偃麦草属植物种质资源研究进展

偃麦草属植物是我国干旱半干旱地区重要的优质乡土草资源,也是防风固沙、水土保持和改良盐碱地的理想植物。本文重点梳理和论述了偃麦草属植物种质资源细胞染色体倍性和核型及同工酶特性、非生物逆境胁迫响应及抗逆性评价、优异功能基因(抗旱耐盐基因、耐低磷营养胁迫基因、抗病基因等)挖掘及功能解析、新种质创制和新品种培育等的研究成果与进展,旨在为偃麦草属植物种质资源的深度开发利用奠定重要科学基础。

长穗偃麦草 ThPLA 基因的电子克隆和生物信息学分析

本研究基于长穗偃麦草高通量测序信息,利用电子克隆方法获得长穗偃麦草磷脂酶基因(ThPLA),结合生物信息学分析方法,从氨基酸理化性质、保守结构域、高级结构、亲水性/疏水性、跨膜结构域、同源性分析及功能表达等方面对该基因gDNA和编码蛋白进行了预测和分析。结果表明,ThPLA基因全长1620 bp,编码539个氨基酸;与粗山羊草、野生二粒小麦、水稻和玉米的PLA蛋白亲缘关系最近;亚细胞定位和GO term预测ThPLA蛋白质位于叶绿体;综合基因表达预测和转录组数据结果,该基因可能在植物根部对盐胁迫做出响应。

不同基因型长穗偃麦草幼胚诱导再生体系的构建和比较研究

长穗偃麦草是一种耐盐碱、高产优质的多年生牧草和生态草,在我国盐碱地改良和滨海地区生态环境建设中占有重要地位,但其生物技术体系尚不成熟。本研究以来源不同的8个长穗偃麦草种质为试验材料,利用组织培养技术开展幼胚再生体系构建,筛选适宜构建遗传转化体系的优异受体材料。结果表明,在改良后的诱导培养基(MS培养基+0.5 g/L L-谷氨酸+0.5 g/L L-脯氨酸+0.3 g/L酶水解酪蛋白+30 g/L麦芽糖+2 mg/L 2,4-D+7 g/L琼脂)上,长穗偃麦草种质培养第3 d形成较小的愈伤组织,培养4周后分化。不同基因型长穗偃麦草在相同培养基上的幼胚愈伤组织诱导率、分化率和再生时间差异显著,其中4号材料的幼胚出愈率高达97.92%,分化率为88.33%,生根率为100.00%,再生时间较短,为56.2 d,可作为长穗偃麦草遗传转化的理想底盘材料。

小麦-偃麦草杂种后代及小麦种质资源对纹枯病的抗性

为鉴定小麦-偃麦草杂种后代以及我国小麦品种和育种中间品系对纹枯病的抗性,并且解析偃麦草染色体与纹枯病抗性的关系,在徐州和南京两个试点,采用田间病圃法对321份普通小麦品种或品系和56份小麦-偃麦草杂种后代材料进行了纹枯病抗性鉴定。在徐州试点没有发现高抗纹枯病的种质,但是有52份材料表现中抗反应型,包括34份普通小麦材料,其中萧农8506-1、小偃81、冀植4001、农大195、徐州8913和京东3066A-3的相对抗病指数高于0.7。在南京试点,全部普通小麦材料都不抗纹枯病,只有5份小麦-偃麦草种质表现中抗反应型。部分小麦-偃麦草种质的病情指数不但显著低于感病对照品种苏麦3号和扬麦158,而且还低于抗病对照品种安农8455和宁麦9号,如小麦-中间偃麦草4Ai#2或4Ai#2S附加系、代换系和易位系材料TA3513、TA3516、TA3517和TA3519及小麦-长穗偃麦草第4部分同源群染色体代换系SS767,说明中间偃麦草4Ai#2染色体和长穗偃麦草4J染色体可能与纹枯病病情指数降低有关。基因组原位杂交分析结果表明,4Ai#2染色体属中间偃麦草的Js基因组,而长穗偃麦草与纹枯病抗性相关的第4部分同源群染色体属J基因组。虽然纹枯病与眼斑病的发病部位和症状非常相似,但抗眼斑病基因Pch1(Madsen)和Pch2(Cappelle-Desprez)对纹枯病无效。

