芒屬植物染色體核型研究進展

鄧果特,劉清波,蔣建雄,易自力

(湖南農業大學生物科學技術學院,長沙 410128)

芒屬是禾本科的多年生 C4類高大草本植物,主要分布于中國、日本、朝鮮半島以及東南亞地區,非洲也有少數種類分布。該植物纖維含量高,具有高光效、生長快、產量高、易繁殖、燃值高且污染少等獨特的優勢。目前,國際上已將它納入到有利用價值和開發前景的“新經濟作物”,被認為是一種開發潛力巨大的生物質能源植物,并正在大力進行開發與利用研究[1,2]。染色體研究是細胞遺傳學研究的重要內容之一,是細胞遺傳的基礎。作為遺傳信息載體的染色體,其數目與形態結構具有物種的特征,對探討物種起源、進化、親緣關系、遠緣雜交不育、孤雌生殖機理等都具有重要意義[3]。

芒屬植物是多年生的異花授粉植物,自然界分布廣,極易雜交。經過長期自然雜交,芒屬植物的遺傳背景十分復雜。目前,關于芒屬植物的染色體數目及核型分析等細胞學研究數據很不完整和系統。因此,對芒屬植物進行核型分析研究,不僅可獲得大量的關于芒屬植物染色體方面的基礎資料,對遺傳育種有重要的指導意義;而且,染色體資料對染色體基因定位、原位雜交和DNA序列的研究等都能起到重要作用。本文根據已有的文獻報道,對國內外芒屬植物染色體核型的研究現狀進行概述,希望對今后的深入研究提供幫助。

1 芒屬植物染色體制備

目前植物類染色體制片技術主要有常規壓片法和去壁低滲法兩種。常規壓片法由 Belling于 1921年創立,是最傳統的制片方法,對植物染色體研究工作起了至關重要的作用。去壁低滲法是Kurata[4]于1978年提出的,并獲得了清晰的水稻染色體制片,其后,陳瑞陽等[5]對該方法進行了多次改進。

1.1 取材

準確的取材是染色體制片成功的關鍵。可用于染色體制片的材料有植物的根尖、莖尖、幼葉、幼小花蕾以及愈傷組織。由于根尖取材方便、分生區集中容易判斷、不受季節影響,被普遍認為是最好的制片材料[6]。

1.2 預處理

染色體制片過程中要達到分裂相多、染色體長短適宜且分散良好,關鍵在于預處理液的選擇與預處理時間的掌握。陳少風等[7,8]采用了飽和對二氯苯水溶液在室溫下預處理 2～ 3 h,卡諾固定液固定 12～24 h的方法。杜鳳等[9]研究了芒屬植物染色體制片過程中的幾個關鍵步驟,采用預處理液為 0.2%秋水仙素+0.002 mol/L 8-羥基喹啉混合溶液,常溫下處理2 h;卡諾氏固定液在4℃下固定20 h的方法。這樣,混合預處理液既發揮了秋水仙素累積分裂中期相的高效性,又保持了 8-羥基喹啉能使染色體清晰,便于觀察的特點。

1.3 染色體制備

通過預處理及固定后,由于芒屬植物的纖維含量很高,可適當進行酸解與酶解的處理,再進行染色、制片等程序,以便獲得更好的分裂相。陳少風等[7,8]采用1 mol/L鹽酸于60℃下解離 10～ 15 min,蘇木精染色,常規壓片。杜鳳等[9]采用 1 mol/L鹽酸在 60℃下處理 15 min,再用 2%纖維素酶在 28℃下處理 1 h;再固定,壓片,用改良卡寶品紅染色。適當進行酸解與酶解的處理,可使細胞較好的軟化,易于壓片。

2 芒屬植物染色體核型分析

染色體核型分析是分析生物體細胞分裂中期內染色體的數目、大小、形態、長度、著絲點位置、臂比、隨體大小等特征。染色體是生物遺傳信息的重要載體,其數目與形態具有保守性,在一定程度上保持著種間生殖隔離與物種整合性。在生物屬間、種間、種內,染色體有著不同程度的分化,這也為探討屬間和種間的進化關系以及種內變異提供了依據,因此研究芒屬植物的核型,對于芒屬植物的分類地位及演化等有著重要的意義。

2.1 芒屬植物染色體數目

目前國內外關于芒屬植物染色體方面的報道并不多。對芒屬植物染色體數目進行研究的有 Hunter[10]報道 2n= 42,染色體基數x= 7;Tateoka[11]報道 2n=40,x= 10;Darlington和Wylie[12]報道日本五節芒的染色體基數x=14;Adati等[13,14]報道日本產五節芒的染色體數目 2n=38;Hirayoshi等[15]報道日本產芒(Miscanthus sinensis)的染色體數目 2n= 38;Wikberg[16]認為東亞起源的芒屬植物的染色體基數x=19;Lafferty和 Lellery[17]報道 2n=38,57;蔡青等報道云南的芒的體細胞染色體 2n=60[18]。

