一個(gè)新疆雜草黑麥居群的細(xì)胞學(xué)分析

車永和，申雅婷，楊燕萍，李旭青，宋 楠，徐榮蕊，劉偉華，李秀全，楊欣明

(1.河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北秦皇島 066600;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

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一個(gè)新疆雜草黑麥居群的細(xì)胞學(xué)分析

車永和1，申雅婷1，楊燕萍1，李旭青1，宋 楠1，徐榮蕊1，劉偉華2，李秀全2，楊欣明2

(1.河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院，河北秦皇島 066600;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

新疆雜草黑麥(Secalecerealesubsp.segetaleZhuk.)是我國發(fā)現(xiàn)的一種稀有野生黑麥資源，具有極強(qiáng)的抗病、抗逆性和優(yōu)異的豐產(chǎn)性狀。為系統(tǒng)了解該特殊種質(zhì)資源的生物學(xué)特征，并為這一珍貴種質(zhì)資源應(yīng)用于遠(yuǎn)緣雜交育種、牧草種質(zhì)開發(fā)及其生物多樣性保護(hù)提供基礎(chǔ)的細(xì)胞學(xué)依據(jù)，選取新疆雜草黑麥的一個(gè)居群89R38，觀察分析其花粉母細(xì)胞的減數(shù)分裂行為規(guī)律及其根尖細(xì)胞的核型特點(diǎn)。結(jié)果表明，89R38的絕大多數(shù)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中染色體的行為正常，在終變期同源染色體配對(duì)可形成7個(gè)二價(jià)體，而在少數(shù)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中(2.06%)觀察到落后染色體、染色體橋等異常行為；成熟花粉粒的醋酸洋紅染色反應(yīng)檢測(cè)其花粉粒的育性為99.08%；核型公式為2n=2x=14=12m+2sm，核型為1A型。

新疆雜草黑麥；花粉母細(xì)胞；減數(shù)分裂；染色體行為；核型分析

黑麥屬(SecaleL.)植物是最早也是最成功地用于小麥改良的近緣植物之一，具有許多普通小麥所不及的優(yōu)良性狀，另外作為糧食和飼料作物在全球也有較為廣泛的種植。由于自然或人為因素破壞，一些野生型、雜草型黑麥屬物種目前已經(jīng)逐漸消失，這無疑是對(duì)寶貴基因資源的巨大浪費(fèi)。我國發(fā)現(xiàn)的一種稀有野生黑麥類型，初步命名為Secalecerealesubsp.segetaleZhuk.，其突出優(yōu)點(diǎn)是抗白粉病和銹病，具有很強(qiáng)的抗旱、抗寒能力，另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是分蘗力強(qiáng)，有的材料有效分蘗平均達(dá)30個(gè)[1-3]。具有這些特性的此類黑麥對(duì)飼用黑麥和旱地小麥育種，尤其針對(duì)目前生產(chǎn)中突出的小麥抗病、抗旱、抗寒和豐產(chǎn)遺傳改良將會(huì)起到積極作用。目前此類遺傳資源更多地是被埋藏在種質(zhì)資源庫中，除個(gè)別研究報(bào)道外[4-7]，尚缺少系統(tǒng)評(píng)價(jià)和研究。

細(xì)胞學(xué)準(zhǔn)確直觀體現(xiàn)物種染色體特征特性，為物種研究提供基本生物學(xué)特征。植物的染色體數(shù)目與核型分析是對(duì)染色體的各種特征進(jìn)行定性和定量描述的一種基本方法。減數(shù)分裂時(shí)期的染色體配對(duì)行為能準(zhǔn)確直觀反應(yīng)染色體結(jié)構(gòu)變異。與單純的形態(tài)分類相比，染色體數(shù)據(jù)可以解決常規(guī)形態(tài)分類難以解決的問題[8-9]。本試驗(yàn)對(duì)新疆雜草黑麥中選取的一個(gè)居群的減數(shù)分裂時(shí)期染色體行為、成熟花粉粒育性及其染色體核型進(jìn)行了觀察分析，以期為這一珍貴種質(zhì)資源應(yīng)用于遠(yuǎn)緣雜交育種、牧草種質(zhì)開發(fā)及其生物多樣性保護(hù)提供基礎(chǔ)的細(xì)胞學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

供試材料為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所收集的新疆雜草黑麥居群，現(xiàn)種植和保存于河北科技師范學(xué)院。隨機(jī)選取該類種質(zhì)中的一個(gè)居群89R38，于4月下旬或5月初，待黑麥的旗葉露出2～3 cm時(shí)，在每天早上的8:00-9:00對(duì)黑麥幼穗進(jìn)行采集?；ǚ勰讣?xì)胞固定和根尖染色體制備參照代 明等[7]的方法，在卡諾液中固定26 h，轉(zhuǎn)入70%乙醇中于4 ℃保存?zhèn)溆谩２捎眉?xì)胞壓片法制備染色體標(biāo)本，并在顯微鏡下觀察拍照。核型類型參照Stebbins[10]的標(biāo)準(zhǔn)。核型不對(duì)稱系數(shù)(As.K，%)根據(jù)Arano[11]的方法進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式為：

