假高粱、黑高梁和高粱細胞學指標比較及其生態學意義

鄒滿鈺, 李　娜, 郭水良, 印麗萍

(1.上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234;2.上海出入境檢驗檢疫局 動植物與食品檢驗檢疫技術中心,上海 200234)

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假高粱、黑高梁和高粱細胞學指標比較及其生態學意義

鄒滿鈺1, 李娜1, 郭水良1, 印麗萍2

(1.上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234;2.上海出入境檢驗檢疫局 動植物與食品檢驗檢疫技術中心,上海 200234)

假高粱(Sorghum halepense (L.)Pers.)是世界十大惡性雜草之一.黑高粱(S.almumParodi)和高粱(S.bicolor(L.)Moench)是假高粱的兩種近緣種,其中黑高粱有入侵性,高粱則為栽培植物,不表現出入侵性.為了解影響植物入侵能力的生物學因素,比較了高粱屬3種植物根尖分生組織細胞的染色體、細胞核、細胞大小和細胞有絲分裂指數.結果表明,高粱染色體平均投影面積最大,其次是黑高粱,假高粱的最小;就細胞和細胞核大小而言,都是高粱最大、其次是黑高粱和假高粱;在25～35 ℃的溫度范圍內,高粱根尖分生區細胞的有絲分裂速率最低,假高粱的最高.3種植物的種子(穎果)以高粱最大,黑高粱和假高粱的顯著小,幼苗相對生長速率以高粱最小,假高粱的最高.3種植物的細胞分裂速率與其染色體、細胞核、細胞和種子大小存在顯著相關,表明入侵性植物往往具有較小的分生組織細胞、細胞核和種子,但是有相對高的細胞分裂速率和幼苗相對干重.因此,根尖分生組織細胞學指標在高粱屬植物入侵能力評估上有潛在應用價值.

假高粱; 黑高粱; 高粱; 細胞學指標; 生態學意義

0　前　言

隨著我國對外交流的增加,外來植物引種和傳入的機會加大,導致了外來植物入侵問題的日益嚴重[1-2].目前首要的工作是要迅速建立我國的外來入侵植物體系,提高對外來植物的預警能力[3].解決外來植物入侵的一個核心問題是如何判定植物的入侵性.

許多研究表明,基因組大小與植物的入侵性密切相關[4-8].Chen等[7]統計了世界范圍內3 676種被子植物的核DNA含量與入侵性的關系,發現在大多數類群中,基因組小的植物,其入侵性就高.因此,基因組大小是評估植物入侵能力的一個重要指標.

DNA在決定表型變異中有重要作用,可能與植物的生態適應間存在某種關系[9].例如,Bennett等[10]通過比較14種植物根尖細胞有絲分裂中期染色體總體積與DNA含量間的關系,發現其呈正相關;Baetcke等[11]通過比較30種草本被子植物平均頂端分生組織細胞核體積跟DNA含量間的關系,發現DNA含量高的物種的細胞普遍較大;Van′tHof等[12]通過比較溫度為23 ℃時生長的6種被子植物根尖細胞最短有絲分裂周期時間與DNA含量間的關系,發現核DNA含量跟細胞有絲分裂周期持續時間呈正相關;Bennett等[13]通過比較溫度為20 ℃時生長的18種二倍體被子植物減數分裂持續時間與DNA含量間的關系,其存在密切的正相關性;在蔥屬(Allium)、野碗豆屬(Vicia)、還陽參屬(Crepis)中[14-15],24種英國豆科植物,以及32種英國產的草本植物[16],其DNA含量跟種子重量之間也有極大的正相關關系.

由于測定基因組大小需要昂貴的儀器設備和試劑費用.高粱屬的假高粱和黑高粱均屬于外來入侵性雜草,而與其同一屬的高粱則屬于典型的農作物(非雜草).以此3種植物所謂實驗材料,通過測定入侵種與非入侵種的染色體大小、細胞核大小、細胞大小、細胞有絲分裂指數和幼苗生長速率,可以進行有關入侵性的比較研究實驗來研究細胞繁殖生物學性狀和植物入侵性的內在關聯性,從而為植物入侵性評估提供新的指標.

1　材料與方法

1.1實驗材料

實驗材料假高粱、黑高梁和高粱種子由上海出入境檢驗檢疫局動植物與食品檢驗檢疫技術中心實驗室提供.實驗開始前,種子于室內干燥通風處晾干,并保存于紙袋內,室內保存.每種種子隨機挑取100粒稱重,重復5次,以測定各個物種種子的千粒重.

