菊屬植物細胞學研究進展

菊屬植物細胞學研究進展

菊花是中國傳統(tǒng)的花。它具有很高的審美價值和豐富的文化內(nèi)涵，深受人們喜愛。我國菊花栽培歷史悠久,菊花品種繁多,約有3000多個品種,其瓣型、花型、顏色、葉型多樣,成為了人們欣賞、鑒別它們的依據(jù)。在受到眾人觀賞和喜愛的同時,菊花也為研究者們提供了許多研究課題。如菊花栽種以后為何會產(chǎn)生許多變異,菊花作為單獨的一個種,卻為何找不到一個與之對應(yīng)的原始種;再如,菊花龐大的品種數(shù)量及其豐富的遺傳多樣性,為菊花品種的分類帶來了很大的困難,至今還沒有一個公認的統(tǒng)一的分類系統(tǒng),而建立一個恰當?shù)姆诸愊到y(tǒng)對于菊花育種、栽培和繁殖、應(yīng)用,以及品種鑒定、品種權(quán)認定和保護、國際交流上起著重要的作用。這些問題又引發(fā)了有關(guān)菊花的起源、品種演化與分類,以及菊屬植物進化等3個相互關(guān)聯(lián)的問題。在對菊花的分類學與起源進化的研究中,人們采用了雜交、形態(tài)測試、染色體觀察、數(shù)理統(tǒng)計、蛋白質(zhì)標記、分子標記等手段,從形態(tài)學、細胞學、分子系統(tǒng)學等角度進行了分析與研究。染色體是遺傳物質(zhì)的載體,染色體的多少、差異直接反映了生物的基因內(nèi)容和調(diào)節(jié)機制,生物的遺傳、變異和進化與染色體的穩(wěn)定性和變異性分不開。與當今分子水平研究的如火如荼相比,作為宏觀形態(tài)和微觀分子的中間狀態(tài),細胞學上的研究進展卻相對緩慢些。而事實上,染色體帶給我們的信息仍可以挖掘。1細胞學的研究方法1.1種野生植物的染色體數(shù)對染色體的分析技術(shù)主要有染色體核型分析、染色體帶型分析、染色體組分析等種。對菊屬的細胞學研究,最早的是Tanaka對日本野生菊花的核型研究,Fedorof統(tǒng)計了廣義菊屬Chrysanthemum的93種植物的染色體數(shù),李懋學等對我國產(chǎn)的部分野生菊屬植物和栽培菊花進行了細胞學的觀察,發(fā)現(xiàn)栽培菊花染色體數(shù)在54~71之間,大部分為六倍體,非整倍體,提出了菊花是從六倍體的野生屬植物進化而來的觀點。20世紀90年代中期,關(guān)于菊屬植物的染色體數(shù)目、結(jié)構(gòu)、配對行為等方面的研究有大量的報道,而后分子學研究的興盛使得細胞學研究放慢了腳步,其原因除了分子手段的優(yōu)點外,還有細胞學在菊屬植物中的研究本身的缺點,即傳統(tǒng)的核型和帶型分析在菊屬植物中的應(yīng)用并不十分理想,前者由于分析結(jié)果之間的相似性,后者則由于技術(shù)的難度,結(jié)果并不穩(wěn)定和清楚。1.2染色體原位雜交染色體原位雜交技術(shù)是根據(jù)核酸分子堿基配對的原則(A—T,G—C),將經(jīng)同位素標記具有放射性的或非放射性標記的外源核酸(探針Probe),與染色體(靶Target)上經(jīng)過變性后的單鏈DNA互補復(fù)性,結(jié)合成專一的核酸雜交分子,再通過放射自顯影或非放射性檢測系統(tǒng)直接顯示出待測核酸在染色體上的位置。植物染色體原位雜交的研究遠落后于其在人類及哺乳動物中的研究,但已在小麥、煙草等植物中取得一定的結(jié)果,在供體基因組的識別及起源研究、染色體結(jié)構(gòu)變異研究、不同供體基因組間的關(guān)系研究上都有著優(yōu)勢。