7種鼠尾草核型分析與比較

王 鑫，馮 琪，劉冬云

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與旅游學(xué)院，河北 保定 071000

園林植物是城市綠地系統(tǒng)的重要組成部分，也是構(gòu)成城市植物物種多樣性的基礎(chǔ)[1]．選擇能夠緩解城市化，并能夠帶來好的景觀效果的植物，能為城市增色許多．鼠尾草(SalviaL.)作為唇形科(Labiatae)常綠一二年生或多年生草本、 亞灌木和灌木[2]，大部分分布在溫帶和熱帶地區(qū)[3]．鼠尾草大多具有較強(qiáng)的耐熱性，易于栽培，花期長(zhǎng)，能夠?yàn)榫G化帶來長(zhǎng)期效果，是不可多得的好材料．近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鼠尾草屬植物核型分析鮮有進(jìn)展，文獻(xiàn)記載仍停留在對(duì)美國(guó)、 阿根廷、 喜馬拉雅山系的鼠尾草的核型分析[4-6]，以及趙紅霞等[7]和Yang等[8]對(duì)我國(guó)的幾種鼠尾草屬植物的核型探討上，而對(duì)鼠尾草屬植物種質(zhì)資源鑒定及親緣進(jìn)化關(guān)系的研究較少．

核型是植物細(xì)胞核染色體數(shù)目和形態(tài)特征的總稱[9]．核型分析是指根據(jù)中期染色體組的表型特征，如數(shù)目、 大小、 長(zhǎng)度、 著絲粒位置、 臂比和隨體等，識(shí)別染色體變異．這是分析物種進(jìn)化、 研究品種、 培育新品種的重要手段[10]．本研究對(duì)7種鼠尾草的胚根根尖細(xì)胞進(jìn)行核型分析，通過研究染色體的數(shù)目和形態(tài)、 種間的遺傳變異及系統(tǒng)演化，以期為鼠尾草屬植物種質(zhì)資源鑒定工作及親緣進(jìn)化關(guān)系研究提供細(xì)胞層次的理論依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)材料選用大花蔚藍(lán)鼠尾草(Salviaazureavar.‘grandiflora’)、 銅葉天藍(lán)鼠尾草(Salviasinaloensis)、 芡歐鼠尾草(SalviahispanicaL.)、 快樂鼠尾草(Salviasclarea)、 異色鼠尾草(Salviadiscolor)、 冰藍(lán)鼠尾草(Salvia‘so cool light blue’)和林蔭鼠尾草“卡拉多納”(Salvianemorosa‘Caradonna’)．試驗(yàn)材料均來自北京林業(yè)科技股份有限公司．試驗(yàn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園林與旅游學(xué)院試驗(yàn)室進(jìn)行．

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

挑選無病蟲害、 生長(zhǎng)狀況良好的種子，進(jìn)行常規(guī)的種子萌發(fā)處理，等到根尖長(zhǎng)到1～2 cm 時(shí)[10]，取出進(jìn)行試驗(yàn)．

1.2.2 預(yù)處理

取幼嫩根尖1 cm左右置于冰水混合物中，4 ℃條件下處理24 h．

1.2.3 固 定

用蒸餾水清洗3～4次后，再用卡諾氏固定液(V無水乙醇∶V冰醋酸=3∶1)固定24 h．

1.2.4 解 離

用蒸餾水清洗3～4次后，再用0.1 mol/L的鹽酸進(jìn)行60 ℃水浴，解離10 min．

1.2.5 染色、 制片

用蒸餾水清洗3～4次后，再用卡寶品紅溶液染色2 h，使染色體充分分散，臨時(shí)制片．

1.2.6 鏡檢、 分析

選取著絲點(diǎn)分裂較好，并且十分清楚的有絲分裂中期根尖細(xì)胞照片截圖(圖1)進(jìn)行試驗(yàn)分析[11]．用Photoshop和CAD分別測(cè)量各個(gè)細(xì)胞中染色體長(zhǎng)臂和短臂的相對(duì)長(zhǎng)度，并進(jìn)行配對(duì)．據(jù)李懋學(xué)所提出的染色體核型標(biāo)準(zhǔn)[12]，以及Stebbins[13]認(rèn)為的最長(zhǎng)染色體長(zhǎng)度與最短染色體長(zhǎng)度之比和臂比值大于2的染色體所占的比例為核型分類原則，使用Arano[14]提出的核型不對(duì)稱系數(shù)計(jì)算，按照胡忠紅、 Levan等[15-16]提出的用計(jì)算臂比值確定著絲點(diǎn)位置及分類的方法，通過綜合幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行核型分析．核型不對(duì)稱系數(shù)(單位為%)的計(jì)算公式[13]為

