小麦-黑麦-偃麦草三属杂种后代细胞遗传学及赤霉病抗性鉴定

小麦-黑麦-偃麦草三属杂种后代细胞遗传学及赤霉病抗性鉴定杨友伟;欧雪洁;杜婷;何敏
【摘要】为增强小黑麦赤霉病抗性,拓宽其遗传基础,配置了小黑麦T182与含二倍体长穗偃麦草全套染色体的双二倍体8801的杂交组合.对其杂种后代群体进行了核型分析、多色基因组原位杂交与赤霉病抗性鉴定.结果表明,杂种后代F1植株染色体数目均为28,F2植株染色体数目均为42,F3植株染色体数目为28～45;多色基因组原位杂交发现杂种后代群体不同株系植株含有不同的E和R及E/R易位染色体;部分含E染色体植株具有不同程度的赤霉病抗性.
【期刊名称】《河南农业大学学报》
【年(卷),期】2018(052)004
【总页数】6页(P492-496,518)
【关键词】三属杂种;长穗偃麦草;小黑麦;基因组原位杂交;赤霉病
【作者】杨友伟;欧雪洁;杜婷;何敏
【作者单位】湖南文理学院生命与环境科学学院,湖南常德415000;湖南文理学院生命与环境科学学院,湖南常德415000;湖南文理学院生命与环境科学学院,湖南常德415000;湖南文理学院化学与材料工程学院,湖南常德415000
【正文语种】中文
【中图分类】S512.9
赤霉病是影响麦类作物产量和品质的重要病害之一，通常由禾谷镰孢菌(Fusarium
graminearum Schwabe (Gibberella zeae))引起[1]。

该类病害主要危害世界上潮湿或半潮湿地区种植的小麦、大麦、黑麦、青稞等禾谷类作物，是影响麦类作物的典型气候性病害。

20多年来，小麦赤霉病在亚洲、欧洲和美国北部等地频繁爆发[2]，导致巨大经济损失[3]。

国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)已确定赤霉病为限
制小麦产量的一个主要因素[4]。

六倍体小黑麦是一种优良的粮饲两用作物，兼生
物质能源作物[5]，具有较大的推广应用价值。

然而，由于其对赤霉病的敏感，制
约了小黑麦的进一步应用。

小麦族野生近缘属物种具有许多优异的赤霉病抗性基因，正逐步被育种家利用到小麦及相关物种的抗病育种中。

偃麦草属(Thinopyrum (Host) A. Löve)作为重要的基因资源材料之一，具有优良的抗病性[6]和抗逆性[7]而被广泛应用于小麦族遗传改良。

MILLERD等[8]用硬粒小麦与二倍体长穗偃麦草(Th. elongatum)杂交，育成了高抗赤霉病和白粉病的双二倍体材料8801。

已有
研究表明，长穗偃麦草1E[9]和7E[10]染色体上带有小麦赤霉病抗性基因，因而以小麦-偃麦草双二倍体作为桥梁与小黑麦进行杂交，可通过染色体重组形成三属杂种，可将赤霉病抗性基因导入小黑麦品种中达到改良的目的。

在育种过程中，对被转移的基因及其载体—外源染色体或者染色体片段进行追踪可以提高选择的准确性、缩短育种周期、提高育种效率。

因而，对转移到小黑麦中的外源染色体、染色体片段或者染色体所携带的外源基因进行准确鉴定获得具体信息非常重要。

目前，用于小麦背景中外源物质鉴定的方法主要有5种：形态学标记、细胞学标记、原
位杂交、生物化学标记、分子标记[11]，原位杂交是常用的方法之一。

武军等[12]用基因组原位杂交(GISH)鉴定了普通小麦-华山新麦草矮秆种质B62，证明其含有来自华山新麦草的一对同源染色体；陈升位[13]采取基因组原位杂交结合EST分
子标记对小麦-簇毛麦杂种后代进行了研究，检测出涉及6VS的小片段易位，开发出针对簇毛麦6VS的特异分子标记；HAO等[14]用原位杂交手段对人工合成小麦以及人工合成小麦-黑麦杂种后代进行了鉴定，阐明了该组合中亲本及杂种后代的
染色体组成；崔承齐等[15]用基因组原位杂交、Giemsa-C带结合EST-SSR筛选鉴定出2个新的抗赤霉病小麦-大赖草易位系材料。

