芒屬植物染色體核型研究進(jìn)展

鄧果特,劉清波,蔣建雄,易自力

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)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(qū),非洲也有少數(shù)種類分布。該植物纖維含量高,具有高光效、生長快、產(chǎn)量高、易繁殖、燃值高且污染少等獨(dú)特的優(yōu)勢。目前,國際上已將它納入到有利用價值和開發(fā)前景的“新經(jīng)濟(jì)作物”,被認(rèn)為是一種開發(fā)潛力巨大的生物質(zhì)能源植物,并正在大力進(jìn)行開發(fā)與利用研究[1,2]。染色體研究是細(xì)胞遺傳學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,是細(xì)胞遺傳的基礎(chǔ)。作為遺傳信息載體的染色體,其數(shù)目與形態(tài)結(jié)構(gòu)具有物種的特征,對探討物種起源、進(jìn)化、親緣關(guān)系、遠(yuǎn)緣雜交不育、孤雌生殖機(jī)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(jīng)過長期自然雜交,芒屬植物的遺傳背景十分復(fù)雜。目前,關(guān)于芒屬植物的染色體數(shù)目及核型分析等細(xì)胞學(xué)研究數(shù)據(jù)很不完整和系統(tǒng)。因此,對芒屬植物進(jìn)行核型分析研究,不僅可獲得大量的關(guān)于芒屬植物染色體方面的基礎(chǔ)資料,對遺傳育種有重要的指導(dǎo)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(jù)已有的文獻(xiàn)報道,對國內(nèi)外芒屬植物染色體核型的研究現(xiàn)狀進(jìn)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(shù)主要有常規(guī)壓片法和去壁低滲法兩種。常規(guī)壓片法由 Belling于 1921年創(chuàng)立,是最傳統(tǒng)的制片方法,對植物染色體研究工作起了至關(guān)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(jìn)行了多次改進(jìn)。

1.1 取材

準(zhǔn)確的取材是染色體制片成功的關(guān)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(qū)集中容易判斷、不受季節(jié)影響,被普遍認(rèn)為是最好的制片材料[6]。

1.2 預(yù)處理

染色體制片過程中要達(dá)到分裂相多、染色體長短適宜且分散良好,關(guān)鍵在于預(yù)處理液的選擇與預(yù)處理時間的掌握。陳少風(fēng)等[7,8]采用了飽和對二氯苯水溶液在室溫下預(yù)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(guān)鍵步驟,采用預(yù)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(yù)處理液既發(fā)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(diǎn)。

1.3 染色體制備

通過預(yù)處理及固定后,由于芒屬植物的纖維含量很高,可適當(dāng)進(jìn)行酸解與酶解的處理,再進(jìn)行染色、制片等程序,以便獲得更好的分裂相。陳少風(fēng)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(guī)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(dāng)進(jìn)行酸解與酶解的處理,可使細(xì)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(xì)胞分裂中期內(nèi)染色體的數(shù)目、大小、形態(tài)、長度、著絲點(diǎn)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(shù)目與形態(tài)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(nèi),染色體有著不同程度的分化,這也為探討屬間和種間的進(jìn)化關(guān)系以及種內(nèi)變異提供了依據(jù),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(shù)目

目前國內(nèi)外關(guān)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(shù)目進(jìn)行研究的有 Hunter[10]報道 2n= 42,染色體基數(shù)x= 7;Tateoka[11]報道 2n=40,x= 10;Darlington和Wylie[12]報道日本五節(jié)芒的染色體基數(shù)x=14;Adati等[13,14]報道日本產(chǎn)五節(jié)芒的染色體數(shù)目 2n=38;Hirayoshi等[15]報道日本產(chǎn)芒(Miscanthus sinensis)的染色體數(shù)目 2n= 38;Wikberg[16]認(rèn)為東亞起源的芒屬植物的染色體基數(shù)x=19;Lafferty和 Lellery[17]報道 2n=38,57;蔡青等報道云南的芒的體細(xì)胞染色體 2n=60[18]。

