偃麦草属植物对小麦的遗传改良研究进展

罗小军 ，李 欣，乔麟轶，郭慧娟，贾举庆，张树伟，梅 超，畅志坚，张晓军

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院作物科学研究所，作物遗传与分子改良山西省重点实验室，山西省主要农作物种质创新与分子育种重点科技创新平台，山西太原030031；3.山西农业大学农学院，山西太谷030801）

偃麦草属（Elytrigia）作为普通小麦（Triticum aestivum L.）的三级基因源，具有许多能够改良小麦的优异基因，如抗病、抗旱、耐盐、耐寒、耐高温及优质、高产等。通过远缘杂交将其优良基因导入小麦基因组中，选育和创造出人类需要的种质资源和新品种，对小麦优质、高产、抗病、抗逆等遗传改良将起到积极的促进作用[1]。笔者围绕偃麦草生物学分类、农艺特性、染色体组成及其在小麦遗传改良中的应用研究进展进行了阐述与展望，以期对小麦遗传育种实践中高效利用偃麦草种质资源有所启发。

1 偃麦草属的生物学分类

偃麦草属植物种类多样，类型丰富，属内各种间植物形态和生活习性存在许多差异，该属的生物学分类也较为复杂多变。1753年，林奈最早把偃麦草划分在小麦属（Triticum）的多年生组里，1770年盖特纳将其从小麦属中分出，划入冰草属（Agropyron），1810年DESVAUX首次提出了偃麦草属（E-lytrigia Desv）的概念，1933年苏联学者NEVSKI和列夫斯基从形态学、植物地理学、解剖学以及细胞核型分析方面提出偃麦草属的进化地位，并从冰草属中分离出若干种，划分到了偃麦草属中[2-3]。从此，偃麦草属作为独立的属受到各国学者的广泛认可。1984年DEWEY[4]又把偃麦草属归入类麦属（Thinopyrum），DEWEY通过30多年大量的种间和属间杂种染色体配对分析，确定了冰草属的分类范围以及偃麦草属与披碱草属的细胞学界限，结束了三属长期分类混乱的局面。颜济等[5]研究认为，偃麦草属的模式种偃麦草（Elytrigia repens（L.）Nevski）的染色体组成为StStStStHH，按染色体组成分应将其归类到披碱草属（Elymus L.）中，这样偃麦草属将失去理论支撑，偃麦草属也不再作为单独的一个属存在。但由于长期的习惯，很多学者仍使用偃麦草属这个名称。

2 偃麦草生物特性以及染色体组成

偃麦草属是禾本科小麦族小麦亚族的多年生草本植物，是许多牧区的优质牧草。全世界约有50多个种，主要分布在温带和寒带，起源于欧洲、中亚和中东，以俄罗斯种类居多[6]。我国有6种，包括偃麦草、中间偃麦草、毛偃麦草、脆轴偃麦草、长穗偃麦草和硬叶偃麦草。在小麦遗传改良中，应用较为成功的主要是中间偃麦草和长穗偃麦草[7]。

2.1 中间偃麦草的生物特性及染色体组成

中间偃麦草（Thinopyrum intermedium，2n＝6x＝42）又称为天蓝偃麦草、天蓝冰草或中间薄冰草，是一种长日照、强冬性、多年生野生草本植物，原产于东欧，天然分布于高加索、中亚等地带，在我国主要分布于青海、新疆、内蒙古、东北等地区[6]。在其原产区，株高一般为100～140 cm，穗长为20～30 cm，每穗大约有20～30个小穗。在山西晋中，株高80～140 cm，一般5月下旬抽穗，6月中旬开花，花药淡黄色，花粉量大。它根系发达，耐寒性极强，免疫白粉、条锈、叶锈、秆锈等多种病害，同时高抗根腐病、叶枯病、纹枯病、赤霉病、黄矮病、条纹花叶病等，是小麦遗传改良中重要的三级基因源[8]。

