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小麦（Triticum aestivumL.，AABBDD，2n=42）和水稻、玉米并称世界三大作物，也是我国重要的粮食作物。将近缘物种染色体片段引入小麦基因组，不仅可以改良小麦的遗传基础，同时也是小麦基因组进化的动力之一。黑麦(Secale，RR，2n=14)是小麦的二倍体近缘物种。通过1RS.1BL易位染色体，黑麦为小麦的抗病虫性、籽粒产量、环境适应性、以及其他优良农艺性状的遗传改良提供了大量的优良基因。因此，1RS.1BL易位系曾在世界范围内的小麦品种中占有很高的频率，为世界粮食安全作出了巨大的贡献。但是，由于目前世界上广泛使用的1RS.1BL易位系黑麦亲本来源单一，导致这个1RS染色体臂上的抗病基因、农艺性状、适应性和品质特性的遗传变异狭窄。自20世纪90年代以来，随着世界范围内条锈病(Puccinia striiformisf.sp.Tritici，Pst)和白粉病(Blumeria graminis f.sp.Tritici，Bgt)流行生理小种的变化，该1RS染色体臂上携带的抗病基因都相继失去了抗性。其次，这个1RS染色体臂上携带的ω-黑麦碱(ω-secalin)基因，并不能补偿被取代的1BS染色体臂上的一系列编码低分子量谷蛋白和醇溶蛋白基因的丢失效应，显著地增大了面团的黏度并降低了其稳定性，造成了面粉品质的下降，使其商品价值大为降低。
本实验通过GISH、FISH、ND-FISH、A-PAGE和分子标记的方法在小麦品系A42912和威宁黑麦R3，小麦品种MY11和矮杆、白粒黑麦杂交后代中鉴定出了多个新的初级1RS.1BL易位系。利用小麦和黑麦中的SSR引物分析了其遗传多样性，SDS-PAGE分析了其HMS-GS和LMW-GS的变异;同时对部分新鉴定出的1RS.1BL易位系进行了品质、农艺性状、抗病性及穗发芽抗性的分析。最终得到以下创新性的结果:
1、通过GISH、FISH、ND-FISH、A-PAGE和分子标记的方法在3个杂交组合的后代中鉴定出了8个染色体结构正常的1RS.1BL易位系T917-15、T917-26、T1245-5、T8527-7、T852-29、RT1163-4、RT1217-1和RT1249，其中T917-26的ω-黑麦碱表达缺失;1个1R(1B)代换系RS1200-3;3个染色体结构特殊1RS.1BL易位系小麦 T1245-6、T857-8和T852-31;同时还获得了2个染色体结构特殊的小麦材料15-262和15-263。其中T1245-6和T857-8的1R随体缺失、T852-31的6B随体缺失、15-262的1B随体缺失、15-263的1BS缺失。
2、1RS.1BL易位系T1245-5和T1245-6、T857-7和T857-8分别为起源于同一单体附加系的姊妹系，具有相同的小麦遗传背景和同一条1RS染色体臂来源。与姊妹系T1245-5和T857-7相比，T1245-6和T857-8的1R染色体臂的随体发生不同程度的缺失，使用A-PAGE和分子标记将编码ω-黑麦碱的位点Sec-1定位于1R的随体上。同时将T1245-5的断点确定在SCM9和TSM587之间，T857-8的断点定位在Nor-R1和TSM123之间。与姊妹系T852-29相比，T852-31的6B随体部分缺失，在其A-PAGE图中也发现了部分α/β-醇溶蛋白表达条带的缺失。同时使用A-PAGE、SDS-PAGE和分子标记将编码ω-醇溶蛋白的位点GliB1和编码LMW-GS的位点Glu-B3定位于1B的随体上。同时将将15-262的断裂点定位在Xbarc8和Xgwm273之间。
