CN112931182B - 一种提高小麦染色体重组频率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高小麦染色体重组频率的方法。使用本发明所提供的方法通过减数分裂过程中的染色体重组，可以实现两亲本之间的基因重排，从而获得新型的、有利的基因组合方式，为选育小麦新品种奠定遗传基础。在本发明所提供的方法中，以染色体臂间结构差异大，亚端部结构相似或染色体臂间结构相似，亚端部结构差异大的亲本进行杂交。采用本发明所提供的方法获得的杂交后代可用于辅助育种中，有利于快速准确地获取小麦杂交新品种。

Description

一种提高小麦染色体重组频率的方法
技术领域
本发明涉及染色体重组技术领域及种质创新技术领域，具体涉及一种提高小麦染色体重组频率的方法，尤其是提高小麦染色体臂间区域和亚端部区域重组频率的方法。
背景技术
通过减数分裂过程中的染色体重组，可以实现两亲本之间的基因重排，从而获得新型的、有利的基因组合方式，为选育小麦新品种奠定遗传基础。目前分子标记辅助育种方法虽然已在作物育种中广泛应用，但这一方法主要是针对某一功能基因在后代中的选择方面，并没有涉及到染色体重组频率提高的问题。
前人对控制染色体重组的基因也进行了研究和利用，比如通过沉默对染色体重组频率有负面影响的基因，从而提高染色体重组频率，但这种方法只能解决基因控制的染色体重组问题，不能解决染色体结构对重组的影响的问题；利用诱变或基因编辑等技术，将抑制减数分裂重组的基因敲除掉，可以提高染色体的重组频率，但该技术以明确基因功能为前提，技术难度较高，过程更繁杂，所需成本较高。诱变和基因编辑技术所需的技术流程复杂，成本高。
现有技术中通过改变环境温度的方法提高重组频率。通过大麦的实验表明，在30℃条件下，大麦染色体在臂间的重组频率明显增加。但环境温度达到30℃已不适合麦类作物生长。麦类作物生长季节的温度一般不会达到30℃，只有通过温室条件控制，这也增加了成本。而且在30℃条件下，麦类作物的结实率会降低。
现有技术中通过破坏H3K9me2和non-CG DNA甲基化途径提高近着丝粒区域的重组频率。比如通过突变H3K9甲基转移酶基因，或者突变CHG DNA甲基转移酶基因，降低染色体近着丝粒区域的异染色质化程度，从而提高近着丝粒区域的重组频率。这一技术也涉及基因功能的确定和基因的突变过程，技术难度大，过程繁杂。因此该技术在实际应用中的可操作性不强。
用病毒处理可提高染色体重组频率。利用西红柿不孕病毒浸染西红柿植株，以及用大麦条花叶病毒浸染大麦植株，可以提高西红柿和大麦染色体在臂间的重组频率。但利用病毒处理植株对染色体造成畸变的频率也高。
染色体结构会对染色体重组产生影响，但怎样的染色体结构对重组产生怎样的影响并不清楚，这也导致目前在小麦杂交亲本的选择上，缺乏染色体结构方面的鉴别标准。
发明内容
本发明的目的是提供一种植物育种的新思路，可在减数分裂中提高染色体的重组频率，实现亲本之间的基因重排，获取杂交后代。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种提高小麦染色体重组频率的方法，以小麦染色体臂间区域结构差异大而亚端部区域结构类似，或者染色体臂间区域结构类似而亚端部区域结构差异大的两亲本进行杂交。
本方法所涉及的结构差异或结构相似是以串联重复序列的组成异同来确定的。例如，一种小麦5A染色体的特定区段含有Oligo-pSc119.2-1或Oligo-pTa535-1所代表的串联重复序列，而另一种小麦5A染色体的相应区段不含有这些重复序列，则表明5A染色体上此特定区段的结构差异大。
若两种小麦材料的5A染色体上的相应区段带有相同的串联重复序列组成，比如本发明中提及的两种亲本中5A染色体的亚端部区域都含有Oligo-275.1和Oligo-18所代表的串联重复序列，则表明这两种亲本的5A染色体的相应区段结构差异小或类似。
本发明首次发现，染色体结构差异模式与染色体重组频率的响应关系，首次提出一种两亲本中染色体结构差异模式，所述结构差异模式为染色体臂间区域结构差异大而亚端部区域结构类似，或者染色体臂间区域结构类似而亚端部区域结构差异大；符合所述染色体结构差异模式的两亲本杂交得到的后代中染色体重组频率得到显著的提高。
