小麥遺傳改良中的重要基因源

韓冉 刁瑞寧 梁海凡 訾妍 汪曉璐

摘要：通過遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)制育種新材料并應(yīng)用于小麥新品種培育，對拓寬小麥的遺傳基礎(chǔ)和提高育種水平具有重要意義。冰草屬（Agropyron）物種具有較強的抗旱、抗寒、耐鹽和抗病特性，是小麥遺傳改良的重要基因源。本研究對小麥與冰草雜交、小麥-冰草異染色體系的創(chuàng)制、小麥背景中冰草染色質(zhì)的鑒定和冰草有益性狀向小麥導(dǎo)入等方面的研究進展進行總結(jié)，以期為更好地開發(fā)利用該屬物種提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小麥;冰草;遠(yuǎn)緣雜交;染色體系

中圖分類號：S512.103.51+S543+.903.51 ?文獻標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2019）08-0001-09

Abstract It is of great significance to broaden genetic base of wheat and improve breeding level through intergeneric hybridization. Agropyron cristatum is an important genetic source for wheat genetic improvement with strong resistance to drought， cold， salt and diseases. In the study， crossing wheat with Agropyron cristatum， creation of alien chromosome lines， chromatin identification of Agropyron cristatum in wheat and introduction of beneficial characters of Agropyron cristatum into wheat were summarized to provide base for better exploitation and utilization of Agropyron cristatum.

Keywords Wheat; Agropyron cristatum; Distant hybridization; Chromosome lines

小麥（Triticum aestivum L.，2n=6x=42，AABBDD）是世界上最重要的糧食作物之一，主要種植在干旱和半干旱地區(qū)，占世界作物種植面積的1/5，是世界上40%人口的主要食糧[1]。然而，長期品種間雜交及對少數(shù)骨干親本的大量應(yīng)用，容易造成品種抗源日趨單一化和遺傳變異范圍縮小[2]，很難應(yīng)對新的致病生理小種的產(chǎn)生與流行[3， 4]。同時，氣候異常變化，花期低溫倒春寒、灌漿后期高溫逼熟等帶來的減產(chǎn)威脅著小麥的生產(chǎn)安全。因此，生物和非生物脅迫、狹窄的遺傳基礎(chǔ)等成為影響小麥遺傳改良的主要問題。小麥野生近緣植物遺傳多樣性豐富，攜帶抗病、抗逆和豐產(chǎn)等有益基因[5， 6]，通過遠(yuǎn)緣雜交將其優(yōu)異基因?qū)胄←?，是解決小麥抗源單一和遺傳基礎(chǔ)狹窄問題的有效途徑。

冰草屬（Agropyron）物種具有抗病、抗逆、蛋白含量高和多花多實等特點[5-7]，是小麥遺傳改良的重要基因源。該屬物種基本基因組為P，有二倍體、四倍體和六倍體之分[8]。二倍體種包括扁穗冰草（A. cristatum）、西伯利亞冰草（A. fragile）、沙蘆草或蒙古冰草（A. mongolicum）和叢生冰草（A. caespitosum）等[9-11]。四倍體種包括扁穗冰草（A. cristatum）、沙生冰草（A. desertorum）、西伯利亞冰草（A. fragile）、根莖冰草（A. michnoi）和粗莖冰草（A. trachyaulum）等[10-12]。六倍體種有扁穗冰草（A. cristatum）等[10， 11]。

本文綜述了小麥與冰草的遠(yuǎn)緣雜交概況、小麥-冰草異染色體系的創(chuàng)制、小麥背景中冰草染色質(zhì)的鑒定和冰草有益性狀向小麥導(dǎo)入等方面的研究進展，以期為更好地利用冰草優(yōu)異基因改良小麥提供理論依據(jù)。

