远缘杂交及多倍化是物种形成和种质创新的基础,将陆地棉与野生瑟伯氏棉进行远缘杂交及染色体加倍获得可育杂种.旨在将瑟伯氏棉的有益农艺性状转移到陆地棉中,拓宽陆地棉的遗传基础.以陆地棉为母本,瑟伯氏作父本进行远缘杂交合成杂种F1,并进行染色体加倍,获得异源六倍体,对F1 及异源六倍体进行形态学、细胞学、生理生化及SSR分子标记鉴定.形态学鉴定结果表明,异源六倍体植株整体与杂种三倍体相似,介于双亲之间,异源六倍体的雄蕊多于亲本及F1,有淡红色的花斑,与亲本及F1 都不同.细胞学鉴定表明,随着倍性的增加,气孔密度呈下降趋势,而气孔长度、叶绿体数和花粉粒直径均呈上升趋势;杂种三倍体(F1)和异源六倍体的减数分裂行为表明,二者的减数分裂均有正常和异常行为,三倍体中的多分体较多,而六倍体正常四分体明显增多.三倍体的多分体中,正常四分体占比为 24.33%;六倍体的多分体中,正常四分体占比为 82.17%,表明六倍体的育性在恢复.生理生化结果表明,酶的活性随不同世代倍性的增长而升高.SSR鉴定结果表明,三倍体杂种和异源六倍体既扩增出了父母本的条带,同时也扩增出了新的特异性条带,表明远缘杂交过程中产生了染色体重组现象.通过远缘杂交成功合成陆瑟杂种,通过染色体加倍成功获得了可育的异源六倍体.

为了揭示不同倍性小麦适应盐胁迫的差异,该研究以人工合成六倍体(AABBDD)小麦及其四倍体(AABB)小麦(Triticum turgidum)和二倍体(DD)节节麦(Aegilops tauschii)亲本为材料,研究了不同浓度NaCl(0、200 mmol·L-1)胁迫处理下小麦幼苗K+、Na+含量以及K+/Na+的变化规律,以及不同浓度(0、50、100、200 mmol· L-1)盐胁迫对超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响规律.结果表明:四倍体表现出显著的高Na+低K+以及较低的K+/Na+,二倍体表现出显著的低Na+高K+和较高的K+/Na+,NaCl胁迫时离子含量变化大,对盐胁迫的适应性更强,六倍体在积累K+的能力上也有一定的优势.低浓度(50~100 mmol·L-1)盐胁迫使3种倍性材料的丙二醛含量和抗氧化酶活性升高.四倍体在累积渗透调节物质和调节抗氧化酶活性的能力上显著强于二倍体和六倍体,六倍体在POD活性以及积累脯氨酸和可溶性蛋白的能力上也具有一定的优势.根据研究结果推测,含有DD染色体组的二倍体节节麦主要通过调节K+/Na+来适应盐胁迫,而含有AABB染色体组的四倍体小麦主要通过调节抗氧化酶的活性累积渗透调节物质来适应盐胁迫,作为二倍体和四倍体远缘杂种的人工合成六倍体小麦则表现出了综合的耐盐适应性机制,相较于两亲本具有更加广泛耐盐适应性.

为探究骨形态发生蛋白15(Bone morphogenetic protein 15,bmp15)在银鲫(Carassius gibelio Bloch)F系卵巢发育过程中的表达特征,研究采用cDNA末端快速扩增(RACE)方法首先从银鲫F系卵巢cDNA中克隆了2个bmp15部分同源基因(Homeologs),将其命名为Cgbmp15a和Cgbmp15b,它们各自具有3个不同等位基因.不同脊椎动物Bmp15蛋白序列多重比对和系统进化树均表明,银鲫为异源六倍体,在其进化历程中发生了两轮多倍化,其中早期的异源多倍化整合了来自2个原始祖先的染色体组,导致银鲫和鲫的四倍体共同原始祖先基因组中包含bmp15a和bmp15b;随后第二轮同源多倍化最终导致银鲫存在6个bmp15等位基因.bmp15基因及其邻近基因同线性分析表明,银鲫在形成异源多倍体后,其基因组发生了复杂的变化,包括bmp15邻近基因的丢失.Cgbmp15a和Cgbmp15b均主要在卵巢中表达,在皮质泡期卵母细胞中表达量最高;无论是在银鲫成体组织还是不同发育阶段的卵子中,Cgbmp15a的表达水平显著高于Cgbmp15b的表达水平.在孕酮激素DHP体外诱导银鲫F系GV1期卵母细胞6h后,Cgbmp15a开始上调表达,诱导8h后达到最高表达水平,随后下降;而Cgbmp15b在诱导8h后表达水平有微弱上调,随后下降.上述的结果表明,Cgbmp15a和Cgbmp15b在银鲫F系成体组织和不同发育和成熟阶段的卵子中,均表现出偏性表达的特征,暗示Cgbmp15a在银鲫的卵母细胞发育和成熟中起着主要作用.

