锂离子束辐照小麦诱发DNA损伤与特异基因调控网络解析

锂(^(7)Li)离子束作为一种新型诱变剂在作物诱变育种中发挥着越来越重要的作用。本研究利用彗星电泳技术探索了^(7)Li离子束辐照小麦诱导的DNA损伤特点,并结合转录组分析初步解析了特异基因表达调控网络。结果表明,与传统诱变因素伽马(γ)射线相比,^(7)Li离子束辐照引起的小麦幼苗生长抑制程度低,幼苗叶脉失绿至开裂。对辐照诱导的差异表达基因进行GO和KEGG功能分析显示,^(7)Li离子束辐照诱导的差异表达基因主要富集在细胞壁合成与代谢和甘油脂类代谢通路,而γ射线辐照诱导的差异表达基因主要富集在光合作用代谢通路中,推测细胞壁合成与代谢和甘油脂类代谢通路途径与响应^(7)Li离子束辐照引起的损伤密切相关,而光合作用代谢途径与响应γ射线辐照引起的损伤密切相关。两种辐射诱导的差异表达基因的转录因子分析结果显示,^(7)Li离子束辐照诱导的MYB、WRKY、bHLH和NAC等转录因子家族可能在响应^(7)Li离子束辐照过程中具有重要作用,^(7)Li离子束辐照特异诱导Whirly家族转录因子调控DNA损伤修复,而γ射线辐照诱导E2F/DP家族转录因子调控DNA损伤修复。

实践八号卫星飞行环境中不同因素对小麦的诱变效应

以实践八号育种卫星1×g离心机、铅屏蔽室和卫星舱内同时搭载处理的3个小麦品种为材料,分别分析同一飞行环境下空间辐射、空间微重力和空间综合环境作用对小麦的损伤特点,比较研究其对小麦品种的诱变效应。结果表明,空间综合因素处理抑制了小麦轮选987和新麦18当代(SP1代)的苗期生长,而对周麦18没有显著影响,空间辐射单因素处理只对轮选987有显著的抑制作用,而空间微重力对3个品种的抑制作用都不显著;成熟后3种处理对各农艺性状的影响都不存在显著差异。3个小麦品种SP2代均出现株高、穗长、千粒重等多种表型性状突变;轮选987和新麦18都表现空间综合环境因素诱发的突变频率高于其他2个单一因素,而空间微重力的突变效应最小。在新麦18空间综合因素处理的群体中,还发现了叶片条纹状白化突变体(0.48%)并可以遗传到后代。上述结果证实,在空间条件下宇宙射线和微重力的共同作用具有累加的效应,宇宙射线是产生变异的主要因素,空间微重力的单独作用也可以导致变异的产生。

高能混合粒子场辐照小麦的突变效应分析

【目的】分析高能混合粒子场(CR)辐照冬小麦所产生的突变效应,并与60Co-γ射线处理相比较,研究其诱变效率。【方法】以0、145、195、284和560Gy剂量的CR和γ射线分别处理两个冬小麦品种ZY9和ZH7,室内发芽鉴定处理当代的损伤效应,田间筛选表型变异突变体并做考种分析。【结果】高能混合粒子场与γ射线处理对这两个小麦品种的生长抑制均存在明显的剂量效应,并且高能混合粒子场处理的损伤效应明显高于γ射线,ZH7的辐射敏感性大于ZY9,处理小麦的适宜剂量在200～300Gy之间。M2代群体中出现了包括株高、穗型、生育期等多种性状变异,在适宜或稍高剂量时可以引起明显高于γ射线处理的有益突变。CR诱变ZY9的总突变频率和有益突变频率分别为5.42%～11.68%和2.75%～7.29%,ZH7则分别达到10.35%～22.12%和6.62%～10.49%,均高于γ射线处理频率。【结论】高能混合粒子场处理小麦能够产生比γ射线更高的相对生物学效应,而且辐射敏感性较高的品种,经处理后其后代诱发有益突变的频率较高,获得优良变异的几率也相对较高。