王文奎采用染色體原位雜交技術(shù),從細胞分子生物學水平上對菊花起源作了進一步的研究,推測毛華菊在現(xiàn)代栽培菊花起源中的重要作用,而與甘野菊、菊花腦和野菊的親緣關(guān)系較遠,六倍體紫花野菊則更為疏遠。通過基因組原位雜交,推測出菊屬植物基因組之間有較近的親緣關(guān)系,在進化過程中發(fā)生了相互的滲透,從而認為菊花起源是處于屬內(nèi)高度網(wǎng)狀的系統(tǒng)發(fā)育式樣之背景下的,雜交和異源多倍化是菊花起源的主要途徑,同時還存在染色體水平上的變異等多種可能途徑,并且認為NOR會對菊花形成及品種的演化產(chǎn)生一定的作用。2野菊、菊花和野菊的親緣關(guān)系關(guān)于菊屬植物進化問題的研究結(jié)論主要有以下幾個,然而仍有一些問題有待解決:第一,從染色體數(shù)目來看,菊屬植物染色體基數(shù)x=9,并且普遍存在多倍體,染色體數(shù)目變異范圍極廣,從2n=18到2n=198;第二,從核型來看,菊屬植物大多屬于2A或2B型;第三,細胞學的證據(jù)反映出菊屬植物進化的主要途徑是異源多倍化,而菊花的品種演化則主要通過非整倍性變異;通過對減數(shù)分裂的觀察可發(fā)現(xiàn),多倍體野生種已經(jīng)明顯二倍體化了;第四,毛華菊與菊花有著很近的親緣關(guān)系,然而菊屬植物有著豐富的表型變異,而毛華菊的染色體水平上除了數(shù)目變化外卻顯得較為一致,因而所能提供的信息比較有限;野菊可能是毛華菊的供體,小菊可能是由野菊和毛華菊直接演化而來的;第五,紫花野菊與菊花的親緣關(guān)系可能較遠,其形態(tài)學特征、RAPD證據(jù)都表明紫花野菊不太可能是菊花的祖先種,王文奎從原位雜交,趙惠恩從ITS、trnT-trnL基因片段推測中也得到了相同的結(jié)論;第六,汪勁武等認為,野菊與甘菊之間沒有直接的演化關(guān)系,可能是同祖先演化來的姐妹種;而趙惠恩通過比較葉綠體基因序列認為,甘菊可能是野菊和菊花的母系祖先種;一些研究者認為,野菊是異源起源的,甘菊可能是野菊的祖先種,二者之間發(fā)生了種質(zhì)滲入的關(guān)系,野菊不同的居群是通過多次獨立的多倍化過程而產(chǎn)生的;第七,菊花腦的分類學地位仍有爭議,許多研究者認為,應(yīng)把它單獨劃分為一個種;從細胞學及分子標記研究中發(fā)現(xiàn),菊花腦是四倍體野菊基因的供體;第八,菊花的供體基因組仍不明確;第九,菊花尤其是大菊有著眾多的變異,盡管核型比較穩(wěn)定,染色體數(shù)量上卻存在著較大差異;李懋學等曾對21個栽培品種,其中包括15個大菊品種的染色體進行了計數(shù)及核型分析,然而有關(guān)大菊形態(tài)與其染色體數(shù)目的關(guān)系的統(tǒng)計還缺乏系統(tǒng)的研究,其染色體倍性變化的規(guī)律還需研究探討;在對大菊品種的分類和演化的研究中多是從形態(tài)學出發(fā)的;張樹林教授總結(jié)各類舌狀花瓣及筒狀花之間的同源關(guān)系,認為菊花花瓣(舌狀花)的演化關(guān)系為“原始筒狀花”→桂瓣→管瓣→匙瓣→平瓣,但還沒有細胞學或分子學上的證據(jù)。3生物學角度的證據(jù)和綜合分析菊花有著復(fù)雜的遺傳背景和進化機制,在研究其系統(tǒng)進化的過程中,我們不能企圖僅從某一方面得到正確的結(jié)果,需結(jié)合地理分布,從比較形態(tài)學、生理學、細胞學、分子生物學等角度取得各方面的證據(jù),并進行綜合分析。