山藥細胞遺傳學研究現狀分析

張宴萍 ，岳林旭，王義國，許念芳，李朝霞，宋計平，劉少軍*

（1.山東省輕工農副原料研究所，山東高密 261500；2.昌樂縣喬官鎮農業農村綜合服務中心，山東昌樂 262400）

山藥又名薯蕷（Dioscorea oppositaThunb.），為雌雄異株的一年或多年生纏繞性藤本植物，屬于單子葉植物綱（Monoctyledoneae）、百合目（Liliaes）、薯蕷科（Dioscoreaceae）薯蕷屬（Dioscorea）亞洲種，在國外研究報道較少。山藥含有豐富的蛋白質、人體必需的氨基酸、多糖、膽堿、甾醇以及多種微量元素等營養成分，被認為是藥食同源的佳品[1]。

我國是山藥的原產地和馴化中心，山藥種質資源豐富，分布廣泛。隨著技術的革新，基于山藥的形態學、解剖學、孢粉學、細胞學特征或利用生化同工酶、分子標記等技術對山藥的染色體數目、核型分析、生理生化特征以及基因功能等開展的研究逐漸增多，但基于細胞遺傳學開展的研究則相對較少。山藥基因組復雜，我國關于山藥起源和進化的研究較滯后，所以，本文通過對山藥種類與分布、染色體數目及倍性、染色體核型研究現狀的分析，總結了山藥的起源與進化，對山藥的細胞遺傳學研究方向進行了展望。

1 山藥的種類與分布

薯蕷屬植物生長適應性強，產地分布廣，我國僅有薯蕷屬一個屬就約有49 個種。根據薯蕷屬（Dioscorea）各種間的親緣關系將其劃分為6 個自然組，分別是根狀莖組（Sect.Stenopora）、丁字形毛組（Sect.Combilium）、頂生翅組（Sect.Shannicorea）、基生翅組（Sect.Opsophyton）、復葉組 （Sect.Lasiophyton）、周生翅組（Sect.Enantiophyllum）[2-4]。薯蕷屬在我國的分布一般以長江為界進行劃分，長江以北大多種植山藥，而長江以南除山藥外還種植參薯、山薯和褐苞薯蕷等，以西南和華南地區分布種類最多。

山藥按地下塊莖形狀可分為長山藥、扁山藥和圓山藥；按照栽培類型分為普通山藥和大薯；按照種質資源來源分為地方品種、引進品種、新培育品種和野生種。在長期的栽培過程中，受地理位置和環境差異的影響，我國不同地區的山藥形成了具有地方特色的品種，可以劃分為三個山藥主栽品種群，即北方山藥群、南方山藥群及日本山藥群[5]。

2 山藥細胞遺傳學的研究現狀

山藥為雌雄異株，繁育系統復雜，栽培種一般是無性繁殖，野生種一般是無性和有性繁殖并存，存在天然多倍體，染色體數目變異較大且倍性復雜。薯蕷屬植物的染色體多為點狀或短棒狀，染色體極小，被認為是細胞分類學和細胞遺傳學研究領域最具挑戰性的屬之一，并且薯蕷屬山藥作為亞洲種，國外很少有其染色體相關的報道。

2.1 山藥染色體數目

早在1976 年，江蘇省植物研究所薯蕷組就對薯蕷屬染色體數開展了研究，并且在1976、1979 年及1985 年，先后報道了我國薯蕷屬6 組、39 種、1 亞種的染色體數[6-8]。其中，山藥材料染色體計數為2n=138～142，是已知染色體數目的薯蕷屬物種中染色體數目最多的種；2009年，南開大學教授陳瑞陽[9]在研究結果中展示了薯蕷屬部分物種的染色體數，其中大薯2n=80，野山藥2n=122，山藥2n=122、2n=144；2012 年，黃賢蘭等[10]報道種植于云南農業大學教學科研農場的山藥染色體數目為144 條；2015 年，周翼虎等[11]對河南鐵棍山藥進行細胞學研究，發現其染色體數目為2n=120。2011 年，李俏等[12]對采集自海南、廣東、廣西、云南等地區的20 份山藥和19 份大薯種質材料進行了染色體數目分析。結果顯示，這些南方地區的山藥和大薯染色體數目為40 條或60 條；2012 年，楊明[13]選取了27 份長山藥、2 份大薯材料和1 份野生山藥材料進行細胞染色體計數，其中，濟南溫縣鐵棒山藥、河南鐵棍山藥、內蒙古畢克齊長山藥和山西太谷太淮山藥，染色體數目分別為80、100、120、140 條。