以上所報道的芒屬植物體細(xì)胞染色體數(shù)目與基數(shù)在一定程度上存在差異,造成染色體數(shù)目不同的原因可能是在染色體制片、配對與數(shù)據(jù)分析過程中由于分析技術(shù)不同或者某些人為因素導(dǎo)致的錯誤,如,鏡檢時,染色體易發(fā)生重疊或者多個細(xì)胞染色體組合在一起等,都會造成染色體數(shù)目不同,標(biāo)本鑒定的正確與否也需進(jìn)一步證實,因此最后的結(jié)論必須來自廣泛取樣。目前,芒屬植物體細(xì)胞染色體數(shù)目2n=38,57,染色體基數(shù)x= 19報道較多見,我們推測芒屬植物染色體基數(shù)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(jié)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(fēng)等[7,8]對江西的芒和五節(jié)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(shù)目 2n= 38,x= 19,芒和五節(jié)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(jù)染色體性狀分析得出,芒的核型比五節(jié)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(shù)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(shù)體系,并對廣西柳州的芒進(jìn)行了核型分析,染色體數(shù)目 2n= 38,x= 19,核型屬于 2B型。Stebbins(1971)認(rèn)為,在植物界,核型進(jìn)化的基本趨勢,是由對稱向不對稱發(fā)展的,系統(tǒng)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(jìn)化較高級的植物中。據(jù)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(jìn)化程度上屬于較進(jìn)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(fù)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(tǒng),但價格昂貴,而且只涉及人體染色體研究領(lǐng)域[22]。目前,比較簡便的方法是利用圖像處理軟件 Adobe Photoshop進(jìn)行核型分析。周勁松等[23]利用圖像處理軟件Adobe Photoshop進(jìn)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(nèi)顯現(xiàn)出深淺不一的帶紋的細(xì)胞學(xué)技術(shù)[24]。該技術(shù)始于瑞典科學(xué)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(biāo)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(yù)先處理標(biāo)本后經(jīng)Giemsa染色得到了Giemsa帶(G帶)[26]。以這些發(fā)現(xiàn)為開端,人們采用不同的物理化學(xué)方法,先后發(fā)明了研究染色體的 C-帶、T帶、R帶、N帶等的技術(shù)[27]。核仁組織區(qū)(NOR)染色的硝酸銀染色法,稱之為 Ag-As染色法,可使 NOR區(qū)優(yōu)先染得很深[28,29]。在植物中,染色體 C-帶技術(shù)應(yīng)用最多,也最有使用價值,各種改進(jìn)的 C-帶流程也最多,積累了比較豐富的經(jīng)驗[30]。目前關(guān)于芒屬植物染色體顯帶技術(shù)的應(yīng)用尚未見報道。

3 建議與展望

染色體研究已經(jīng)為遺傳育種提供了理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。目前,關(guān)于芒屬植物核型方面的資料還很少。染色體核型分析根據(jù)染色體的形態(tài)來進(jìn)行本身就存在許多局限性,比如對形態(tài)相似、大小相近、較小染色體不好區(qū)別。因此可以在核型分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行顯帶研究,開展熒光原位雜交技術(shù)在芒屬植物中的應(yīng)用,進(jìn)行基因定位、染色體變異及種間與種內(nèi)雜交的研究。還可以開展多倍體研究來指導(dǎo)芒屬植物的育種。由于多倍體的生長優(yōu)勢、適應(yīng)能力、群體產(chǎn)量及抗病力等各方面都明顯比二倍體具有優(yōu)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(jī)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的核型分析軟件被開發(fā)出來。制片、拍照、人工剪貼染色體配對的時代已經(jīng)過去了,功能強(qiáng)大的核型分析軟件將應(yīng)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(zhǔn)確。

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