开展远缘杂交研究_关于刘大钧的故事

开展远缘杂交研究_关于刘大钧的故事

南京农学院复校后，尽管当时教学科研设备与生活设施极其缺乏，刘大钧和他的团队仍及早全身心地投入到小麦远缘杂交科研中。

远缘杂交（distant hybridization）一般是指在分类学上物种（species）以上分类单位的个体之间交配。不同种间、属间甚至亲缘关系更远的物种之间的杂交可以把不同种、属的特征、特性结合起来，突破种属界限，扩大遗传变异，从而创造新的变异类型或新物种。国际上，很早就有人进行植物的远缘杂交研究，国内也有学者利用远缘杂交技术培育新的作物品种。刘大钧此时之所以要进行远缘杂交研究，主要是针对南方麦区较为严重的小麦赤霉病，欲将小麦近缘植物的优良抗病基因转移到小麦中，从而提高小麦的抗赤霉病能力及其产量，培育新的小麦品种。他的研究先从黑麦与普通小麦杂交研究开始，1979年，他又将主要精力转向刚从国外引进不久的簇毛麦，系统地开始对簇毛麦研究。

刘大钧之所以在这时开始对簇毛麦进行研究，主要基于如下三方面原因：其一，从国家层面讲，党的十一届三中全会后，改革开放的号角已经吹响，安定团结的政治局面已经形成，科技人员正好有了用武之地，能够专心从事科学研究；其二，南京农学院已复校，刘大钧已组建了自己的细胞遗传实验室，为他顺利开展科研工作创造了条件；其三，也是非常重要的一条，他有了自己的科研伍队，这个队伍除王耀南（前文已述）、裴广铮外，还增加了陈佩度等人。谈到陈佩度，这里不得不多介绍一下：他于1944年出生，1965年毕业于南京农学院农学专业，因为学习成绩优秀而留校，被分配到刚成立不久的中国农科院南京农学院小麦品种研究室，正好到刘大钧任组长的遗传组，当年他就参加了刘大钧主持“宁麦3号”的选育工作，作出重要贡献。1972年南京农学院下放扬州后，他随小麦品种研究室的同志一起被安排到江苏省农科所，在那里从事小麦栽培研究。由于他喜欢遗传育种研究，加之刻苦努力，1978年在我国研究生招生制度恢复后，第一批考取江苏农学院农学系研究生，当时是以吴兆苏老师的名义招收的。因为文化大革命影响，教师的职称一直没有正常评聘，刘大钧当时只有讲师职称，不具备招收研究生资格，直到1979年职称评聘恢复后，刘大钧才晋升为副教授，具有招收研究生资格。另一方面，由于吴先生当时身体欠佳，入校以后陈佩度就一直由刘大钧指导，跟随刘大钧做实验。因此，陈佩度实际是刘大钧招收和指导的第一位研究生，他的学位论文就是跟随刘大钧从事簇毛麦研究所写。陈佩度1981年毕业后，顺利留校，正式加入到刘大钧科研团队，其后成为刘大钧科研工作的得力助手。几十年来，他既是刘大钧的学生、同事，更是他科研工作的好帮手、好管家，为刘大钧和细胞遗传研究室取得辉煌科研成果，作出重要贡献。

对于簇毛麦，在国外，很早就有学者对它进行过研究，如Steampeli E.Tschermark（1928年），W.J.Sando（1935年）和D.K ostoff（1926年，1937年）等人曾利用小麦与簇毛麦进行杂交并取得成功；E.S.Mc Fadden和Earnest R.Sears（1947年）用野生二粒小麦与簇毛麦杂交后将染色体数加倍合成了异源六倍体。Earnest R.Sears（1953年）和B.B.Hyde（1953年）对簇毛麦的秆、叶锈抗性以及穗密度等特性能否转移给小麦进行过探讨；到60年代以后，随着染色体技术的不断成熟，通过外来染色体的添加、代换或易位等途径，将亲缘植物的有益基因转移给普通小麦的研究已取得理论上、方法上和应用上的进展。G.Halloran（1966年）也曾提到将簇毛麦基因资源用于普通小麦品种改良的潜在可能。

总体来说，国外对簇毛麦的研究，多集中于对簇毛麦性状的鉴定及其优良性状能否转移给小麦的探讨，并且通过诸多研究来看，簇毛麦的优良性状转移给小麦在理论上是行得通的。而国内在这方面的研究几乎是空白，甚至连“簇毛麦”的名字都没有听说过，刘大钧对簇毛麦的研究，为国内首次。(www.guayunfan.com)可喜的是，他的科研工作在初期就得到了农业部的重视，获得农业部的资金支持，从1979年开始，第一年1万元，到1985年再获5万元资助，钱虽然不多，但对于当时白手起家的刘大钧团队来说，可谓雪中送炭（注：SG-001-025，1979年《亲缘植物种质导入小麦的研究》计划任务书。存于馆藏基地。）。

