小麦-黑麦小片段易位系的分子细胞遗传学分析

为选育具有经济价值的带有黑麦R染色体组小片段的小麦-黑麦育种基础材料,对小麦-黑麦5R/5A×6R/6A代换系杂交后代的8份高代材料6-30、6-31、7-1、7-9、7-13、7-21、7-22和7-28进行形态学、细胞学观察,及SSR分析和GISH检测。结果表明,8个品系田间生长整齐、育性正常,具有大穗、多小穗,抗白粉病、叶锈病等优良性状;对其中2个品系7-1和7-9进行花粉母细胞减数分裂观察,发现大多数细胞染色体构型为2n=21Ⅱ,具有良好的遗传稳定性;选择黑麦R染色体通用引物及5R、6R染色体上的微卫星引物共8对,对8个品系进行SSR分析,结果表明8个品系都有黑麦5R或6R染色体片段的导入,进一步进行GISH检测,发现5个品系6-31、7-1、7-13、7-21、7-22都存在黑麦杂交信号,为小麦-黑麦小片段易位系。本研究综合多种手段鉴定的8份材料皆为小麦-黑麦小片段易位系,在育种上具有利用价值。     

小麦——黑麦易位系的研究

为了创制在小麦生产上有经济价值和在小麦育种中有利用价值的小麦—黑麦易位系,用小麦—黑麦代换系5R/5A与6R/6A杂交,在杂种后代中选择带有某些黑麦性状的普通小麦类型植株,并按性状继代选择直至稳定为止,至F6代共选出9个品系即6-26、06-60-11、06-6-24、06-6-15、06-6-35、6-34、6-28、06-6-17、06-6-14。本文对这9个品系及其亲本进行了田间观察和遗传分析,结果表明：它们田间表现生长整齐一致、遗传稳定、育性正常,具有大穗、多小穗、多分蘖、抗病、抗旱等优良性状;选择分布在黑麦5R和6R染色体上的微卫星引物共20对,结果表明引物SCM268在6-26、06-60-11、06-6-15、06-6-35、6-34、6-28、06-6-17、06-6-14这8个品系中扩增出黑麦特异产物,初步确定这8个品系是易位系,是有经济价值和利用价值的遗传材料。     

簇毛麦NBS类R基因相关序列的分子标记开发及其染色体定位

小麦近缘种簇毛麦携带许多尚未克隆的抗病(R)基因。NBS-LRR类型的R基因占已克隆植物R基因的绝大多数,因此,本研究根据NBS-LRR类型R基因的保守序列设计引物,从簇毛麦基因组DNA和cDNA中扩增获得23条相关序列。基于其中5条抗病基因同源序列(RGAs)H-56/d6、H-66/b2和CDS40设计引物,对小麦、簇毛麦、硬-簇双二倍体及其杂种以及已知携带个别簇毛麦染色体或染色体臂的小麦材料进一步进行PCR扩增,结果表明:3对引物均可对簇毛麦、硬-簇双二倍体进行特异扩增;同时,源于序列H-66/b2的引物可对1VL和6VL染色体臂进行特异扩增;源于序列CDS40的引物可在同时携带1VL和2VS或同时携带2VS和4V的小麦材料以及具有6VL的小麦材料中特异扩增,而H-56/d6的引物在携带1VL、2VS、4V和6V染色体臂或染色体的小麦背景中都不能获得目的片段的扩增。这些结果不仅为外源染色体臂在小麦背景中的追踪与鉴定提供了新的分子标记,而且这些标记还与外源染色体或染色体臂上的抗病基因或抗病基因同源物紧密连锁或共分离。     

含有抗白粉病基因的黑麦染色体小片段向小麦的转移

利用感白粉病的小麦品种绵阳11的纯系和黑麦自交系R12杂交, 在其单体附加系自交后代的BC₁F₅株系中选择小麦－黑麦异源易位系。根据已报道的黑麦特异重复序列pSc20H设计了一对特异引物, 用PCR方法鉴定了300个单体附加系的自交BC₁F₅株系,发现其中70个株系含有黑麦染色体成分。一个来源于6R单体附加系的小麦株系96Ⅱ691-830-98表现了对白粉病的高度抗性, PCR方法鉴定证明其含有黑麦染色体成分。对该株系作进一步的基因组原位杂交(GISH)鉴定, 证明它的一对染色体的端部含有黑麦染色体的小片段。这一结果指出, 含有抗白粉病基因的黑麦染色体6R小片段被引入了小麦。研究表明利用单体附加诱导染色体小片段易位是一种有效的方法。利用PCR和GISH原位杂交相结合的方法可提高检测外源染色体小片段的准确性和选择效率。     

