黑麦属优异基因在小麦改良中的研究与应用

黑麦属(Secale cereale,2n=14,染色体组R)作为小麦的三级基因源,在小麦遗传改良中发挥了重要的作用。本文综述了黑麦属优异基因在普通小麦遗传改良中的应用及分子特性的最新研究进展;并将报道的黑麦相关基因及数量性状位点(quantitative trait loci,QTL)整合到其物理图谱,发现在1R染色体上分布的优异基因最多,从而在分子水平上解释了1RS/1BL易位系得以广泛应用的原因;并对黑麦属优异基因的进一步利用进行展望。     

小麦-黑麦1BL/1RS易位系7-1抗纹枯病的分子细胞学鉴定

黑麦(Secale cereale)是小麦(Triticum aestivum)的重要三级基因源,具有小麦改良所需要的多种优良性状。为丰富小麦杂交育种新的种质资源,利用墨西哥黑麦(2n=2x=14,RR)与普通优质小麦W770B(2n=6x=42,AABBDD)杂交,经过多年筛选,选出若干优良性状的衍生系,在小麦五叶期时用PDA培养基培养的带纹枯病菌的牙签,接菌到小麦芽鞘内,温室内培养,5周后鉴定纹枯病发病等级,计算病情指数,为了结果的准确性,经过多次牙签法鉴定,筛选出病情指数为PI=32.8%的抗病衍生系7-1。为明确衍生系7-1的遗传成分,本研究综合采用形态学、细胞遗传学、基因组原位杂交(genomic in situ hybridization,GISH)、特异序列扩增(sequence characterized amplified region,SCAR)分子标记、简单重复序列(simple sequence repeat,SSR)分子标记和醇溶蛋白分析。对7-1的根尖细胞和花粉母细胞的细胞遗传学观察表明7-1染色体结构和数目稳定2n=42=21Ⅸ;以黑麦DNA为探针的GISH分析观察表明7-1含有两个黑麦染色体臂;黑麦基因组SCAR标记分析表明,D15和P13LF/R能够在黑麦和7-1中扩增出黑麦特异条带,黑麦1RS SCAR标记分析表明,ω-sec-p1/ω-sec-p2、ω-sec-p3/ω-sec-p4和IB-267能够在黑麦和7-1中扩增出黑麦目的条带,说明7-1具有黑麦1RS染色体;筛选小麦每条染色体长短臂上的多对引物,在7-1中只有1BS上的引物Xgwm264和Xgwm11未能扩增出相应条带,其余染色体上的引物均扩增出了条带,说明7-1中缺失了小麦1BS染色体;醇溶蛋白分析表明7-1中扩增出了1RS黑麦碱条带,由此证实了小麦染色体1BS被黑麦染色体1RS所替换,该材料为小麦-黑麦1BL/1RS易位系。本研究中7-1为抗纹枯病的1BL/1RS易位系,为小麦纹枯病抗病育种提供了新的种质资源,拓宽了小麦育种材料。     

小麦远缘杂交种质资源创新

小麦近缘种是改良小麦的一个重要基因库, 具有许多栽培小麦所不具备的优良特性。我们通过远缘杂交、染色体工程的方法创制了一大批不同类型的材料, 经基因组原位杂交GISH、多色FISH 和特异分子标记鉴定, 抗条锈病、白粉病、叶锈病鉴定, 品质、营养性状以及产量性状鉴定, 共选育出10 类可为育种家利用的抗病、优质、富含微量营养元素、氮高效、丰产性状优良的远缘杂交新种质和新不育系种质; 开发了414对黑麦基因组专化的EST 引物, 31 个黑麦染色体(臂)专化的EST 分子标记, 可应用于分子标记辅助育种, 或追踪检测小麦背景中的黑麦染色体或染色体片段; 进行了抗病新基因的遗传分析和分子标记定位工作。利用新种质, 选育出了一批表现突出的抗病、营养高效的小麦-黑麦、小麦-冰草远缘杂交新品系     

小麦-顶芒山羊草2M染色体系的鉴定与评价

为了研究小麦-顶芒山羊草新种质材料的染色体组构成及开发其在育种中的利用价值,本研究利用分子标记和荧光原位杂交对小麦-顶芒山羊草杂交新种质进行鉴定,并通过小麦主要病害生理小种接种和农艺性状调查等方法对鉴定的材料进行综合评价。分子标记和原位杂交结果显示,所鉴定材料分别为小麦-顶芒山羊草2M附加系、2M(2D)代换系、2AS-2ML.2MS易位系和2DS-2ML.2MS易位系;抗病性鉴定结果表明,含2M染色体的材料均高抗小麦条锈病,其小麦亲本则高感条锈病,表明2M染色体上可能含有抗条锈病新基因;农艺性状调查分析结果表明,2M染色质导入小麦,可影响其小穗数、穗粒数和穗粒重等产量性状。因此,在创制和利用抗条锈病的小麦-顶芒山羊草2M染色体小片段易位系时,应加强对上述农艺性状的考察,并利用当前主栽品种进行回交改良。本研究鉴定出的抗条锈病小麦-顶芒山羊草2M染色体系丰富了小麦抗病基因库,为小麦育种提供了新抗源。     

