普通小麦近缘野生植物易位系的创制与应用

洋溢九洲 2023-09-09 发布于河南

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各位老师好！我是“一麦众承”第7小组“风吹麦浪”的王林生，按照组长徐兆师老师的安排，今天代表“风吹麦浪”小组值日。我们组成员还有孙爱清、陈金平、关攀锋、王紫娟、翟会杰、闵东红、张强、徐登安、靳一兵、王树星、王旭宁、孙文鑫、杜彦磊、李巧云、张健、李凤民、吕树作、杨文涛、王冠东、阚洋、郭自峰、丰明众位老师，非常感谢 “一麦众承”学习交流平台老师们的无私奉献！今天我值日的文章主题是“普通小麦近缘野生植物易位系的创制与应用”，不妥之处，望各位老师批评指正。

普通小麦是世界上栽培最广的重要粮食作物，其种植面积约占谷类作物总种植面积的1/3，主要分布于欧亚大陆和北美洲，全世界有43个国家40%的人口以小麦为主食，也是我国重要的粮食作物、口粮品种和战略储备物资，尤其是北方地区的主要口粮作物，对全球粮食安全影响远高于其他作物。我国小麦种植面积和总产仅次于水稻，据第二位。随着小麦集约化品种选育的进行，小麦种内的遗传基础日趋狭窄，遗传脆弱性日益凸现，已成为小麦遗传改良、选育突破性品种的主要瓶颈。以黄淮冬麦区南片国家小麦新品种试验参试品系为例，2008-2017年含周麦系列品种血缘的参试品系占比由40％逐渐上升到50％。2021年通过审定小麦品641个，而业内普遍认为这些品种只有30％～40％是真实创新，其余都是改头换面，甚至侵权套牌的同质化品种。审定品种中实质派生性品种较多，大多停留在对主要推广品种和核心亲本的修饰改良上。近些年山东省推广种植品种40％以上类似济麦22，河南省推广应用品种40％以上类似百农207、周麦22，江苏省北部种植品种30％以上类似淮麦22，南部种植品种30％以上类似扬麦20。而自然界中存在着丰富的小麦近缘野生和半野生植物，蕴藏着许多普通小麦不具备的、对小麦改良又很需要的有益基因。因此导入外源有益基因，已成为拓宽小麦的遗传基础，扩大小麦遗传变异类型，选育突破性新品种的一条重要途径。而创制普通近缘野生植物易位系是拓宽小麦遗传基础，选育突破性小麦品种的有效策略。可通过电离辐射、组织培养、遗传控制体系和杀配子染色体等方法来诱导产生易位系。

1、利用电离辐射诱导易位

电离辐射的原理是物质经辐射发生电离并且激发、释放出电子，形成自由基并最终导致被照射物质的物理及化学性质发生变化。电离辐射法能够使染色体在任意处断裂，片段可以任何形式重新连接，因此可以有效诱导小麦和外源染色体发生易位，且易位能够发生在染色体的不同位置。且照射成熟花粉或者减数分裂时期的成株易位的频率较高。在用电离辐射法诱发易位的研究中，研究者多采用种子、处在减数分裂期的植株、即将成熟或者成熟期的花粉及成熟的雌配子作为辐射材料。其中小麦花粉结构较简单，数量多，便于采集，且诱变效果好。最主要的是花粉受射线辐照后一旦发生突变，经受精产生的后代不会形成嵌合体，所以是可用于诱变育种的理想材料。

花粉辐射的优点是操作方便，避免嵌合体的产生。可采用杂种 F1、双二倍体、附加系或代换系刚刚开花的穗子进行。辐射剂量1200rad为宜。辐射双二倍体，由于其具有全部外源，可产生大量的染色体结构变异。需要多代连续回交才能获得纯合的变异个体。选用附加系辐射，较容易得到所需目标性状的结构变异体。辐射的花粉授予已去雄的普通小麦，一般在3天内完成授粉较宜。辐射成熟雌配子其优点同样可避免嵌合体产生，也能获得较多的变异。其缺点是获得M1种子量受辐射植株数量的限制，操作没有花粉辐射简单。辐射剂量可稍高于花粉辐射剂量。

