全 文 ：披碱草属的醇溶蛋白研究
杨瑞武1 , 周永红2 , 郑有良2
(四川农业大学 1.基础部;　2.小麦研究所 , 四川 雅安　625014)
摘要:应用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(APAGE)对披碱草属的 12 个物种进行了醇溶蛋白电泳分析 ,结果表明:①披
碱草属(Elym us L.)植物具有明显的醇溶蛋白多态性 , 六倍体物种的醇溶蛋白带纹明显多于四倍体的物种 ,并且基
本包含了四倍体物种所具有的带纹;②物种间的醇溶蛋白图谱差异能够反映一定的系统关系 ,但也存在与形态学资
料不一致的地方;③E.excelsus 、E.subm uticus和 E.virginicus含有丰富的醇溶蛋白亚基 , 可以作为麦类作物品质改
良的理想种质资源。
关键词:披碱草属;醇溶蛋白;亲缘关系
中图分类号:Q949.71+4.206　　文献标识码:A　　文章编号:1000-2650(2000)01-0011-04
　　麦醇溶蛋白是麦类植物种子胚乳中的主要贮藏
蛋白 ,在成熟种子中 ,醇溶蛋白约占总蛋白含量的
40%。醇溶蛋白在结构上为单亚基 ,经过酸性聚丙
烯酰胺凝胶电泳(Acid poly acrylamide gel elec-
trophoresis ,简称APAGE)后 ,其电泳谱带按其分子
量的大小和迁移率的不同 ,分为α、β 、γ、ω4 个区。在
遗传上 ,醇溶蛋白的编码基因主要位于第一部分同
源群染色体短臂和第六部分同源群染色体短臂
上[ 14 , 19] 。醇溶蛋白在小麦品种间及麦类近缘植物
种间 、种内不同居群间存在明显的差异 ,其电泳图谱
的带纹多少及组合方式完全受基因型控制 ,几乎不
受环境的影响 , 可以构成品种的指纹(Finger
print)[ 6 , 7 , 15 ,21 , 22] 。近年来 ,国内外已将醇溶蛋白电
泳分析应用到遗传育种和种子生产上 ,如品种鉴定 、
种子纯度检验 、亲缘关系分析 、代换系 、易位系和体
细 胞 无 性 系 变 异 鉴 定 、 品 质 预 测 等 方
面[ 1 ,6 ,10 , 11 ,15 , 21 ,22] 。麦醇溶蛋白酸性聚丙烯酰胺凝
胶电泳技术 ,作为资源鉴定的有效手段 ,可以用于解
决收集资源材料的重复问题 ,提高麦类作物种质资
源保存和利用的效率;同时 ,可以用于研究某些小麦
近缘种属的起源和演化[ 7] 。
披碱草属(E lymus L .)是禾本科(Poaceae)小麦
族(Triticeae Dumo rtier)中的一个重要经济属 ,其中
含有许多牧草 ,如老芒麦(E.sibiricus L .)和加拿大
披碱草(E .canadensis L .)等 ,同时也含有抗普通栽
培小麦(Triticum aest ivum L .)和大麦(Hordeum
vulgare L .)的一些病虫害和抗逆的基因 ,如抗大麦
黄矮病(BYDV)和小麦花叶病(WSMV)病毒[ 20] ,抗
大麦锈病[ 12] 和抗盐[ 18]等 ,而且这些基因能通过现
代遗传和生物技术的方法从野生种类中转移到栽培
小麦和大麦的遗传背景中来。因此 ,作为丰富小麦
和大麦遗传多样性的基因资源库 ,该属植物具有重
要的经济价值。
披碱草属自 1753 年林奈(Linneus)[ 17] 建立以
来 ,曾经有过多次大的变动 ,其分属界限也有很大差
异 。由于该属植物具有分布广泛 、形态多样的特点 ,
致使分类上存在广义披碱草属和狭义披碱草属之
争 。广义披碱草属即将它与近缘的鹅观草属
(Roegneria C.Koch)相合并 ,以组成小麦族中的特
大属。广义披碱草属在全世界约有 150 余种 ,我国
约 120 种 ,包含有 StH 、StY 、StYH 、StYP 、StYW 染
色体组[ 2 , 12 ,16 , 17] 。这一概念目前已被国内多数学
者及草业工作者所摒弃 ,多数禾草学者接受的是狭
义披碱草属概念[ 8 , 9] 。狭义披碱草属在全世界约 30
种 ,我国约 12 种 ,仅包含有 StH 和 StYH染色体组。
但该属植物在分类上仍存在分歧 ,尤其是该属植物
物种间的亲缘关系至今尚不清楚 。有关该属植物在
醇溶蛋白方面的研究尚未见报道 。
本文利用 APAGE 技术对披碱草属的 12 个物
种进行分析 ,旨在对披碱草属植物的醇溶蛋白多样
