南麥號系列小麥品種的染色體結(jié)構(gòu)演變

葸 瑋，蔣 進，唐宗祥，王淑榮

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)植物遺傳育種省級重點實驗室/四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，四川成都 611130；2.四川省南充市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川南充 637000)

評價親本對其后代衍生品種的遺傳貢獻有利于小麥育種過程中的親本選擇。在這一類遺傳分析中，分子標記是常用的工具。比如，DArT、SSR和Illumina 90KiSelect SNP等標記被廣泛用來分析小麥骨干親本對其衍生品種的遺傳貢獻[1-8]。這些分子標記能較好地追蹤骨干親本傳遞給后代的重要染色體區(qū)段，有利于這些區(qū)段的分子標記輔助選擇。但分子標記不能反映染色體區(qū)段的具體結(jié)構(gòu)變異，尤其是對于小麥背景中的外源染色體的存在狀況，以上提到的分子標記方法不能很好地鑒定。因此，利用熒光原位雜交(FISH)技術(shù)，從染色體結(jié)構(gòu)變異方面研究小麥親本及其衍生系的基因組變異，會對分子標記分析結(jié)果起到很好的補充作用。近年來發(fā)展起來的非變性熒光原位雜交(nondenaturing fluorescenceinsituhybridization,ND-FISH)技術(shù)對這方面的研究具有促進作用。依賴于寡核苷酸探針的ND-FISH技術(shù)，具有方便、快捷和經(jīng)濟的優(yōu)點[9-11]。利用寡核苷酸探針和ND-FISH 技術(shù)，可以反映不同小麥品種(系)的染色體結(jié)構(gòu)差異[12-15]，同時還可以體現(xiàn)同一串聯(lián)重復(fù)序列的不同區(qū)段在不同染色體上的分布差異[12-13]。因此，利用基于寡核苷酸探針的ND-FISH技術(shù)，可以快速、方便地分析小麥親本及其衍生系的染色體結(jié)構(gòu)差異，從而跟蹤親本材料染色體在衍生系中的變異情況，這有助于小麥育種理論的完善和加強。本研究擬利用南麥號系列品種及其親本，研究小麥親本與其后代衍生品種的染色體結(jié)構(gòu)變異情況，以期為小麥育種提供更直觀的遺傳變異參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

小麥親本材料攀早抗及其衍生品種南麥302、南麥618、特研麥南88和榮春南麥1號用于本研究，南麥302、南麥618、特研麥南88的系譜均為16-1/攀早抗，榮春南麥1號的系譜為2001-43-1/攀早抗。由于16-1和2001-43-1的種子遺失，沒有用于本研究。

1.2 方 法

1.2.1 根尖細胞有絲分裂中期染色體制片

供試小麥材料的根尖細胞有絲分裂中期染色體制備參照Han等描述的方法[16]。每份材料至少取5粒種子。

1.2.2 非變性熒光原位雜交(ND-FISH)

寡核苷酸探針Oligo-275.1、Oligo-275.2、Oligo-pSc119.2-1和Oligo-pTa535-1用于ND-FISH分析。其中Oligo-275.1和 Oligo-275.2根據(jù)已公布的串聯(lián)重復(fù)序列pTa-275設(shè)計而得[12,17]，Oligo-pSc119.2-1根據(jù)已公布的pSc119.2家族串聯(lián)重復(fù)序列設(shè)計[10]，Oligo-pTa535-1根據(jù)已公布的串聯(lián)重復(fù)序列pTa-535設(shè)計而得[10,17]。ND-FISH分析參照Fu等[11]和Tang等[12]的方法。對于每一粒種子的根尖，至少觀察5個細胞。