核型不對(duì)稱系數(shù)=(長(zhǎng)臂總長(zhǎng)/全組染色體總長(zhǎng))×100

a為大花蔚藍(lán)鼠尾草； b為銅葉天藍(lán)鼠尾草； c為芡歐鼠尾草； d為快樂鼠尾草； e為異色鼠尾草； f為冰藍(lán)鼠尾草； g為林蔭鼠尾草“卡拉多納”．圖1 7種植物細(xì)胞分裂中期圖

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)處理采用Excel和Spss14.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析．

2 結(jié)果與分析

2.1 7種植物染色體數(shù)目及特征

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，從每種植物的40份鏡檢照片中，各選出20張視野清晰，染色體染色均勻的照片進(jìn)行分析．試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鼠尾草屬x=2n，染色體基數(shù)x=7，10，染色體數(shù)為2n=14，2n=20．此外，7種鼠尾草植物中沒有發(fā)現(xiàn)隨體，也沒有發(fā)現(xiàn)染色體的非倍性體細(xì)胞．

2.2 7種植物核型特征分析

染色體配對(duì)結(jié)果見圖2．由表1可知，根據(jù)染色體著絲粒位置不同，可將染色體形態(tài)分為中部著絲粒(m)、 亞中部著絲粒(sm)、 亞端部著絲粒(st)和端部著絲粒(t)等不同形態(tài)，部分染色體具有隨體和次縊痕．7種鼠尾草的染色體類型多樣，多為m和sm類型，少數(shù)存在st類型．7種鼠尾草均不含隨體； 核型不對(duì)稱系數(shù)在55.20%～60.73%之間，進(jìn)化程度有所差別．核型類型為“1A”型、 “2A”型和“2B”型．染色體長(zhǎng)度比(L最長(zhǎng)染色體∶L最短染色體)的范圍為1.63～2.27．

a為大花蔚藍(lán)鼠尾草； b為銅葉天藍(lán)鼠尾草； c為芡歐鼠尾草； d為快樂鼠尾草； e為異色鼠尾草； f為冰藍(lán)鼠尾草； g為林蔭鼠尾草“卡拉多納”．圖2 7種鼠尾草核型圖(左)及核型模式圖(右)

表1 鼠尾草屬植物的染色體核型特征

2.3 核型進(jìn)化趨勢(shì)

李懋學(xué)等[12]發(fā)現(xiàn)，進(jìn)化是一種趨勢(shì)，從

a為大花蔚藍(lán)鼠尾草； b為銅葉天藍(lán)鼠尾草； c為芡歐鼠尾草； d為快樂鼠尾草； e為異色鼠尾草； f為冰藍(lán)鼠尾草； g為林蔭鼠尾草“卡拉多納”．圖3 7種鼠尾草核型坐標(biāo)圖

對(duì)稱發(fā)展到不對(duì)稱發(fā)展，具有對(duì)稱的核型的植物，多為原始植物或古老植物； 而在繁衍或進(jìn)化到更高水平的植物中，核型大多是不對(duì)稱的．本研究中，7種鼠尾草的核型不對(duì)稱系數(shù)在53.36%～60.73%之間．其中冰藍(lán)鼠尾草的不對(duì)稱系數(shù)為53.36%，在7種鼠尾草中具有最低的核型不對(duì)稱系數(shù)，可以認(rèn)為其具有較低的進(jìn)化程度[17]； 銅葉天藍(lán)鼠尾草的不對(duì)稱系數(shù)為60.73%，說明其進(jìn)化程度較高．以核型不對(duì)稱系數(shù)為縱坐標(biāo)，以平均臂比為橫坐標(biāo)繪制不同品種核型坐標(biāo)圖(圖3)．其中，越靠近右上方具有越高的染色體核型進(jìn)化程度．從圖3中可以看出，銅葉天藍(lán)鼠尾草進(jìn)化程度最高； 冰藍(lán)鼠尾草在圖3中位于左下方，最為原始．

2.4 聚類分析

聚類分析參考張芳等[18]和李璇等人[19]的方法，以染色體長(zhǎng)度比、 平均臂比和核型不對(duì)稱系數(shù)為參考數(shù)據(jù)提取成分[20]，結(jié)果見圖4，約在遺傳距離1.0處，快樂鼠尾草、 芡歐鼠尾草聚為一類； 冰藍(lán)鼠尾草與異色鼠尾草聚為一類； 大約在遺傳距離3.0處，林蔭鼠尾草“卡拉多納”與銅葉天藍(lán)鼠尾草聚為一類； 當(dāng)遺傳距離為10.0時(shí)，林蔭鼠尾草“卡拉多納”、 銅葉天藍(lán)鼠尾草、 冰藍(lán)鼠尾草與異色鼠尾草聚為一類，其他品種聚類情況不變； 當(dāng)遺傳距離為25.0時(shí)，7種鼠尾草均聚為一類．根據(jù)聚類情況可以說明，在核型特征上，大花蔚藍(lán)鼠尾草、 芡歐鼠尾草、 快樂鼠尾草核型相似度較高，冰藍(lán)鼠尾草與異色鼠尾草較為相似，林蔭鼠尾草“卡拉多納”與銅葉天藍(lán)鼠尾草具有較高相似度．

