全 文 ：收稿日期: 2000- 11- 15
基金项目: 山西省自然基金
作者简介: 孙黛珍 ( 1964- ) ,女 ,讲师 ,硕士 .
棉属三染色体组 ( A、 D、 G)杂种的细胞遗传学研究
孙黛珍 , 王曙光 , 董俊梅
(山西农业大学农学院 ,太谷 030801)
摘要: 对棉属 A、 D、 G三个染色体组合成的三元
杂种 [陆地棉× (亚洲棉×比克氏棉 ) ]及反交和回
交后代 ,四元杂种 [ (亚洲棉×比克氏棉 )× (陆地
棉×夏威夷棉 ) ]进行了细胞学研究。结果表明 ,三
元杂种 F1以及回交后代 BC4 F1分离出的不育株、
四元杂种 F1不育的主要原因是花粉母细胞减数
分裂异常 ,主要表现为: 大部分染色体为单价体 ,
仅有少量配对成二价体 ,后期Ⅰ 两极分配不均匀 ,
出现多极分离现象 ,并有落后染色体出现。末期出
现大量多分孢子和不正常的四分孢子 ,从而不能
形成正常的花粉粒。三元杂种回交后代 BC4 F1中
的部分可育型 ,花粉母细胞进行减数分裂时 ,大部
分染色体都能联会配对 ,仅个别为单价体 ,因而形
成的花粉粒仅部分正常。 BC4 F1的可育型花粉母
细胞进行减数分裂时 ,染色体配对正常 ,表明育性
恢复 ,结实正常。 此外 ,四元杂种花粉母细胞进行
减数分裂时 ,在后期Ⅰ 形成了染色体“桥”。
关键词:棉属 ;染色体组 ;三元杂种 ;四元杂种
中图分类号: S562. 032　　　文献标识码: A
文章编号: 1002-7807( 2001) 04-0204-05
Studies on the Cytogenetics of
Hybrid with Triple Genomes ( A,
D, G) inGossypium
SUN Dai-zhen, W ANG Shu-guang, DONG Jun-
mei
( Agronomy Department , Shanxi Agricul tural
University , Taigu 030801, China )
Abstract: The meiosic chromosome behav ior of
pollen mo ther cells of the t ri speci fic hybrid [G.
hirsutum × (G. arboreum× G. bickii ) ] and i ts
reciprocal cross, as w ell as thei r backcro ss
progenies, of the quardrispecific hybrid w ith A,
D, G genomes w ere studied. The main resul ts
w ere a s fo llow s: the sterile cause of F1 and o f st-
eri le materials BC4 F1 in the trispecific hybrids,
o f the quardrispeci fic hybrid w as that the meio sis
o f pollen mother cells w as abnomal, there w ere
many univalents and only a few biv alents w ere
fo rmed. In anaphaseⅠ , chromosomes seperated
to several directions and fo rmed many backw ard
chromosomes. In telophase Ⅱ , mul tispo res
appeared, so ferti le pollens could no t be fo rmed.
In semisterile materials of BC4 F1 , the
chromosomes could pai r most ly in meiosis, only
a few could no t. In fertile plants o f BC4 F1 , the
chromosomes could pair no rmally in meiosis and
no rmal pollen g rains w ere formed, the fertili ty
w as recovered. Besides, pollen mother cells of
the qua rdrispecific hybrid F1 during meio sis,
chromosome“ bridge” was observ ed in telophase
Ⅰ .