3、在1RS.1BL姊妹系T917-15和T917-26的A-PAGE分析中发现，T917-26的ω-黑麦碱特异表达条带部分缺失。克隆了ω-黑麦碱编码基因Sec-1的CDS之后测序分析发现，黑麦亲本R3、T917-15和T917-26的Sec-1编码序列完全一致，没有发生突变。推测T917-26的ω-黑麦碱基因发生了表达缺失，可以作为进一步研究基因表达机制的优异研究材料。在品质方面，与小麦亲本A42912相比，两个易位系在吸水率、黏度方面均有显著性提高(P＜0.05)，而在面筋指数和稳定时间方面显著减少(P＜0.05)。说明1RS.1BL易位系小麦的品质在面团强度和耐揉性方面较其亲本小麦出现了较大程度的下降，而易位系小麦吸水率虽高，但持水力较低，导致面团的黏性增大，面团强度降低，进而降低了其烘烤品质。同时发现T917-26较T917-15在面筋指数、稳定时间方面都有显著性提高(P＜0.05)，而在吸水率和黏度方面有了显著减少(P＜0.05)，说明其面团强度和耐揉性得到了明显的提高，加工品质比T917-15有了显著性的改良。随后HMW-GS的分析显示他们之间的差异不足以对其品质造成明显的影响，因此我们推断T917-26中ω-黑麦碱的表达缺失显著提高了其加工品质，这一结果指出利用基因表达缺失技术改良小麦加工品质的可能性。
4、对3个新的初级1RS.1BL易位系RT1163-4、RT1217-1、RT1249和1R(1B)代换系RS1200-3及其小麦亲本MY11的农艺性状和对条锈病致病单菌系CRY31、CYR32、CYR33和SY5的抗性进行了调查。在农艺性状方面，与小麦亲本MY11相比，所有易位/代换系都表现出了更加紧凑的株型和更高的每平方米穗数。其中3个易位系之间表现出较高的遗传多样性，且都表现出了比亲本MY11更好的农艺性状，以RT1163-4尤为突出。在抗病性方面，发现4个易位/代换系对条锈病抗性有明显的差异，但均表现出了比其小麦亲本MY11高的抗性。与含有Yr9基因的小麦品种CN11相比，也均表现出了较高的抗性。对其遗传相似指数的分析发现，4个材料的1RS染色体臂之间存在极高的遗传多样性。其中RT1163-4和RT1249、RT1163-4和RS1200-3的遗传差异最大，GS为0.4444; RT1163-4和RT1217-1的遗传差异最小，GS为0.8056。由于4个材料的1RS来自于同一个亲本矮杆黑麦，证实了即使在同一个黑麦种群内也存在极强的遗传多样性。同时推测其抗条锈差异来自不同的抗性基因，这些基因可能来源于黑麦物种内自身的突变。而这些黑麦物种内的基因突变及其形成的遗传多样性，可以通过培育多样性的小麦-黑麦染色体易位系的方法，成为小麦基因组改良的重要遗传多样性资源。
5、4对姊妹系1RS.1BL易位系小麦穗发芽抗性鉴定中发现，除T917-15外，整穗发芽率SGR均比其小麦亲本显著性降低(p＜0.05)。在α-淀粉酶活性测试中，所有易位系小麦α-淀粉酶活性较其小麦亲本均出现下降，尤其T1245-5、T1245-6; T857-7、T857-8和T852-29、T857-31均出现显著性降低(p＜0.05)。而在GI值的测定中，各易位系表现不一。前人研究发现1RS.1BL易位会使LMA表达量增多，提高小麦籽粒中α-淀粉酶活性，而本实验新鉴定出的易位系则表现出了与之不同的现象，甚至部分出现了显著性下降。证明1RS.1BL易位系的穗发芽抗性也表现了丰富的遗传多样性，而且与引入的1RS染色体臂的多样性有关。
6、在黑麦单体附加系诱导的黑麦染色质进入小麦基因组的过程中，通过分子、细胞学的手段可以观察到小麦和黑麦染色体上频繁的变异。尽管小麦、黑麦双亲本的遗传背景完全相同，但在其姊妹易位系后代之间仍会出现显著的变异。我们把这种易位过程中产生的遗传变异称之为伴生突变。4对姊妹系1RS.1BL易位系小麦HMW-GS的分析中发现，与其小麦亲本相比，所有材料的HMW-GS均出现了不同程度的变异，且姊妹系T917-15和T917-26、T852-29与T852-31之间的HMW-GS也有差异。其中Glu-B1位点发生变异次数最多，除T917-15外，其他7个易位系都出现了变异;Glu-A1位点次之，除T917-26和T852-31外，其它6个均出现了变异;Glu-D1位点最少，只有T852-29出现了变异。我们推断小麦-黑麦染色体易位过程中，小麦基因组发生了伴生突变，使位于Glu-1位点的高分子量谷蛋白亚基的编码基因发生了变异，导致它们的HMW-GS出现变异。我们推测当发生1RS.1BL易位时，Glu-1位点是伴生突变的高发位点;且Glu-B1位点突变率最高，Glu-A1次之，Glu-D1最少。造成此现象的原因为在1RS.1BL易位系小麦中，1BL是小麦基因组中唯一的与外源染色体结合的染色体，因此其上的变异最大;同时1BS染色体的缺失造成了整个小麦B组染色体的不稳定，从而引发了B组的变异，进一步影响到A组和D组。我们认为，伴生突变是小麦基因组结构进化的重要原因之一。同时，伴生突变也是小麦育种的重要基因资源，值得高度重视。
