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植物多倍体的研究进展
植物多倍体的研究进展
摘要:
多倍体在植物中广泛存在,由于其具有一些独特的性质,已逐渐成为广大育种学家研究的热点。
本文概述了多倍体的起源、总结了人工诱导染色体加倍的常用方法、以及多倍体的特征特性,多倍体的基因组进化及其应用等,并提出了多倍体应用存在的问题和前景。
关键词:
植物;多倍体;染色体加倍;进化
Abstract:
Polyploidsareverycommoninplantsandhavegraduallybeenputemphasisonbythebreedersduetotheirparticularcharacters.Inthisarticle,wesummarizedtheprincipleofmultiploid,summedupthecommonmethodsinartificialinductionmultiploidofmedicalplantsandidentificationofchromosomedoublings,anddiscussedthecharacterofpolyploid,thegenomesevolutionaryofpolyploidandpolyploidyapplication.Thearticlebroughtforwardafewkeyproblemswhichshouldbepaidattentioninpolyploidbreedingofmedicalplantsanditsresearchprospect.
Keywords:
plants;Polyploidy;chromosomedoubling;genomesevolutionary
多倍体是高等植物染色体进化的显著特征[1]。
据统计,自然界大约有30%~35%的被子植物,其中70%的禾本科植物属于多倍体,它们在植物进化中起了重要的作用。
从分布上讲,多倍体在植物界分布广泛,但不均衡。
蕨类植物和被子植物中多见,而裸子植物则较少。
在组成上,同源多倍体则没有异源多倍体那样普遍,不同种属之间的差别也较大,如在水稻中,普通栽培稻和非洲栽培稻( O.glaberrima)均为二倍体(2n=24),多倍体主要在野生稻中存在,如小粒野生稻( O.minuta)为四倍体(2n=48)[2]。
在地理分布上,由于染色体组增加,通常多倍体的抗性好于二倍体,其分布的面积也大一些,并且可以在极端不利的生态条件下生存,所以在不利于二倍体生存的区域内往往会有多倍体的分布。
如在澳大利亚的Themedaaustralis的二倍体生长在比较湿润的地区,而其多倍体却向干旱地区扩展。
由于许多重要作物均是多倍体,因而,育种学家自30年代开始就热衷于多倍体诱导育种的研究。
随着对多倍体产生途径、特征特性及进化,应用等方面更为深入的研究,使多倍体诱导育种在育种领域显示出日益广阔的应用和发展前景。
从目前积累的资料看,早期有关植物多倍体的研究多集中在多倍体的形态特点、细胞学特征、生活习性以及地理分布式样等方面,对多倍体适应性发展的遗传基础、多倍化的分子后果、以及多倍化后多倍体基因组的进化动态涉及不多,这在很大程度上受制于特殊的、有效的研究方法。
近10多年来,分子生物学技术和一些先进的细胞遗传学研究方法在植物多倍体研究中的广泛运用,不仅为研究植物多倍体基因组的起源、确定多倍体的性质、了解多倍化的特征提供了很多有价值的资料,更新了许多传统的认识,而且为从分子遗传学角度研究多倍体基因进化动态提供了一条有效的途径。