長(zhǎng)臂總長(zhǎng)/全組染色體總長(zhǎng)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂觀察結(jié)果

對(duì)隨機(jī)選取的黑麥居群89R38的200個(gè)減數(shù)分裂時(shí)期的花粉母細(xì)胞進(jìn)行了觀察，結(jié)果(圖1)發(fā)現(xiàn)，97.94%的花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂染色體的行為正常，于染色體計(jì)數(shù)的最佳時(shí)期中期I出現(xiàn)了7個(gè)環(huán)狀二價(jià)體或6個(gè)環(huán)狀二價(jià)體和1個(gè)棒狀二價(jià)體2種情況，但以7個(gè)環(huán)狀二價(jià)體為絕大多數(shù)，占95%以上；2.06%的花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂行為出現(xiàn)異常，于減數(shù)分裂過程中出現(xiàn)染色體橋、落后染色體及異常四分體。

2.2 花粉粒育性的觀察結(jié)果

通過隨機(jī)取樣的方法，共觀察統(tǒng)計(jì)了1 200個(gè)成熟花粉粒的醋酸洋紅染色反應(yīng)結(jié)果(圖2)，其中不被染色或染色淺的、外形皺癟的花粉粒有11個(gè)，可育花粉粒占99.08%，花粉敗育率為0.92%。

2.3 體細(xì)胞核型分析結(jié)果

通過對(duì)50個(gè)新疆雜草黑麥居群89R38根尖細(xì)胞中期染色體數(shù)目的統(tǒng)計(jì)，未發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目變異，確定其染色體數(shù)目為14(圖3)。核型分析參數(shù)取自5個(gè)分散良好、著絲點(diǎn)清晰的中期細(xì)胞染色體的平均值，新疆雜草黑麥居群89R38的第7對(duì)同源染色體的臂比值在1.71～3.00范圍內(nèi)，染色體為近中部著絲點(diǎn)染色體(sm型)，其余6對(duì)同源染色體的臂比值都在1.00～1.70范圍內(nèi)，染色體為中部著絲點(diǎn)染色體(m型)，在居群89R38的染色體中沒有發(fā)現(xiàn)具隨體的染色體。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以確定新疆雜草黑麥居群89R38的染色體核型公式為2n=2x=14=12m+2sm。

由表1可知，居群89R38染色體相對(duì)長(zhǎng)度范圍為13.27%～18.11%，根據(jù)Stebbins[10]提出的“不對(duì)稱核型分析”分類標(biāo)準(zhǔn)，居群89R38染色體中最長(zhǎng)和最短的染色體的比值為1.36，沒有發(fā)現(xiàn)臂比大于2∶1的染色體，屬于1A型。根據(jù)Arano[10]的計(jì)算方法得出，居群89R38染色體的不對(duì)稱系數(shù)為56.10%，對(duì)稱程度較高，是較為對(duì)稱類型。

a：中期具7個(gè)環(huán)狀二價(jià)體；b：中期具6個(gè)環(huán)狀二價(jià)體和1個(gè)棒狀二價(jià)體；c：后期Ⅰ染色體橋(箭頭所示)；d：后期Ⅱ落后染色體(箭頭所示)；e和f：異常四分體。

a:Seven ringⅡ in metaphase; b:Six ring Ⅱ+ 1 rodⅡ in metaphase; c:Chromosome bridge in anaphase I indicated by arrow; d:Laggard chromosomes in anaphase Ⅱ indicated by arrow; e and f: Abnormal tetrad.

圖1 新疆雜草黑麥居群89R38花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂

Fig.1 Meiosis of pollen mother cells inS.cerealssubsp.segetalepopulation 89R38

箭頭所示敗育花粉粒。 The arrows stand for infertile pollen.

核型公式Karyotypeformula染色體相對(duì)長(zhǎng)度范圍Chromosomerelativelengthrange/%最長(zhǎng)染色體與最短染色體長(zhǎng)度之比Lengthratioofthelongestchromosometotheshortestone臂比>2的染色體數(shù)No．ofchromosomewitharmratio(L/S)>2臂指數(shù)Armindex核型不對(duì)稱系數(shù)As．K/%核型類型Karyotypetype2n=2x=14=12m+2sm13．27～18．111．3600．4456．101A