小麦茎秆强度的鉴定方法研究

茎秆强度决定小麦品种的抗倒伏性能,但现有鉴定茎秆强度的方法还不完善。用秆强测定器测定了661个小麦品种和1183个F2代单株,结果表明,乳熟至蜡熟期是鉴定茎秆强度的适宜时期,利用秆强测定器可从F2代分离群体中鉴定出强秆单株。成熟时茎秆强度降低,不易区分茎秆强度的品种间差异。通过分析30个品种的茎秆强度值与茎秆解剖性状的相关性,发现上部节间的髓腔大小与茎秆强度呈极显著负相关,而下部节间的茎秆粗度与茎秆强度呈极显著正相关。由于穗部重量和生物产量与茎秆强度呈极显著正相关,育种家应选择秆强与穗重相适应的品种以提高产量潜力和稳产性。

我国作物航天育种20年的基本成就与展望

航天育种是我国科学工作者开创的农作物诱变遗传改良的一种有效新途径。经过20年的探索发展,已建立了全国航天育种研究协作网,航天育种研究工作取得了可喜的成果:在水稻、小麦、棉花、青椒、番茄、芝麻、牧草等作物上育成和审定了40多个高产、优质、多抗的农作物新品种,并开始在农业生产中发挥作用;获得了一批有可能对产量和品质等重要经济性状有突破性影响的罕见突变;航天诱变与地面模拟诱变育种技术创新取得显著进展;航天育种技术及其产品的知识产权保护与产业化、航天诱变机理探索等方面研究得到稳步推进。本文系统评述了我国航天育种20年来的基本成就,并根据当前研究和应用形势提出了发展战略。

植物诱发突变技术育种研究现状与展望

自1928年以来，诱发突变技术应用于农作物新材料创制和优良新品种培育，在解决世界粮食安全与营养供给中发挥了显著作用。据不完全统计，截至2009年9月，世界上60多个国家在170多种植物上利用诱发突变技术育成和推广了3088个突变品种，其中中国在45种植物上育成了802个突变品种，超过目前国际诱变育成品种数据库中总数的四分之一而位居世界第一。中国育成的突变品种年最大种植面积900万hm^2，每年为国家增产粮、棉、油10～15亿kg，社会经济效益超过20亿元。近年来，加速器离子柬辐照、空间环境诱变等新型诱变手段，以及传统核辐射诱变技术的有效利用，在我国农作物诱变改良与新基因挖掘中的应用日趋活跃。植物基因组学和高通量DNA技术（如TILLING等）的发展将把传统诱变育种推向分子突变育种新时代，并将在支撑我国及世界粮食安全领域发挥更大作用。

高能混合粒子场诱变小麦的细胞学效应研究

利用北京正负电子对撞机直线加速器E2束流打靶产生高能混合粒子场,以0、109、145、1952、84和560Gy的剂量处理两个冬小麦品种ZY9和ZH7,并与相同剂量的60Coγ射线相比较,研究其细胞学效应。试验结果表明,混合粒子场辐照小麦种子可抑制根尖细胞有丝分裂,诱发染色体出现单微核、双微核、多微核、环状染色体、落后染色体、游离染色体、染色体断片等多种畸变类型。混合粒子场与γ射线诱发的微核畸变率和染色体畸变率均存在明显的剂量效应,但混合粒子场的损伤效应明显高于γ射线。混合粒子场可诱发高频率的环状染色体和染色体断片,显示出混合粒子场处理小麦具有比γ射线处理更高的相对生物学效应。

作物空间诱变效应及其地面模拟研究进展

本文简要分析了国外空间植物学研究概况 ,评述了我国利用返回式卫星等搭载作物种子开展空间诱变效应研究及其在种质创新和新品种培育方面的现状。从粒子生物学、物理场生物学和重力生物学等不同角度介绍了地面模拟空间环境因素的方法途径和研究进展。

小麦诱变育种新技术研究进展

诱发突变技术在小麦品种改良中具有重要作用。本文简要介绍了小麦诱变育种的一些新技术的研究概况,从诱变机理、诱发的生物学效应、新种质材料的创造和新品种选育等不同的角度介绍了离子束注入、航天诱变和生物因素诱变等小麦诱变育种新技术及小麦突变体筛选技术的最新研究进展,并对小麦诱变新技术的发展前景予以讨论和展望。

