不同倍性燕麥的核型分析

許興澤，趙桂琴，王 軍，柴繼寬，茍智強

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業 可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

燕麥屬(Avena)植物均為一年生草本，適應性較強，在世界各地均有分布，按細胞遺傳基礎及特點，分為二倍體、四倍體和六倍體3大類，共30種[1-2]。目前，栽培利用最為廣泛的是六倍體普通燕麥[2]，既可作為糧食作物收獲籽粒，又可作為飼料作物生產飼草[3]。

染色體核型分析作為研究細胞遺傳的重要手段，是植物種質資源研究的主要內容，研究包括染色體結構、染色體形態與染色體功能之間的相互關系[4]。觀察燕麥根尖細胞染色體，可作為對其分類的重要依據，包含數目和形態等，也可為燕麥的進化研究提供理論依據[5-6]。大多數植物染色體在臂比、著絲點位置等，會伴隨著植物倍性化后存在明顯差異，與此同時，依據各個核型參數形成的核型公式，也會隨之發生相應的改變。染色體數目、大小、形態等，可通過核型及核型模式圖進行直觀鑒定，而對于細胞核型參數，如染色體類型、體長度、臂比值等需要根據染色體的觀察結果進行推算。染色體著絲粒的位置以及隨體的有無等都是染色體組在有絲分裂中期可以被測定的表型特征，是確定核型的組成成分[7-8]。梁國玲等[9]通過比較分析燕麥雜交新品系I-D與其親本在染色體形態特征和核型上的差異，得出燕麥I-D品系具有雙親染色體的一些特有形態，其中部著絲點染色體所占比例28.57%，核不對稱系表相較于親本是更為進化的種群。蔡華等[10]對一種野生燕麥的核型進行了分析，表明其物種染色體數為2n=42，染色體臂比為2.34，核型公式為2n=6x=42=22m+20sm(2SAT)，核型類型為比較對稱的2B型。劉偉[11]分析了燕麥不同倍性材料的核型并構建了SSR指紋圖譜，得出國外裸燕麥品種核型公式為2n=6x=42=24m+18sm(2SAT)，發現染色體的核型類型隨著倍性的增加由2A型變為較不對稱的2B型，不對稱性隨著倍性的增加逐漸增大，認為燕麥染色體的倍性水平越高，往往越容易發生進化，證明燕麥染色體多倍化是進化的趨勢。耿帆等[12]認為生長在不同生態環境下的裸燕麥，其核型具有一定的差異性。Fominaya A等[13]鑒定了二倍體和四倍體燕麥的各對染色體，通過染色體C-分帶方法對二倍體燕麥和四倍體燕麥進行了研究，發現在顯帶分析中所有C組染色體均較A組染色體的染色深。截止目前，對燕麥二倍體、四倍體和六倍體染色體核型同時進行研究和分析的報道不多。因此，試驗擬通過染色體數目、大小及形態等表型，分析其核型特征，探究二倍體、四倍體和六倍體燕麥之間的核型差異。

1 材料和方法

試驗材料為燕麥屬3個種Avenanudibreri,A.hispanica和A.sativa，由甘肅農業大學草業學院提供。

1.1 染色體制片方法

將粒大飽滿的燕麥種子先用10%次氯酸鈉溶液浸泡10 min進行消毒處理，無菌水清洗2～3次,置入25℃恒溫培養箱中萌發。將露白的種子放入4℃冰箱中48 h，之后在25℃光照恒溫培養箱中繼續萌發。待根長至1.0～2.0 cm 時，剪取新生粗壯根尖于0.002 mol/L的8-羥基喹啉中預處理3 h，轉入卡諾氏固定液(無水乙醇∶冰乙酸=3∶1，V/V)中在4℃下固定24 h，然后用1 mol/L鹽酸在60℃下解離10 min，最后用改良苯酚品紅染液染色2 h，進行常規壓片，在光學顯微鏡下觀察并拍照。

1.2 染色體核型分析

采用文獻[14]的標準，統計30個分散較好的有絲分裂中期細胞進行染色體計數，若85%以上的細胞都具有恒定一致的染色體數，即認為是該植物染色體數目。3份燕麥材料均選取5個分散良好、形態清晰的中期分裂相照片，利用Photoshop軟件根據染色體形態特征先進行染色體初步配對，然后分別測量各條染色體的長臂和短臂長度，利用Excel軟件對測得的核型數據進行統計，并依據各條染色體的總長度和臂比對初步配對的染色體進行調整，得到最佳的同源染色體配對。按染色體相對長度由長至短依次排列；若長度相同，則短臂長者在前；排列時短臂在上，長臂在下，著絲粒對齊排列于同一直線上，成一張完整的染色體核型圖。

