木薯有性多倍化创新三倍体种质及遗传机理研究

Cassava is an important economic and energy crops in the tropical area of China and triploid breeding can be effective for the genetic improvement of cassava. Conventional riploid breeding by tetraploid × diploid consumes a long time, does not have high heterozygosity of 2n gametes and less consistency of hybrids, and these limit its breeding value. In the project, we will propose a more useful induction technology of 2n female gametes. In order to effectively overcome the "triploid hinder" for cassava variety improvement and enhance the value and efficiency of triploid breeding, chromosome doubling of megaspore mother cell through discrimination of megaspore based on the morphological observation of the female buds development, combined with the embryo rescue method, will be used to obtain innovative cassava triploid germplasm. Respect to cassava sexual polyploidization genetic mechanism, the main cytological mechanisms of and of occurrence 2n gametes of its genetic effects will be revealed by observing abnormal meiosis and spindle behavior of microspore mother cells after induction, analysis of hybridization affinity of cassava 2n pollens will be conducted by observing pollen viability and pollen tube development using in vivo in situ germination technology, and chromosome sources and characteristics of cassava triploid hybrids will be identified by Genomic in situ hybridization (GISH). Through the project, the genetic background of cassava sexual polyploidization will be explored, the new method of cassava genetic improvement by production of 2n gametes will be development and the foundation for breeding of excellent cassava triploid varieties will be laid.

木薯是我国热带地区重要的经济及能源作物，三倍体育种可有效进行木薯的遗传改良。常规的四倍体×二倍体→三倍体由于育种时间长、不具备高杂合性2n配子、杂交后代一致性较差而限制了其育种价值。本项目提出以更具利用价值的2n雌配子诱导技术，通过木薯雌花蕾发育形态判别大孢子发生进行大孢子母细胞染色体加倍，结合胚挽救途径获得木薯创新三倍体种质，可有效克服"三倍体阻碍"，提高育种价值和效率。同时，在木薯有性多倍化遗传机理的研究上，我们通过对诱导后小孢子母细胞减数分裂异常和纺锤体行为观察以揭示木薯2n配子发生的主要细胞学机制及其遗传效应，采用活体原位萌发技术观察花粉活力及花粉管发育以分析木薯2n花粉的杂交亲合性，应用基因组原位杂交（GISH）技术对木薯三倍体杂种的染色体来源及特性进行鉴定。通过本项目研究，可探讨木薯有性多倍化的遗传背景，构建木薯遗传改良的2n配子育种新方法，为选育优良木薯三倍体品种奠定基础。

木薯是我国热带地区重要的经济及能源作物，其倍性育种可有效对木薯遗传基础群体进行改良。2n配子介导的有性多倍化因其同源染色体之间能够高频率地发生重组，亲本的特征基因能够相互渗入，从而实现目标基因的渐渗育种，这是体细胞染色体加倍－有丝分裂多倍化形成的多倍体后代所无法实现的，而胚囊的活体诱导又是创新无融合生殖的一种有效途径。所以，本项目应用2n雌配子诱导技术，通过木薯雌花蕾发育形态判别大孢子发生进行大孢子母细胞染色体加倍，并结合胚挽救途径以期获得木薯创新三倍体种质。同时，对2n配子发生的主要细胞学机制及其遗传效应进行研究，分析木薯2n花粉的杂交亲合性，并采用花粉诱导法及化学诱导法进行木薯无融合生殖及孤雌生殖诱导。. 主要研究结果如下：. 1、应用花粉活体原位萌发技术及联苯胺-过氧化氢法雌蕊柱头可授性检测，对木薯花粉萌发及花粉管发育特征进行观察，分析了木薯品种内自交及品种间异交花粉管萌发过程的差异，确定了木薯雌蕊柱头的最佳授粉时期。. 2、研究小孢子母细胞染色体在减数分裂过程的异常行为，揭示了木薯2n配子发生的主要细胞学机制及其遗传效应。观察了木薯大、小孢子母细胞减数分裂发生，明确了雌雄配子体发育过程各时期与花序、花蕾的外部形态的相关性；应用秋水仙素溶液棉浸法对木薯花序进行诱导，获得了2n加倍花粉及2n雌配子，并通过人工授粉杂交获得首例木薯有性四倍体。. 3、采用辐射花粉及DMSO棉浸法处理雌花进行木薯无融合生殖及孤雌生殖活体诱导，应用EST-SSR及SRAP分子标记对木薯的孤雌生殖及无融合生殖进行鉴定，首次获得了通过花粉及化学药剂诱导的木薯无孢子生殖或二倍孢子体类型的无融合生殖种质。. 通过本项目研究，对探讨木薯有性多倍化的遗传背景，构建木薯遗传改良的2n配子育种新方法，为选育优良木薯有性多倍体品种奠定了基础。而木薯无融合生殖的诱导，对固定杂种优势、缩短育种年限、提供单倍体材料、积累优良基因等具重要生产意义和育种价值。