假高粱、黑高梁和高粱細(xì)胞學(xué)指標(biāo)比較及其生態(tài)學(xué)意義

鄒滿鈺, 李　娜, 郭水良, 印麗萍

(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234;2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心,上海 200234)

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假高粱、黑高梁和高粱細(xì)胞學(xué)指標(biāo)比較及其生態(tài)學(xué)意義

鄒滿鈺1, 李娜1, 郭水良1, 印麗萍2

(1.上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234;2.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心,上海 200234)

假高粱(Sorghum halepense (L.)Pers.)是世界十大惡性雜草之一.黑高粱(S.almumParodi)和高粱(S.bicolor(L.)Moench)是假高粱的兩種近緣種,其中黑高粱有入侵性,高粱則為栽培植物,不表現(xiàn)出入侵性.為了解影響植物入侵能力的生物學(xué)因素,比較了高粱屬3種植物根尖分生組織細(xì)胞的染色體、細(xì)胞核、細(xì)胞大小和細(xì)胞有絲分裂指數(shù).結(jié)果表明,高粱染色體平均投影面積最大,其次是黑高粱,假高粱的最小;就細(xì)胞和細(xì)胞核大小而言,都是高粱最大、其次是黑高粱和假高粱;在25～35 ℃的溫度范圍內(nèi),高粱根尖分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂速率最低,假高粱的最高.3種植物的種子(穎果)以高粱最大,黑高粱和假高粱的顯著小,幼苗相對(duì)生長(zhǎng)速率以高粱最小,假高粱的最高.3種植物的細(xì)胞分裂速率與其染色體、細(xì)胞核、細(xì)胞和種子大小存在顯著相關(guān),表明入侵性植物往往具有較小的分生組織細(xì)胞、細(xì)胞核和種子,但是有相對(duì)高的細(xì)胞分裂速率和幼苗相對(duì)干重.因此,根尖分生組織細(xì)胞學(xué)指標(biāo)在高粱屬植物入侵能力評(píng)估上有潛在應(yīng)用價(jià)值.

假高粱; 黑高粱; 高粱; 細(xì)胞學(xué)指標(biāo); 生態(tài)學(xué)意義

0　前　言

隨著我國(guó)對(duì)外交流的增加,外來(lái)植物引種和傳入的機(jī)會(huì)加大,導(dǎo)致了外來(lái)植物入侵問(wèn)題的日益嚴(yán)重[1-2].目前首要的工作是要迅速建立我國(guó)的外來(lái)入侵植物體系,提高對(duì)外來(lái)植物的預(yù)警能力[3].解決外來(lái)植物入侵的一個(gè)核心問(wèn)題是如何判定植物的入侵性.

許多研究表明,基因組大小與植物的入侵性密切相關(guān)[4-8].Chen等[7]統(tǒng)計(jì)了世界范圍內(nèi)3 676種被子植物的核DNA含量與入侵性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)類群中,基因組小的植物,其入侵性就高.因此,基因組大小是評(píng)估植物入侵能力的一個(gè)重要指標(biāo).

DNA在決定表型變異中有重要作用,可能與植物的生態(tài)適應(yīng)間存在某種關(guān)系[9].例如,Bennett等[10]通過(guò)比較14種植物根尖細(xì)胞有絲分裂中期染色體總體積與DNA含量間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)其呈正相關(guān);Baetcke等[11]通過(guò)比較30種草本被子植物平均頂端分生組織細(xì)胞核體積跟DNA含量間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)DNA含量高的物種的細(xì)胞普遍較大;Van′tHof等[12]通過(guò)比較溫度為23 ℃時(shí)生長(zhǎng)的6種被子植物根尖細(xì)胞最短有絲分裂周期時(shí)間與DNA含量間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)核DNA含量跟細(xì)胞有絲分裂周期持續(xù)時(shí)間呈正相關(guān);Bennett等[13]通過(guò)比較溫度為20 ℃時(shí)生長(zhǎng)的18種二倍體被子植物減數(shù)分裂持續(xù)時(shí)間與DNA含量間的關(guān)系,其存在密切的正相關(guān)性;在蔥屬(Allium)、野碗豆屬(Vicia)、還陽(yáng)參屬(Crepis)中[14-15],24種英國(guó)豆科植物,以及32種英國(guó)產(chǎn)的草本植物[16],其DNA含量跟種子重量之間也有極大的正相關(guān)關(guān)系.