Key words: Gossypium spp; genome; t ri speci fic
hybrid; quardrispeci fic hybrid
原产澳大利亚的野生二倍体比克氏棉 (G.
bick ii )具有一种特殊的子叶腺体延缓发生特性 ,
即种子无腺体 ,但种子萌发后 ,其子叶下胚轴和植
株其它器官和组织均出现腺体。 如果能将此性状
转育到栽培棉上 ,将可产生种子无腺体—植株有
腺体的后代。其种子无色素腺体 ,蛋白质可直接利
用 ,不需做脱毒处理 ,而植株其它器官具有腺体 ,
可避免病、虫、鼠、兔的危害。但是比克氏棉和栽培
棉的亲缘关系很远 ,杂交不易成功 [1 ]。李炳林教授
等 [2, 3 ]用亚洲棉 (G. arboreum )与比克氏棉杂交 ,将
杂种 F1染色体加倍 ,合成了具有比克氏棉子叶腺
体延缓发生性状的新棉种—亚比棉 ,再将亚比棉
与陆地棉 (G. hirsutum )进行正反交 ,合成了三元
杂种 [陆地棉× (亚洲棉×比克氏棉 ) ]及反交 [4 ] ,
后来又以亚比棉为母本 ,以陆地棉×夏威夷棉
(G. tomentosum )为父本 ,配制了四元杂种 [ (亚洲
棉×比克氏棉 )× (陆地棉×夏威夷棉 ) ] ,其 F1高
度不育。本文主要报道了三元杂种和回交后代以
及四元杂种的细胞遗传学研究结果。 为能选育出
种子无腺体、植株有腺体抗虫优质粮棉油三位一
体的优良种质系提供依据。
1　材料和方法
1. 1　材料
陆地棉品种中棉所 16;二元杂种 (亚洲棉×
棉 花 学 报　 Cot ton Science　　 2001, 13( 4): 204～ 208
比克氏棉 ) F1双二倍体 ,陆地棉×夏威夷棉 ;三元
杂种 [陆地棉× (亚洲棉×比克氏棉 ) ]及反交和回
交后代 BC1、 BC2、 BC3、 BC4 ;四元杂种 [ (亚洲棉×
比克氏棉 )× (陆地棉×夏威夷棉 ) ]。
1. 2　试验方法
杂交及回交方法: 杂交时于前一天下午对母
本人工去雄 ,清水冲洗柱头 ,套上腊管 ,次日上午
9∶ 00～ 11∶ 00(太谷地区 )授父本花粉 ,并在花冠
基部滴 50mg· kg-1赤霉素和 320mg· kg-1萘乙酸
保铃 ,回交方法同上。
花粉生活力的染色鉴定:取当天开放的花朵 ,
将花粉粒撒落在载玻片上 ,加 1～ 2滴联苯胺 -甲
萘酚试剂 ,再加一滴 0. 3%过氧化氢 ,盖上盖玻
片 , 5min后置于显微镜下观察 ,凡被染成红色的
则生活力强 ,淡红的次之 ,无色的为没有生活力。
减数分裂的观察: 当花蕾与花瓣等长时 ,取花
蕾用卡诺氏固定液固定 2～ 24h,制片观察。
2　结果与分析
2. 1　腺体延缓性状的表现情况
我们用有酚陆地棉与无酚陆地棉分别与亚比
棉杂交 ,对所得 F1植株的主要器官的腺体密度进
行了观察 (表 1)。
表 1　有酚与低酚陆地棉配制的三元杂种及亲本主要器官的腺体密度
　 Table 1 Gland density in the major tissues of glaned and glandless cotton trispecies and their parents　　个· cm-2
材 料 种子 子叶 叶片 苞叶 萼片
亚洲棉 375. 0± 4. 70 114. 0+ 9. 7 4. 7± 3. 8 75. 3± 6. 8 261. 7± 21. 9
比克氏棉 0 104. 0± 8. 9 205. 0± 29. 3 182. 0± 17. 3 157. 5± 14. 3
有酚陆地棉 219. 4± 24. 7 176. 3± 19. 4 52. 0± 6. 7 86. 3± 11. 4 177. 3± 13. 8
无酚陆地棉 0 0 0 0 0
三元杂种 (有 ) 23. 0± 12. 8 158. 3± 11. 4 51. 0± 6. 3 76. 4± 8. 1 166. 3± 17. 1
三元杂种 (无 ) 0 107. 5± 20. 8 23. 0± 8. 4 53. 4± 8. 7 78. 4± 9. 1