中间偃麦草是一个异源六倍体，国内外学者对其染色体组成作了大量研究。杨世湖等[9]根据小麦与中间偃麦草F1～F6减数分裂结果，认为中间偃麦草有2个染色体组，分别与普通小麦A组和D组同源，且与A组同源性更高，并把中间偃麦草的染色体组构成表示为AaDaX1。松村清二[10]研究认为，中间偃麦草与小麦共有染色体是B组，并以BEF表示其染色体组构成。STEBBINS等[11]通过（黑麦×中间偃麦草）F1减数分裂，认为中间偃麦草没有与小麦同源的染色体组，表明了中间偃麦草的部分同源多倍性。直到1982年，朴真三[12]利用C带技术研究中间偃麦草染色体后，发现有一组染色体与小麦B组染色体带型有某些相似之处，另两组则彼此相似。随着细胞学与分子遗传学技术的发展，尤其是植物分带与原位杂交技术的普遍应用，中间偃麦草的染色体组成最终得到了较为统一的观点：中间偃麦草含有2个亲缘关系相近且与小麦具有一定同源性的染色体组。在这2个亲缘关系相近的染色体组中，一组染色体可能是另一组染色体经过修饰与变化而来，二倍体长穗偃麦草和百萨偃麦草可能是它们最原始的供体，其染色体组分别表示为EeEe和EbEb或JJ和JsJs。第3组染色体与其他2个亲缘关系较远，其最原始亲本供体可能是拟鹅观草，染色体组表示为StSt或SS。中间偃麦草的染色体组构成可以表示为EeEeEbEbStSt或者JJJsJsSS[13-16]。中间偃麦草是小麦遗传改良中应用较多，也较为成功的野生亲本之一，逐渐成为小麦遗传改良中具有重要利用价值的遗传资源。

2.2 长穗偃麦草的生物特性及染色体组成

长穗偃麦主要包括二倍体长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum，2n＝14）、四倍体长穗偃麦草（Agropyron elongatum，2n＝28）和十倍体长穗偃麦草（Thinopyrum ponticum，2n＝70）3 种类型[17]。其中，十倍体长穗偃麦草又称为彭梯卡偃麦草、长穗薄冰草或高冰草，为多年生草本植物，再生能力极强，株高70～120 cm。在山西晋中，一般5月中旬抽穗，6月上旬到中旬开花，小花多，花粉量大，容易与小麦杂交。它根系发达、植株茂盛、抗寒抗旱、耐盐能力强，同时对小麦叶锈病、秆锈病、条锈病、白粉病、大麦枯黄萎病、条纹花叶病和赤霉病等具有高度的抗性[18]。

一般认为，二倍体长穗偃麦草（2n＝14，EE或EeEe或E1E1）是十倍体长穗偃麦草的供体祖先种之一，其E染色体组是长穗偃麦草所有多倍体种所共有的，但四倍体长穗偃麦草（2n＝48，E1E1E2E2）是否由二倍体自然加倍而来尚无定论[19]。HENEEN等[20]通过四倍体长穗偃麦草与二倍体长穗偃麦草杂种F1减数分裂染色体行为分析认为，四倍体与二倍体为同源染色体组，但佟明友等[21]通过减数分裂染色体的构型和体细胞染色体分带分析，认为四倍体长穗偃麦草只有一个染色体组来自二倍体长穗偃麦草，支持异源四倍体的观点。李娜等[22]通过生化和SSR标记也认为，四倍体长穗偃麦草为异源四倍体。钟冠昌等[8]通过对长穗偃麦草和中间偃麦草杂种后代减数分裂研究证明，十倍体长穗偃麦草和中间偃麦草中都存在一个E染色体组。随后ZHANG等[23]又通过以拟鹅观草DNA为探针的GISH和Southern杂交证明，十倍体长穗偃麦草中存在2个St染色体组，来源于拟鹅观草（Pseudoroegneria spicata），Eb来源于百萨偃麦草（Thinopyrum bessarabicum），Ee来源于二倍体长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum），还有一个染色体组未明确其来源，用Ex表示，并将十倍体长穗偃麦草染色体组成表示为：StStStStEbEbEeEeExEx。陆坤等[24]利用St基因组着丝粒附近高特异性反转录序列pStC1为探针，对十倍体长穗偃麦草进行了FISH分析，发现其染色体组成为28条St组染色体和42条E组染色体，进一步验证了ZHANG等[23]的结论。

3 偃麦草在小麦遗传改良中的应用

3.1 小麦与偃麦草属中间材料的创制

将偃麦草的有用基因，通过远缘杂交导入栽培小麦中，是现代小麦遗传改良的重要研究内容。早在1930年，前苏联的H.B.齐津就开始了小麦与偃麦草、中间偃麦草、长穗偃麦草、毛偃麦草的远缘杂交工作，并于1948年选育出了小冰1号、小冰186和小冰559等小冰麦新品种[25]。孙善澄[26]采用有性杂交、连续回交和后代定向选择的方法，利用小麦和中间偃麦草选育出了中1、中2、中3、中4、中5等农艺性状优良的八倍体小偃麦新物种——小麦—中间偃麦草部分双二倍体，具有高抗条锈、叶锈、秆锈等优良性状，其中，中4、中5高抗小麦黄矮病。张学勇等[27]利用长穗偃麦草与小麦杂交，获得了小偃784、小偃7631以及中间偃麦草与小麦杂交的小偃78829等八倍体小偃麦。GAUDERON[28]利用回交法育成的小麦-中间偃麦草部分双二倍体TAF46，对小麦黄矮病、条纹花叶病具有优良抗性。LIU等[29]在烟农15和中间偃麦草杂交后代中，利用St基因组作探针的GISH方法筛选出了抗白粉病的部分双二倍体E990256。BAO等[30]综合利用形态学、细胞学、基因组原位杂交等技术，从普通小麦与中间偃麦草杂种后代中选育出了TE253和TE257等10个TE系列八倍体小偃麦，且这些八倍体小偃麦的外源染色体中，可能携带有不同的抗条锈病或抗白粉病基因。