由于測(cè)定基因組大小需要昂貴的儀器設(shè)備和試劑費(fèi)用.高粱屬的假高粱和黑高粱均屬于外來(lái)入侵性雜草,而與其同一屬的高粱則屬于典型的農(nóng)作物(非雜草).以此3種植物所謂實(shí)驗(yàn)材料,通過(guò)測(cè)定入侵種與非入侵種的染色體大小、細(xì)胞核大小、細(xì)胞大小、細(xì)胞有絲分裂指數(shù)和幼苗生長(zhǎng)速率,可以進(jìn)行有關(guān)入侵性的比較研究實(shí)驗(yàn)來(lái)研究細(xì)胞繁殖生物學(xué)性狀和植物入侵性的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性,從而為植物入侵性評(píng)估提供新的指標(biāo).

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料假高粱、黑高梁和高粱種子由上海出入境檢驗(yàn)檢疫局動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室提供.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,種子于室內(nèi)干燥通風(fēng)處晾干,并保存于紙袋內(nèi),室內(nèi)保存.每種種子隨機(jī)挑取100粒稱重,重復(fù)5次,以測(cè)定各個(gè)物種種子的千粒重.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1細(xì)胞、細(xì)胞核、染色體大小以及有絲分裂指數(shù)的測(cè)定

首先將種子置入墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中,加入適量的蒸餾水,然后放入不同溫度設(shè)定的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(光照時(shí)間和黑暗時(shí)間各12h).待幼苗根長(zhǎng)至1～2cm時(shí)取出幼苗,挑取粗壯根尖洗凈后用普通壓片法制作根尖臨時(shí)裝片.預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,對(duì)于高粱屬3個(gè)物種而言,上午10:00取材較為理想,并且低溫預(yù)處理效果較好.因此3種材料的取材時(shí)間均為上午10:00,然后放入溫度為4 ℃的冰箱中進(jìn)行預(yù)處理,處理時(shí)間為24h,再用卡諾氏溶液固定2～24h,取出材料,用蒸餾水洗凈后放入解離液(95%乙醇(V):濃鹽酸(V)=1∶1)解離15min,再用蒸餾水漂洗干凈.之后用改良石炭酸品紅溶液染色30～40min,制作根尖臨時(shí)裝片[17],在Motic數(shù)字顯微鏡DMB1.223(MoticLtd.Crop.中國(guó))下鏡檢.每個(gè)物種選取15個(gè)能觀察到處于細(xì)胞分裂中期,染色體清晰、分散的細(xì)胞,放在100倍鏡下拍照.同時(shí)對(duì)于每個(gè)物種在100倍鏡下各取500個(gè)分生區(qū)細(xì)胞和細(xì)胞核拍照.其中細(xì)胞和細(xì)胞核大小的比較實(shí)驗(yàn)總共設(shè)置低溫、8-羥基喹啉和飽和對(duì)二氯苯3個(gè)預(yù)處理?xiàng)l件.

對(duì)每個(gè)物種而言,分別制作于25、30和35 ℃下培養(yǎng)的根尖染色體的臨時(shí)裝片用于統(tǒng)計(jì)有絲分裂指數(shù).處理時(shí)每種挑選10個(gè)細(xì)胞分散、分生區(qū)清晰的根尖在40倍鏡下連續(xù)拍攝10張照片,統(tǒng)計(jì)有絲分裂指數(shù)(前期、中期和后期細(xì)胞數(shù)/分生區(qū)細(xì)胞總數(shù)).

分別挑取高粱屬3個(gè)物種的10個(gè)處于有絲分裂中期、染色體較為分散而清晰的細(xì)胞,統(tǒng)計(jì)計(jì)算染色體總投影面積和平均投影面積(MCH).

