菊属植物的细胞学和分子遗传研究进展

菊属植物的细胞学和分子遗传研究进展

狭义菊属（以下简称菊花）属于菊花和春黄菊科。我国是菊属植物的分布中心,日本、朝鲜、俄罗斯等地也有分布。新种或变种的不断发现、天然或人工杂交种的产生、菊属近缘属种的不同归属等使菊属组成存在很大分歧。Ohashi等把矶菊(D.pacificum)、盐菊(D.shiwogiku)归在菊属里,而Bremer等则把它们归到亚菊属;Kitamura把我国的多花亚菊(Ajaniamyriantha)和栎叶亚菊(A.quercifolia)也一起归到了菊属。在日本,有许多种间杂种被作为新种处理,如鹫敷菊(D.×cuneifolium)、D.×leucanthum、D.×shimotomaii、D.×konoanum、花矶菊(D.×marginatum)等。在我国,也不断有新种和新变种的报道。林镕等认为菊属有37个种,在中国分布的有22种;Zhang等则报道菊属约有50个种,在日本分布约有20种。到目前为止,菊属到底有多少个种或变种都无定论。为了阐明菊属种的形成、演化、分类地位和种间亲缘关系,不同作者从不同侧面开展了大量的细胞学与分子细胞遗传学研究,笔者就此进行综述,以期对菊属系统发生、物种间亲缘关系研究及栽培菊花的遗传改良提供一定的指导。1盐菊品种染色体核型的变化根据文献资料整理结果,菊属大约有43个种(不包括日本归于菊属的亚菊组4个种)和18个变种(亚种),它们以染色体基数9形成一个从二倍体到十倍体的多倍体系列,同时存在种内多倍体,部分种的倍性尚无记载,尤其是原产我国的一些种。菊属植物的种、亚种、变种或变型及倍性和产地见表1。栽培菊花(D.×grandiflorum(Ramat.)Kitamura)是菊属里观赏和经济价值最高的一个种,包括切花菊、盆栽菊、展览菊、食用菊等不同类群数千个品种。栽培菊花品种大多为六倍体及非整倍体,但染色体数目变幅极大,从2n=36,45,51～75+B到85,以2n=54为分布高峰。不同类型品种染色体数目存在较大差异,Endo对日本展览菊的80个大花型、32个中花型和14个小花型品种进行染色体计数,发现染色体数目变幅为52～75+B。不同花径品种染色体数目存在显著差异,大花品种染色体数目变幅最大,为54～75+B;中花型品种染色体数目变幅为52～56;小花型品种染色体数目变幅最小,为54±1。当对127个切花菊品种、11个盆菊品种、137个食用菊品种进行研究时,发现染色体数为2n=36～66,其中大花、中花切花菊品种和盆栽品种染色体数目变幅较小(2n=53～56);食用菊染色体数为53～66。在大花和中花切花菊品种里,花期和花色与染色体数目没发现有相关性,花径与染色体数目的相关性也仅存在大花类个别花型品种中,许多大花品种的染色体数并不多;但在食用品种里,染色体数与花期和花径相关。李懋学等对我国21个栽培品种进行了染色体观察,发现它们多为六倍体至接近八倍体或非整倍体(2n=52～71),并认为染色体数与花径呈一定正相关。因此,总体而言,栽培菊花从小菊、中菊到大菊品种,染色体数目与花径存在一定正相关,而在各自类型的品种中花径与染色体数目无相关性。菊属植物广泛存在B染色体,但野生种出现B染色体的概率低于栽培品种。Endo对284个不同类型品种B染色体的出现概率进行统计,发现B染色体在不同类型菊花品种中出现的概率也存在很大差异,平均出现概率为10.9%;非整倍体出现B染色体的概率高于整倍体;部分品种所有观察植株和细胞都存在B染色体,但有些品种B染色体的出现呈随机性;90.7%的品种(含B染色体)有1条B染色体,其余为2条,其大小约为最小常染色体的一半,分亚中着丝粒、中着丝粒和亚端着丝粒3种类型,出现的概率分别为54.6%、27.3%、18.2%。菊属种或种间杂种的染色体数存在变化。陈发棣等发现一个野菊地理居群的染色体数为2n=4x+1=37。Aoyama等对3个盐菊个体、16个菊花品种、40个F1和68个BC1进行染色体记数,发现盐菊和栽培品种一样存在非整倍体,F1的染色体数为2n=60+B到68,平均约63;BC1的染色体数变化很大,从53～65,平均59;2个盐菊个体和1个栽培品种及13个F1、12个BC1个体观察到了B染色体;在所有组合后代均观察到非整倍体,说明非整倍体品种和杂种并非不育;染色体数与品种、F1和BC1杂种的花径不存在相关性。