以上所報道的芒屬植物體細胞染色體數目與基數在一定程度上存在差異,造成染色體數目不同的原因可能是在染色體制片、配對與數據分析過程中由于分析技術不同或者某些人為因素導致的錯誤,如,鏡檢時,染色體易發生重疊或者多個細胞染色體組合在一起等,都會造成染色體數目不同,標本鑒定的正確與否也需進一步證實,因此最后的結論必須來自廣泛取樣。目前,芒屬植物體細胞染色體數目2n=38,57,染色體基數x= 19報道較多見,我們推測芒屬植物染色體基數可能是x= 19。

2.2 芒屬植物染色體核型

對芒屬植物的核型分析的報道有:Lefferty和Lellery[17]報道了歐洲一個栽培雜種奇崗的核型,2n=57,由中部或近中部著絲粒染色體組成,無近端部或端部著絲粒染色體,第一對染色體為隨體染色體;何立珍等[19]分析了湖南沅江南荻的一個變種突節荻的核型,2n=38,有11對染色體為中部著絲粒(m),4對染色體為近中著絲粒(Sm),1對染色體為近端著絲粒(St),3對染色體為端著絲粒(T),而 5號和8號為兩對隨體染色體;除3號和13號染色體對稱外,其余均不對稱,且 14～ 19號染色體不對稱程度很高,核型屬于Stebbin的 2B類型。陳少風等[7,8]對江西的芒和五節芒,以及江西、安徽、湖南、山東等地的荻做了核型分析,染色體數目 2n= 38,x= 19,芒和五節芒的核型屬于2B型,由中部著絲粒染色體和近中部著絲粒染色體所組成,并根據染色體性狀分析得出,芒的核型比五節芒的核型更原始。郝明明等[20]對由芒草種子人工培育成的苗做了核型分析,染色體數目 2n= 48,x=24,核型屬于2C型。杜鳳等[9]研究建立了較成熟的核型分析技術體系,并對廣西柳州的芒進行了核型分析,染色體數目 2n= 38,x= 19,核型屬于 2B型。Stebbins(1971)認為,在植物界,核型進化的基本趨勢,是由對稱向不對稱發展的,系統演化上處于比較古老或原始的植物,大多具有較對稱的核型,而不對稱的核型則常見于衍生的或進化較高級的植物中。據以上所報道的芒屬核型資料來看,絕大部分芒屬植物都屬于“2B”型,是一種不對稱程度較高的染色體組。其中郝明明等[20]報道芒的核型不對稱程度更高,屬于“2C”型。因此,芒屬植物在進化程度上屬于較進化類型。

長期以來,染色體核型分析的步驟一直是顯微攝影、放大、剪裁分組、排列、黏貼、復制成核型照片[21],這種方法耗時比較長而且容易出錯。國外推出的一種全自動染色體分析系統,但價格昂貴,而且只涉及人體染色體研究領域[22]。目前,比較簡便的方法是利用圖像處理軟件 Adobe Photoshop進行核型分析。周勁松等[23]利用圖像處理軟件Adobe Photoshop進行蘆筍核型分析,成功摸索出一套快捷的染色體核型分析方法,并取得了較為滿意的效果,這種方法也同樣適用于芒屬植物的染色體分析。

2.3 芒屬植物染色體帶型

染色體顯帶(chromosome banding)是一項借助某些特殊的染色程序使染色體在一定部位內顯現出深淺不一的帶紋的細胞學技術[24]。該技術始于瑞典科學家Caspersson等人的開拓性工作[25]。他們用熒光染料氮芥喹吖因(Quinacrine Mustard,QM)處理染色體標本,使染色體的不同部位分化染色,顯示出明暗交替的熒光帶紋(Q帶)。此后,Pardue等人又用熱、堿、鹽、胰蛋白酶、尿素等預先處理標本后經Giemsa染色得到了Giemsa帶(G帶)[26]。以這些發現為開端,人們采用不同的物理化學方法,先后發明了研究染色體的 C-帶、T帶、R帶、N帶等的技術[27]。核仁組織區(NOR)染色的硝酸銀染色法,稱之為 Ag-As染色法,可使 NOR區優先染得很深[28,29]。在植物中,染色體 C-帶技術應用最多,也最有使用價值,各種改進的 C-帶流程也最多,積累了比較豐富的經驗[30]。目前關于芒屬植物染色體顯帶技術的應用尚未見報道。

3 建議與展望

染色體研究已經為遺傳育種提供了理論依據和實踐指導。目前,關于芒屬植物核型方面的資料還很少。染色體核型分析根據染色體的形態來進行本身就存在許多局限性,比如對形態相似、大小相近、較小染色體不好區別。因此可以在核型分析的基礎上進行顯帶研究,開展熒光原位雜交技術在芒屬植物中的應用,進行基因定位、染色體變異及種間與種內雜交的研究。還可以開展多倍體研究來指導芒屬植物的育種。由于多倍體的生長優勢、適應能力、群體產量及抗病力等各方面都明顯比二倍體具有優勢,因此多倍體育種對芒屬植物的研究具有重要意義。隨著計算機技術的發展,越來越多的核型分析軟件被開發出來。制片、拍照、人工剪貼染色體配對的時代已經過去了,功能強大的核型分析軟件將應用于染色體核型研究上,將研究人員從煩瑣的手工工作中解脫出來而且工作快速準確。

[1]劉 亮.芒荻類植物的開發和利用[J].植物雜志,2001,(3):12-13.

