禾本科小麦族植物远缘杂交的障碍及其克服_王树彦

收稿日期:2002-11-14

基金项目:国家自然科学基金(项目编号39970536)资助作者简介:王树彦(1971-),女,内蒙古临河市人,讲师,在读博士,1997年毕业于内蒙古农牧学院作物遗传育种专业,主要从事植物育种研究,现已发表论文6篇.

禾本科小麦族植物远缘杂交的障碍及其克服

王树彦,云锦凤,李 莉,朱 琳

(内蒙古农业大学,内蒙古 呼和浩特 010019)

摘要:远缘杂交是改良植物种质的有效手段之一,但植物自身有保持物种稳定性的遗传屏障,针对不同植物的杂交障碍应采取不同的克服不育的方法。 关键词:小麦族;远缘杂交;不育障碍;育性恢复

中图分类号:S54 文献标识码:A 文章编号:1000-6311(2003)02-0059-04

Barriers and Fertility Restoration of Wide _cross Hybrids of Perennial Herb in Trit-iceae.WANG Shu_yan,YUN Jin_feng,LI Li,ZH U Lin (Inner Mongolia Agricultural University ,H ohhot 010019,China):Gr assland of China,No.2,2003,pp.59~62.Abstract:Wide_cross is one of useful methods in improving plant germplasm.Plant has its genetic barriers in order to keep species stability.Different methods should be taken according to different sterile mechanisms in plants.

Key words:T riticeae ;Wide_cross;Sterile barrier;Fertility restoration 植物的远缘杂交是指种以上分类单位的生物类型之间的杂交,包括同属植物的种间杂交和不同属植物的属间杂交以及更远缘的族间以上的杂交。远缘杂交可应用于植物改良、基因和基因组作图、染色体行为研究和进化研究等各个遗传育种学研究领域[6]。近年来,由于绝大多数粮食作物和饲料作物都属于禾本科,禾本科小麦族的作物及其近缘野生种作为作物遗传改良特定性状的基因资源引起了重视。回顾禾本科小麦族植物远缘杂交的研究成果,种间以上的远缘杂交的不育障碍决定了杂交工作的成败。小麦族植物的杂交能力变异很大,即使在种内也分化出许多交配能力不同的亚种和类型。不同植物种在受精前(pre -fertilization )和受精后(post-fertilization)的不育障碍强度不同,由于器官的进化和分化,有些植物种的受精前

的生殖隔离系统完善,而有些植物种的受精后的隔离机制复杂,由此造成不同植物种的远缘杂交不育机制的差异。

1 受精前的不育障碍及克服

受精前的不育障碍主要表现在杂交的不亲和性。一种反应是柱头与花粉不识别。如果是正常的近缘花粉接触到柱头,花粉会迅速从柱头乳突细胞中吸收水分,将花粉壁物质释放到柱头表面和对柱头的角质层起消化作用的酶系统进行活化,然后萌发长出花粉

第25卷 第2期 中 国 草 地 2003年3月Vol.25 No.2 Grassland of China M ar.2003

管,穿入柱头,伸进花柱,进入胚囊,实现受精。而远缘的花粉往往不被柱头识别,一种表现是吸收不到水分,不能萌发;一种表现是不能产生花粉管;第三种表现是花粉管虽然能伸长到胚囊,但精卵不能融合。对于禾本科小麦族植物,在进行杂交操作时,往往采用提早重复授粉的方法,一般要每天一次,重复三次。在去雄的当天授粉,可以在识别蛋白合成之前授粉,躲过识别反应。多次重复授粉也可使识别蛋白消耗殆尽而达到蒙混过关的目的。在授粉期间,每天要浇水,以保持湿润的环境,利于花粉萌发。在授粉后也可在穗部喷洒低浓度(2@10-6~10@10-6)的生长激素,如2,4-D、NAA、IAA、6-BA及KT 等,单独使用或混合使用均可,以促进受精卵和胚乳的正常分裂,有助于维持种子发育。这些技术在某种程度上能提高杂交的成功率。

2受精后的不育障碍及克服

有些禾本科植物种虽然能完成受精,它的外部形态表现为一周之后子房膨大且变绿,但以后的发育还会出现障碍:如胚和胚乳不能正常发育;在接近成熟时,杂种胚败育;虽然杂种有胚,但不发芽或苗期死亡,不能形成植株;甚至是在后代中不能生殖生长及结实。造成受精后的不育原因有以下几种可能:一是远缘杂种胚在发育过程中要不断从胚乳和母体组织吸收营养,如果营养物质的来源及运输途径发生障碍,就会造成杂种衰亡[2];有学者还认为杂种胚生长过程中内源激素的合成失调也是杂种胚败育的原因[6];再者是植物内部杂交抑制基因的存在。禾本科小麦族的植物在杂交能力上存在广泛的遗传多样性。例如小麦属植物中的杂交抑制基因是小麦与其近缘属杂交的主要障碍(Lein, 1943;Snape et al.,1979)。然而,在小麦栽培种如中国春中,发现有高度可交配基因(Kr1、Kr2、Kr3),可促进小麦与其他属植物种的杂交。近来,又发现了比中国春有更高交配能力的小麦地方品种,它具有一个新的可交配基因Kr4(Luo et al.,1993)。在小麦族,由于单基因可产生后代分离,这种基因型的远缘杂交潜力是无穷的。再者,染色体结构和数目上的差异也是造成杂种不育的原因。通过对禾本科小麦族远缘杂种的花粉母细胞减数分裂中期观察,发现同源染色体越少,配对异常现象越明显,表现为单价体和多价体较多,染色体消除或丢失,减数分裂后期染色体滞后及染色体桥的出现[10]。Stebbins 等(1946)认为禾本科小麦族的冰草属染色体上存在6%~10%的隐藏性结构是造成杂种不育的原因[7]。笔者认为,远缘杂交不育的实质性原因还是双亲的基因的差异。基因差异越远,杂种不育障碍越难克服。

2.1胚拯救是克服受精后不育障碍的有效途径

禾本科小麦族植物的远缘杂交所遇到的更多障碍是在受精后的不育。多年生禾本科牧草一旦得到杂交种子,尽管后代有不育障碍,可暂时通过无性繁殖保存下来,而一年生禾本科小麦族植物做了远缘杂交之后,如果后代不育就很难保存。现在最普遍的做法是在授粉后的适宜时间(7~14d)实施胚拯救。无论远缘杂种胚将遇到受精后的哪一类障碍,经过胚培养都可达到保留植株存活的目的。现在,禾本科小麦族小麦的胚拯救技术[8]最为成熟,很容易培养成功。其次还有大麦、黑麦、燕麦等谷类作物,经过器官发生途径和体细胞胚发生途径均成功地获得了再生植株。对于多年生禾本科小麦族植物的组织培养研究报道相对较少。多年生禾本科小麦族牧草的胚很小,剥离胚有一定难度,研究者往往要取其幼穗或子房部分进行离体培养,但诱导率和生长速率远不及谷类作物。Richard R.C.Wang等(1990)将薄冰草属植

中国草地2003年第25卷第2期