减数分裂同源染色体配对异常导致油菜种内杂交产量劣势的机制研究及种质创新

Intraspecific hybrids exist the phenomena both heterosis and genetic incompatibilities. Understanding the mechanism of genetic incompatibility can not only deepen our comprehension of reproductive isolation and speciation, but also avoid the negative factors of intraspecific crosses, and full utilization heterosis. During the studies of the hybrid process between cultivated Brassica napus, we found that the homologous chromosomes did not pair with high ratio at meiotic metaphase I and chromosomes mis-segregated at meiotic metaphase I in the F1 hybrids, which leaded to the formations of aneuploid gametes. The seed yields and the pollen activities were significantly reduced in F1 hybrids. Most offspring of the hybrids were aneuploidy and showed new phenotypic traits. In this project we will investigate the causes of homologous chromosome un-pairing at meiotic metaphase I, and understand the mechanism of genetic incompatibilities using the techniques of modern cytogenetics and molecular biology. The completion of this project will significantly improve our knowledge about genetic incompatibilities in intraspecific crosses of B. napus.

种内杂交有杂交优势也存在遗传不兼容现象。对遗传不兼容机理研究，不仅可加深对生殖隔离和物种形成的理解，而且可规避种内杂交的负面因素，充分利用杂种优势。在栽培甘蓝型油菜种内杂交过程中，申请者利用染色体精确辨认技术发现杂交F1植株减数分裂中期I发生同源染色体不配对和减数分裂后期I染色体错分离，导致非整倍体配子形成，结实率显著减少和花粉活性的降低。以及后代出现非整倍体和新的表型性状。本项目将利用现代细胞遗传学和分子生物学技术，通过对减数分裂各时期进行染色体精确识别和观察，寻找引起减数分裂同源染色体不配对和分离异常的原因，了解同源染色体不配对引起遗传不兼容的发生机制。本项目的完成将有助于增进种内杂交遗传不兼容现象的理解。

种内杂交有杂交优势也存在遗传不兼容现象。但对遗传不兼容形成机理不完全清楚。在栽培甘蓝型油菜种内杂交过程中，我们发现杂交F1植株出现结实率显著减少和花粉活性的降低的现象，即种内杂交劣势。利用建立的染色体精确辨认技术，我们发现杂交F1植株减数分裂中期I发生了高比例的同源染色体不配对，且同源染色体不配对存在染色体特异性；后期I出现了多种染色体错分离，特别是高比率的姊妹染色体单体过早分离；使得产生的配子细胞都是非整倍体。因此，这些非整倍体配子细胞的形成导致了花粉活性降低和结实率下降。参照亲本自然多倍体减数分裂行为相对稳定，结实率高，人工合成多倍体也存在花粉活性降低和结实率下降的现象，减数分裂行为分析发现，人工合成多倍体减数分裂行为异常主要是由部分同源染色体配对和含45S rDNA位点的非同源染色体配对引起的，自然多倍体和人工合成多倍体的同源染色体均接近100%配对，后期I均出现极低且相似比率（小于2%）的姊妹染色体单体过早分离。进一步染色体BAC-FISH分析发现杂交F1没有发生染色体变异，排除了同源染色体不配对是染色体变异引起的因素。我们的研究证实同源染色体不配对和非整倍体配子细胞的形成导致了杂交F1植株的花粉活性降低和结实率下降，即同源染色体不配对可引起种内杂交劣势。本研究对杂交劣势和遗传不兼容形成机理研究方面提出了新思路。