本发明所提供的方法中，小麦染色体上结构差异区段是指染色体特定区段所包含的串联重复序列种类或拷贝数不同，即串联重复序列组成不同；小麦染色体上结构相似区段是指染色体特定区段所包含的串联重复序列种类或拷贝数类似，即串联重复序列组成相似的染色体区段。
具体地，本发明提供的方法，包括：
找出5A染色体结构存在差异的小麦材料；
确定5A染色体结构差异模式；所述5A染色体结构差异模式为：两亲本5A染色体臂间区域的串联重复序列组成有差异而亚端部区域串联重复序列组成类似，或两亲本5A染色体臂间区域串联重复序列组成类似而亚端部串联重复序列组成有差异；
选择含有所述5A染色体结构差异模式的小麦材料作亲本进行杂交。
在本发明的一个具体实施例中，利用寡核苷酸探针和非变性荧光原位杂交技术，对众多小麦品种(系)材料的染色体进行分析，从中筛选出染色体结构存在差异的小麦品种(系)作亲本。小麦染色体的结构差异模式为：在一个区段存在结构差异而在其相邻区段结构类似。
将确定的小麦亲本进行杂交配组，获得的F1后代再自交获得F2代群体，在F2代群体中会检测到发生重组的染色体，且其在结构差异区段的重组频率相对提高。
虽然作为本发明的一个具体实施方式，采用寡核苷酸探针和非变性荧光原位杂交获取染色体结构信息；但在完成本发明所提供的方法时，也可采用其他技术获取染色体结构信息。
在本发明所述方法中，所述提高染色体重组频率为提高小麦5A染色体臂间和/或亚端部区域的重组频率。
在本发明所述方法中，所述寡核苷酸探针为Oligo-pSc119.2、Oligo-pTa535、Oligo-275.1、Oligo-713和Oligo-18。
本发明还要求保护上述方法在小麦育种、创制小麦新品系、获取小麦种质资源、选育小麦新品种中的应用。且根据本领域技术人员的理解，应用本发明所提供的染色体结构差异模式，获取转基因植物，或利用包含所述染色体结构差异模式的亲本来提高转基因效率也属于本发明所要求保护的范围。
本发明的有益效果至少包括：
(1)将快速、准确、低成本的非变性荧光原位杂交技术与特定的染色体结构模式相结合，达到提高小麦染色体臂重组频率的目的；
(2)通过减数分裂过程中的染色体重组，实现两亲本之间的基因重排，从而获得新型的、有利的基因组合方式，为选育小麦新品种奠定遗传基础。
附图说明
图1为本发明实施例1中5A119-18-275×5A535-18-275及5A119×5A535-18-275的杂交组合示意图。
图2为本发明实施例1中5A118-275×5A713及5A535-18-275×5A713的杂交组合示意图。
具体实施方式
以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。
若未特别指明，本发明实例中所用的实验材料、试剂、仪器等均可市售获得；若未具体指明，本发明实例中所有的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1利用寡核苷酸探针和非变性荧光原位杂交技术检测小麦染色体结构
本实施例以小麦5A染色体为例，提高小麦染色体臂间区域重组频率的方法具体包括以下步骤：
找出5A染色体结构存在差异的小麦材料；
本实施例采用寡核苷酸探针Oligo-pSc119.2、Oligo-pTa535、Oligo-275.1、Oligo-713和Oligo-18对小麦品种的5A染色体进行非变性荧光原位杂交分析；用这5个探针能够准确识别5A染色体并同时区分出不同小麦材料中的5A染色体结构差异，即这5个探针的信号模式能够反映各探针所代表的串联重复序列在不同5A染色体上的组成差异，从而体现5A染色体短臂和长臂上不同区段的结构差异。这5个探针的特性已通过期刊论文或学位论文的形式公开发表。
确定5A染色体结构差异特征，当5A染色体的长臂在臂间区域带有Oligo-pSc119.2信号，在长臂亚端部区域带有Oligo-18和Oligo-275.1信号时，将该5A染色体命名为5A119 -18-275(图1)；当5A染色体的长臂在臂间区域带有Oligo-pTa535信号，在长臂亚端部区域带有Oligo-18和Oligo-275.1信号时，将该5A染色体命名为5A535-18-275(图1)；当5A染色体的长臂在臂间区域带有Oligo-pSc119.2信号，在长臂亚端部区域不带有Oligo-18和Oligo-275.1信号时，将该5A染色体命名为5A119(图1)。