培育小麦-偃麦草的双二倍体及部分双二倍体，并以这些双二倍体为桥梁创制与小麦亲缘关系更近的异附加系、异代换系和易位系等，是克服直接远缘杂交困难、杂种不育和杂种后代疯狂分离的有效手段。CHANG等[31]利用普通小麦与中间偃麦草杂交获得了 TAI7044，TAI7045，TAI7047，TAI8335等多个八倍体小偃麦，并用这些八倍体小偃麦作为桥梁亲本，继续与小麦进行杂交、回交，选育出了CHadd7001，CHadd7002[32]，CH13-21 等多抗性附加系和易位系。石丁溧等[33]在普通小麦与中间偃麦草的杂交后代中选育出了对条锈病和白粉病免疫的异附加系AF-2，并通过GISH证明了AF-2中附加了2条来自中间偃麦草的染色体。等[34]利用中国春与二倍体长穗偃麦草创制了中国春小麦-二倍体长穗偃麦草双二倍体，并通过这个双二倍体进一步创制了中国春的整套21个异附加系，为偃麦草染色体功能研究提供了宝贵的工具材料。

3.2 易位系的创制以及新品种的选育

较理想的异源易位系是将仅含目标基因的外源染色体小片段导入到小麦中，不仅不会破坏小麦原有的遗传平衡，还避免了不良基因对小麦农艺性状的影响。这样的易位系能够保证细胞学和遗传学稳定性，可作为品种直接用于生产。辛志勇等[35]利用中国春ph1突变体诱导和组织培养技术，在世界上首次将中间偃麦草的黄矮病抗性导入小麦，育成了抗黄矮病易位系119880和119899。张增艳等[36]利用基因组原位杂交、RFLP标记等对抗黄矮病小麦新品系H960642进行了分析鉴定，确认已将携带抗黄矮病基因的中间偃麦草染色体片段易位到小麦7D染色体端部。董玉琛[37]用十倍体长穗偃麦草与小麦杂交，并通过回交、辐射等手段，成功培育出小偃4号、小偃5号、小偃6号等系列新品种，其中，1978年选育的小偃6号抗病、优质、高产，能够适应不同的栽培环境，曾一度成为黄淮麦区的主栽品种。在此之后，国内外又有多名育种家通过各种手段，利用八倍体或六倍体小偃麦选育出了大量偃麦草与普通小麦的附加系、代换系、易位系以及渐渗系，例如，小偃503、小偃22、西农509、西农511、西农529等[38]，在小麦生产及抗病、抗逆研究中被广泛应用。

3.3 偃麦草新基因向小麦的转移及利用

截至目前，已在偃麦草中发现了多个抗病基因，其中，抗白粉病基因Pm40，Pm43来源于中间偃麦草，Pm51来源于十倍体长穗偃麦草；抗条锈病基因Yr50来源于中间偃麦草，Yr69来源于十倍体长穗偃麦草；抗叶锈基因 Lr19，Lr24，Lr29，抗秆锈基因 Sr24，Sr25，Sr26，抗赤霉病基因 Fhb7，都来源于长穗偃麦草，其中，抗赤霉病基因Fhb7已被定位于7E染色体的长臂上[39]；抗黄矮病基因Bdv2来源于中间偃麦草7Ai-1染色体长臂。这些抗病基因已被转移到普通小麦中，在小麦抗病育种及粮食生产中已发挥或即将发挥重要作用。此外，也有一些偃麦草耐寒、耐旱、耐高温、耐盐碱及低磷耐受基因向小麦中转移的报道。

4 展望

偃麦草属植物中含有大量能够改良小麦的有用基因，国内外虽对其进行了一定程度的研究和应用，但由于技术的局限性和偃麦草基因组的复杂性，偃麦草所含有的大量有用基因资源并没有得到充分利用。目前应用较多的是偃麦草属的抗病、抗逆基因，其他农艺性状如优质、高产等方面的报道较少。因此，继续加强对偃麦草属植物的研究，创造偃麦草优良基因或染色体小片段快速导入小麦的程序和方法，为小麦进一步遗传改良提供丰富的基因资源。