小麥轉(zhuǎn)基因飄流研究進(jìn)展

小麥轉(zhuǎn)基因飄流研究進(jìn)展

小麥?zhǔn)侵袊牡谌齻€(gè)谷物，僅次于玉米和水稻。自動(dòng)播種和風(fēng)媒栽培。種內(nèi)異交率一般在1%以下,個(gè)別異交率高的品種可達(dá)10%;種間雜交成功率低,F1雜種常高度不育。小麥?zhǔn)且环N高度馴化的作物,在自然環(huán)境中沒有長期生存繁殖和建立居群的能力。1有關(guān)小麥生物學(xué)特性的信息1.1小麥tritchum普通小麥(Triticumaestivum)是異源六倍體,具AABBDD基因組,分布在溫帶。分類上屬于禾本科(Gramineae)、小麥族(tribeTriticeae)、小麥屬(genusTriticum)。小麥族內(nèi)包括18個(gè)屬,分為兩個(gè)亞族,即:小麥亞族(Triticinae)和大麥亞族(Hordeinae)。小麥亞族內(nèi)重要的屬有:小麥屬(Triticum)、山羊草屬(Aegilops)、黑麥屬(Secale)、冰草屬(Agropyron)和簇毛麥族(Haynaldia)。最古老的裸小麥(6800～5200B.C.)發(fā)現(xiàn)在土耳其南部、以色列、敘利亞、伊拉克、伊朗和美國喬治亞州的高加索山南部。小麥的起源已較清楚,普通小麥的A基因組起源于一粒小麥(einkorn,T.monococcum),D基因組起源于山羊草(T.tauschii=Ae.squarrosa=Ae.tauschii),B基因組的起源仍不清楚。普通小麥種子發(fā)芽的最低溫度為3～4℃,開花溫度要求在14℃以上。冬小麥種子需要在-1～8℃之間春化40～70d,能耐受的最低溫度約為-25℃。春小麥種子僅需春化3～5d,幼苗能耐受的低溫約為-5℃。小麥僅在栽培條件下繁殖,其種子的收獲和繁殖完全依賴于人。小麥主要為自花授粉,異交率1%～2%,也可能<1%。風(fēng)媒傳粉的異交率決定于各種物理因素,濕度高時(shí)異交率低(1%),但在溫暖干燥的氣候條件下異交率較高,可達(dá)3.7%～9.7%,分蘗穗更易異交。異交率的高低還決定于品種,春小麥品種的異交率依基因型而異,常低于9%。孤雌生殖(apomixis)很少見。1.2小麥花粉的吸收特性小麥在晴天、溫度至少為11～13℃才開花。主莖穗先開,其過程是穗中部1/3先開,然后向上和向下逐漸開花,頂端和基部的小穗開花最晚。每穗平均有小花80朵,平均每穗結(jié)實(shí)30～35粒。開花時(shí)外稃和內(nèi)稃的張開角度為20°～35°,花粉囊提前1～3d成熟。在有利的天氣條件下一朵小花可在13～18min內(nèi)完成開花周期,未受精的小穗可保持開放狀態(tài)數(shù)小時(shí)甚至幾天。雄性不育植株的柱頭可保持活力4～13d。整穗開完花需101～120h,平均每天開23朵小花。開花始于早晨4:00～5:00之間,9:00～10:00達(dá)到高峰,第二個(gè)高峰期在下午2:30～3:30之間,通常在下午7:00前結(jié)束。一株小麥開花的時(shí)間為4～15d(平均數(shù)據(jù)在德國獲得)。每個(gè)花藥生產(chǎn)的花粉量較少,每個(gè)花粉囊約含2700?；ǚ邸Ｆ骄恳煌怀鲂∷氲幕ㄋ幤?0%的花粉粒都散放到空氣中,由此推測(cè),具有大量突出花藥的小麥品種可釋放足夠的花粉實(shí)現(xiàn)異交。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件下[中等彌散交換量(moderatemassexchange)10g/cm·s和中等風(fēng)速3m/sec],花粉在1m高度可遷移約60m;在田間試驗(yàn)中,Wilson發(fā)現(xiàn)離花粉供體30m的雄性不育小麥植株上的結(jié)實(shí)率為10%。在溫度16～20℃、相對(duì)濕度70%～75%的條件下小麥的散粉率最高?