(1)染色體長度

①絕對長度(或實際長度)：均以微米表示。

②相對長度：均以百分比表示，根據Levan等[15]的公式計算。

③染色體長度比：核型中最長染色體與最短染色體的比值。

(2) 次縊痕及隨體

次縊痕的有無及位置，隨體的有無、形狀和大小都是重要的形態指標，帶隨體的染色體用SAT或*標記。

(3) 臂比值

著絲點的位置精確到0.01。

根據臂比值可確定著絲點的位置(表 1)，進而可將染色體分成相應的類型[16]。

表1 著絲點位置命名

(4)核型的分類

依據文獻[17]的方法進行，用染色體的長度比與臂比兩個主要特征來進行核型分類，用于區分核型的對稱和不對稱的程度(表2)。

表2 核型分類

注：1A為最對稱核型，4C為最不對稱核型

(5)核不對稱系數(As.K)

反映染色體對稱與否、進化與否的一個參數。

核不對稱系數=長臂總長/全組染色體總長×100%

1.3 數據處理

根據鏡檢觀察到的染色體圖像，利用Photoshop對染色體圖片進行摳圖、配對數據分析，Microsoft Excel軟件作核型模式圖。

2 結果與分析

2.1 Avena nudibreri燕麥的核型特征

通過鏡檢觀察，選擇30個分散好的有絲分裂中期細胞進行染色體計數，其中85%以上細胞均具有恒定一致的14條染色體，為二倍體。根據各條染色體的長臂和短臂長度、總長度和臂比值進行配對，獲得供試材料的核型圖及核型模式(圖1)，以及主要核型參數(表3)。

圖1 Avenanudibrer的染色體照片、核型圖及核型模式Fig.1 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of Avena nudibrer

供試材料的7對染色體中，1號染色體相對長度最長，7號最短；臂比值以7號染色體最大，5號染色體次之，1號染色體最小。共有5對中部著絲點染色體(m)和2對近中部著絲點染色體(sm)，其中第5對是帶有隨體的染色體，且屬于近中部染色體(sm)。核型公式為2n=2x=14=10m+4sm(2SAT)。染色體相對長度的變化范圍為5.26%～9.09%；染色體的長度比為1.72。染色體臂比值大于2∶1的有2對，即第5號和第7號染色體，所占比例為28.57%。核不對稱系數為57.85%，核型屬于較原始的2A型。

表3 Avena nudibrer燕麥染色體類型參數

注：*為隨體染色體，隨體長度未計算在內

2.2 Avena hispanica燕麥的核型特征

Avenahispanica燕麥的染色體照片、核型及核型模式見圖2，主要核型參數(表4)。Avenahispanica共有28條染色體，是一個四倍體種；共有10對中部著絲點染色體(m)、4對近中部著絲點染色體(sm)，其中第10對是帶有隨體的染色體。核型公式為2n=4x=28=20m+8sm(2SAT)。染色體相對長度的變化范圍為2.67%～5.03%；染色體的長度比為1.88。染色體臂比值大于2∶1的有3對，所占百分比為21.42%。核不對稱系數為60.04%，染色體組核型屬于2A型。

表4 Avena hispanica燕麥種染色體類型參數

注：*為隨體染色體，隨體長度未計算在內，下表相同

圖2 Avena hispanica染色體、核型及核型模式Fig.2 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of A.hispanica

2.3 Avena sativa燕麥的核型特征

通過鏡檢觀察，Avenasativa共有42條染色體，為六倍體，其染色體照片、核型圖及核型模式見圖3，主要核型參數見表5。該供試材料含有15對中部著絲點染色體(m)和8對近中部著絲點染色體(sm)，其中第12對和第17對是帶有隨體的染色體。核型公式為2n=6x=42=26m+16sm(4SAT)。染色體相對長度的變化范圍為3.12%～11.72%；染色體的長度比(最長與最短)為3.75。染色體臂比值大于2∶1的有6對，所占百分比為12/42×100%=28.57%。核不對稱系數為61.01%，染色體組核型屬2B型。

