新型四倍体水稻创制及其杂种优势利用研究进展

新型四倍体水稻是本研究团队创制的一类高育性多倍体水稻新种质,携带有多种优异基因。该类材料与同源四倍体水稻杂交获得的杂种F₁产量优势明显,具有应用前景。本文首先概述了同源四倍体水稻的研究进展,并重点阐述了新型四倍体水稻创制过程、主要特点、杂种优势表现及其涉及的分子遗传机理,最后提出未来研究的思路及需要解决的问题,为加快新型四倍体水稻在多倍体水稻育种中的利用提供依据。     

而今迈步从头越: 马铃薯育种跨入“有种”时代

现代栽培马铃薯(Solanum tuberosum)是同源四倍体, 基因组高度杂合, 遗传组成复杂, 存在严重的自交衰退, 优异性状难以聚合, 使得育种周期漫长, 造成基于种子传代的马铃薯杂交育种难以突破。与此同时, 块茎无性繁殖导致马铃薯繁殖系数低、储运成本高和易携带病虫害等痼疾, 且种薯脱毒成本高, 限制其产业化发展。近期, 中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队运用基因组设计理论和方法体系培育杂交马铃薯, 用二倍体育种替代四倍体育种, 实现了用杂交种子繁殖替代薯块繁殖, 创制了第1代高纯度的二倍体自交系和杂种优势明显的杂交马铃薯品系。该研究是马铃薯育种领域里程碑式的重大成果, 开启了基于基因组设计和种子迭代的马铃薯生物育种新纪元。     

同源四倍体水稻：低育性机理、改良与育种展望

同源四倍体水稻具有籽粒增大、营养成分增加和抗性增强等特点，但其育性普遍偏低，影响产量，无法直接应用。高育性四倍体水稻的成功创制解决了同源四倍体水稻育性偏低的瓶颈问题，然而该类型多倍体水稻能否在生产上推广应用需要进一步探讨。本文总结了同源四倍体水稻及其杂种F1育性偏低的细胞和分子遗传学机理研究的概况，重点介绍了高育性四倍体水稻的主要类型及最新的研究进展，最后提出未来利用新型四倍体水稻开展多代杂种优势等研究的设想，以期为水稻多倍体育种提供参考。     

同源四倍体水稻糯性基因的遗传分析

许多学者研究了二倍体水稻糯性胚乳的遗传。他们指出糯性胚乳是单基因隐性遗传的。二倍体杂种Wx。的自交后代有3种基因型,显隐性比例为3:1。同源四倍体糯稻在。二位点上有4个等位基因,它与非糯稻的杂种后代的基因型种类和表现型比例要比二倍体复杂得多。以双显性WxWxwxwx为例,它的自交后代有,种基因型,其显隐性比例将依染色体、染色单体随机分离和完全均衡分离分别表现为35：1, 20.8:1和19.3:1,而3显性Wxwxwx.wx和单显性Wxwxw二,x杂合体也会依3种分离方式而产生相应的表现型比例。虽然过去对同源四倍体水稻的形态学和细胞学有过一些研究,但同源四倍体水稻单基因遗传的报道尚未见过。为了探索同源四倍体水稻的性状遗传规律,我们先从质量性状人手,对糯性胚乳进行了初步研究,现将观察分析结果报道如下。     

诱导高粱同源四倍体初报

人工诱导高粱多倍体在遗传育种上具有重 要意义。根据遗传学的知识,诱导高粱多倍体 不仅有可能获得具有大粒和蛋白质含量高的高 梁品系,而且如果能在四倍体的基础上三系配 套,配制成四倍体杂交高粱,则有可能较大幅度 地提高现有杂交高粱的产量。此外,通过二倍 体和四倍体杂交,还可能获得同源三倍体,从三 倍体的后代中有可能获得在遗传育种上具有重 要用途的三体材料。     