1 小麥-冰草遠(yuǎn)緣雜交概況

在20世紀(jì)90年代前后，許多學(xué)者開展了普通小麥與冰草屬植物的屬間雜交工作，獲得了可育的自交和回交后代[7，13-16]。

Limin和Fowler[14]分別將扁穗冰草（2n=14）和沙生冰草（2n=28）與普通小麥（2n=42）雜交，利用秋水仙堿對小麥-冰草雜交種進行處理，成功獲得了小麥-冰草雙二倍體（2n=8x=56，AABBDDPP）。Jauhar等[17]為了將冰草的抗旱、抗寒特性轉(zhuǎn)移到普通小麥中，將冰草與小麥進行了屬間雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1雜種與小麥親本相似，形態(tài)幾乎介于雙親之間，并對其染色體配對情況進行了研究。Soliman等[18]將四倍體小麥（T. turgidum，2n=4x=28，AABB）與節(jié)節(jié)麥（T. tauschii，2n=2x =14，DD）-冰草雙二倍體（DDPP）雜交，獲得了具有多年生特性的小麥-冰草雙二倍體（AABBDDPP）。

Chen等[13]獲得普通小麥中國春與四倍體冰草的雜種F1植株，認(rèn)為冰草P染色體組中存在抑制Ph基因作用的基因，并利用中國春對雜種F1進行回交，獲得了BC1種子，進而采用胚拯救技術(shù)獲得5個染色體為39～41條的小麥-冰草BC1植株，但是所有的植株都是自交不育的[19]，后續(xù)再未見相關(guān)的研究報道。

李立會等[20]首次報道將沙生冰草與中國春雜交，獲得了雜種F1，并獲得自交以及回交后代，證實小麥與冰草的可雜交性。李立會[21]又通過幼胚培養(yǎng)獲得了普通小麥與沙生冰草屬間雜種，發(fā)現(xiàn)小麥-沙生冰草雜交種的穗部特征與普通小麥相似，表現(xiàn)為長芒，且F1雜交種自育性較好，利用六倍體和四倍體小麥對F1植株進行回交很容易獲得種子。此外，Li和Dong[15]發(fā)現(xiàn)，小麥與根莖冰草以及小麥與沙生冰草的雜種F1中均出現(xiàn)了較高頻率的二價體（>10），并且F1自交或利用小麥進行回交均得到了可育的種子[22]。然而，在小麥與四倍體冰草的F1中，二價體出現(xiàn)的頻率（≈5個）遠(yuǎn)低于期望值（7個），F(xiàn)1植株沒有得到種子，但從幼穗培養(yǎng)的再生植株均得到了自交和回交種子[7]。沙蘆草與小麥的雜交，未見有成功的報道[23]。

2 小麥-冰草異染色體系的創(chuàng)制和研究現(xiàn)狀

小麥異附加系是利用染色體工程方法將小麥近緣屬的染色體轉(zhuǎn)移到小麥遺傳背景中而培育出的一種非整倍體材料，根據(jù)所附加染色體的數(shù)目，可將其分為單體、二體和多重異附加系[24-26]。二體附加系是這些異附加系中研究和利用價值最高的一種，是創(chuàng)制異代換系和易位系的重要橋梁材料，是探討小麥與其近緣植物的親緣關(guān)系、進行基因定位等遺傳研究的基礎(chǔ)材料，在理論研究和育種實踐中都具有十分重要的價值[27， 28]。