圖3 新疆雜草黑麥居群89R38根尖細(xì)胞染色體核型分析

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)新疆雜草黑麥89R38的花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中有少量的(2.06%)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂行為異常，主要表現(xiàn)為染色體落后和染色體橋等。成熟花粉粒的醋酸洋紅染色反應(yīng)檢測(cè)花粉粒育性為99.08%。落后染色體和染色體橋造成染色體的不均勻分配，形成遺傳組成不平衡的配子，產(chǎn)生不同遺傳組成的花粉粒，這是導(dǎo)致花粉敗育的重要原因之一。Ricci等[12]對(duì)俯仰臂形草[Brachiariadecumbens(Poaceae)]進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)二倍體材料減數(shù)分裂異常率從0.82%到7.93%不等，四倍體材料減數(shù)分裂異常率從18.41%到65.83%不等。Silva等[13]如同本研究所觀察到的非正常四分體也在Mesosetumchaseae(Poaceae)的減數(shù)分裂過程中觀察到形成三個(gè)細(xì)胞的異常四分體。Felismino等[14]在六倍體和四倍體Urochloaadspersa(Trin.) R. D. Webster物種中分別觀察到5.3%和 6.2%的非正常細(xì)胞，而在另外一個(gè)種中由于落后染色體、染色體粘連等導(dǎo)致了16.9%非正常細(xì)胞。異常減數(shù)分裂會(huì)形成不平衡配子影響花粉活力，Pagliarini等[15]在珊狀臂形草[Brachiariabrizantha(Poaceae)]中觀察到異常的減數(shù)分裂從0.36%至95.76%不等，所有材料中只有四倍體異常減數(shù)分裂細(xì)胞低于40%而適合用于種內(nèi)和種間雜交。在進(jìn)化上穩(wěn)定的植物通過花粉敗育淘汰染色體變異的配子，有利于維持物種的穩(wěn)定性。新疆雜草黑麥居群89R38少數(shù)花粉細(xì)胞在減數(shù)分裂過程中雖有染色體落后、染色體橋等異常現(xiàn)象出現(xiàn)導(dǎo)致一定量的的花粉敗育，但整體花粉可育性高。

代 明等[7]對(duì)新疆雜草黑麥的核型研究中檢測(cè)到1A和2A兩種類型的核型，而本研究中新疆雜草黑麥居群89R38的核型為1A型，且兩研究染色體數(shù)據(jù)特征間存在一定差異。同樣，楊欣明等[3]和姚景俠等[9]的研究結(jié)論也表明新疆雜草黑麥居群間染色體形態(tài)上存在差異。這些研究表明，新疆雜草黑麥在染色體水平具有豐富的遺傳多樣性。染色體作為遺傳物質(zhì)的主要載體，其結(jié)構(gòu)或數(shù)量上的任何變化都會(huì)引起相應(yīng)的遺傳改變，從而更加豐富物種遺傳多樣性。本研究結(jié)果檢測(cè)和驗(yàn)證了新疆雜草黑麥細(xì)胞學(xué)特征，對(duì)黑麥屬基因資源的搜集、保存、研究和利用提供了相關(guān)依據(jù)。

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Cytological Studies of a Population ofSecalecerealesubsp.segetaleZhuk.

CHE Yonghe1, SHEN Yating1, YANG Yanping1, LI Xuqing1, SONG Nan1,XU Rongrui1, LIU Weihua2, LI Xiuquan2, YANG Xinming2

(1.School of Life Science and Technology, Hebei College of Normal and Sci-Tech, Qinghuangdao, Hebei 066600,China; 2.Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agriculture Science, Beijing 100081, China)

A weedy rye was found in Xinjiang province of China. The studies described its classification as a subspecies ofSecalecerealeL. and namedSecalecerealesubsp.segetaleZhuk. Strong stress tolerance and disease resistance, and the desirable genes exhibiting good yield-related traits ofS.cerealesubsp.segetalesuggested it could be a good germplasm resource for wheat improvement and forage breeding. The cytological studies ofS.cerealesubsp.segetalepopulation 89R38 were conducted on the root tip karyotype and the pollen mother cell meiosis behavior for better understanding this special species. The observation results showed that chromosomes of most pollen mother cells were paired as seven bivalents. The laggard chromosomes, chromosome bridge and other abnormal behavior were observed in a minority of meiosis of pollen mother cells, taking up to 2.06%. The percentage of pollen fertility was calculated as 99.08% by stained with aceto-carmine. The karyotype formula of population 89R38 was 2n=2x=14=12m+2sm, as a 1A karyotype.

S.cerealesubsp.segetale; Pollen mother cells; Chromosome behaviour; Karyotypes analysis

時(shí)間：2016-10-08

2016-04-13

2016-08-24

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2015407056)；河北科技師范學(xué)院科學(xué)研究基金項(xiàng)目

E-mail:cheyonghe2002@163.com(車永和)；yangxinming@caas.cn(楊欣明，與第一作者同等貢獻(xiàn))

S512.5；S326

A

1009-1041(2016)10-1323-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161008.0932.016.html