本研究利用多色基因组原位杂交方法结合赤霉病抗性鉴定对六倍体小黑麦与双二倍体的杂种后代进行鉴定，分析其染色体传递行为及赤霉病抗性，该研究结果有助于阐明外源染色体的传递行为，研究群体材料可为小麦遗传育种改良奠定重要基础。

1 材料与方法
1.1 供试材料
本研究的供试材料是六倍体小黑麦T182(2n=42,AABBRR)与双二倍体
8801(2n=42,AABBEE)杂种后代群体。

8801是四倍体小麦与二倍体长穗偃麦草的双二倍体。

杂种后代群体中，每个株系随机选取50个植株进行染色体数目鉴定。

1.2 杂种的产生
用六倍体小黑麦T182作母本，8801作父本进行杂交，为了使整个穗子的成熟期一致，去雄时，首先去掉穗子顶部和基部的小穗，而其他剩余小穗只留下最外面的2朵小花，然后去雄。

对去雄小穗套袋，2～3 d后，用8801的新鲜花粉授粉，授粉后再套上玻璃纸袋。

1.3 试验方法
1.3.1 核型分析体细胞染色体数目用根尖制片进行观察统计。

切取发芽种子的根尖在冰水混合物中于预处理24 h，然后用卡诺氏固定液Ⅰ固定过夜。

孚尔根染色法染色观察染色体。

1.3.2 多色基因组原位杂交总DNA提取采用CTAB法。

多色基因组原位杂交操作流程来自美国堪萨斯州立大学(Protocol of Multicolor Genomic In Situ Hybridization)。

1.3.3 赤霉病抗性鉴定所有植株在温室内进行赤霉病抗性鉴定。

接种菌液浓度孢子为5×104个·mL-1，用注射器适量注射开花期穗子中部的3个小穗，接种后的植
株置于25 ℃、每隔15 min自动喷水加湿的条件下培养21 d后统计结果。

2 结果与分析
2.1 核型分析结果
本研究未采用任何幼胚拯救技术获得了T182和8801的杂种F1种子。

对得到的
6个F1植株进行了细胞学观察，其染色体数目均为28条(图1)。

对6个植株的
F2、F3后代植株也进行了细胞学研究，在F2代，所有植株的染色体数目均为42条(图2)；F3代中，株系1染色体变化范围为36～42条，株系2为40～42条，株系3为42～45条，株系4为32～38条，株系5为38～44条，株系6为
28～29条(图3)。

图1 F1植株2n=28(×40)Fig.1 F1 plant chromosome No. 2n=28
图2 F2植株2n=42(×40)Fig.2 F2 plant chromosome No.2n=42
2.2 基因组原位杂交结果
基因组原位杂交研究发现，在鉴定的F2代植株中，所有植株染色体数目为42条，其中含小麦染色体28条，但各自所含E和R染色体略有波动，株系1和6分别
含E染色体8条，R染色体6条(图4)；其余株系植株E和R染色体分别为7条(图5)。

但在F3代，6个株系植株染色体组成变化较大。

株系1和株系6在F2代时具有相同的染色体组成，它们的染色体数目均为42条，包含8条R染色体和6条E染色体。

但在接下来的世代中，它们的染色体组成变化较大。

在F3时，株系
1植株的染色体数目为36～42条，R和E染色体分别5～9条和7～8条，部分植株含2条E/R罗宾逊易位染色体(图6)；而在株系6中，F3代植株的染色体数目
为28～29条，部分植株含有1条E或R染色体，其中有1个植株染色体数目为
28条，含有1条E/R易位染色体(图7)。

株系2中，其F3植株染色体稳定性较差，总染色体数目和易位染色体数目变化较大，E染色体数目为5～9条，R染色体数目为4～11条；株系3的1个F3植株
的染色体数目为43条，含有5条R染色体和9条E染色体及1条E/R易位染色
体(图8)，其余植株R染色体数目为10～12条，E染色体和E/R易位染色体数目
为0～1条；株系4中，检测的所有植株染色数目在32～38条间波动，R染色体3～6条，E染色体1～4条；株系5中，R染色体数目为7～12条，E染色体数目为2～5条。