；ǚ勐涞街^上15min后開始萌發(fā),只有很短時(shí)間保持受精能力,即便在適宜的條件下(5℃、60%相對(duì)濕度)也不會(huì)超過3h,在通常的田間條件下(20℃、60%相對(duì)濕度)花粉成活時(shí)間小于30min,當(dāng)溫度約30℃、相對(duì)空氣濕度低時(shí),花粉只能維持其功能15min,因此在熱天,這種短時(shí)間的受精能力可大大降低花粉的萌發(fā)和異交。小麥花粉擴(kuò)散的距離相對(duì)較短,Jensen研究表明90%的花粉落在距花粉源6m以內(nèi),小量花粉可擴(kuò)散至60m,還有研究表明少量有活力的小麥花粉可擴(kuò)散至24m、48m、60m、甚至1000m,但在一定距離上存在有活力的花粉并不一定會(huì)發(fā)生授粉和基因飄流。2小麥異交率與遺傳因素的研究本次調(diào)研共收集了小麥開花生物學(xué)特性、屬間種間種內(nèi)雜交、和基因飄流的相關(guān)文獻(xiàn)29篇。小麥體為自花授粉作物,天然異交率低。2.1小麥距離異交種的距離分析不同小麥品種的異交率差別較大,如Griffen報(bào)告新西蘭10個(gè)冬小麥品種在15cm處的異交率為0.14%～3.95%,Martin報(bào)告在美國堪薩斯州12個(gè)冬小麥品種在30cm處的異交率為0.1%～5.6%。春小麥品種的異交率與冬小麥類似,20cm處為0.2%～6.4%、30cm為0～2.16%。小麥遠(yuǎn)距離異交的研究較少,Hucl和Matus-Cadiz以藍(lán)糊粉層小麥作標(biāo)記,研究其與硬紅粒春小麥的異交,發(fā)現(xiàn)在花粉源附近有0～3%的雜種,距花粉源27m處異交率為0～0.09%。小麥品種異交率的高低與許多因素有關(guān),包括開花生物學(xué)特性(如芒的有無、穗型、小花張開角度等,有芒品種的異交率相對(duì)較低)及環(huán)境因素(如風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度和日照)等。Lawrie等用溫室套袋法(每袋套一穗供體、3穗不去雄的受體)對(duì)35個(gè)加拿大春小麥品種進(jìn)行異交率研究,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)品種的異交率在0～3.5%之間,但個(gè)別品種如Glenlea(8.6%～10.6%)和Wildcat(4.2%～6.3%)的異交率高,可能與它們的穗型較疏松、小花張開角度較大有關(guān)。雄性不育系由于不產(chǎn)生有活力的花粉,異交率高,DeVries在綜述小麥雄性不育系的異交結(jié)實(shí)率時(shí),報(bào)道在不同試驗(yàn)中,離花粉源29m處的結(jié)實(shí)率為15.3%,40m處為4.8%～5.4%,48m處為3%～10%。2.2小麥屬的人工雜交小麥種內(nèi)及與其他近緣種成功進(jìn)行雜交育種已有許多例子,六倍體小麥種內(nèi)任何組合都可雜交,因?yàn)榛蚪M同源,后代是可育的,可出現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)。在屬間和種間雜交中,普通小麥常用作母本,且需采用一些特殊的技術(shù)如胚搶救。在與其他種如黑麥的雜交中,已發(fā)現(xiàn)不同的普通小麥品種異交能力不同,原因之一是有Kr1和Kr2基因潛在控制。迄今在小麥上已進(jìn)行了大量遠(yuǎn)緣雜交,但這與在環(huán)境中發(fā)生天然異交的情形不同。二倍體與六倍體、四倍體與六倍體雜交會(huì)極大降低F1代的育性。染色體倍性高的親本用作母本,雜交較易成功。但小麥與大麥(14個(gè)染色體)雜交,當(dāng)大麥用作母本時(shí)也可成功。