小麥族含StH基因組植物的分子系統(tǒng)學(xué)及細(xì)胞學(xué)研究.pdf

1、小麥族( Triticeae Dumortier)是禾本科(Poaceae)植物中一個非常重要的類群。該族約有350-450多個種，廣泛分布于世界各地，特別是北半球溫帶地區(qū)。小麥族多年生植物含有Ns、H、P、St、Y、W、E等20多個基本基因組，這些基因組的二倍體供體通過不同天然雜交組合形成了大量的含有不同基因組組成，如StP、StY、StH、StYW、StYP等多倍體植物，進(jìn)而形成了大約70％～75％的小麥族多倍體物種。其中，具有St

2、H基因組多倍體物種由二倍體的擬鵝觀草屬植物（St基因組）和二倍體的大麥屬植物（H基因組）經(jīng)異源多倍化形成。這些物種多為草原和草甸的優(yōu)良牧草，具有較高的經(jīng)濟和生態(tài)效益，同時還具有抗寒、抗旱、耐鹽堿等特性，以及具有麥類作物缺乏的優(yōu)良抗病蟲害和抗逆基因，是牧草遺傳育種和麥類作物遺傳改良重要的基因資源。
　　 具有StH基因組多倍體物種全世界約有20種，分布于全球溫帶和暖溫帶地區(qū)，生長在草原、山谷、林下、草地邊緣等環(huán)境中。形態(tài)上，含St

3、H基因組的小麥族植物存在每穗節(jié)小穗從單小穗（如ElymuscaninusL.）到著生2枚小穗(如ElymussibiricusL.)到著生3枚小穗（如ElymuscanadensisL.）；穎從狹長(如Elvmuselvmoides(Raf.)Swezey)到缺失（如ElymushystrixL.）等一系列形態(tài)特征變異。含StH基因組物種擁有兩個地理分布區(qū)：歐亞大陸和北美。盡管它們含有相同的基因組組成，卻表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征、不同的地理

4、分布和生境。此外，不同學(xué)者對StH基因組植物具有不同的分類處理，在小麥族分類歷史上，具StH基因組物種的分類處理存在很大的分歧，它們曾被歸在披堿草屬（Elymus）、猬草屬（Hvstrix）、裂穎草屬（Sitanion）及偃麥草屬（Elytrigia）等不同的屬中，且許多物種還作為屬的模式種處理。因此，不同學(xué)者不同的分類處理，使得它們間的關(guān)系顯得非常復(fù)雜，分類處理困難。
　　 本研究基于多拷貝的細(xì)胞核ITS序列、單拷貝的細(xì)胞核A

5、cc1(plastidacetyl-CoAcarboxylase)和DMC1(disruptedmeioticcDNA)基因序列、葉綠體trnL-F以及線粒體CoxⅡ序列的分子系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)合胚乳細(xì)胞學(xué)特征和雜種染色體配對資料，探討含StH基因組物種的種間系統(tǒng)關(guān)系、不同地理分布下植物類群間的系統(tǒng)關(guān)系、基因組供體來源、物種形成的母本供體、復(fù)制基因的進(jìn)化動力學(xué)、植物類群發(fā)生地理分化的生物學(xué)理論依據(jù)。主要結(jié)果如下：
　　 1.運用n

6、rDNAITS序列對16個具StH基因組組成的物種及5個擬鵝觀草屬(St)和3個大麥屬(H)的二倍體物種進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析。結(jié)果表明：(1)過去歸屬于裂穎草屬的Sitanionjubatum、Sitanionhystrix和猬草屬的Hystrixpatula與披堿草屬物種關(guān)系較近，應(yīng)當(dāng)劃入披堿草屬中；(2)地理分布相同或相近的StH基因組物種聚類在一起，其親緣關(guān)系較近；(3)北美StH基因組物種與歐亞大陸StH基因組物種在ITS序列上存