1.2.2幼苗生長(zhǎng)的測(cè)定

挑選顆粒飽滿的種子,進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn).種子先用蒸餾水洗滌3次,然后每個(gè)處理選取50顆,采用紙碟法[18],于POX多段可編程光照培養(yǎng)箱恒溫(20、25、30 ℃)培養(yǎng)(光照12h,黑暗12h).培養(yǎng)皿直徑9cm,每個(gè)處理設(shè)立3個(gè)重復(fù).從培養(yǎng)皿中的種子萌發(fā)率到達(dá)30%后開(kāi)始,統(tǒng)一挑出30顆已經(jīng)萌發(fā)出來(lái)的種子,放在對(duì)應(yīng)的溫度中培養(yǎng)形成幼苗,培養(yǎng)2周后烘干稱重.

1.2.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件中的one-wayANOVA模塊進(jìn)行單因素方差分析,采用LSD方法進(jìn)行多重比較.方差不整齊時(shí),首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換或者開(kāi)平方根-反正弦轉(zhuǎn)換[19].

2　結(jié)　果

2.1染色體和種子大小

高粱屬3種植物無(wú)論是染色體平均投影面積和種子千粒重都有顯著差異.就染色體大小而言,黑高粱最大,假高粱次之,最后是高粱(表1).其中,假高粱和黑高粱是四倍體,高粱是二倍體.然而,就染色體平均投影面積而言,高粱的最大,然后是黑高粱,假高粱的最小;種子千粒重而言,高粱最大,然后是黑高粱,假高粱.總體上,高粱的染色體平均投影面積和種子千粒重要比假高粱和黑高粱的大.

表1　高粱屬3種植物染色體和種子大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無(wú)顯著差異.

2.2不同預(yù)處理?xiàng)l件下的細(xì)胞和細(xì)胞核大小

高粱屬3種植物在低溫、8-羥基喹啉和飽和對(duì)二氯苯3個(gè)預(yù)處理?xiàng)l件下,就細(xì)胞和細(xì)胞核大小而言,都是高粱最大、然后是黑高粱和假高粱(表2～3).

表2　高粱屬3種植物不同預(yù)處理?xiàng)l件下細(xì)胞核大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無(wú)顯著差異.

表3　高粱屬3種植物不同預(yù)處理?xiàng)l件下細(xì)胞大小

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無(wú)顯著差異.

2.3不同溫度下的有絲分裂指數(shù)

在25～35 ℃的溫度范圍內(nèi),高粱的根尖分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂指數(shù)都是最小的;假高粱的有絲分裂速率在各個(gè)溫度條件下都是最高的(表4).表4顯示總體上隨著細(xì)胞核的增大,根尖分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂速率下降.

表4　高粱屬3種植物不同溫度下有絲分裂指數(shù)

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無(wú)顯著差異.

2.4幼苗生長(zhǎng)速度的比較研究

隨著溫度從20～30 ℃,假高粱和黑高梁幼苗生長(zhǎng)14d之后的幼苗相對(duì)干重(幼苗相對(duì)干重=幼苗干重/種子千粒重)也相應(yīng)上升,之后隨著溫度的升高而下降,幼苗生長(zhǎng)14d之后的相對(duì)干重在30 ℃時(shí)達(dá)到最高;高梁幼苗相對(duì)干重在25 ℃時(shí)達(dá)到最高,高于或低于該溫度其相對(duì)干重都有所下降(表5).

從表5可以發(fā)現(xiàn),高梁的幼苗生長(zhǎng)14d之后的相對(duì)干重在25 ℃時(shí)達(dá)到最高,假高粱和黑高粱則的相對(duì)干重在30 ℃時(shí)達(dá)到最高.這反映出高粱屬的這兩種雜草與作物的幼苗生長(zhǎng)對(duì)溫度的反應(yīng)是不同的.

表5　假高粱、黑高粱、高梁于不同溫度下生長(zhǎng)14 d后的幼苗相對(duì)干重

注:同一列中相同的字母表示相互間在0.05水平上無(wú)顯著差異.

3　結(jié)　論

入侵性強(qiáng)的植物往往具有較小的基因組[7].本研究中黑高粱、假高粱和高粱的基因組大小分別為 0.8188、0.8363和0.9050pg[20].通過(guò)對(duì)假高粱和高粱細(xì)胞學(xué)指標(biāo)的比較,發(fā)現(xiàn)基因組大小和染色體平均投影面積、細(xì)胞核大小、細(xì)胞大小,以及種子重量之間呈正相關(guān),與幼苗的相對(duì)重量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.

