菊科紫菀屬3種植物的核型分析

李 志，王梓辛，耿勝娟，陳三茂，黎維平

（湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410081）

菊科紫菀屬3種植物的核型分析

李 志，王梓辛，耿勝娟，陳三茂，黎維平＊

（湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙410081）

菊科紫菀屬密毛系（Aster Series Vestiti Ling）含3個(gè)物種：密毛紫菀（A.vestitus Franch.）、灰枝紫菀（A.poliothamnus Diels）和西固紫菀（A.sikuensis W.W.Smith et Farr.），新近的分子系統(tǒng)學(xué)研究對(duì)密毛系是否單系提出質(zhì)疑。該文采用常規(guī)根尖壓片法，對(duì)紫菀屬密毛系3種植物4個(gè)居群的核型進(jìn)行觀察分析。結(jié)果顯示：3種植物的核型公式均為2n＝2x＝18＝14m＋4sm（2SAT）；密毛紫菀居群2個(gè)的核型屬于1A型，灰枝紫菀和西固紫菀為2A型。密毛紫菀和西固紫菀的核型資料為首次報(bào)道?；抑ψ陷业娜旧w數(shù)目、基數(shù)和不對(duì)稱(chēng)性等核型資料與先前唯一的相關(guān)報(bào)道結(jié)果（體細(xì)胞染色體數(shù)目為32，核型公式2n＝2x＝32＝26sm＋6st，屬4A型，染色體中未發(fā)現(xiàn)隨體）迥然不同。3種植物的核型結(jié)果不支持保留密毛系，而核型不對(duì)稱(chēng)性類(lèi)型支持該實(shí)驗(yàn)室先前提出的亞屬劃分。3種植物隨體的大小屬于紫菀亞族型，這支持歐亞紫菀屬與北美紫菀類(lèi)沒(méi)有密切親緣關(guān)系的觀點(diǎn)。

紫菀屬；密毛系；密毛紫菀；灰枝紫菀；西固紫菀；核型

紫菀屬（Aster L.）是菊科的模式屬，其定義近年發(fā)生了巨大的改變。DNA序列證據(jù)［1－2］顯示，廣義紫菀屬（Aster sensu lato）既是多系類(lèi)群，又是并系類(lèi)群。最近的幾個(gè)研究［2－4］分別重新定義了紫菀屬，一方面將一些類(lèi)群排除出紫菀屬，另一方面又建議將一些屬歸并進(jìn)來(lái)。分子系統(tǒng)學(xué)研究與早先的一些細(xì)胞學(xué)研究在一定程度上相吻合。例如染色體基數(shù)的差異和核型特征［3］支持分子系統(tǒng)學(xué)研究將北美紫菀類(lèi)植物從紫菀屬中獨(dú)立出去的建議［1－2］。原馬蘭屬（Kalimeris Cass.）的物種，除長(zhǎng)柄馬蘭［K.longipetiolata（Chang）Ling］外，雖然已并入紫菀屬［2，4］，但是馬蘭類(lèi)均具有小型染色體［5］，是其作為一自然類(lèi)群的有力證據(jù)之一，馬蘭類(lèi)在分子系統(tǒng)樹(shù)上也聚為一支［2］。新定義的紫菀屬中，有細(xì)胞學(xué)資料的種類(lèi)只占很少的一部分［5－14］。新的細(xì)胞學(xué)資料累積有利于紫菀屬系統(tǒng)演化和分類(lèi)學(xué)的深入研究。

林镕等［15］建立的密毛系（Aster Series Vestiti Ling）由密毛紫菀（A.vestitus Franch.）、灰枝紫菀（A.poliothamnus Diels）和西固紫菀（A.sikuensis W.W.Smith et Farr.）3個(gè)種組成；其中灰枝紫菀和西固紫菀均為亞灌木，特產(chǎn)于中國(guó)西部，而密毛紫菀為多年生草本，為喜馬拉雅區(qū)系特有植物［4，15］。雖然分子研究支持將這3個(gè)種留在紫菀屬內(nèi)，但認(rèn)為密毛系是多系類(lèi)群，密毛紫菀被置于一個(gè)亞屬，而將灰枝紫菀和西固紫菀歸入另一亞屬，后2種植物的親緣關(guān)系密切［2］，但分子系統(tǒng)學(xué)的結(jié)論還有待更多證據(jù)包括細(xì)胞學(xué)資料的支持。尤其困惑的是有報(bào)道［16］灰枝紫菀的染色體數(shù)目為2n＝32，為二倍體。但是一般認(rèn)為，染色體基數(shù)為9是紫菀屬乃至歐亞紫菀族的特征［3，5－14］。紫菀屬植物具有染色體基數(shù)為16的報(bào)道很不尋常，值得驗(yàn)證。本研究首次報(bào)道密毛紫菀和西固紫菀的核型，探討3種植物核型差異的分類(lèi)學(xué)意義，并檢驗(yàn)前人對(duì)灰枝紫菀細(xì)胞學(xué)特征的報(bào)道，討論新定義的紫菀屬植物染色體的隨體特征。