　　从表 1知 ,用无酚陆地棉与亚比棉杂交 ,所得
三元杂种 F1的种子是无腺体的 ,而用有酚陆地棉
配制的三元杂种 F1的种子腺体密度远远低于亲
本 ,而其它各个器官均有腺体 ,这说明比克氏棉的
子叶腺体延缓发生特性在三元杂种中得以表达 ,
其遗传力较强。随后 ,又用有酚陆地棉作轮回亲本
进行回交 ,到 1998年群体已达 200余株。 对回交
后代 BC4 F1群体各器官和种子的腺体密度进一
步进行调查 ,主茎上腺体密度范围为 23～ 184个
· cm-2 ,叶片上为 0～ 232个· cm-2 ,苞叶上为 6～
92个· cm-2 ,萼片为 48～ 172个· cm-2 ,种子有无
腺体和有腺体两种类型 ,可见回交后代中各个器
官的腺体密度分离很大 ,变幅也很广 ,这可能是由
于三元杂种遗传基础特别丰富的缘故。把种子与
营养器官结合起来 ,可分为三种类型:一是种子无
腺体 ,主茎、叶片、苞叶、萼片上有腺体 ;二是种子
有腺体 ,主茎、叶片、苞叶、萼片少 (无 )腺体 ;三是
种子有腺体 ,主茎、叶片、苞叶、萼片上有腺体。 没
有发现种子和植株全无腺体类型。其中种子无腺
体 ,植株有腺体类型约占 30. 4% ,这说明比克氏
棉的腺体延缓发生特性不仅在三元杂种 F1得以
表达 ,而且在回交后代中也分离出来。由此可见 ,
用回交的方法 ,以种子无腺体 -植株有腺体为目
标性状进行轮回选择是有效的。
2. 2　三元杂种及回交后代的细胞学观察
2. 2. 1　花粉生活力和形态观察。三元杂种 F1及
回交后代不育株的花粉粒大多不正常 ,无生活力 ,
[陆× (亚×比 ) ] F1及 [ (亚×比 )×陆 ] F1有生活
力的花粉仅占 2. 76%和 2. 95% , [陆× (亚×比 ) ]
BC4 F1和 [ (亚×比 )×陆 ] BCF1不育型有生活力
的花粉分别为 8. 67%和 9. 32% ,而且花粉粒的形
态各种各样 ,有椭圆形、小圆形、无刺突的、镰刀
形、肾形 ,还有许多花粉粒粘结成块 ,不易散开 ,说
明雄性是不育的。 [陆× (亚×比 ) ]BC4 F1与 [ (亚
×比 )×陆 ]BC4 F1可育型的花粉粒大多都有生活
力 ,被染成红色的达 84. 75%和 83. 53% ,几乎接
近于亲本陆地棉和亚洲棉 ,而且花粉粒大多都是
正常圆形 ,也有小圆形和椭圆形 ,偶尔还可见到肾
形 ,虽然可育型的花粉粒存在个别不正常的 ,但正
常花粉已足以供给其受精所用 ,因而结实正常。
2. 2. 2　三元杂种 F1及回交后代减数分裂的观
察。对三元杂种 F1花粉母细胞减数分裂观察表
明 ,有二价体的细胞为 58个 ,平均每个细胞中的
二价体为 7. 4对 ,其中棒状二价体平均为 3. 2对 ,
占 43. 2% ,环状二价体平均为 4. 2对 ,占 56. 1% ,
有三价体的细胞数为 30个 ,平均每个细胞中的三
价体为 1. 8个 ,在三个细胞中发现了四价体 ,还有
个别细胞完全是单价体 (图版 1)。
对三元杂种 BC4 F1中不同育性类型的花粉母
细胞进行了压片观察 ,不育型的花粉母细胞减数
分裂不正常 , 100%的细胞中都存在单价体 ,少数
染色体联会成棒状或环状二价体 (图版 2) ,有些
细胞中还存在三价体、四价体 ,由于染色体分离的
不同步性 ,致使后期Ⅰ 染色体分向两极的时候 ,落
后染色体不能正常分向两极 ,或丢失或形成微核 ;
这将导致四分孢子中染色体数目不完全而不育。
205　 4期　　　　　　　　　　孙黛珍等: 棉属三染色体组 ( A、 D、 G)杂种的细胞遗传学研究
部分可育型的花粉母细胞进行减数分裂时 ,大部
分染色体都能联会配对 ,仅个别不能 ,在中期Ⅰ ,
大多染色体都整齐地排列在赤道板上 ,但个别不
能同步 (图版 3) ,所以当染色体分向两极时 ,这些
染色体发生随机分离 ,致使形成的二分体有的正
常 ,有的不正常 ,最终导致一部分花粉粒能正常散