利用普通小麦与近缘属间的复合杂交创造小麦新种质

利用永368(普通小麦)与春品-11(白壳、六倍体小黑麦) 、人工合成小麦双二倍体、柱穗山羊草进行复合杂交,采用系谱法,按照宁夏小麦品种选育目标,经过连续十年的选择,培育出10个稳定优良品系,分别为春节1、2、3、4、5、6号和春山1、2、3、4号.它们与宁夏目前生产上的主栽品种宁春4号所属的遗传类群不同,品质也有明显改进.染色体组原位杂交和醇溶蛋白电泳鉴定结果表明,新创造的7个选系是黑麦染色体1B/1R易位系,另外一个品系是涉及黑麦其他染色体的易位系.     

黑麦基因组特异DNA片段的分离与SCAR标记的建立

以2个栽培黑麦、2个野生黑麦和4个普通小麦为材料,从200条10碱基RAPD随机引物中筛选出1条引物H11。H11在小麦中有1条低拷贝扩增,而在黑麦中却有极高拷贝的扩增。对H11在黑麦中的高拷贝片段进行克隆、测序,得其全长679 bp,记作OPH11679。根据OPH11679设计特异PCR引物H11-F和H11-R,对小麦族其它物种和含黑麦染色质的物种进行验证,结果发现仅含黑麦染色质的物种能扩增出长为643 bp的片段(命名为pScH643),这表明该片段为黑麦所特有。用H11-F和H11-R对1套中国春-Imperial黑麦附加系等进行扩增,结果显示pScH643片段分布在黑麦整套染色体上,这一结果在小麦-黑麦异源材料的分析中得到进一步验证。即表明pScH643片段可作为SCAR标记用于含黑麦染色质材料的检测。     

小麦主栽品种中的1RS分布和兰考90(6)系列白粉病新抗源

利用黑麦染色体臂1RS的特异性PCR标记,对黄淮麦区138个小麦主栽品种、系进行了PCR扩增,结果表明：有42．0%的小麦品种、系携带1RS染色体臂。以六倍体小黑麦Mzalenod Beer为黑麦染色体供体,培育的兰考90(6)系列小麦品系是新的小麦-黑麦1BL／1RS易位系。这些品系对小麦白粉病具有很高的抗性,是小麦抗白粉病育种的新抗源。对兰考90(6)系列品系白粉病抗性进行了研究,结果表明,兰考90(6)系列品系的抗谱与许多已经知道的小麦抗白粉病基因的抗谱不同,并具有数量抗性特点。     

K型小麦细胞质雄性不育保持系T911289中外源遗传物质的初步鉴定

利用荧光基因组原位杂交(GISH)、生化标记和DNA分子标记技术对普通小麦(Triticum aestivum L.)K型细胞质雄性不育保持系T911289的染色体组成进行了鉴定与分析.GISH鉴定和黑麦特异散布重复序列的检测结果表明, T911289的外源遗传物质来源于黑麦,黑麦1RS上的微卫星引物SCM9扩增结果和醇溶蛋白酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)分析、低分子量谷蛋白的SDS-PAGE分析均表明,T911289所含的黑麦遗传物质来源于1RS;A-PAGE和SDS-PAGE分析及小麦1BS上的微卫星引物的扩增结果则表明,T911289缺少1BS染色体臂或1BS末端片段.GISH鉴定结果还表明,T911289中有罗泊逊易位和小片段易位两种类型的杂交信号,说明T911289是一个异质群体,但其罗泊逊易位又不同于生产上大面积应用的1BL/1RS易位,它可能是一种新的复杂易位形式.虽然T911289的小片段易位未能打破优异农艺性状与劣质蛋白基因的连锁,但这种小片段易位的获得将有利于小麦和黑麦的遗传研究,这种种质材料在育种上的应用价值也应优于罗泊逊易位.     

