偃麥草屬植物對(duì)小麥的遺傳改良研究進(jìn)展

羅小軍 ，李 欣，喬麟軼，郭慧娟，賈舉慶，張樹偉，梅 超，暢志堅(jiān)，張曉軍

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，作物遺傳與分子改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西省主要農(nóng)作物種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種重點(diǎn)科技創(chuàng)新平臺(tái)，山西太原030031；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

偃麥草屬（Elytrigia）作為普通小麥（Triticum aestivum L.）的三級(jí)基因源，具有許多能夠改良小麥的優(yōu)異基因，如抗病、抗旱、耐鹽、耐寒、耐高溫及優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)等。通過遠(yuǎn)緣雜交將其優(yōu)良基因?qū)胄←溁蚪M中，選育和創(chuàng)造出人類需要的種質(zhì)資源和新品種，對(duì)小麥優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病、抗逆等遺傳改良將起到積極的促進(jìn)作用[1]。筆者圍繞偃麥草生物學(xué)分類、農(nóng)藝特性、染色體組成及其在小麥遺傳改良中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了闡述與展望，以期對(duì)小麥遺傳育種實(shí)踐中高效利用偃麥草種質(zhì)資源有所啟發(fā)。

1 偃麥草屬的生物學(xué)分類

偃麥草屬植物種類多樣，類型豐富，屬內(nèi)各種間植物形態(tài)和生活習(xí)性存在許多差異，該屬的生物學(xué)分類也較為復(fù)雜多變。1753年，林奈最早把偃麥草劃分在小麥屬（Triticum）的多年生組里，1770年蓋特納將其從小麥屬中分出，劃入冰草屬（Agropyron），1810年DESVAUX首次提出了偃麥草屬（E-lytrigia Desv）的概念，1933年蘇聯(lián)學(xué)者NEVSKI和列夫斯基從形態(tài)學(xué)、植物地理學(xué)、解剖學(xué)以及細(xì)胞核型分析方面提出偃麥草屬的進(jìn)化地位，并從冰草屬中分離出若干種，劃分到了偃麥草屬中[2-3]。從此，偃麥草屬作為獨(dú)立的屬受到各國(guó)學(xué)者的廣泛認(rèn)可。1984年DEWEY[4]又把偃麥草屬歸入類麥屬（Thinopyrum），DEWEY通過30多年大量的種間和屬間雜種染色體配對(duì)分析，確定了冰草屬的分類范圍以及偃麥草屬與披堿草屬的細(xì)胞學(xué)界限，結(jié)束了三屬長(zhǎng)期分類混亂的局面。顏濟(jì)等[5]研究認(rèn)為，偃麥草屬的模式種偃麥草（Elytrigia repens（L.）Nevski）的染色體組成為StStStStHH，按染色體組成分應(yīng)將其歸類到披堿草屬（Elymus L.）中，這樣偃麥草屬將失去理論支撐，偃麥草屬也不再作為單獨(dú)的一個(gè)屬存在。但由于長(zhǎng)期的習(xí)慣，很多學(xué)者仍使用偃麥草屬這個(gè)名稱。

2 偃麥草生物特性以及染色體組成

偃麥草屬是禾本科小麥族小麥亞族的多年生草本植物，是許多牧區(qū)的優(yōu)質(zhì)牧草。全世界約有50多個(gè)種，主要分布在溫帶和寒帶，起源于歐洲、中亞和中東，以俄羅斯種類居多[6]。我國(guó)有6種，包括偃麥草、中間偃麥草、毛偃麥草、脆軸偃麥草、長(zhǎng)穗偃麥草和硬葉偃麥草。在小麥遺傳改良中，應(yīng)用較為成功的主要是中間偃麥草和長(zhǎng)穗偃麥草[7]。

2.1 中間偃麥草的生物特性及染色體組成

中間偃麥草（Thinopyrum intermedium，2n＝6x＝42）又稱為天藍(lán)偃麥草、天藍(lán)冰草或中間薄冰草，是一種長(zhǎng)日照、強(qiáng)冬性、多年生野生草本植物，原產(chǎn)于東歐，天然分布于高加索、中亞等地帶，在我國(guó)主要分布于青海、新疆、內(nèi)蒙古、東北等地區(qū)[6]。在其原產(chǎn)區(qū)，株高一般為100～140 cm，穗長(zhǎng)為20～30 cm，每穗大約有20～30個(gè)小穗。在山西晉中，株高80～140 cm，一般5月下旬抽穗，6月中旬開花，花藥淡黃色，花粉量大。它根系發(fā)達(dá)，耐寒性極強(qiáng)，免疫白粉、條銹、葉銹、稈銹等多種病害，同時(shí)高抗根腐病、葉枯病、紋枯病、赤霉病、黃矮病、條紋花葉病等，是小麥遺傳改良中重要的三級(jí)基因源[8]。