偃麦草和中间偃麦草种质材料苗期抗旱性鉴定研究

选用来自9个国家的17份偃麦草和中间偃麦草种质材料,在日光温室模拟旱境胁迫条件下,通过土壤干旱法,开展了苗期抗旱性鉴定研究,分析测定了植株叶片的相对含水量、细胞膜透性、脯氨酸含量、丙二醛含量等理化指标,综合评定了17份种质材料的抗旱性强弱,并针对上述4个理化指标变化率,通过赋分分级的办法将其划分为较强、中等、较弱3个抗旱性级别,抗旱性强的种质材料包括Ag-2,Greenar,AJC-320,Reliant,1;抗旱性中等的种质材料包括2,Clarke,D-2111,Slate,DT-3175,D-1483,X93035;抗旱性较弱的种质材料包括D-1987,699,D-939,D-3244,VIR103。

中间偃麦草、长穗偃麦草及其杂交种抗旱性评价

测定了杂交种植物组织相对含水量、脯氨酸、叶绿素、可溶蛋白、丙二醛生理指标,利用主成分分析、隶属函数综合评价偃麦草属不同材料[中间偃麦草(Elytrigia intermedia)、长穗偃麦草(E.elongata)及其杂交种]的抗旱性。结果表明,5个单项生理指标可综合为3个相互独立的综合指标;正交杂种(E.intermedia×E.elongata)的抗旱综合值为0.529,反交杂种(E.elongata×E.intermedia)为0.702,而其2个亲本中间偃麦草和长穗偃麦草仅为0.308和0.191,杂交种材料的抗旱能力远高于2个亲本,其中反交杂种的抗旱性最强。

中间偃麦草和长穗偃麦草解剖结构的扫描电镜观察

运用扫描电镜观察了中间偃麦草Elytrigia intermedia和长穗偃麦草E．elongata的根、茎、叶以及根茎的形态解剖结构，结果显示：2种植物的根形态均由表皮、皮层和中拄组成，表皮着生大量根毛，内皮层细胞壁5面加厚，在横切面上呈马蹄形；茎与根茎的维管束分内外两圈分布，中央有髓腔；叶片形态由表皮、叶肉和叶脉3部分构成，表皮细胞包括长细胞、附属物、气孔器细胞和泡状细胞。中间偃麦草和长穗偃麦草的叶片表皮微形态上存在显著差异．其中长穗偃麦草叶脉上分布3～4列乳突．而中间偃麦草叶脉上则分布3～4列刺毛，另外在根皮层细胞中发现了发达的类似通气组织的结构，产生原因亟待进一步研究。

中间偃麦草和长穗偃麦草染色体核型分析

选用从国外引进的中间偃麦草(Elytrigia intermedia)和长穗偃麦草(E.elongata)种子为材料,采用根尖压片法进行细胞染色体核型分析。结果表明,中间偃麦草染色体数目为2n=6x=42,染色体相对长度组成为:10L+10M2+12M1+10S,核型公式为:K(2n)=6x=42=34m+8sm,属于"2B"类型。长穗偃麦草染色体数目为2n=10x=70,染色体相对长度组成为:10L+22M2+30M1+8S,核型公式为:K(2n)=10x=70=38m+22sm+8st+2t,属于"2B"类型。本研究结果可以为中间偃麦草和长穗偃麦草的细胞学特性和遗传机制的研究提供理论依据。

