山藥細(xì)胞遺傳學(xué)研究現(xiàn)狀分析

張宴萍 ，岳林旭，王義國，許念芳，李朝霞，宋計(jì)平，劉少軍*

（1.山東省輕工農(nóng)副原料研究所，山東高密 261500；2.昌樂縣喬官鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，山東昌樂 262400）

山藥又名薯蕷（Dioscorea oppositaThunb.），為雌雄異株的一年或多年生纏繞性藤本植物，屬于單子葉植物綱（Monoctyledoneae）、百合目（Liliaes）、薯蕷科（Dioscoreaceae）薯蕷屬（Dioscorea）亞洲種，在國外研究報(bào)道較少。山藥含有豐富的蛋白質(zhì)、人體必需的氨基酸、多糖、膽堿、甾醇以及多種微量元素等營養(yǎng)成分，被認(rèn)為是藥食同源的佳品[1]。

我國是山藥的原產(chǎn)地和馴化中心，山藥種質(zhì)資源豐富，分布廣泛。隨著技術(shù)的革新，基于山藥的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、孢粉學(xué)、細(xì)胞學(xué)特征或利用生化同工酶、分子標(biāo)記等技術(shù)對(duì)山藥的染色體數(shù)目、核型分析、生理生化特征以及基因功能等開展的研究逐漸增多，但基于細(xì)胞遺傳學(xué)開展的研究則相對(duì)較少。山藥基因組復(fù)雜，我國關(guān)于山藥起源和進(jìn)化的研究較滯后，所以，本文通過對(duì)山藥種類與分布、染色體數(shù)目及倍性、染色體核型研究現(xiàn)狀的分析，總結(jié)了山藥的起源與進(jìn)化，對(duì)山藥的細(xì)胞遺傳學(xué)研究方向進(jìn)行了展望。

1 山藥的種類與分布

薯蕷屬植物生長適應(yīng)性強(qiáng)，產(chǎn)地分布廣，我國僅有薯蕷屬一個(gè)屬就約有49 個(gè)種。根據(jù)薯蕷屬（Dioscorea）各種間的親緣關(guān)系將其劃分為6 個(gè)自然組，分別是根狀莖組（Sect.Stenopora）、丁字形毛組（Sect.Combilium）、頂生翅組（Sect.Shannicorea）、基生翅組（Sect.Opsophyton）、復(fù)葉組 （Sect.Lasiophyton）、周生翅組（Sect.Enantiophyllum）[2-4]。薯蕷屬在我國的分布一般以長江為界進(jìn)行劃分，長江以北大多種植山藥，而長江以南除山藥外還種植參薯、山薯和褐苞薯蕷等，以西南和華南地區(qū)分布種類最多。

山藥按地下塊莖形狀可分為長山藥、扁山藥和圓山藥；按照栽培類型分為普通山藥和大薯；按照種質(zhì)資源來源分為地方品種、引進(jìn)品種、新培育品種和野生種。在長期的栽培過程中，受地理位置和環(huán)境差異的影響，我國不同地區(qū)的山藥形成了具有地方特色的品種，可以劃分為三個(gè)山藥主栽品種群，即北方山藥群、南方山藥群及日本山藥群[5]。

2 山藥細(xì)胞遺傳學(xué)的研究現(xiàn)狀

山藥為雌雄異株，繁育系統(tǒng)復(fù)雜，栽培種一般是無性繁殖，野生種一般是無性和有性繁殖并存，存在天然多倍體，染色體數(shù)目變異較大且倍性復(fù)雜。薯蕷屬植物的染色體多為點(diǎn)狀或短棒狀，染色體極小，被認(rèn)為是細(xì)胞分類學(xué)和細(xì)胞遺傳學(xué)研究領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的屬之一，并且薯蕷屬山藥作為亞洲種，國外很少有其染色體相關(guān)的報(bào)道。

2.1 山藥染色體數(shù)目

早在1976 年，江蘇省植物研究所薯蕷組就對(duì)薯蕷屬染色體數(shù)開展了研究，并且在1976、1979 年及1985 年，先后報(bào)道了我國薯蕷屬6 組、39 種、1 亞種的染色體數(shù)[6-8]。其中，山藥材料染色體計(jì)數(shù)為2n=138～142，是已知染色體數(shù)目的薯蕷屬物種中染色體數(shù)目最多的種；2009年，南開大學(xué)教授陳瑞陽[9]在研究結(jié)果中展示了薯蕷屬部分物種的染色體數(shù)，其中大薯2n=80，野山藥2n=122，山藥2n=122、2n=144；2012 年，黃賢蘭等[10]報(bào)道種植于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研農(nóng)場的山藥染色體數(shù)目為144 條；2015 年，周翼虎等[11]對(duì)河南鐵棍山藥進(jìn)行細(xì)胞學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)其染色體數(shù)目為2n=120。2011 年，李俏等[12]對(duì)采集自海南、廣東、廣西、云南等地區(qū)的20 份山藥和19 份大薯種質(zhì)材料進(jìn)行了染色體數(shù)目分析。結(jié)果顯示，這些南方地區(qū)的山藥和大薯染色體數(shù)目為40 條或60 條；2012 年，楊明[13]選取了27 份長山藥、2 份大薯材料和1 份野生山藥材料進(jìn)行細(xì)胞染色體計(jì)數(shù)，其中，濟(jì)南溫縣鐵棒山藥、河南鐵棍山藥、內(nèi)蒙古畢克齊長山藥和山西太谷太淮山藥，染色體數(shù)目分別為80、100、120、140 條。