性进行分析 ,为该属植物的遗传多样性和物种间的
系统亲缘关系以及麦类作物育种对该属植物的利用
提供醇溶蛋白方面的资料。
第 18 卷　第 1 期
2000 年 3 月 　　　　　　　　　 　
四川农业大学学报
Journal of Sichuan Ag ricultural University
　　　　　　　　　 　Vol.18 No.1
Mar.2000
收稿日期:1999-12-19
DOI :10.16036/j.issn.1000-2650.2000.01.004
1　材料与方法
1.1　实验材料
供试材料为披碱草属的 12 个物种。醇溶蛋白
标准材料为中国春(T .aestivum L.cv.Chinese
Spring)。所有供试材料见表 1。
1.2　方　法
本实验采用 ISTA(1986)颁布的酸性聚丙烯酰
胺凝胶电泳(Acid poly acrylamide gel elect rophoresis ,
简称 APAGE)(pH3.1)标准程序(稍加改进)电泳分
析醇溶蛋白[ 1 , 6 , 15] 。电泳仪器为北京六一仪器厂的
DYY-Ⅲ2 型电泳槽。具体方法如下:
表 1　实验所用材料
Table 1　The materials used in the study
序号
No. 材　料Materials 种　名Species 染色体数目Chromosome No. 染色体组Genomes 编　号Accession 来　源Origin
0 中国春 T .aestivum cv.Chinese Spring 42 ABD - 四川农业大学小麦研究所
1 老芒麦 E.sibiricus 28 StH Y0486 新疆乌鲁木齐
2 犬　草 E.caninus 28 StH Y1843 新疆哈巴河
3 垂穗披碱草 E.nutans 42 StYH Y0672 新疆塔什库尔干
4 披碱草 E.dahuricus 42 StYH Per89 青海———
5 麦宾草 E.tangutorum 42 StHH Y2078 四川康定
6 短芒披碱草 E.brev iaristatus 28(42) - Y0465 新疆———
7 圆柱披碱草 E.cy lindricus - - Y0572 新疆温宿
8 肥披碱草 E.excelsus - - Per100 黑龙江———
9 无芒披碱草 E.submuticus - - Y2887 青海兴海
10 加拿大披碱草 E.canadensis - - Per91 Montana
11 弗吉尼亚披碱草 E.virginicus - - Per151 四川康定
12 天蓝披碱草 E.glaucus - - Pr218 Idaho
　　①样品提取:每份材料取 10 粒种子称重 ,用钳
夹碎后放入 1.5mL 离心管中 ,按 1mg 加 5μL 的比
例加入样品提取液(25% 2-氯乙醇+0.05%甲基
绿),振荡器上振荡混匀 ,室温浸提过夜 。使用前
1000r/min 离心 10min。取上清液点样。
②溶液配制:凝胶缓冲液(1L)———冰醋酸
20mL 、甘氨酸 1g ;凝胶溶液 ———丙烯酰胺 10%, N
-N 甲叉双丙烯酰胺 0.4%,尿素 6%,抗坏血酸
0.1%,硫酸亚铁 0.004%,溶于凝胶缓冲液中;10×
电极缓冲液(1L)———冰醋酸 40mL 、甘氨酸 4g ,使用
前稀释 10 倍。
③凝胶制备:取适量(每板大约 40mL)凝胶溶
液 , 按 1mL∶1μL 的比例加入 10%过硫酸胺和
TEMED ,迅速摇匀 。灌胶 ,插好样品梳 ,让其在 5 ～
10min 内完全聚合。
④加样:小心拔出样品梳 ,用电极缓冲液冲洗加
样孔 。每个样品上样量为 10μL。
⑤电泳:恒压 500V 恒温 10 ～ 15℃,电泳时间为
甲基绿前沿指示剂迁移至板底所需时间的 3 倍。
⑥固定和染色:每块凝胶吸取 1%考马斯亮蓝
R250 5mL ,再加 10%三氯乙酸 200mL染色过夜。
⑦保存:7%醋酸中保存 ,照像 。
2　结果与分析
以中国春作为醇溶蛋白标准 ,所有材料在同一
条件下进行电泳 ,结果如图 1 所示。
2.1　披碱草属的醇溶蛋白多样性分析
披碱草属的 12 份供试材料表现出明显的醇溶
蛋白多样性 , 12 个物种共产生 26 条清晰的醇溶蛋
白带纹 ,其中仅 2 条(7.7%)带纹为共同带 , 24 条
