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油菜与荠菜族间杂种和甘蓝型油菜缺体的遗传分析

陈海峰  
【摘要】: 远缘杂交是作物遗传改良的重要途径,可以把野生种的优良性状向栽培种转移。十字花科中有很多优良的野生种质资源,可提供许多有用的细胞核和细胞质基因,用于油菜育种。我国现在大面积栽培的甘蓝型油菜(Brassic napus,2n=38,AACC)于二十世纪30与40年代从国外引进,遗传变异较为匮乏,故通过多种途径创造新的种质资源对其遗传改良具有重要意义。十字花科独行菜族的荠菜(Capsellabursa-pastoris(L.)Medic,2n=4x=32)广布全球,在中国和其它一些国家作蔬菜和药用。荠菜种子内的芥酸(0.68%)和硫甙(15.68μmol/g)符合双低(芥酸<1%,硫甙<30μmol/g)标准,为油菜遗传改良的天然双低种质资源,且高抗菌核病。本研究合成了白菜型油菜(B.rapa,2n=20)、甘蓝型油菜与荠菜的族间杂种,并对杂种及其后代进行了形态学、细胞学、分子生物学、脂肪酸和抗菌核病的分析。另外,对以前从甘蓝型油菜与诸葛菜的属间杂交中获得的一个缺体植株(2n=36)及后代进行了细胞遗传学研究。主要结果如下: 1.油菜×荠菜。以白菜型和甘蓝型油菜为母本、荠菜为父本的有性族间杂交中,经大量人工授粉产生的大多数F_1植株在形态上和母本相似,只有少数表现为中间型。F_1植株具有父本荠菜的一些特征,如叶片小、深绿色、叶裂深、植株矮小、基部分枝、白色花瓣。根据体细胞(子房细胞)染色体数目,F_1植株分为五类:第一类2n=27—29,第二类2n=20,这两类植株来自白菜型油菜与荠菜的杂交;第三类为甘蓝型油菜单倍体,2n=19,第四类2n=29,第五类2n=38,这三类植株来自甘蓝型油菜与荠菜的杂交。基因组原位杂交(GISH)分析表明,第一类杂种植株的花粉母细胞(pollenmother cells,PMCs)中有1—2条荠菜染色体,而另在一些植株的子房细胞和PMCs中检测到荠菜的染色体片段。AFLP(amplified fragment length polymorphism)分析显示,除3个F_1植株(Nos.13,24,32)无荠菜特异带外,所有植株中都出现了荠菜特异带、油菜母本的缺失带和双亲均无的新带,而且各单株间多态性带的数目与组成都不一样,表明外源遗传物质的渗入是在不同水平上的,同时引起了受体基因组结构的变化。通过脂肪酸分析和菌核病鉴定,发现一些母本型植株后代的芥酸和硫甙含量降低、菌核病抗性显著提高。 2.雄性不育材料。来自甘蓝型油菜奥罗与荠菜杂交的一个母本型植株(No.30)的雄蕊小、雄性完全不育。与奥罗回交一代的植株全可育,自交结实好。359个BC_1F_1植株中,276株可育,83株不育,可育株与不育株的比例为3:1(χ_c~2=0.58<χ_(0.05)~2);在F_1×BC_1的109个植株中,58株可育,51株不育,可育株与不育株的比例为1:1(χ_c~2=0.33<χ_(0.05)~2),说明该雄性不育性为一对隐性基因控制的核不育。花药切片观察表明不育株花药在造孢细胞时期开始出现异常,绒毡层多层、肥大,但是其减数分离是正常的。四分体时期绒毡层进一步恶化,多层、肥大、液泡化,开始降解,并挤压四分体,导致四分体不能形成单核花粉粒,小孢子开始退化。大多数后代植株的硫甙含量明显降低,一些植株达到双低标准,并且菌核病抗性显著提高。 3.甘蓝型油菜缺体。对甘蓝型油菜奥罗与诸葛菜的一个混倍体杂种进行小孢子培养,获得的一个缺体(2n=36)植株,其株高只有70—80cm,比甘蓝型油菜开花早两个月左右。缺体植株的PMCs在终变期具有18个二价体,后期Ⅰ表现18:18的正常分离,但在14个自交一代植株中,6个植株31.2%—43.8%的PMCs在后期Ⅰ为17:19分离,这导致了后代中缺体—四体(2n=38)的形成。白菜型油菜×缺体的PMCs在终变期具有10Ⅱ+8Ⅰ,说明缺体缺失了一对来自甘蓝C基因组的染色体。奥罗×缺体后代的植株株高和开花时间与甘蓝型油菜接近,但在自交后代中没有发现缺体植株。缺体—四体的株高比奥罗矮5cm,开花时间比甘蓝型油菜奥罗早一个月左右,59%的PMCs在终变期具有17Ⅱ+1Ⅳ,其余的为19Ⅱ,自交结实较好。 最后,我们提出了油菜与荠菜的杂种形成机制。我们认为在合子形成后或杂种胚发育的早期即发生了染色体的消除、加倍和外源渗入。通过杂交产生母本型植株,可快速向油菜转移荠菜优良性状(双低、抗菌核病)。同时,我们对缺体和缺体—四体在油菜育种、基因定位和功能分析中的运用进行了讨论。


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