基于文獻(xiàn)計(jì)量分析的禾本科牧草染色體加倍研究進(jìn)展

王 晶， 伏兵哲，3*

(1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏草牧業(yè)工程技術(shù)研究中心， 寧夏 銀川 750021；3. 寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 寧夏 銀川 750021)

多倍體是指擁有2個(gè)以上完整染色體組的個(gè)體[1]，可以通過(guò)自然發(fā)生和人工誘導(dǎo)產(chǎn)生。自然發(fā)生多倍體是具有不同倍性水平的物種間天然雜交或未減數(shù)配子與種間或種內(nèi)配子結(jié)合而形成[2]，其形成相對(duì)緩慢且比較罕見(jiàn)，據(jù)前人統(tǒng)計(jì)被子植物中自然形成的多倍體物種只有2%～4%[3]。隨著植物育種技術(shù)的深入研究及多倍體誘導(dǎo)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們通常利用物理、化學(xué)、生物等人工誘導(dǎo)方法以提高多倍體的發(fā)生頻率，從而克服在自然界中由于一些植物倍性水平不同而不能進(jìn)行物種間雜交、雜交后代不育以及某些屬只有一個(gè)物種等所導(dǎo)致的植物基因庫(kù)狹窄、經(jīng)濟(jì)價(jià)值性狀低等問(wèn)題[4]。多倍體植株一般表現(xiàn)為器官巨大、抗逆性強(qiáng)，但往往也伴隨著生長(zhǎng)慢、矮生、育性低等特征[5]，因此多倍體育種技術(shù)主要適用于以收獲營(yíng)養(yǎng)體為主的植物種質(zhì)創(chuàng)新、改良和品種選育。綜上，人工誘導(dǎo)多倍體技術(shù)被認(rèn)為是促使生物多樣性增加的一個(gè)有價(jià)值的工具，它增加了種質(zhì)的多樣性，為育種工作的延續(xù)奠定了基礎(chǔ)[6-9]。

禾本科牧草作為家畜生長(zhǎng)繁育的重要飼草，在維持我國(guó)畜牧業(yè)穩(wěn)定發(fā)展以及草原生態(tài)系統(tǒng)平衡方面有著不可替代的作用[10]，因而培育出優(yōu)良牧草品種并使其成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐有著重大現(xiàn)實(shí)意義。多倍體誘導(dǎo)不僅可以提高禾本科牧草的飼用價(jià)值，而且促進(jìn)了生物進(jìn)化與育種技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，許多育種家在禾本科牧草多倍體誘導(dǎo)技術(shù)和倍性鑒定方法等方面不斷深入研究，取得了一定的成果。本文將基于中國(guó)知網(wǎng)(China national knowledge internet，CNKI)和Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)(WOS)，對(duì)植物染色體加倍研究發(fā)展趨勢(shì)以及禾本科牧草染色體加倍和鑒定方法進(jìn)行詳細(xì)綜述。