普通小麦(T.aestivum L.)又称异源六倍体小麦,其基因组是由来自3个不同二倍体祖先且亲缘关系较近的基因组(A、B和D)构成.普通小麦的进化历程一直是遗传学教学中阐述物种形成和染色体数目变异机制的经典案例.近年来,伴随着科学技术的快速发展和应用,普通小麦的相关研究在细胞学水平、分子水平、基因组水平均取得了重大突破和进展.本文对普通小麦最新研究成果进行了梳理和总结,将相关前沿科学内容与遗传学各章节的理论教学相结合,并应用于遗传学的理论教学中.这不仅是对经典遗传学教材内容的补充和发展,同时也能够让学生认识到遗传学是一门不断发展的自然科学,在提高学生学习兴趣的同时,实现对遗传学基本内容和前沿科学动态的系统学习.

为研究生殖干细胞(Germline stem cells,GSCs)的标记基因nanos2的功能,在银鲫(Carassius gibelio)中克隆了两个nanos2的同源基因(Homologs),将其命名为Cgnanos2a和Cgnanos2b,等位、系统进化树和共线性分析表明,在银鲫进化历程中发生了额外的两轮多倍化事件,是一个异源六倍体.qPCR分析表明Cgnanos2a和Cgnanos2b在5月龄银鲫精巢中的表达水平最高,其次是卵巢;对在孵化后25-190d的卵巢中的表达动态分析表明,孵化后25d的卵巢中的Cgnanos2a和Cgnanos2b转录水平最高,随后表达水平急剧下降;并且Cgnanos2a和Cgnanos2b呈现出偏向表达的特征.切片RNA原位杂交实验结果表明,Cgnanos2a和Cgnanos2b均特异地在银鲫卵巢邻近生殖上皮的胞囊(Cyst)中一类直径小于20 μm的细胞中表达,Cgnanos2a在精巢精小囊边缘一类单个或两个紧紧相邻的细胞中高表达,推测是银鲫的GSCs.此外,还可在精原细胞和初级精母细胞中检测到Cgnanos2a和Cgnanos2b的转录本.研究通过对nanos2阳性细胞的追踪描绘了银鲫卵巢早期胞囊的发育过程,为后续分离银鲫GSCs奠定了基础;同时对银鲫nanos2两个歧化的部分同源基因的序列特征、进化及表达特征分析,为研究鱼类多次多倍化事件后重复基因的进化提供了一个典型例子.

披碱草属(Elymus L.)是禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae)中的一个多年生属,该属在青藏高原地区有广泛分布,多数物种是草原和草甸的组成成分,许多种类为品质优良的牧草.垂穗披碱草(E.nutans)和达乌力披碱草(E.dahuricus)同为禾本科小麦族披碱草属异源六倍体物种,染色体组组成皆为StYH.为探究垂穗披碱草遗传多样性形成的内在机制,该研究利用微卫星(SSR)分子标记,对采自青藏高原地区同域分布的垂穗披碱草和达乌力披碱草两个居群共58个个体进行遗传多样性和遗传结构分析.结果表明:8对引物在垂穗披碱草和达乌力披碱草扩增条带分别为163条和124条,多态性位点百分率(PPB)分别为89.71％和76.07％,多态性信息含量(PIC)分别介于0.583～0.929和0.524～0.830之间.垂穗披碱草遗传多样性(He=0.69,I=1.34,Pp=100％)高于达乌力披碱草(He=0.53,I=0.80,Pp=93.75％);同域分布的垂穗披碱草和达乌力披碱草居群,垂穗披碱草呈现出更高的遗传多样性.AMOVA分子变异显示,两个物种居群内遗传变异分别80.92％和63.62％,但居群间遗传分化水平较低.遗传结构分析揭示两个物种间有基因流存在.综合分析结果认为,该地区种间杂交基因渗透引起的种内遗传分化,在这两个物种多样性形成中可能起着重要作用.