通過對(duì)不同地區(qū)和不同種類山藥的細(xì)胞學(xué)研究，可以發(fā)現(xiàn)其染色體數(shù)目存在種內(nèi)變異，同一個(gè)種質(zhì)材料沒有形成統(tǒng)一的數(shù)目標(biāo)準(zhǔn)，這有可能是因?yàn)樯剿幪幱诓煌貐^(qū)、不同環(huán)境發(fā)生了自然變異；也有可能是各地區(qū)山藥品種混雜，品種分類標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，導(dǎo)致不同研究者對(duì)同一山藥品種的染色體數(shù)目鑒定結(jié)果不同。

2.2 山藥染色體倍性

山藥較大的染色體數(shù)目變異，決定了其復(fù)雜的染色體倍性。我國的薯蕷屬物種都是亞洲群，一般認(rèn)為其染色體基數(shù)為10，因種類不同，存在2、4、6、8、10、12、14 倍體[13-14]。而黃賢蘭等[10]研究結(jié)果顯示山藥的染色體主要為144 條，染色體基數(shù)為x=10，表示存在染色體倍數(shù)為非整倍體的山藥。此外，通過對(duì)中國薯蕷屬39 種和1 亞種的染色體數(shù)及染色體倍性的研究，秦慧貞等[8]推測薯蕷屬二倍體種類根狀莖組是薯蕷屬多倍體種類塊莖形成的原始類群。

染色體的倍性不僅取決于染色體條數(shù)，也取決于染色體基數(shù)。普遍認(rèn)為山藥染色體基數(shù)為x=10，但也有一些研究者提出不同的觀點(diǎn)。伴隨著同工酶、SSR、流式細(xì)胞儀等技術(shù)的運(yùn)用，Scarcelli、Bousalem 和Gemma 等[15-17]先后指出，原認(rèn)為是四倍體的圓山藥（D.rotundata）品種應(yīng)是二倍體，染色體基數(shù)應(yīng)為x=20；原認(rèn)為是八倍體的三裂葉山藥（D.trifida）應(yīng)為四倍體；大薯（D.alata）染色體基數(shù)為x=20。這些研究結(jié)果否定了一直以來認(rèn)為的染色體基數(shù)為10 的學(xué)說，此外，Nemorin 等[18]利用SSR 標(biāo)記分析了1 份D.alata（2n=80）子代的遺傳模式，確定了其為同源四倍體。所以，按薯蕷屬的染色體基數(shù)為x=20 的理論，山藥的染色體倍性需要減半。至于山藥是同源多倍體，還是異源多倍體，有待于進(jìn)一步的研究分析。

2.3 山藥染色體核型

染色體核型分析是指以分裂中期染色體為研究對(duì)象，根據(jù)染色體的長度、著絲點(diǎn)位置、長短臂比例等特征，對(duì)染色體進(jìn)行分析、比較的一種染色體研究方法。核型分析可以為細(xì)胞遺傳分類、物種間親緣關(guān)系以及染色體數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異研究提供重要依據(jù)。研究中常用的染色體核型分析法就是對(duì)染色體的特征進(jìn)行描述，但可以進(jìn)行核型分析的物種受到一定條件的限制，比如薯蕷屬植物就因染色體大小和形態(tài)問題阻礙了其進(jìn)一步的研究，導(dǎo)致薯蕷屬植物核型分析的相關(guān)研究報(bào)道較少。核型分類是根據(jù)核型中染色體長度和長短臂比例兩項(xiàng)主要特征，區(qū)分核型的對(duì)稱和不對(duì)稱性程度，將其分成1A～4C的12 種類型，在分析和討論核型進(jìn)化方面具有參考價(jià)值。黃賢蘭等[10]和周翼虎[19]所研究的山藥雖然染色體數(shù)目和核型公式不同，但他們的核型類型均屬于2B 型，這表示山藥在系統(tǒng)演化上為比較原始的類型。同時(shí)，黃賢蘭研究的云南山藥的核型不對(duì)稱系數(shù)高于周翼虎研究的河南鐵棍山藥，即云南山藥的不對(duì)稱性更高。一般認(rèn)為核型對(duì)稱的植物比核型不對(duì)稱的植物更為原始，因此通過核型分析可以看出河南鐵棍山藥可能由于所處環(huán)境穩(wěn)定，進(jìn)化速度緩慢而更為原始。