小麦与彭梯卡偃麦草杂种及其衍生后代的细胞遗传学研究──Ⅱ．来自小麦和彭梯卡（长穗）偃麦草及中间偃麦草杂种后代11个八倍体小偃麦的比较研究

利用染色体配对分析和酯酶及种子醇溶蛋白电泳分析研究了我国育成的１１个八倍体小偃麦，结果表明：（ａ）来源于小麦和中间偃麦草杂交后代的６个部分双二倍体中，中１和中２的偃麦草染色体组不同于中３、中４、中５和小偃７８８２９的偃麦草染色体组；（ｂ）来源于小麦和长穗偃麦草杂交后代的５个部分双二倍体中，小偃７８４的偃麦草染色体组不同于小偃６９３和小偃７６３１中的偃麦草染色体组，表明在长穗偃麦草中有两个互不相同又不同于小麦的染色体组Ｅ和Ｆ，而小偃７４３０和小偃６８中的偃麦草染色体组很可能是Ｅ和Ｆ染色体组的重组体；（ｃ）小偃７８４中的长穗偃麦草染色体组和中５及小偃７８８２９中的中间偃麦草染色体组基本相同，而中２的中间偃麦草染色体组不同于小偃６９３和小偃７６３１中的长穗偃麦草染色体组Ｆ，这意味着在长穗偃麦草和中间偃麦草中可能只有一个共同的染色体组Ｅ。部分双二倍体中酯酶及醇溶蛋白偃麦草染色体特征带的存在和发现，为这些染色体或其片段导入小麦后的鉴定提供了方便。

中间偃麦草、长穗偃麦草及其杂种F_1代同工酶研究

通过对过氧化物酶(POD)、酯酶(EST)、超氧化物歧化酶(SOD)和多酚氧化酶(PPO)同工酶谱的分析,探讨中间偃麦草(Elytrigia elongata(Host)Nevski)、长穗偃麦草(E.intermedia(Host)Nevski)及其杂种F1代的酶谱特征和亲缘关系。结果表明:亲本同工酶酶带数目、迁移率、着色程度等差异不大,二者亲缘关系较近。与亲本相比,杂种F1代存在POD、SOD、PPO酶带丢失现象,但正、反交植株中均产生了一些亲本没有的新生带。杂种F1代EST酶谱与亲本基本相同,仅着色程度略有差异。杂种F1代植株的POD、PPO酶谱特征有偏向中间偃麦草的倾向,而SOD酶谱特征倾向于长穗偃麦草。杂种F1代同工酶具有多态性,可作为遗传标记用于杂种鉴定和后代株系目标性状的选择。

偃麦草属植物种质材料苗期耐盐性综合评价

采用温室苗期模拟NaCl盐分胁迫方法,对来自于21个国家的偃麦草属8个植物种34份种质材料苗期的叶片相对含水量、相对电导率、脯氨酸、K+/Na+、相对生长速度变化率、耐盐系数、存活率和出现盐害到死亡的时间等指标进行测定与分析,并对偃麦草属植物种质材料苗期的耐盐性进行综合评价。结果表明,上述指标均是偃麦草属植物种质材料苗期耐盐性评价的有效指标。且通过对0.9%NaCl浓度下的各项指标进行综合聚类,可将34份偃麦草属植物种质划分为3个耐盐级别,即耐盐种质有ER030、ER035、ER041、EE011、EE014、EE017、EE023、EE026、EE047、EH001、EH002和EPU02;中度耐盐种质有ER008、ER014、ER027、ER032、ER037、ER038、ER044、ER045、EE007、EE027、EJ001、EPO02、EPO03和EPO04;敏盐种质有ER028、ER033、ER036、ER039、EE022、EJ003、EL001和EI022。

中间偃麦草与小麦杂交后代的细胞遗传学及性状特点的研究

中间偃麦草作父本与小麦品种烟农15杂交,杂交结实率为71.72%,杂种F_1在套袋自交和开放授粉条件下的自交结实率分别为32.05%和69.66%.以7个杂种世代为材料,对其细胞遗传学及性状特点进行研究.结果表明,F_1 PMC MI染色体的联会频率较高,细胞内二价体数目平均为13.73个;F_2和F_3两个自交世代的染色体数目显著多于双亲和F_1的42条;杂种F_1在减数第二分裂后期染色体发生不对称分离,形成了不完全减数配子.回交可较快地削减后代染色体数目,回交次数太多会导致偃麦草染色体较快地丢失,这不利于双亲染色体的重组.不同杂种世代均有不同频率的四价体出现,因此在中间偃麦草与小麦杂交后代中可能存在较为普遍的染色体易位重组.杂种后代性状分离复杂,变异类型丰富.