1 材料和方法

密毛紫菀、灰枝紫菀和西固紫菀的居群取樣分別于近年在云南香格里拉的桑那（桑那居群Ps）和小中甸（小中甸居群Px）、陜西旬陽(yáng)小河鎮(zhèn)和甘肅貴清山（表1），憑證標(biāo)本保存于湖南師范大學(xué)植物標(biāo)本室（HNNU）。

西固紫菀植株被移栽后取根尖；而密毛紫菀和灰枝紫菀則用瘦果培育成幼苗，然后獲取根尖。以個(gè)體為單位切取根尖，經(jīng)0.1%秋水仙堿中于室溫下預(yù)處理4h，卡諾固定液（冰醋酸∶95%乙醇＝1∶3）中固定4～18h，用1mol／L鹽酸于60℃下解離8min，充分漂洗后，用改良苯酚品紅染液浸泡0.5h以上，最后壓片、鏡檢、拍照。

每個(gè)居群觀察至少5株20個(gè)以上細(xì)胞有絲分裂中期照片（染色體分散較好且著絲粒清晰），進(jìn)行染色體記數(shù)。核型分析根據(jù)李懋學(xué)和陳瑞陽(yáng)的方法［17］。核型不對(duì)稱(chēng)系數(shù)（As K%）計(jì)算公式為：As K%＝長(zhǎng)臂總長(zhǎng)／全組染色體總長(zhǎng)×100。核型分類(lèi)按Stebbins的標(biāo)準(zhǔn)［18］劃分。

2 結(jié)果與分析

密毛紫菀2個(gè)居群，灰枝紫菀和西固紫菀體細(xì)胞的染色體數(shù)目均為18，各有1對(duì)染色體具有隨體，核型公式也均為2n＝2x＝18＝14m＋4sm（2SAT）（圖1；表2）。但是，染色體參數(shù)在種間及居群間存在差異（表2），密毛紫菀的核型屬于1A型，灰枝紫菀和西固紫菀的核型為2A型，但灰枝紫菀的核型（圖1C，D，I；表2）與先前報(bào)道［16］的截然不同。

3 討 論

表1 3種紫菀屬植物4居群的野外采集信息Table 1 Information of four populations sampled

3.1 灰枝紫菀的核型

先前的報(bào)道［16］指出，灰枝紫菀為二倍體，體細(xì)胞染色體數(shù)目為32，核型公式2n＝2x＝32＝26sm＋6st，屬4A型，染色體中未發(fā)現(xiàn)隨體。但本研究結(jié)果顯示，灰枝紫菀體細(xì)胞染色體數(shù)為18，屬于二倍體，染色體基數(shù)為9，這與迄今為止其他有關(guān)歐亞紫菀屬植物乃至歐亞紫菀族植物的染色體基數(shù)［3，5－14］是一致的。先前報(bào)道灰枝紫菀的體細(xì)胞染色體數(shù)目為32，其染色體基數(shù)為16（其被當(dāng)成二倍體時(shí)［16］）或8（若其被當(dāng)成四倍體時(shí)）；但是至今沒(méi)有研究認(rèn)為菊科體細(xì)胞染色體基數(shù)高達(dá)16，而且在紫菀族中，x＝8不見(jiàn)于中國(guó)［2］。紫菀屬植物核型不對(duì)稱(chēng)性通常較低［8－12］，本研究認(rèn)為灰枝紫菀的核型屬于2A型，這在紫菀屬中屬于進(jìn)化類(lèi)型；而關(guān)于其核型屬于4A型的結(jié)論［16］是令人意外的，紫菀族從未有過(guò)如此高的核型不對(duì)稱(chēng)性的報(bào)道。綜上所述，先前關(guān)于灰枝紫菀核型的研究難以令人置信，有必要檢查其憑證標(biāo)本或做重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

