高油酸的甘蓝型油菜与诸葛菜属间杂交新材料的细胞学和遗传学研究

论文摘要

植物种、属间的远缘杂交是作物遗传改良的重要途径。芸薹属作物具有非常丰富的近缘种种质资源，可提供许多有用的细胞核和细胞质基因。我国现在大面积栽培的甘蓝型油菜（Brassic napus L，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。油菜品种实现“双低”化（低芥酸，低硫甙）以后，进一步提高种子油中的油酸含量并降低亚麻酸和饱和脂肪酸含量成为油菜品质改良的新目标。我国特有的观赏植物诸葛菜（Orychophragmus violaceus（L.）O.E.Schulz, 2n=24）具有高亚油酸、低亚麻酸和低芥酸的优良品质性状，故前人进行了甘蓝型油菜品种奥罗和诸葛菜的属间杂交，并对后代进行了系统的遗传研究和选育。本研究通过对该杂种的第5代（F5）群体中发现的淡黄花杂种植株进行连续的自交选育、细胞学观察和脂肪酸组成分析，获得了油酸和亚油酸含量提高、硫甙含量降低的甘蓝型油菜新材料(F12株系)，并利用基因组原位杂交（Genomic in situ hybridization，GISH）及扩增片断长度多态性（Amplified fragment length polymorphism，AFLP）等方法，分析了它们的遗传组成及油酸的遗传方式，主要结果如下：1．新材料的形态及农艺性状。获得的表型一致的各个F12株系来自两株F6植株（F6-8，F6-9），形态上与母本甘蓝型油菜品种奥罗相似，多数株系的叶片、叶柄、茎杆、角果都不同程度地表现出诸葛菜的紫色性状、分枝部位降低，具有黄花、淡黄花和白花，且花瓣明显比奥罗的大，以白色花瓣最大，但稍小于诸葛菜的紫色花瓣。观察的60个株系的花粉育性和结实均基本正常。5个不同花色的F12株系的有效分枝数、主花序角果数、每角果种子粒数、千粒重和单株产量均高于奥罗。2．脂肪酸组成及硫甙含量。对来自F6-8和F6-9的高油酸（≥70％，比母本奥罗高10％左右）的后代(F9-F12)进行连续的自交选育，获得油酸含量稳定在70％以上的F12株系；从F6-9的后代中获得亚油酸含量达28％的株系，该性状遗传稳定，油酸和亚油酸含量总和高于80％，最高达87％，且芥酸含量小于1％。分析的近2000株F11和F12植株的种子硫甙含量表现出大幅变异（3.95-139.58μmol／g，奥罗为64.93μmol／g），238株（13.05％）的硫甙含量低于30μmol／g，选育出一些甘蓝型油菜的双低株系。3．染色体及基因组组成。高油酸的F11和F12株系的绝大多数子房和根尖细胞（＞98％）的染色体数为38，在部分植株中有2n=37，39的细胞，所有植株产生的花粉母细胞（PMCs）在减数分裂的终变期均表现为正常的染色体配对（19个二价体）、后期Ⅰ的正常分离（19∶19）。在极个别的株系中在后期Ⅰ／末期Ⅰ有1或2条染色较深的染色体被落后或进入一极，它们可能来自诸葛菜。基因组原位杂交分析在子房和根尖细胞、PMCs中均未检测到完整的诸葛菜染色体，不同大小和强度的诸葛菜DNA探针信号主要位于部分体细胞染色体和减数分裂二价体或后期Ⅰ染色体的末端及着丝粒部位。在一些末期Ⅰ／中期ⅡPMCs中，大块的标记染色质在空间上与未标记的染色质分开，故可能渗入的诸葛菜片断较小，不能用GISH在中期染色体上检测出。高油酸的51个F12株系的55个单株和一个高亚油酸的F12单株的AFLP分析表明，选取的10对引物均扩增出多态性带，所有植株的带谱均不相同。诸葛菜特异带、奥罗缺失带及新增带的数目及百分比分别为85（15.98％）、59（11.09％）和53（9.96％）。由于GISH信号的数目、大小和强度在每株各细胞间的染色体上均有变异，很难将GISH信号与各株系的诸葛菜AFLP特异带的数目多少相对应。高亚油酸株系的PMCs中有一条可能来自诸葛菜的深染染色体，其诸葛菜特异带（13条）比观测的20个高油酸株系中的17个均高。伴随着诸葛菜片断的渗入而发生的甘蓝型油菜的片断缺失及新增带的出现，可能与这些株系的选育与稳定的较长过程中发生的染色体片断重组及序列消除有关。这些变化可能涉及全基因组范围，并影响表型、花色、脂肪酸和硫甙合成的许多基因。4．高油酸性状的遗传研究。以高油酸（69％）新株系‘291’、奥罗（油酸含量57％）和低油酸（25％）品种中油821为亲本，配制‘291’×中油821、奥罗×中油821和‘291’×奥罗的正反交组合，研究了亲本、F1、F2及BC1各世代种子中油酸的表现和遗传，其中‘291’×中油821组合进行了重复研究，并观察了F3种子。结果显示‘291’×中油821与奥罗×中油821组合的F1正反交油酸含量均无明显差异，没有母本效应，F1平均值低于中亲值，低值对高值为部分显性，F2正反交也无明显差异，故没有细胞质效应。而‘291’×奥罗组合中F1正反交有较明显的差异，存在部分母本效应，F1平均值和中亲值相差不显著；正反交的F2平均值无明显差异，说明没有细胞质效应。