7、本研究证明，把黑麦物种中的遗传多样性引入小麦基因组，增加小麦基因组的遗传多样性的思路是可行的。引入小麦的黑麦基因能表达它们自身的功能，在小麦育种中加以利用。染色体易位也可能诱发易位染色体、以及其它染色体的结构变异。同时我们认为小麦-黑麦染色体易位可以作为植物种属间相互关系遗传学的模式体系，在将来的遗传、育种和分子生物学研究中加以重视。
本实验通过GISH、FISH、ND-FISH、A-PAGE和分子标记的方法在小麦品系A42912和威宁黑麦R3，小麦品种MY11和矮杆、白粒黑麦杂交后代中鉴定出了多个新的初级1RS.1BL易位系。利用小麦和黑麦中的SSR引物分析了其遗传多样性，SDS-PAGE分析了其HMS-GS和LMW-GS的变异;同时对部分新鉴定出的1RS.1BL易位系进行了品质、农艺性状、抗病性及穗发芽抗性的分析。最终得到以下创新性的结果:
1、通过GISH、FISH、ND-FISH、A-PAGE和分子标记的方法在3个杂交组合的后代中鉴定出了8个染色体结构正常的1RS.1BL易位系T917-15、T917-26、T1245-5、T8527-7、T852-29、RT1163-4、RT1217-1和RT1249，其中T917-26的ω-黑麦碱表达缺失;1个1R(1B)代换系RS1200-3;3个染色体结构特殊1RS.1BL易位系小麦 T1245-6、T857-8和T852-31;同时还获得了2个染色体结构特殊的小麦材料15-262和15-263。其中T1245-6和T857-8的1R随体缺失、T852-31的6B随体缺失、15-262的1B随体缺失、15-263的1BS缺失。
2、1RS.1BL易位系T1245-5和T1245-6、T857-7和T857-8分别为起源于同一单体附加系的姊妹系，具有相同的小麦遗传背景和同一条1RS染色体臂来源。与姊妹系T1245-5和T857-7相比，T1245-6和T857-8的1R染色体臂的随体发生不同程度的缺失，使用A-PAGE和分子标记将编码ω-黑麦碱的位点Sec-1定位于1R的随体上。同时将T1245-5的断点确定在SCM9和TSM587之间，T857-8的断点定位在Nor-R1和TSM123之间。与姊妹系T852-29相比，T852-31的6B随体部分缺失，在其A-PAGE图中也发现了部分α/β-醇溶蛋白表达条带的缺失。同时使用A-PAGE、SDS-PAGE和分子标记将编码ω-醇溶蛋白的位点GliB1和编码LMW-GS的位点Glu-B3定位于1B的随体上。同时将将15-262的断裂点定位在Xbarc8和Xgwm273之间。
3、在1RS.1BL姊妹系T917-15和T917-26的A-PAGE分析中发现，T917-26的ω-黑麦碱特异表达条带部分缺失。克隆了ω-黑麦碱编码基因Sec-1的CDS之后测序分析发现，黑麦亲本R3、T917-15和T917-26的Sec-1编码序列完全一致，没有发生突变。推测T917-26的ω-黑麦碱基因发生了表达缺失，可以作为进一步研究基因表达机制的优异研究材料。在品质方面，与小麦亲本A42912相比，两个易位系在吸水率、黏度方面均有显著性提高(P＜0.05)，而在面筋指数和稳定时间方面显著减少(P＜0.05)。说明1RS.1BL易位系小麦的品质在面团强度和耐揉性方面较其亲本小麦出现了较大程度的下降，而易位系小麦吸水率虽高，但持水力较低，导致面团的黏性增大，面团强度降低，进而降低了其烘烤品质。同时发现T917-26较T917-15在面筋指数、稳定时间方面都有显著性提高(P＜0.05)，而在吸水率和黏度方面有了显著减少(P＜0.05)，说明其面团强度和耐揉性得到了明显的提高，加工品质比T917-15有了显著性的改良。随后HMW-GS的分析显示他们之间的差异不足以对其品质造成明显的影响，因此我们推断T917-26中ω-黑麦碱的表达缺失显著提高了其加工品质，这一结果指出利用基因表达缺失技术改良小麦加工品质的可能性。