通過對不同地區和不同種類山藥的細胞學研究，可以發現其染色體數目存在種內變異，同一個種質材料沒有形成統一的數目標準，這有可能是因為山藥處于不同地區、不同環境發生了自然變異；也有可能是各地區山藥品種混雜，品種分類標準不規范，導致不同研究者對同一山藥品種的染色體數目鑒定結果不同。

2.2 山藥染色體倍性

山藥較大的染色體數目變異，決定了其復雜的染色體倍性。我國的薯蕷屬物種都是亞洲群，一般認為其染色體基數為10，因種類不同，存在2、4、6、8、10、12、14 倍體[13-14]。而黃賢蘭等[10]研究結果顯示山藥的染色體主要為144 條，染色體基數為x=10，表示存在染色體倍數為非整倍體的山藥。此外，通過對中國薯蕷屬39 種和1 亞種的染色體數及染色體倍性的研究，秦慧貞等[8]推測薯蕷屬二倍體種類根狀莖組是薯蕷屬多倍體種類塊莖形成的原始類群。

染色體的倍性不僅取決于染色體條數，也取決于染色體基數。普遍認為山藥染色體基數為x=10，但也有一些研究者提出不同的觀點。伴隨著同工酶、SSR、流式細胞儀等技術的運用，Scarcelli、Bousalem 和Gemma 等[15-17]先后指出，原認為是四倍體的圓山藥（D.rotundata）品種應是二倍體，染色體基數應為x=20；原認為是八倍體的三裂葉山藥（D.trifida）應為四倍體；大薯（D.alata）染色體基數為x=20。這些研究結果否定了一直以來認為的染色體基數為10 的學說，此外，Nemorin 等[18]利用SSR 標記分析了1 份D.alata（2n=80）子代的遺傳模式，確定了其為同源四倍體。所以，按薯蕷屬的染色體基數為x=20 的理論，山藥的染色體倍性需要減半。至于山藥是同源多倍體，還是異源多倍體，有待于進一步的研究分析。

2.3 山藥染色體核型

染色體核型分析是指以分裂中期染色體為研究對象，根據染色體的長度、著絲點位置、長短臂比例等特征，對染色體進行分析、比較的一種染色體研究方法。核型分析可以為細胞遺傳分類、物種間親緣關系以及染色體數目和結構變異研究提供重要依據。研究中常用的染色體核型分析法就是對染色體的特征進行描述，但可以進行核型分析的物種受到一定條件的限制，比如薯蕷屬植物就因染色體大小和形態問題阻礙了其進一步的研究，導致薯蕷屬植物核型分析的相關研究報道較少。核型分類是根據核型中染色體長度和長短臂比例兩項主要特征，區分核型的對稱和不對稱性程度，將其分成1A～4C的12 種類型，在分析和討論核型進化方面具有參考價值。黃賢蘭等[10]和周翼虎[19]所研究的山藥雖然染色體數目和核型公式不同，但他們的核型類型均屬于2B 型，這表示山藥在系統演化上為比較原始的類型。同時，黃賢蘭研究的云南山藥的核型不對稱系數高于周翼虎研究的河南鐵棍山藥，即云南山藥的不對稱性更高。一般認為核型對稱的植物比核型不對稱的植物更為原始，因此通過核型分析可以看出河南鐵棍山藥可能由于所處環境穩定，進化速度緩慢而更為原始。