利用小麦微卫星引物建立簇毛麦染色体组特异性标记

选位于普通小麦1A-7A、1B-7B、1D-7D染色体上的102对微卫星引物对多年生簇毛麦、二倍体簇毛麦、小麦-簇毛麦双二倍体与后代和普通小麦中国春、R25、R111、MY11进行了PCR扩增, 发现引物对Xgwm301可以在含簇毛麦染色体的材料中扩出一条长415 bp的特异片段(命名为Xgwm301/415), 而所有供试小麦均未扩出此片段。进而用一套中国春-二倍体簇毛麦附加系来进行扩增, 发现1V-7V染色体均可以扩出该片段, 说明该片段为簇毛麦1V-7V染色体所共有。因此, Xgwm301/415是簇毛麦染色体组上的一个特异片段, 可以用来快速跟踪检测导入到普通小麦背景中的簇毛麦染色体。     

K型小麦细胞质雄性不育保持系T911289中外源遗传物质的初步鉴定

利用荧光基因组原位杂交(GISH)、生化标记和DNA分子标记技术对普通小麦(triticum aestivum L.)K型细胞质雄性不育保持系T911289的染色体组成进行了鉴定与分析。GISH鉴定和黑麦特异散布重复序列的检测结果表明,T911289的外源遗传物质来源于黑麦,黑麦1RS上的微卫星引物SCM9扩增结果和醇溶蛋白酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A—PAGE)分析、低分子量谷蛋白的sDS_PAGE分析均表明,T911289所含的黑麦遗传物质来源于1RS;A-PAGE和SDS-PAGE分析及小麦1BS上的微卫星引物的扩增结果则表明,‘1911289缺少1BS染色体臂或1BS末端片段。GISH鉴定结果还表明,‘1911289中有罗泊逊易位和小片段易位两种类型的杂交信号,说明T911289是一个异质群体,但其罗泊逊易位又不同于生产上大面积应用的1BL／1RS易位,它可能是一种新的复杂易位形式。虽然T911289的小片段易位未能打破优异农艺性状与劣质蛋白基因的连锁,但这种小片段易位的获得将有利于小麦和黑麦的遗传研究,这种种质材料在育种上的应用价值也应优于罗泊逊易位。     

中间偃麦草染色体2Ai-2特异PCR新标记的建立和St基因组特异序列的克隆

中间偃麦草麦、小麦和小麦－中间偃麦草2Ai－2附加系Z1、Z2、X6,代换系ZD28等进行RAPD分析,从320个RAPD引物中,鉴定出2Ai－2染色体特异的2个RAPD标记OPO05650和OPMO414000。利用这2个特异OPO05和OPM04,PCR扩增普通小麦CS（ABD）及其近缘植物中间偃麦草（E1E2St）、拟鹅冠草（St）,长穗偃麦草（E）、簇毛麦（V）、黑麦（R）、大麦（H）粗山羊草（D）等基因组DNA。结果表明,OPO05650和OPO41400均是2Ai－2染色体上St基因组区域的特异标记。将上棕2个特异片段分离回收、克隆、测序,根据测序结果重新设计、合成特异引物,成功地转换RAPD标记为SCAR（sequence characterizked amplifed region）标记SC－05和SC－M4。利用SCAR标记对不同材料进行分析的结果表明,凡含有2Ai－2染色体的抗黄矮病材料及拟鹅冠草均产生一条扩增带,不含2Ai－2染色体的材料,包括小麦、长穗麦草、簇毛麦、黑麦、在麦、粗山羊草以有含有其他他中间偃麦草染色休的附加系,均没有扩增产物,说明上棕2个SCAR标记是中间偃麦草2Ai－2染色体的特异性PCR标记,且是2Ai－2染色体上St基因组区域的特异性标记。克隆与鉴定中间偃麦草的2个SCAR扩增片段TiSCO5和TiSCM4。结果表明,克隆的中间偃麦草TiSCO5和TiSCM4特异片段,分别是St基因组特异性的寡拷贝序列有多拷贝重复序列,为St基因组遗传研究的新探针。     

