云南泸定百合8个野生居群的染色体核型分析

段　青,崔光芬,贾文杰,马璐琳,王继华,杜文文,王祥宁

(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,云南省花卉工程技术研究中心,国家观赏园艺工程技术研究中心,昆明 650205)



云南泸定百合8个野生居群的染色体核型分析

段青,崔光芬,贾文杰,马璐琳,王继华,杜文文,王祥宁*

(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,云南省花卉工程技术研究中心,国家观赏园艺工程技术研究中心,昆明 650205)

摘要:用常规压片法,对云南省境内泸定百合(Lilium sargentiae Wilson)8个野生居群的染色体进行了核型分析,结果显示:(1)野生泸定百合8个居群均为二倍体(2n=2x=24),染色体基数为12,共24条染色体,无B染色体;(2)核型类型均为3A,第1、2对染色体均为具中部(m)或近中部(sm)着丝点的大形染色体,且第1对染色体上均具有随体;(3)染色体长度比为1.64～2.26,平均臂比为6.43～8.22,核型不对称系数为79.82% ～ 81.77%。研究表明,泸定百合染色体数相对稳定,染色体变异主要表现在结构变异,各个居群的染色体组成、随体数、随体位置、臂比、染色体长度比及核型不对称系数均有差异,泸定百合各居群间存在明显的核型多态性。

关键词:泸定百合;居群;染色体;核型

泸定百合(LiliumsargentiaeWilson)属百合科百合属植物,是中国特有的野生花卉,主要分布于四川和云南,生长在海拔500～2 500 m的山坡、灌丛或石缝中[1]。在云南省境内分布范围广泛,资源丰富,从东部至西北部均有分布[2]。泸定百合具有植株高大、花头数多、花型优美、具香味等优良观赏特性,而且适应性强,具耐热耐贫瘠等特点。它是喇叭百合杂种系(Trumpet Lilies)的亲本之一,在现代观赏百合育种中占有重要地位[3]。

为了更好地利用中国丰富的野生百合资源,近年来,许多学者展开了野生百合核型研究,包括卷丹(L.lancifolium)、细叶百合(L.pumilum)、毛百合(L.dauricum)、垂花百合(L.cernuum)、东北百合(L.distichum)、朝鲜百合(L.amabile)、有斑百合(L.concolorvar.pulchellum)[4-5]、 滇百合(L.bakerianum)、宜昌百合(L.leucanthum)、尖被百合(L.lophophorum)、大理百合(L.taliense)、宝兴百合(L.duchartrei)[6]、紫斑百合(L.nepalense)[7]、泸定百合、岷江百合(L.regale)、淡黄花百合(L.sulphureum)、湖北百合(L.henryi)、野百合(L.brownii)、川百合(L.davidii)、兰州百合(L.davidiivar.unicolor)、青岛百合(L.tsingtauense)和南川百合(L.rosthornii)[8-9]。泸定百合也有学者[10]对其染色体形态做过研究报道,本课题组曾于2010年至2013年系统地调查了云南省境内的野生泸定百合资源,并进行了遗传多样性研究。结果表明,不同居群的野生泸定百合在表型[11]、ISSR分子水平[11]、核型[12]等方面具有丰富的遗传多样性,居群间的遗传分化较大。在云南泸定百合从南到北、从低海拔到高海拔分布较广,生态适应性较强。不同分布区和不同生态环境的泸定百合居群,不仅开花的物候不一样,花的色泽和香型也不一样,居群间多型性明显。因此,为进一步摸清泸定百合野生居群的核型特征,揭示不同居群间的变异规律,本研究在前期工作的基础上对云南省境内不同地区的8个泸定百合野生居群染色体核型进行分析,以期为其种质资源多样性的研究提供理论依据。

1材料和方法

1.1材料

试验材料分别于2010年至2013年6～8月间采自云南文山、昭通、保山、红河、大理、香格里拉等地区,共8个居群,并将各居群引种栽培于云南农业科学院花卉研究所球根花卉基地内。各居群的采集地和海拔见表1。两两居群之间的地理距离大于30 km,两两株距在30 m以上,每个居群至少取样20株。

1.2方法

采用植物染色体常规压片法。于2010年至2013年将从野外收回的材料栽培于试验基地内,待长出幼嫩根尖,从植株根部切取新长出的长度为1～2 cm根尖,用0.05%秋水仙碱溶液在4 ℃下预处理24 h,蒸馏水洗净,滤纸吸干多余水分,然后在卡诺氏固定液(无水乙醇∶冰醋酸=3∶1,现配制)中固定过夜,然后转入70%乙醇中置于4 ℃冰箱内保存备用。制片时根尖用蒸馏水洗净,去除多余水分,用1 mol·L-1HCl于60 ℃恒温水浴锅中解离12 min,蒸馏水漂洗9～10次。将根尖放在载玻片上,用刀片将白色不透明部分轻轻切下,滴加卡宝品红染液及1滴45%醋酸,染色30 min,压片,镜检。临时片在Oympus CH300显微镜40×下镜检,在Nikon E800显微镜100×下用DXM1200型显微图像捕捉系统拍照。