低能氮离子注入同源四倍体水稻的生物学效应

以低能氮离子束为诱变源,对同源四倍体水稻进行注入处理后,对其生物学效应进行了研究。研究结果表明,同源四倍体水稻比二倍体水稻对低能氮离子束注入处理更敏感。在注入离子剂量为3×1017N+/cm2时,同源四倍体水稻所受到的损伤比二倍体水稻所受到的损伤更严重。4份同源四倍体水稻(即IR36(4)、IR28(4)、紫血稻(4)、明恢63(4))的成苗率分别是2.0%、3.5%、3.0%和4.0%,致死率非常高。在同样条件下,4份相应的二倍体水稻(即IR36(2)、IR28(2)、紫血稻(2)、明恢63(2))的成苗率分别是33.0%、31.5%、29.0%和24.5%,致死率也比较高。在经过注入处理后的当代群体内,4份同源四倍体水稻的平均变异频率为32.5%,而4份相应的二倍体水稻的平均变异频率为9.5%。在同源四倍体水稻IR36(4)和IR28(4)的变异群体内分别发现22株和14株结实率均达到75.0%以上的单株,其中在IR36(4)群体内有1单株的结实率高达91.89%;在紫血稻(4)的变异群体内发现2株具有双胚苗性状的单株;在二倍体水稻明恢63(2)的变异群体内发现1株具有红心米性状的单株。在第二代群体中,除了叶鞘变异和米质变异这两个变异性状能稳定遗传之外,其它变异性状在群体内都发生了明显的性状分离现象。同源四倍体水稻的高结实率特性和双胚苗特性表现出一定的可遗传性。     

问：同源四倍体形成的配子种类及比例是怎样的？

问：同源四倍体形成的配子种类及比例是怎样的？答：同源四倍体形成的配子种类及比例与同源四倍体的染色体分离以及基因在染色体上距离着丝点的远近有关。减数分裂时，同源四倍体染色体的分离主要是２／２式，但也存在３／ｌ式或其它形式的分离，结果大部分配子含有一个同...     

菘蓝二倍体及其同源四倍体遗传差异的ISSR分析

以1个菘蓝二倍体及其10个同源四倍体株系为材料,利用19个随机扩增ISSR引物分析其遗传差异性,为菘蓝多倍体诱变的基因表达调控以及遗传改良提供依据。结果显示:菘蓝二倍体与其同源四倍体及四倍体之间的ISSR多态性有明显差异,除主要遗传位点相同外,有些四倍体株系扩增条带数多于二倍体,有些四倍体株系扩增条带数少于二倍体,四倍体株系间亦有多态位点;11个株系共扩增111条多态性条带,多态性达55.22%。聚类分析显示,不同四倍体株系与二倍体的遗传差异大小亦不同。研究表明,菘蓝二倍体与其同源四倍体具有中等偏高的遗传差异性。     

同源四倍体荞麦的细胞遗传学研究

一般认为,人工诱变的同源四倍体禾谷类作物因减数分裂不规则性所产生的不育配子比例高,导致结实率下降,是影响产量的主要原因。本文对同源四倍体荞麦和普通二倍体荞麦的外部形态、减数分裂、花粉育性进行比较后认为,对不同作物的同源四倍体应作具体分析,就荞麦而言,当然也包括同源四倍体荞麦,其结实率极低(最高为15％)的主要原因,不是因为减数分裂不规则性所产生的不育配子比例高,而是由于荞麦自身花器结构和外界条件所决定。同源四倍体荞麦的结实率与普通二倍体荞麦的结实率无明显差异,增产的主要原因是由于千粒重的显著增加。     