对簇毛麦的性状鉴定

对簇毛麦性状的鉴定实际上早在1976年就已经开始，也获得一些好苗头，但受各方面因素影响，研究工作一直不能系统展开，直到1979年南京农学院复校以后，才有条件可以进行持续、系统地性状鉴定研究。刘大钧和他的科研团队先将簇毛麦分成若干批次，分别种植在试验田和温室里，再通过控制温室内部环境影响簇毛麦生长，这种工作难度不算太大，但需要每天对簇毛麦的长势和生长状况进行记录，还要进行大量繁杂的对比观察和鉴定。种植鉴定期间，无论风吹雨打都不能中断，非常考验研究人员的细心和耐心。

经过试验发现，簇毛麦虽然令人失望地不抗赤霉病，但它对白粉病却表现免疫，尤其1978—1981年连续3年在温室条件和小麦白粉病严重发生的情况下，当时一同栽培的普通小麦，如“扬麦3号”、“宁麦4号”、“苏麦3号”和“湘麦1号”白粉病严重度均达3—4级，而簇毛麦为0级。1981年秋的人工接种鉴定亦获相同结果，充分表明簇毛麦对白粉病高抗。这是刘大钧团队继1953年B.B.Hyde指出簇毛麦对小麦秆锈病和叶锈病有明显的抗性和1973年L.L.Laursen等发现簇毛麦对全蚀病有较强的抗性后，于国际上首次发现簇毛麦对白粉病有较强抗性，这样，簇毛麦成了一个不可多得的能抗四种病害的抗源。也正是这样的结果，让刘大钧下定决心将科研的重心放在簇毛麦有益基因，尤其是抗病基因的转移研究上。

图5-4　刘大钧与同事、学生在田间进行育种观察（左起：董凤高、王忠、张守忠、刘大钧、陈佩度）

远缘杂交与回交

簇毛麦与小麦的杂交与回交工作，分别在南京农学院温室和田间进行，杂交种子播种在盆钵中，主要目的是为获得小麦与簇毛麦的远缘杂种F1。F1植株主要根据小穗护颖颖脊上的刚毛、叶片和叶鞘外包面边缘上的茸毛、穗轴节片易断性和结实情况来鉴别真假杂种，并计算杂交结实率和成株率。自交结实率和开放授粉的自然结实率均按结实小花占发育小花总数的百分数计算（注：陈佩度，刘大钧：《普通小麦与簇毛麦杂种后代的细胞遗传学研究》。《南京农学院学报》，1982年，第4期。）。

刘大钧和他的科研团队先后选用多种小麦的不同品种作为母本与簇毛麦进行杂交，包括有六倍体普通小麦、二倍体一粒小麦、四倍体二粒小麦、圆锥小麦、硬粒小麦和提莫菲维小麦（注：刘大钧，陈佩度，裴广铮，王耀南：《将簇毛麦种质转移给小麦的研究》。《遗传学报》，1983年，第10卷，第2期。）。

在普通小麦和簇毛麦的杂交试验中，刘大钧团队又选用了9个不同的普通小麦品种做母本。结果发现：其中只有“南农大黑芒”、“宁麦4号”和“湘麦1号”获得了杂交种子和F1存活植株。“扬麦3号”和“宁麦3号”虽获得了少量杂交结实，但F1植株未能存活。“苏麦3号”等其余4个品种均未能杂交成功，与簇毛麦杂交时的这种基因型差异在四倍体物种中亦曾发现。由此可见，即使在同一物种内部不同基因型间也还存在着和簇毛麦杂交的难易差别。

1980年，用普通小麦与簇毛麦杂交成功获得一批杂交后代，该F1植株具有叶片边缘和叶鞘外包面边缘有茸毛，小穗护颖脊上呈簇状分布的刚毛，对白粉病免疫，成熟时穗轴容易折断等簇毛麦所特有的性状。由于F1不育，需要用普通小麦回交方可获得一定结实率。由四倍体小麦所产生的F1用普通小麦回交可获8.19%结实率。第二次与第三次回交结实率分别为6.35%与11.91%，第四次则为13.72%。而由普通小麦所产生的F1用普通小麦回交时结实率可达18.75%，显著高于由四倍体所产生的杂种。第二次回交结实率已提高到35.75%。