实践八号育种卫星搭载植物种子的空间辐射剂量分析

为了探明植物种子在空间搭载后发生一系列改变的原因,尤其是探寻空间辐射与突变发生的内在关联,设计了"照相定位"实验法,采用CR-39固体核径迹探测器来探测空间重离子,并利用空间重离子径迹与植物种子的相对位置,来确定被重离子击中的种子及其击中部位;同时用LiF热释光片测量种子所受的较低LET空间辐射的剂量。结果表明,"照相定位"法简便易行,经济实用,并极大地缩短镜下分析时间;最终测得空间重离子注量率为4.44个/cm2.d,种子所受较低LET空间辐射的平均剂量为4.79mGy。

空间环境诱变小麦叶绿素缺失突变体的主要农艺性状和光合特性

叶绿素缺失突变体对研究植物光合作用机制,揭示叶绿素生物合成与降解途径,发掘鉴定光合作用相关新基因以及了解基因间的相互作用有重要意义。空间诱变创制的小麦叶绿素缺失突变体Mt135的叶色表现为完全白化、条纹和绿3种类型,其中完全白化株叶片完全白化,于苗期死亡;条纹株叶片呈绿白相间的条纹,能够正常成穗结实,但其株高、穗长、株粒数、株粒重、千粒重都显著低于原始亲本,生育期比原始亲本延长5～7 d;绿株与原始亲本没有显著差异。初步遗传分析表明,Mt135是一个由核质基因共同作用的突变材料。对突变体及其原始亲本叶绿素荧光动力学参数的分析表明,当光照强度为110μmol m-2 s-1时,条纹株绿色组织光系统II的最大量子产量与原始亲本无显著差异,光系统II的潜在活性显著低于原始亲本,而光化学猝灭系数、非光化学猝灭系数、实际量子产量、调节性能量耗散的量子产量、非调节性能量耗散的量子产量在不同的生育期间变化不同。另外,不同的光照强度下,条纹株绿色组织的电子传递速率、光化学猝灭系数、实际量子产量的变化也不相同。条纹株白色组织和完全白化株则完全失去光合能力。上述结果证实,小麦叶绿素缺失突变体Mt135的光合作用受到很大的影响,光合特性发生了改变,较高的光照强度在拔节期对突变体影响较大,抽穗期影响相对较小。条纹株光合特性的改变与其株高、穗长和产量相关性状显著降低的结果相互印证。

基因枪法获得逆境诱导转录因子DREB1A转基因小麦的研究

以小麦品种H675 6和藁城 890 1作为基因枪转化的靶材料 ,取其护颖至雌雄蕊原基形成期的幼穗 ,用含逆境诱导转录因子DREB1A和bar基因的质粒pAHC2 5轰击胚性愈伤组织 ,在分别含有 5mg L和 1 0mg LBasta溶液的培养基上进行筛选。得到的抗性愈伤组织在不含Basta溶液的培养基上再生培养 ,获得 2 1 8棵再生植株。田间涂抹浓度为 1 0 0mg L的Basta溶液检测后 ,对抗性植株作PCR检测 ,获得 5 4棵再生植株。通过对其中 2 0株T1代的PCR和Southern杂交分析 ,已获得 1 4株含DREB1A和bar基因的转基因小麦植株 ,其中H675 61 3株 ,藁城 890 1 1株。

高能混合粒子场辐照小麦M_1代变异的SSR分析

本试验利用北京正负电子对撞机直线加速器E2束流打靶产生高能次级混合粒子场,模拟次级宇宙射线,分别以0、109、145、195、284和560Gy剂量处理两个冬小麦品种ZY9和ZH7,并与相同剂量的60Coγ射线相比较,研究混合粒子场辐射处理对小麦幼苗生长和微卫星(SSR)标记谱带变化的影响。试验结果表明,随着混合粒子场处理剂量的增加,小麦幼苗生长受到的损伤逐渐增加。SSR标记分析结果发现,小麦B基因组的多态性位点频率占总多态性频率的46%,在3个基因组中最高,可能为“热点”突变基因组。高能混合粒子场对冬小麦幼苗的生长抑制和微卫星DNA的损伤效应大于γ射线。