1 基于Citespace的植物染色體加倍發(fā)展趨勢(shì)分析

為全面了解全球植物染色體加倍相關(guān)研究現(xiàn)狀和前沿趨勢(shì)，更好地把握最新的研究動(dòng)態(tài)，利用CiteSpace軟件分別對(duì)1999—2020年收錄在CNKI和WOS中的有關(guān)植物染色體加倍的文獻(xiàn)進(jìn)行時(shí)區(qū)視圖分析(圖1，圖2)。以CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中的期刊作為檢索大類(lèi)，以“染色體加倍”為檢索主題，共檢索出文獻(xiàn)495篇，剔除會(huì)議等無(wú)關(guān)條目后剩余483篇有效文獻(xiàn)，以Refworks格式輸出其信息作為分析數(shù)據(jù)源，圖1顯示共有67個(gè)節(jié)點(diǎn)(nodes)，133條連線(xiàn)(links)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越多，連線(xiàn)越多則表示關(guān)鍵詞共現(xiàn)次數(shù)越多，它們之間連線(xiàn)粗細(xì)表示相互關(guān)系的強(qiáng)弱[11]?！叭旧w加倍”出現(xiàn)頻次最多，共出現(xiàn)了130次，“秋水仙素”次之，出現(xiàn)了105次，此外“多倍體”“染色體加倍”“單倍體”等節(jié)點(diǎn)外部有紫色圈，表明中介中心性較高，中心性分別為0.40，0.30和0.33；從中提取出12個(gè)突變?cè)~，最早的“甘藍(lán)型油菜”這個(gè)研究熱點(diǎn)自2001年起持續(xù)了5年，隨著時(shí)間推移“藥用植物(2005—2010年)”、“氟樂(lè)靈(2009—2012年)”的突變強(qiáng)度也相對(duì)突出，“三倍體(2015—2020年)”是近6年來(lái)的主要研究熱點(diǎn)。WOS中以“Chromosome doubling(染色體加倍)”為檢索標(biāo)題，共檢索出311篇文獻(xiàn)并以“全記錄與引用的參考文獻(xiàn)”格式輸出文獻(xiàn)信息作為分析數(shù)據(jù)源，圖2顯示共有128個(gè)節(jié)點(diǎn)(nodes)，378條連線(xiàn)(links)，colchicine(秋水仙素)、recombination(重組)、induction(誘導(dǎo))、polyploidy(多倍體)、gene(基因)為出現(xiàn)頻次較多的前5個(gè)關(guān)鍵詞，出現(xiàn)次數(shù)依次為35，25，24，22和20；從中提取突變?cè)~13個(gè)，“recombination(重組，1999—2010年)”最早作為研究熱點(diǎn)，之后是“flow cytometry(流式細(xì)胞術(shù)，2007—2012年)”和“gene amplification(基因擴(kuò)增，2009—2014年)”，而近4年的研究熱點(diǎn)是“induction(誘導(dǎo)，2017—2020年)”。由此可以發(fā)現(xiàn)，染色體加倍研究有宏觀(guān)層面，也有微觀(guān)層面，總體呈現(xiàn)出從單一到多元化的趨勢(shì)。

圖1 基于CNKI的植物染色體加倍研究前沿時(shí)區(qū)視圖Fig.1 Time zone view of the frontier research of plant chromosome doubling based on CNKI

圖2 基于WOS的植物染色體加倍研究前沿時(shí)區(qū)視圖Fig.2 Time zone view of the frontier research of plant chromosome doubling based on WOS

2 禾本科牧草多倍體人工誘導(dǎo)方法

人工誘導(dǎo)禾本科牧草多倍體的方法主要有物理、生物、化學(xué)等方法。如表1所示,不同方法的誘導(dǎo)原理、材料類(lèi)型、誘導(dǎo)效果及應(yīng)用等均不同。其中物理方法是利用溫度驟變、離心力、電離輻射等處理植物材料從而誘導(dǎo)染色體加倍，該方法具有不確定性且誘導(dǎo)效率普遍較低，在禾本科牧草加倍中應(yīng)用較少，僅有Randolph[12]、Dorsey[13]和韓玉琴[14]等利用高溫或低溫處理對(duì)一些糧食作物加倍時(shí)獲得成功。生物方法是通過(guò)有性雜交、體細(xì)胞雜交以及胚乳培養(yǎng)等方法獲得染色體加倍植株。有性雜交法通常以四倍體植株作為母本，授于二倍體植株的花粉以獲得三倍體植株，如鐘聲[15]將二倍體野生鴨茅(Dactylisglomerata)與四倍體栽培種進(jìn)行雜交獲得了其三倍體，雖然三倍體鴨茅高度不孕，但卻可以作為一種寶貴的育種材料；賈燕妮[16]的研究表明四倍體小麥與二倍體山羊草(Triticumtriunciale)雜交形成的三倍體雜種F1理論上自交不育，但卻由于它的母本四倍體小麥未減數(shù)配子的基因作用使F1發(fā)生染色體加倍而具有較低的結(jié)實(shí)率。胚乳培養(yǎng)法因其生產(chǎn)無(wú)核品種，在水果三倍體培育中備受追捧[17-19]，但由于其結(jié)實(shí)率低，因而在禾本科牧草中應(yīng)用較少?；瘜W(xué)方法是利用化學(xué)誘導(dǎo)劑處理植株生長(zhǎng)點(diǎn)的實(shí)體細(xì)胞或離體組織，從而誘導(dǎo)染色體加倍，與物理、生物方法相比，該方法誘導(dǎo)效率高、成本低且較穩(wěn)定，因而應(yīng)用最普遍。