在小麥-冰草異源附加系創(chuàng)制方面，Chen等[29]采用非放射性地高辛標(biāo)記的來自小麥每一條染色體臂上的特異探針各2個，通過Southern成功地鑒定了54株小麥品種中國春-冰草P基因組單體附加系，發(fā)現(xiàn)冰草染色體1P、2P、3P、4P、5P、6P以及冰草染色體臂2PS、2PL、5PL、6PS和6PL已經(jīng)分別添加到小麥基因組中。李立會等[22， 30]對來自普通小麥品種Fukuho×冰草Z559雜種的F3、F2BC1、BC4和BC3F1世代的222株進行減數(shù)分裂行為觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2n染色體的分布范圍為39～54;其中有5個材料可能是小麥-冰草異源附加系，并對其雜交組合所衍生的BC2到BC5世代的866個單株進行分析和外源染色質(zhì)檢測，獲得了11個在表型性狀上有明顯差異的小麥-冰草異源二體附加系。Wu等[31]利用基因組原位雜交（GISH）、熒光原位雜交（FISH）、醇溶蛋白、表達序列標(biāo)簽-簡單重復(fù)序列（EST-SSR）和SSR分析，鑒定出含有大穗多花多粒優(yōu)異基因的小麥-冰草6P二體附加系4844-12。Han等[32]對6個普通小麥-冰草二體附加系進行表型鑒定、GISH及分子標(biāo)記分析，通過比較作圖發(fā)現(xiàn)6個附加系中的冰草染色體均屬于染色體第六同源群，并將其中的冰草6P染色體分為四種類型，即6PⅠ、6PⅡ、6PⅢ和6PⅣ，發(fā)現(xiàn)與小麥染色體相比，冰草6P染色體在不同的附加系中均發(fā)生了明顯的染色體結(jié)構(gòu)重排，其中含6PⅠ型染色體的附加系攜帶抗白粉病基因，具有多穗粒數(shù)等特點，是小麥的優(yōu)異基因源。Li等[33]利用GISH方法從小麥-冰草雜交種質(zhì)中鑒定出了小麥-冰草2P染色體二體附加系Ⅱ-9-3，并用冰草2P染色體特異性STS標(biāo)記對小麥染色體與冰草2P染色體進行同源性分析。Li等[34]用GISH和特異性位點擴增片段測序（SLAF-seq）法對小麥-冰草衍生株系5113進行鑒定，發(fā)現(xiàn)該株系是一個新的小麥-冰草二體6P附加系。Chen等[35]利用根尖細(xì)胞染色體條數(shù)檢測、GISH、花粉母細(xì)胞調(diào)查、SSR標(biāo)記、表達序列標(biāo)簽-序列標(biāo)簽位點（EST-STS）標(biāo)記結(jié)合FISH技術(shù)對小麥-冰草衍生材料Ⅱ-13和Ⅱ-23進行鑒定和分析，通過回交得到了6個小麥-冰草二體附加系和5個代換系。小麥-冰草異源附加系材料及其染色體組成見表1。