(92.3%)为多态性带。从图谱带纹的多少来看 ,其
醇溶蛋白带纹的多少明显与染色体数目有关 ,六倍
体物种的醇溶蛋白电泳条纹明显多于四倍体物种。
E .excelsus 的醇溶蛋白带纹最丰富 ,产生了 23 条清
晰的带纹 ,其次是 E .v irginicus ,产生了 21 条带纹 ,
而 E .caninus 的醇溶蛋白带纹最少 ,仅电泳出 9 条
带纹 ,其余 9 个物种的醇溶蛋白带纹数相差无几 。
2.2　物种间的醇溶蛋白带型比较
12 个物种的醇溶蛋白电泳图谱带型可以明显
地分为 3 种类型:①E .sibiricus 、E.caninus 、E.
brev iaristatus、E .canadensis 和 E .glaucus 的醇溶
蛋白带纹主要分布于α区和 ω区 ,在 γ区几乎没有
带纹分布;②E.nutans 、E.dahuricus 、E.cylindri-
cus 、E .excelsus 、E.submuticus 和 E.virginicus 在γ
12　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　四川农业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18 卷
图 1　12 种披碱草种子醇溶蛋白的 APAGE 电泳图谱
※:特异性标记带(材料序号见表 1)
区域存在一条明显的共同带纹(图 1),它们的醇溶
蛋白带型可归为一类;③E .tangutorum 的醇溶蛋
白带型与其它披碱草明显不同 ,在 γ区域具有一条
较第二类的共同带纹的醇溶蛋白亚基分子量小的蛋
白质亚基带纹(图 1),其带型可单独成为一类。
2.3　披碱草属物种的醇溶蛋白特异性标记
六倍体物种的醇溶蛋白图谱在 γ区域存在一
条明显的共同带纹 ,初步可以认为此带纹是六倍体
物种的醇溶蛋白特异性标记带纹(图 1)。同是六倍
体的 E.tangutorum ,其染色体组组成是S tHH 而不
是S tYH ,在醇溶蛋白图谱上表现出与其它六倍体
物种有差异的特异性标记带纹 ,其标记的醇溶蛋白
亚基分子量较小 ,特异性带纹迁移较远 ,此带纹可以
作为 E.tangutorum 的醇溶蛋白特异性标记带纹
(图 1)。四倍体物种在醇溶蛋白图谱上没有明显的
特异性带纹。
3　讨　论
本研究结果表明 ,披碱草属的醇溶蛋白存在明
显的多样性 ,物种间的醇溶蛋白图谱差异能够反映
一定的系统关系 ,但也存在与形态学资料不一致的
地方。12 个物种的醇溶蛋白电泳图谱不存在完全
相同的现象 ,表明 12 个披碱草属物种之间存在着明
显的遗传差异 ,具有丰富的遗传多样性 。E .sibiri-
cus 、E .caninus 、E .breviaristatus 、E .canadensis 和
E .glaucus 的带谱相似 , 具有较近的亲缘关系 ,其
中 ,E .sibiricus 和 E .caninus 的带谱相似程度更
大 ,这和形态上它们无根状茎 、自花传粉的共同特点
相一致 ,二者的亲缘关系更近 。但 E.breviaristatus
和E .submut icus 的形态差异较小 ,仅外稃的芒长或
有无以及颖先端是否具小尖头而有别 ,在形态学上
鉴定很困难 ,而二者的醇溶蛋白图谱存在着明显的
区别 , E .breviaristatus 的醇溶蛋白带纹多集中于α
区和 ω区 , E.submut icus 的醇溶蛋白图谱表明在 β
区和γ区存在较多的带纹 , α区的带纹也较 E.bre-
v iaristatus 的多 。
小麦族植物的醇溶蛋白带纹多少与物种的染色
体数目有关 ,染色体数目越多 ,其醇溶蛋白带纹越丰
富 。六倍体的披碱草属物种的醇溶蛋白带纹明显多
于四倍体的物种 ,并且四倍体物种所具有的带纹在
六倍体物种中基本上都存在 ,从醇溶蛋白方面证明
了刘玉红(1985)[ 5] 所推测的披碱草属六倍体物种
的起源方式 ,即:我国的大部分六倍体披碱草可能是
由 E .sibiricus 等几个较原始的四倍体种或个体 ,按
Bowden
[ 13]方式杂交形成少数六倍体杂种 ,然后由
这些杂种或相互杂交 ,或通过地理和生态的影响而
产生染色体结构变异 , 而产生新的类型 、变种或
种[ 5] 。 E.canadensis 和 E.glaucus 与四倍体的 E.
