论文摘要
目前应用于普通小麦（Triticum aestivum L.,2n=6x=42,AABBDD）外源遗传物质转移中的Ph基因突变体ph1b,ph2a和ph2b都是通过人工诱变的方法获得的,这些人工突变体在小麦外源遗传物质转移中已有许多研究。不同于上述人工突变体,四川小麦地方品种开县罗汉麦天然存在phKL基因,其诱导部分同源染色体配对能力类似于Ph2基因突变体,该基因可能与Ph1和Ph2基因突变体有不同的遗传作用机制,可能是一种新型的染色体操作工具材料;光周期不敏感普通小麦在小麦栽培品种中占主导地位,对全世界小麦生产有重要贡献。其中,2D染色体上的光周期基因Ppd-D1对小麦光周期不敏感,发挥了重要作用。在欧洲,多数对光周期不敏感的小麦光周期基因Ppd-D1来源于日本品种Akakomugi。由于仅有极少数的节节麦（Aegilops tauschii Coss.,2n=2x=14,DD）参与了六倍体小麦的起源与进化,节节麦2D染色体上可能存在一些目前普通小麦遗传群体不具有的光周期基因位点。本文围绕开县罗汉麦天然的phKL基因和节节麦的光周期基因Ppd-D1进行相关研究。利用具有phKL的开县罗汉麦与外源物种Aegilops peregrina（2n=4x=28,UUSsSs）远缘杂交,选育稳定株系,并对稳定株系进行分子细胞学鉴定,以评价phKL基因在远缘杂交转移外源基因的实际应用效果;对通过phKL基因导入Ae.peregrina遗传物质的小麦品系进行条锈病抗性鉴定分析,获得新的抗病材料;研究节节麦的光周期基因的遗传多样性,并转入六倍体遗传背景中,评价其应用价值。主要研究结果如下:1.用含有phKL基因的开县罗汉麦与Ae.peregrina居群13E远缘杂交,杂种用小麦品系3854回交2次后,连续自交选择,获得农艺性状稳定、结实正常、染色体数2n=42的6个品系3121,3131,3141,3161,3171,3181。这6个品系在F3时来自同一个单株。其中,3161,3171,3181在F4时是同一个单株,在F5后分别为3个农艺性状相似的姊妹系。这3个品系与普通小麦类似,软壳、易脱粒,方型穗,植株偏高。其中,3171在成株期抗条锈,而3161和3181感条锈。3121,3131,3141在F4时也是同一个单株,在F5后分别为3个单株的姊妹系。这三个姊妹系的颖壳硬且紧包种子,在室内考种时不易脱粒,只能用手才能剥离,这种颖壳紧包种子而不易脱粒是Ae.peregrina的野生性状。同时,这3个品系与Ae.peregrina居群13E相似之处还表现在:穗型类似,株型分散。从形态上看,3121,3131,3141可能转入了2U或2SL染色体上的硬壳基因。这三个品系其余主要农艺性状也基本相似。3131和3141在田间无法区分,但是与3121能够根据条锈病的抗性区分开。3131和3141在成株期感条锈,而3121抗条锈。3121的抗条锈特征与13E类似,而且其小麦亲本不抗病,表明抗性来自13E。3121具有的抗病基因与13E的第2同源群硬壳位点无直接关系,可能受不同染色体（或片段）控制。对抗条锈的新品系3121花粉母细胞观察表明,染色体减数分裂过程正常,表明3121是个细胞学上稳定的材料。它与开县罗汉麦杂种F1的绝大多数花粉母细胞配成21个二价体。根据细胞学和农艺性状资料,3121可能是一个具有两个以上易位的易位系。本研究表明,phKL基因在外源基因转移方面有较大的应用价值。但是,通过染色体C带和基因组原位杂交,未成功检测出易位染色体。下一步,需要用更灵敏的分子生物学技术检测出上述品系的易位片段。2.以开县罗汉麦为母本,13E为父本杂交,将杂种F1中将自交结实的种子,分单株种植,而后选结实率较高单株自交至F9,选出3271,3281,3291,3301,3311等比较稳定的品系。尽管这些品系的穗子比开县罗汉麦偏长,小穗数增多,但是与亲本比较,普遍存在结实率偏低问题。细胞学观察表明,这些品系为细胞学稳定的材料。这些品系结实率不高,可能不是由于细胞学上的减数分裂不正常引起的,而可能是由于导入外源染色体片段不能完全补偿缺失的小麦染色体的遗传物质,致使育性降低。进一步,通过对3271与KL的杂种F1染色体观察,发现绝大多数花粉母细胞配成21个二价体,表明品系3271可能是易位系。对这些品系的高分子量谷蛋白亚基和微卫星（SSR）分子标记分析揭示了新的变异,表明在远缘杂交过程中产生了遗传变异。3.对56个不同来源节节麦的抽穗期遗传评价表明,节节麦抽穗期存在很大差异。以抽穗期相差7天作为一个间隔,56个节节麦材料被划分为4种类型。类型Ⅰ具有相对短的抽穗期（在169到176天之间）。类型Ⅱ抽穗期在177到184天之间。类型Ⅰ和类型Ⅱ所包含的所有节节麦材料均属于节节麦tauschii亚种。类型Ⅲ抽穗期在185到192天之间。类型Ⅳ抽穗期超过193天。