絕大部分六倍體×二倍體的F1雜種是不育的,僅T.aestivum×T.monococcum(一粒小麥)人工雜交的F1雜種的籽粒可以萌發(fā),反交雜種的籽粒不能萌發(fā)。四倍體與六倍體人工雜交,僅在T.aestivum與T.turgidum(圓錐小麥)、T.durum(硬粒小麥)、T.timopheevi(提莫菲維小麥)或T.carthlicum(波斯小麥)上成功,T.aestivum與T.turgidum的雜種可育。故小麥與相關(guān)種或?qū)匐s交,其F1雜種植株常高度不育或胚胎敗育,基因轉(zhuǎn)移只有依賴人為干預(yù),如人工授粉、F1胚搶救,或者用不育系作母本。通過雜交發(fā)生天然基因轉(zhuǎn)移的幾率很小。小麥屬可與山羊草屬、黑麥屬、冰草屬、簇毛麥族、大麥屬(Hordeum)及披肩草屬(Elymus)的物種人工雜交,有時(shí)還可獲得三屬雜種。與披肩草屬內(nèi)的種雜交最不容易成功。普通小麥與山羊草屬內(nèi)成員(Ae.cylindrica,Ae.triticoides,Ae.neglecta,Ae.triuncalis,Ae.ventricosa,Ae.genicularia,Ae.bluncalis,Ae.crassa,Ae.juvenalis,Ae.speltoides,Ae.tauschiiandAe.umbellata)的天然雜交已有報(bào)道,這是因?yàn)樯窖虿輰倥c小麥屬的親緣關(guān)系最近,且與小麥有相近的花期。通過人工雜交,山羊草屬內(nèi)的各個(gè)種都可與小麥雜交成功,一般情況下,以普通小麥作母本、山羊草作父本較易獲得雜種種子,若以山羊草作母本、普通小麥作父本則較難成功,暗示轉(zhuǎn)基因小麥向山羊草的基因飄流可能性極低。普通小麥與山羊草雜種的可育性很低,F1代的結(jié)實(shí)率遠(yuǎn)低于F0,即使回交結(jié)實(shí)率也非常低。自然條件下小麥屬間或種間雜交產(chǎn)生可育雜種迄今尚無報(bào)道。上世紀(jì)初,Rimpau在小麥圃里觀察到普通小麥×黑麥雜種的自生苗,但全部不育,沒收集到種子。趙和等綜述了小麥與麥田重要禾本科雜草(野燕麥、看麥娘、升馬唐、狗尾草、毒麥)、主要禾本科牧草(披肩草屬、賴草屬、冰草屬、鵝冠草屬、針茅屬、黑麥草屬)及小麥近緣植物(山羊草屬、黑麥屬、偃麥草屬、簇毛麥屬、冰草屬、鵝冠草屬、賴草屬、披肩草屬、旱麥草屬、大麥屬等)的可交配性,并通過小麥與近緣屬、種的人工雜交試驗(yàn),認(rèn)為小麥基因飄流至這些植物的可能性極小。小麥在自然條件下的種間雜交還需考慮環(huán)境因素。如氣候異常可能導(dǎo)致雄性不育或花期相遇,打破種間的有效隔離。基因漸滲也與氣候有關(guān),即在特定環(huán)境下該基因是否對(duì)受體有生態(tài)選擇優(yōu)勢(shì),一旦在某個(gè)地理區(qū)存在這種潛在可能性,就必須考慮基因漸滲問題。屬間和種間雜交還要考慮細(xì)胞質(zhì)雄性不育(cytoplasmicmalesterility,CMS)問題,CMS已通過屬間和種間雜交轉(zhuǎn)至小麥。目前已對(duì)葉綠體和線粒體進(jìn)行了分子遺傳和轉(zhuǎn)基因研究,將來這些技術(shù)可能用于小麥,但細(xì)胞器為母性遺傳,故其基因轉(zhuǎn)移的可能性遠(yuǎn)小于核基因。在小麥雜交育種上,普通小麥與山羊草屬種雜交可形成雜種種子,產(chǎn)生染色體附加系、代換系和易位系,通過基因漸滲選擇和獲得抗病性。國內(nèi)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉大均、陳佩度研究組和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院辛志勇研究組分別用普通小麥與簇毛麥或中間偃麥草雜交,通過離體培養(yǎng)、胚搶救、輻射處理等,先后獲得了附加系、代換系和小片段易位系,育成的小麥品種分別高抗白粉病和黃矮病。