2 結(jié)果與分析

2.1 2A、6A、7A、5B、1D和2D染色體結(jié)構(gòu)變異

從Oligo-pSc119.2-1的FISH帶型看，小麥親本攀早抗含1對1RS/1BL易位染色體(圖1、圖2)，其衍生品種南麥302、特研麥南88和南麥618都含1RS/1BL易位染色體(圖1、圖2)，僅榮春麥南麥1號是非1RS/1BL易位系品種(圖1、圖2)。寡核苷酸探針Oligo-275.1、 Oligo-275.2、 Oligo-pSc119.2-1和Oligo-pTa535-1反映出了2A、4A、5A、6A、7A、3B、5B、6B、1D和2D染色體在攀早抗及其衍生品種中的結(jié)構(gòu)差異(圖1、圖2、圖3)。

對于2A、6A、7A、5B、1D和2D染色體，品種間的結(jié)構(gòu)差異主要由探針Oligo-275.1和 Oligo-275.2體現(xiàn)。攀早抗和南麥302的2A染色體無Oligo-275.1信號，其余品種的2A染色體都有該探針信號(圖1、圖3)。僅特研南麥88和榮春南麥1號的6A染色體帶有Oligo-275.1的信號(圖1、圖3)。攀早抗的7A染色體不含Oligo-275.1和 Oligo-275.2信號，Oligo-275.1和Oligo-275.2信號在南麥302的7AL臂出現(xiàn)，但在特研麥南88、榮春南麥1號和南麥618的7AS和7AL臂都出現(xiàn)；Oligo-275.2的信號出現(xiàn)在特研麥南88的7AS和7AL臂以及南麥618的7AL臂，而榮春南麥1號7A染色體不含Oligo-275.2信號(圖1、圖2、圖3)。除南麥618的5B染色體外，其余品種的5B染色體都帶有Oligo-275.2信號(圖2、圖3)。攀早抗和南麥618的1D染色體無Oligo-275.1信號，其余品種的1D染色體都有該探針信號(圖1、圖3)。除特研麥南88的2D染色體外，其余品種的2D染色體都不帶有Oligo-275.2信號(圖2、圖3)。

2.2 4A、5A、3B和6B染色體結(jié)構(gòu)變異

攀早抗、南麥302、特研南麥88和榮春南麥1號的4AL臂都帶有Oligo-pSc119.2-1和Oligo-pTa535-1的信號，以及較弱的Oligo-275.1信號，而南麥618的4AL臂不含Oligo-pSc119.2-1和Oligo-275.1信號(圖1、圖3)。攀早抗的5AS端部含Oligo-pSc119.2-1信號，5AL含Oligo-pTa535-1、Oligo-275.1和 Oligo-275.2信號；南麥302、特研南麥88和榮春南麥1號的5AS臂都不含Oligo-pSc119.2-1信號，而這3個品種的5AL臂都含Oligo-pSc119.2-1、Oligo-pTa535-1、Oligo-275.1和 Oligo-275.2信號；南麥618的5A染色體除了在5AS端部含Oligo-pSc119.2-1信號外，其余探針信號都不存在(圖1、圖2、圖3)。幾個品種的3B和6B染色體的結(jié)構(gòu)差異主要由Oligo-pSc119.2-1信號體現(xiàn)。Oligo-pSc119.2-1在5個品種的3BS端部和亞端部都產(chǎn)生3個信號位點，攀早抗和南麥618的3BS端部Oligo-pSc119.2-1信號弱，而其余3個品種的該位置信號強(圖1、圖2、圖3)。南麥618的6BS端部無Oligo-pSc119.2-1信號，其余4個品種的6BS端部都含有該信號(圖1、圖2、圖3)。

A、C、E、G和I用寡核苷酸探針Oligo-pSc119.2-1(綠)和Oligo-pTa535-1(紅)進行分析；B、D、F、H和J 用寡核苷酸探針Oligo-275.1(綠)進行分析。A和 B:攀早抗同一細胞；C和D:南麥302同一細胞；E和F:特研麥南88同一細胞；G和 H:榮春南麥1號同一細胞；I和 J:南麥618同一細胞。Oligo-pSc119.2-1主要在染色體的端部、亞端部和臂間產(chǎn)生信號(A、C、E、G和I)，Oligo-275.1主要在著絲粒、近著絲粒和亞端部產(chǎn)生信號(B、D、F、H和J)。