入侵性強(qiáng)的植物往往具有相對(duì)高的幼苗生長(zhǎng)速率,即單位時(shí)間內(nèi)幼苗的相對(duì)生物量較大,使它們?cè)谏钍返摹捌鸩健彪A段處于競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì).在25和30 ℃條件下,假高粱的相對(duì)幼苗生物量極顯著地高于高粱.生活史短、產(chǎn)生量大、適應(yīng)遠(yuǎn)距離傳播的[6,21-23]性狀可以增強(qiáng)植物的入侵性.高粱的種子千粒重極顯著地大于入侵性強(qiáng)的假高粱和黑高粱.

基因組大小上的變異主要是由非基因DNA部分所造成的.這說(shuō)明核DNA可以通過(guò)兩種途徑影響生物的表型:第一種是通過(guò)核DNA遺傳物質(zhì)的表達(dá);第二種是通過(guò)核DNA本身的重量及體積的物理作用影響.有人將核DNA不依賴其編碼信息來(lái)影響表型的狀況定義“核型”,顯然,細(xì)胞大小、體積、重量及發(fā)育速率跟核DNA含量變化間的關(guān)系部分可能是由“核型”引起的[9].

本研究豐富了植物基因組大小影響植物入侵能力的生物學(xué)機(jī)理研究?jī)?nèi)容.同時(shí)也驗(yàn)證了植物根尖分生組織的細(xì)胞學(xué)指標(biāo)在植物入侵能力評(píng)估上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,至少在部分類群中適用,例如高粱屬.Chen等[7]指出應(yīng)用基因組大小評(píng)估植物的入侵能力,在不少類群中有潛在應(yīng)用價(jià)值,但是并不適合于所有的類群.應(yīng)用植物根尖細(xì)胞學(xué)指標(biāo)進(jìn)行入侵能力的評(píng)估,也可能局限于某些類群.因此,需要開(kāi)展更多的工作來(lái)了解根尖分生組織細(xì)胞學(xué)指標(biāo)對(duì)植物入侵評(píng)估的普適性.

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(責(zé)任編輯：顧浩然)

Comparison of cytological indexes of Sorghum halepense,S.almum and S. bicolor and its ecological significance

ZOU Manyu1, LI Na1, GUO Shuiliang1, YIN Liping2

(1.CollegeofLifeandEnvironmentalSciences,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China;2.TechnicalCenterforAnimals,PlantsandFoodInspectionandQuarantine,ShanghaiEntry-ExitInspectionandQuarantineBureau,Shanghai200135,China)

Sorghum halepenseisoneoftheworld′stoptenviciousweeds.S.almumandS.bicoloraretwocogenericspeciesofS.halepense.S.almumisaweedyspeciestoo,whileS.bicolorisacultivatedplant,withoutweediness.Wecomparedsomecytologicalindexes,suchasthekaryotype,thesizeofkaryonsandcells,themitosisratesofapicalmeristematiccellsofthethreeSorghumspecies,inordertoclarifythebiologicalfactorsthattakearoleintheinvasivenessofplants.TheresultsshowthatS.bicolorhasthelargestaveragechromosomeprojectionarea,followedbyS.almum,andS.halepensehasthesmallestone.Asforthesizeofcellsandkaryons,S.colorhasthelargestcellsandkaryons,followedbyS.almum,andS.halepensehasthesmallestones.Within25～35 ℃,themitosisrateoftheapicalmeristematiccellsofS.bicolorwasthelowest,whilethatofS.halepensewasthehighest.Theinvasivenessofthethreefocalspeciesaredistinctivelyrelatedwiththeirchromosomes,karyons,cells,seedsizesandmitosisrates,supportingtheviewpointthattheplantswithsmallermeristematiccellsandkaryonshavehigherinvasiveness.Therefore,themeristematiccytologicalindexesmayhaveapotentialvalueinpredictionoftheinvasivenesstheSorghum.

Sorghum halepense; Sorghum Almum; Sorghum Bicolor;cytologicalindexes;ecologicalsignificance

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2016.04.013

2015-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(31070479);上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(10JC1412100)

鄒滿鈺，中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào)，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail:zou18772306330@sina.com;郭水良，中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào)，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail:gsg@shnu.edu.cn

Q94-331

A

1000-5137(2016)04-0471-06