粉 ,一部分不能正常散粉 ,所以育性是不完全的。
对可育型的花粉母细胞进行镜检 ,在终变期染色
体完全配对成环状二价体和棒状二价体 (图版
4) ,说明其减数分裂正常 ,能形成可育的花粉粒。
表 2　三元杂种及回交后代的花粉鉴定
Table 2 Pollen identif icat ion of trispecific hybrid and its backcross progenies
材 料 染色鉴定 /%红色 淡红 无色
花粉形态 /%
正常 不正常
陆地棉 93. 02 6. 30 0. 68 94. 78 5. 22
亚洲棉 89. 62 7. 00 2. 75 79. 65 20. 35
[(亚×比 )×陆 ] F1 2. 95 18. 79 79. 26 16. 76 83. 24
[陆× (亚×比 ) ] F1 2. 76 16. 04 81. 2 15. 31 84. 69
[(亚×比 )×陆 ] BC4 F1 (育 ) 83. 53 8. 41 8. 06 82. 94 17. 06
[陆× (亚×比 ) ] BC4 F1 (育 ) 84. 76 7. 77 7. 47 83. 53 16. 47
[(亚×比 )×陆 ] BC4 F1 (不育 ) 9. 32 24. 19 66. 44 28. 01 71. 99
[陆× (亚×比 ) ] BC4 F1 (不育 ) 8. 67 21. 35 69. 98 25. 48 74. 52
表 3　三元杂种 F1 PM C减数分裂染色体的行为
Table 3 Chromosome behavior of PMC of trispecif ic
hybrid in meiosis
类　型 细胞数 总染色体对数 平均数
二价体 环状 58 431 4. 2
棒状 3. 2
三价体 30 54 1. 8
四价体 3 4 1. 3
2. 3　四元杂种 [ (亚×比 )× (陆×夏 ) ]的细胞学
观察
2. 3. 1　四元杂种 F1花粉母细胞减数分裂染色体
的行为。对四元杂种 [ (亚×比 )× (陆×夏 ) ] F124
个花粉母细胞减数分裂观察 ,不能配对的单价体
平均每个细胞中 35. 62个 ,变幅为 20～ 48个。 二
价体平均每个细胞中 6. 13对 ,变幅为 4～ 9对 ,个
别细胞出现三价体和四价体 ,最终导致形成的四
分孢子大多不正常或形成多分孢子 ,染色体的结
构式为 2n= 52= 35. 62Ⅰ + 6. 13Ⅱ + 0. 38Ⅲ +
0. 12Ⅳ。
由于减数分裂过程中 ,染色体配对不正常 ,有
棒状、环状二价体 (图版 5) ,还有三价体和四价体
的出现 ,所以后期Ⅰ染色体向两极分开的时候 ,染
色体交叉、重组 ,出现了双着丝点染色体 ,这些双
着丝点染色体向两极分开时形成了染色体“桥”
(图版 6)。
2. 3. 2　四元杂种 F1小孢子发育时期的观察。 从
表 4可知 ,四元杂种 [ (亚×比 )× (陆×夏 ) ] F1在
末期形成的四分孢子数占 19. 58% (图版 7) ,其中
四个基本一样大仅占到 6. 29% ,形成的多分孢子
有二分、三分、五分……、十二分孢子 (图版 8) ;而
母本亚比棉正常的四分孢子占 76. 92% ,其次形
成较多的六分孢子 ,还有个别三分和五分孢子 ,父
本 (陆×夏 )形成的四分孢子数占 92. 59% ,仅有
少量的三分和五分孢子 ,没有其它多分孢子类型。
表 4　四元杂种及亲本的多分孢子频率
Table 4 Frequency of mult ispores of the quardrispecif ic hybrid and its parents
材　　料 多分孢子类型
12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
(亚×比 ) 0 1. 53 76. 92 6. 26 16. 92 0 0 0 0 0 0
(陆×夏 ) 0 6. 17 92. 59 1. 23 0 0 0 0 0 0 0
