普通小麦（Triticum aestivum L.）与黑麦（Secale cereale L.）异源多倍体及异染色体系的分子细胞学研究

【摘要】： 小麦(Triticum aestivum L.)是世界上重要的粮食作物之一。然而由于长期小麦品种间的杂交选育,使小麦栽培种对生物和非生物胁迫的抗耐能力严重下降。小麦的野生近缘植物中往往含有栽培小麦所短缺的优良性状,如对病虫害的高度抗性、对逆境的更强耐受力,巨大的产量潜力等,因此,植物遗传育种工作者都致力于将这些外源有益性状导入到栽培种中。目前,将小麦近缘物种优良性状导入普通小麦主要通过小麦远缘杂交途径来实现。远缘杂交是作物品种改良的重要途径,同时也是研究物种间亲缘关系、系统发育、进化程度的常用方法。而黑麦(Secale cereals L.)是最早也是最成功地用于改良小麦的近缘植物之一。 本实验用普通小麦品种“中国春”(Chinese Spring)和“绵阳11”(Mianyang11)与二倍体黑麦AR106BONE、Kustro、荆州黑麦(Jinzhou)以及Secale.Vavilorii进行杂交,获得Chinese Spring×AR106BONE(CA),Chinese Spring×Jinzhou(CJ),Mianyang11×AR106BONE(MA),Mianyang11×Kustro(MK)和Mianyang11×S.vavilovii(MSV)这五个组合的双二倍体和一些回交后代。采用细胞学和分子生物学方法对这五个组合的杂种F1代,以及加倍后的自交S1代,自交S2代和S3代分单株进行染色体结构和基因组序列变化分析,得到以下一些新的结果: 1.用黑麦端部/亚端部特异重复序列pSc200为探针,与黑麦亲本及其自交世代的根尖细胞中期染色体进行荧光原位杂交,发现黑麦染色体端部或亚端部结构从S1代就开始发生剧烈改变,在不同的组合中,表现为pSc200序列的增加或减少,这表明在新合成的小麦-黑麦异源多倍体中,染色体端部结构的变化一方面是为了增大部分同源染色体之间的差异以保证正常的二倍体减数分裂行为,另一方面也要防止两个不同的基因组之间差异过大,以保证两个基因组在同一个核中协调存在。 2.本研究观察到在小麦-黑麦异源多倍体中,小麦与黑麦基因组间发生了低频率的染色体片段易位的现象。可分为以下三种类型:(1)黑麦染色体端部DNA片段易位到小麦着丝粒区域;(2)黑麦染色体端部DNA片段易位到小麦端部区域:(3)小麦黑麦染色体发生臂间易位。而这些易位现象很可能发生在体细胞中。这种现象在前人的这类研究中还未见报道。 3.在MSV,MK及CA这三个组合的杂交后代植株中,发现了小麦-黑麦杂交后代染色体的不均等分离。主要有以下三种情况:(1)在小麦-黑麦杂交后代减数分裂过程中,小麦染色体和黑麦染色体都可能发生不均等分离;(2)对于来自不同杂交组合的后代,发生减数不均等分离的时期不同;(3)在MSV的后代中还发现了根尖细胞染色体的不均等分离现象。这种现象在前人的这类研究中还未见报道。 4.本研究中,从MK回交后代中准确鉴定出了2R、4R、5R单体附加系。其中,4R单体附加系表现出高抗蚜虫特性、5R单体附加系表现出对白粉病免疫,因此确定这两条黑麦染色体上分别带有蚜虫抗性基因和白粉病抗性基因,且抗性基因能在小麦遗传背景中表达。本研究所鉴定的材料为小麦育种提供了新的病虫害抗源。 5.本研究对随机挑选的8对小麦EST-SSR引物在F1、S1和S2植株及其亲本植株中的扩增产物进行测序,获得两种结果:(1)两亲本编码序列都出现在杂交后代植株中;(2)亲本编码序列在杂交后代中缺失:在各杂交组合中,有的位点缺失了黑麦亲本编码序列,有的位点则缺失小麦亲本编码序列;并且,这种缺失在时间上也有所不同,有的缺失从加倍前的F1代开始,有的则在加倍后的自交S1代才开始。这可能是两个亲缘关系较远的基因组为在同一核中协调共存的需要。 此外,通过序列比较发现,杂交后代植株在继承亲本编码序列的同时,也发生了序列变异,且在少数位点发生了两亲本编码序列的重组,这表明在小麦-黑麦异源多倍化过程中或在异源多倍体形成后,产生了新的编码序列。产生新编码序列的方式包括碱基替换,序列重复和序列重组。这一现象可能意味着异源多倍化是促进新基因产生的一个重要动力。 本研究对于理解异源多倍体物种形成及进化提供了一定的理论参考意义,在应用上,则为小麦育种提供新的病虫害抗源。

【关键词】：小麦 黑麦 异源多倍体 基因组变异
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：S512.1
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