
St染色体组的可能性不大。
Zhang 等[ 10] 报道杂种 R.cl iaris var.japonensis
(2n=28 , S tY 染色体组)×R.grand is平均每细
胞形成 13.27个二价体 ,染色体配对程度很高 ,表明
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　　　 四川农业大学学报 第 28卷
图 1　E.sibiricus × R.grandis和R.kamoji × E.wawawaiensis花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ染色体配对
Figure 1　Meiotic pairing at MI in hybrids of E.sibiricus × R.grandis and R.kamoj i × E.wawawaiensis
A ～ D:E.sibiricus × R.grandis , A.18Ⅰ +5Ⅱ;B.20Ⅰ +4Ⅱ;C.16Ⅰ +6Ⅱ;D.15Ⅰ +5Ⅱ+1Ⅲ(箭头所
示).E , F:R.kamoj i × E.wawawaiensis , E.11Ⅰ +12Ⅱ;F.19Ⅰ +8Ⅱ.Bar represents 10μm.
大鹅观草含有鹅观草属的 S tY 染色体组。因此 ,从
细胞遗传学水平支持了大鹅观草含 StY染色体组 。
然而 ,染色体组分析法本身存在一定的局限性 ,如染
色体配对抑制因子影响染色体配对 ,对染色体同源
关系的推论存在一定的人为因素等 ,都影响我们对
物种染色体组成的推断 。从形态上看 ,大鹅观草外
稃先端具短芒 , 与阿拉善鹅观草(R .alashanica
Keng),大丛鹅观草(R.magnicaesp ies D.F.Cui)及
昌都鹅观草(R .elytrigioides Yen et J.L.Yang)一
起 ,属于鹅观草属无芒类群 ,但它们的染色体组组成
却存在差异。昌都鹅观草具有两组部分同源的 S t
染色体组 , St1 St2 ,将其归于拟鹅观草属中[ 1 1] ;阿拉
善鹅观草和大丛鹅观草含有一组 St染色体组 ,另一
组染色体组成未知[ 16 , 17] ;大鹅观草含 StY 染色体
组[ 10] 。关于这 4个鹅观草属无芒类群物种的生物
系统学关系有待进一步研究。
3.2　鹅观草与披碱草属间关系
鹅观草属与披碱草属是小麦族中最重要的两个
多年生属 ,它们大多是我国优良的牧草或用于改良
普通栽培小麦的优良种质 ,其研究一直受到全球学
者的关注[ 1 , 4 , 6 , 9] 。尽管通过近百年的广泛研究 ,其
属间关系和系统学地位尚存在很大的争议 ,争议的
焦点是将其合为一个属还是独立成属[ 1 , 4 , 7] 。从形
态上看 ,披碱草属每一穗轴节上一般着生 2 或 3 个
小穗 ,而鹅观草属的每个穗轴节上仅着生 1个小穗;
从地理分布上看 ,披碱草属主要分布于南半球 ,而鹅
观草属主要分布于北半球;从遗传物质组成看 ,披碱
草属含有 S tH , StHH , StStH 染色体组 ,而鹅观草
属具有 S tY , StYH , StStY 染色体组 。由于地理条
件等因素限制 ,以前的研究多限于属内种间杂交 ,如
北美学者着重于研究披碱草属物种 ,而我国学者对
鹅观草属的研究较多[ 9 , 13] ,对属间杂交 ,尤其是不同
地理分布的之间的杂种报道较少 。
本研究中 ,我们进行了分布于我国的鹅观草
(R .kamoj i)与来自北美洲的Wawaw ai披碱草属间
杂交 ,并对其杂种 F 1 减数分裂染色体配对行为进行
了分析 。杂种减数分裂染色体配对程度较高 ,平均
形成 11.96个二价体 ,表明杂种中有两组染色体存
在同源关系 ,即来自北美的披碱草所含的 StH 染色
体组与鹅观草(R.kamoj i)所含的 S tH 染色体组具
有较高的同源性。Sakamo to[ 18] 报道鹅观草与披碱
草属间杂种 E.sibiricus × Agropy ron tsukushiense
(=R.kamoj i)减数分裂构型为 16.38Ⅰ +8.93 Ⅱ+
0.25Ⅲ+0.01Ⅳ ,其形成二价体的数目略低于本实
验结果 ,表明不同来源的 StH 染色体组之间发生了
一定程度的分化。E.sibiricus主要分布于亚洲 ,而
E.wawawaiensis则来自美国 Wawaw ai湖 ,两者的
地理分布差异可能导致其遗传物质发生了分化 。关
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第 1 期 张海琴(等):两个鹅观草与披碱草属间杂种的染色体配对分析 　　　
于小麦族 StH 染色体组的分化问题 ,目前我们正在
进一步研究中。
参考文献:
[ 1] 　Baum B R , Yen C , Yang J L.Roegneria:i t s generic limit s
and jus tif ication for it s recog ni tion [ J] .Canadian J ourna l o f
B otany , 1991 , 69:282-294.
