花卉2n配子的形成及细胞学机制研究进展

以下标红处的问题请核改！收稿日期：2010－00－00；修回日期：2010－00－00基金项目：云南省星火产业带项目（NO.2006NG37）作者简介：林超（1978.09），女，湖南衡阳人，助教，硕士，研究方向：遗传学。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail].通讯地址:徐州市金山桥经济开发区桃园路6号徐州幼儿高等师范学校教师办公室通讯作者：周旭红（1978.07），女，湖南永州人，助理研究员，硕士，研究方向：花卉遗传育种。Tel：[phone]；E-mail：[e-mail].通讯地址:云南昆明北市区龙头街桃园村云南省农业科学院花卉研究所花卉2n配子的形成及细胞学机制研究进展林超1，莫锡君2，宋安润3，周旭红2*1.徐州幼儿高等师范学校，江苏徐州221004；2.云南省农业科学院花卉研究所，云南省花卉育种重点实验室，云南省花卉工程中心，云南昆明650205；3.大理学院农学与生物科学学院，云南昆明650205摘要：文章综述了花卉2n配子的形成及细胞学机制研究现状，总结近年来花卉2n配子的发生物种、发生频率及鉴别2n配子的发生方法包括花粉粒大小和形态特征、流式细胞仪、后代非期望倍性的出现、2n配子形成的细胞学特征；对减数分裂异常导致2n配子形成的细胞学机制进行详细的阐述，为利用花卉2n配子进行多倍体育种提供论据。关键词：花卉；2n配子；多倍体；减数分裂异常多倍化是植物进化变异的自然现象，也是促进植物发生进化改变的重要力量(杨继，2001)[1]。多倍体植物形成主要有两种途径：(1)体细胞加倍(无性多倍化asexualpolyploidization)；(2)未减数配子(2n配子)的产生和融合(有性多倍化sexualpolyploidization)。过去认为体细胞加倍是多倍化的主要方式，而进一步的研究则表明自然界成功的多倍体可能来自未减数配子的作用。Harlan和DeWet(1975)在回顾整个植物界2n配子发生情况的基础上，得出了有性多倍化是自然界多倍体形成主要路线的结论[2]。这指出了2n配子在自然多倍性形成中起着极其重要的作用。目前已经明确，自然界绝大多数多倍体是通过2n配子形成的[3-4]。由于2n配子在植物多倍体形成中起着重要的作用，近年来许多科学家对2n配子形成的细胞学基础、遗传效应及应用等进行了研究。目前在花卉育种研究中也有一些报导，由于FDR型2n配子(染色体第一次分裂重组型配子)的独特遗传效应，因而引起越来越多的花卉育种工作者的重视。本文从大量文献资料着手，阐述了花卉2n配子的发生及形成的细胞学基础，以供花卉及其它作物育种工作者参考。1花卉2n配子的自然发生被子植物中2n配子发生是一种普遍现象。据不完全统计，在13个科的85个种和种间杂种中发现有2n配子的存在(孟金陵和张金发，1995)[5]。已报道花卉中可产生2n花粉和2n卵的种和种间杂种达19种以上，具体见表1。表1近年报道的花卉2n花配子自然发生的种（增加物种的中文名）Table1Recentstudiesoftheoccurrenceof2ngametesinflower物种Species2n花粉2npollen2n卵2neggs参考文献ReferencesLilyHybrids+Barba-Gonzalezetal,2005[6]Medicagosativa++Marianietal,2000[7]Turneragrandiflora+Fernandezetal,2010[8]Dactylisglomerata++DeHaanetal,1992[9]Trifoliumpratense+Parrottetal,1985[10]+Simionietal,2004[11]PrimulasieboldiiE.Morren+Yamaguchi,1980[12]Primuladenticulata+Hayashi,etal,2009[13]Phalaenopsis+周建金等,2009[14]Begonia+Dewitteetal,2010[15]Asteraceaewilhelmsii+Sheidaietal,2009[16]Achilleaborealis+Ramsey,2007[17]Dianthusknappii+Gattetal,1998[18]Rosahybrids+Crespeletal,2006[19]++Crespeletal,2002[20]Hydrangeamacrophylla+Jonesetal,2007[21]Brachiaria+Galloetal,2007[22]Erigeron++Noyes,2006[23]Dandelions+VanDijk&Bakx-Schotman,2004[24]Alstroemeriainterspecifichybrids++Ramannaetal,2003[25]Orchid+Storey,1956[26];Teoh,1984[27]2n配子的形成主要受遗传因素的控制，不同基因型形成2n配子的能力相差很大。且杂交品种2n配子形成频率（27.52%）是非杂交品种形成频率(0.56%)的50倍以上，杂交品种2n配子形成频率与非杂交品种之间有极显著差异（Mann-WhitneyUtest,P0.001）(webTable1;8webTablesarelocatedat)，这一结果与Harlan和DeWet研究结果一致。这是因为，种间杂交染色体配对少，且配对的染色体不分离，导致减数分裂紊乱。如百合种间杂交（L.longiflorum×Asiatichybrid）后代2n配子形成频率为3-30%（表2），且染色体有单价体的出现[31]。苜蓿种间杂交后代2n花粉发生频率为14-83%，平均为43%，2n卵的形成频率为55-70%[28-30，32]。