創(chuàng)制含有目標(biāo)性狀基因的易位系是冰草優(yōu)異基因應(yīng)用到小麥生產(chǎn)上的主要形式，創(chuàng)制方法包括自發(fā)產(chǎn)生、殺配子誘導(dǎo)、Ph缺失誘導(dǎo)和輻射誘導(dǎo)等[27， 28， 37-39]。王睿輝等[27]利用細(xì)胞遺傳學(xué)方法對20個小麥-冰草二體附加系開放授粉后代的染色體數(shù)目進行分析，從中檢測到1個小麥-冰草代換系5111-1和1個小麥-冰草易位系5112-4。王敬昌[40]利用中國春-柱穗山羊草2C二體附加系與小麥-冰草二體附加系雜交，獲得大量含有冰草優(yōu)異性狀基因的易位系。王曉光等[41]為了將冰草的多?；蜣D(zhuǎn)入小麥，以具有多粒特性的小麥-冰草二體附加系4844-12為材料與小麥品種藁城8901雜交，對其雜種F1進行60Co-γ輻照處理;用冰草P基因組特異SSR和序列特異性擴增（SCAR）標(biāo)記對M2 236個單株進行鑒定，進而對部分含P染色質(zhì)陽性植株進行GISH檢測，發(fā)現(xiàn)其中有3株為小麥-冰草異源易位（漸滲）系。楊國輝等[39]對小麥-冰草附加系Ⅱ-21-2進行細(xì)胞遺傳學(xué)和Ph1基因擴增等分析與檢測，發(fā)現(xiàn)附加系Ⅱ-21-2的1·4重組P染色體能夠抑制小麥Ph基因的作用，從而引起小麥部分同源染色體之間的聯(lián)會，并造成包括小麥3B-3D等部分同源染色體之間的易位。Liu等[37]將小麥-圓柱山羊草殺配子染色體2C附加系與含有重組染色體（1·4）P的小麥-冰草二體附加系Ⅱ-21雜交，通過分子標(biāo)記和GISH對雜交后代進行檢測，在3個小麥-冰草外源易位系中鑒定出6種易位類型，包括（1·4）P染色體整臂易位和端部易位，此外，從這批材料中還鑒定出了12個含有冰草（1·4）P染色體的附加-刪除系。Luan等[38]以小麥-冰草異源二體附加系和代換系為橋梁材料，通過殺配子染色體和輻射誘導(dǎo)了小麥-冰草6P易位系的產(chǎn)生，GISH結(jié)果顯示，冰草6P染色體可易位至小麥ABD基因組，重組頻率為A基因組> B基因組> D基因組;冰草6P染色體易位至小麥染色體第1、2、3、5和6同源群，包括類型豐富的易位系，比如全臂易位、末端易位、節(jié)段易位和間位易位等。Song等[28]利用Co-γ射線誘變小麥-冰草二體附加系獲得小麥-冰草易位系。Ochoa等[42]利用自育的小麥-扁穗冰草雙二倍體與普通小麥進行雜交和回交，從其后代中選育出了一個具有42條染色體的可育穩(wěn)定株系（命名為TH4），GISH和FISH分析發(fā)現(xiàn)，TH4攜帶一個補償性小麥-冰草羅伯遜易位（易位發(fā)生在小麥染色體1B長臂和一個同源群鑒定的冰草染色體短臂之間）。Zhang等[43]用GISH、雙色FISH和分子標(biāo)記對來源于小麥-冰草6P染色體附加系的輻射誘導(dǎo)后代普冰3035進行鑒定和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普冰3035是一個Ti1AS-6PL-1AS·1AL中間易位。黃琛等[44]利用細(xì)胞學(xué)手段對小麥-冰草二體代換系4844-8、二體附加系4844-12與普通小麥雜交后進行輻照，利用GISH技術(shù)從其后代材料中鑒定出2個具有冰草染色體小片段的純合中間插入易位系。Li等[45]利用60Co-γ輻照小麥-冰草2P染色體二體附加系Ⅱ-9-3，同時利用殺配子染色體2C對其進行誘導(dǎo)，然后用GISH和雙色FISH對其后代材料進行鑒定，獲得了49個小麥-冰草易位系，其中包括整臂易位、染色體片段易位和中間易位等多種易位類型;FISH檢測結(jié)果顯示，冰草2P染色體片段可易位到小麥1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、3B、5B、7B、1D、4D和6D等不同染色體上。Lu等[46]利用60Co-γ射線對小麥-冰草7P二體附加系Ⅱ-5-1進行輻射處理，利用GISH和FISH對其后代材料進行篩選檢測，從中鑒定出18個小麥-冰草染色體易位系和3個小麥-冰草染色體刪除系，涉及的小麥易位染色體包括2A、3A、5A、7A、3B、5B、7B、3D和7D。