表2 3種紫菀屬植物4居群的核型參數(shù)Table 2 Karyotypic parameters of four populations of three Aster species

3.2 3個(gè)物種間核型差異的系統(tǒng)學(xué)意義

密毛紫菀、灰枝紫菀和西固紫菀的核型公式一致；三者雖然在最長(zhǎng)與最短染色體長(zhǎng)度比值和As K%值上有差異，但種間差異小于密毛紫菀二居群間差異。值得注意的是，密毛紫菀的染色體明顯大于灰枝紫菀和西固紫菀的染色體，密毛紫菀的核型不對(duì)稱(chēng)性（1A型）則小于灰枝紫菀和西固紫菀的（2A型），這些差異具有系統(tǒng)學(xué)意義。密毛紫菀屬于原亞屬（含屬的模式種雅美紫菀［A.amellusL.）］［2］，同屬原亞屬的植物三脈紫菀（A.ageratoides Turcz.）［56］、川鄂紫菀（Aster moupinensis Hand.－Mazz.）［8］、神農(nóng)架紫菀（Aster shennongjiaensis）［9］的核型不對(duì)稱(chēng)性都較低，平均臂比都小于1.40，核型不對(duì)稱(chēng)類(lèi)型為1A；而與灰枝紫菀和西固紫菀屬于另一亞屬［2］的東風(fēng)菜［A.scaber Thunb.＝Doellingeria scaber（Thunb.）Nees］［19］和莎菀［A.gramineus（L.）Komarov.＝Arctogeron gramineum（L.）DC.］［14］則均具有2A核型。所以核型證據(jù)不支持將密毛紫菀、灰枝紫菀和西固紫菀構(gòu)成一個(gè)系，即密毛系并不是一個(gè)單系的自然類(lèi)群，而傾向于將它們置于2個(gè)不同的亞屬，這支持本實(shí)驗(yàn)室早先基于分子證據(jù)的建議［2］。隨著紫菀屬植物細(xì)胞學(xué)資料的不斷積累，核型不對(duì)稱(chēng)性類(lèi)型的差異可能被確認(rèn)為紫菀屬2亞屬的特征。不過(guò)，雖然灰枝紫菀和西固紫菀的染色體長(zhǎng)度明顯小于密毛紫菀，但與密毛紫菀同屬于原亞屬的馬蘭類(lèi)植物和川鄂紫菀具有更小的染色體，所以染色體大小不能作為劃分亞屬的依據(jù)，而在組或系的水平上可能具有分類(lèi)學(xué)價(jià)值?；抑ψ陷液臀鞴套陷揖鶠?A核型，染色體都較?。ǎ?μm），核型不對(duì)稱(chēng)系數(shù)也接近，在已報(bào)道的分子系統(tǒng)樹(shù)［2］上二者組成一個(gè)分支，可見(jiàn)核型資料和分子證據(jù)都建議二者具有密切親緣。

圖1 紫菀屬3種植物的有絲分裂中期分裂相（A～F）及其核型圖（G～J）箭頭指隨體；A、G.密毛紫菀的桑那居群；B、H.密毛紫菀的小中甸居群；C、D、I.灰枝紫菀；E、F、J.西固紫菀Fig.1 Photomicrographs of somatic metaphase（A－F）and the karyotypes（G－J）of the three Aster species Arrows indicate satellites；A，G.Ps of A.vestitus；B，H.Px of A.vestitus；C，D，I.A.poliothamnus；E，F(xiàn)，J.A.sikuensis