sibiricus 和E.caninus 具有相似的醇溶蛋白图谱 ,
初步可以推测 E .canadensis 和 E .glaucus 为四倍
体物种 ,染色体组为 StH ,这需要核型方面的资料来
证实 。关于 E.brev iaristatus 的染色体组组成有不
同的报道 ,孙根楼等(1990)[ 4]认为其染色体数目为
2n =4x =28 , 而 刘玉红(1985)[ 5] 、卢宝荣等
(1990)[ 3] 认为其染色体数目为 2n=6x =42。本研
究的 E .brev iaristatus 的染色体数目极可能是 2n=
4x=28 。E .tangutorum 的染色体数目虽然也是 2n
=6x=42 ,但其染色体组组成为 StHH ,其醇溶蛋白
图谱与 StYH染色体组的六倍体物种有所不同 ,在
γ区域存在一条特异带纹 。
披碱草属植物除了含有麦类作物的抗病虫害和
抗逆基因外 ,也可以用于改良麦类作物的品质。本
研究表明 , E .excelsus 含有丰富的醇溶蛋白亚基 ,
E .submuticus 和 E.v irginicus 也含有丰富的醇溶
蛋白 ,且其醇溶蛋白的带纹区分十分明显 ,有利于麦
类作物品质改良的遗传操作和选择 ,它们可以作为
麦类作物品质改良的理想种质资源。
13第 1 期　　　　　　　　　　　　　　　杨瑞武(等):披碱草属的醇溶蛋白研究　　　　　　　　　　　　　　　
醇溶蛋白是种子发育特定时期的基因产物。小
麦族植物的种子醇溶蛋白电泳图谱在种属间存在着
明显的多态性 ,种间醇溶蛋白图谱差异的大小可以
作为小麦族植物种间亲缘关系远近的一项指标在小
麦族植物的种质资源研究和麦类作物育种中加以利
用。当然 ,在运用醇溶蛋白电泳技术进行小麦近缘
属植物系统关系研究时 ,应同其它方法结合起来 ,进
行更多的研究 ,综合形态学 、细胞学 、遗传学 、分子生
物学等方面的资料才能真实反映小麦近缘属植物的
系统亲缘关系。
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The Study on the Gliadin of Elymus L.
Y ANG Rui-wu1 , ZHOU Y ong-hong 2 , ZHENG Y ou-liang2
(1.Department of Basic Sciences;　2.T riticeae Research Institute , Sichuan Agricultural University , Yaan 625014 , Sichuan , China)
Abstract:The g liadin pat terns of Elymyus consisting of tw elve species w ere analyzed by using acid poly acry-
lamide gel elect rophoresis(APAGE).The results are as follows:①There are significant gliadin ploymo rphism
in plants of Elymus , among which hexaploid has more gliadin patterns than tetraploid , and the g liadin pat terns
of the latter are contained in the former.②The difference of gliadin maps between species show s that there ex-
ists a certain biosystematic relationship , but some dif ferences f rom morphology data.③Being rich in gliadin ,
E .excelsus , E.submuticus and E .virginicus can become an excellent germplasm source fo r improving the pro-
tein of wheat corps.
Key words:ELY MUS ;GLIADIN;RELATIONSHIP
(本文审稿杨克诚)
14　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　四川农业大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 18 卷