小麦AB基因组中一个重复序列的分离、定位与应用

利用102对微卫星引物对5份黑麦（Secale）、4份普通小麦（Triticum aestivum）和1份分枝小黑麦（Triticale）进行SSR分析,引物Xgwm614能在分枝小黑麦中扩增出一个387bp的特异DNA片段（记为FZ387,GenBank登录号为EF179137）,而黑麦未能扩增出。序列比对结果显示该片段与一粒小麦（T. monococcum）（AY485644）和栽培二粒小麦（T. turgidum）（AY494981）A基因组中Gypsy Ty3-LTR反转座子fatima的一部分分别有94%和95%同源性。根据序列同源性比对结果,在FZ387内部设计1对特异引物FaF和FaR。引物Xgwm614F和FaR能在含有A基因组的物种中扩增出约350bp的条带（记为A350）,而其不含A基因组的物种都未扩增出该条带。利用小麦二体和端体代换系材料对其进行定位,结果显示该片段分布在所有A染色体的长臂和断臂上。此外,引物FaF和Xgwm614R能在含有A、B或AB基因组的物种中扩增出约350bp的条带（记为AB350）,而不含AB基因组的材料未扩增出目标条带。利用这两对特异引物对小麦属近缘物种进行PCR扩增,发现只有中国春能够扩增出A350和AB350。序列比对结果和FZ387两侧SSR引物结合区的规律性变化表明该反转座子在进化上可能存在属间多样性和属内相似性。A350和AB350也可以分别作为分子标记检测A染色体和AB染色体。     

小麦1B/1R易位系中有活性的ω黑麦碱基因的启动子的克隆与功能验证

小麦1B/1R易位系由于具有高产和适应性广等优点,在我国的小麦生产中得到了广泛的应用,但这类品种有一个共同的缺点,就是加工品质比较差,ω-黑麦碱被认为是影响其加工品质的一个重要因素.通过RNA干扰途径沉默ω-黑麦碱基因的表达,是改良小麦1B/1R易位系加工品质的一个重要策略.使用由ω-黑麦碱基因自身启动子驱动的RNA干扰表达载体,可使转入的基因在需要的部位和需要的时间表达,提高分子育种的效果.为获得有活性的ω黑麦碱基因的启动子,本研究设计了覆盖启动子区和部分编码区的一对特异引物,以小麦(Triticum aestivum)1B/1R易位系兰考906为试材,通过PCR克隆得到了与3个有转录活性的ω-黑麦碱基因有对应关系的5个启动子A9-1、H2-1、H7-1、C11和F11-1,选择与其中2个有转录活性的ω-黑麦碱基因分别有对应关系的启动子A9-1和F11-1构建以GUS为标记基因的表达载体,并用基因枪对小麦幼嫩种子进行了轰击,通过对GUS基因的瞬时表达分析,证实其中一个启动子F11-1具有活性.研究结果为构建由ω黑麦碱基因自身启动子驱动的RNA干扰表达载体提供了基础资料.     

小麦-中间偃麦草抗条锈病渗入系的分子细胞学鉴定

小麦品系CH5383是源于中间偃麦草(Thinopyrum intermedium)的兼抗多种小麦病害的新种质。为明确其抗性来源和外源DNA片段的渗入位置,采用基因组原位杂交(GISH)和荧光原位杂交(FISH)对CH5383进行分析,GISH分析未发现外源信号,FISH结果观察到CH5383的3BL染色体端部与对照小麦(Triticum aestivum)品种中国春相比有明显的重组信号,初步推断CH5383染色体3BL端部可能有中间偃麦草DNA片段插入。用135对PLUG(PCR-based landmark unique gene)标记对CH5383、中国春和多个近缘物种进行扩增分析,发现位于3B染色体长臂端部的引物TNAC1383,能在CH5383和中间偃麦草中扩增出大约1 300 bp的特异DNA产物。从而进一步证实,CH5383是一个小麦-中间偃麦草小片段渗入系,携带抗条锈病基因的外源中间偃麦草DNA渗入片段位于3B染色体端部0.81-1.00区段。CH5383可以作为优异的小麦抗病育种新种质加以利用。     