2.1 影響化學(xué)方法誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍的主要因素分析

化學(xué)方法誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍最為普遍，因此表2按時(shí)間順序?qū)NKI和WOS中40篇有關(guān)化學(xué)方法誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍時(shí)外植體類(lèi)型、處理方法、加倍試劑的適宜濃度、時(shí)間與溫度以及倍性鑒定技術(shù)等主要影響因素進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1.1化學(xué)加倍試劑的種類(lèi) 化學(xué)加倍試劑主要有秋水仙素(Colchicine)、氟樂(lè)靈(Trifluralin)、甲酰胺草磷(Amiprophose methyl，APM)、氨磺樂(lè)靈(Oryzalin)等。在不同的化學(xué)加倍試劑中，因秋水仙素誘導(dǎo)多倍體高效且可靠而被普遍應(yīng)用(表2)。也有部分研究顯示秋水仙素雖然誘導(dǎo)率較高，但由于其毒性較大，且導(dǎo)致成活率較低，因此在使用秋水仙素誘導(dǎo)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制處理?xiàng)l件。也有一些研究認(rèn)為在禾本科牧草多倍體誘導(dǎo)中使用其它加倍試劑效果較好，如Salon等[20]在誘導(dǎo)鴨茅狀摩擦禾愈傷組織加倍時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用APM加倍效果較秋水仙素好；Quesenberry等[21]使用氨磺樂(lè)靈、秋水仙素、氟樂(lè)靈誘導(dǎo)巴哈雀稗加倍時(shí)表明氨磺樂(lè)靈誘導(dǎo)效果最好，它和微管蛋白之間的親和性高，可以形成氨磺樂(lè)靈-微管蛋白復(fù)合體，秋水仙素誘導(dǎo)效果次之。由此可見(jiàn)，加倍劑的誘導(dǎo)效果并不是絕對(duì)的，同一種化學(xué)加倍試劑對(duì)不同植物材料的誘導(dǎo)效果不同，適宜加倍劑的選擇是影響加倍效果的關(guān)鍵因素。

2.1.2外植體材料類(lèi)型 外植體類(lèi)型是影響多倍體誘導(dǎo)效率的另一個(gè)主要因素[22-23]。誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍時(shí)可供使用的外植體材料有愈傷組織、莖段、胚芽、分蘗芽、種子、幼苗、植株等。圖3顯示，誘導(dǎo)禾本科牧草最常用的外植體為種子，占27.6%，其次是愈傷組織，占25.9%，幼苗、分蘗芽分別為20.7%，13.8%，而其它幾種外植體材料占12%。由表2可知，對(duì)同一種植物的不同外植體材料進(jìn)行多倍體誘導(dǎo)時(shí)效果不同，如云嵐[24]誘導(dǎo)新麥草(Psathyrostachysjuncea)的種子、分蘗芽、愈傷組織加倍時(shí)，得出在離體條件下誘導(dǎo)愈傷組織時(shí)，誘導(dǎo)效率最高，達(dá)到了53.58%；而張秀麗[25]分別對(duì)新麥草的種子、胚芽以及幼苗加倍時(shí)，發(fā)現(xiàn)以幼苗為外植體，誘導(dǎo)率達(dá)到了62.5%；Quarin等[26]在對(duì)百喜草(Paspalumnotatum)的研究中也得出，與萌發(fā)的幼苗相比愈傷組織作為外植體時(shí)其誘導(dǎo)率更高，為74.00%。因此，適宜外植體的選擇是誘導(dǎo)成功的一大決定因素。

表1 禾本科牧草染色體加倍方法比較Table 1 Comparison of chromosome doubling methods for grasses

圖3 秋水仙素誘導(dǎo)禾本科牧草加倍時(shí)外植體類(lèi)型比例Fig.3 Colchicine induces the percentage of explant types to double in grasses/%

2.1.3化學(xué)誘變劑的處理濃度、時(shí)間與溫度 化學(xué)誘變劑處理濃度、時(shí)間和溫度是影響染色體加倍效率的主要參數(shù)，且3者之間存在明顯的交互作用。表2中列出了秋水仙素誘導(dǎo)不同禾本科牧草染色體加倍的適宜濃度、時(shí)間和溫度，一般誘導(dǎo)濃度范圍在0.01%～0.3%，時(shí)間范圍在1～72 h，溫度范圍在15℃～30℃，可見(jiàn)不同植物同一外植體或同一植物不同外植體的最適處理濃度、時(shí)間和溫度均存在顯著差異。隨著秋水仙素處理濃度增加，染色體誘導(dǎo)率增大，但相應(yīng)地細(xì)胞死亡率增加。一般高濃度處理時(shí)間宜短、低濃度處理時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行誘導(dǎo)處理效果較好，如鐘聲等[27]對(duì)鴨茅進(jìn)行加倍時(shí)所選的適宜處理濃度和時(shí)間為0.05%，48 h或0.2%，24 h，而F. Wit[28]對(duì)意大利黑麥草加倍時(shí)選擇0.1%，2 h或0.2%，1 h。大多數(shù)相關(guān)研究沒(méi)有進(jìn)行溫度控制設(shè)置，但王桂花等[29]在誘導(dǎo)巨大賴(lài)草染色體加倍時(shí)，進(jìn)行了不同溫度梯度控制，結(jié)果顯示在15℃時(shí)處理其種子效果最好，溫度過(guò)高、過(guò)低都不利于誘導(dǎo)四倍體的產(chǎn)生。也有研究表明，秋水仙素處理濃度與溫度之間的互作效應(yīng)要大于濃度與時(shí)間之間的互作效應(yīng)[24]。因此，選擇適宜的處理濃度、時(shí)間與溫度，可以在很大程度上提高多倍體誘導(dǎo)率。