利用氟乐灵进行同源四倍体萝卜种质创制研究

本研究应用除草剂氟乐灵处理两叶一心幼苗生长点,进行同源四倍体萝卜种质诱导,对变异植株进行形态、细胞学鉴定和花粉母细胞染色体数目鉴定。结果表明,应用 0.2 mmol/L 和 1.0 mmol/L 氟乐灵处理,6个萝卜品种都获得同源四倍体植株,10 mmol/L 处理仅在 Nau-zhqh 得到同源四倍体;其中 0.2 mmol/L处理 Nau-dy 和 1.0 mmol/L 处理 Nau-xbch 获得四倍体最高诱导率(40%);四倍体种质与二倍体种质相比,形态性状、气孔大小、保卫细胞内叶绿体数目、花器官大小、花粉粒大小及花粉萌发率都存在显著差异,将形态、气孔鉴定和染色体计数结合可以准确确定变异株的倍性。研究表明利用氟乐灵诱导是进行萝卜同源四倍体种质创新的有效途径之一。本研究应用除草剂氟乐灵处理两叶一心幼苗生长点,进行同源四倍体萝卜种质诱导,对变异植株进行形态、细胞学鉴定和花粉母细胞染色体数目鉴定。结果表明,应用 0.2 mmol/L 和 1.0 mmol/L 氟乐灵处理,6个萝卜品种都获得同源四倍体植株,10 mmol/L 处理仅在 Nau-zhqh 得到同源四倍体;其中 0.2 mmol/L处理 Nau-dy 和 1.0 mmol/L 处理 Nau-xbch 获得四倍体最高诱导率(40%);四倍体种质与二倍体种质相比,形态性状、气孔大小、保卫细胞内叶绿体数目、花器官大小、花粉粒大小及花粉萌发率都存在显著差异,将形态、气孔鉴定和染色体计数结合可以准确确定变异株的倍性。研究表明利用氟乐灵诱导是进行萝卜同源四倍体种质创新的有效途径之一。     

不同倍性水稻胚乳蛋白的差异表达研究

以4份同源四倍体水稻和4份相应的二倍体水稻为研究材料, 对其种子内清、球蛋白(清蛋白和球蛋白)、醇溶蛋白和谷蛋白的含量进行了测定, 利用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)技术分析了其特异性。结果表明: 同源四倍体水稻胚乳蛋白各组分含量与相应的二倍体相比, 大部分呈增加趋势; 同源四倍体水稻胚乳蛋白的亚基类型与相应的二倍体水稻基本一致, 仅在全蛋白电泳和清、球蛋白电泳中各发现1条差异条带。研究结果认为: 二倍体水稻经过染色体组加倍之后, 同源四倍体水稻重复基因组在蛋白质水平上的表达结果趋于“二倍化”, 即与二倍体水稻表现出相似的特点, 但在蛋白质表达量上前者往往高于后者。基因组多倍化对同源四倍体水稻重复基因组进化最主要的影响并不是体现在蛋白质结构上的差异, 而是体现在蛋白质表达量上的差异。     

同源四倍体拟南芥的耐锌性及其机理

锌(Zn)是植物生长发育所必需的微量元素,但其过量积累也会对植物产生毒害作用。通过对同源四倍体拟南芥进行高浓度锌处理,发现四倍体拟南芥对锌具有高耐受性和低积累性的特点。在高浓度锌胁迫条件下,同源四倍体的根长和生物量较野生型对照均有明显增加,并且谷胱甘肽(GSH)的含量也明显升高。定量实时PCR(q RT-PCR)分析表明,一些锌胁迫响应基因的表达水平发生了显著改变。以上结果表明,锌胁迫响应基因表达水平的改变以及GSH含量的升高可能在四倍体拟南芥的耐锌过程中发挥重要作用。     

同源四倍体荞麦的细胞遗传学研究

-V认为,人工诱变的同源四倍体禾谷类作物因减数分裂不规则性所产生的不育配子比例高,导致 结实率下降,是影响产鼠的主要原因。本文对同源四倍体荞麦和普通二倍体荞麦的外部形态、减数分 裂、花粉育性进行比较后认为,对不同作物的同源四倍体应作具体分析,就荞麦而言,当然也包括同源四 倍体荞麦,其结实率极低（最高为巧％）的主要原因,不是因为减数分裂不规则性所产生的不育配子比例 高,而是由于荞麦自身花器结构和外界条件所决定。同源四倍体荞麦的结实率与普通二倍体荞麦的结 实率无明显差异,增产的主要原因是由于千粒重的显著增加。     