小麦代换系幼苗根系对低磷胁迫的生理响应暗示的染色体效应

【目的】 以 CS (Chinese Spring,中国春) -Synthetic 6x 代换系为材料,研究小麦代换系幼苗根系对低磷胁迫的生理响应,并对相关性状进行染色体定位,为小麦耐低磷基因型的遗传改良提供理论依据。 【方法】 将母本中国春、父本 Synthetic 6x 以及代换系种子放于培养皿,于光照培养箱中培养 5 d,选择长势一致的健壮幼苗去掉胚乳,移入 Hoagland 营养液 (pH = 6.0)中培养。两叶一心时进行处理,设置正常供磷为对照 (磷浓度为2 mmol/L) 和低磷胁迫 (磷浓度为 20 μmol/L) 两个处理,四叶一心时对不同磷处理下代换系幼苗的根冠比、根系活力、酸性磷酸酶 (APase) 和核糖核酸酶 (RNase) 活性等生理指标进行测定。 【结果】 低磷胁迫下,小麦代换系苗期根冠比显著升高,APase 和 RNase 活性增强,根系活力降低;与母本中国春相比,4A、4B、6B、1D、2D 和 7D 代换系根冠比和相对根冠比显著或极显著升高,1A、2A、3A、5A、3B、7B、2D、3D、5D 和 7D 代换系的根系活力和相对根系活力显著或极显著增高,4A、1D 和 4D 代换系根系的酸性磷酸酶活性及相对磷酸酶活性均显著或极显著升高,2A、6B、4D 代换系根系的 RNase 活性和相对 RNase 活性显著或极显著增高。 【结论】 低磷胁迫下,Synthetic 6x 的 4A、4B、6B、2D 和 7D 染色体上可能存在诱导根冠比升高的基因;1A、2A、3A、5A、3B,7B、2D、3D、5D 和 7D 染色体上可能存在诱导根系活力增强的基因;4A、1D 和 4D 染色体上可能存在诱导根系酸性磷酸酶活性增强的基因;2A、6B 和 4D 染色体上可能存在诱导根系 RNase 活性增强的基因。即 Synthetic 6x 的第四染色体 (4A、4B、4D) 上可能存在调控根系相关特性的关键基因。      

含抗白粉病新基因普通小麦-黑麦1R二体异附加系的遗传学鉴定

黑麦（Secale cereale）含有丰富的优良基因,在小麦遗传改良中具有重要利用价值。为了鉴定普通小麦（Triticum aestivum）与奥地利黑麦杂交后代选育的抗白粉病品系N9436-1的黑麦遗传物质,对其进行了细胞学、基因组原位杂交、Giemsa-C分带、SCAR（sequence characterized amplified region）标记以及酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)分析。结果表明,N9436-1形态学和细胞学稳定,2n=44=22Ⅱ,对白粉病免疫,携带奥地利黑麦的多小穗性状。以奥地利黑麦总基因组DNA为探针的原位杂交结果及Giemsa C-分带显示,N9436-1含有2条奥地利黑麦的1R染色体, SCAR标记鉴定及A-PAGE分析进一步证实N9436-1携带有黑麦遗传物质,表明N9436-1携带的抗白粉病基因不同于Pm8和Pm17,是新的抗白粉病基因,可作为白粉病抗源用于小麦抗病育种。     

提莫菲维小麦G组染色体特异性RAPD探针的筛选

DNA重复序列作为物种专化的遗传标记广泛应用于染色体组的分析.小麦族中70%的基因组DNA为重复序列,大约16%～45%的基因组DNA为物种或基因组特异序列[1,2].     

Prof. Dr. Dr. h.c. Heinz Peschke zum 65. Geburtstag

The materials of article had been reported at the International Symposium "Nutritional and environmental Research in the 21st Century - The value of long-term field experiments", 5-7 June 2002, Bad Lauchstädt and Halle upon Saale. Agrochemical monitoring of the basic landscape components was launched in order to assess human impacts of land-use on the site of Barybino Experimental Station (Moscow Region, clay loam soddy-podzolic soils. 55°30'N, 37° 36' E). The climate is moderate continental, mean annual temperature of 3.8 °C and mean precipitation of 567 mm (1965-1998) at an elevation of 185 m above sea level. A typical soil cover pattern is represented as a complex of soddy-podzolic soils (podzo-luvisols) with excessive surface moistening features manifested differently according to the influence of the micro relief. The study was carried out from 1991 to 2001 in a crop rotation of silo maize, barley, perennial grasses (clover with timothy) and winter wheat, under different systems of fertilization (application of organic as well as mineral fertilizers, plant remedies and their combinations). Agrochemical monitoring let to establish the anthropogenic impacts on the system "soil-nutrients-plant"-environment. Alterations of the landscape components affected by human activities and climate change were estimated. At the site it could be shown that the amount of precipitation, soil properties and type of cultivated crop had mainly influenced migration of the nutrient elements.