2.1.4化學(xué)誘導(dǎo)處理方法 化學(xué)誘導(dǎo)處理方法主要包括浸泡法、包埋法、滴液法、注射法、涂抹法等。對(duì)禾本科牧草而言，其中浸泡法使用最多，占所有方法的91.38%，并且在浸泡法中以種子浸泡最為常見(jiàn)[62]。與實(shí)體誘導(dǎo)相比，離體誘導(dǎo)染色體加倍具有重復(fù)性高、試驗(yàn)條件易控制、誘導(dǎo)率高、嵌合體少等優(yōu)點(diǎn)[63]，因而近年來(lái)離體誘導(dǎo)法被廣泛應(yīng)用。如對(duì)新麥草愈傷組織進(jìn)行誘導(dǎo)后，多倍體效率達(dá)到了53.58%，比對(duì)萌對(duì)動(dòng)種子和分蘗芽實(shí)體細(xì)胞染色體加倍分別高29.18%和10.93%[24]；云玲格[59]通過(guò)離體誘導(dǎo)披堿草(Elymuscanadensis)×野大麥(Hordeumbrevisubulatum)雜種F1愈傷組織時(shí)，也同樣得到了較高的誘導(dǎo)率。

表2 秋水仙素誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍Table 2 Colchicine induces chromosome doubling in grasses

續(xù)表2

續(xù)表2

續(xù)表2

續(xù)表2

2.1.5其它條件 除以上影響化學(xué)方法誘導(dǎo)染色體加倍的因素外，通常在處理液中添加一定濃度的二甲基亞砜(DMSO)能夠增加細(xì)胞的通透性，從而增加細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)劑的吸收，并且在處理時(shí)使用振蕩器或搖床震蕩，并針對(duì)不同的外植體材料選擇適宜的震蕩速度可以使外植體與秋水仙素溶液充分接觸，增強(qiáng)秋水仙素在細(xì)胞中的滲透，從而提高多倍體誘導(dǎo)率。

3 多倍體植物的倍性鑒定

多倍體植物的鑒定是多倍體育種中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通常進(jìn)行禾本科牧草倍性鑒定的方法有染色體計(jì)數(shù)、形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、流式細(xì)胞術(shù)(FCM)、核仁數(shù)目與核型分析、生理生化指標(biāo)、逆境脅迫、分子水平鑒定等。其中染色體計(jì)數(shù)法是最基礎(chǔ)且常用的方法，而近年來(lái)以FCM作為首選方法測(cè)定植物細(xì)胞核DNA含量和倍性水平的研究越來(lái)越多，主要由于FCM與其他技術(shù)相比，提供的結(jié)果準(zhǔn)確而不復(fù)雜，并允許在短時(shí)間內(nèi)分析大量目標(biāo)植物[64]。表3總結(jié)了常用倍性鑒定方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)并且統(tǒng)計(jì)了不同鑒定方法的應(yīng)用比例，為之后的一系列研究選擇合適的鑒定方法提供理論基礎(chǔ)。

4 多倍體的應(yīng)用

4.1 培育多倍體牧草新品種

誘導(dǎo)形成的多倍體植株具有巨型性以及其抗病蟲(chóng)害、抗逆性增強(qiáng)等特點(diǎn)，從而可以獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的禾本科牧草新品種。染色體加倍后會(huì)使植物生理生化指標(biāo)改變，如二倍體黑麥草加倍為四倍體后不僅水分和可溶性碳水化合物的含量增加，改善了適口性，而且增強(qiáng)了抗病性和耐旱性[40]。

4.2 克服雜交后代的不育性和不結(jié)實(shí)性，使種間雜種的育性得到恢復(fù)