‘291’×中油821组合的F2及BC1、F3的脂肪酸分析结果表明油酸含量的分离方式符合双因子杂种的基因模型，低油酸对高油酸为不完全显性；两年的结果一致，说明环境条件对油酸含量没有显著影响，油酸和芥酸含量的相关系数分别为r=-0.92和r=-0.93。奥罗×中油821组合中油酸含量的分离方式符合单因子杂种模型，低油酸对高油酸仍为不完全显性，高油酸由一对隐性主效基因控制，油酸和芥酸间的相关系数r=-0.91。‘291’×奥罗组合的F2分离群体中油酸含量呈连续分布，表现为高油酸的种子粒数所占比例高于25％，F1和‘291’回交的群体中高油酸的粒数所占比例高于50％，该组合中的油酸含量由单基因控制。据此推测‘291’、奥罗和中油821中控制油酸的基因型为ololo2o2、ololO2O2和OlOlO2O2，新品系‘291’比奥罗增加的油酸含量（约10％）由隐性新基因o2所决定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 芸薹属近缘种种质资源及其在油菜遗传育种中的应用
• 1.1.1 远缘杂交和遗传渗入
• 1.1.2 芸薹属近缘种种质资源概况
• 1.1.3 芸薹属近缘种种质资源在油菜遗传育种中的应用
• 1.1.3.1 提高抗逆性
• 1.1.3.2 改变脂肪酸组成和含量
• 1.1.3.3 转移细胞质基因
• 1.1.3.4 获得其它特殊类型的材料
• 1.2 芸薹属远缘杂种的细胞学和遗传学
• 1.2.1 芸薹属栽培种的亲缘关系
• 1.2.2 芸薹属远缘杂种的细胞遗传学
• 1.2.3 合成异附加系
• 1.3 植物异源多倍体形成过程中的序列消除和表观遗传
• 1.3.1 序列消除
• 1.3.1.1 序列消除的特点
• 1.3.1.2 影响序列消除的因素
• 1.3.2 表观遗传
• 1.3.2.1 基因沉默（Gene silencing）和DNA甲基化（DNA methylation）
• 1.3.2.2 核仁显性（Nucleolar dominance）
• 1.3.2.3 转座子激活（Transposable activation）
• 1.3.2.4 基因组印记（Genomic imprinting）
• 1.4 油菜主要品质性状的遗传育种研究
• 1.4.1 脂肪酸的生物合成及遗传研究
• 1.4.1.1 脂肪酸的生物合成及调控
• 1.4.1.2 脂肪酸含量的遗传研究
• 1.4.1.3 控制油菜脂肪酸含量的基因定位、克隆和表达分析
• 1.4.1.4 影响脂肪酸形成的环境条件研究
• 1.4.2 油菜花色遗传与脂肪酸的遗传分析
• 1.4.3 硫代葡萄糖甙的遗传研究
• 1.4.3.1 硫代葡萄糖甙的主要成分及代谢调控
• 1.4.3.2 硫代葡萄糖甙的遗传分析
• 1.4.4 油菜的品质育种
• 1.4.4.1 油菜主要品质性状的育种目标
• 1.4.4.2 育种途径
• 2 衍生于甘蓝型油菜与诸葛菜属间杂种的高油酸甘蓝型油菜新材料的细胞学及AFLP分析
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.2.2.1 田间试验
• 2.2.2.2 细胞学和花粉育性观察
• 2.2.2.3 基因组原位杂交
• 2.2.2.4 AFLP指纹分析
• 2.2.2.5 脂肪酸组成及硫代葡萄糖甙含量的测定
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 高油酸、高亚油酸、低硫甙含量植株的选育及形态学分析
• 2.3.2 杂种后代的细胞学及原位杂交
• 2.3.3 AFLP分析
• 2.4 讨论
• 2.4.1 高油酸植株的染色体及基因组组成
• 2.4.2 远缘杂种形成过程中的基因组变化及表观遗传
• 2.4.3 新材料在遗传育种研究中的意义
• 3 高油酸的甘蓝型油菜新材料中油酸含量的遗传分析
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 方法
• 3.2.2.1 遗传学研究
• 3.2.2.2 脂肪酸含量测定
• 3.2.2.3 数据分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 ‘291’×中油821油酸含量的遗传分析
• 3.3.2 奥罗×中油821油酸含量的遗传分析
• 3.3.3 ‘291’×奥罗油酸含量的遗传分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 控制油酸含量的基因效应分析
• 3.4.2 关于fad2基因
• 3.4.3 油菜花色和油酸含量的遗传
• 3.4.4 环境条件对油酸含量及遗传规律的影响
• 3.4.5 高油酸的遗传规律对育种的指导意义
• 参考文献
• 附录
• 附录1 PROCEDURE OF GENOMIC IN SITU HYBRIDIZATION（BIOTIN）
• 附录2 扩增片段长度多态性（AFLP）的实验程序
• 个人简介
• 研究论文
• 致谢