八倍体小滨麦M842-1细胞遗传学研究及野生二粒小麦Iw3蜡质基因精细...

来自 : cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD- 发布时间：2021-03-25

王婧 【摘要】：滨麦（Leymus mollis，2n=28，NsNsXmXm）是赖草属的一个异源四倍体野生种，具有大穗、多花、耐盐碱、抗干旱、抗条锈病和白粉病等多种优良农艺性状，是麦类作物重要的遗传种质资源之一。本研究采用细胞遗传学，基因组原位杂交（GISH）和种子贮藏蛋白电泳（SDS-PAGE和A-PAGE）技术对普通小麦品种7182和滨麦杂交后选育的八倍体小滨麦（Octoploid Tritileymus）M842-1的染色体数目和结构进行了研究，并对其农艺性状进行了全面系统的评价。 角质层蜡质是植物自我防御的最后一道屏障，可以抵御病菌的侵染，昆虫的咬噬，空气污染物的沉积，减低紫外线等射线的伤害，降低非气孔性蒸腾速率。当植物受到水分胁迫时，上表皮蜡质能够抑制从角质层蒸发的水分，对维持植物正常生长发育具有重要的意义。本研究对野生二粒小麦抑制穗部颖壳蜡质形成基因Iw3进行了遗传分析和相关机理研究。利用RSLs，F2和F3群体对Iw3基因进行了遗传分析和高精度连锁图谱构建。同时利用电子显微镜、气相色谱-质谱（GC-MS）、定量PCR（qPCR）技术对Iw3近等基因系上表皮蜡质结构进行了电子扫描、蜡质化学组分及蜡质合成相关基因表达水平进行了全面分析。并对近等基因系失水率和叶绿素析出率进行了测定。 主要研究结果如下： 1.普通小麦品种7182和滨麦的杂交后代经多代自交后，选育出八倍体小滨麦M842-1。细胞遗传学分析显示M842-1的染色体数目和结构为2n=56=28Ⅱ，细胞学稳定。以滨麦和华山新麦草基因组DNA为探针的GISH显示，M842-1均含有42条小麦染色体和14条外源染色体，而且这14条外源染色体能够正常配对形成7个二价体。根据滨麦(NsNsXmXm)和华山新麦草(NsNs)基因组结构表明，M842-1的基因组构成为AABBDDNsNs。种子贮藏蛋白聚丙烯酰胺凝胶电泳结果显示，滨麦Ns基因组特异麦谷蛋白和醇溶蛋白条带在M842-1中得到了表达，同时在β-醇溶蛋白区出现1条新带，表明滨麦Ns基因组染色体在小麦染色体背景中可能出现了重组和变异。 2. M842-1农艺性状调查显示，滨麦Ns基因组染色体整体附加到小麦背景后，其种子大小与小麦亲本有所不同，主要表现为粒型较长，粒色较深，籽粒相对瘪瘦，但发育完全。M842-1多分蘖，高结实率，多花多籽粒，穗长超过滨麦和小麦亲本7182。叶片和茎秆表面覆盖有明显蜡粉。抗病性鉴定显示，M842-1成株期对我国目前流行的条锈病小种（CYR31、CYR32、CYR33、Su11-11和Su11-14）免疫，对白粉病菌（Blumeriagraminis f. sp. tritici）表现出高抗的特性。因此，八倍体小滨麦M842-1可作为小麦产量和抗病改良的供体资源。 3.遗传学分析表明，由Iw3基因抑制小麦颖壳蜡质形成现象属于剂量增加型的不完全显性基因，位于1BS染色体末端。利用1BS染色体末端基因富集的优点，设计和开发出了5个与Iw3共分离的分子标记。然后构建F2和F3大规模分离群体，将Iw3基因定位于0.135cM间距内，两端的标记位点分别是Xpsp3000和XWL3096，其中距紧密连锁标记XWL3096的遗传距离为0.015cM。 4.电子显微镜扫描蜡质结构显示，Iw3Iw3近等基因系的蜡质呈现点状分布，与iw3iw3密集的蜡质网状结构形成鲜明对比。GC-MS分析蜡质化学组分后发现，该基因是通过改变蜡质化学组分来抑制蜡质的形成。与野生型相比，Iw3抑制了β-diketone（β-双酮）的形成，降低了47%的伯醇含量，但是醛类物质和烷类物质分别增加了400倍和5倍，从而导致颖壳蜡质总量降低30%。蜡质总量的下降会增加角质层的渗透性，说明蜡质在干旱敏感时期起着重要的作用。通过分析53个蜡质基因的表达水平，检测到在Iw3基因作用下有9个基因在转录水平上发生了变化，其中Cer4家族基因Cer4-1表现为下调，另外5个Cer4基因和3个KCS同系物表现为上调。根据研究结果对Iw3基因参与介导调节的蜡质代谢通路进行了探索，为后续图位克隆该基因及小麦中蜡质合成相关β-diketone途径的机理研究奠定了理论基础。