偃麦草属植物苗期耐盐性指标筛选及综合评价

对10份自国外引进的野生偃麦草属种质材料在不同梯度NaCl胁迫下,测定存活率、K+/Na+、丙二醛含量、脯氨酸含量等12项指标,进行相关分析、主成分分析、隶属函数法和通径分析。结果表明,1)筛选出存活率、K+/Na+、丙二醛含量、脯氨酸含量、生长胁迫指数、相对生长速度6个可以对偃麦草属植物耐盐性进行评价的指标;2)根据耐盐综合评价值(D)得出材料耐盐性排序为ZXY04P-6>ZXY04P-210>ZXY04P-29>ZXY04P-490>ZXY04P-176>ZXY04P-103>ZXY03P-271>ZXY04P-157>ZXY03P-444>ZXY03P-289;3)10个材料的耐盐性预测值(VP)与综合评价值(D)极显著相关。

基于SLAF-seq技术开发长穗偃麦草染色体特异分子标记

长穗偃麦草1E及7E染色体上带有重要的抗赤霉病基因,开发大量相关染色体特异分子标记有助于准确定位抗性基因及获得可用于辅助育种紧密连锁的标记。基于SLAF-seq技术,获得了368个长穗偃麦草1E染色体特异片段,随机选取80个特异片段设计引物,开发了20个长穗偃麦草1E染色体特异分子标记、2个长穗偃麦草基因组特异分子标记及26个其他特异分子标记,效率达60%。用这些特异标记能稳定检测出不同小麦-长穗偃麦草衍生材料中的1E染色体或片段。通过标记与优良性状的共分离特性,获得与相关基因紧密连锁的标记,将为小麦抗性育种中的分子标记辅助选择提供依据。

偃麦草E染色体组特异RAPD和SCAR标记的建立

用 10 0条 10碱基随机引物 ,以普通小麦中国春、中间偃麦草为材料进行 RAPD分析 ,筛选到一个偃麦草染色体组特异引物 OPF0 3,并从中间偃麦草中克隆了该引物的特异 DNA片段 OPF0 312 91。将该片断与比萨偃麦草中的 OPF0 312 96(Gen Bank序号 U4 35 16 )比较 ,同源性为 88%。根据 OPF0 312 91的序列 ,设计了 2对SCAR引物 ,利用 OPF0 3和引物 P3、P4对普通小麦、普通小麦 -中间偃麦草的部分双二倍体、长穗偃麦草、中间偃麦草、小麦 -二倍体长穗偃麦草代换系、附加系共 6类材料进行了 RAPD和 SCAR分析 ,发现 RAPD标记OPF0 312 91没有出现在含 Ee染色体组的材料中 ,而标记 SCAR982 则出现于所有含 E染色体组的材料中。说明 ,根据 Eb 染色体组特异 RAPD标记转化的 SCAR标记 ,可以同时检测小麦背景下的 Ee

中间偃麦草SGT1基因的克隆及其抗病功能的分析

为了探索中间偃麦草SGT1基因在小麦抗病反应中的应用潜力,采用RT-PCR和RACE方法克隆出中间偃麦草SGT1基因,命名为TiSGT1。该基因编码蛋白具有SGT1蛋白典型的功能域结构,与大麦SGT1序列高度同源。通过基因重组技术构建了TiSGT1的高效组成型表达载体,通过基因枪法将该载体转化到小麦品种扬麦12基因组中。对转基因植株PCR、Southern杂交与RT-PCR分析表明,TiSGT1基因可在T0、T1和T2代转基因小麦中遗传和表达。黄矮病、白粉病抗性鉴定结果表明,SGT1的超量表达可以提高小麦对黄矮病、白粉病的抗性,TiSGT1可以作为小麦广谱抗病性改良的潜在基因资源。