1.2實驗方法

1.2.1細胞、細胞核、染色體大小以及有絲分裂指數的測定

首先將種子置入墊有2層濾紙的培養皿中,加入適量的蒸餾水,然后放入不同溫度設定的光照培養箱中培養(光照時間和黑暗時間各12h).待幼苗根長至1～2cm時取出幼苗,挑取粗壯根尖洗凈后用普通壓片法制作根尖臨時裝片.預實驗結果顯示,對于高粱屬3個物種而言,上午10:00取材較為理想,并且低溫預處理效果較好.因此3種材料的取材時間均為上午10:00,然后放入溫度為4 ℃的冰箱中進行預處理,處理時間為24h,再用卡諾氏溶液固定2～24h,取出材料,用蒸餾水洗凈后放入解離液(95%乙醇(V):濃鹽酸(V)=1∶1)解離15min,再用蒸餾水漂洗干凈.之后用改良石炭酸品紅溶液染色30～40min,制作根尖臨時裝片[17],在Motic數字顯微鏡DMB1.223(MoticLtd.Crop.中國)下鏡檢.每個物種選取15個能觀察到處于細胞分裂中期,染色體清晰、分散的細胞,放在100倍鏡下拍照.同時對于每個物種在100倍鏡下各取500個分生區細胞和細胞核拍照.其中細胞和細胞核大小的比較實驗總共設置低溫、8-羥基喹啉和飽和對二氯苯3個預處理條件.

對每個物種而言,分別制作于25、30和35 ℃下培養的根尖染色體的臨時裝片用于統計有絲分裂指數.處理時每種挑選10個細胞分散、分生區清晰的根尖在40倍鏡下連續拍攝10張照片,統計有絲分裂指數(前期、中期和后期細胞數/分生區細胞總數).

分別挑取高粱屬3個物種的10個處于有絲分裂中期、染色體較為分散而清晰的細胞,統計計算染色體總投影面積和平均投影面積(MCH).

1.2.2幼苗生長的測定

挑選顆粒飽滿的種子,進行萌發實驗.種子先用蒸餾水洗滌3次,然后每個處理選取50顆,采用紙碟法[18],于POX多段可編程光照培養箱恒溫(20、25、30 ℃)培養(光照12h,黑暗12h).培養皿直徑9cm,每個處理設立3個重復.從培養皿中的種子萌發率到達30%后開始,統一挑出30顆已經萌發出來的種子,放在對應的溫度中培養形成幼苗,培養2周后烘干稱重.

1.2.3數據處理

采用SPSS10.0統計軟件中的one-wayANOVA模塊進行單因素方差分析,采用LSD方法進行多重比較.方差不整齊時,首先對數據進行對數轉換或者開平方根-反正弦轉換[19].

2　結　果

2.1染色體和種子大小

高粱屬3種植物無論是染色體平均投影面積和種子千粒重都有顯著差異.就染色體大小而言,黑高粱最大,假高粱次之,最后是高粱(表1).其中,假高粱和黑高粱是四倍體,高粱是二倍體.然而,就染色體平均投影面積而言,高粱的最大,然后是黑高粱,假高粱的最小;種子千粒重而言,高粱最大,然后是黑高粱,假高粱.總體上,高粱的染色體平均投影面積和種子千粒重要比假高粱和黑高粱的大.

表1　高粱屬3種植物染色體和種子大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無顯著差異.

2.2不同預處理條件下的細胞和細胞核大小

高粱屬3種植物在低溫、8-羥基喹啉和飽和對二氯苯3個預處理條件下,就細胞和細胞核大小而言,都是高粱最大、然后是黑高粱和假高粱(表2～3).

表2　高粱屬3種植物不同預處理條件下細胞核大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無顯著差異.

表3　高粱屬3種植物不同預處理條件下細胞大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無顯著差異.

2.3不同溫度下的有絲分裂指數

在25～35 ℃的溫度范圍內,高粱的根尖分生區細胞的有絲分裂指數都是最小的;假高粱的有絲分裂速率在各個溫度條件下都是最高的(表4).表4顯示總體上隨著細胞核的增大,根尖分生區細胞的有絲分裂速率下降.

表4　高粱屬3種植物不同溫度下有絲分裂指數

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無顯著差異.

2.4幼苗生長速度的比較研究

隨著溫度從20～30 ℃,假高粱和黑高梁幼苗生長14d之后的幼苗相對干重(幼苗相對干重=幼苗干重/種子千粒重)也相應上升,之后隨著溫度的升高而下降,幼苗生長14d之后的相對干重在30 ℃時達到最高;高梁幼苗相對干重在25 ℃時達到最高,高于或低于該溫度其相對干重都有所下降(表5).

從表5可以發現,高梁的幼苗生長14d之后的相對干重在25 ℃時達到最高,假高粱和黑高粱則的相對干重在30 ℃時達到最高.這反映出高粱屬的這兩種雜草與作物的幼苗生長對溫度的反應是不同的.