A,C,E,G and I:Oligo probes Oligo-pSc119.2-1(green) and Oligo-pTa535-1(red) were used for ND-FISH; B,D,F,H and J:Oligo probe Oligo-275.1(green) was used for ND-FISH. A and B:The same cell of Panzaokang; C and D:The same cell of Nanmai302; E and F:The same cell of Teyanmai Nan 88; G and H:The same cell of Rongchun Nanmai 1; I and J:The same cell of Nanmai 618. Signals of Oligo-pSc119.2-1 mainly appeared on the telomeric,subtelomeric and intercalary regions of chromosomes(A,C,E,G and I). Oligo-275.1 mainly produced signals on the centromeric,pericentromeric and subtelomeric regions(B D,F,H and J).

圖1 攀早抗及其衍生品種的ND-FISH分析結(jié)果

Fig.1 ND-FISH analysis of Panzaokang and its derived wheat varieties.

A、C、E、G和I用寡核苷酸探針Oligo-pSc119.2-1(綠)和Oligo-pTa535-1(紅)進行分析；B、D、F、H和J 用寡核苷酸探針Oligo-275.2(綠)進行分析。A和B:攀早抗同一細胞；C和 D:南麥302同一細胞；E和 F:特研麥南88同一細胞；G和 H:榮春南麥1號同一細胞；I和J:南麥618同一細胞。Oligo-pSc119.2-1主要在染色體的端部、亞端部和臂間產(chǎn)生信號(A、C、E、G和I)，Oligo-275.2主要在著絲粒、近著絲粒和亞端部產(chǎn)生信號(B、D、F、H和J)。

A,C,E,G and I:Oligo probes Oligo-pSc119.2-1(green) and Oligo-pTa535-1(red) were used for ND-FISH;B,D,F,H and J:Oligo probe Oligo-275.2(green) was used for ND-FISH. A and B:The same cell of Panzaokang; C and D:The same cell of Nanmai 302; E and F:The same cell of Teyanmai Nan 88; G and H:The same cell of Rongchun Nanmai 1; I and J:The same cell of Nanmai 618. Signals of Oligo-pSc119.2-1 mainly appeared on the telomeric,subtelomeric and intercalary regions of chromosomes(A,C,E,G and I). Oligo-275.2 mainly produced signals on the centromeric,pericentromeric and subtelomeric regions(B,D,F,H and J).

圖2 攀早抗及其衍生品種的另一ND-FISH分析結(jié)果

Fig.2 Another ND-FISH analysis of Panzaokang and its derived wheat varieties

535 表示寡核苷酸探針Oligo-pTa535-1(紅)；119.2表示寡核苷酸探針Oligo-pSc119.2-1(綠)；275.1表示寡核苷酸探針Oligo-275.1(綠)；275.2表示寡核苷酸探針Oligo-275.2(綠)。

535 represents oligo probe Oligo-pTa535-1(red); 119.2 represents oligo probe Oligo-pSc119.2-1(green); 275.1 represents oligo probe oligo-275.1(green); 275.2 represents oligo probe oligo-275.2(green).

圖3 攀早抗及其衍生品種中有結(jié)構(gòu)變異染色體的截圖對比

Fig.3The chromosomes for comparison among the structural alteration chromosomes of Panzaokang and its derived varieties