当5A染色体的长臂仅在亚端部区域带有Oligo-18和Oligo-275.1信号时，将该5A染色体命名为5A18-275(图2)。当5A染色体的长臂仅在亚端部区域带有Oligo-713信号时，将该5A染色体命名为5A713(图2)。
实施例2亲本小麦杂交获得后代植株
将确定的小麦亲本进行杂交配组，获得的F1后代再自交获得F2代群体，在F2代群体中检测到发生重组的染色体，且其在染色体结构差异区域的重组频率相对提高。
以小麦5A染色体为例，含5A119-18-275染色体的小麦亲本与含5A535-18-275染色体的亲本杂交(5A119-18-275×5A535-18-275)，共得到204棵F2代植株，在杂交的F2后代群体中，发生在Oligo-pSc119.2和Oligo-pTa535信号之间(臂间区域)的重组频率为40.3％。当含5A119染色体的小麦亲本与含5A535-18-275染色体的亲本杂交(5A119×5A535-18-275)，共得到216棵F2代植株，在杂交的F2后代群体中，发生在Oligo-pSc119.2和Oligo-pTa535信号之间(119-535差异区段)的重组频率为24.03％。
对两个F2群体在臂间区域的重组频率进行t-检验，结果表明差异显著(p＝0.0198)。结果表明，当两亲本的染色体臂间区域存在结构差异，而亚端部区域结构类似时，杂交后得到的F2代群体臂间的重组频率会显著提高。而当染色体两亲本的臂间和亚端部区域都存在结构差异时，杂交后的得到的F2代群体臂间重组频率显著下降。
含5A18-275染色体的小麦亲本与含5A713染色体的亲本杂交(5A18-275×5A713)，共得到263棵F2代植株，在杂交的F2后代群体中，发生在Oligo-18和Oligo-713信号之间(亚端部区域)的重组频率为7.6％。当含5A535-18-275染色体的小麦亲本与含5A713染色体的亲本杂交(5A535-18-275×5A713)，共得到270棵F2代植株，在杂交的F2后代群体中，发生在Oligo-18和Oligo-713信号之间(亚端部区域)的重组频率为4.6％。
对两个F2群体在亚端部区域的重组频率进行t-检验，结果表明差异显著(p＝0.006)。结果表明，当两亲本的染色体臂间区域结构类似，而亚端部区域存在结构差异时，杂交后的得到的F2代群体亚端部区域的重组频率会显著提高。而当两亲本的染色体的臂间和亚端部区域都存在结构差异时，杂交后的得到的F2代群体亚端部区域的重组频率显著下降。
从本实施例的结果中可以看出，明确小麦亲本所含染色体的结构，选择在染色体臂间区域存在结构差异，而在亚端部区域存在相似结构，或者在染色体臂间存在相似结构，而在亚端部区域存在结构差异的亲本进行杂交，可提高染色体在臂间或亚端部的重组频率。前人报道的提高染色体重组频率的方法，可以提高麦类作物染色体1-2倍的重组频率。而本发明的方法可以提高小麦染色体约1.6倍的重组频率，且本发明方法更直观简便。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种提高小麦染色体重组频率的方法，其特征在于，包括：
找出5A染色体结构存在差异的小麦材料；
确定5A染色体结构差异模式；所述5A染色体结构差异模式为：两亲本5A染色体臂间区域的串联重复序列组成有差异而亚端部区域串联重复序列组成类似，或两亲本5A染色体臂间区域串联重复序列组成类似而亚端部串联重复序列组成有差异；
所述串联重复序列以非变性荧光原位杂交的探针信号的强弱或有无来确定；
选择含有所述5A染色体结构差异模式的小麦材料作亲本进行杂交。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用寡核苷酸探针和非变性荧光原位杂交获取染色体结构信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述染色体重组频率为小麦5A染色体臂间和/或亚端部区域的重组频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述寡核苷酸探针为Oligo-pSc119.2、Oligo-pTa535、Oligo-275.1、Oligo-713和Oligo-18。
5.权利要求1-4任一项所述方法在小麦育种中的应用。
6.权利要求1-4任一项所述方法在创制小麦新品系中的应用。
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