回交不仅可使不孕杂种繁衍后代，而且可使其逐步恢复结实能力。由此可见，以普通小麦为原初母本时，杂交结实率虽低于四倍体小麦，但其F1回交结实率与回交后代的开放授粉与自交结实率却明显高于四倍体所产生的杂种，而且其后代恢复结实能力也早。

杂种后代的性状鉴定

刘大钧和他的科研团队为了弄清簇毛麦性状能否转移给小麦，把簇毛麦所特有的颖脊刚毛、叶缘茸毛、穗轴易断和白粉病抗性作为指示性状对杂种后代进行了观察。结果发现，无论以四倍体小麦还是以普通小麦为母本，上述性状在F1均呈显性，这对从形态上辨别杂种真伪十分有利。

F1用普通小麦回交后上述性状即开始分离，随着回交次数的增加这些性状的表达有变弱趋势。一般BC1大部植株仍有颖脊刚毛与叶缘茸毛，穗轴仍易断，对白粉病仍免疫或高抗。至BC2上述刚毛与茸毛已开始变短或消失，穗轴不断和不抗白粉病的个体开始出现，但如在回交各代按上述性状选择，则在BC3或BC4中仍可选到颖脊上保留有短毛和对白粉病免疫或高抗的单株。鉴于所选用的小麦亲本品种对白粉病均表现感染，因此可以断定，上述单株的白粉病抗性只可能来自簇毛麦种质。另外，在这些选择的抗病单株中有不少还不同程度地保留着颖脊刚毛的标志性状，这亦可间接说明在这些回交后代中已被转入了一定的簇毛麦遗传物质。

杂种后代的细胞学分析

刘大钧和他的科研团队在对簇毛麦杂交与回交后代进行性状鉴定之后，进一步进行细胞学鉴定。主要：①采用铁矾-苏木精法或孚尔根法，进行染色体压片，观察根尖细胞有丝分裂中期并进行染色体计数；②用醋酸洋红法或孚尔根法，进行染色体压片，观察花粉母细胞（PMC）减数分裂中期染色体配对行为（注：陈佩度，刘大钧：《普通小麦与簇毛麦杂种后代的细胞学研究》。《南京农学院学报》，1982年，第10卷，第4期。）。

细胞遗传学分析表明：（四倍体小麦×簇毛麦）F1和（普通小麦×簇毛麦）F1的体细胞染色体数分别为21和28，这和理论预期值相符。杂交F1经用普通小麦回交后BC1减数分裂时的单价体数已明显下降，二价体数则大幅度上升。

值得一提的是，1980年刘大钧和他的科研团队曾在（四倍体硬粒小麦“中引1320”×簇毛麦）×普通小麦品种“苏麦3号”授粉后产生的后代中，发现一株散粉良好的可孕BC1植株。该植株有两穗经套袋自交后，其结实率分别为19.5%和72.7%。花粉母细胞减数分裂分析表明，其染色体数为42。而且在80%的PMC减数分裂中期Ⅰ可观察到21个二价体，其余细胞中除占绝大多数的二价体外亦可观察到少量单价体和极个别四价体（注：刘大钧，陈佩度，裴广铮，王耀南：《将簇毛麦种质转移给小麦的研究》。《遗传学报》，1983年，第10卷，第2期。）。从这一植株的减数分裂特征推断，它并非由F1配子与父本普通小麦配子结合所产生，而很可能是由未经减数的雌雄配子融合或未减数雌配子经染色体数自然加倍后产生的。鉴于该植株及其自交后代均具有颖脊刚毛、叶缘茸毛和对白粉病免疫等标志性状，因此可初步判定其为硬粒小麦与簇毛麦间的异源多倍体。

1982年暑假之前，刘大钧团队对簇毛麦的前期研究工作基本结束，近3年的时间忙碌又充实，科研也取得了较大进展，不仅全面鉴定了簇毛麦的性状并发现其高抗白粉病，还积累了丰富的育种经验，发表了一批重要学术论文，获得了一批对白粉病免疫和籽粒蛋白含量高2n=42-44的回交转育高代材料，其中可望鉴定出一批添加系、代换系或易位系。这些成果可谓不小，为其后进一步开展簇毛麦的染色体工程研究打下了坚实的基础。

对簇毛麦的研究，是刘大钧科研生涯一个新的开端，奠定了他其后取得更大科研成果的基础，在簇毛麦抗病研究方面，他不仅一直走在国内同行的前面，而且领先世界。