普通小麦—华山新麦草异附加系分子细胞遗传学研究及其SCAR标记开发

1、普通小麦华山新麦草异附加系分子细胞遗传学研究及其SCAR标记开发华山新麦草（ Psathyrostachyshuashanica Keng;2n=2x=14, NsNs）具有早熟，抗病（条锈、叶锈、全蚀、赤霉、白粉），抗逆（抗寒、抗旱、抗盐、耐瘠薄），高产，优质，矮秆等优良特性，是进行小麦改良的重要遗传资源。而小麦-华山新麦草异附加系和代换系是进行小麦改良的重要中间材料，对其进行分子细胞遗传学研究和优异基因评价，有利于更有目的、更有效的利用Ns 基因组中的优异基因。本研究以小麦 - 华山新麦草衍生后代为主要研究对象，采用细胞学观察，原位杂交（GISH和 FISH），生化标记（ SDS-PAGE

2、和 A-PAGE），分子标记（SSR、EST-SSR和 EST-STS）及形态学分析与农艺性状评价等方法，进行异附加系和代换系的Ns染色体与小麦染色体间的部分同源群关系、附加系和代换系的抗病性与农艺性状研究，以期建立1Ns7Ns 的全套小麦 - 华山新麦草二体异附加系和部分代换系，明确各附加系和代换系的主要农艺性状，筛选携带华山新麦草优异基因的小麦新种质，为高效、快速、明确地利用华山新麦草优异基因进行小麦遗传改良奠定材料基础。另外，本研究利用华山新麦草特异SCAR标记对小麦 - 华山新麦草全套二体异附加系进行PCR分析，区分小麦背景中不同的华山新麦草染色体，开发华山新麦草染色体特异SCAR标记

3、，建立华山新麦草遗传物质分子标记辅助筛选体系。主要研究结果如下： 1小麦 - 华山新麦草全套 (1Ns 7Ns)二体异附加系的筛选鉴定：利用细胞学和基因组原位杂交（GISH）技术对小麦 - 华山新麦草衍生后代体细胞有丝分裂和花粉母细胞减数分裂中期染色体进行鉴定，检测衍生后代的染色体数目和结构， 筛选包含 42 条小麦染色体和 1 对华山新麦草染色体的小麦-华山新麦草二体异附加系(2n=44=22) 。利用种子贮藏蛋白聚丙烯酰胺凝胶电泳（ SDS-PAGE和 A-PAGE）和小麦 7 个部分同源群长、短臂上的多位点EST-SSR和EST-STS引物 835 对，对小麦 - 华山新麦草二体异附加系

4、进行电泳检测和PCR分析，确定附加系的Ns 染色体与小麦染色体间的部分同源群关系，建立1Ns 7Ns的全套小麦 - 华山新麦草二体异附加系。分别利用我国目前流行的小麦条锈病生理小种（CYR31、CYR32和 Su11-14）和叶锈病小种（ FHTT、PHST和 FHST）的混合小种对全套二体异附加系成株期进行抗病性鉴定。通过田间观察和室内考种对1Ns 7Ns 全套二体异附加系农艺性状进行全面系统的评价。结果表明 1Ns 二体异附加系 12-3 被导入了华山新麦草特异麦谷蛋白和醇溶蛋白基因，并且高抗小麦叶锈病。2Ns二体异附加系 3-6-4-1高抗条锈病，千粒重 50g 以上。3Ns二体异附加系

5、 22-2 高抗条锈病，株高最矮。4Ns 二体异附加系 24-6-3多分蘖，品质优良，高抗条锈病。5Ns二体异附加系 3-8-10-2株型紧凑，产量性状明显优于小麦亲本7182，且高抗条锈病。 6Ns 二体异附加系 59-11 早熟，具附小穗性状， 平均单穗结实 90粒以上，被导入了华山新麦草 - 醇溶蛋白基因。7Ns二体异附加系 2-1-6-3抗叶锈病，结实率高。上述研究表明，通过综合利用细胞学、 GISH、SDS-PAGE、 A-PAGE、EST-SSR和 EST-STS等方法，成功分离鉴定出了小麦 - 华山新麦草 (1Ns7Ns)二体异附加系 (2n=44=22) 。农艺性状评价表明，全

