小麦背景中黑麦1R染色体的遗传变异

遗传学报,24(1):42～49,1997Acta Genetica Sinica小麦背景中黑麦1R染色体的遗传变异王二明　景健康　文玉香　魏荣　胡　含(中国科学院遗传研究所　植物细胞与染色体工程国家重点实验室　北京　100101)摘要　运用细胞遗传学方法鉴定了来源于中国春×M27(1R/1D代换系)的花粉植株和F2单株染色体组成。

发现7个花粉植株中出现7种染色体组成变异类型,每株呈现一类变异;而27个F2单株中,存在11种染色体组成变异类型,变异频率仅为37.0%,低于花粉植株。

花粉植株群体中,观察到一个能稳定向后代传递的小麦/1R小片段易位,但F2群体中未检测到小麦/黑麦易位。

表明常规染色体工程结合花药培养是有计划、有目的实现异源染色体小片段向小麦转移的简便、高效、快速途径。

关键词　遗传变异,染色体,易位系,黑麦,小麦黑麦1R染色体是小麦远缘杂交工作中应用最多的异源染色体之一。

1R短臂上抗三锈及白粉病基因,曾在世界范围内对小麦育种起到过极其重要作用[15]。

近年来,由于病菌生理小种的改变,这些抗病性能逐渐丧失。

尽管如此,1R染色体所赋于的高产稳产性能,仍具有潜在的利用价值[4]。

小麦背景中黑麦染色体的遗传变异一直倍受人们的关注。

黑麦染色体在传递过程中,常自发产生一些结构变异,形成端着丝粒染色体、等臂染色体、易位染色体、异染色质C-带的丢失和增多等多种结构变异类型[2,9,14]。

花药培养能使这些变异在纯合花粉植株水平上得到较充分表达[11]。

此外,花药培养本身作为一种诱变源能引起花粉(小孢子)无性系变异,产生染色体数目及其结构变化[13]。

因此,将远缘杂交和花药培养相结合,就能快速高效地实现异源染色体(基因)对小麦的转移。

本研究运用细胞遗传学方法鉴定了来源于同一组合中国春×M27(1R/1D代换系)的7个花粉植株和27个自交F2单株染色体组成,并对黑麦1R染色体经花药培养和自交两种途径的遗传变异进行了讨论。

1　材料和方法1.1　材料1R供体亲本M27和来源于CS×M27的7个花粉植株以及27个套袋自交F2单株。

1.2　方法1.2.1　C-分带 染色体制片先浸入45%醋酸中,室温下处理10min;转到60℃45%醋酸中处理10m in,清水漂洗;60℃6%Ba(OH)2变性7min,流水彻底冲洗;60℃2×SSC复性1h,清水漂洗;以Giem sa染色液染色适当时间,流水漂洗,风干,观察并照相。

本文于1996-03-28收到,1996-05-29修回1.2.2　原位杂交 按Leitch [8]提出的程序,作适当修改。

经H in d Ⅲ酶切的黑麦基因组DNA 用dig ox ing enin -11-dU TP (Boehr inger mannheim )采用切口平移法标记。

每张制片加杂交混合液40 l 。

杂交混合液含100ng 标记的黑麦基因组DNA ,10 g 经机械剪切的鲑鱼精DNA,0.5 g 经Eco RI 酶切的小麦基因组DNA,50%甲酰胺,10%硫酸葡聚糖,0.4%SDS 以及2×SSC 。