非洲黑麦染色体特异性标记的建立与应用

以非洲黑麦、小麦-非洲黑麦双二倍体、安岳排灯麦等为材料筛选100条ISSR引物。其中, 引物UBC815可在非洲黑麦中扩增出1条长561 bp的特异性片段(命名为pSaUBC815₅₆₁), 而小麦对照均未扩出该片段。引物UBC815同样能在黑麦属的瓦维洛夫黑麦(Secale vavilovii Grossh.)、森林黑麦(Secale sylvestre Host.)等5个种扩增出pSaUBC815₅₆₁。根据pSaUBC815₅₆₁设计特异PCR引物U815-F、U815-R, 对小麦族多物种进行扩增, 表明pSaUBC815₅₆₁为黑麦属特有。进而利用一套中国春-Imperial黑麦二体附加系及小麦-黑麦异源材料进行扩增, 结果显示, pSaUBC815₅₆₁分布在黑麦整套染色体上, 并且所有后代材料都能扩增出pSaUBC815₅₆₁, 表明pSaUBC815₅₆₁可作为特异性标记用来检测小麦背景中的黑麦染色质。     

黑麦1R染色体特异性PCR引物的分子证据

根据黑麦（ＳｅｃａｌｅｃｅｒａｌｅＬ．）与小麦（ＴｒｉｔｉｃｕｍａｅｓｔｗｕｍＬ．）ｒＲＮＡ基因间隔区序列差异,按Ｋｏｅｂｎｅｒ设计的引物序列,合成了黑麦特异引物ＮＯＲ－Ｒ１。运用该引物对不同植物材料进行ＰＣＲ扩增,观察表明,含有黑麦１Ｒ染色体的植物均扩增出黑麦的特异带,但含有其他黑麦染色体的小麦种质,普通小麦品种及其近缘物种长穗偃麦草（Ａｇｒｏｐｙｒｏｎｅｌｏｎｇａｔｕｍ（Ｈｏｓｔ）Ｂｅａｕｖ）     

小麦——黑麦染色体易位系的细胞学鉴定

用C－带技术分析了普通小麦“中国春”、黑麦“胜利”及小黑麦与普通小麦经辐射处理的后代中产生的并经多代纯化的5个带有黑麦某些性状的普通小麦品系的根尖染色体,结果表明：品系98－5－1为1A／1R纯合易位系,具有抗锈病、抗白粉病等基因,可作为诱导小片段易位的资源。作者提出在小麦－黑麦易位系鉴定中应用更高分辩率的G－带技术识别黑麦染色体片段或小片段易位。     

小麦—黑麦异代换及小麦种内易位系的分子细胞遗传学检测

研究应用基因组原位杂交、染色体C-分带和RAPD技术,对八倍体小黑麦×普通小麦杂种F2经电离辐射处理后的高代材料98-60进行了检测。基因组原位杂交结果表明,该材料为小麦-黑麦异代换系。进一步通过C-分带分析表明,该品系为5R代换系,并且还包含有5AS/6AS小麦种内的染色体易位。通过RAPD分析,在该品系中找到了来源于八倍体小黑麦亲本"新麦73"的黑麦染色体特异扩增产物OPA-01350和与两个亲本不同的特异重组产物OPF-14800、OPF-14920,进一步验证了基因组原位杂交和C-分带的鉴定结果。     

利用杀配子染色体2C诱导中国春-黑麦二体附加系染色体畸变的研究

将中国春-黑麦(1R-7R)二体附加系与中国春-2C(Aegilops cylindrica)二体附加系杂交,获得F1,对F1体细胞染色体进行C分带鉴定和花粉母细胞减数分裂行为的观察与分析,发现减数分裂行为异常。对自交获得的430株F2进行单株染色体C分带和荧光原位分子杂交鉴定,检测到易位、缺失、等臂染色体、双着丝点染色体等染色体畸变类型。此外还检测到2C与小麦2A、2B、2D染色体的二体或单体自发代换系。杂交F。染色体畸变的规律与频率如下：研究共得到含黑麦染色体的变异22株,变异频率为5,1％。其中含黑麦染色体的易位系为10株,占2,3％;缺失12株,占2．79％;黑麦的等臂染色体3株,占O．7％。易位染色体既有含小麦着丝点的(大部分),也含有黑麦着丝点的(仅1例)。黑麦的染色体畸变中,发生于不同同祖群的频率不同,1R为5个,2R为3个;3R为1个;4R为3个;5R为6个;6R为4个。易位多为端部易位。共鉴定出小麦的缺失系54株,其中A基因组有27个,占6.27％;B基因组有20个,占4,65％;D基因组有7个,占1.66％。对杀配子染色体对小麦及黑麦不同同祖群染色体作用的差异性及作用特点进行了探讨。     