中間偃麥草是一個(gè)異源六倍體，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其染色體組成作了大量研究。楊世湖等[9]根據(jù)小麥與中間偃麥草F1～F6減數(shù)分裂結(jié)果，認(rèn)為中間偃麥草有2個(gè)染色體組，分別與普通小麥A組和D組同源，且與A組同源性更高，并把中間偃麥草的染色體組構(gòu)成表示為AaDaX1。松村清二[10]研究認(rèn)為，中間偃麥草與小麥共有染色體是B組，并以BEF表示其染色體組構(gòu)成。STEBBINS等[11]通過（黑麥×中間偃麥草）F1減數(shù)分裂，認(rèn)為中間偃麥草沒有與小麥同源的染色體組，表明了中間偃麥草的部分同源多倍性。直到1982年，樸真三[12]利用C帶技術(shù)研究中間偃麥草染色體后，發(fā)現(xiàn)有一組染色體與小麥B組染色體帶型有某些相似之處，另兩組則彼此相似。隨著細(xì)胞學(xué)與分子遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是植物分帶與原位雜交技術(shù)的普遍應(yīng)用，中間偃麥草的染色體組成最終得到了較為統(tǒng)一的觀點(diǎn)：中間偃麥草含有2個(gè)親緣關(guān)系相近且與小麥具有一定同源性的染色體組。在這2個(gè)親緣關(guān)系相近的染色體組中，一組染色體可能是另一組染色體經(jīng)過修飾與變化而來(lái)，二倍體長(zhǎng)穗偃麥草和百薩偃麥草可能是它們最原始的供體，其染色體組分別表示為EeEe和EbEb或JJ和JsJs。第3組染色體與其他2個(gè)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，其最原始親本供體可能是擬鵝觀草，染色體組表示為StSt或SS。中間偃麥草的染色體組構(gòu)成可以表示為EeEeEbEbStSt或者JJJsJsSS[13-16]。中間偃麥草是小麥遺傳改良中應(yīng)用較多，也較為成功的野生親本之一，逐漸成為小麥遺傳改良中具有重要利用價(jià)值的遺傳資源。

2.2 長(zhǎng)穗偃麥草的生物特性及染色體組成

長(zhǎng)穗偃麥主要包括二倍體長(zhǎng)穗偃麥草（Thinopyrum elongatum，2n＝14）、四倍體長(zhǎng)穗偃麥草（Agropyron elongatum，2n＝28）和十倍體長(zhǎng)穗偃麥草（Thinopyrum ponticum，2n＝70）3 種類型[17]。其中，十倍體長(zhǎng)穗偃麥草又稱為彭梯卡偃麥草、長(zhǎng)穗薄冰草或高冰草，為多年生草本植物，再生能力極強(qiáng)，株高70～120 cm。在山西晉中，一般5月中旬抽穗，6月上旬到中旬開花，小花多，花粉量大，容易與小麥雜交。它根系發(fā)達(dá)、植株茂盛、抗寒抗旱、耐鹽能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)小麥葉銹病、稈銹病、條銹病、白粉病、大麥枯黃萎病、條紋花葉病和赤霉病等具有高度的抗性[18]。