3.3 隨體的分類(lèi)學(xué)價(jià)值

Semple等［20－21］將具有的隨體染色體稱(chēng)為核仁組織者區(qū)染色體（The nucleolar organizer region chromosome，NOR chromosome）。他們根據(jù)隨體的形態(tài)，將傳統(tǒng)的廣義紫菀屬植物分為3類(lèi)：（1）原始型（Primitive type），即隨體長(zhǎng)度大體等于其所相連的短臂，以Doellingeria umbellate Nees（＝Aster umbellatus Mill.）為代表［20－21］；（2）真紫菀型（Euaster type），其隨體長(zhǎng)于短臂，見(jiàn)于Eurybia radula（Ait.）GL Nesom（＝Aster radula Ait.）等植物［20－21］；（3）Virgulus型（Virgulus type），其隨體非常微小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其所連接的短臂，如Symphyotrichum novae－angliae（L.）Nesom（A.novae－angliae L.）和Lasallea Greene的數(shù)個(gè)種［20－22］。上述3類(lèi)限于新世界紫菀類(lèi)植物（北美廣義紫菀屬Aster sensu lato）。Nesom［3］提出了第4種隨體類(lèi)型，其隨體顯著短于短臂，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Virgulus型隨體。此類(lèi)型限于歐亞紫菀亞族植物，所以稱(chēng)其為紫菀亞族型（Asterinae type）。Nesom定義的紫菀亞族與本實(shí)驗(yàn)室最近重新定義的紫菀屬［2］相當(dāng)吻合。所以紫菀亞族型應(yīng)是紫菀屬的細(xì)胞學(xué)特征。本研究涉及的3個(gè)紫菀屬植物體細(xì)胞均有1對(duì)隨體染色體，但短臂與其上發(fā)隨體長(zhǎng)度之比在1～2之間，與紫菀亞族型十分相似。先前關(guān)于Aster thomsonii Clarke［23］和三脈紫菀核型的研究［5－6，10］也支持紫菀亞族型的概念。因此，認(rèn)為北美紫菀類(lèi)與歐亞紫菀屬?zèng)]有密切親緣而將紫菀屬中分離出去［3］是合理的。紫菀屬植物的細(xì)胞學(xué)資料仍十分缺乏，紫菀亞族型是否完全成立還有待進(jìn)一步研究。

［1］ NOYES R D，RIESEBERG L H.ITS sequence data support a single origin for North American Astereae（Asteraceae）and reflect deep geographic divisions in Aster s.l.［J］.American Journal of Botany，1999，86（3）：398－412.

［2］ LI W P，YANG F S，JIVKOVA T，et al.Phylogenetic relationships and generic delimitation of Eurasian Aster（Asteraceae：Astereae）inferred from ITS，ETS and trnL－Fsequence data［J］.Annals of Botany，2012，109（7）：1 341－1 357.

［3］ NESOM G L.Review of the taxonomy of Aster sensu lato（Asteraceae：Astereae），emphasizing the New World species［J］.Phytologia，1994，77（3）：141－297.

［4］ CHEN Y L，BROUILLET L，SEMPLE J C.Flora of China（Volume 20～21）［M］.Beijing：Science Press；St.Louis：Missouri Botanical Garden Press，2011：574－632.

［5］ LI W P.Natural hybridization between Aster ageratoides var.scaberulus and Kalimeris indica（Asteraceae）：evidences from morphology，karyotype and ITS sequences［J］.Botanical Studies，2006，47（2）：191－197.

［6］ CHEN R Y，IRIFUNE K，SONG W Q，et al.Cytogenetics on Plant Correlating between Japan and China［M］.Hiroshima：Hiroshima University，1992：89－112.

［7］ ITO M，SOEJIMA A.Flora of Japan（Volume IIIb）［M］.Tokyo：Kodansha，1995：59－73.

［8］ LI W P（黎維平）.A study on morphology and cytology of Aster moupinensis（Asteraceae）from the Three Gorge Reservior Area［J］.Life Science Research（生命科學(xué)研究），2003，7（1）：70－72（in Chinese）.

［9］ LI W P，ZHANG Z G.Aster shennongjiaensis（Asteraceae），a new species from central China［J］.Botanical Bulletin of Academia Sinica，2004，45（1）：95－99.

［10］ LI W P.The Cytogeography of Aster ageratoides var.laticorymbus（Asteraceae），apolyploid complex endemic to China［J］.Botanical Bulletin of Academia Sinica，2005，46（4）：355－361.

［11］ LI W P（黎維平），LIU SH X（劉勝祥）.Differentiation between Aster ageratoides var.micranthus and var.gerlachii：evidence from morphology and cytology［J］.Acta Phytotaxonomica Sinica（植物分類(lèi)學(xué)報(bào)），2005，43（1）：31－36（in Chinese）.

［12］ LI W P（黎維平），LIU SH X（劉勝祥）.Cytogeography of Aster ageratoides var.scaberulus［J］.Life Science Research（生命科學(xué)研究），2005，9（1）：68－72（in Chinese）.

［13］ LI W P（黎維平），ZHANG P（張 平），YIN G SH（殷根深）.New evidence for the tribal placement of Sheareria within Astereae（Compositae）［J］.Journal of Systematics and Evolution（植物分類(lèi)學(xué)報(bào)），2008，46（4）：608－613（in Chinese）.