普通小麦是由四倍体小麦栽培类型与野生二倍体节节麦远缘杂交形成的异源六倍体.普通小麦保持了四倍体小麦的高产潜力,D基因组的加入丰富了食品加工产品类型、增强了环境适应能力.与二倍体作物不同,普通小麦有3个亚基因组,存在大量重复基因,基因组缓冲性、可塑性强,单个基因拷贝可能对育种改良的效果有限.小麦3个亚基因组的遗传多样性是不对称的,其中D基因组遗传多样性最低.通过模拟普通小麦起源过程人工创制的六倍体小麦为桥梁,可以将节节麦和四倍体小麦的遗传变异同时导入普通小麦.与普通小麦相比,人工合成小麦存在大量的优良等位变异、在转录组水平具有新的表达特征,为育种提供了有利遗传基础,在小麦育种中被寄予厚望,但是目前的应用效果还很有限.细胞学不稳定性、综合农艺性状差影响其育种利用效率.优化杂交方法和选择方法将推动人工合成小麦在普通小麦育种中的应用.

偃麦草属是小麦近缘种属中应用较为广泛的野生资源之一,作为小麦遗传改良和种质创新的重要基因源,在创制小麦桥梁材料和遗传育种方面发挥了重要作用.小偃麦创制工作始于20世纪20年代,是通过远缘杂交,将偃麦草属植物的染色体或染色体组遗传成分导入到普通小麦中,培育小偃麦(部分)双二倍体、异附加系、异代换系、易位系和渐渗系.小偃麦(部分)双二倍体主要是八倍体小偃麦(AABBDDXX,2n=8x=56)和六倍体小偃麦(AABBXX,2n=6x=42),来源于偃麦草的染色体组(XX)多为混合染色体组(异源染色体组).我国自20世纪50年代开始小麦与偃麦草远缘杂交工作,创制了类型丰富的小偃麦,在小麦抗病研究和新种质创制方面表现突出,在此基础上培育出一系列高产优质的小麦品种.小偃麦创制过程中,中间偃麦草(Thinopyrum intermedium(Host)Barkworth&D.R.Dewey)和 3 种长穗偃麦草(Thinopyrum elongatum(Host)D.R.Dewey×ponticum(Podp.)Barkworth&D.R.Dewey)因易于同小麦杂交,具有抗寒、抗旱、耐盐碱、抗小麦多种病虫害等特性,成为创制小偃麦的主要亲本来源,应用范围最广.本研究从5部分综述小偃麦的创制与应用研究进展,旨在为小偃麦的研发利用和小麦遗传资源创新提供科学依据.

远缘杂交及多倍化是棉花种质创新的重要途径,通过陆地棉与野生拟似棉远缘杂交并加倍获得可育的杂种后代,为利用拟似棉中的优良基因拓宽陆地棉的遗传多样性提供理论依据和新材料.本研究以陆地棉为母本、拟似棉为父本杂交合成F1并采用秋水仙素进行染色体加倍,获得异源六倍体植株,对其进行形态学(叶片表型)、细胞学(气孔密度、气孔长度、保卫细胞对中叶绿体数、花粉粒直径)、生理生化指标(SOD、POD、CAT、可溶性蛋白及叶绿素荧光参数指标)鉴定.通过流式细胞鉴定筛选出了 3 株六倍体植株.六倍体与三倍体及亲本性状统计结果显示,六倍体叶形指数与陆地棉无显著差异,说明六倍体叶形整体偏向陆地棉,而三倍体远缘杂种更多偏向父本拟似棉,六倍体叶面积及气孔长度增大、保卫细胞中叶绿体数显著增多;六倍体花的表型性状介于双亲之间,花粉粒直径大于三倍体呈极显著差异,六倍体正常花粉粒比为 73.25％,三倍体正常花粉粒比为51.13％,说明六倍体育性在恢复;六倍体叶片中SOD、POD、CAT及可溶性蛋白含量显著大于其他世代;六倍体较其他世代最大荧光产量Fm差异显著,初始荧光Fo、叶片可变荧光Fv、原初光能转化效率(Fv/Fm)、PS Ⅱ潜在光化学效率(Fv/Fo)以及开放的PS II捕获的激发能的效率(Fm/Fo)均表现出极显著差异.综合结果证明通过杂交加倍成功合成了陆地棉与拟似棉异源六倍体新种质,同时发现六倍体在抗逆性及光合作用表现优于三倍体.