一般認(rèn)為，二倍體長(zhǎng)穗偃麥草（2n＝14，EE或EeEe或E1E1）是十倍體長(zhǎng)穗偃麥草的供體祖先種之一，其E染色體組是長(zhǎng)穗偃麥草所有多倍體種所共有的，但四倍體長(zhǎng)穗偃麥草（2n＝48，E1E1E2E2）是否由二倍體自然加倍而來(lái)尚無(wú)定論[19]。HENEEN等[20]通過四倍體長(zhǎng)穗偃麥草與二倍體長(zhǎng)穗偃麥草雜種F1減數(shù)分裂染色體行為分析認(rèn)為，四倍體與二倍體為同源染色體組，但佟明友等[21]通過減數(shù)分裂染色體的構(gòu)型和體細(xì)胞染色體分帶分析，認(rèn)為四倍體長(zhǎng)穗偃麥草只有一個(gè)染色體組來(lái)自二倍體長(zhǎng)穗偃麥草，支持異源四倍體的觀點(diǎn)。李娜等[22]通過生化和SSR標(biāo)記也認(rèn)為，四倍體長(zhǎng)穗偃麥草為異源四倍體。鐘冠昌等[8]通過對(duì)長(zhǎng)穗偃麥草和中間偃麥草雜種后代減數(shù)分裂研究證明，十倍體長(zhǎng)穗偃麥草和中間偃麥草中都存在一個(gè)E染色體組。隨后ZHANG等[23]又通過以擬鵝觀草DNA為探針的GISH和Southern雜交證明，十倍體長(zhǎng)穗偃麥草中存在2個(gè)St染色體組，來(lái)源于擬鵝觀草（Pseudoroegneria spicata），Eb來(lái)源于百薩偃麥草（Thinopyrum bessarabicum），Ee來(lái)源于二倍體長(zhǎng)穗偃麥草（Thinopyrum elongatum），還有一個(gè)染色體組未明確其來(lái)源，用Ex表示，并將十倍體長(zhǎng)穗偃麥草染色體組成表示為：StStStStEbEbEeEeExEx。陸坤等[24]利用St基因組著絲粒附近高特異性反轉(zhuǎn)錄序列pStC1為探針，對(duì)十倍體長(zhǎng)穗偃麥草進(jìn)行了FISH分析，發(fā)現(xiàn)其染色體組成為28條St組染色體和42條E組染色體，進(jìn)一步驗(yàn)證了ZHANG等[23]的結(jié)論。

3 偃麥草在小麥遺傳改良中的應(yīng)用

3.1 小麥與偃麥草屬中間材料的創(chuàng)制

將偃麥草的有用基因，通過遠(yuǎn)緣雜交導(dǎo)入栽培小麥中，是現(xiàn)代小麥遺傳改良的重要研究?jī)?nèi)容。早在1930年，前蘇聯(lián)的H.B.齊津就開始了小麥與偃麥草、中間偃麥草、長(zhǎng)穗偃麥草、毛偃麥草的遠(yuǎn)緣雜交工作，并于1948年選育出了小冰1號(hào)、小冰186和小冰559等小冰麥新品種[25]。孫善澄[26]采用有性雜交、連續(xù)回交和后代定向選擇的方法，利用小麥和中間偃麥草選育出了中1、中2、中3、中4、中5等農(nóng)藝性狀優(yōu)良的八倍體小偃麥新物種——小麥—中間偃麥草部分雙二倍體，具有高抗條銹、葉銹、稈銹等優(yōu)良性狀，其中，中4、中5高抗小麥黃矮病。張學(xué)勇等[27]利用長(zhǎng)穗偃麥草與小麥雜交，獲得了小偃784、小偃7631以及中間偃麥草與小麥雜交的小偃78829等八倍體小偃麥。GAUDERON[28]利用回交法育成的小麥-中間偃麥草部分雙二倍體TAF46，對(duì)小麥黃矮病、條紋花葉病具有優(yōu)良抗性。LIU等[29]在煙農(nóng)15和中間偃麥草雜交后代中，利用St基因組作探針的GISH方法篩選出了抗白粉病的部分雙二倍體E990256。BAO等[30]綜合利用形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、基因組原位雜交等技術(shù)，從普通小麥與中間偃麥草雜種后代中選育出了TE253和TE257等10個(gè)TE系列八倍體小偃麥，且這些八倍體小偃麥的外源染色體中，可能攜帶有不同的抗條銹病或抗白粉病基因。

培育小麥-偃麥草的雙二倍體及部分雙二倍體，并以這些雙二倍體為橋梁創(chuàng)制與小麥親緣關(guān)系更近的異附加系、異代換系和易位系等，是克服直接遠(yuǎn)緣雜交困難、雜種不育和雜種后代瘋狂分離的有效手段。CHANG等[31]利用普通小麥與中間偃麥草雜交獲得了 TAI7044，TAI7045，TAI7047，TAI8335等多個(gè)八倍體小偃麥，并用這些八倍體小偃麥作為橋梁親本，繼續(xù)與小麥進(jìn)行雜交、回交，選育出了CHadd7001，CHadd7002[32]，CH13-21 等多抗性附加系和易位系。石丁溧等[33]在普通小麥與中間偃麥草的雜交后代中選育出了對(duì)條銹病和白粉病免疫的異附加系A(chǔ)F-2，并通過GISH證明了AF-2中附加了2條來(lái)自中間偃麥草的染色體。等[34]利用中國(guó)春與二倍體長(zhǎng)穗偃麥草創(chuàng)制了中國(guó)春小麥-二倍體長(zhǎng)穗偃麥草雙二倍體，并通過這個(gè)雙二倍體進(jìn)一步創(chuàng)制了中國(guó)春的整套21個(gè)異附加系，為偃麥草染色體功能研究提供了寶貴的工具材料。