儀器設(shè)備及技術(shù)上的創(chuàng)新和發(fā)展使得各種學科相互融合和發(fā)展,特別是細胞學與分子生物學的結(jié)合,出現(xiàn)了新的實驗方法和手段,現(xiàn)代分子生物學技術(shù)、染色體分析軟件和數(shù)字化顯微攝影等技術(shù)相互結(jié)合,可以為染色體分析方法和技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供更加有利的條件和更為廣闊的前景,在對菊花及菊屬植物的細胞學研究中,當傳統(tǒng)的核型、帶型分析遇到困難時,新的技術(shù)或方法也許能為研究者們開辟一條全新的道路。3.1分析區(qū)域或帶紋染色體定量作圖是近年來新發(fā)展的一項分子細胞遺傳學技術(shù),即通過計算機軟件對染色體上著色深淺不同的區(qū)域或帶紋進行定量分析,實現(xiàn)常規(guī)方法所難以達到的精確定量目標。刁英使用DAPI染色體結(jié)合圖像分析得到了精確的異染色質(zhì)分布,完成了中國蓮前中期染色體的定量染色體圖。由于異染色體的選擇壓力較小,因此呈現(xiàn)快速進化的特點,對于研究物種的起源和進化有著積極的作用,為細胞遺傳學的研究提供了便利。3.2原位雜交的靈敏度以及dna-fish的應(yīng)用如上所述,原位雜交(ISH)技術(shù)使得細胞學和分子學結(jié)合起來,形成了細胞分子遺傳學,廣泛應(yīng)用于構(gòu)建DNA物理圖譜(染色體原位雜交CISH),研究基因組的結(jié)構(gòu)、變異以及空間分布規(guī)律,研究物種間的親緣關(guān)系(基因組原位雜交GISH)等研究中。FISH出現(xiàn)后,原位雜交的靈敏度大為提高,而20世紀90年代出現(xiàn)的DNAfiber-FISH,又使FISH的靈敏度進一步提高。DNAfiber-FISH就是先將染色體線化,再以此染色體DNA纖維為載體進行FISH。此方法的優(yōu)點有對材料的要求不高,分辨率、靈敏度高,定量分析包括精確作圖、定量檢測染色體異常等。這項技術(shù)已在擬南芥、番茄、水稻、玉米、小麥、甜菜、馬鈴薯等植物基因物理圖譜的制作中得到了應(yīng)用。隨著克隆技術(shù)、作圖技術(shù)等手段的發(fā)展,fiber-FISH的功能和容量不斷地擴大,在細胞分子遺傳學中的作用將越來越大。3.3在生物學中的應(yīng)用流式細胞儀的出現(xiàn),為人們對染色體、細胞等微粒的研究提供了一種新的有效的手段。流式細胞術(shù)(flowcytometer)是對單細胞或其它生物粒子進行定量分析和分選的手段,它以流式細胞儀為工具,與傳統(tǒng)的熒光鏡檢查相比,具有高速(1000~10000個/s)、準確(純度>99%)、多參數(shù)等優(yōu)點。隨著計算機技術(shù)、熒光標記技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展,其功能不斷增強,在生物學中的應(yīng)用也不斷擴大,而在植物學研究中的應(yīng)用并不多,主要用于微粒計數(shù)、染色體多倍體流式核型分析、分揀純化染色體研究幾個方面。在國外,流式細胞儀多用于對植物材料的遺傳物質(zhì)含量及倍性的測定,如對向日葵、玉米、梅屬、大豆、薔薇科蘋果屬的種及栽培品種等的研究。在國內(nèi),李斌貝等用流式細胞儀分析和測定了不同倍性的蘋果和草莓的DNA含量。作為一種快捷有效的DNA含量的測定工具,其在園林植物染色體和基因組的研究中應(yīng)有廣泛