黄瓜同源三倍体创制及减数分裂行为观察

采用常规杂交法研究黄瓜二、四倍体杂交过程中亲本育性、授粉组合及亲本基因型对杂交结实率的影响,并利用减数分裂制片法对获得的黄瓜同源三倍体进行了花粉母细胞减数分裂行为的观察.结果显示:(1)同源四倍体白交结实率比较低(13.0%～14.5%),可能与其花药内所包含的正常花粉粒比例小及花粉管萌发长度较短有关.(2)二、四倍体杂交组合的结实率很低(0.26%～0.02%),但在两种配组方式之间存在着明显差异,即以同源四倍体黄瓜为父本和二倍体黄瓜为母本的杂交结实率比较高,反之则杂交结实率比较低.(3)在二、四倍体杂交过程中,二、四倍体的基因型对杂交结实率的影响较大,以杂交双亲同属一个基因型的杂交效果较好.(4)同源三倍体花粉母细胞减数分裂过程与二倍体基本相同,但存在较高频率的染色体异常行为:中期I染色体构型复杂,在大多数花粉母细胞中可观察到单价体、二价体、三价体的存在;中期Ⅰ和Ⅱ有少数染色体游离于赤道板外;后期I和后期Ⅱ常出现落后染色体、染色体桥及细胞分裂不同步现象,其最终结果导致了不正常四分体和不可育配子的形成.(5)同源三倍体花粉粒的平均可染率和萌发率分别为18.8%和11.3%.研究结果表明,黄瓜二、四倍体正反交能直接获得同源三倍体材料;同源三倍体花粉母细胞减数分裂异常导致不育配子的形成是引起其育性低的细胞学原因;同源三倍体的部分育性为通过同源三倍体的回交来选育初级三体系奠定了基础.     

高粱同源四倍体及四倍体杂交种

将二倍体高粱诱变成同源四倍体高粱,一般都表现籽粒增大,蛋白质含量显著提高,但结实率下降。将二倍体高粱三系都诱变成四倍体并配成四倍体杂交种以后,不但籽粒大,蛋白质含量高,而且结实率显著提高,其它农艺性状也有所改善,因此利用三系来改良多倍体在育种上有重要意义。高粱同源四倍体和二倍体相比,减数分裂不够正常,结实率不同的四倍体品系减数分裂过程的异常程度也有所不同。     

桑树二倍体及人工诱导的同源四倍体遗传差异的AFLP分析

利用AFLP（Amplified Fragment Length Polymorphism）分子标记技术,即扩增片段长度多态性,从DNA分子水平探讨二倍体桑（2n=2X=28）与经秋水仙素诱变得到的同源四倍体桑（2n=4X=56）在遗传结构上的差异。根据对供试材料DNA多态性及遗传距离分析,认为经秋水仙素诱变得到的同源4X与2X相比在DNA分子遗传结构上产生一定程度的改变,在种内变异水平上,2X与同源4X桑间的遗传差异小于种间差异。     