6、套二体异附加系被引入了不同的华山新麦草优异基因，整体性状优于小麦亲本7182。因此，全套二体异附加系的成功分离和鉴定为高效、快速、明确的利用华山新麦草优异基因进行小麦遗传改良奠定了材料基础。2大穗、多花、多籽粒小麦- 华山新麦草异代换系16-6 的筛选鉴定：利用细胞学、基因组原位杂交（ GISH）、SSR、荧光原位杂交（ FISH）和 EST-STS对小麦 - 华山新麦草衍生系16-6 进行了分子细胞遗传学研究。细胞学和GISH表明16-6 体细胞有丝分裂和花粉母细胞减数分裂中期染色体数目和结构为(2n=42=21 ) ，1 对华山新麦草染色体被导入16-6 ，初步确定 16-6 为小麦 -

7、华山新麦草二体异代换系。利用位于小麦 7 个部分同源群长、短臂上的单位点 SSR引物对 16-6 进行 PCR分析，确定了 16-6 中的 2D 染色体被代换。 再利用位于小麦2DS和 2DL染色体上的 16 对 SSR标记和以 pAs1 为探针的 FISH对 16-6 进行鉴定，进一步确定了 16-6中的 2D 染色体被代换。为了确定导入 16-6 中的华山新麦草染色体和小麦染色体的部分同源群关系，利用小麦 7 个部分同源群长、短臂上的780 对多位点 EST-STS引物对小麦 - 华山新麦草异代换系16-6 进行 PCR分析，确定了导入 16-6 中的 1 对华山新麦草染色体为 2Ns，最

8、终确定了 16-6 为 2Ns(2D)二体异代换系。 利用我国目前流行的小麦条锈病生理小种（ CYR31、CYR32和 Su11-14），混合对异代换系进行成株期抗病性鉴定，结果显示16-6 高抗条锈病。农艺性状评价显示16-6 具大穗、多花、多籽粒特性，其穗长、小穗数和穗粒数显著高于小麦亲本7182。因此， 2Ns(2D)二体异代换系 16-6 是进行小麦高产和抗病育种的理想供体材料。3华山新麦草特异 SCAR标记开发：利用华山新麦草特异SCAR标记对小麦 -华山新麦草全套二体异附加系进行PCR分析，区分小麦背景中不同的华山新麦草染色体，开发华山新麦草染色体特异SCAR标记。结果显示 2 对

9、 SCAR引物（RHS23和 RHS141）在华山新麦草和全套二体附加系中均扩增出了特异条带，2 对 SCAR引物（ RHS153和 SHS10）在华山新麦草和1Ns 二体附加系中扩增出了特异条带，3 对 SCAR引物 (RHS7、RHS14和 RHS103)在华山新麦草和5Ns 二体附加系中扩增出了特异条带，而小麦亲本7182 中均未扩增出相应条带。说明 RHS23和 RHS141为华山新麦草基因组染色体特异SCAR标记， RHS153和 SHS10为华山新麦草 1Ns 染色体特异 SCAR标记， RHS7、RHS14和 RHS103为华山新麦草 5Ns 染色体特异 SCAR标记。这些华山新麦草染色体特异 SCAR标记将被作为重要的工具用于小麦背景中华山新麦草染色体的分子标记筛选鉴定。普通小麦 - 华山新麦草 1Ns7Ns全套异附加系和 2Ns(2D)异代换系的分子细胞遗传学研究与优异基因新种质的筛选，对于阐明华山新麦草 Ns 基因组与小麦基因组间的遗传关系，更有针对性的利用 Ns 基因组中的优异基因进行小麦遗传改良具有重