2.4 不同倍性燕麥種核型比較

對3個供試材料進行比較(表6)，發現不同倍性燕麥染色體的核型有所不同。由核型公式分析，二倍體、四倍體和六倍體均含有m型和sm型染色體，且隨著倍性的增加，具m型和sm型染色體的數目呈逐漸

圖3 Avena sativa燕麥染色體、核型及核型模式Fig.3 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of A.sativa

染色體編號相對長度/%長臂短臂總長臂比染色體類型16.744.9811.721.35m26.894.5211.411.52m36.924.3511.271.59m46.703.8810.581.73sm55.753.789.531.52m64.433.007.431.48m74.822.337.142.07sm84.472.667.131.68m94.602.136.732.16sm103.122.956.071.06m113.182.815.991.13m 12*3.111.824.931.71sm133.011.894.901.59m142.721.153.872.37sm152.201.443.641.53m161.921.683.591.14m17*2.361.143.502.08sm181.871.633.501.15m192.311.023.322.27sm201.751.553.301.13m212.081.043.122.01sm

注：*為隨體染色體，隨體長度未計算在內

增多。六倍體皮燕麥的核不對稱系數、染色體長度比和臂比大于2的染色體數目均最高，其核型為不對稱的2B型。隨著倍性的增加，染色體的核不對稱系數、染色體長度比逐漸增加，且核型類型也由對稱的2A型轉為不對稱的2B型，說明六倍體燕麥的染色體形態更具有多態性。

表6 不同倍性燕麥種的核型比較

3 結論

3.1 不同倍性燕麥種核型特征

燕麥屬的分類經歷了由外部形態為標準的系統分類過渡到以細胞染色體組為基礎、結合形態特征分類的兩個階段。1919～1924年，對當時掌握的10個燕麥種進行了遠緣雜交，并對親本及雜種的染色體做了觀察分析，據此將燕麥屬分為二倍體、四倍體和六倍體3個種群[18]。這種以其細胞遺傳基礎及特點進行分類的方法，也得到了形態分類學家們的贊同。此后各國均以此作為燕麥屬分種的基礎。后來補充了9個種，加上后人陸續發現新種(5個種)，現燕麥屬植物共有30個種[2]。

試驗對二倍體、四倍體、六倍體材料進行了染色體分析，發現二倍體材料的核型公式為2n=2x=14=10m+4sm(2SAT)，具有1對隨體、2對近中部著絲點染色體，研究結果與郭淑華[19]的報道一致，但在中部著絲點染色體數目上有差異。研究結果得出二倍體燕麥A.nudibreri有5對中部染色體，而郭淑華[19]的研究結果是4對中部染色體，這可能是材料來源不同造成的。四倍體燕麥A.hispanica具有4對近中部和10對中部著絲點染色體，劉偉[11]發現四倍體燕麥A.maroccana有6對近中部和8對中部著絲點染色體。對于六倍體燕麥A.sativa,梁國玲等[20]發現青引1號具有11對近中部著絲點染色體和10對中部著絲點染色體，且在第7和第17號染色體上各含有一對隨體。核型公式為2n=6x=42=20m+22sm(4SAT)。盛中飛等[21]研究發現，葡萄牙燕麥具有11對近中部著絲點染色體、9對中部著絲點染色體和1對近端部著絲點染色體，第5、11、16號染色體上含有3對隨體，核型公式為2n=6x=42=18m+22sm(6SAT)+2st。而本研究發現，A.sativa染色體具有8對近中部著絲點染色體和13對中部著絲點染色體，并且在第12和第17號染色體上均含有一對隨體。由此可見，不同倍性、不同種的燕麥染色體數目、核型不同，同一個種不同品種的核型結構也有所不同。

3.2 不同倍性燕麥的進化

Stebbins[17]和Levitzky[22]報道，染色體核型的進化趨勢是由對稱往不對稱發展。二倍體燕麥A.nudibreri的核不對稱系數為57.85%，染色體長度比為1.72，核型為2A型，是較為原始的對稱型。四倍體A.hispanica的核型雖然也屬2A型，但其核不對稱系數為60.53%，染色體長度比為1.88，均高于二倍體燕麥A.nudibreri，因此，四倍體A.hispanica的染色體不對稱型要大于二倍體燕麥A.nudibreri。六倍體的A.sativa核不對稱系數進一步增大，為61.01%，均高于二倍體和四倍體，其核型為2B型，進化地位要高于四倍體和二倍體。