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    11種楊屬植物的倍性鑒定及山楊天然三倍體的發(fā)現(xiàn)1)

    2016-07-15 10:12:50趙奉彬尚策張莉梅張志翔
    關(guān)鍵詞:楊樹

    趙奉彬 尚策 張莉梅 張志翔

    (北京林業(yè)大學(xué),北京,100083)

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    11種楊屬植物的倍性鑒定及山楊天然三倍體的發(fā)現(xiàn)1)

    趙奉彬尚策張莉梅張志翔

    (北京林業(yè)大學(xué),北京,100083)

    摘要在西藏芒康的山楊居群中發(fā)現(xiàn)有葉型明顯偏大的山楊植株,通過與該地其他居群正常山楊的葉型比較推測其為三倍體山楊,后經(jīng)流式細(xì)胞述驗(yàn)證了上述推測,確定為中國首次發(fā)現(xiàn)的山楊天然三倍體植株,同時(shí)以白楊組物種山楊和圓葉楊,青楊組物種冬瓜楊、梧桐楊、康定楊、滇楊、川楊、青楊、遼楊、德欽楊及大葉楊組大葉楊為研究對(duì)象,采用流式細(xì)胞儀對(duì)每個(gè)種代表樣本的染色體倍性進(jìn)行檢測。結(jié)果表明:這11個(gè)物種全部為二倍體,青楊、遼楊、大葉楊的倍性與前人報(bào)道結(jié)果一致,其余8個(gè)種為首次報(bào)道。試驗(yàn)結(jié)果顯示楊屬物種的倍性相對(duì)穩(wěn)定,沒有發(fā)現(xiàn)四倍體。倍性研究結(jié)合葉片研究表明,在青楊組中葉形大小僅為不同種之間存在的形態(tài)上的差異,而在白楊組山楊中可能就是倍性的差異。

    關(guān)鍵詞流式細(xì)胞儀;天然三倍體;楊樹;倍性

    楊樹是楊柳科楊屬(PopulusL.)植物的統(tǒng)稱,由于其具有速生豐產(chǎn)和分布范圍廣的特點(diǎn),一直被廣泛應(yīng)用于防護(hù)林建設(shè)、用材林培育和城市綠化中,對(duì)解決我國木材短缺問題起到了至關(guān)重要的作用[1]。楊屬的倍性研究開展較早,BLACKBURN K B et al.[2]首先報(bào)道了歐洲黑楊為二倍體,康向陽[3]報(bào)道毛白楊、新疆楊、河北楊和胡楊等都為二倍體,隨后銀白楊、小葉楊、大葉楊和歐洲山楊陸續(xù)被報(bào)道都為二倍體,齊力旺[4]和張守攻[5]報(bào)道遼楊、大青楊、青楊、香楊、毛果楊、歐洲黑楊等都為二倍體。因而,楊樹天然野生物種多為二倍體。

    在多倍體生物中,由于染色體數(shù)的增加導(dǎo)致基因數(shù)量增多和細(xì)胞容積變大[6],進(jìn)而多倍體植物在葉型、生長量和適應(yīng)性方面具有顯著的優(yōu)勢[7-8]。三倍體營養(yǎng)器官的巨大性和不育性使得其在以獲取材積為目標(biāo)和無性系繁殖體為途徑的楊樹育種中具有極高的利用價(jià)值[9]。自1935年NILSSON E H[10]于瑞典首次發(fā)現(xiàn)天然的歐洲山楊三倍體后,各國研究人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)美洲山楊、銀白楊、香脂楊等的天然三倍體植株,朱之梯等[11]于1992年發(fā)現(xiàn)易縣天然毛白楊三倍體雌株,這些天然三倍體往往在材積、葉片大小、抗性、干型通直度和纖維特性等方面都優(yōu)于自然二倍體[12-13]。天然三倍體的發(fā)現(xiàn)不僅為楊樹育種提供優(yōu)良的種質(zhì)資源,更是研究三倍體形成機(jī)制的重要材料,為人工誘導(dǎo)三倍體提供理論支撐。