Zhang等[47]利用GISH、雙色FISH和分子標(biāo)記技術(shù)檢測了小麥背景中的冰草6P染色體小片段及其易位斷點位置，發(fā)現(xiàn)普冰2978是一個T1AS-6PL-1AS·1AL中間插入易位，共有42條染色體，該斷點位于小麥1AS染色體的著絲粒區(qū)附近。Zhang等[48]利用細(xì)胞遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的方法對小麥-冰草6P衍生系進行鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普冰260是一個T3BL.3BS-6PL易位系，并且染色體斷裂位點發(fā)生在3BS9-0.57-0.75片段長度內(nèi)。孫洋洋等[49]從小麥-冰草衍生系Ⅱ-23的回交后代中分離鑒定出1個自發(fā)易位系7-20，GISH鑒定表明7-20是一個整臂易位系;經(jīng)非變性熒光原位雜交（ND-FISH）檢測發(fā)現(xiàn)，小麥的7A染色體發(fā)生易位;進一步利用小麥7A染色體特異SSR標(biāo)記以及冰草7P染色體特異STS標(biāo)記對7-20易位系中的外源易位片段大小以及易位染色體的組成進行鑒定，確定7-20為T7PL·7AL羅伯遜易位系。

3 小麥背景中冰草染色體的鑒定

在外源基因轉(zhuǎn)移過程中，對導(dǎo)入的外源染色體進行檢測是小麥染色體工程研究的重要內(nèi)容。對外源染色體追蹤鑒定的準(zhǔn)確性，直接影響到新種質(zhì)選育的準(zhǔn)確性與效率，進而影響利用外源有益基因改良小麥的進程。在外源染色體導(dǎo)入、追蹤和鑒定過程中，遺傳標(biāo)記起著至關(guān)重要的作用。開發(fā)冰草染色體特異分子標(biāo)記對于加快冰草優(yōu)異基因向小麥轉(zhuǎn)移和應(yīng)用具有重大意義，因此許多學(xué)者利用同工酶標(biāo)記、細(xì)胞遺傳學(xué)標(biāo)記和分子標(biāo)記對小麥背景中的冰草染色體進行鑒定[31， 37， 50-52]。

Chen等[29]首次利用限制性片段長度多態(tài)性（RFLP）技術(shù)鑒定了中國春小麥-冰草單體附加系和易位系中外源染色體與小麥染色體部分同源關(guān)系。之后又有學(xué)者利用隨機擴增多態(tài)性DNA（RAPD）標(biāo)記，篩選出冰草P基因組特異的分子標(biāo)記OPC04、OPP12、OPX07-1036、OPX11-817和OPC05-1539[50， 53];之后Wu等[53]又將RAPD標(biāo)記轉(zhuǎn)化為SCAR標(biāo)記，方便用于小麥P基因組染色質(zhì)的檢測。Liu等[37]和Luan等[38]開發(fā)了小麥-冰草的SCAR標(biāo)記SCX7960和SC5815。Zhang等[54]開發(fā)了9個冰草P基因組特異的SLAF標(biāo)記，鑒定小麥-冰草易位系普冰3035的染色體組成。之后Li等[33， 34]用開發(fā)的SLAF標(biāo)記[54， 55]鑒定小麥-冰草二體2P和6P附加系。宿俊吉等[51]利用小麥第七同源群上534對SSRs引物和351對EST-SSRs引物，初步擴增了具有代表性的普通小麥品種Fukuho和一個四倍體附加系以及冰草Z559的基因組DNA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Fukuho基因組DNA上分別檢測到475對（89.0%）SSRs引物和314對（89.5%）EST-SSRs引物擴增的條帶，而在Z559的基因組DNA上檢測到226對（42.3%）SSRs和258對（73.5%）EST-SSRs引物擴增的條帶，可見，EST-SSRs要比SSRs對冰草具有更高的轉(zhuǎn)移能力。Luan等[38]和Lu等[56]利用開發(fā)的7個冰草6P和55個冰草7P的STS標(biāo)記，鑒定了小麥-冰草附加系、易位系和刪除系。代程等[57]利用冰草轉(zhuǎn)錄組測序獲得的EST序列設(shè)計的P基因組EST分子標(biāo)記引物，篩選在普通小麥背景下的6P染色體特異分子標(biāo)記，結(jié)果從1 453對P基因組EST引物中篩選出130對小麥-冰草6P附加系特異標(biāo)記引物;進而將這些特異標(biāo)記與NCBI nr蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫及小麥EST序列進行比對，發(fā)現(xiàn)4條冰草EST序列的功能注釋與抗病、抗逆相關(guān)，36條冰草EST與已經(jīng)定位的小麥EST具有較高的相似性，其中33條（91.67%）位于小麥第6部分同源群染色體。Han等[32]用563個小麥多態(tài)性SSR和EST-SSR標(biāo)記[58]從小麥-冰草二體附加系中鑒定出51個P基因組特異SSR和EST-SSR標(biāo)記（Wmc716、Xgwm268、Swes215等）。Zhang等[54]通過冰草的轉(zhuǎn)錄組測序，開發(fā)了冰草的特異EST-STS引物，并利用這些標(biāo)記對小麥-冰草附加系、易位系和刪除系的基因組組成及抗病性進行研究[35，59-62]。Said等[52]對冰草基因組DNA進行測序并對新的串聯(lián)重復(fù)序列進行發(fā)掘，進而利用FISH對除5S和45S核糖體DNA外的5個重復(fù)序列和黑麥亞端粒重復(fù)序列pSc119.2和pSc200在冰草染色體上的分布情況進行研究，鑒定出四個新的串聯(lián)重復(fù)序列（ACRI_CL78、ACRI_CL80、ACRI_CL85和ACRI_CL215），用一個串聯(lián)重復(fù)（ACRI_CL78）和45S rDNA聯(lián)合使用可以鑒定清楚冰草所有染色體;利用單拷貝cDNAs為探針的FISH分析結(jié)果表明，小麥和冰草基因共線性較差，并且冰草2P、4P、5P、6P和7P染色體都發(fā)生了染色體重排，為小麥族的基因組進化提供了新的見解，也為促進冰草基因組的優(yōu)異基因?qū)胄←溙峁┝死碚撝?。冰草P基因組特異分子標(biāo)記見表2。