抽穗期与其地理分布相关。分布于我国新疆伊犁河流域和黄河流域的所有节节麦都具有早的抽穗期（类型Ⅰ）,它们均属于节节麦tauschii亚种。另一方面,所有strangulata亚种的节节麦只分布于外高加索（亚美尼亚和阿塞拜疆）和伊朗的里海,它们具有晚的抽穗期。三个人工合成六倍体小麦SHW-L1,Syn-SAU-13和Syn-SAU-14的抽穗期分别为182天,189天和189天。它们的共同四倍体供体小麦圆锥麦AS2255的抽穗期为171天,而其三个不同节节麦ssp.tauschii AS60,ssp.tauschii AS2395和ssp.strangulata AS2393的抽穗期分别为173天,195天和195天。由于SHW-L1的抽穗期比Syn-SAU-13和Syn-SAU-14要早7天,推测人工合成六倍体小麦的抽穗期早晚与供体节节麦的抽穗期早晚相关。进一步的遗传分析表明,人工合成六倍体小麦SHW-L1的2D染色体,在SHW-L1和中国春杂种F2的遗传背景下,能缩短抽穗期5天以上。人工合成小麦SHW-L1的2D染色体是由节节麦AS60提供。因此推测,节节麦含有的光周期位点与中国春的ppd-D1位点有差异。由于进化的瓶颈效应,节节麦tauschii亚种具有的光周期位点,可能没有渗入到六倍体小麦中。因此节节麦tauschii亚种AS60中的光周期位点可作为六倍体小麦光周期育种的新资源。4.前人通过对光周期不敏感和敏感小麦的比较研究发现,光周期不敏感品种的Ppd-D1基因编码区上游序列出现了2089bp缺失,此缺失可能切除了某些调节基因或改变了转录的起始位点,引起Ppd-D1的异常表达,从而启动光周期途径,并最终导致提前抽穗。为了检测光周期不敏感小麦品种Ppd-D1编码区上游存在的2089bp缺失是否也存在节节麦中,我们运用位于此缺失序列之内的PCR扩增引物对8份节节麦扩增,并对产物进行克隆测序。序列比较发现:（1）所有的8份节节麦与光周期敏感普通小麦一样,没有发生2098bp缺失。节节麦未发现该2089bp片段缺失表明,该片段缺失可能是在普通小麦起源之后产生的。由于这8份节节麦的抽穗期存在很大差异,表明节节麦抽穗期存在的差异与这整个2098 bp缺失无直接关系;（2）节节麦的这段序列存在两个不同位置的缺失/插入短序列,分别包含24个碱基（8个氨基酸）和15个碱基（5个氨基酸）。24碱基缺失/插入和临近序列具有MITE（miniature terminal inverted repeat element）转座子特征,该MITE有14 bp不完全的倒位重复序列（CCCATTGGGTATA与GATACCCGATGGG）,同时产生了“TA”TSD（target site duplication）重复位点,表明可能是一个MITE活动的结果;（3）存在这两个短序列的节节麦都属于ssp.tauschii,而缺失这两个短序列的节节麦都属于ssp.strangulata。同时,普通小麦也缺失这两个短序列。因此,本研究证明节节麦strangulata亚种是原始普通小麦光周期基因的供体。这也为节节麦strangulata亚种是普通小麦D基因组的供体物种提供了新的证据。（4）根据抽穗期资料,这两个缺失/插入短序列与节节麦的抽穗期早晚并无必然的关系。5.前人研究表明,普通小麦光周期基因中,Ppd-D1与Ppd-B1,Ppd-A1相比较有一个很大的不同,就是Ppd-D1在其第8外显子中少了16bp的片段。为了研究该16bp片段缺失是否来自于节节麦,我们对11份节节麦材料Ppd-D1基因的第8外显子部分序列克隆测序。序列比较结果表明,与普通小麦不一样,所有的节节麦都没有该16bp片段缺失,这表明该缺失也可能是在普通小麦起源之后产生的。6.节节麦AS60与普通小麦中国春的光周期基因在控制小麦抽穗早晚方面存在差异,节节麦AS60具有Ppd-Dt1基因的表现型,而中国春具有ppa-D1基因的表现型。但是,AS60并不存在光周期不敏感普通小麦Ppd-D1基因编码区上游序列出现的2089bp缺失。同时,节节麦AS60的Ppd-Dt1基因编码区3’端的1572bp序列与普通小麦中国春相应序列相比,除了上述提到的中国春存在16bp片段缺失之外,仅存在3个SNP位点,表明该段序列差异较小。只有将节节麦AS60的整个Ppd-Dt1基因序列测出来,并与普通小麦比较,才能揭示节节麦AS60与普通小麦中国春的光周期基因在控制小麦抽穗早晚存在差异的遗传原因。
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相关论文文献
- [1].小麦光周期基因Ppd-D1的单核苷酸多态性[J]. 麦类作物学报 2011(01)
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