    以往的研究發(fā)現(xiàn)三倍體楊樹植株都具有葉片明顯增大和樹形明顯增高的特征[14-15]。在西藏芒康采集到的葉型明顯偏大的山楊植株,較其他山楊樹形高大,經(jīng)形態(tài)學(xué)研究推測其為三倍體山楊。傳統(tǒng)的倍性鑒定方法主要是染色體壓片法,但是由于山楊扦插難以生根的特性,使得本研究中難以利用這一方法。流式細(xì)胞術(shù)是一種對(duì)生物顆粒進(jìn)行定量分析分選的技術(shù)[16-17],由于其對(duì)材料的分裂時(shí)期沒有要求使得其比傳統(tǒng)染色體壓片法的取材更加廣泛,同時(shí)易于實(shí)驗(yàn)操作,使得其在植物倍性研究中應(yīng)用廣泛,在楊樹育種和三倍體鑒定中也較為常用[18-20]。本研究即通過使用流式細(xì)胞術(shù)對(duì)大葉型山楊、普通山楊和青楊組豐富遺傳資源的代表種冬瓜楊、梧桐楊、康定楊、滇楊、川楊等11個(gè)種進(jìn)行倍性研究,以期補(bǔ)充我國豐富鄉(xiāng)土楊樹資源倍性數(shù)據(jù)的空白,促進(jìn)對(duì)我國特有鄉(xiāng)土楊樹資源進(jìn)行開發(fā)與保護(hù)。同時(shí)探討青楊組物種分類與葉片大小的關(guān)系,以及不同葉片大小的山楊個(gè)體間的關(guān)系。

    1材料與方法

    2011年起,在云南、四川、西藏等地采集楊樹標(biāo)本并記錄地理位置信息,2014—2015年3—4月到掛牌記錄地采集具冬芽的枝條,帶回北京林業(yè)大學(xué)樹木學(xué)實(shí)驗(yàn)室,插于清水中,待其幼葉剛生出時(shí),選取生長中的新鮮葉片作為試驗(yàn)材料。對(duì)照樣品二倍體垂柳采自北京林業(yè)大學(xué),二倍體銀白楊采自中國科學(xué)院植物研究所,待測大葉型山楊共兩個(gè)樣本,其他物種每個(gè)采集地點(diǎn)各3個(gè)樣本。憑證標(biāo)本存放于北京林業(yè)大學(xué)標(biāo)本館(BJFC),具體材料的采集信息詳見表1。

    測量芒康采集的葉型較大的山楊植株標(biāo)本,與同一地點(diǎn)的普通的山楊植株的標(biāo)本中各50片成熟葉子的長度和寬度;同時(shí)測量在霧靈山采集的遼楊和梧桐楊標(biāo)本中各20片成熟葉片的長度和寬度;最后測量在太白縣采集的冬瓜楊和青楊標(biāo)本中各20片成熟葉片的長度和寬度。對(duì)上述3組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行方差分析。

    試驗(yàn)的具體操作步驟參照田新民等[21]的方法:取幼嫩葉片(約1 g)于培養(yǎng)皿里,加入預(yù)冷的解離液WPB(約3 mL),用鋒利的刀片一次性快速切碎(每次試驗(yàn)以垂柳材料為外參,三倍體山楊檢測時(shí)以二倍體的銀白楊為內(nèi)參;以垂柳和待測楊樹以及銀白楊和待測楊樹的混合材料為試驗(yàn)材料),吸取培養(yǎng)皿內(nèi)的解離液,用400目的濾膜過濾到1.5 mL離心管中,離心(轉(zhuǎn)速1 000 r/min,4 ℃,5 min)棄上清后,再加入100 μL解離液,同時(shí)加入150 μL PI(碘化丙啶)染液。然后4 ℃避光染色10 min,移至上樣管,上機(jī)檢測。

