小麦×玉米的小麦DH后代的分子生物学分析

植物远缘杂交是作物育种实践及其相关的基础遗传中应用最广泛的技术之一，几乎涉及到所有与栽培作物有关的科属内相对近缘的植物种类。除核型稳定的种间杂交可得到杂种外，还可以利用核型不稳定的种间杂交过程中父本染色体全部被消除的现象，通过胚培养和加倍处理获得大量的双单倍体（DH）杂交后代。然而，这种从小麦与玉米杂交获得的小麦DH后代与其理论上应完全同质的遗传表现却不相符，总有2-5%的DH植株发生了形态学变异，虽然没有明显的来自玉米的性状特征，而且一些研究者也认为它们是配子无性系变异，但是，不论是理论上还是一些间接的细胞学和生化证据都表明，有玉米的染色体DNA通过受精过程转移到小麦DH后代的基因组中，然而到目前为止，仍缺乏DNA水平上的直接证据。 本文在对来自小麦 * 玉米的谱通小麦DH系进行生化分析取得初步证据的基础上，构建玉米的随机基因组文库，从中筛选玉米的重复DNA序列作探针分别对普通小麦和波斯小麦的DH群体进行了系统的RFLP分析，并用有关的玉米重复列克隆对一些禾本科种和不同的玉米生物型基因组进行了比较研究，主要结果如下： 1、八种同工酶电泳分析表明，MDH、ADH、GDH、SKDH4种脱氢酶和GOT在后代中没有检测到任何变异，但21株普通小麦的DH后代群体中有7株在PER同工酶的慢区出现了增加一条酶带的变异，这条带在亲本小麦和玉米中均没有，它们与通常报道的无性系变异十分类似。其中有一株（第4号株）在迁移率为0.22的位置上出现了一条小麦所不具有的酶活性较强的EST带，在玉米同迁移率的位置上也有一条带，但活性十分微弱。此外，大部分小麦DH后代的AMY同工酶恬性有十分明显的增强。 2、可溶性蛋白质的SDS-PAGE分析，在小麦的DH后代中，有几株的变异很明显，其中第4、7、19号株（图2）在分子量为43000道尔顿的位置上出现了和玉米同迁移率而小麦不具有的蛋白质带，这强烈地暗示了玉米DNA的确通过受精作用导入小麦。 3、构建了玉米的随机基因组文库，依据菌落原位杂交结果，从中挑出了500个重组克隆。用其中的100个强信号的重复DNA克隆为探针对亲本小麦和玉米进行了RFLP筛选，其中80多个为玉米基因组特异的，9个与小麦有部分同源性，随后用它们探针分别对两个小麦DH群体进行RFLP分析。 4、用上文筛选的玉米特异的重复DNA克隆作探针进行RFLP分析，只有玉米的MR64克隆同时导入到两个小麦群体的各一株后代中，即普通小麦DH系的18号株和波斯小麦DH系的15号株检测到强杂交信号;另外一个克隆MR72只在4株波斯小麦DH后代中有杂交信号，这个结果首次从DNA水平上证明，的确有某些玉米特异的DNA序列通过受精作用以很低的频率转移到小麦DH后代的基因组中。 5、与小麦有部分同源性的玉米克隆MR13和MR50在一些普通小麦DH后代中检测到了缺失变异。特别是用MR13在普通小麦DH系的18号株（即导入了玉米特异的MR64的DNA的那一株小麦DH后代）的基因组中检测到了大幅度的限制性片段长度的变化，即原来的4.3kb的强信号带消失了，取而代之的是增加40kb、15kb、2.5kb和2.0kb四条杂交带，这要么与小麦基因组DNA较大的重俳事件有关，要么是由外源的玉米DNA插入造成的，但从增加的片段长度如此之大以及杂交信号变弱来看，它很可能就是玉米DNA插入到这个较强信号的小麦单拷贝序列中的结果。用小麦的DNA克隆pTa71也检测到了明显的变异。 6、测序分析发现，克隆MP64的插入片段长度为695bp，A+T含量为58%，经在GENEBANK中检索证实它是一个新克隆的DNA序列。序列中分别含有两对正向和反向重 序列及三个回文序列，对多种酶切的玉米基因组的RFLP分析表明它是一个带1-3个主串联重复单位的散布重复序列，在序列中的CCGG的第二个C高度甲基化，拷贝数约为5600左右。染色体原位杂交表明，MR64在玉米的每条染色体上均有分布，但拷贝数不同，这暗示它可能与玉米基因组的演化历程有密切的关系。 7、比较分析发现，MR64是玉米基因组特异的;而MR72在高粱、珍株粟、糜子和狼尾草等四个和玉米较近缘的种的基因组中有部分同源序列，这个比较结果更加肯定了小麦DH系所新增的DNA序列的确是异源的玉米DNA通过受精过程导入的。 8、初步分析发现，玉米的卫星DNA克隆MR4和其它卫星DNA一样也有严谨的重复等级结构，而且在主要禾本科种基因组中有较低的同源性。经在GENEBANK检索，串联重复DNA克隆MR68是一个新克隆的DNA序列，它在不同的玉米生物型基因组中表现出明显的分化特征，可用它作进一步的基因组的比较分析。 9、本文对染色体消除过程度中异源小片段DNA导入的可能机制和散布重复序列在远缘杂交的异源DNA鉴定中的应用进行了讨论，并分析了染色体消除型远缘杂交所获得的DH后代的变异来源。