我國自2012 年開始有山藥核型分析的報道。黃賢蘭等[10]對云南的山藥材料進行核型分析，得出其核型公式為2n=14x+4=144=57m+84sm+3st，核型類型為2B 型；周翼虎[19]對河南鐵棍山藥進行核型分析，核型公式為2n=120=96m(6SAT)+18sm(4SAT)+4st+2T，核型分類屬于2B型[19]。薯蕷屬其他物種的核型分析也被報道，我國主要經濟植物基因組染色體圖譜曾報道過穿龍薯蕷染色體數目2n=2x=20 及核型公式2n=10m+10sm[20]；黃賢蘭等[10]也曾報道了盾葉薯蕷（D.zingiberensisC.H Wright）、小花盾葉薯蕷（D.patvifloraC.T.Ting）、山藥（D.oppositaThunb）和黃獨（D.bulbiferaL.）的核型分析結果。從核型參數看，只有盾葉薯蕷的栽培株系及山藥具有近端部著絲粒區染色體，在植物核型的進化過程中，普遍認為:近端部和端部著絲粒染色體是由中部或近中部著絲粒區染色體演化來的[21]，可推測在薯蕷屬植物進化過程中，根莖組的盾葉薯蕷與周生翅組山藥的親緣關系可能更近。

3 展望

本文從山藥染色體數目、染色體倍性和核型分析等細胞學角度綜合概括了山藥細胞遺傳學研究現狀，并總結了薯蕷屬二倍體根狀莖組是多倍體種形成的原始類群，在進化過程中，根狀莖組與周生翅組的親緣關系可能更近。但最新的山藥細胞遺傳學研究進展卻很少，伴隨著細胞工程、染色體工程、分子工程的發展，不同種類的山藥染色體與形態學、分子學相結合的研究前景越來越廣闊，以山藥細胞遺傳學為基礎的研究越來越多。主要體現在以下幾個方面。（1）與植物分類學結合，通過對染色體數和染色體形態變化進行種、屬和親緣關系的分析，并對減數分裂時的染色體行為和結構變化進行分析，來區分種與種之間的差異[12]。（2）山藥種質資源多，遺傳多樣性的研究報道也很多，所以研究者采用了農藝性狀觀察、細胞染色體計數和分子標記相結合的方法，綜合分析山藥種質資源，對材料進行分類[13]。隨著測序技術的發展，研究人員基于測序數據開發了更具多態性、重復性的分子標記，對山藥遺傳多樣性、遺傳分化性等作出了分析，與細胞學結果相互驗證，為后期山藥DNA 指紋圖譜的構建及基因定位等工作奠定了技術基礎[22]。（3）在細胞學驗證幾內亞山藥染色體條數為x=40 的基礎上，2017 年《BMC Biology》發表了幾內亞山藥的基因組測序結果[23]，研究者利用Illumina 的MiSeq 和HiSeq 2500 平臺進行測序并組裝，得到基因組大小約為594 Mb，并繪制了染色體數為x=40 的幾內亞山藥21 條染色體的遺傳物理圖譜，這意味著山藥是具有完整DNA 序列的作物，這為后序開發設計山藥細胞學基因組原位雜交、熒光原位雜交的特異探針提供基因組數據支持，并極大地促進了對山藥關鍵性狀遺傳控制的解析。

山藥染色體數目的確定及形態和核型分析將會促進薯蕷植物的種間或種內雜交育種的進程，并且為今后的薯蕷植物的品種改良提供依據。同時，在細胞遺傳學研究的基礎上，繼續開展分子試驗，明確山藥栽培種基因多樣性，準確評估山藥栽培種與野生種的基因組結構，結合細胞遺傳學研究，對于進一步明晰山藥的系統發生、起源與進化、種間親緣關系，指導山藥育種具有重要的意義。