用染色体工程法培育小麦新品种

染色体工程是培育小麦新品种的有效方法。利用5B染色体效应及定向选择,将黑麦抗条锈基因导入普通小麦,选育出的M8003品系,对条中22—29号等7个生理小种完全免疫,农艺性状良好。核型鉴定,2n=42,含4条随体染色体;Giemsa C-带和N-带分析,以及杂种F_1染色体配对分析,初步判断属于2BS/2RS端部易位和5AL/5RL部分易位。它不同于洛夫林10、13号等1B/1R类型的抗条锈基因,为一新的小麦-黑麦类型条锈抗源,而且是可供生产直接利用的优良品系。     

大麦1H特异性CAPs标记和ASA标记的创制

选取大麦1H染色体的STS标记MWG913特异性扩增小麦,把得到的片段进行克隆.用Taq酶切分类并测序,把得到的序列同大麦的序列进行比较.依据比较结果,选取对大麦特异的内切酶,用该酶来酶切大麦、小麦、黑麦、长穗偃麦草、中间偃麦草、簇毛麦的MWG913扩增产物,获得对大麦1H染色体特异的CAPs标记.同时,依据酶切位点碱基的差异设计引物对扩增的产物进行第二次扩增,得到该位点的一对染色体特异性ASA标记.     

大麦1H特异性SAPs标记和ASA标记的创制

选取大麦1H染色体的STS标记MWG913特异性扩增小麦,把得到的片段进行克隆。用Taq Ⅰ酶切分类并测序,把得到的序列同大麦的序列进行比较,依据比较结果,选取对大麦特异的内切酶,用该酶来酶切大麦、小麦、黑麦、长穗偃麦草、中间偃麦草、簇毛麦的MWG913扩增产物,获得对大麦1H染色体特异的CAPs标记。同时,依据酶切位点碱基的差异设计引物对扩增的产物进行第二次扩增,得到该位点的一对染色体特异性ASA标记。     

小麦-黑麦1BL/1RS 易位染色体和外源染色体在两个三属杂种中的减数分裂行为

利用荧光原位杂交技术分析了两个小麦-外源种杂种花粉母细胞中1BL/1RS 小麦-黑麦易位染色体和外源染色体包括中间偃麦草(Thinopyrum intermedium (Host) Barkworth & DR Dewey)、簇毛麦(Haynaldia villosa (L.) Schur)染色体的减数分裂行为. 我们首次发现:在减数分裂后期, 1BL/1RS 小麦-黑麦易位染色体发生错分裂,形成两个易位染色单体. 这种错分裂导致易位染色单体在末期Ⅰ分配到两个正在形成的细胞核内,错分裂的易位染色单体进一步形成微核,并在四分体期观察到黑麦的微核出现.从贵农22×遗4095 的F2代植株中检测到一个2n=41的植株,其含有一对1BL/1RS 小麦-黑麦易位染色体,核型分析表明,其中一条黑麦染色体臂比另一条的黑麦染色体臂短1/3左右.在遗4212×遗4095的F2代中检测到一个具有中间偃麦草染色体小片段易位到小麦染色体端粒部分的小麦-中间偃麦草易位植株.这可能是由于在减数分裂过程中发生非均等分裂导致小麦-黑麦1BL/1RS易位染色体的黑麦染色体段臂缺失1/3及小麦-中间偃麦草非罗伯逊易位.在两个杂种F2植株中,中间偃麦草染色体分布频率为39.6%, 簇毛麦染色体分布频率为43.4%, 1BL/1RS 小麦-黑麦易位染色体分布频率分别为51.8%和56.6%.实验结果表明,1BL/1RS 小麦-黑麦易位染色体与外源染色体包括中间偃麦草、簇毛麦染色体在减数分裂过程中没有相互作用.小麦-黑麦1BL/1RS易位染色体在减数分裂过程中可以发生错分裂,并导致杂种后代黑麦染色体臂发生缺失.这对于培育以小麦为背景含有不同长度的黑麦1R染色体短臂的种质及小麦-外源染色体非罗伯逊易位的小片段易位系具有指导意义.