芒属植物染色体核型研究进展

2011-08-15邓果特刘清波蒋建雄易自力

作物研究 2011年3期

邓果特,刘清波,蒋建雄,易自力

(湖南农业大学生物科学技术学院,长沙 410128)

芒属是禾本科的多年生 C4类高大草本植物,主要分布于中国、日本、朝鲜半岛以及东南亚地区,非洲也有少数种类分布。该植物纤维含量高,具有高光效、生长快、产量高、易繁殖、燃值高且污染少等独特的优势。目前,国际上已将它纳入到有利用价值和开发前景的“新经济作物”,被认为是一种开发潜力巨大的生物质能源植物,并正在大力进行开发与利用研究[1,2]。染色体研究是细胞遗传学研究的重要内容之一,是细胞遗传的基础。作为遗传信息载体的染色体,其数目与形态结构具有物种的特征,对探讨物种起源、进化、亲缘关系、远缘杂交不育、孤雌生殖机理等都具有重要意义[3]。

芒属植物是多年生的异花授粉植物,自然界分布广,极易杂交。经过长期自然杂交,芒属植物的遗传背景十分复杂。目前,关于芒属植物的染色体数目及核型分析等细胞学研究数据很不完整和系统。因此,对芒属植物进行核型分析研究,不仅可获得大量的关于芒属植物染色体方面的基础资料,对遗传育种有重要的指导意义;而且,染色体资料对染色体基因定位、原位杂交和DNA序列的研究等都能起到重要作用。本文根据已有的文献报道,对国内外芒属植物染色体核型的研究现状进行概述,希望对今后的深入研究提供帮助。

1 芒属植物染色体制备

目前植物类染色体制片技术主要有常规压片法和去壁低渗法两种。常规压片法由 Belling于 1921年创立,是最传统的制片方法,对植物染色体研究工作起了至关重要的作用。去壁低渗法是Kurata[4]于1978年提出的,并获得了清晰的水稻染色体制片,其后,陈瑞阳等[5]对该方法进行了多次改进。

1.1 取材

准确的取材是染色体制片成功的关键。可用于染色体制片的材料有植物的根尖、茎尖、幼叶、幼小花蕾以及愈伤组织。由于根尖取材方便、分生区集中容易判断、不受季节影响,被普遍认为是最好的制片材料[6]。

1.2 预处理

染色体制片过程中要达到分裂相多、染色体长短适宜且分散良好,关键在于预处理液的选择与预处理时间的掌握。陈少风等[7,8]采用了饱和对二氯苯水溶液在室温下预处理 2～ 3 h,卡诺固定液固定 12～24 h的方法。杜凤等[9]研究了芒属植物染色体制片过程中的几个关键步骤,采用预处理液为 0.2%秋水仙素+0.002 mol/L 8-羟基喹啉混合溶液,常温下处理2 h;卡诺氏固定液在4℃下固定20 h的方法。这样,混合预处理液既发挥了秋水仙素累积分裂中期相的高效性,又保持了 8-羟基喹啉能使染色体清晰,便于观察的特点。

1.3 染色体制备

通过预处理及固定后,由于芒属植物的纤维含量很高,可适当进行酸解与酶解的处理,再进行染色、制片等程序,以便获得更好的分裂相。陈少风等[7,8]采用1 mol/L盐酸于60℃下解离 10～ 15 min,苏木精染色,常规压片。杜凤等[9]采用 1 mol/L盐酸在 60℃下处理 15 min,再用 2%纤维素酶在 28℃下处理 1 h;再固定,压片,用改良卡宝品红染色。适当进行酸解与酶解的处理,可使细胞较好的软化,易于压片。

2 芒属植物染色体核型分析

染色体核型分析是分析生物体细胞分裂中期内染色体的数目、大小、形态、长度、着丝点位置、臂比、随体大小等特征。染色体是生物遗传信息的重要载体,其数目与形态具有保守性,在一定程度上保持着种间生殖隔离与物种整合性。在生物属间、种间、种内,染色体有着不同程度的分化,这也为探讨属间和种间的进化关系以及种内变异提供了依据,因此研究芒属植物的核型,对于芒属植物的分类地位及演化等有着重要的意义。

2.1 芒属植物染色体数目

目前国内外关于芒属植物染色体方面的报道并不多。对芒属植物染色体数目进行研究的有 Hunter[10]报道 2n= 42,染色体基数x= 7;Tateoka[11]报道 2n=40,x= 10;Darlington和Wylie[12]报道日本五节芒的染色体基数x=14;Adati等[13,14]报道日本产五节芒的染色体数目 2n=38;Hirayoshi等[15]报道日本产芒(Miscanthus sinensis)的染色体数目 2n= 38;Wikberg[16]认为东亚起源的芒属植物的染色体基数x=19;Lafferty和 Lellery[17]报道 2n=38,57;蔡青等报道云南的芒的体细胞染色体 2n=60[18]。

