人工合成蕓苔屬異源六倍體及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、異源多倍體在植物進(jìn)化過程中扮演著重要的角色,在生長活力及環(huán)境適應(yīng)性方面比低倍性物種具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但是,由于生值隔離和染色體穩(wěn)定性的因?yàn)?像普通小麥和燕麥等高倍性作物在自然界中并不常見。蕓苔屬在自然界中包含有三個(gè)二倍體物種(基因組為:AA,BB和CC)及三個(gè)四倍體體物種(基因組為:AACC,AABB和BBCC),其中每一個(gè)四倍體物種均來源于兩個(gè)對(duì)應(yīng)二倍體物種的結(jié)合。而包含有蕓苔屬三個(gè)基本基因組的六倍體物種(AABBCC)在自然界中并不存

2、在,因此人工合成蕓苔屬異源六倍體材料對(duì)于蕓苔屬生物學(xué)及作物育種均具有重要的意義。
　　 人工合成蕓苔屬異源六倍體的途徑有很多,其中以蕓苔屬異源四倍體物種與對(duì)應(yīng)的蕓苔屬二倍體物種進(jìn)行種間雜交(AACC×BB,BBCC×AA,AABB×CC)及隨后染色體加倍的方法最為可行與高效。本實(shí)驗(yàn)室先后對(duì)三種人工合成六倍體的途徑進(jìn)行了嘗試,結(jié)果顯示途徑“BBCC×AA”最容易獲得六倍體后代,其次是“AABB×CC”,最難的途徑是“AACC×BB

3、”。因此,本實(shí)驗(yàn)室選取“BBCC×AA”途徑作為人工合成蕓苔屬異源六倍體材料的主要途徑。2004年,利用110份埃芥材料與29份白菜型油菜進(jìn)行廣泛種間雜交,總共完成405個(gè)雜交組合共計(jì)40154個(gè)雜交花朵,平均雜交親和性為0.33,最終得到13235粒三倍體(ABC)雜交種子。利用表型鑒定、染色體計(jì)數(shù)、分子標(biāo)記篩選等技術(shù)對(duì)三倍體雜種后代的假雜種進(jìn)行了排除,總共獲得了5111株三倍體真雜種幼苗。利用秋水仙素滴定莖尖加倍技術(shù),有23.3％的

4、三倍體真雜種幼苗的整株或分支得到了加倍,總共收獲包含192個(gè)親本雜交組合的1190個(gè)六倍體第一代(H1)單株。
　　 六倍體H1代單株的角果育性在株系間及株系內(nèi)均表現(xiàn)出較大變異,因此選取育性較好的來源于411個(gè)雜交組合的822個(gè)H1代株系作為進(jìn)一步研究用材料。在H1代株系的后代中,進(jìn)一步進(jìn)行了表型和育性篩選并選取出1753個(gè)H2代單株進(jìn)行染色體數(shù)目鑒定工作,結(jié)果顯示六倍體H2代染色體表現(xiàn)出極大的不穩(wěn)定性。95％左右的H2代單株變

5、成了非整倍體,非整倍體染色體數(shù)目在2n=26與2n=53之間變化。僅有80個(gè)(5％)H2代單株仍然是六倍體單株(2n=54),這些整倍體單株來源于35個(gè)親本雜交組合。35個(gè)雜交組合中,71.4％的組合只產(chǎn)生1個(gè)整倍體單株,約有22.9％的組合產(chǎn)生了2到6個(gè)整倍體單株。而組合C21及C28中分別得到了17及11個(gè)六倍體單株,明顯多于其他組合,這可能是兩個(gè)親本特異結(jié)合的結(jié)果。
　　 六倍體H2代單株的染色體穩(wěn)定性很低,但隨著世代的增

6、加有了很大程度的提高:在H3代和H4代中分別為23.0％和26.3％。在同一個(gè)世代的不同組合中,六倍體單株的比率表現(xiàn)出較大的變異,這有利于通過不同六倍體組合之間的雜交來篩選染色體穩(wěn)定性更高的六倍體材料。伴隨著六倍體染色體穩(wěn)定性的不斷提高,其H4代的花粉育性及角果育性普遍高于H3代并表現(xiàn)出更大程度的變異。此外,H3代中六倍體單株的比率與H3代及H4代的花粉育性、H4代的六倍體單株的比率均表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性,表明了六倍體單株比率向后代的傳

7、遞性及進(jìn)一步提升六倍體育性的可能性。
　　 六倍體早期世代中,不僅染色體穩(wěn)定性和育性有了很大程度的提高,性狀表現(xiàn)也明顯不同于埃芥和白菜親本。在06-07年及07—08年,分別對(duì)15個(gè)六倍體組合的埃芥與白菜型油菜親本及H2代、H3代及H4代的17個(gè)田間性狀進(jìn)行了考察。結(jié)果顯示兩年的數(shù)據(jù)重復(fù)性很好:總共17個(gè)性狀中,只有06-07年株高、干物重、全株角果數(shù)性狀顯著高于07—08年,表明六倍體性狀的總體穩(wěn)定性。而六倍體性狀在同一年不同

8、世代之間則未發(fā)現(xiàn)顯著差異。與雙親性狀相比較,六倍體后代的高親性狀比例高達(dá)35.3％,類似埃芥親本性狀比率為32.4％,低親性狀比率為20.6％,類似白菜親本和中親性狀比率均為5.9％。此外,我們?cè)?8—09年進(jìn)一步考察了六倍體H5代的小區(qū)產(chǎn)量及干物重性狀,六倍體材料的小區(qū)平均產(chǎn)量顯著高于其五倍體后代,低于雙親及甘藍(lán)型油菜對(duì)照；六倍體材料的干物重顯著高于雙親及甘藍(lán)型油菜,僅略低于五倍體材料。
　　 為了解六倍體染色體穩(wěn)定性的調(diào)控因

9、素并為六倍體的穩(wěn)定性的快速提高尋找可行的途徑,本實(shí)驗(yàn)利用細(xì)胞學(xué)與分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)引起六倍體后代染色體不穩(wěn)定性機(jī)制進(jìn)行了解析。細(xì)胞學(xué)結(jié)果顯示,六倍體的染色體在H2代和H3代配對(duì)不正常,能夠產(chǎn)生大量的落后染色體及染色體提前分離現(xiàn)象,并且能夠出現(xiàn)大量的多價(jià)體及單價(jià)體現(xiàn)象。在H2代的減數(shù)分裂中期,二價(jià)體的平均數(shù)目僅為22.30,并伴隨有大量的多價(jià)體和單價(jià)體,而六倍體的染色體配對(duì)構(gòu)型在H3代有了一定的改善,例如二價(jià)體的數(shù)目平均提高了1.12,單價(jià)體

10、與多價(jià)體的數(shù)目也有了不同程度的降低。因此六倍體大量多價(jià)體和單價(jià)體的出現(xiàn)可能是導(dǎo)致其染色體不穩(wěn)定的主要因素。此外利用129對(duì)SSR引物分析蕓苔屬異源六倍體A、B和C三個(gè)基因組的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)A和C基因組穩(wěn)定性遠(yuǎn)差于B基因組,據(jù)此可推斷A和C基因組的高同源性可能是導(dǎo)致六倍體大量多價(jià)體及單價(jià)體出現(xiàn)的主要因?yàn)?。此?而分子標(biāo)記結(jié)果則表明H4代的基因組比H2代和H3代更穩(wěn)定。因此細(xì)胞學(xué)和分子標(biāo)記結(jié)果不僅揭示了六倍體不穩(wěn)定的機(jī)理,同時(shí)進(jìn)一步證實(shí)了六倍