    表1 楊屬材料來源

    試驗(yàn)分析設(shè)備采用清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測試中心美國BD公司的BD Calibur流式細(xì)胞分析儀,數(shù)據(jù)獲取通過CellQuest軟件,所得數(shù)據(jù)用美國Yerity Software House公司的ModFit軟件進(jìn)行分析。已知PI染料可以和核DNA結(jié)合放出熒光,流式細(xì)胞儀可檢測單個(gè)細(xì)胞的熒光強(qiáng)度,即可根據(jù)熒光強(qiáng)度與核DNA含量成正比推算出核DNA的相對(duì)含量[22]。ModFit軟件分析出的待測楊樹的DNA相對(duì)含量分布圖中,黃色的峰代表垂柳的DNA相對(duì)含量,紅色的峰代表?xiàng)顦涞腄NA相對(duì)含量,根據(jù)Bennett等[23]測定的垂柳與銀白楊的2C值分別為1.54和1.04,可算出待測楊樹樣品的2C(C代表生物體中單倍體基因組的DNA含量),其中DI為對(duì)照樣本垂柳與待測樣熒光強(qiáng)度的比值,公式如下:

    2C(待測樣)=2C(垂柳)/DI。

    2結(jié)果與分析

    2.1三倍體山楊的發(fā)現(xiàn)與驗(yàn)證

    葉片測量結(jié)果表明兩種山楊之間、梧桐楊和遼楊之間及冬瓜楊和青楊之間在葉子長度和寬度上均差異顯著(p<0.01)(表2)。由圖1可得出:在葉形上,待測山楊與普通二倍體山楊相似;而在葉片大小上,待測山楊葉片明顯巨大化。故推測大葉型樣本為三倍體山楊。

    表2 不同楊屬物種葉片性狀描述統(tǒng)計(jì)與方差分析

    注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;** 表示差異顯著(P<0.01)。

    在用流式細(xì)胞儀檢測待測山楊樣本的過程中,首先以垂柳為對(duì)照,得到圖2中M的分布圖,由于組織細(xì)胞中以分裂間期和分裂前期的細(xì)胞占多數(shù),其核DNA含量代表樣本的2C,在熒光強(qiáng)度50處的主峰代表相對(duì)核DNA含量為2C,熒光強(qiáng)度100處為4C,以此類推,圖中待測樣品的2C與垂柳相差不大,接著以銀白楊為內(nèi)參測定結(jié)果如N、O所示,黃色的峰代表待測山楊的DNA相對(duì)含量,紅色的峰代表銀白楊的DNA相對(duì)含量,檢測出圖N、O的DI值分別為1.61和1.56,可知待測山楊的核DNA相對(duì)含量大約是二倍體銀白楊的1.5倍,即可初步鑒定待測山楊為三倍體。

    圖1 三倍體山楊與二倍體山楊葉形對(duì)比

    2.211種楊樹染色體倍性的檢測

    在圖3中的DNA相對(duì)含量分布圖中,根據(jù)與已知二倍體銀白楊的2C值比較,可初步鑒定待測楊樹物種的倍性。由圖3、表3可知,所有樣本的2C值都在1.00上下浮動(dòng),表明表中所有物種DNA含量與二倍體銀白楊相近,故推測都為二倍體,不存在多倍體現(xiàn)象。大葉楊、遼楊和青楊經(jīng)流式細(xì)胞儀的檢測結(jié)果與前人研究一致。