1多倍体的起源
在理论上,杂种的细胞质应为母本细胞质,而核染色体应是双亲染色体的总和。
所以在研究多倍体物种起源时也主要是从细胞质和核染色体这两方面进行的,如今已取得了较大的成就。
在细胞遗传学水平上,常肋恒一郎[3]就根据细胞质类型、核染色体组、叶绿体基因组和线粒体基因组等方面的比较研究了山羊草属(Aegilops)物种的核染色体组来源和细胞质的来源,从而探讨了全部山羊草属物种间的系统发育关系,较为明确地弄清了该属多倍体物种的起源问题。
随着各种分子证据的积累和计算机技术的发展,用分子系统学的方法来研究多倍体起源已有许多报道。
自然界中多倍体的形成,主要是由于生殖细胞染色体加倍的结果。
在自然条件下,由于环境的激变,尤其是温度的激变,生殖细胞在进行减数分裂时,不能进行正常的减数分裂,就会形成二倍性生殖细胞,这种生殖细胞经过受精后,即发育成为多倍体。
Franke[4]列举了31个科有具功能的未减数配子。
这些不减数配子多数情况下是通过第一次减数分裂中染色体不减数或第二次减数分裂中细胞不分裂产生[5]。
有意思的是细胞学分析发现,许多自发产生多倍体的二倍体植物容易产生不减数配子[6-8]。
这从反面证明不减数配子的融合可能在植物多倍体形成过程中起到重要作用。
文献中提到的另一条途径是多精受精,即在受精时两个以上的精子同时进入卵细胞中,由此发育为多倍体。
这一现象仅在兰科植物中发现[9]。
体细胞多倍化在一些植物非分生组织中也可能发生,例如,正常的二倍体蚕豆(Viciafaba)在茎的皮层和髓中含有四倍体和八倍体细胞[10],这些多倍体细胞偶然会开始新的生长,尤其是在伤口和肿瘤上。
体细胞染色体加倍虽然是形成多倍体的途径之一,但是自然发生的体细胞染色体加倍并不多见。
到目前为止,我们对于植物体细胞染色体加倍的自然频率知道得很少。
在人工诱导的过程中,分生组织中的细胞经过染色体加倍所形成的多倍性细胞,则可以直接发育成为多倍体植株或嵌合体。
未经减数分裂的生殖细胞,如果进行自花授粉或同品种植物授粉时,所得多倍体仍是同源的,但在异种间或异属间进行授粉,则成为异源多倍体。
随着细胞遗传学和分子生物学技术的发展,人们开始从分子水平上研究多倍体的起源问题。
目前,RAPD和RFLP技术已成功地应用到本领域的研究中,并取得了较大的成就,Dhaliwal等[11]用1个一粒小麦(AA)、2个乌拉尔图小麦(AA)和5个野生一粒小麦(AA)为材料,通过RAPD技术揭示了不同材料间的亲缘关系。
Joshi等[12]则用RAPD技术检查了野生小麦和栽培四倍体小麦的关系。
这些研究为在分子水平上鉴定多倍体提供了全新的思路。
2人工合成多倍体的途径
多倍体育种包括两方面,即自然多倍体的发掘与人工多倍体的诱导。
一般说来,由于自然多倍体已经经历了长时间的适应与选择,因而长势往往好于新育的人工多倍体,因此也更具有利用价值。
但是,种群中的自然多倍体数量毕竟是有限的,不可能达到多倍体育种所需要的具有丰富遗传背景的大量群体,自然发生的几率很低。
迄今为止,通过人工诱导多倍体的方法已获得了一千多种多倍体植物,许多已广泛应用于生产取得了巨大的成果。
其主要途径有以下几个方面。
2.1物理途径
高低温处理、机械损伤、辐射诱变等均可诱导多倍体的产生。
最早在藓类中采用切断法和利用愈伤组织的再生作用首次得到了低等植物的多倍体。
中粒种咖啡花粉母细胞减数分裂时,用骤变低温(8℃~10℃)直接处理花器官,可获得大量二倍性花粉粒[13];用紫外光照射甜菜花芽20min(分钟)也能导致自交后代中有2株产生大花粉,另外,植物的组织被切伤或嫁接后,往往在切口处产生愈伤组织,某些愈伤组织细胞内的染色体能自然加倍,将来发育成多倍体枝条,如在茄科植物中通过反复摘心打顶而诱导四倍体的产生,其频率可达10%。