表5　假高粱、黑高粱、高梁于不同溫度下生長14 d后的幼苗相對干重

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無顯著差異.

3　結　論

入侵性強的植物往往具有較小的基因組[7].本研究中黑高粱、假高粱和高粱的基因組大小分別為 0.8188、0.8363和0.9050pg[20].通過對假高粱和高粱細胞學指標的比較,發現基因組大小和染色體平均投影面積、細胞核大小、細胞大小,以及種子重量之間呈正相關,與幼苗的相對重量呈負相關關系.

入侵性強的植物往往具有相對高的幼苗生長速率,即單位時間內幼苗的相對生物量較大,使它們在生活史的“起步”階段處于競爭上的優勢.在25和30 ℃條件下,假高粱的相對幼苗生物量極顯著地高于高粱.生活史短、產生量大、適應遠距離傳播的[6,21-23]性狀可以增強植物的入侵性.高粱的種子千粒重極顯著地大于入侵性強的假高粱和黑高粱.

基因組大小上的變異主要是由非基因DNA部分所造成的.這說明核DNA可以通過兩種途徑影響生物的表型:第一種是通過核DNA遺傳物質的表達;第二種是通過核DNA本身的重量及體積的物理作用影響.有人將核DNA不依賴其編碼信息來影響表型的狀況定義“核型”,顯然,細胞大小、體積、重量及發育速率跟核DNA含量變化間的關系部分可能是由“核型”引起的[9].

本研究豐富了植物基因組大小影響植物入侵能力的生物學機理研究內容.同時也驗證了植物根尖分生組織的細胞學指標在植物入侵能力評估上具有潛在的應用價值,至少在部分類群中適用,例如高粱屬.Chen等[7]指出應用基因組大小評估植物的入侵能力,在不少類群中有潛在應用價值,但是并不適合于所有的類群.應用植物根尖細胞學指標進行入侵能力的評估,也可能局限于某些類群.因此,需要開展更多的工作來了解根尖分生組織細胞學指標對植物入侵評估的普適性.

[1]強勝,曹學章.中國異域雜草的考察與分析 [J].植物資源與環境學報,2000,9(4):34-38.

QiangS,CaoXZ.SurveyandanalysisofexoticweedsinChina[J].JournalofPlantResources&Environment,2000,9(4):34-38.

[2]LiZY,XIEY.InvasivealienspeciesinChina,Beijing[M].Beijing:ChinaForestPublishingHouse,2002.

[3]桑衛國.我國外來雜草入侵特點的初步分析 [J].中國農業科技導報,2002,4(5):59-61.

SangWG.PrimaryanalysisofinvasivecharacteristicsofalienweedsinChina[J].ReviewofChinaAgriculturalScienceandTechnology,2002,4(5):59-61.

[4]郭水良,陳國奇,毛俐慧.DNAC-值與被子植物入侵性關系的數據統計分析 [J].生態學報,2008,28:3698-3705.

GuoSL,ChenGQ,MaoLH.RelationshipbetweenDNAC-valueandinvasivenessin539angiospermspeciesinChina[J].ActaEcologicaSinica,2008,28:3698-3705.

[5]RejmánekM.Atheoryofseedplantinvasiveness:Thefirstsketch[J].BiologicalConservation,1996,78(1-2):171-181.

[6]BennettMD,LeitchIJ,HansonL.DNAamountsintwosamplesofangiospermweeds[J].AnnalsofBotany,1998,82(12):121-134.

[7]ChenGQ,GuoSL,YinLP.ApplyingDNAC-valuestoevaluateinvasivenessofangiosperms:validityandlimitation[J].BiologicalInvasions,2010,12(5):1335-1348.

[8]Leicht-YoungSA,JrSilanderJA,LatimerAM.ComparativeperformanceofinvasiveandnativeCelastrusspeciesacrossenvironmentalgradients[J].Oecologia,2007,154(2):273-282.

[9]BenettMD.Variationingenomicforminplantsanditsecologicalimplications[J].NewPhytologist,1987,106(s1):177-200.

[10]BennettMD,Heslop-HarrisonJS,SmithJB,eta1.DNAdensityinmitoticandmeioticmetaphasechromosomesofplantsandanimals[J].JournalofCellScience,1983,63(9):173-179.

[11]BaetckeKP,SparrowAH,NaumannCH,eta1.TherelationshipofDNAcontenttonuclearandchromosomevolumesandradiosensitivity(LD50) [J].ProceedingstheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,1967,58(2):533-540.

[12]Van′THofJ,SparrowAH.ArelationshipbetweenDNAcontent,nuclearvolume,andminimumcellcycletime[J].ProceedingoftheNationalAcademyofSciences,1963,49(6):897-902.