    M.垂柳+三倍體山楊N.銀白楊+三倍體山楊O.銀白楊+三倍體山楊

    圖2 三倍體山楊不同對(duì)照的流式細(xì)胞儀檢測圖

    注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

    3結(jié)論與討論

    3.1野生楊屬物種的倍性

    使用流式細(xì)胞儀鑒定楊屬物種的倍性,其結(jié)果準(zhǔn)確可靠,并且可在1天的時(shí)間內(nèi)分析大量材料,而且對(duì)材料不需要做復(fù)雜的處理,大幅度節(jié)省時(shí)間、提高效率。通過對(duì)我國楊屬白楊組2種,青楊組8種,大葉楊組1種倍性的研究,發(fā)現(xiàn)除山楊有天然三倍體居群外,其余全部為二倍體,3個(gè)種青楊、大葉楊和遼楊與前人報(bào)道結(jié)果一致,其余8個(gè)種為首次報(bào)道。結(jié)合前人研究,可知已報(bào)道的楊屬20余種都為二倍體,天然三倍體植株普遍存在,但僅限于白楊組和少部分黑楊組物種,沒有發(fā)現(xiàn)混倍體、非整倍體或者四倍體。我國具有豐富的楊樹資源,特有的青楊組物種32種,占我國楊屬的大部分,我國是世界青楊組的分布中心和變異中心,其中西南地區(qū)更是我國青楊組物種的分布中心[24-25]。本研究選取了西南地區(qū)有代表性的青楊組物種,包括已廣泛用于育種研究的滇楊,分布廣泛的冬瓜楊、青楊、川楊和具有特殊地理分布的德欽楊、康定楊,為西南青楊組的倍性研究提供參考,同時(shí)又選取位于我國東北部的遼楊和梧桐楊,結(jié)果表明地理隔離下不同青楊組物種的倍性沒有差異。在植物中,營養(yǎng)體的大小往往和倍性有關(guān),多倍體往往伴隨著營養(yǎng)體的巨大化如葉大株高[13],而在楊屬物種中,青楊組包括大葉型的冬瓜楊等和小葉型的青楊等,本次取樣包括有大葉型的冬瓜楊、梧桐楊等和小葉型的遼楊和青楊等,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,待測青楊組物種都為二倍體,不論是大葉型還是小葉型,葉形大小僅為不同種之間存在的形態(tài)上的差異。而在白楊組山楊物種中,葉形大小可能表明植株之間的倍性差異,而不是物種之間的差異。同時(shí)本研究依據(jù)這一形態(tài)學(xué)性狀結(jié)合野外觀察首次發(fā)現(xiàn)了山楊的天然三倍體植株,經(jīng)流式細(xì)胞儀檢測也驗(yàn)證了其倍性。

    圖3 楊屬11個(gè)種和垂柳的流式細(xì)胞儀的檢測圖

    3.2天然三倍體山楊的價(jià)值及成因

    山楊是我國廣泛分布的鄉(xiāng)土樹種,從東北大小興安嶺、完達(dá)山至華北、西北、華中乃至西南的眾多省區(qū),包括黑龍江、河北、甘肅、青海、江蘇、云南、西藏等23個(gè)省[26],山楊為高海拔強(qiáng)陽性樹種,根孽力強(qiáng),常在撂荒地、采伐跡地和火燒跡地成片或散生。本次發(fā)現(xiàn)三倍體山楊在葉型大小上與此前發(fā)現(xiàn)的歐洲山楊和美洲山楊類似[13-15],同時(shí)枝條也更加粗壯,因此在干形、生長速率等方面可能也具有三倍體普遍的優(yōu)勢,故此優(yōu)質(zhì)的山楊遺傳資源對(duì)山楊育種的發(fā)展有重要的意義。