A: 2n=28; B: 2n=32; C: 2n=38; D：2n=39;E: 2n=40; F: 2n=41; G: 2n=43; H:
2n=44; I: 2n=45图3 部分F3植株染色体数目(×40) Fig.3 F3 plants chromosome No.
总的来看，在F3代，总染色体数目及E、R染色体数目波动均较大，大部分植株
含有较多数目的R染色体。

F3代时，株系3在温室中表现出部分优异的农艺学性状，植株平均高度为120.6 cm，平均有效分蘖数为6.3个，平均穗长为12.4 cm，自交结实率为97.8%(图9)。

绿色为R染色体，红色为E染色体。

下同。

Green color shows R chromosomes, and red color showsE chromosomes. The same as below.图
4 6R+8E (×40)Fig.4 6R+8E
图5 7R+7E (×40)Fig.5 7R+7E
图6 株系1中含2条E/R易位染色体的F3植株(×40)Fig.6 The F3 plant with 2 E/R translocation chromosome in line 1
2.3 赤霉病抗性鉴定结果
对F3植株进行室内赤霉病抗性鉴定，发现侵染小穗比例为89.32%，表明大多数
植株抗性较差。

大部分植株整个穗子几乎均被感染，仅有部分植株表现不同程度抗性(图10-B,10-C)，其中有1个来自株系4的植株表现出高抗，仅被接种小穗侵染(图10-A)。

图7 株系6中含1条E/R 易位染色体的F3植株(×40)Fig.7 The F3 plant with 1
E/R translocation chromosome in line 6
图8 株系3中含5R+9E+1 E/R易位染色体的F3植株(×40)Fig.8 The F3 plant contains 5 R chromosomes plus9 E chromosomes and 1 E/Rtranslocation chromosome in line 3
图9 株系3具有较好农艺性状的代表性植株Fig.9 The plant with excellent agronomic traits in line 3
3 结论与讨论
运用多色基因组原位杂交技术可同时对2个及以上外源基因组染色体进行检测和
鉴定，结果直观，可信度高。

本研究中，杂种后代群体的染色体数目和组成变化很大。

总的来看，被鉴定的植株中R染色体数目平均多于E染色体，表明在这些植
株中，E染色体的竞争性弱于R染色体。

株系6的F2代植株染色体数目为42条，在F3代的时候大部分植株染色体数目为28条，原位杂交结果显示其不含有E和
R染色体，表明其发生了明显的染色体消除，其机制有待于进一步研究。

A: 高抗；B,C: 不同程度抗性A: high FHB resistance; B and C: different level of FHB resistance图10 F3植株赤霉病抗性鉴定结果Fig.10 F3 plants FHB resistance evaluation
在本研究中，易位染色体发生的频率很低，然而仍有个别植株E/R易位染色体多
达2条。

目前，一般认为易位染色体可能是由生物在异源多倍化过程中发生的染
色体组水平上的不可逆的结构改变[16]、DNA序列变化[17]、基因表达差异[18]
或高度重复序列的缺失[19]等因素所导致。

易位染色体一般有2种不同的结构，罗宾逊易位和端部易位。

本研究中的E/R易位染色体属于罗宾逊易位，但尚不清楚
发生易位的染色体的具体信息。

赤霉病抗性鉴定结果表明，部分植株具有较好的抗性，结合原位杂交结果发现，这些具有不同抗性的植株均含有不同数目的E染色体或E/R易位染色体，表明E染
色体上确实蕴含赤霉病抗性基因，这与陈士强等[9-10]的研究结果一致，这也将为下一步抗病材料的选育奠定基础。

本研究仅对杂种早期世代群体进行了初步研究，在下一步的研究中将对渗入的E 染色体、E/R易位染色体进行鉴定。

此外，还将对此群体植株进行进一步的抗病鉴定、农艺性状考察以及品质测定，从中选择符合期望的植株与小麦和小黑麦进行杂交创造育种群体，在随后的世代中，稳定的易位系、附加系或代换系有望被筛选出来。

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