3.2 易位系的創(chuàng)制以及新品種的選育

較理想的異源易位系是將僅含目標(biāo)基因的外源染色體小片段導(dǎo)入到小麥中，不僅不會(huì)破壞小麥原有的遺傳平衡，還避免了不良基因?qū)π←溵r(nóng)藝性狀的影響。這樣的易位系能夠保證細(xì)胞學(xué)和遺傳學(xué)穩(wěn)定性，可作為品種直接用于生產(chǎn)。辛志勇等[35]利用中國(guó)春ph1突變體誘導(dǎo)和組織培養(yǎng)技術(shù)，在世界上首次將中間偃麥草的黃矮病抗性導(dǎo)入小麥，育成了抗黃矮病易位系119880和119899。張?jiān)銎G等[36]利用基因組原位雜交、RFLP標(biāo)記等對(duì)抗黃矮病小麥新品系H960642進(jìn)行了分析鑒定，確認(rèn)已將攜帶抗黃矮病基因的中間偃麥草染色體片段易位到小麥7D染色體端部。董玉琛[37]用十倍體長(zhǎng)穗偃麥草與小麥雜交，并通過回交、輻射等手段，成功培育出小偃4號(hào)、小偃5號(hào)、小偃6號(hào)等系列新品種，其中，1978年選育的小偃6號(hào)抗病、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，能夠適應(yīng)不同的栽培環(huán)境，曾一度成為黃淮麥區(qū)的主栽品種。在此之后，國(guó)內(nèi)外又有多名育種家通過各種手段，利用八倍體或六倍體小偃麥選育出了大量偃麥草與普通小麥的附加系、代換系、易位系以及漸滲系，例如，小偃503、小偃22、西農(nóng)509、西農(nóng)511、西農(nóng)529等[38]，在小麥生產(chǎn)及抗病、抗逆研究中被廣泛應(yīng)用。

3.3 偃麥草新基因向小麥的轉(zhuǎn)移及利用

截至目前，已在偃麥草中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)抗病基因，其中，抗白粉病基因Pm40，Pm43來(lái)源于中間偃麥草，Pm51來(lái)源于十倍體長(zhǎng)穗偃麥草；抗條銹病基因Yr50來(lái)源于中間偃麥草，Yr69來(lái)源于十倍體長(zhǎng)穗偃麥草；抗葉銹基因 Lr19，Lr24，Lr29，抗稈銹基因 Sr24，Sr25，Sr26，抗赤霉病基因 Fhb7，都來(lái)源于長(zhǎng)穗偃麥草，其中，抗赤霉病基因Fhb7已被定位于7E染色體的長(zhǎng)臂上[39]；抗黃矮病基因Bdv2來(lái)源于中間偃麥草7Ai-1染色體長(zhǎng)臂。這些抗病基因已被轉(zhuǎn)移到普通小麥中，在小麥抗病育種及糧食生產(chǎn)中已發(fā)揮或即將發(fā)揮重要作用。此外，也有一些偃麥草耐寒、耐旱、耐高溫、耐鹽堿及低磷耐受基因向小麥中轉(zhuǎn)移的報(bào)道。

4 展望

偃麥草屬植物中含有大量能夠改良小麥的有用基因，國(guó)內(nèi)外雖對(duì)其進(jìn)行了一定程度的研究和應(yīng)用，但由于技術(shù)的局限性和偃麥草基因組的復(fù)雜性，偃麥草所含有的大量有用基因資源并沒有得到充分利用。目前應(yīng)用較多的是偃麥草屬的抗病、抗逆基因，其他農(nóng)藝性狀如優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)等方面的報(bào)道較少。因此，繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)偃麥草屬植物的研究，創(chuàng)造偃麥草優(yōu)良基因或染色體小片段快速導(dǎo)入小麥的程序和方法，為小麥進(jìn)一步遺傳改良提供豐富的基因資源。