2.2化学途径
化学方法诱导是目前应用最广泛的方法。
有秋水仙素、萘嵌戊烷、富明农、异生长素等诱变剂,其中前3种是最为常见的化学诱变剂,其中以秋水仙素处理效果最好。
我国多倍体育种学家严育瑞用对甲苯砜苯胺基苯汞处理水稻幼苗,发现其加倍效果与秋水仙碱不相上下[14],秋水仙素的作用机理在于它能抑制细胞分裂时纺锤体的形成,染色单体分裂,但胞质不分离导致染色体数目加倍[15]。
多种果树采用此方法均获成功,如猕猴桃[16]。
尽管秋水仙碱的诱变效果是公认的,但由于秋水仙碱与植物微管蛋白的亲和性较低[17],而且对操作者以及植物材料有很强毒害作用,费用也很高,因此,很多育种工作者正在努力寻求新的化学诱变剂。
离体条件下的处理诱导,以其容易控制实验条件和重复试验结果,提高工作效率,减少嵌合体等三大优势而逐渐受到重视。
在染色体加倍实验中,离体材料一般是愈伤组织、胚状体、茎尖组织,也有用子房、原生质体做材料的报道。
2.3生物学途径
生物方法主要包括体细胞杂交、2n花粉×1n雌配子杂交、胚乳培养以及其他组织培养等。
体细胞杂交又称原生质体融合,该技术的发展是建立在组织培养和原生质体培养的基础上的。
随着原生质体再生体系的建立,融合研究的技术和条件的成熟,体细胞杂交法培育多倍体已切实可行。
经培养后诱导分化出同源或异源多倍体植株[18] ,如柑桔[19]。
被子植物的胚乳是三倍体组织细胞,人们根据细胞全能性的原理,将已成熟或未成熟的胚乳组织的细胞分离出来,进行离体无菌培养,从而得到三倍体植株。
如红江橙[20]、柚[21]。
朱登云等[22]培养杜仲胚乳得到完整植株。
3多倍体的特征特性
多倍体从遗传成分上可以分成三大类:
多倍体的几组染色体全部来自同一物种,或者说由同一个物种的染色体组加倍而成,则称为同源多倍体,如四倍体黑麦(RRRR);而把由不同种、属间个体杂交得到的,再经染色体加倍得到的多倍体,叫做异源多倍体,如八倍体小黑麦(AABBDDRR);此外还有区段异源多倍体,具有相当数目的同源染色体区段,甚至整个染色体,但相互间又有大量不同的基因或染色体区段,如(BBB1B1),栽培的马铃薯就是这种类型,它是四倍体,是由两个物种的种间杂种而来的多倍体,这两个物种的染色体相似程度足以使之配对,但又不足以使它们彼此自由地交换遗传物质;再有一种存在于六倍体或更高水平的多倍体类型,叫做同源异源多倍体,它结合了同源多倍体和异源多倍体两种类型的特征,如梯牧草(AAAABB)。
由于多倍体染色体成倍增加,同源多倍体比二倍体有较多的等位基因,异源多倍体比二倍体具有更多的杂合位点和更多的互作效应,蛋白质的合成增加,酶活性增强,促进了植物代谢,因而表现出与二倍体不同的一些特征。
器官的巨大型,如植物细胞、气孔、茎杆、叶片、花、果实均较大动物生长快,个体大。
对农业及医药有用的内含物增多,比如脂肪、蛋白质、氨基酸、维生素等。
性成熟晚,由于营养生长旺盛,植物开花延迟,动物性成熟晚。
同源多倍体由于减数分裂时,染色体配对和分离紊乱,尤其是同源三倍体,结实率低,甚至高度不育。
另外,植物多倍体使植株基因活性及酶的差异性增强,从而加强了植株的生态适应力和对逆境的抗性,使其在生活力、对环境适应性,抗旱、抗寒及抗病虫害等表现出明显的优势。
在细胞学水平上,多倍体花粉粒大、萌发孔数目多,花粉粒形状变化明显。
杨瑞芳等[23] 研究莲多倍体时还发现,莲花粉母细胞在减数分裂过程中,有环状染色体、染色体落后、减数分裂不同步及双核仁等现象的发生。