2中部显带的分布和显带时代菊属植物的染色体分带包括C-分带和CMA(chromomycinA3)、DAPI(4′,6-diamidino-2-phenylindole)荧光分带,但研究报道较少。Taniguchi通过对日本37个地点收集的276个野菊(D.indicum)个体进行C-分带研究,发现带纹在形态、大小、位置和数量上均存在很大差异,端部显带的染色体数有2～30条;中部或近中部显带的有0～6条。根据带型和地理条件不同,把野菊归为3组,A组平均有36条带,分布在Tsushima地区;B组有15～24条带,分布在比较寒冷的山区;C组有4～14条带,分布在比较温暖和干燥的地区,认为染色体分化和生态型相关。Kondo等对不同地理居群野路菊(D.japonense)和毛华菊(D.vestitum)进行CMA和DAPI荧光分带分析。CMA只在核仁组织区(NOR)显带,依来源不同,野路菊显5～8条带,而毛华菊为8～10条带;DAPI带则位于染色体的端部,野路菊居群间长臂和短臂都显端带的有13～17条染色体,仅长臂显端带的有34～39条染色体,毛华菊长臂和短臂都显端带的有1～3条染色体,长臂显端带的有17～22条染色体。野路菊比毛华菊显更多的DAPI条带,带型的不同表明它们可能存在不同的祖先。Tanigushi认为日本的野菊和中国的野菊荧光带型不同,特别是DAPI带型的差别可能主要来自地理隔离和异染色质的主动分化。Khaung等根据着丝粒DAPI带型差异,认为泡黄金菊(D.boreale)和龙脑菊(D.makinoi)曾经发生过染色体重组,并认为那贺川野菊(D.yashinagantha)的染色体组包含不止一个二倍体供体。3d.zoarar.latilobum居群到目前为止,至少对约30个菊属种或变种进行了核型分析(表2)[16,17,23,31,32,49,50,51],从表中可以看出,菊属植物的染色体组成以中着丝粒染色体(m)最多,其次分别为近中(sm)、近端(st)和端着丝粒染色体(t)。Kim等对D.zawadskiivar.latilobum、泡黄金菊、3个韩国产二倍体野菊不同居群个体进行核型研究,发现不同居群间或同一居群体不同个体间核型存在很大分化,如4个D.zawadskiivar.latilobum居群31个个体表现出17种核型。陈发棣等也发现不同地理居群野菊核型存在差异。另外,在泡黄金菊、小红菊(D.chanetii)、甘菊(D.lavandulifolium)、萨摩野菊(D.oreastrum)、毛华菊等种中也都报道了不同的核型,表明野生菊的核型变化非常普遍,不同核型居群或个体间可能反复发生相互杂交和易位。我国的毛华菊和日本的野路菊舌状花均为白色,有相同的染色体数(2n=54),被认为是亲缘关系很近的两个种,但两个种的核型不同。毛华菊在形态上与日本的龙脑菊很相似,且有相同的核型特征,但它们的染色体倍性相差很远,毛华菊好象是龙脑菊的一个多倍体。Endo等对不同用途、不同花径和花型的17个菊花品种进行核型分析,发现最长染色体为3.9～5.8μm(平均4.9μm)、最短染色体为1.7～3.3μm(平均2.6μm);77.8%的品种有1～7条随体染色体,其中1～4条最为常见,个别品种有5～7条;所有品种的核型组成表现明显的杂种性,杂合的核型似乎与非整倍体有紧密的相关。Endo等对32个芽变和25个亲本进行染色体观察,发现只有5个芽变(15.6%)与亲本相比增加或减少了1条染色体,但大多数芽变体的核型发生了变化,表明芽变可能主要是由染色体的结构变异造成的。4菊属植物的染色体配对行为Tanaka、Nakata等对20个不同倍性(四、六、八和十倍体)的日本菊属植物的减数分裂行为进行研究,发现所有种的染色体在减数分裂中期Ⅰ以二价体构型为主,偶有多价体出现,野路菊54条染色体全部稳定配成27个二价体,认为它们可能是包含配对控制基因的同源多倍体,多价体的出现表明基因组间存在易位等结构变异。陈发棣等、Watanabe也报道了不同倍性野生菊二倍体化的减数分裂行为,但认为菊属植物的进化是一个异源多倍体化的过程。Riley等发现小麦的5B染色体上有一个抑制部分同源染色体配对的基因,类似的控制机制也存在于六倍体燕麦和四倍体棉花和烟草中。所以,菊属里也可能存在优先配对或如5B基因的遗传控制。