[13]BennettMD,HarberdDJ.Thetimeanddurationofmeiosis[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondonB,1977,277(955):201-226.

[14]BennettMD.Thedurationofmeiosisinpollenmothercellsofwheat,ryeandtriticale[J].ProceedingstheRoyalSocietyofLondonB,1972,178(1052):259～275.

[15]JonesRN,BrownLM.ChromosomeevolutionandDNAvariationinCrepis[J].Heredity,1976,36(1):91-104.

[16]MowforthMAG.VariationinnuclearDNAamountsinfloweringplants:anecologicalanalysis[D].Sheffield,UK:UniversityofSheffield,1985.

[17]NaranjoCA,FerrariMR,PalermoAM,etal.Karyotype,DNAcontentandmeioticbehaviourinfiveSouthAmericanspeciesofVicia(Fabaceae) [J].AnnalsofBotany,1998,82(6):757-764.

[18]倪麗萍,郭水良.論DNAC-值與植物入侵性的關系 [J].生態學報,2005,25(9):2372-2381.

NiLP,GuoSL.ReviewonrelationshipbetweeninvasivenessofplantsandtheirDNAC-value[J].ActaEcologicaSinica,2005,25(9):2372-2381.

[19]SteinmausSJ,PratherTS,HoltJS.Estimationofbasetemperaturesfornineweedspecies[J].JournalofExperimentalBotany,2000,51(343):275-286.

[20]郭水良,于晶,李丹丹,周平,方其,印麗萍.長三角及鄰近地區138種草本植物DNAC-值測定及其生物學意義 [J].生態學報,2015,35(19):6516-6529.

GuoSL,YuJ,LiDD,ZhouP,FangQ,YinLP.DNAC-valuesof138herbaceousspeciesandtheirbiologicalsignificance[J].ActaEcologicaSinica,2015,35(19):6516-6529.

[21]BakerHG.Theevolutionofweeds[M].Glasgow:J.MacLehoseandSons,2003.

[22]PheloungPC,WilliamsPA,HalloySR.Aweedriskassessmentmodelforuseasabiosecuritytoolevaluatingplantintroductions[J].JournalofEnvironmentalManagement,1999,57(4):239-251.

[23]WeberE,GutD.AssessingtheriskofpotentiallyinvasiveplantspeciesincentralEurope[J].JournalforNatureConservation,2004,12(3):171-179.

(責任編輯：顧浩然)

Comparison of cytological indexes of Sorghum halepense,S.almum and S. bicolor and its ecological significance

ZOU Manyu1, LI Na1, GUO Shuiliang1, YIN Liping2

(1.CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China;2.TechnicalCenterforAnimals,PlantsandFoodInspectionandQuarantine,ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China)

Sorghum halepenseisoneoftheworld′stoptenviciousweeds.S.almumandS.bicoloraretwocogenericspeciesofS.halepense.S.almumisaweedyspeciestoo,whileS.bicolorisacultivatedplant,withoutweediness.Wecomparedsomecytologicalindexes,suchasthekaryotype,thesizeofkaryonsandcells,themitosisratesofapicalmeristematiccellsofthethreeSorghumspecies,inordertoclarifythebiologicalfactorsthattakearoleintheinvasivenessofplants.TheresultsshowthatS.bicolorhasthelargestaveragechromosomeprojectionarea,followedbyS.almum,andS.halepensehasthesmallestone.Asforthesizeofcellsandkaryons,S.colorhasthelargestcellsandkaryons,followedbyS.almum,andS.halepensehasthesmallestones.Within25～35 ℃,themitosisrateoftheapicalmeristematiccellsofS.bicolorwasthelowest,whilethatofS.halepensewasthehighest.Theinvasivenessofthethreefocalspeciesaredistinctivelyrelatedwiththeirchromosomes,karyons,cells,seedsizesandmitosisrates,supportingtheviewpointthattheplantswithsmallermeristematiccellsandkaryonshavehigherinvasiveness.Therefore,themeristematiccytologicalindexesmayhaveapotentialvalueinpredictionoftheinvasivenesstheSorghum.

Sorghum halepense; Sorghum Almum; Sorghum Bicolor;cytologicalindexes;ecologicalsignificance

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.013

2015-05-14

國家自然科學基金(31070479);上海市科委基礎研究重點項目(10JC1412100)

鄒滿鈺，中國上海市徐匯區桂林路100號，上海師范大學生命與環境科學學院，郵編：200234，E-mail:zou18772306330@sina.com;郭水良，中國上海市徐匯區桂林路100號，上海師范大學生命與環境科學學院，郵編：200234，E-mail:gsg@shnu.edu.cn

Q94-331

A

1000-5137(2016)04-0471-06