农杆菌介导法向小麦茎尖导入DREB1A基因的研究初报

为了研究以小麦茎尖为受体进行农杆菌转化的可行性,选用小麦品种H6756,以茎尖为受体进行了农杆菌转化。构建了含有拟南芥逆境诱导转录因子DREB1A及除草剂bar基因的表达载体pC3300IS-DREB1A,酶切鉴定此载体,结果证明其连接完全正确,具有转录和表达的功能。农杆菌介导法向小麦茎尖导入DREB1A基因,共获得247株转化苗。转化苗经除草剂筛选,获得66株抗性苗,对抗性苗进一步进行PCR检测,有30株抗性苗扩增出特异性片段,转化率达到12.1%,初步说明本试验中以小麦茎尖为受体的转化系统用于基因转化是可行、高效的。

一个空间诱变的温度敏感型冬小麦叶绿素突变体的初步研究

通过空间诱变创制的冬小麦叶绿素突变体Mt18的叶色表现为对温度敏感的绿-白-绿的变化过程,能够正常成穗结实,但其株高、有效株穗数、穗长、株粒数、株粒重、千粒重都显著低于原始亲本。电镜观察表明,变白前期突变体叶绿体数目和结构与原始亲本未见明显差异;变白期突变体叶绿体内基粒类囊体数和基粒片层数较少,甚至完全消失,基质类囊体清晰可见;复绿期突变体叶绿体数目少于原始亲本,细胞内大部分叶绿体结构恢复正常。叶绿素荧光动力学参数分析表明,当光照强度为110μmol.m-2.s-1时,突变体Mt18的非光化学淬灭系数显著低于原始亲本,非调节性能量耗散的量子产量显著高于原始亲本,而光系统Ⅱ的最大量子产量、光系统Ⅱ的潜在活性、光化学猝灭系数、实际量子产量和调节性能量耗散的量子产量在不同时期变化不同。另外,不同的光照强度条件下,突变体的电子传递速率、光化学淬灭系数、实际量子产量的变化也不相同。上述结果证实,温度敏感型冬小麦叶绿素突变体Mt18的叶片颜色和光合特性随着叶绿体超微结构的变化而相应改变,变白期叶绿体超微结构存在明显缺陷,光合效率显著降低,较高的光照强度对突变体影响较大,导致产量相关性状显著降低。

EMS诱发小麦京411突变群体构建及Wx-A1基因突变体鉴定

为扩大小麦突变群体类型,提高目的基因点突变挖掘效率,选用北部冬麦区骨干亲本京411为材料,利用甲基磺酸乙酯（ethyl methylsulfonate,EMS）化学诱变剂构建小麦突变群体,以Wx-A1为候选基因,用TILLING技术检测所创建的突变群体。结果表明,0.90%EMS溶液处理8 h和1.50%EMS溶液处理4 h均能获得较好的损伤效果,致死率分别达到38.47%和56.00%;在此基础上创建了包含867个株系的M2突变群体,在该群体中获得Wx-A1基因的7个点突变,突变密度为1/67.0 kb;其中预测有功能变异的4个错义突变系均可以稳定遗传至下一代,其直链淀粉含量降低2.8%~7.4%。本研究所构建的小麦突变群体可以作为其他目的基因的TILLING检测材料,用于小麦目的基因突变挖掘及功能基因组学研究。