Yamaguchi(1980)对藏报春44个二倍体，7个三倍体和二个四倍体栽培种的花粉进行观察，发现多倍体大花粉的频率在1.3-10.8%之间，而二倍体品种除了少数几个品种有少量大花粉外，其它品种的大花粉的比例为0[12]。Simioni等（2004)对三个品种的红三叶草进行轮回选择，第一次轮回选择大花粉的含量大于1%，第二次、第三次轮回选择大花粉的含量分别大于2%和3%。通过轮回选择可增加大花粉的含量[11]。Sheidai等在研究8个菊科蓍属14个种中发现，几乎所有的种都可以产生2n花粉，2n花粉的发生频率为1-3.3%[16]。在紫鸭趾草[8]也产生2n花粉且2n花粉的平均频率为0.03%。花卉中也有一些2n卵的产生，如鸭茅[9]中2n卵发生平均频率为0.49%，而2n花粉的发生频率为0.98%。紫鸭趾草[10]2n卵发生平均频率为0.06%。表2近年报道的花卉2n配子发生频率及发生频率的范围（增加物种的中文名）Table2Thefrequencyof2ngameteproducersandtherangeof2ngameteproductioninrecentstudies物种Species2n配子发生频率Frequencyof2ngameteproducers(%)2n配子发生频率的范围Rangeofproduction(mean)(%)参考文献References2npollenMedicagosativa-coerulea-falcataComplex4314-83Barcacciaetal,1995;1997;1998[28-30]Lilyhybrid3-30Limetal,2001[31]Turneragrandiflora0.03Fernandezetal,2010[8]Dactylisglomerata0.98DeHaanetal,1992[9]TrifoliumPratense1-51Simionietal,2004[11]PrimulasieboldiiE.Morren0-10.8Yamaguchi,1980[12]Achilleaspecies1-3.3Sheidaietal,2009[16]2neggsMedicagosativa-coerulea-falcataComplex55-70Tavoletti,1994[32]Dactylisglomerata0.49DeHaanetal,1992[9]TrifoliumPratense0.06Parrottetal,1985[10]22n配子倍性鉴定鉴别2n配子的发生有几种方法：花粉粒大小和形态特征、流式细胞仪、后代非期望倍性的出现、2n配子形成的细胞学特征。2.12n花粉直径和形态特征最直接鉴别2n花粉的发生是花粉的大小。众所周知，DNA含量的增加必然会导致细胞体积增大，从而会增大花粉的直径[33]。大花粉与2n花粉有紧密的相关性，大花粉的出现暗示着2n花粉的产生[19]。不同倍性花粉粒形状也有区别，红三叶草干燥的n花粉形状规则，呈长方形，而2n花粉形状不规则，多为三角形或方形[34]。百合2n花粉的形状为心形，而n花粉的形状为椭圆形[6]。2.2花粉DNA含量的测定流式细胞仪是近年来发展应用的一种可快速、准确检测生物体倍性的仪器，准确率在99%以上。流式细胞仪测定大花粉的DNA含量如为正常花粉的两倍，则可判定大花粉倍性为染色体加倍的2n花粉[35]。Maceira等利用流式细胞仪检测鸭茅2n配子的产生[36]。2.3后代倍性分析目前还没有简单的方法鉴定未减数大孢子形成及遗传类型，后代倍性分析是比较常用的方法。Barba-Gonzalez(2005)报道百合38个BC1杂交组合中，A(2x)×OA(4x)杂交后代中出现四倍体个体，OA(4x)×OA(4x)杂交后代中出现六倍体个体，通过GISH和FISH技术发现母本产生2n卵[37]。在报春3x-4x种间杂交中，后代出现5x个体，这是由于3x母体产生3n雌配子的原因[13]。后代的倍性分析也用来鉴定2n花粉的形成，在香石竹种间杂交Dianthusknappii(2x)×Dianthusplumarius(6x)中，杂交后代品种的花色大都数为粉红色，少数为淡黄色，对淡黄色品种进行倍性鉴定，发现它不是期望的四倍体而是五倍体，说明2n花粉参与了五倍体的形成[18]。2.42n配子形成的细胞学特征植物减数分裂过程中平行纺锤体、八字形纺锤体或融合纺锤体的出现[37，15]，中期I较多单价体存在[15]，以及二分体或三分体的形成[22]等异常减数分裂现象，可以作为判断2n配子产生的依据。在小孢子四分体阶段，二分体或三分体的出现是2n配子形成的最直接证据之一，而且通过计算各种分体比例来推算2n配子发生频率是最为准确的，特别是在2n花粉和正常花粉大小差异不明显的情况下。3.2n配子形成的细胞学机理3.1减数分裂核重组花卉2n配子因其形成途径多种多样，在遗传组成及传递亲本杂合性方面也存在着很大差异。一般将2n配子按其杂合性分为FDR(thefirstdivisionrestitution)型和SDR(theseconddivisionrestitution)型，FDR型配子具有每一对同源染色体的各一个染色单体，SDR型则拥有同源染色体其中一条染色体的两个姊妹染色单体，理论上FDR型和SDR型配子各传递亲本70%和40%的杂合性。IMR(indeterminatemeioticrestitution)型则是利用基因组原位杂交技术在百合种间杂种中发现的由减数分裂复原产生的完全杂合的2n配子[31](如图1)。根据遗传效应，通常将联会突变和纺锤体异常导致的2n配子归属于FDR型，而胞质分裂异常2n配子属SDR型配子，FDR型配子的高度杂合性决定了其高效传递亲本杂合性和上位性的能力，在育种中有较高的利用价值。下面详细介绍花卉2n配子形成的细胞学机制。图1减数分裂的三种核重组类型示意图（2n=2x=4）（文