    Montzing[15]認(rèn)為歐洲山楊三倍體的起源是受環(huán)境影響諸如森林火災(zāi)、異常低溫或者高溫的刺激,二倍體楊樹的花粉母細(xì)胞不正常的減數(shù)分裂產(chǎn)生2n花粉,2n花粉較正常的花粉體積明顯偏大,此2n雄配子與正常減數(shù)分裂的雌配子受精進(jìn)而長成天然三倍體。朱之悌等[11]在大量觀察毛白楊不同種源地?zé)o性系的花粉后證實(shí)存在有大花粉粒,經(jīng)研究是2n花粉。天然三倍體除以單株存在外,也有以林分形式存在的,特別是北美西部發(fā)現(xiàn)的美洲山楊三倍體[19]。白楊組三倍體植株的發(fā)現(xiàn)與報(bào)道比較普遍,這跟白楊組物種的根萌繁殖特性有極大關(guān)系:在美國西部發(fā)現(xiàn)的由47 000棵根萌無性系組成的美洲山楊是世界最大的生物體[27]。白楊組三倍體植株通過無性繁殖,在母樹根部萌發(fā)出幼樹,因而白楊組三倍體植株可呈群落分布。楊樹天然三倍體在歐洲和北美西部的廣泛分布表明三倍體楊樹更能適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臍夂?。以北美西部為例,由科迪勒拉山系形成的高原山地氣候寒冷干燥,在此地區(qū)發(fā)現(xiàn)根萌的克隆植株與三倍體植株的分布區(qū)重疊,可推測寒冷的氣候可能有利于產(chǎn)生未減數(shù)孢子,同時(shí)在低溫、干旱條件下,根萌的無性繁殖方式比有性繁殖消耗的營養(yǎng)更少,是更有效的種群適應(yīng)機(jī)制。由于三倍體植株在細(xì)胞大小、細(xì)胞含水量、氣孔大小和密度、生長速率等方面與普通二倍體有明顯差別,這也使得其更適應(yīng)嚴(yán)酷的生境[19]。本次發(fā)現(xiàn)的天然三倍體山楊地處橫斷山脈最北端,海拔3 700 m,該處寒冷干燥,山楊往往成群落分布,可能根萌無性系占多數(shù)。三倍體山楊的生境與前人發(fā)現(xiàn)歐洲山楊和美洲山楊的三倍體高海拔生境類似,說明三倍體的形成及白楊組物種特有的根萌現(xiàn)象與生境有極大的關(guān)系。

    此次的三倍體山楊為我國首次發(fā)現(xiàn)的天然三倍體山楊植株,性狀優(yōu)良,是良好的育種資源。因?yàn)樯綏畹膹V布性和我國生態(tài)環(huán)境的多樣性,山楊的天然三倍體在我國一定還有大量的分布,特別是在西藏芒康、云南迪慶等高海拔高寒地區(qū)。由于白楊組的根萌特性使得三倍體植株能夠很好的保留下來并且實(shí)現(xiàn)快速繁殖,因而成居群形式的三倍體植株更容易被發(fā)現(xiàn)和利用。相信在不久的將來會(huì)有更多的山楊天然三倍體被發(fā)現(xiàn),為楊樹育種提供更多優(yōu)良資源。

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    Ploidy Testing of 11 Poplar Species and Discovery of Natural TriploidPopulusdavidianaDode

    Zhao Fengbin, Shang Ce, Zhang Limei, Zhang Zhixiang

    (Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University,2016,44(6):23-27.

    We found a large leaves form ofPopulusdavidianaat Mangkang in in Xizang. Compared with leaves type between the big leaves aspen and norsmal aspen speculate the large one is triploid aspen. Then, we verified it using flow cytometry. It was the first time that the natural triploid aspen was reported. We used the flow cytometry to determine the ploidy level of the 11 species containingP.davidiana,P.rotundifoliain Section Leuce,P.lasiocarpain Section Leucoides andP.cathayana,P.haoana,P.maximowiczii,P.pseudomaximowiczii,P.purdomii,P.yunnanensis,P.szechuanica, andP.kangdingensisin Section Tacamahaca. All 11 species were diploid. The results ofP.cathayana,P.maximowiczii,P.lasiocarpawere the same with those of previous research, and the rest was reported for the first time. Results manifested that the species of the genusPopulusshared stabilized ploidy level without tetraploid. Ploidy studies combining blade research show that the leaves size is the only morphological difference in different species in SectionTacamahaca, but it may be ploidy difference in speciesP.davidiana.

    KeywordsFlow cytometry; Natural triploid; Poplar; Ploidy

    第一作者簡介:趙奉彬,男,1991年2月生,北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院,碩士研究生。E-mail:zhaofengbin@bjfu.edu.cn。 通信作者:張志翔,北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院,教授。E-mail:zxzhang@bjfu.edu.cn。

    收稿日期:2015年10月20日。

    分類號(hào)S722.3;Q949.4

    1)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(J1310002)。

    責(zé)任編輯:潘華。

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