3 討 論

3.1 FISH核型分析能夠跟蹤小麥品種的系譜

寡核苷酸探針Oligo-275.1和 Oligo-275.2能夠反映出小麥A組染色體和部分B、D組染色體的結(jié)構(gòu)差異[12]。本研究中，所用材料的2A、6A、7A、5B、1D和2D染色體的結(jié)構(gòu)差異主要由這兩個探針體現(xiàn)。結(jié)合Oligo-pSc119.2-1和Oligo-pTa535-1的信號模式，4A、5A、3B和6B染色體的結(jié)構(gòu)差異也被檢測到。盡管與攀早抗組合的另兩個親本16-1和2001-43-1沒有用于本實驗，但可以推測：特研麥南88、榮春南麥1號和南麥618的2A，南麥618的4A、5B和6B，4個衍生品種的5A和7A，特研南麥88和榮春南麥1號的6A，南麥302、特研南麥88和榮春南麥1號的3B和1D以及特研南麥88的2D，這些染色體的主要區(qū)段可能不是來自攀早抗，而是另一個親本。這一結(jié)果為進一步對這些材料進行分子標記分析提供了細胞學(xué)基礎(chǔ)。

3.2 FISH核型可以反映品種間染色體的不同重組情況

本研究所用材料中，南麥302、特研麥南88和榮春南麥1號都來自同一組合16-1/攀早抗。但這3個品種的2A、6A、7A和2D染色體結(jié)構(gòu)不同。南麥302的2A和6A、南麥302和榮春南麥1號的2D染色體與攀早抗的相應(yīng)染色體結(jié)構(gòu)相同，對于這3對染色體的重組情況不好推測。而這3個品種中的7A染色體的結(jié)構(gòu)變異卻比較復(fù)雜。根據(jù)Oligo-275.1和 Oligo-275.2的信號模式，可以作如下推測：親本16-1的7A染色體兩個臂的亞端部都帶有 Oligo-275.1和 Oligo-275.2的信號，南麥302中的7A可能在兩親本的短臂發(fā)生了重組，特研麥南88的7A可能在短臂和長臂都發(fā)生了重組，榮春南麥1號的7A也在短臂和長臂發(fā)生了重組，但重組位點與特研麥南88的7A不同。

3.3 FISH技術(shù)在研究小麥品種(系)染色體結(jié)構(gòu)演變中的作用

有不少研究表明，以串聯(lián)重復(fù)序列為探針的FISH技術(shù)可以反映小麥品種(系)之間的染色體結(jié)構(gòu)變異[14-15,18-20]。Jiang等[14]利用Oligo-pSc119.2-1、Oligo-pTa535-1和(AAG)6三種寡核苷酸探針對85個小麥品種(系)的染色體進行了分析，結(jié)果表明，每一個小麥品種(系)都有自己獨特的FISH核型。Huang等[15]對2000多份來自中國的小麥材料進行了基于寡核苷酸探針的高分辨率的FISH分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些小麥材料的染色體存在易位、近著絲粒倒位和缺失等結(jié)構(gòu)變異，根據(jù)FISH核型，這些小麥材料可以分為4大類。本研究結(jié)果也表明，基于寡核苷酸探針的ND-FISH技術(shù)可以用來推測小麥品種系譜，反映染色體之間的交換重組關(guān)系。因此，可以建立小麥染色體FISH核型，從染色體結(jié)構(gòu)水平來反映小麥品種(系)間的遺傳多樣性，從而推斷小麥品種(系)的系譜及演變過程。FISH技術(shù)能夠真實地反映染色體的結(jié)構(gòu)變異，可以為分子標記技術(shù)提供更直觀的參考。此外，基于寡核苷酸探針的ND-FISH技術(shù)具有方便、快捷和經(jīng)濟的優(yōu)點[11]，可以用來規(guī)?；治鲂←溣H本及其衍生后代。隨著適宜于ND-FISH分析的新型寡核苷酸探針的不斷開發(fā)，該技術(shù)在小麥品種(系)染色體結(jié)構(gòu)演變研究中的作用將更加突出。

綜上所述，利用ND-FISH技術(shù)可以檢測小麥染色體的結(jié)構(gòu)差異，反映染色體的重組情況，進行小麥品種系譜跟蹤，明確小麥染色體組成及遺傳背景，為進一步的分子標記分析提供可靠的參考。