玉米与其近缘种属间多倍体杂种的合成和遗传学研究

发布时间：2017-12-18 00:12

本文关键词：玉米与其近缘种属间多倍体杂种的合成和遗传学研究

【摘要】：植物种属间的杂交和多倍化是高等植物形成和进化的重要驱动力。多倍化导致核基因组的聚变,常会带来新的性状变异,使其更适合育种选择和自身发展需要。自然界中多倍体分布广泛,但较长时间的进化历程以及模糊的亲缘关系,限制了对其进一步的研究应用。人工合成的多倍体因亲缘关系明晰和较短的进化历程而备受关注。玉米近缘野生材料大刍草和摩擦禾是自然保留下来的重要遗传材料,通过杂交和多倍化等途径创造新的种质资源,并对合成的多倍体杂种的遗传学规律进行探讨,将对玉米遗传改良和多倍体合成具有重要的理论和实践意义。本研究在远缘杂交和加倍合成系列玉米、大刍草和摩擦禾多倍体杂种的基础上,利用解剖学、细胞遗传学、分子生物学等技术,分析不同亲本基因组组成、不同细胞质组成以及不同倍性对合成的多倍体表型、染色体、基因组、序列以及后代染色体的组成的影响。研究结果如下：1以玉米(MM20(M),2n=20).四倍体多年生大刍草(9475(P),2n=40)和四倍体指状摩擦禾(TZ07(T),2n=72)为亲本合成了系列两物种或三物种间的多倍体材料。即MM20同源加倍产生的同源四倍体(MM40),染色体组成为2n=40M;MM20与MM40杂交产生的同源三倍体(MM30),染色体组成为2n=30M;MM20与9475正反交产生的异源三倍体(MP30和PM30),染色体组成为2n=10M+20P;MM40与9475正反交产生的异源四倍体(MP40和PM40),染色体组成为2n=20M+20P;玉米、9475和摩擦禾杂交产生的异源六倍体MTP74(MMTTPP),染色体组成为2n=20M+20P+34T；MTP74与9475回交产生的异源八倍体MTP94(MMTTPPPP),染色体组成为2n=20M+40P+34T.分析表明,同源三倍体、同源四倍体以及异源四倍体的染色体条数在不同的个体中产生波动；高倍性的MTP74和MTP94是通过远缘杂交结合2n+n有性生殖加倍的方式形成的异源多倍体,两个异源多倍体营养生长旺盛,多年生,可以通过无性繁殖扩繁,二者的染色体条数并未随着扩繁和种植年限增加而改变。2通过形态解剖和显微测量技术,对合成的多倍体的气孔、花粉和细胞核以及DNA含量进行比较分析。结果表明,气孔大小随着倍性的增加而增大,具有“多倍化效应”,并且受远缘杂交和不同细胞质组成的影响。然而,花粉粒和细胞核的大小与远缘杂交、倍性以及不同细胞质组成的相关性较小。DNA含量的增加与倍性有关,但是DNA含量的丢失主要受远缘杂交、倍性和不同细胞质的综合影响。气孔、花粉、细胞核、DNA含量以及多倍体亲本染色体数的相关性分析表明,气孔的大小与三亲本染色体的多少呈显著正相关,细胞核的大小与摩擦禾染色体的多少呈显著正相关。花粉性状与DNA含量无关,但花粉面积和花粉体积与玉米染色体数呈显著正相关,花粉长,花粉宽和花粉面积与摩擦禾染色体数呈显著负相关。3为了更好的对多倍体三亲本染色体组成结构以及后续的多倍体有丝分裂和减数分裂染色体行为进行研究,采用基因组原位杂交(GISH)和荧光原位杂交(FISH)相结合对三亲本染色体同源性进行了比较分析。结果表明,玉米与9475染色体基因组相互杂交能够产生较强信号,二者的同源性较高;玉米与摩擦禾基因组相互杂交仅在异染色质纽(Knob)区域产生信号,具有同源性,二者的能够在该区域相互杂交：9475与摩擦禾同样在Knob区域具有同源性,但二者基因组的相互杂交中,仅在摩擦禾DNA杂交9475的染色体上产生Knob信号,9475DNA杂交摩擦禾染色体上并没有检测出Knob言号。综合表明,三亲本中摩擦禾是较原始的种,与玉米和9475染色体仅在染色体末端Knob区域具有同源性,亲缘关系较远；玉米和9475同属,亲缘关系较近。4采用双色GISH对异源四倍体MP40和异源多倍体MTP74有丝分裂各时期的染色体行为和分布进行研究。结果表明,二者有丝分裂过程稳定,在各时期并无染色体滞后,染色体桥或染色体不均衡分离等异常染色体的情况出现,三亲本染色体也没有在有丝分裂过程中产生独立区域,而是彼此交融在一起。5采用品红染色法和双色GISH对亲本及其合成的系列多倍体减数分裂行为和稳定性进行分析。研究表明,玉米和9475基因组内的A和B亚基因组部分染色体存在同源性,并且在9475细胞中B1和B2亚基因组同样存在一定的同源性,其染色体的基数为5。摩擦禾的染色体组成可能与9475类似,为XXX'X'Y1Y1Y2Y2,并且染色体基数可能为9。对多倍体的价体分析表明,玉米与9475组成的杂合价体数量最高,并且玉米A亚基因组中有10条染色体可能与9475A亚基因组中的20条染色体具有同源性；在MTP74和MTP94中存在少量摩擦禾与玉米和9475的杂合价体,表明它们之间存在部分的同源性。对多倍体减数分裂染色体紊乱与育性相关分析表明,多倍体的减数分裂紊乱程度与育性并无相关性；对多倍体减数分裂受到的影响因素分析表明,多倍体减数分裂的稳定性受倍性、外缘亲本加入和不同细胞质组成的影响。