自从 Sears(1956)首次利用X射线照射方法将小伞山羊草抗叶锈病基因(Lr9)通过易位转移到小麦中后，电离辐射一直是诱发易位最常用的方法之一。刘文轩和陈佩度等用 60Co 辐射减数分裂期成株或即将成熟的花粉获得了多个普通小麦-大赖草易位系（图1-3）；Bie等辐射普通小麦-簇毛麦双二倍体获得多个普通小麦-簇毛麦易位系。目前，通过辐射已获得小麦与小伞山羊草（Lr9）、长穗偃麦草（Lr19, Lr24, Lr26, Sr24, Sr25,Sr26,WSMR ）、中间偃麦草（Wsm1,Lr38）、簇毛麦（Pm21）、黑麦（Gb2,Pm17,Gb6,Lr25, Pm7,Lr45,Sr27,H25,毛颈，等）等多个近缘植物易位系。

有的易位系在小麦育种中发挥了重要作用。李振声院士用激光辐射小麦－长穗偃麦草杂种后代，从中育成了高产、优质、早熟的小麦－偃麦草易位系“小偃 6 号”品种。该品种在全国10个省市推广，年种植面积达1000多万亩。南京农业大学细胞遗传所利用60Co－γ射线辐射诱发易位，将簇毛麦6V上的Pm21 抗白粉基因导入小麦，育成的6VS/6AL易位系被国内外许多育种单位作为白粉病新抗源加以利用，育出了许多生产上推广的品种；中国科学院韩方普团队通过辐射长穗偃麦草端体附加系（CS-7EL）的花粉，利用小麦生产上的主栽品种济麦22等对易位系进行连续多代回交转育并对不同代数的单株进行筛选，已从中筛选到3份农艺性状优良且抗赤霉病的易位系中科1878、中科166和中科545(图4)，中科166于2022年通过国家审定。

2、利用杀配子基因诱导染色体易位

二十世纪七十年代，Maan在试图创造整套普通小麦一沙融山羊草(Aegilops sharonensis 2n=14，SS)和普通小麦一高大山羊草(Aegilops longissima 2n=14，SS)的异附加系时，发现只带有某个沙融山羊草或某个高大山羊草染色体的雌雄配子才有效，而不具有这条染色体的配子是无效的，表明这条外源染色体在抱子体中有控制着携该染色体雌雄配子优先传递的功能。Endo 、Tsujimoto等研究发现，当小麦和离果山羊草、柱穗山羊草进行杂交后，其杂种后代中，不携带柱穗山羊草的2C和离果山羊草的3C染色体的配子中的染色体结构发生严重畸变，涵盖了染色体的缺失、双着丝粒、易位等情况，导致后代的育性低、生活力弱，对具备这种染色体的配子而言，具备优先传递的功效，因此也可以将其称之为杀配子染色体，而将控制杀配子效应性状的基因称为“花粉杀手基因”或杀配子基因。

在特定背景中，杀配子染色体的遗传效应可受到部分抑制，产生的非致死的染色体结构变异可以传递给后代，因此，在获得染色体易位时，可以利用杀配子染色体进行诱导，向小麦转移外源有益基因，利用携带杀配子染色体的异附加系与小麦一亲缘物种的杂种、异附加系、异代换系杂交，可以诱发小麦染色体及亲缘物种染色体的缺失或小麦与亲缘物种染色体间的结构变异。袁建华利用抗赤霉病普通小麦-大赖草Lr2和Lr7染色体二体附加系与普通小麦一柱穗山羊草的2C杀配子染色体二体附加系杂交，再用中国春回交，选育出3个普通小麦-大赖草纯合易位系T1DS-Lr7L(98002，NAU633)，T4A·4AS-Lr7S(98004，NAU634)和T1BL-Lr2S (98048，NAU635)，以及需要对其进行鉴定的包含大赖草、小麦的易位植株。Chen等[96] 利用来自离果山羊草杀配子染色体3C诱导簇毛麦4V染色体结构变异，得到了一个补偿性较好的易位系。目前，利用杀配子效应已得到小麦和黑麦、大麦、簇毛麦和大赖草之间的染色体易位。

对染色体进行诱导过程中，使用杀配子方法得到的染色体断裂是随机的，因此在得到小麦-亲缘物种易位系时，其遗传补偿性较弱。对比而言，通过重组得到的易位系遗传稳定性更好。但是由于杀配子染色体诱导易位的效率较高，所以补偿性易位往往可以通过在很大的诱导群体中，筛选出适合的目标，因此在易位诱导中，该方法也经常被使用。