圖4 7種鼠尾草的染色體核型聚類

3 結(jié)論與討論

前人研究結(jié)果表明，鼠尾草屬植物染色體基數(shù)在6～44之間都有可能[21]．本研究中，7 種鼠尾草都是二倍體種，染色體基數(shù)為x=7，10，與前人研究結(jié)果一致．鼠尾草與其他花卉，例如百合，有所不同，與百合屬植物的大型染色體有明顯區(qū)別[22-26]，鼠尾草屬植物根尖染色體在有絲分裂中期的長(zhǎng)度多為2～5 μm，最長(zhǎng)染色體與最短染色體的長(zhǎng)度比值在1.61～2.27之間，差值較小，為較小染色體，相對(duì)較為簡(jiǎn)單．與此同時(shí)也說明小型草本植物在染色體層面上也與大型草本植物的不同．

鼠尾草染色體基本由4種染色體(m，sm，st，t)組成，7種樣本植物具有的3種染色體類型中m類型占比最大，核型類型多為“1A”型、 “2A”型和“2B”型，核型不對(duì)稱系數(shù)較高．這與郭玉潔等[21]研究的6種鼠尾草的核型差異較大的結(jié)論具有一致性．核型不對(duì)稱系數(shù)在53.36%～60.73%，說明本研究選用的7種鼠尾草的染色體不對(duì)稱程度較高，與唐曉清等[27]和胡忠紅等[15]對(duì)鼠尾草的研究結(jié)論基本一致．由于選用的鼠尾草核型未有前人的研究，仍需在其他層面上進(jìn)行驗(yàn)證分析．

在核型層面上，大花蔚藍(lán)鼠尾草、 芡歐鼠尾草、 異色鼠尾草和冰藍(lán)鼠尾草等4種植物的核型類型相同，都是“1A”型，判斷這4種植物在分類上相隔較近[17]，其中的異色鼠尾草與冰藍(lán)鼠尾草的染色體基數(shù)都為7，在遺傳距離上相隔1.0，故具有更強(qiáng)的親緣關(guān)系．銅葉天藍(lán)鼠尾草、 快樂鼠尾草的核型類型都為“2A”型，證明這兩種植物在分類上相隔較近．林蔭鼠尾草“卡拉多納”的核型類型為“2B”型，與試驗(yàn)中的其余樣本的各項(xiàng)參數(shù)相差較大，證明該品種與其他6種鼠尾草在分類上相隔較遠(yuǎn)．在鼠尾草聚類關(guān)系上，楊建玉等[3]在鼠尾草分子層面上研究發(fā)現(xiàn)，藍(lán)花鼠尾草與一串紅的親緣關(guān)系較近，而蔭生鼠尾草與一串紅的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)．梁從蓮等[28]在對(duì)鼠尾草的葉綠體基因組對(duì)比中，發(fā)現(xiàn)甘西鼠尾草和戟葉鼠尾草是相似的．所以，若想進(jìn)一步判斷鼠尾草的聚類，需要分子層面的支持．

進(jìn)化是一種趨勢(shì)，從對(duì)稱發(fā)展到不對(duì)稱發(fā)展，原始植物或古老植物多數(shù)具有對(duì)稱的核型．結(jié)果顯示，本研究的7種樣本的核型不對(duì)稱系數(shù)在53.36%～60.73%之間，核型不對(duì)稱系數(shù)較高，銅葉天藍(lán)鼠尾草進(jìn)化程度最高，冰藍(lán)鼠尾草最為原始．此外，這些鼠尾草屬的植物沒有隨體．至于隨體，李真等[29]在他們的研究中提到，不同的種群有不同的進(jìn)化過程，導(dǎo)致它們的核型特征不同．同一物種對(duì)在不同群落中的相關(guān)性和聯(lián)結(jié)性均有所差異[30]，因此，從核型公式、 核型對(duì)稱性和有無隨體研究等方面可以證明，由于種源不同，核型略有不同[31]．

本研究雖在核型水平上獲得了一定的親緣關(guān)系，較表型性狀更為可信，但仍有一定局限性[32]．總之，要證實(shí)以上結(jié)論還需收集更多品種進(jìn)一步研究，并且有必要結(jié)合分子生物學(xué)的手段進(jìn)行深入研究，才能對(duì)植物進(jìn)一步篩選優(yōu)化[33]．