[ 2] 　耿以礼 , 陈守良.国产鹅观草属 Roegneria C.Koch之订正
[ J] .南京大学学报(生物学), 1963 , 1:1-92.
[ 3] 　Wan Y F , Yen C , Yang J L.T he diversity of head-scab re-
si stance in t ri ti ceae and thei r relat ion to ecological conditions
[ J] .E uphyt ica , 1997 , 97:277-281.
[ 4] 　Dewey D R.Th e genome system of classif ication as a guide to
intergeneric hybridization w ith the perennial T riti ceae [ C] //
Gu staf son J P(ed.).Gene Man ip ulation in P lant I mprove-
ment.New York:Plenum Press , 1984:209-279.
[ 5] 　郭本兆.中国植物志第 9卷 3分册[ M] .北京:科学出版社 ,
1987:7-104.
[ 6] 　Yen C , Yang J L , Yen Y.Hitoshi Kihara , skell Lö ve and
the modern genet ic concep t of the genera in the t ribe Tri ticeae
(Poaceae)[ J] .A cta Ph ytotaxonom ic S in ica , 2005 , 43:82-
93.
[ 7] 　Lö ve A.Conspectu s of the Trit iceae [ J] .Fedd es Reper t ,
1984 , 95:425-521.
[ 8] 　陈守良 , 朱光华.中国植物志(英文版)22[ M] .北京:科学出
版社 , 2006:391.
[ 9] 　卢宝荣 , S alom on B.种间杂种染色体配对所揭示的披碱草属
植物 S tY基因组分化及其进化意义[ J] .生物多样性 , 2004 ,
12:213-226.
[ 10] 　Zhan g X Q , Yang J L , Yen C.Th e genome const itut ion of
Roegner ia g rand is (Poaceae , T ri ticeae)[ J] .P lant S ystem-
at ics and E volut ion , 1998 , 209:67-73.
[ 11] 　Lu B R.M eiot ic analysi s of the intergeneric hybrids between
P seudoroegner ia an d tet raploid E ly mus [ J] .Ca thaya , 1994 ,
6:1-14.
[ 12] 　Alonso L G , Kimber G.Th e analy sis of m eiosi s in hybrids.
Ⅱ.Triploid hyb rid s [ J] .Canadian Journa l o f Genet ics an d
Cy tolog y , 1981 , 23:221-234.
[ 13] 　Wang R R-C.Genome relationships in th e perennial T riti ceae
based on diploid hybrids and beyond [ J] .Hered itas, 1992 ,
116:133-136.
[ 14] 　Lu B R , von Bothmer R.Intergeneric hyb ridiz at ion between
Hord eum and A siat ic Elymus [ J] .Hered itas , 1990 , 112:
109-116.
[ 15] 　于海清.拟鹅观草属四倍体物种的分子细胞遗传学研究[ D] .
雅安:四川农业大学博士学位论文 , 2007.
[ 16] 　张新全 , 颜　济 , 杨俊良 , 等.纤毛鹅观草同阿拉善鹅观草 、
大丛鹅观草间杂种细胞学研究[ J] .云南植物研究 , 2000 , 22
(2):155-160.
[ 17] 　Zh ang H Q , Zh ou Y H , Zheng Y L , et al.Morph ological
an d cy tological studies on h ybrid f rom Roegneria g rand is ×
R.a lashanica(Poaceae:Trit iceae)[ J] .Guihaia , 2002 , 22
(4):352-356.
[ 18] 　Sakamoto S.Cy togenet ical studies on arti ficial hybrids am ong
E lymus sibir icus , E.dahuricus and Ag ropy ron tsukushiense
in the t ribe Trit iceae , G ramineae [ J] .Journal o f P lant Re-
search , 1982 , 95(4):375-383.
(本文审稿:唐宗祥;责任编辑:巩艳红;英文编辑:李清源)
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