外源基因在一个转基因水稻四倍体变异株系中的遗传行为

在基因枪介导转化的转基因水稻植株中发现1个四倍体变异株系XIP-4N．该变异株系T₀代植株中转基因的整合模式与二倍体转基因株系XIP-2N相同,并且二者来自同一转化体系,推测XIP-4N株系是转化后的水稻愈伤组织在细胞有丝分裂过程中发生染色体加倍产生的．对外源筛选标记基因bar和非筛选基因cecropinB在转基因株系XIP-4N和XIP-2N中的遗传行为进行了比较研究．在二倍体转基因株系XIP-2N中,bar和cecropinB基因的Southern整合模式从T₀到T₂代遗传稳定,单位点整合的bar基因按孟德尔单基因显性方式向后代传递．四倍体转基因株系XIP-4N中外源基因遗传行为复杂,单位点整合的bar基因（Basta抗性）T₁代按15∶1分离,T₂和T₃代中分离行为复杂,而且bar和cecropinB基因的整合模式遗传不稳定．同源四倍体水稻植株减数分裂过程中染色体结构变异、转基因相关位点DNA片段的遗传重组与修饰,以及由此导致配子的育性降低,可能是导致外源基因遗传行为复杂的主要原因．转基因四倍体水稻变异株系XIP-4N携带易于检测的bar基因,为研究同源四倍体水稻的遗传和生殖机理提供了好材料．     

‘寒富’苹果二倍体及其同源四倍体叶片超微结构和叶绿素荧光参数特征

采用扫描电镜和石蜡切片法,以‘寒富’苹果二倍体及经秋水仙素加倍获得的同源四倍体植株为材料,比较两种倍性植株叶片超微结构、叶绿素含量及叶绿素荧光参数的日变化规律。结果显示:(1)与二倍体植株相比较,其同源四倍体叶片厚度、栅海比、气孔长、气孔宽、分别增加了15.1%、16.1%、70.5%、27.2%,而气孔密度显著减少了58.7%;其同源四倍体叶保卫细胞中叶绿体数和叶绿素含量分别比二倍体植株高出125.3%、37.7%。(2)‘寒富’苹果同源四倍体与其二倍体的叶绿素荧光参数PSⅡ的原初光能转化效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潜在光化学效率(Fv/F0)和以吸收光能为基础的光合性能指数(PI)值的日变化趋势相似,但PI平均值比二倍体显著高出38.6%。研究表明,同源四倍体较二倍体叶片在形态上更大、更厚,气孔更大、密度更小,栅海比更大,表现出抗病的叶片结构;同时同源四倍体较二倍体含有更高的叶绿素含量,表现更优良的光合特性。     

基于cDNA-AFLP及MSAP技术分析西瓜同源二倍体和四倍体低温胁迫差异表达

为了研究西瓜二倍体及同源四倍体在低温胁迫下的分子机制,以西瓜‘京欣’1号母本83166（二倍体）及其同源四倍体为材料,利用MSAP及cDNA-AFLP技术研究低温处理前后基因表达的差异,并对差异带进行克隆、测序和比对。22对MSAP引物扩增得到1564个位点,其中二倍体经低温处理后总甲基化率下降2.8%,四倍体下降6.4%。将12条差异带与西瓜基因组数据库比对,有7条带确定是西瓜基因组序列。26对cDNA-AFLP引物组合扩增出1267条带,其中二倍体上调表达占48.2%,下调表达占51.8%;四倍体上调表达占58.6%,下调表达占41.4%。23条差异带在NCBI中找到了同源序列基因,包括假定蛋白（39.13%）、能量与代谢（43.48%）、物质运输（8.70%）、转录相关（4.35%）以及逆境相关（4.35%）,另有10条无同源序列。低温胁迫后,四倍体去甲基化率与上调表达量均高于二倍体,而且四倍体诱导出的差异基因参与了物质的能量代谢调控及逆境胁迫过程,说明四倍体较二倍体有更强的耐冷性。     

不同倍性不结球白菜营养品质及同工酶比较研究

对二倍体、同源四倍体不结球白菜主要营养品质及叶片和花蕾EST、POD、SOD同工酶谱带进行研究.结果表明:(1)同源四倍体可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C、有机酸、干物质和纤维素含量分别比二倍体增加16.65%、14.08%、18.18%、15.81%、15.82%和60.00%,差异极显著.(2)叶片中,二倍体EST谱带比同源四倍体多1条;花蕾中二倍体比四倍体多2条谱带;而POD和SOD在谱带条数上没有差异,只是四倍体的谱带亮度较二倍体强,表明其表达量较高,说明它们的酶种类相似但剂量不同.