运用过氧化物酶-二氨基联苯胺(POD -DAB )检测系统显示杂交信号。

DAB 染色体液的制备按厂商(Boehringer m annheim )建议的方法。

经DAB 染色体后的制片,经蒸馏水漂洗后,风干,置日本产Olympus BH-2显微镜下观察并照相。

2　结果2.1　IR 供体亲本M27染色体组成的细胞遗传学鉴定M 27是由立倍体小黑麦Beag le 和小麦品种京花一号杂种F 1经花药培养而到的加倍花粉株系。

该株系是一个整体1R/1D 代换系[12],具有中抗条锈、早熟及矮秆等特性。

本实验运用C -分带和原位杂交对其染色体组成进行进一步分析。

发现M 27体细胞42条染色体中,有一对完整的1R 染色体;除此之外,没有检测到任何其它黑麦染色体成分(图1,a 、b)。

图1　1R 供体亲本M 27染色体组成的细胞遗传学分析a.C-分带;b.原位杂交(箭头指向1R)Fig .1　Cytogenetic analys is of the chromosome constitution of the paren t M 27(1R donor )a.C-ban ding,b.in situ hyb ridization (arrow s point to 1R)2.2　花粉植株和自交F 2群体的创制1993年夏初,采用中国春为母本,M 27为父本配制杂交组合;杂种F 经花药培养和套袋自交,获得了27个自交F 2单株(依次编号为W 11至W 37)和8个花粉植株(顺序编号为WER-1至WER-8)。

花粉植株WER-7因只获得一粒不发芽DH1种子,未能进行细胞遗传学鉴定。

2.3　7个花粉植株染色体组成的细胞遗传学鉴定2.3.1　花粉植株WER -1 花粉植株WER -1当代植株(DH 1)具有2个结实麦穗,分别编号为WER-1-1和WER-1-2。

(1)WER-1-1:WER-1-1共得到10粒DH 1种子(DH2代),其中4粒不能发芽,其余6粒发芽正常。

采用常规压片法检查了6粒种子根尖细胞染色体数目。

发现643　1期王二明等:小麦背景中黑麦1R 染色体的遗传变异图2　W ER-1-1染色体组成的细胞遗传学分析a.C-分带(→指向1Rd);b.原位杂交(→指向1R d ;指向小麦/1R 易位染色体)Fig.2　Cytogenetic analysis of the chromos ome cons titu tionof WE R-1-1a .C -banding (→p oin to 1R d ; point to w heat /1R tran slocationchromos ome )粒种子染色体数目均为2n=42。

上述6粒种子C-分带结果一致表明,42条染色体中,有一对染色体短臂显示出典型1RS 带型,长臂中间有一次级带但缺少1R 长臂端部特征带(图2,a)。

可见,这是一对长臂端部发生缺失的1R 染色体,断裂点位于1R 长臂中间次级带和端带之间。

以黑麦基因组DNA 为探针的原位杂交揭示,WER-1-1除具有一对黑麦染色体外,还有一对小麦/黑麦易位染色体(图2,b),6粒种子分析结果完全相同。

通过顺序C-分带和原位杂交技术(在经C -分带后的同一张染色体制片上再做原位杂交),并根据易位染色体臂比及其C-带带型,初步判断,该易位所涉及的小麦染色体为1A 。

进一步对8粒DH2种子(DH3代)根尖细胞中期染色体作原位杂交。

结果显示,8粒DH 2种子(DH 3代)皆含有2条黑麦染色体和2条小麦/黑麦易位染色体。

综合上述结果分析可以推知,WER -1-1含有一对长臂端部发生缺失的1R 染色体,所缺失部分易位到1A 长臂端部,易位片段不到1R 长臂四分之一,且能稳定地向后代传递。

(2)WER-1-2:C-分带和原位杂交结果显示,WER -1-2具有1条完整1R 染色体和1条长臂端部发生缺失的1R 染色体,所缺失部分易位到一条小麦染色体长臂端部。

WER -1-2染色体组成鉴定过程,将另文报道。

2.3.2　花粉植株WER-4、WER-5及WER-8 花粉植株WER-4、WER-5及WER -8的体细胞染色体数目分别为44、42及42+2t'。

C -分带和原位杂交证明,WER-4含有一对1RS 等臂染色体;WER-5及WER-8皆带有一对完整1R 染色体。

2.3.3　花粉植株WER-2、WER-3及WER-6 WER-3的染色体数目2n=40,WER -2和WER -6均为2n =42;C -分带和原位杂交分析,没有发现它们含有1R 成分。