4 冰草有益性狀在小麥改良中的利用

普通小麥-冰草異染色體系中含有抗旱、抗寒、抗?。ò追?、條銹、葉銹等）以及高產(chǎn)（分蘗多、穗粒數(shù)多等）等性狀的基因[22，31-34， 38， 63]，將冰草的優(yōu)異基因?qū)胄←?，為小麥遺傳育種改良提供了豐富的遺傳資源[22， 31， 47，59，60]。

李立會等[22]對普通小麥Fukuho×冰草Z559的雜種后代（BC2F3、BC3F2、BC4F1和BC5）進行了農(nóng)藝性狀、抗病性、蛋白質(zhì)含量和抗逆性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一些遺傳穩(wěn)定（異源易位系）的雜種后代表現(xiàn)為株型好、大穗多粒、兼抗白粉病和黃矮病、蛋白質(zhì)含量高（17.01%～20.72%）、抗旱和抗寒等特點，說明不僅已將冰草Z559的優(yōu)異基因?qū)胄←?，而且這些外源優(yōu)異基因能夠在小麥背景下充分表達。Soliman等[18]獲得的小麥-冰草雙二倍體材料對小麥葉銹病和白粉病具有較強抗性。Han等[32]檢測到普通小麥-冰草含6PⅠ型染色體的附加系攜帶抗白粉病基因。Lu等[56]發(fā)現(xiàn)小麥-冰草漸滲系普冰74攜帶一個抗白粉病顯性基因，位于小麥染色體臂5DS上。小麥-冰草6P易位系對小麥葉銹病、白粉病也具有較強抗性[44， 47，59，60]。Zhang[61]和Jiang[62]等分別將抗條銹病基因和抗葉銹病基因定位于冰草6P短臂末端20%的區(qū)間內(nèi)和冰草2PL染色體片段長度為0.66～0.86 cM的區(qū)間內(nèi)。