小麦抗赤霉突变体离体筛选及其抗性机理研究

论文摘要

利用体细胞无性系变异及赤霉菌毒素离体筛选技术,创造新抗源,培育抗赤霉病新品种,已成为小麦赤霉病抗性改良的重要途径。本研究以普通小麦品种为试材,通过幼胚培养毒素筛选及抗毒素细胞变异系再生植株的抗性筛选,获得了两个综合农艺性状与其各自供体亲本基本一致,但抗性与其供体亲本相比显著提高的抗赤霉突变体,并对获得的两个抗赤霉突变体的分子差异、生理生化特性及细胞组织学特性进行了分析。获得以下结果:1、以普通小麦幼胚为外植体对离体培养毒素筛选体系的研究表明,胚发育时间对离体培养有较大影响,花后10d～13d的幼胚愈伤组织和胚性愈伤组织的诱导率较高;蔗糖在20～50 g/L浓度范围内对胚性愈伤组织的诱导效果较好;6.0g/L的禾谷镰刀菌粗毒素是小麦幼胚离体筛选的一个敏感浓度,对愈伤组织诱导有明显抑制,对胚性愈伤组织的形成和苗分化产生强烈抑制,筛选中粗毒素浓度不宜高于这一浓度或连续使用,否则难以获得再生绿苗。2、对筛选获得的抗毒素细胞系再生植株不同世代的抗赤性表现及分离特点的研究表明,R0代再生植株抗赤性存在差异,经毒素筛选的后代抗病植株比例与未经毒素筛选的相比明显提高;抗病性主要在R1代分离,并趋向于感病方的分离;抗病性在R2代仍存在部分分离,在R3代稳定。对再生植株不同世代的农艺性状变异特点研究表明,变异可发生在株高、穗长、小穗数、穗型、株型、熟性和小穗密度等多个方面,不同基因型发生表型变异的频率不同;再生植株农艺性状变异的分离主要发生在R1代,部分性状在R2代继续分离,在R3代稳定。总体变异趋于矮杆、早熟和穗密度增加。通过田间抗性筛选,本实验最终在西农1376和花育888的抗毒素细胞变异系再生植株中分别获得一个抗赤霉病性明显改良的变异系,其抗赤霉病性与高抗扩展的苏麦3号和西农85相比呈中等抗性,但与各自感病亲本相比抗性显著提高。农艺性状鉴定结果显示,两个抗赤霉变异系与各自供体亲本基本相似。3、抗赤霉变异系RAPD检测结果显示,抗赤霉变异系与它们供体亲本相比在多个位点都发生了变异,变异率为2.10%～2.86%,从分子水平上证明了变异的真实性。抗赤霉变异系R西农1376-2和亲本西农1376间检测出的多态片段S3471220和S3751360,抗赤霉变异系R花育888和亲本花育888间检测到的多态片段S149620都可在抗扩展品种苏麦3号上找到,说明离体条件下发生变异的抗性位点具有特异性,初步判断这三个多态片段S3471220、S3751360和S149620与小麦赤霉病抗性有关。4、以典型抗扩展品种和突变体供体亲本为抗、感对照,对抗赤霉突变体的健康穗及接种穗的生理生化特性研究结果显示,在健康穗中,抗性突变体的PAL活性、总酚、类黄酮及MDA含量及变化趋势与其感病亲本相一致,但在病原菌侵染后,这些生理生化物质的含量与变化程度与其亲本有了明显的差异,其变化范围介于典型高抗品种和感病亲本之间,变化趋势与亲本或抗性品种一致。说明离体筛选的抗赤霉突变体的生理生化抗性机制与一般抗性品种类似。生理生化特性研究还表明,不同基因型健康穗或接种穗PAL活性、总酚及类黄酮含量存在显著差异,与材料的抗赤性无一定顺序关系。材料抗赤性强弱与接种穗与健康穗之间的PAL活性及总酚、类黄酮含量的增加幅度呈负相关。健康穗MDA含量在基因型间无差异,但在接种穗中,随处理时间延长在感病品种中MDA含量持续增加,在突变体与抗扩展品种中前期增加,第7d后下降,第11d后接种穗MDA含量高低与材料抗赤性强弱呈负相关。这些特性在典型抗、感品种间表现明显。5、对抗赤霉突变体的健康穗及接种穗的穗轴细胞组织学研究结果显示,抗性突变体与其感病亲本的花期健康穗轴在皮层厚壁组织、绿色组织及维管组织结构上基本一致,不同发育时间的变化趋势也一致;接种处理后,抗性突变体与其感病亲本的穗轴组织在各方面的变化趋势相一致,变化量也无明显差异。主要差异在于病菌侵染后抗性突变体穗轴组织中的菌丝量较少,受侵染程度较轻。据此可以认为,对供试的抗性突变体而言,其抗赤霉病性的提高与其穗轴组织结构无关。实验结果还证明,高抗品种和感病品种的穗轴组织结构确实存在一定差异,在健康穗中,主要表现在高抗品种的皮层厚壁细胞壁和皮层厚壁组织较厚,皮层厚壁细胞层数较多,维管束数目较多,穗轴表皮下绿色组织面积较小,抗、感品种间的差异达显著水平,随发育时间延长,高抗品种的皮层厚壁细胞壁厚度、厚壁组织厚度和厚壁细胞层数增加的幅度较大;在病穗中,主要表现在高抗品种的皮层厚壁组织细胞层数和厚壁细胞壁厚度增加的幅度较大。