過去已進(jìn)行了小麥與黑麥的大量人工雜交,以期將小麥的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)蛋白與黑麥的抗病性和耐瘠薄性結(jié)合起來,形成的屬間雜種稱為小黑麥。Müntzing報(bào)道1918年在德國出現(xiàn)過大量天然雜交,在周圍有黑麥株行的小麥田中,產(chǎn)生了高達(dá)20%雄性不育的小麥×黑麥F1雜種,多數(shù)情況下F1雜種完全不育,需要用小麥、黑麥或可育的小黑麥花粉授粉以獲得屬間后代,另一種克服小黑麥雜種不育的辦法是使染色體數(shù)加倍?，F(xiàn)代小黑麥育種是基于六倍體小黑麥之間的重組,解決了大多數(shù)重要問題,如育性低、灌漿差、桿高、成熟遲等等。小黑麥可作為將黑麥基因滲入小麥的橋梁種,如通過1B/1R染色體易位。首個(gè)歐洲小黑麥品種在法國育成,我國鮑文奎先生在小黑麥育種上做出了重要貢獻(xiàn)。通過離體培養(yǎng)技術(shù),小麥與bulbosum大麥(Hordeumbulbosum)、小麥與玉米(Zeamays)雜交獲得了雙單倍體雜種,但隨后大麥和玉米的染色體在胚胎發(fā)育的早期階段被排除,單倍體植株經(jīng)加倍后獲得的純合小麥可用作RFLP分析、基因定位和基因分離。3小麥異交率及生物量在本系列文章的開篇,提出了對(duì)一般農(nóng)藝性狀改良轉(zhuǎn)基因作物基因飄流的閾值管理和分類管理原則及其理由,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)近年來的研究數(shù)據(jù),提出了水稻的0.1%閾值距離。小麥天然異交率低,一般在1%。但有些品種的異交率會(huì)高于1%,如面包小麥品種的異交率0.1%～4.0%。12個(gè)紅硬粒冬小麥品種的異交率0.1%～5.6%,6個(gè)實(shí)驗(yàn)小麥群體的異交率2.4%～10.1%。表1中列出了加拿大、美國等對(duì)小麥異交率或基因飄流的研究數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)說明,絕大多數(shù)春小麥和冬小麥品種在相鄰種植時(shí)的異交率為0～3.5%,但個(gè)別品種的異交率相當(dāng)高,如Glenlea和Wildcat兩個(gè)品種的異交率在兩年中分別達(dá)到8.6%～10.6%和4.2%～6.3%。盡管品種間的異交率有較大差異,但綜合表1中的數(shù)據(jù)仍可看出明顯規(guī)律。若將允許閾值設(shè)為1%,則要求的隔離距離僅為0～6m,若設(shè)閾值為0.1%,要求的最大隔離距離為0.5～24m。表1中列出的小麥異交最遠(yuǎn)距離分別為24m(0～0.03%)、27m(0～0.09%)、60m(0.002%～0.01%)和100m(0～0.003%),說明在這些距離上的異交率水平都已很低。在小麥育種和種子生產(chǎn)中,對(duì)種子質(zhì)量有嚴(yán)格的要求。一般將系譜種子(pedigreeclass)分為四類,即:育種家精選種子(select)、原原種或基礎(chǔ)種(foundation)、原種或注冊(cè)種(registered)、和良種或生產(chǎn)用種(certified)。加拿大種子生產(chǎn)者協(xié)會(huì)(canadianseedgrowers’association,CSGA)要求前三類種子的最大不純率0.01%(即10000株中有一株雜株),生產(chǎn)用種的最高不純率0.05%。目前CSGA建議的隔離距離是:生產(chǎn)育種家精選種子需隔離10m,生產(chǎn)原原種、原種和良種的隔離距離為3m。Hucl和Matus-Cadiz研究認(rèn)為,對(duì)于異交率低的小麥品種,10m和3m是可行的,但對(duì)異交率高的品種則建議將隔離距離增加為30m。