^(60)Co-γ射线诱导的小麦基因组DNA的甲基化变异

诱发突变技术在小麦品种改良中具有重要作用,辐射诱变能通过改变DNA甲基化的方式而影响基因组稳定性。本研究分别采用100和150Gy60Co-γ射线处理小麦品种京411(J411)干种子,利用甲基化敏感扩增多态性技术检测处理后幼根和幼叶基因组甲基化相对水平的变化及甲基化模式的变异规律。结果表明,γ射线处理对幼苗的苗高和根长都有显著抑制作用。与未处理对照比较,处理后小麦幼苗叶片和根部DNA胞嘧啶甲基化相对水平均发生变化,叶片的甲基化相对水平下降,而根中升高。2种处理剂量下,叶片和根的甲基化模式变异均表现为CG位点变化率高于CNG位点变化率。不同位点的甲基化模式变异在诱变后也存在一定的差异。叶片中不同剂量下CG位点和CNG位点的去甲基化率都高于相应位点的甲基化率;根部CNG位点在所有剂量下的去甲基化率都低于相应位点的甲基化率,而CG位点在100Gy剂量下去甲基化率高于相应位点的甲基化率,而在150Gy剂量下的去甲基化率则低于相应位点的甲基化率,反映出同一组织同一位点在不同诱变剂量处理下甲基化模式变异存在一定的差异。

小麦苗期耐盐相关性状的QTL分析

以小麦敏盐品种太空6号和耐盐品种德抗961杂交形成的R和F2：3家系为试验材料，选取小麦8条染色体上的321对SSR引物进行亲本间多态性的筛选，在太空6号和德抗961之间表现多态性的SSR引物为52个，位点为54个，其中barc172和era2121两个引物分别有两个多态性位点。对这54个位点进行连锁分析，构建了包含42个SSR标记、覆盖小麦基因组8条染色体的遗传连锁图，共704．5eM，标记间平均间距为16．8cM。采用复合区间法进行耐盐QTL分析．，对于4个性状共定位到6个QTL，分别位于5A，5B，5D染色体。对于发芽率，检测到1个QTL，位于染色体5D上，在标记efd40～gwm182之间，贡献率为7．68％，表现加性效应；对于苗高，检测到2个QTL，分别位于染色体5D和5A上，在标记gwm182～wmc215及barc141～wmc415之间，贡献率分别为9．3％和8．14％，分别表现为显性和部分显性；对于根长，检测到2个QTL，均位于染色体5B上，在标记gwm234与wmc326及barc140与barc142之间，贡献率分别为8．74％和8．40％，分别表现为部分显性和超显性；对于鲜重，检测到1个QTL，位于染色体5D上，在标记wmc215～efd29之间，贡献率为12．60％，表现超显性。与所得的QTL位点距离较近的SSR标记，如barc141等，可望为耐盐小麦品种的分子标记辅助选择提供参考信息。

离子注入技术及其在小麦育种中的应用

离子注入是一种新的诱变技术,已在作物诱变育种中发挥了重要作用。本文对离子注入引起变异的诱变机理及由此引起的生物体在生理生化、细胞学、分子遗传学等方面产生的各种生物效应进行了综述,同时对离子注入技术在小麦新品种选育、新种质创造以及介导外源基因导入等方面的应用做了分析,并对离子注入改良小麦的发展前景作了展望。

小麦籽粒性状的QTL定位

为了明确小麦籽粒性状的遗传控制基础,以γ射线诱变结合花药培养创制的大粒、高蛋白小麦新种质H307及生产上主栽品种郑麦9023创建的含有310个株系的重组自交系为实验材料,利用QTL-ICIMapping V3.3软件构建了包含133对SSR标记的遗传连锁图谱,对千粒重、粒长、粒宽、籽粒面积、周长、粗蛋白和淀粉含量进行QTL分析,结果在两年环境条件下共检测到47个加性QTL和10个QTL富集区,其中6个千粒重QTL,分别位于1D、2B、3D、6D和7A染色体上,单个QTL可解释4.54%~13.14%的表型变异;31个粒形QTL,位于1B、1D、2B、3B、3D、5A、5D、6B、6D、7A和7D染色体上,单个QTL可解释2.90%~15.86%的表型变异;10个粗蛋白和淀粉含量QTL,分别位于1A、1B、4B和6A染色体上,单个QTL可解释3.64%~12.19%的表型变异。2B染色体上检测到1个贡献率较大且能稳定表达的重要染色体区段,该区段包含控制小麦千粒重、粒长、粒宽、籽粒面积和周长的10个QTL。1BL染色体上检测到1个控制籽粒粗蛋白含量的微效QTL,对表型的贡献率为3.64%,与连锁分子标记gwm818的遗传距离为0.22cM,该位点是一个不同于前人研究结果的新位点。