7、在地理分布的異質(zhì)性；(4)St基因組和H基因組的二倍體物種分別存在較大的分化；(5)探討了造成小麥族StH基因組物種變異和分化的可能原因。
　　 2.獲得了16個StH基因組物種的葉綠體trnL-F和線粒體CoxⅡ內(nèi)含子序列，并與小麥族二倍體供體物種的trnL-F和CoxⅡ序列構(gòu)建ML系統(tǒng)發(fā)育樹、BI系統(tǒng)發(fā)育樹和MJ網(wǎng)狀支系結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示：(1)所有具StH基因組組成的物種與擬鵝觀草屬物種聚在一起，表明了StH基因組物種母本為S

8、t基因組供體；(2)StH基因組物種的母本來源存在多源化，其中Pseudoroegneriaspicata或其祖先種可能充當(dāng)了部分StH基因組物種的母本供體；(3)具St基因組的二倍體物種和StH基因組物種發(fā)生了一定程度的分化；(4)Hystrixpatula、Sitanionhystrix和Sitanionjubatum與披堿草屬物種聚在一起，將它們劃入到披堿草屬中是合適的；(5)Elytrigiarepens與披堿草屬物種存在差異，

9、其系統(tǒng)地位還有待進(jìn)一步研究。
　　 3.從15個含StH基因組物種中分離到29個Acc1基因單倍型序列，單倍型序列覆蓋了所有供試物種的Acc1基因在不同基因組上的直系同源序列。將這29個單倍型序列與5個擬鵝觀草屬物種和3個大麥屬植物類群的Acc1基因序列進(jìn)行了序列、系統(tǒng)發(fā)育及基因多態(tài)性分析，結(jié)果顯示：(1)Elymusvirginicus（H基因組拷貝類型）和Elvmushystrix（H基因組拷貝類型）中擁有173bp的反轉(zhuǎn)錄

10、轉(zhuǎn)座插入序列；(2)北美StH基因組物種和歐亞的StH基因組物種的Acc1基因在長期的進(jìn)化過程中己發(fā)生了遺傳分化；(3)不同的擬鵝觀草屬植物可能作為St基因組供體參與了StH基因組物種的形成；(4)地理分布上相近的大麥屬二倍體供體與StH基因組物種具有較近的親緣關(guān)系；(5)Acc1基因在StH基因組物種中多態(tài)性水平高于二倍體的基因多態(tài)性水平。
　　 4.從16個含StH基因組物種中分離到31個DMC1基因單倍型序列。將這31個單

11、倍性序列與4個擬鵝觀草屬物種和3個大麥屬植物類群的DMC1基因序列進(jìn)行了序列和系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果顯示：(1)北美StH基因組物種和歐亞的StH基因組物種在長期的進(jìn)化過程中已發(fā)生了遺傳分化；(2)不同的擬鵝觀草屬植物可能作為St基因組供體參與了StH基因組物種的形成；(3)Elymussibiricus的H基因組可能存在多重起源；(4)DMC1基因比Acc1基因在StH基因組物種中具有更多的簡約信息位點比率。
　　 5.對小麥族含

12、StH、St、H基因組的16個物種的胚乳細(xì)胞特征進(jìn)行觀察測量，結(jié)果表明StH基因組植物種子胚乳細(xì)胞存在豐富的多樣性，不同物種的胚乳細(xì)胞在大小、形狀和數(shù)量上均表現(xiàn)出明顯的差異，但不能很好的反映屬以及基因組間的差異。
　　 6.采用屬間和種間雜交的方法，對來自6個不同地區(qū)的擬鵝觀草屬二倍體物種Pseudoroegneria libanotica、Pse.cognata、Pse.tauri、Pse.spicata、Pse.strigo

13、sa和Pse.stipifolia，和4個不同地區(qū)的大麥屬二倍體物種Hordeumbogdanii、Hbrevisubulatum、H chilense、Hstenostachys與16個StH基因組物種進(jìn)行相互雜交，目前僅得到了E.wawawaiensis和E.Hystrix與亞洲分布的擬鵝觀草屬物種間的4組雜交組合。對其雜種F1花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期Ⅰ染色體配對行為及繁育特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)分布于中東和中亞的擬鵝觀草屬二倍