我國自2012 年開始有山藥核型分析的報(bào)道。黃賢蘭等[10]對(duì)云南的山藥材料進(jìn)行核型分析，得出其核型公式為2n=14x+4=144=57m+84sm+3st，核型類型為2B 型；周翼虎[19]對(duì)河南鐵棍山藥進(jìn)行核型分析，核型公式為2n=120=96m(6SAT)+18sm(4SAT)+4st+2T，核型分類屬于2B型[19]。薯蕷屬其他物種的核型分析也被報(bào)道，我國主要經(jīng)濟(jì)植物基因組染色體圖譜曾報(bào)道過穿龍薯蕷染色體數(shù)目2n=2x=20 及核型公式2n=10m+10sm[20]；黃賢蘭等[10]也曾報(bào)道了盾葉薯蕷（D.zingiberensisC.H Wright）、小花盾葉薯蕷（D.patvifloraC.T.Ting）、山藥（D.oppositaThunb）和黃獨(dú)（D.bulbiferaL.）的核型分析結(jié)果。從核型參數(shù)看，只有盾葉薯蕷的栽培株系及山藥具有近端部著絲粒區(qū)染色體，在植物核型的進(jìn)化過程中，普遍認(rèn)為:近端部和端部著絲粒染色體是由中部或近中部著絲粒區(qū)染色體演化來的[21]，可推測在薯蕷屬植物進(jìn)化過程中，根莖組的盾葉薯蕷與周生翅組山藥的親緣關(guān)系可能更近。

3 展望

本文從山藥染色體數(shù)目、染色體倍性和核型分析等細(xì)胞學(xué)角度綜合概括了山藥細(xì)胞遺傳學(xué)研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了薯蕷屬二倍體根狀莖組是多倍體種形成的原始類群，在進(jìn)化過程中，根狀莖組與周生翅組的親緣關(guān)系可能更近。但最新的山藥細(xì)胞遺傳學(xué)研究進(jìn)展卻很少，伴隨著細(xì)胞工程、染色體工程、分子工程的發(fā)展，不同種類的山藥染色體與形態(tài)學(xué)、分子學(xué)相結(jié)合的研究前景越來越廣闊，以山藥細(xì)胞遺傳學(xué)為基礎(chǔ)的研究越來越多。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）與植物分類學(xué)結(jié)合，通過對(duì)染色體數(shù)和染色體形態(tài)變化進(jìn)行種、屬和親緣關(guān)系的分析，并對(duì)減數(shù)分裂時(shí)的染色體行為和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，來區(qū)分種與種之間的差異[12]。（2）山藥種質(zhì)資源多，遺傳多樣性的研究報(bào)道也很多，所以研究者采用了農(nóng)藝性狀觀察、細(xì)胞染色體計(jì)數(shù)和分子標(biāo)記相結(jié)合的方法，綜合分析山藥種質(zhì)資源，對(duì)材料進(jìn)行分類[13]。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，研究人員基于測序數(shù)據(jù)開發(fā)了更具多態(tài)性、重復(fù)性的分子標(biāo)記，對(duì)山藥遺傳多樣性、遺傳分化性等作出了分析，與細(xì)胞學(xué)結(jié)果相互驗(yàn)證，為后期山藥DNA 指紋圖譜的構(gòu)建及基因定位等工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[22]。（3）在細(xì)胞學(xué)驗(yàn)證幾內(nèi)亞山藥染色體條數(shù)為x=40 的基礎(chǔ)上，2017 年《BMC Biology》發(fā)表了幾內(nèi)亞山藥的基因組測序結(jié)果[23]，研究者利用Illumina 的MiSeq 和HiSeq 2500 平臺(tái)進(jìn)行測序并組裝，得到基因組大小約為594 Mb，并繪制了染色體數(shù)為x=40 的幾內(nèi)亞山藥21 條染色體的遺傳物理圖譜，這意味著山藥是具有完整DNA 序列的作物，這為后序開發(fā)設(shè)計(jì)山藥細(xì)胞學(xué)基因組原位雜交、熒光原位雜交的特異探針提供基因組數(shù)據(jù)支持，并極大地促進(jìn)了對(duì)山藥關(guān)鍵性狀遺傳控制的解析。

山藥染色體數(shù)目的確定及形態(tài)和核型分析將會(huì)促進(jìn)薯蕷植物的種間或種內(nèi)雜交育種的進(jìn)程，并且為今后的薯蕷植物的品種改良提供依據(jù)。同時(shí)，在細(xì)胞遺傳學(xué)研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開展分子試驗(yàn)，明確山藥栽培種基因多樣性，準(zhǔn)確評(píng)估山藥栽培種與野生種的基因組結(jié)構(gòu)，結(jié)合細(xì)胞遺傳學(xué)研究，對(duì)于進(jìn)一步明晰山藥的系統(tǒng)發(fā)生、起源與進(jìn)化、種間親緣關(guān)系，指導(dǎo)山藥育種具有重要的意義。