加拿大披堿草與野大麥雜交后代F1為三倍體，雜種F1的花藥又小又薄，不開(kāi)裂，花粉育性?xún)H為1.19%，并且在開(kāi)放授粉條件下不結(jié)實(shí)，通過(guò)對(duì)雜種F1染色體加倍后其育性得到了恢復(fù)，成功創(chuàng)造六倍體加拿大披堿草—野大麥新種質(zhì)[42]。Salon等[20]對(duì)鴨茅狀摩擦禾(Tripsacumdactyloides)的研究中顯示人工誘導(dǎo)加倍后的四倍體有性雌花兩性花同株植株與無(wú)融合生殖的雌雄同株四倍體植株作為花粉親本雜交，將產(chǎn)生可育后代。

4.3 形成遠(yuǎn)緣雜交育種的中間親本

多倍體作為基因轉(zhuǎn)移的媒介作用時(shí)，可以促進(jìn)不同植物分類(lèi)單位之間的遺傳傳遞，如四倍體小麥與二倍體山羊草雜交創(chuàng)制了雙二倍體，它可以作為“橋梁”與小麥雜交和回交，從而將山羊草的優(yōu)良遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到小麥，可以豐富遺傳多樣性[16]。

表3 禾本科牧草多倍體鑒定方法Table 3 Polyploid identification method of grasses

5 問(wèn)題與展望

禾本科牧草多倍體的研究在過(guò)去的幾十年里取得了顯著成效，前人闡明了它們產(chǎn)生的原因和后果，發(fā)現(xiàn)多倍體化是推動(dòng)物種形成和進(jìn)化的主要力量，對(duì)植物進(jìn)行染色體加倍可以改變其基因組的結(jié)構(gòu)，提高它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性以及豐富物種遺傳多樣性等方面的優(yōu)勢(shì)，從而獲得優(yōu)良的植物特性。然而，由于禾本科牧草多倍體化這一過(guò)程的復(fù)雜性，多倍體試驗(yàn)的成功率高度可變，目前還沒(méi)有一個(gè)完整的多倍體化方案。秋水仙素誘導(dǎo)禾本科牧草染色體加倍的整體誘導(dǎo)率在0%～94.69%之間，引起這種結(jié)果的原因是誘導(dǎo)率的評(píng)估程序不同，如計(jì)算誘導(dǎo)率可根據(jù)處理植株的數(shù)量或存活植株的數(shù)量計(jì)算，并且多倍體化的百分比有時(shí)包括混倍體，有時(shí)卻將加倍植株與混倍體分開(kāi)。此外人工誘導(dǎo)染色體加倍效率取決于諸多因素，如植物種類(lèi)、化學(xué)加倍試劑的種類(lèi)、外植體類(lèi)型和處理濃度、時(shí)間與溫度以及處理方法等，這些參數(shù)之間的交互作用非常高，其中任何一個(gè)條件改變都會(huì)對(duì)誘導(dǎo)率產(chǎn)生一定程度的影響，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)幾個(gè)參數(shù)來(lái)獲得較高比例的多倍體。目前誘導(dǎo)多倍體形成時(shí)產(chǎn)生的嵌合體現(xiàn)象仍是主要難題，這種現(xiàn)象通常導(dǎo)致誘導(dǎo)形成的同倍性多倍體出現(xiàn)的頻率較低。因此，闡明植物基因組中多倍體的作用，并且深入了解多倍化后基因組變化與新表型表達(dá)之間的關(guān)系，并將發(fā)生在基因組和轉(zhuǎn)錄組水平上的遺傳變化與發(fā)生在表型水平和個(gè)體適應(yīng)性水平上的變化聯(lián)系起來(lái)，以確定在多倍體中觀(guān)察到的遺傳和表型變化是否真的具有適應(yīng)性等問(wèn)題仍有待深入研究。這不僅使禾本科牧草的改良具有良好的發(fā)展前景，同時(shí)可以使植物育種家更高效準(zhǔn)確地操縱多倍體基因組并取得顯著成效。隨著禾本科牧草在畜牧業(yè)應(yīng)用和發(fā)展中的不斷擴(kuò)展，多倍體誘導(dǎo)產(chǎn)生的禾本科牧草新品種將對(duì)高產(chǎn)、速生、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)等特征更加重視，而現(xiàn)代育種技術(shù)的發(fā)展也必將解決這些難題，使禾本科牧草育種工作更加持續(xù)而高效的發(fā)展。