PEG模拟干旱胁迫下29份偃麦草种质种子萌发期抗旱性评价

以20%聚乙二醇溶液(PEG-6000)为渗透介质模拟干旱胁迫条件,对29份偃麦草种质资源进行了种子萌发期抗旱性评价。结果表明:PEG胁迫降低了偃麦草种质资源的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数,抑制了胚芽和胚根的生长发育。以相对发芽率、相对胚根长、相对胚芽长、萌发抗旱指数、胁迫指数、相对发芽势及相对活力指数为依据,通过隶属函数法综合评价认为,29份偃麦草种质资源的抗旱性顺序依次为:E39>E14>E11>E13>E16>E03>E07>E25>E34>E42>E09>E29>E17>E31>E21>E26>E06>E10>E12>E27>E38>E08>E01>E04>E41>E19>E37>E02>E24。

重金属Cd Zn对长穗偃麦草生理生化特性的影响及其积累能力研究

以长穗偃麦草为材料,采用土培试验方法,研究了重金属Cd、Zn单一及复合污染对长穗偃麦草的生物量、保护酶(SOD和POD)、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)的影响,及长穗偃麦草对Cd、Zn的积累能力。结果表明,Cd、Zn单一及复合污染下,长穗偃麦草生物量随Cd和Zn浓度的升高而降低,与对照存在显著差异(P<0.05);Cd和Zn单一污染下,随着Cd、Zn浓度的升高,SOD、POD、MDA、Pro含量增加;Cd和Zn复合污染下,随处理质量浓度的增加,SOD呈下降趋势,POD和MDA呈增加趋势。Cd10Zn200处理下Pro含量减少,随Cd和Zn质量浓度的增加,其他复合处理下的Pro含量增加;植株根部的Cd和Zn积累量均大于地上部的积累量。综合实验结果,可初步判断长穗偃麦草能积累和忍受一定量的Cd、Zn,Cd和Zn复合污染对上述各指标的毒害效应大于同水平单元素污染的效应。长穗偃麦草根茎发达,生物量大,在生长过程中可通过生物量带走部分重金属Cd、Zn,因此长穗偃麦草具有修复重金属Cd和Zn污染土壤的潜能。

一个小麦-中间偃麦草异代换系的形态学和细胞学鉴定

中间偃麦草含有丰富的优良基因 ,在小麦的遗传改良中具有重要利用价值 .对从中间偃麦草与小麦品种烟农 15杂种后代 BC2 F4 中选育的小麦种质系山农 0 0 95进行形态学和细胞学鉴定 ,结果表明 :山农 0 0 95株高 78cm,穗长 17.3cm,旗叶长 36 .3cm,旗叶宽 3.0 3cm,茎杆粗壮 ,繁茂性好 ,既长又宽的旗叶、长圆锥型穗是其显著的形态学特征 ;其根尖细胞染色体数目为 2 n=4 2 ,花粉母细胞减数分裂中期 PMC M 染色体构型为 2 n=2 1 ;它与普通小麦的杂种 F1 PMC M 绝大多数细胞出现 2个单价体 ,没有观察到多价体 ,平均染色体构型为 2 n=2 0 .0 8 +1.84 .以上结果表明 ,山农 0 0 95是一个小麦 -中间偃麦草的双体异代换系 .

中国春背景下长穗偃麦草抗赤霉病相关基因的染色体定位

长穗偃麦草具有良好的赤霉病抗性,是小麦赤霉病抗性改良的重要种质资源。为了深入研究长穗偃麦草的赤霉病抗性并对其抗性相关基因进行染色体定位,连续两年两地于开花期通过单花滴注法对中国春-长穗偃麦草二体附加系、置换系等31份材料进行穗部接种,21d后调查发病情况;同时调查了各材料的自然发病情况。结果表明,长穗偃麦草的赤霉病抗性主效基因定位于1E和7E染色体,其中7E染色体的短臂具有良好的赤霉病抗性,2E和4E染色体具有微效抗性基因,而3E、5E和6E可能存在易感基因。