小麦是世界上种植面积最大和最重要的粮食作物。利用生物技术向栽培作物转移向外源优异基因来拓宽小麦育种的遗传基础,是现代作物遗传育种学科中的一个非常重要的研究领域。
栽培小麦(TriticumaestivumL.,2n=4x-42,AABBDD)与冰草属(AgropyronGaertn.,Pgenome)(这儿所说的冰草属是现代小麦族植物分类学上的概念,而非传统的广义冰草属概念,即与一些小麦遗传育种学家将长穗偃麦草(Elytrigiaelongata)和中间偃麦草(Elytrigiaintermedia)等偃麦草属种也称为冰草的传统概念截然不同)植物间的杂交,可追溯到本世纪30年代(White,1940;Smith,1942;Dewey,1984),但直到90年代一些学者才先后报道了小麦与冰草属植物间的成功杂交(李立会等,1990,1995;Li&Dong,1991;Chenetal.,1990;Limin&Fowler,1990;Ahmad&Comeau,1992;Jauhar,1992)。尽管这儿所列出的国外一些科学家也曾获得了小麦与冰草属植物间的杂种,但由于外源种选择的盲然性,即对要从冰草属植物向小麦转移哪些基因不明确(Chenetal.,1990;Jauhar,1992),或杂种F1的高度不育性(Ahmad&Comear,1992),或要转移的目标基因难以在小麦背景下表达(Limin&Fowler,1990)等原因,未见进一步的报道,而是基本上放弃了该领域的研究工作(私人通信,1997)。
在本项研究工作中,我们以普通小麦品种Fukuho(春性,具3对可杂交性基因,农艺性状良好,原产于日本)为母本,以分别采自新疆和内蒙古的3份冰草(AgropyroncristatumGaertn.,2n=4x=28,PPPP)为父本进行杂交,并对杂种后代进行了研究。主要结果包括:
1、科学选择远缘杂交亲本,为杂交和外源优异基因转移的成功奠定了坚实的基础。在选择外源供体种的过程中,本项研究首先由中国农业科学院作物品种资源研究所和植物保护研究所、澳大利亚DivisionofPlantIndustry,CSIRO,加拿大CytogeneticsSection,OttawaResearchStation,AgricultureCanada等单位对上千份小麦野生近缘植物的农艺性状、抗逆性和抗病性进行了联合鉴定,然后根据综合鉴定结果才精选出本项研究所利用的3份冰草-最佳外源供体种。因为这3份冰草不仅具有其它外源种难以比拟的众多优异基因(性状),包括小麦超高产育种所需的合理株型结构(株高小于60cm且穗下茎长度约占株高的2/3、有效分蘖>50、叶片窄短上挺)、大穗多粒(每穗结实在150粒以上)、黑粒且蛋白质含量极高、极强的抗旱和抗寒性、适度的耐盐性、对三种锈病、白粉病和黄矮病免疫、高抗赤霉病等,而且更为重要的是上述优异基因都是当前小麦育种迫切需要的。
2、利用现代远缘杂交方法和幼胚拯救技术,在国际上首次获得了具部分自交可育性的普通小麦与冰草间的杂种,并发现以不同来源的冰草为父本,不仅杂交结实率不同,而且杂种F1的表现型亦不同。这一结果,一方面突破了前人(Dewey,1984)所认为的“冰草属P染色体组在小麦族中具有独立的遗传地位,与小麦之间不可能杂交”的论断;另一方面杂种F1具部分自交可育性,为实现外源基因的成功转移奠定了坚实的物质基础。