以上所报道的芒属植物体细胞染色体数目与基数在一定程度上存在差异,造成染色体数目不同的原因可能是在染色体制片、配对与数据分析过程中由于分析技术不同或者某些人为因素导致的错误,如,镜检时,染色体易发生重叠或者多个细胞染色体组合在一起等,都会造成染色体数目不同,标本鉴定的正确与否也需进一步证实,因此最后的结论必须来自广泛取样。目前,芒属植物体细胞染色体数目2n=38,57,染色体基数x= 19报道较多见,我们推测芒属植物染色体基数可能是x= 19。

2.2 芒属植物染色体核型

对芒属植物的核型分析的报道有:Lefferty和Lellery[17]报道了欧洲一个栽培杂种奇岗的核型,2n=57,由中部或近中部着丝粒染色体组成,无近端部或端部着丝粒染色体,第一对染色体为随体染色体;何立珍等[19]分析了湖南沅江南荻的一个变种突节荻的核型,2n=38,有11对染色体为中部着丝粒(m),4对染色体为近中着丝粒(Sm),1对染色体为近端着丝粒(St),3对染色体为端着丝粒(T),而 5号和8号为两对随体染色体;除3号和13号染色体对称外,其余均不对称,且 14～ 19号染色体不对称程度很高,核型属于Stebbin的 2B类型。陈少风等[7,8]对江西的芒和五节芒,以及江西、安徽、湖南、山东等地的荻做了核型分析,染色体数目 2n= 38,x= 19,芒和五节芒的核型属于2B型,由中部着丝粒染色体和近中部着丝粒染色体所组成,并根据染色体性状分析得出,芒的核型比五节芒的核型更原始。郝明明等[20]对由芒草种子人工培育成的苗做了核型分析,染色体数目 2n= 48,x=24,核型属于2C型。杜凤等[9]研究建立了较成熟的核型分析技术体系,并对广西柳州的芒进行了核型分析,染色体数目 2n= 38,x= 19,核型属于 2B型。Stebbins(1971)认为,在植物界,核型进化的基本趋势,是由对称向不对称发展的,系统演化上处于比较古老或原始的植物,大多具有较对称的核型,而不对称的核型则常见于衍生的或进化较高级的植物中。据以上所报道的芒属核型资料来看,绝大部分芒属植物都属于“2B”型,是一种不对称程度较高的染色体组。其中郝明明等[20]报道芒的核型不对称程度更高,属于“2C”型。因此,芒属植物在进化程度上属于较进化类型。

长期以来,染色体核型分析的步骤一直是显微摄影、放大、剪裁分组、排列、黏贴、复制成核型照片[21],这种方法耗时比较长而且容易出错。国外推出的一种全自动染色体分析系统,但价格昂贵,而且只涉及人体染色体研究领域[22]。目前,比较简便的方法是利用图像处理软件 Adobe Photoshop进行核型分析。周劲松等[23]利用图像处理软件Adobe Photoshop进行芦笋核型分析,成功摸索出一套快捷的染色体核型分析方法,并取得了较为满意的效果,这种方法也同样适用于芒属植物的染色体分析。

2.3 芒属植物染色体带型

染色体显带(chromosome banding)是一项借助某些特殊的染色程序使染色体在一定部位内显现出深浅不一的带纹的细胞学技术[24]。该技术始于瑞典科学家Caspersson等人的开拓性工作[25]。他们用荧光染料氮芥喹吖因(Quinacrine Mustard,QM)处理染色体标本,使染色体的不同部位分化染色,显示出明暗交替的荧光带纹(Q带)。此后,Pardue等人又用热、碱、盐、胰蛋白酶、尿素等预先处理标本后经Giemsa染色得到了Giemsa带(G带)[26]。以这些发现为开端,人们采用不同的物理化学方法,先后发明了研究染色体的 C-带、T带、R带、N带等的技术[27]。核仁组织区(NOR)染色的硝酸银染色法,称之为 Ag-As染色法,可使 NOR区优先染得很深[28,29]。在植物中,染色体 C-带技术应用最多,也最有使用价值,各种改进的 C-带流程也最多,积累了比较丰富的经验[30]。目前关于芒属植物染色体显带技术的应用尚未见报道。

3 建议与展望

染色体研究已经为遗传育种提供了理论依据和实践指导。目前,关于芒属植物核型方面的资料还很少。染色体核型分析根据染色体的形态来进行本身就存在许多局限性,比如对形态相似、大小相近、较小染色体不好区别。因此可以在核型分析的基础上进行显带研究,开展荧光原位杂交技术在芒属植物中的应用,进行基因定位、染色体变异及种间与种内杂交的研究。还可以开展多倍体研究来指导芒属植物的育种。由于多倍体的生长优势、适应能力、群体产量及抗病力等各方面都明显比二倍体具有优势,因此多倍体育种对芒属植物的研究具有重要意义。随着计算机技术的发展,越来越多的核型分析软件被开发出来。制片、拍照、人工剪贴染色体配对的时代已经过去了,功能强大的核型分析软件将应用于染色体核型研究上,将研究人员从烦琐的手工工作中解脱出来而且工作快速准确。

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