4、对3个新的初级1RS.1BL易位系RT1163-4、RT1217-1、RT1249和1R(1B)代换系RS1200-3及其小麦亲本MY11的农艺性状和对条锈病致病单菌系CRY31、CYR32、CYR33和SY5的抗性进行了调查。在农艺性状方面，与小麦亲本MY11相比，所有易位/代换系都表现出了更加紧凑的株型和更高的每平方米穗数。其中3个易位系之间表现出较高的遗传多样性，且都表现出了比亲本MY11更好的农艺性状，以RT1163-4尤为突出。在抗病性方面，发现4个易位/代换系对条锈病抗性有明显的差异，但均表现出了比其小麦亲本MY11高的抗性。与含有Yr9基因的小麦品种CN11相比，也均表现出了较高的抗性。对其遗传相似指数的分析发现，4个材料的1RS染色体臂之间存在极高的遗传多样性。其中RT1163-4和RT1249、RT1163-4和RS1200-3的遗传差异最大，GS为0.4444; RT1163-4和RT1217-1的遗传差异最小，GS为0.8056。由于4个材料的1RS来自于同一个亲本矮杆黑麦，证实了即使在同一个黑麦种群内也存在极强的遗传多样性。同时推测其抗条锈差异来自不同的抗性基因，这些基因可能来源于黑麦物种内自身的突变。而这些黑麦物种内的基因突变及其形成的遗传多样性，可以通过培育多样性的小麦-黑麦染色体易位系的方法，成为小麦基因组改良的重要遗传多样性资源。
5、4对姊妹系1RS.1BL易位系小麦穗发芽抗性鉴定中发现，除T917-15外，整穗发芽率SGR均比其小麦亲本显著性降低(p＜0.05)。在α-淀粉酶活性测试中，所有易位系小麦α-淀粉酶活性较其小麦亲本均出现下降，尤其T1245-5、T1245-6; T857-7、T857-8和T852-29、T857-31均出现显著性降低(p＜0.05)。而在GI值的测定中，各易位系表现不一。前人研究发现1RS.1BL易位会使LMA表达量增多，提高小麦籽粒中α-淀粉酶活性，而本实验新鉴定出的易位系则表现出了与之不同的现象，甚至部分出现了显著性下降。证明1RS.1BL易位系的穗发芽抗性也表现了丰富的遗传多样性，而且与引入的1RS染色体臂的多样性有关。
6、在黑麦单体附加系诱导的黑麦染色质进入小麦基因组的过程中，通过分子、细胞学的手段可以观察到小麦和黑麦染色体上频繁的变异。尽管小麦、黑麦双亲本的遗传背景完全相同，但在其姊妹易位系后代之间仍会出现显著的变异。我们把这种易位过程中产生的遗传变异称之为伴生突变。4对姊妹系1RS.1BL易位系小麦HMW-GS的分析中发现，与其小麦亲本相比，所有材料的HMW-GS均出现了不同程度的变异，且姊妹系T917-15和T917-26、T852-29与T852-31之间的HMW-GS也有差异。其中Glu-B1位点发生变异次数最多，除T917-15外，其他7个易位系都出现了变异;Glu-A1位点次之，除T917-26和T852-31外，其它6个均出现了变异;Glu-D1位点最少，只有T852-29出现了变异。我们推断小麦-黑麦染色体易位过程中，小麦基因组发生了伴生突变，使位于Glu-1位点的高分子量谷蛋白亚基的编码基因发生了变异，导致它们的HMW-GS出现变异。我们推测当发生1RS.1BL易位时，Glu-1位点是伴生突变的高发位点;且Glu-B1位点突变率最高，Glu-A1次之，Glu-D1最少。造成此现象的原因为在1RS.1BL易位系小麦中，1BL是小麦基因组中唯一的与外源染色体结合的染色体，因此其上的变异最大;同时1BS染色体的缺失造成了整个小麦B组染色体的不稳定，从而引发了B组的变异，进一步影响到A组和D组。我们认为，伴生突变是小麦基因组结构进化的重要原因之一。同时，伴生突变也是小麦育种的重要基因资源，值得高度重视。
7、本研究证明，把黑麦物种中的遗传多样性引入小麦基因组，增加小麦基因组的遗传多样性的思路是可行的。引入小麦的黑麦基因能表达它们自身的功能，在小麦育种中加以利用。染色体易位也可能诱发易位染色体、以及其它染色体的结构变异。同时我们认为小麦-黑麦染色体易位可以作为植物种属间相互关系遗传学的模式体系，在将来的遗传、育种和分子生物学研究中加以重视。