44遗 传 学 报24卷　7个花粉植株染色体组成的细胞遗传学鉴定结果列于表1。

由表1可见,7个花粉植株中存在7种染色体组成变异类型,每株为一类变异。

表1　来源于组合(CS ×M 27)的7个花粉植株染色体组成Table 1Chromosme constion of 7plants derivde f rom the cross CS ×M 27花粉植株根尖染色体C _分带原位杂交染色体组成数目ChromosomePollen-derived plants num ber ofC-banding in situ hybridization Chrom os me root tip cellscons titu tion WER -12条黑麦染色体和2条小麦/IRL 端部双缺失、 黑麦易位染色体　IA/IR 纯合易位421R d ″2rye ch romosomes an d 2Both of the 1RL ends W ER_1_1w heat/rye translocation were deleted and chromosomestrans located to 1AL 2条黑麦染色体和1RL 端部单缺失、1条小麦/黑麦易位染色体小麦/1R 单易位421R d ′1R W ′2rye ch romosomes an d one On e of the 1RL ends W ER_1_2w heat/rye translocationwas los t and trans located chromosomesto a w hest chromos ome W ER_2及W ER_6没有1R 没有黑麦成分不含1R 成分的小麦类型42w ithout 1R elements Whesg type w ithout 1R W ER_2及W ER_6No 1R elements W ER_340没有1R没有黑麦成分小麦缺体No 1Rw ithout 1R elements Nullisomic w heat W ER_4442条黑麦染色体1RS 等臂附加系IRS.1RS ″2rye chromosomes 1R iso-ch romosomeaddition lineW ER_5421R W ″2条黑麦染色体1R 代换系2rye chromosomes1R sub stitution line W ER_842+2t ′1R W ″2条黑麦染色体1R 附加系2rye chromosomes 1R add ition lin e 注:1R d 代表长臂端部发生缺失的1R;1R W 代表完整1RNote:1R d s tands for chr om os ome 1R w ith the long arm end deleted,1R W s and for in tact 1R45　1期王二明等:小麦背景中黑麦1R 染色体的遗传变异46遗 传 学 报24卷　表2　来源于组合(CS×M27)的27个自交F2单株染色体组成T able2　Chro mosome co nstitutio n o f27F2plants det ived fro m cro ss CS×M27类型根尖染色体数目C-分带原位杂交株号T ype Chr o mosome C-banding in situ hy bridization Plant number numberr oo t tip cells140没有1R没有黑麦染色体成分W30N o1R N o ry e chr oma tin240　1R1条黑麦染色体W241ry e chro mso me341没有1R没有黑麦染色体成分W13、W14、W15、W20、W27、N o1R N o ry e chr oma tin W29、W32、W34、W37 441+t′1RS1条黑麦端体染色体W18、W231ry e telocentric542没有1R没有黑麦染色体成分W22、W36N o1R N o ry e chr oma tin642　1R1条黑麦染色体W12、W16、W19、W28、W311ry e chro mso me7421R1R2条黑麦染色体W17、W21、W262ry e chro mosomes842没有1R1条黑麦染色体*W25N o1R1ry e chro mosome*942+t′1R+1RS1条黑麦染色体和1W35条黑麦端体染色体1ry e chro mosomeand1r ye telo centr ic1043　1R1条黑麦染色体W331ry e chro mosome11441R1R+1R S.1RS3条黑麦染色体W113ry e chro mosomes*综合C-分带和原位杂交结果,判断该染色体端部C-带发生丢失Combining C-banding and in situ hy bridization analy ses,it was inferr ed that the ter minal C-bands of t his Chr omo some w ere lost2.4　自交F 2单株染色体组成的细胞遗传学鉴定根据C -分带结果,27个F 2单株可归纳成3类:(1)不含1R 染色体成分的植株,共13株;(2)含有1条或2条完整1R 染色体植株,共10株;(3)含有1R 染色体变异体植株,共4株,分别是W11、W18、W23以及W35。