对同源多倍体和异源多倍体减数分裂的稳定性比较表明,同源多倍体减数分裂的稳定性低于异源多倍体,缘于玉米异源多倍体中亲本部分染色体有限的同源性。对异源多倍体中不同亲本的减数分裂稳定性分析表明,玉米的减数分裂稳定性在所有的多倍体中均低于9475；在三物种多倍体MTP74和MTP94中,摩擦禾染色体稳定性最高；说明摩擦禾染色体与其他两个亲本的亲缘关系较远,而保持自身染色体的稳定性。6利用扩增片段长度多态性AFLP技术对合成的多倍体以及它们的亲本共计9份材料进行多倍体合成早期基因组变化的分析。筛选的16对AFLP引物中共扩增出635条清晰条带。三亲本条带分析表明,三亲本既有特异的条带,同时具有共同条带,其中摩擦禾的特异条带最多,为102个,9475最少,为32个。玉米与9475共有条带为164个,玉米与摩擦禾共有条带为64个,9475与摩擦禾共有条带为32个。三亲本共有条带为154个。对三亲本进行聚类分析表明,玉米在基因组一级结构上与9475同源性最高,而摩擦禾在基因组一级结构上与9475的同源性最高,结果与系统分类相符。对多倍体的AFLP条带分析表明,多倍体对亲本条带以继承为主,但是所有的多倍体中均产生丢失条带,条带的丢失与倍性的增加关系较少,而与基因组内亲本的同源性高低有关。对多倍体丢失的条带分为特异条带和共有条带分析表明,多倍体基因组中倾向丢失特异条带；将丢失的条带分为不同亲本类型分析表明,多倍体基因组中倾向丢失玉米类型的条带。7利用特定序列单克隆测序技术和荧光原位杂交(FISH)定位分析技术对多倍体序列的演化进行研究。利用FISH技术,以标记的centc序列、45SrDNA序列和5SrDNA序列作探针,研究了多倍体和亲本的根尖体细胞中期染色体杂交信号的分布特点。研究结果表明,多倍体着丝粒上的centc序列随着倍性的增加和外缘亲本的加入而改变,主要体现在部分染色体centc信号的降低；而45S和5S序列在染色体上的位置和个数并没有发生明显的改变。选取存在于45S中的ITS序列对多倍体ITS序列变异分析表明,多倍体中隶属于不同亲本的ITS序列长度和GC含量的改变较小,ITS序列的变异主要体现为位点的变异,位点变异在三亲本中均发生,并受到远缘杂交、倍性以及细胞质的多重影响。多倍体中ITS序列的变异具有亲本的倾向性,其中9475亲本类型的ITS序列产生的变异位点最多。多倍体ITS序列的信息位点分析表明,ITS信息位点在多倍体中发生协同进化,协同进化主要发生在玉米和9475ITS信息位点中,进化程度受多倍体细胞核中亲本基因组组成、细胞质、倍性和远缘杂交的影响；摩擦禾ITS序列在MTP74和MTP94中所占比例较小,其本身ITS序列信息位点并没有受到其他两个亲本的影响,但摩擦禾ITS序列能够对其他两个亲本的ITS序列产生影响。8以MTP74和MTP94为母本、9475为父本进行回交,获得了两个回交群体,采用双色GISH的方法,对两个回交群体植株的染色体数目、组成等进行比较分析。结果表明,MTP74与9475回交获得21个回交后代植株,后代群体的染色体数目在37-82之间,呈现三种不同的生殖方式,分别为单倍体生殖n,正常生殖n+n和无融合生殖2n+n；其中,单倍体生殖n和无融合生殖2n+n各一例,其余19个为n+n方式；n+n方式产生的回交后代中含玉米、9475和摩擦禾的染色体数目范围分别为7-13条,26-33条和4-20条,平均数分别为10.32条、29.42条和16.32条。MTP94与9475回交获得19个回交后代,后代群体的染色体范围在47-87之间,呈现三种不同的生殖方式,分别为单倍体生殖n,正常生殖n+n和双受精n+n+n；其中,单倍体生殖n和双受精n+n+n各一例,其余17个为n+n方式;n+n方式产生的回交后代中含玉米、9475和摩擦禾的染色体数目范围分别为8-16条,30-41条和14-18条,平均数分别为11.11条、37.94条和16.24条。对两个群体中不同个体亲本染色体数的变异程度分析表明,两个群体种玉米染色体数的变异程度最大。二者间比较表明,MTP94群体仅有摩擦禾染色体数的变异程度小于MTP74群体,其它他均大于MTP74群体。对两个群体的染色体结构变异分析表明,两个回交群体中均出现染色体易位现象,其中MTP74群体和MTP94的易位频率分别为2.63%和1.720%,易位主要发生在玉米和9475染色体之间,摩擦禾与两个亲本染色体之间的易位较少。对多倍体减数分裂和后代染色体组成相关性分析表明,多倍体减数分裂中亲本染色体紊乱系数与回交后代亲本染色体组成的变异程度呈极显著正相关,多倍体减数分裂中玉米和9475染色体的异源联合与后代玉米和9475染色体的易位呈极显著正相关。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S513

【参考文献】

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