6、利用农艺性状和分子标记相结合的方法,对来自国内外的30多份小麦抗赤霉种质资源及本实验筛选的两个抗赤霉突变体的遗传多样性进行了分析,结果表明,供试材料总体表现植株较高、穗较长,小穗数少,穗密度较稀,穗粒数较多等相似的形态特征,各农艺性状的遗传变异程度由高到低依次为株高〉穗长〉小穗数〉穗粒数〉反应指数〉有效分蘖,变异系数在8.69%～28.75%之间,多样性指数在1.74～1.95之间,说明农艺性状的遗传多样性较丰富;RAPD分析结果表明,16种引物共扩增出176条带,多态性位点比例为84.09%,平均遗传相似系数0.7069,遗传距离0.3524,基于材料间的遗传距离,供试材料可聚为五类,地理来源相近的基本上聚为一类,亲缘关系较近的也被聚在一起,说明RAPD能充分反应材料间的遗传差异,能较好将供试材料进行分类,同时反映出材料间遗传关系与小麦生态环境和地理来源高度相关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 小麦抗赤霉细胞工程育种的原理
• 1.1.1 细胞工程突变体筛选的遗传变异基础
• 1.1.2 病菌毒素作为筛选压力的依据
• 1.2 抗赤霉突变体筛选的技术与方法
• 1.2.1 起始材料的选择
• 1.2.2 毒素筛选剂的类型、性质及使用浓度
• 1.2.3 抗病突变体离体筛选方法
• 1.2.4 小麦抗赤霉病变异系的抗性鉴定与遗传分析
• 1.3 小麦赤霉病抗性机制研究进展
• 1.3.1 形态结构抗病性研究
• 1.3.2 小麦抗赤霉生理生化机制研究
• 1.3.3 小麦抗赤霉遗传机制研究
• 1.4 小麦抗赤霉细胞工程育种存在问题与展望
• 1.4.1 研究现状
• 1.4.2 存在问题
• 1.4.3 展望
• 1.5 研究背景与立论依据
• 1.5.1 立论依据
• 1.5.2 研究目标
• 1.5.3 研究内容及技术路线
• 1.5.4 研究目的及意义
• 第二章 小麦抗禾谷镰刀菌毒素细胞系的筛选与再生
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 幼胚体细胞再生体系的建立
• 2.2.2 产毒培养及粗毒素活性测定
• 2.2.3 小麦抗禾谷镰刀菌毒素细胞系的筛选与抗性细胞系的再生
• 2.3 讨论
• 第三章 抗禾谷镰刀菌毒素细胞系再生后代的抗性特性、农艺特性及抗性基因型的筛选
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 抗毒素细胞系再生后代的抗性变异特性
• 3.2.2 抗毒素细胞系再生植株后代的农艺特性
• 3.2.3 抗性基因型的筛选
• 3.3 讨论
• 3.3.1 抗毒素细胞系的抗性变异
• 3.3.2 抗毒素细胞系的农艺性状变异
• 第四章 小麦抗赤霉变异系的分子差异分析
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 方法
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 抗赤霉变异系及其亲本的种子蛋白分析
• 4.2.2 抗赤霉变异系及其亲本的RAPD 分析
• 4.3 讨论
• 第五章 小麦抗赤霉突变体的生理生化特性研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 方法
• 5.1.3 试验重复及数据统计
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 抗赤霉突变体穗部PAL 活性的动态变化
• 5.2.2 抗性突变体穗部总酚含量的动态变化
• 5.2.3 抗性突变体穗部类黄酮含量的动态变化
• 5.3 讨论
• 5.3.1 小麦对赤霉病的生理生化抗性机制
• 5.3.2 抗赤霉突变体的抗性机制
• 第六章 小麦抗赤霉突变体的细胞组织学基础研究
• 6.1 材料和方法
• 6.1.1 材料
• 6.1.2 方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 小麦穗轴的一般形态与结构
• 6.2.2 抗性突变体及抗、感品种健康穗轴的组织学观察
• 6.2.3 接病后抗性突变体及抗、感品种穗轴的组织学观察
• 6.2.4 抗性突变体及抗、感品种穗轴的病理组织学观察
• 6.3 讨论
• 第七章 小麦抗赤霉病种质资源的遗传多样性分析
• 7.1 材料与方法
• 7.1.1 材料
• 7.1.2 方法
• 7.2 结果与分析
• 7.2.1 抗赤霉种质农艺性状相关性分析
• 7.2.2 农艺性状的遗传多样性分析
• 7.2.3 农艺性状聚类分析
• 7.2.4 RAPD 标记的遗传多样性分析
• 7.3 讨论
• 7.3.1 农艺性状相关性及多样性分析
• 7.3.2 基于RAPD 标记的小麦抗赤霉材料的遗传多样性
• 7.3.3 形态指标与分子标记聚类结果比较
• 第八章 结论与创新点
• 结论
• 主要创新点
• 参考文献
• 缩略词
• 致谢
• 作者简介