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花粉活力分析仪的应用:甘蓝型油菜异源六倍体基因稳定性研究
日期:2025-02-17 14:32:19

多倍体在植物界普遍存在,因拥有多个染色体组,多倍体常表现出杂种优势,即细胞、器官通常较大,如出现“巨型” 效应,花粉和气孔等也增大,在作物中常表现为植株高大、生物量增加等,在进化过程中,多倍体可能获得更强的环境适应能力,包括对生物胁迫(如病虫害)和非生物胁迫(如干旱、盐碱、温度变化等)的耐受性提高。这使得它们能够在更广泛的生态环境中生存和繁衍,拓宽了植物的生态幅。

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甘蓝型油菜属十字花科芸薹属,其虽存在多种二倍体和自然发生的异源四倍体品系,但并不存在自然的异源六倍体(2n=AABBCC),只能通过人工合成(如种间杂交后染色体加倍或利用未减数配子融合),而新合成的甘蓝型油菜异源六倍体普遍存在基因组不稳定的情况。本研究选用了naponigra(B.napus x B.nigro)、carirapa(B.carinata x B.rapa)、junleracea(B. juncea × B. oleracea)和NCJ(B. napus × B. carinata × B. juncea)这四种人工合成的甘蓝型油菜异源六倍体(2n = AABBCC = 54)作为研究材料,通过Illumina Infinium Brassica 90K SNP 阵列基因分型、分子核型分析、染色体计数、花粉活力检测(瑞士Amphasys,Ampha Z30)、杂交实验、DNA 提取与SNP 分析等多种实验方法,探究了其基因组稳定性、染色体遗传、种子育性和杂交亲和性等方面的规律。结果显示,不同基因型和谱系的异源六倍体基因组稳定性差异显著,仅3.2% 为整倍体,存在大量拷贝数变异(CNV)和染色体易位等结构变异,且未发现普遍稳定的重排模式,但某些区域更易发生重组。染色体遗传复杂,不同亲本组合和世代植株染色体数目和结构多样,与育性无简单对应关系,部分非整倍体可育,整倍体育性也有差异。不同异源六倍体间杂交多数可行,平均每花芽结籽0-4.6 粒,母本基因型影响显著,新的 F₁ 杂种育性和稳定性与亲本相似,杂交未显著改善基因组稳定性。

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其中,花粉活性检测在此项研究中具有以下意义:

• 反映育性水平:花粉活性与种子生产密切相关,是衡量植物育性的关键指标之一。研究发现部分植株花粉活性低(如62% 的植株花粉活性 <50%,仅6%>80%,naponigra部分基因型花粉发育差甚至无活力),且与种子产量存在一定关联(如总种子数和花粉活力弱相关,自交种子数与花粉活力、开花时间也有一定相关性),有助于理解植物繁殖能力和生殖效率。

• 辅助杂交研究:在杂交实验中,花粉活性影响杂交成功率和后代遗传组成。了解花粉活性可解释不同杂交组合种子产量差异,为选择合适亲本和杂交方向提供依据,如某些杂交组合因花粉活性问题导致结籽少,而合适的亲本组合可提高杂交效果。

• 探究基因组稳定性:花粉发育和活性受基因组稳定性影响,减数分裂异常会改变花粉活性。研究花粉活性有助于间接推断基因组稳定性,如在分析异源六倍体减数分裂稳定性和CNV 对植物影响时,花粉活性可作为参考指标,与其他数据共同揭示基因组变化规律。

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用于杂交的不同芸薹属异源六倍体基因型的花粉活力百分比

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芸薹属异源六倍体亲本基因型(P1和P2)及其相应的F1杂种产生的总种子数

研究结果表明,甘蓝型油菜异源六倍体基因组有一定耐受性,但稳定性低且不受强烈正向选择,杂交可增加遗传多样性,但多数F₁杂种未优于亲本。本研究虽取得一定成果识别出部分稳定材料和潜在育种价值的染色体变化,但仍需深入探究其基因组稳定性的遗传机制、提高育性和稳定遗传的方法,以及如何有效利用其潜在优势培育新的甘蓝型油菜作物品种,以满足农业生产对优良品种的需求。

原文
D Quezada-Martinez, J Batley, AS Mason. Karyotype instability varies by species and genotype combination in allohexaploid Brassica[J]. bioRxiv, 2023.09.22.559010.
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