[2]劉 亮,朱 明,朱太平.芒荻屬植物資源的開發和利用[J].自然資源學報,2001,6(16):562-563.

[3]李艷紅,董文甫,李艷軍,等.染色體技術研究進展 [J].2006,(9):45-48.

[4]Kurata N.Karyotope analysis in Rice Jap[J].Genetics,1978,53:251.

[5]陳瑞陽,宋文芹,李秀蘭.植物有絲分裂染色體標本制作的新方法 [J].植物學報,1979,21(3):297-298.

[6]李懋學,張贊平.作物染色體及其研究技術 [M].北京:中國農業出版社,1996.23-38.

[7]陳少風,何 俊,周樸華,等.芒和五節芒的核型研究 [J].江西農業大學學報,2008,(1):123-126.

[8]陳少風.荻屬系統學研究 [D].長沙:湖南農業大學 ,2007.

[9]杜 鳳,蔣建雄,盧玉飛,等.芒屬植物核型分析技術體系建立[J].現代生物醫學進展,2009,9(10):1878-1880.

[10]Hunter.A karyosystematic investigation in the Gramineae[J].Canad Jour Res,1930,11:213-241.

[11]Tateoka.Somatic chromosomes of some species[J].Cytologia,1954,19:317-328.

[12]Darlington CD,Wylie AP.Chromosome atlasof flowering plants[M].London:George Allen and Unwin Ltd,1956.422.

[13]Adati S,Shiotani I.Wild growing forage plants of the Far East,especially Japan,suitable for breeding purposes I.Karyological study inMiscanthus[J].Bull Fac Agric Mie Univ,1956,12:1-10.

[14]Adati S.Studies on the genusMiscanthuswith special reference to the Japanese species suitable for breeding purpose as fodder crop[J].Bull Fac Agric Mic Univ,1958,17:111-112.

[15]Hirayoshi I,Nishikawa K,Kubono M.Cyto-genetical studieson forageplantsⅣ.On thechromosome number of Ogi(Miscanthus saccharif lorus)[J].Res Bull Fac Agr Gifu Univ,1957,8:8-13.

[16]Wikberg S.The genusMiscanthus,a summy of available literature[M].Sweden:Project Agro- fibre,1990.

[17]Lefferty J,Lellery T.Cytogenetic studies of differentMiscanthusspecies with potential for agricultural use[J].Plant Breeding,1994,113:246-249.

[18]蔡 青,文建成,范源洪.甘蔗屬及其近緣植物的染色體分析 [J].西南農業學報,2002,15(2):16-19.

[19]何立珍,李愛華,劉選明,等.南荻的染色體核型模式[J].湖南農業大學學報,1996,22(5):461-465.

[20]郝明明,杜小春,陳 菽,等.芒草染色體核型分析 [J].安徽農業科學,2010,38(1):123-130.

[21]蔣姍姍,梁英民,王作軍.利用個人電腦系統及Photoshop軟件進行核型分析[J].第四軍醫大學學報,2000,21(7):860.

[22]沈 忱,羅 軍,孟文珍,等.10442例孕中期孕婦胎兒唐氏綜合征的篩查分析[J].檢驗醫學,2007,18(1):23-26.

[23]周勁松,蘇小波,湯泳萍,等.利用 Photoshop進行蘆筍核型分析的研究 [J].江西農業學報,2009,21(2):73-75.

[24]趙麗娟,李集臨.植物染色體 C-分帶和原位雜交的研究應用 [J].哈爾濱師范大學學報(自然科學版),2004,20(5):86-88.

[25]Caspersson T,Farber S,Foley GE.Chemical differentiation along metaphase chromosomes[J].Exptl Cell Res,1968,49:219.

[26] Pardue M L,GallJG.Chromosomal localization of mouse satellite DN A[J].Science,1970,168:1356.

[27]李 寧.動物遺傳學 [M].北京:中國農業出版社,2003.

[28]韓玉珉.核仁和核仁染色質 [J].細胞生物學雜志,1981,3(4):5-9.

[29]Goodpasture C,Bloom SE.V isualisation of nucleo-lar organizer regons in mammalian chromosomes usingsilver staining[J].Chromosoma,1975,53:37-50.

[30]張毓芳,袁妙葆.大麥染色體分帶技術的研究和利用[J].大麥科學 ,1994,13:1-4