4 多倍体的进化
人们曾试图从两个角度来探讨祖先基因组间如何相互作用、进化的问题,一方面是了解多倍体整个基因组的变化;另一方面是研究某一些基因在多倍体形成前后的变化[24]。
随着近几年的分子生物学技术在植物系统与进化生物学中的广泛应用,人们在多倍体基因组进化方面取得了一些令人注目的成就。
通常认为,多倍体在植物的物种形成和进化上具有极为重要的作用。
资料表明,约70%的被子植物在其进化过程中发生了一次或多次多倍化事件[25-26]。
多倍体基因组进化机制的重要方式之一就是同步进化。
植物多倍体通过这种方式使得两种不同祖先基因组在杂种细胞核中仅表现出其中一个基因组的类型[27]。
多倍体形成后,其基因组的变化过程也就是二倍体化的过程。
可能多倍体的二倍体化一方面通过适当的染色体重排(即染色体二倍体化)使机体基因组稳定,且可育;另一方面,又通过基因的二倍体化(即基因丢失和基因沉默)解决基因冗余的问题[28]。
Osborn等[29]对多倍体新的基因表达进行了很好的总结。
多倍体通常表现出不存在于二倍体祖先的表型,并且超出了其祖先的分布范围[30-31]。
一些特点如抗干旱,无融合生殖,抗病虫害,花期,器官大小和生物量都有利于多倍体进入新的生态位。
造成多倍体出现新的变化的原因还不十分清楚,但是长期以来人们一直持有的观点认为对重复基因功能限制的松弛使其在多倍体内分化出新的表型。
经过长时间的进化,重复基因的功能分化赋予了多倍体选择优势,在小麦中,已经获得了全套21种不同的缺体植株,说明小麦的重复基因使它可以忍受整条染色体的缺失而可以存活下来。
陆地棉( Gossypiumhirsutum)的重复基因很少,所以任何缺体都是致死的。
可见重复基因不但是产生新基因的原料,而且对发生的不利突变起重要的缓冲作用[32]。
基因表达的变化主要通过增加剂量调控基因表达水平变异,改变调控的相互作用,以及快速的遗传和外遗传变化来完成。
5多倍体的应用
在遗传研究上应用广泛利用同源三倍体自交或与二倍体杂交,在后代中筛选成套的三体系列。
用此法Iwata在日本晴、Khush在IR36、张延壁在广陆矮4号等品种中建成了成套的初级三体,程祝宽等[33]也在中籼3037后代中选出了成套的初级三体。
利用水稻同源四倍体花培创造初级三体也是一个新的途径[34] 。
此外还可以用于胚胎学的研究[35-36]和染色体配对机理的研究[37] 。
为生产实践提供可利用的资源
自从人们发现、利用,尤其人工创造生物多倍体以来,多倍体在农业上的应用进展很快,在植物界得到广泛应用。
异源多倍体小黑麦目前栽培的小黑麦有异源六倍体和异源八倍体两种,小黑麦由于具有抗逆性强,能适应寒冷与干旱的气候条件,耐痔薄,抗白粉病,蛋白质、赖氨酸含量高等优良特性,而广泛在世界50多个国家,作为粮食、饲草作物栽培使用。
三倍体甜菜生产上广为使用的甜菜为同源三倍体,是同源四倍体与二倍体杂交产生的,三倍体甜菜营养生长繁茂,块根产量高,块根含糖量超过四倍体和二倍体亲本。
除此之外,三倍体西瓜,同源三倍体或四倍体黄瓜、南瓜、番茄、辣椒、豌豆、菠菜、芹菜、萝卜、大白菜等蔬菜已经育出,有些已在生产上应用。
另外,有研究者利用同源四倍体高粱(Sorghumvulgare) 和同源四倍体水稻已经实现了四倍体水平上的三系配套,并经过不断的改良,使得多倍体的表现在许多方面更加接近于生产实际[38-39] 。
多倍体在花生育种上的应用诱变处理是花生育种研究中获得优良基因资源最常用的方法之一,在实验室条件下通过各种理化因素的处理可以创造出自然界原本并不存在的新性状和新类型,可以有效地改良花生的某些农艺性状,取得其他育种方法难以获得的效果[40]。