3、采用部分同源配对控制体系诱导易位

普通小麦是由异源六倍体组成的物种，小麦的染色体组A、B、D之间都具有一定的同源性。但在减数分裂期，一般只有完全同源的染色体才会两两配对，形成21个二价体，呈高度二倍体化。Okamofo首先发现在普通小麦5B染色体上携带有抑制部分同源染色体配对的基因，之后证明该基因位于5B染色体的长臂上，命名为Ph基因。后来在3DS上也发现了限制部分同源染色体配对的基因，但它的作用比5BL上的基因弱得多，将位于5BL和3DS上的配对抑制基因分别命名为Ph1和Ph2。这些基因不仅能抑制小麦部分同源染色体之间的配对，而且也能抑制小麦与其近缘种属部分同源染色体之间的配对，保证同源染色体在减数分裂中正常配对分离。部分同源配对控制体系阻碍了小麦及近缘物种部分同源染色体的配对，对于小麦物种特异性的保持具有积极意义，但也阻碍了通过遗传重组将外源有利基因向小麦的转移，值得庆幸的是ph基因一旦缺失或受到抑制，部分同源染色体之间就会发生配对，产生染色体交换和基因重组。围绕部分同源控制体系，前人发展了一系列诱导易位的方法：（1）利用Ph基因缺失体5B单体或缺体、5B缺体/5D四体或5B缺体/5A四体；（2）利用ph基因隐性突变，ph1b ph1c ph2a ph2b；（3）利用拟斯卑尔脱山羊草的能够抑制ph基因效应的高配对基因phⅠ诱发部分同源染色体配对重组，但该基因的诱导效果不如5B缺失体和ph1b突变体。Chen和Gill将拟斯卑尔脱山羊草的ph抑制基因导入普通小麦中国春中，用于诱导小麦与其近缘物种的染色体易位。利用该系统，易位事件一般发生在外源染色体和与之有部分同源关系的小麦染色体之间，所以创造的易位系补偿性较好。

4、利用组织培养诱导易位

Larkin等最早提出利用组织培养诱导易位的设想，对小麦导入外源基因进行组织培养，其方式为体细胞无性系的变异，并在组织培养过程中将黑麦6R染色体中的抗根结线虫基因导入小麦中。Lapitan 对小麦×黑麦的杂种幼胚诱导愈伤组织，再经继代培养获得小麦-黑麦双二倍体，以及小麦-黑麦易位系(4D/1R，2B/3R，未知染色体/2R)。此后，组织培养广泛应用于诱导染色体结构变异以及创造小麦-亲缘物种易位系的研究。离体培养的群体只涉及体细胞，不涉及有性过程，因此可以积累一些不能通过减数分裂传递的变异。这种方法特别对那些不容易诱导部分同源染色体配对的野生近缘种更有意义，我们可以用特定的异附加系进行再生植株培养，在培养过程中发生高频率的染色体易位，可以迅速把小麦近缘种属的有益基因转移到普通小麦中。

5、染色体错分裂法

Sears发现以单价体状态存在的染色体及提早分裂的染色单体均会发生染色体错分裂并形成端着丝点染色体。双单体在减数分裂时期，若染色体发生错分裂并重新融合，就可能会引发易位系。

6、个人体会

这几种创造外源染色体易位的方法，以60Co辐射和杀配子染色体诱导最为有效，得到易位系的频率最高，方法简单快捷；以部分同源配对控制体系诱导易位最好利用，因为该方法得到的易位都是补偿性易位，稳定性好，生产上容易利用。而辐射和杀配子染色体尽管产生易位的频率高，但产生的易位大都是非补偿性易位，随机性大，染色体可以在任何区段断裂，可随意连接，无法控制易位的方向，生产上也不太好利用，易位染色体在传递过程中还容易丢失。不管那种方法创制易位，以外源片段越小越好，外源片段小，携带不利的基因就越少，对普通小麦的不利影响就越小，尤其是小片段插入易位更容易利用，可以克服非补偿性易位带来的不利影响，后代传递比较稳定，这类易位系在生产上具有很好的利用价值。