[(亚×比 )× (陆×夏 ) ] 4. 89 6. 99 19. 58 18. 18 12. 58 11. 82 12. 58 4. 89 4. 89 2. 09 1. 39
3　讨论
三元杂种 [陆× (亚×比 ) ]包含 A、 D、 G三个
染色体组 ,山西农大棉花育种组经多次回交重复
授粉并在苞叶基部点滴激素的方法 ,使杂种育性
恢复 ,而四元杂种 [ (亚×比 )× (陆×夏 ) ]也包含
A、 D、 G三个染色体组 ,但 A染色体组又包括 A1、
A2、 A3 , D染色体组包括 D1、 D3 ,这样提高了四元
杂种的异质性 ,所以育性较三元杂种难恢复。
206 　　　　　　　　　　　　　　　　　　棉　花　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 13卷
图版说明:
1. 三元杂种 F1 ,示 52条单价体
2. BC4F1不育型 ,示棒状二价体和单价体
3. BC4F1部分可育型 ,示不同步染色体
4. BC4F1可育型 ,示 26对染色体
5. 四元杂种 F1 ,示单价体、环状二价体
6. 四元杂种 F1 ,示后期Ⅰ “桥”
7. 四元杂种 F1 ,示不正常的四分孢子
8. 四元杂种 F1 ,示多分孢子
Explanation of Plate:
1. The t rispecific hybrid F1 , showing 52 monovalents
2. The ste rial mate rial o f BC4 F1 , showing rob-biva lent
and monovalent
3. The semiste rial mate rial o f BC4 F1 , show ing backw ard
chomosomes
4. The fe rtile material o f BC4F1 , showing 26 pairs of
chomosom es
5. The quardrispecific hybrid F1 , showing monova lent
and ring-biv alent
6. The quardrispecific hybrid F1 , show ing telophase Ⅰ
“ bridge”
7. The qua rdrispecific hybrid F1 , showing abno rma l
tetrad
8. The qua rdrispecific hybrid F1 , showing multispor es
207　 4期　　　　　　　　　　孙黛珍等: 棉属三染色体组 ( A、 D、 G)杂种的细胞遗传学研究
　　三元杂种和四元杂种细胞学观察表明 ,在花
粉母细胞减数分裂中期除大量的单价体和少数二
价体外 ,还存在着一定比例的三价体和四价体 ,而
且四元杂种在后期Ⅰ有染色体“桥”的出现。可以
推断 , G和 D或 G和 A染色体之间存在染色体
片断的同源性 ,从而进行染色体交换 ,实现基因重
组。
比克氏棉与栽培陆地棉杂交不易成功 ,且当
杂种与陆地棉回交时 ,比克氏棉的性状难于在回
交后代保留下来 ,我们用亚洲棉与比克氏棉杂交 ,
再用秋水仙碱对杂种进行染色体加倍 ,人工合成
可育的异源四倍体亚比棉 ,用它作中间桥梁与陆
地棉杂交 ,杂种再用陆地棉回交 ,使得杂种的部分
育性恢复 ,并且在回交后代中分离出比克氏棉的
多茸毛类型 ,种子无腺体- 植株有腺体类型 ,亚洲
棉的无苞外蜜腺类型 ,所以在今后的回交转育中 ,
应以这些类型为目标进行轮回选择 ,渴望能得到
既具有陆地棉的优质高产特性 ,又分别具有这些
优良特性的种质系。
参考文献:
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208 　　　　　　　　　　　　　　　　　　棉　花　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 13卷