郑荷等[41]采用组织培养与秋水仙碱处理相结合诱导出了蔓花生4倍体。
在检测中发现,与2倍体相比,4倍体蔓花生在形态上表现为茎增粗、叶片增大、叶形指数变小、气孔和保卫细胞增大、叶绿体数目增加以及单位面积内气孔数量减少等特点。
有研究表明,花生经秋水仙素处理的群体中同样也发现一些育性降低的材料(表现为单株结实率低),但是由于对其根尖进行的细胞学检测没有发现加倍染色体组成,因此这种育性变化可能是来源于秋水仙素的诱变作用或毒性作用,而非染色体加倍。
秋水仙素诱导多倍体的产生在国内外花生育种研究中也有广泛应用,主要是集中于花生野生种资源的利用上[42-43] 。
研究发现[40],花生野生种中存在着极其丰富的基因资源,特别是与生物抗逆性有关的一些性状,如抗病虫性等,是进行抗病育种、抗性基因转移的理想亲本材料。
但在实际的育种应用过程中,花生野生种与栽培种间的远源杂交存在着杂交不亲和性的障碍,杂交成功的频率一般较低,即使杂交成功,又由于栽野种间杂交后代三倍体的染色体组成而成为高度不育,难以有效地进行目的基因的转移和保存。
采用秋水仙素的处理,可以克服杂交不亲和障碍,或是直接诱导二倍体花生野生种加倍成同源四倍体而后与四倍体的栽培种进行杂交,或是诱导栽培野生三倍体杂种成为六倍体以恢复其育性[44]。
花生育种研究还处于初步阶段,将细胞遗传学和分子技术应用于花生育种具有很大的前景。
因此如何通过人工诱变合成获得理想的花生多倍体有待进一步探索,以期为花生的育种途径提供基础。
6植物多倍体研究展望
对植物多倍化现象的研究已有很长的历史,自然界中的多倍化现象往往是植物对自然环境不断适应的结果。
多倍体现象在植物物种的进化和栽培植物的起源上起了重要的作用。
在现阶段,研究者已经发现了自然界中的多倍体现象,掌握了多倍体产生的一些规律,探索了诱导多倍体的一些方法和途径。
尤其是在分子生物学技术被应用到多倍体的研究中后,使我们对多倍体形成后所发生的基因和基因组上的变化有了新的认识。
然而随着认识的加深所产生的更多的疑问则有待于更进一步的研究。
首先多倍体的遗传机理仍不十分清楚。
多倍体的有性生殖方式完不同于二倍体的有性生殖方式,遗传上常常会出现染色体的配对混乱,多价体形成,育性降低等现象。
此外,产生不减数的2n配子也是多倍体的一个重要特征。
由于产生2n配子被认为是多倍体形成的主要机制,目前,许多育种学家已将研究重点放在了2n配子在多倍体起源中的作用上。
其次,需要找到一种更合适的诱导剂。
用于多倍体诱导的化学试剂弊端很多。
其他一些试剂诱导效率太低。
化学诱变中使用的秋水仙碱价格昂贵,且有剧毒。
因此,寻找价格合理和无毒副作用的有效化学试剂是当务之急。
此外,嵌合体现象还不能完全克服,真正同一倍性的多倍体出现的有效频率不高。
植物经过加倍后,同源多倍体表现了相当严重的不孕性,种子不够饱满或结实率很低。
其结实率低和种子不饱满现象是禾谷类作物多倍体育种中的一大难题。
多倍体诱导技术在育种上的应用还不完善,因多倍体的产生与处理时间、基因型及环境条件等因素有关,要使其成为一项成熟的技术还需在多种植物、特别是不易受环境条件影响的广谱性物种上开展广泛的研究,以解决应用中的具体问题。
随着分子生物学技术的迅速发展,相信在不久的将来,育种学家能充分运用现代生物技术,从分子水平上探明多倍性植株结实率低和种子不饱满的遗传机理,然后利用基因工程方法对其进行改造,从而有望提高结实率。
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