远缘杂交及异源多倍化是新物种形成的一个重要途径,同时也是植物进化的一个重要动力。以前的许多研究表明整个异源多倍化伴随着快速的,广泛的遗传及表观遗传变异。尽管许多研究者对远缘杂交及异源多倍化进行了大量的研究,但是对这些变异蕴藏的分子机制却依然了解不多。高分子量谷蛋白亚基(High-molecular-weight glutenin subunit, HMW-GS)是重要的品质农艺性状,主要决定小麦面粉的加工和烘烤品质。本研究通过普通小麦Shinchunaga (Triticum aestivum L. cv. Shinchunaga,2n=42, AABBDD)和秦岭黑麦(Secale cereale L. cv. Qinling,2n=14, RR)进行属间杂交,合成了大量杂种及后代种子,逐代研究了HMW-GS的动态变异,并进一步探究HMW-GS变异的分子机制及在小麦品质育种中的潜在应用价值。取得的研究结果如下：1.本研究对普通小麦Shinchunaga和秦岭黑麦杂种自交后代根尖染色体数目和减数分裂染色体配对进行观察。发现杂种F1的28条染色体减数分裂呈单价体状态,但有少量配对。对F3和F5代的GISH分析鉴定出了包含1～3条或具有黑麦染色体片段、染色体数目为42条左右的材料,这些材料的染色体组成可能来自于F1植株的小麦染色体未减数而绝大多数黑麦染色体丢失形成有功能配子的结合,这或许由这两个物种染色体组分离的不同步造成。2.本研究通过对普通小麦Shinchunaga和秦岭黑麦杂种F1和F2种子胚乳中的高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)变异及对应植株叶片中的编码基因变异进行研究,试图探索其变异的分子机制。通过对2078粒F1种子和36粒F2种子胚乳中HMW-GS的SDS-PAGE分析,发现存在亚基消失和出现新亚基现象,检测到变异的F1和F2种子分别占0.5%和22%。通过对HMW-GS等位基因的序列分析,表明在有些F1和F2植株中通过删除突变产生了约1.8kb的新Glu-lAx等位基因。涉及到的删除发生在野生型的Glu-lAx null等位基因的中央重复区,由42个3～60bp的短正向重复序列(DR)通过异常重组介导形成,这些短的DR在中央重复区分别重复出现2～100次。变异的1Ax等位基因在原核细胞中的表达证实了植株中基因和胚乳中变异的对应关系。本研究表明,有丝分裂过程中两个DR序列介导的异常重组产生的删除突变能改变HMW-GS的表达模式。本研究提供的直接证据表明：有丝分裂的异常重组是远缘杂交产生新表型的一种分子机制。3.通过SDS-PAGE对10个株系的826粒普通小麦Shinchunaga和秦岭黑麦远缘杂交F2-F5代种子的HMW-GS变异进行分析,结果表明不同世代不同株系的种子存在：亚基消失和新亚基产生。亚基消失的比例从高到低：Ry(75.06%), Dx2.2(37.77%), By8(15.50%), Rx(15.25%), Bx7(7.02%), Dy12(0%)。有151粒(18.28%)种子出现1～3条新带。有205粒(24.82%)具有亚基组合：Rx、Bx7+By8、Dy12;168粒(20.34%)具有：Dx2.2+Dy12、Rx、Bx7+By8,且多数能稳定遗传。所有株系的亚基变异组合类型数都一致表现为F4多于F3。通过对10个株系F2～F5 HMW-GS的变异遗传分析,探讨了小麦-黑麦远缘杂种遗传多样性的产生及在小麦品质育种中的潜在应用价值。