Nakata等发现菊属二倍体种间杂种染色体在减数分裂中期Ⅰ也配成正常的二价体,但陈发棣等观察到二倍体间杂种配对的二价体在中期提前解离或呈松散配对状态,认为存在控制提前解离的基因或基因组间为部分同源关系。但其他倍性杂种在减数分裂中期Ⅰ染色体基本配成二价体,单价体和多价体的数目明显低于理论值,其中三倍体杂种出现单价体和多价体的数目最多。Watanabe对人工诱导的多倍体进行研究时也观察到二倍体化的染色体配对行为。陈发棣等对3个药用菊品种(2n=54)进行细胞学研究时,发现在花粉母细胞减数分裂中期Ⅰ,3个品种的染色体也都能较好地配成二价体。Roxas等对日本Higo品种群的16个品种减数分裂行为进行研究,同样观察到以二价体构型为主的染色体配对行为,少有单价体和四价体出现。在所有品种中,后期Ⅰ和后期Ⅱ观察到了落后染色体和染色体桥;在四分体时期,观察到大小不等或数量异常的小孢子。这些异常行为与非整倍体的形成、染色体的结构变异和花粉的育性可能存在一定的相关性。5菊属dna重复序列的分布和形态AbdEl-Twab等对泡黄金菊、小红菊、野菊、甘菊、野路菊、那贺川野菊、毛华菊等不同倍性物种的种间杂种以亲本种基因组为探针,进行基因组原位杂交分析(genomicinsituhybridization,GISH)时,未能将双亲的基因组区分开,表明基因组间有很高的同源性,彼此间亲缘关系很近。在广义菊属里,亚菊属被认为与菊属的亲缘关系最近,均属菊亚族。在日本,亚菊属甚至被归到了菊属里,作为菊属的一个组。AbdEl-Twab等对属间杂种甘菊×疏齿亚菊(D.lavandulifolia×A.remotipinna)以疏齿亚菊基因组为探针进行GISH分析时发现,仅有1条亚菊属染色体产生很弱的杂交信号,表明它们的基因组的确存在很高的同源性。另外,两个属间存在许多杂种;菊属一些种与亚菊属的亲缘关系比菊属种间亲缘关系还要近,所以把亚菊属独立于菊属还值得怀疑。DNA重复序列在染色体中的分布研究将有助于洞察植物基因组的组成、进化和行为。高等植物的基因组里,DNA重复序列至少占DNA的20%,有时甚至占到80%以上。在高等真核生物里,核糖体DNA(rDNA)包括编码18S-5.8S-26S(45S)和5SrRNA的基因,主要由重复序列组成。AbdEl-Twab等利用5SrDNA作探针对不同菊属植物进行荧光原位杂交分析(FISH),观察到二倍体龙脑菊、泡黄金菊、D.horaimontana、甘菊有2个杂交信号;四倍体小红菊、野菊、那贺川野菊、若狭滨菊(D.makinoivar.wakasaense)有4个杂交信号;六倍体野路菊和毛华菊有8个杂交信号。在菊属里,5SrDNA的杂交信号数似乎与倍数性相关(表3)。45SrDNA位于核仁组织区,以其为探针进行FISH时,杂交信号数相当于基因组里附随体的染色体数,每个染色体组平均杂交信号出现频率越高种越原始。CMA荧光分带虽然也能反映NOR区域,但因染色体制片技术等的原因,条带数常比45SrDNAFISH的杂交信号数少,而FISH结果准确性较高。在二倍体种里,甘菊被认为比泡黄金菊原始,45SrDNA的荧光原位杂交信号也支持了这一观点,甘菊有8个杂交信号,而泡黄金菊只有6个信号;甘菊最原始,D.horaimontana最进化,且随着倍数性的提高,45SrDNA的信号频率下降。二倍体泡黄金菊和龙脑菊被认为是四倍体野菊和那贺川野菊的亲本,这4个种和小红菊彼此有很近的亲缘关系。但是,四倍体种的形成不像是二倍体种染色体组的简单加倍,因为当用pTa7145SrDNA做探针进行荧光原位杂交时,四倍体杂交信号数并不是二倍体的2倍,如泡黄金菊有6个杂交信号,龙脑菊有4个杂交信号,而那贺川野菊有10个杂交信号或4个杂交信号,不支持菊属种的同源多倍体起源。日本野菊有8个杂交信号,中国野菊有12个杂交信号,表明同一种不同地理居群间存在遗传分化;野菊与那贺川野菊至少有1个染色体组不同,它们在核型分化上有不止1个祖先。但龙脑菊和若狭滨菊的45SrDNA和5SrDNA荧光原位杂交信号数的出现频率(每个染色体组平均杂交信号数)均相同,进一步表明若狭滨菊可能是龙脑菊的同源多倍体。二倍体的龙脑菊还被认为是六倍体野路菊的一个亲本,野路菊和毛华菊有较近的亲缘关系。Nakata等推测毛华菊可能是龙脑菊的自然多倍体,但毛华菊有10个45SFISH杂交信号,每染色体组平均频率为18.5%,而龙脑菊为22.2%,所以毛华菊基因组包含不止一个供体,应该是一异源多倍体;同样六倍体