［14］ 周廣明.莎菀屬及其近緣屬植物（菊科）的系統(tǒng)學(xué)研究［D］.山東曲阜：曲阜師范大學(xué)，2011.

［15］ 林 镕，陳藝林，石 鑄.中國(guó)植物志（第74卷）［M］.北京：科學(xué)出版社，1985：70－353.

［16］ GONG H D（鞏紅冬）.Study on karyotypes of Aster poliothamnus in the Eastern of Qinghai－Tibet Plateau［J］.Guangdong Agricultural Science（廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)），2010，3（3）：60－61（in Chinese）.

［17］ LI M X（李懋學(xué)），CHEN R Y（陳瑞陽(yáng)）.A suggestion on the standardization of karyotype analysis in plants［J］.Journal of Wuhan Botanical Research（武漢植物學(xué)研究），1985，3（4）：297－302（in Chinese）.

［18］ STEBBINS G L.Chromosomal Evolution in Higher Plants［M］.London：Edward Arnold，1971：87－123.

［19］ WANG B（王 冰），LI N（李 楠），GU X J（顧曉潔），et al.Karyotype analysis of Doellingeria scaber chromosome［J］.Chinese Pharmaceutical Journal（中國(guó)醫(yī)藥雜志），2006，41（10）：732－734（in Chinese）.

［20］ SEMPLE J C，BROUILLET L.Chromosome numbers and satellite chromosome morphology in Aster and Lasallea［J］.American Journal of Botany，1980，67（7）：1 027－1 039.

［21］ SEMPLE J C，CHMIELEWSKI J G，CHINNAPPA C C.Chromosome number determinations in Aster L.（Compositae）with comments on cytogeography，phylogeny and chromosome morphology［J］.American Journal of Botany，1983，70（10）：1 432－1 443.

［22］ CHMIELEWSKI J G，SEMPLE J C.The biology of Canadian weeds.125.Symphyotrichum ericoides（L.）Nesom（Aster ericoides L.）and S.novae－angliae（L.）Nesom（A.novae－angliae L.）［J］.Canadian Journal of Plant Sciences，2003，83（4）：1 017－1 037.

［23］ MEHRA P N，REMANANDAN P.Cytological investigations on the Indian Compositae.II.Astereae，Heliantheae，Helenieae and Anthemideae［J］.Caryologia，1974，27（3）：255－284.

（編輯：宋亞珍）

A Karyotypic Study on Three Aster Species（Asteraceae）

LI Zhi，WANG Zixin，GENG Shengjuan，CHEN Sanmao，LI Weiping＊
（College of Life Sciences，Hunan Normal University，Changsha 410081，China）

Aster vestitus Franch.，A.poliothamnus Diels and A.sikuensis W.W.Smith et Farr.comprise Aster Series Vestiti Ling（Asteraceae）whose monophyly was not supported by a new molecular phylogenetic investigation.Karyotypes of four populations of the three species were analyzed by conventional root tip squash method.The results showed that all the three species had a karyotypic formula of 2n＝2x＝18＝14m＋4sm（2SAT），while the two populations of A.vestitus belonged to the Stebbins’1Akaryotype and the other two species to the Stebbins’2A.The karyotypic data of A.vestitus and A.sikuensis were reported for the first time and that of A.poliothamnus was quite different from that reported by the only previous related study.The results did not suggest maintaining Ser.Vestiti but support the comment of Li et al.on subgeneric classification.Satellite size of the three species belonged to“Asterinae type”，which supported the opinion that there is no close relationship between Eurasian Aster and North American asters.

Aster；Series Vestiti；A.vestitus；A.poliothamnus；A.sikuensis；karyotypes

Q343.2＋2

A

10.7606／j.issn.1000－4025.2015.06.1148

1000－4025（2015）06－1148－05

2015－01－27；修改稿收到日期：2015－04－16

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31370265）；湖南省生態(tài)學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（0713）；湖南省生物發(fā)育工程及新產(chǎn)品研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心（20134486）

李 志（1989－），男，在讀博士研究生，主要從事植物分類(lèi)學(xué)研究。E－mail：442050223＠qq.com

＊通信作者：黎維平，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事菊科紫菀族的系統(tǒng)分類(lèi)研究。E－mail：lwp＠hunnu.edu.cn