表1　泸定百合8个居群的野外采集信息

表2　8个泸定百合居群的核型

每种材料观察的细胞数在30个以上，分别选取5个分散良好的中期分裂相细胞进行测定分析。核型分析按李懋学和陈瑞阳[13]的标准,核型类型根据Stebbins[14]的分类标准划分,核型不对称系数(As.K.%=长臂总长/全组染色体总长)按Arano[15]的方法,染色体统计按常规统计学方法。

2结果与分析

2.1核型分析

对8个泸定百合野生居群进行了染色体计数及核型分析。染色体形态照片及模式图见图1,核型公式及核型参数见表2和表3。

结果(表2、3)表明,供试的8个泸定百合野生居群均为二倍体,染色体基数为12,共有24条染色体,无B染色体。表3显示，麻栗坡居群、宜良居群、鲁甸居群、中甸居群、蒲缥居群、南涧居群、弥勒居群和建水居群的染色体相对长度范围分别为6.9%～12.03%、5.52%～11.67%、5.91%～13.08%、7.07%～12.10%、5.44%～12.28%、5.68%～12.35、6.9%～12.02%以及7.35%～12.06%,可见在相对长度范围上8个泸定百合居群的差异比较明显。按染色体相对长度系数来看,8个泸定百合居群均含有长染色体(L)、中短染色体(M1),而且长染色体(L)数量均为4条,而中长染色体(M2)、中短染色体(M1)和短染色体(S)的数量在各居群中则不完全相同,但都以中短染色体(M1)居多。根据相对长度系数可分为四类,一为麻栗坡居群和中甸居群,二者均含有2对L型染色体、1对M型染色体和9对M1型染色体,没有S型染色体;二为宜良居群和蒲缥居群,二者均含有2对L型染色体、3对M2型染色体、6对M1染色体和1对S型染色体,染色体的相对长度类型较丰富;三为鲁甸居群和南涧居群,二者均含有2对L型染色体、2对M2染色体、7对M1染色体和1对S型染色体,染色体的相对长度类型较丰富;四为弥勒居群和建水居群,二者仅含有2对L型染色体和10对M1染色体,没有M2型染色体和S型染色体,染色体的相对长度类型较为单一。

从表2可以看出,泸定百合各居群的染色体组成可以分成两大类:一类是由3种染色体(m、st、t)组成,包括麻栗坡居群和蒲缥居群,二者均含有8条m染色体,但是st染色体和t染色体的数目不尽相同;另一类是由4种染色体(m、sm、st、t)组成,包括宜良居群、鲁甸居群、中甸居群、南涧居群、弥勒居群、建水居群,它们都含有4条m染色体和4条sm染色体,st染色体和t染色体也是各不相同。8个居群存在着如此多的核型,说明泸定百合居群间存在核型多型性。同时,各居群具有3 ～ 5个数目不等、位置不同的随体,主要分布在第1、2、4对染色体的短臂上。其中,麻栗坡居群的随体染色体有4个,分布在第1、2、6号染色体上;宜良居群和鲁甸居群的随体均分布在第1、2、5、7号染色体上,但是数目不同,宜良居群有4个,而鲁甸具有5个;中甸居群的5个随体分别分布在第1、3、5、10号染色体上;蒲缥居群的3个随体分布在第1、4、9号染色体上;南涧居群的4个随体分布在第1、3号染色体上;弥勒居群和建水的随体均为5个,且都分布在第1、2、4号染色体上。尽管如此,它们具有一个共同特征:第1号染色体均具有随体。

核型特征方面,核型类型均为3A。第1、2对染色体均为具中部(m)或具近中部(sm)着丝点的大型染色体,且第1对染色体上均具有随体。从核型公式来看,8个泸定百合居群均由2对具有中部(m)或具近中部(sm)着丝点的大型染色体以及10对具近端部(st)和端部(t)着丝点染色体组成。染色体长度比为1.64～2.26;平均臂比6.43～8.22;核型不对称系数范围为79.82%～81.77%,从高到低可以将8个居群排列为:建水居群>宜良居群>中甸居群>弥勒居群>鲁甸居群>南涧居群>麻栗坡居群>蒲缥居群,都属于不对称性较强的类型。

表3　泸定百合居群的染色体参数

图1　8个泸定百合野生居群的中期染色体形态及核型模式图

2.2核型进化趋势分析

本研究中的8个泸定百合野生居群的核型不对称系数较高,在79.82% ～ 81.77%之间,说明泸定百合的进化程度较高。根据核型不对称系数,中甸居群(核型不对称系数为79.82%)是8个居群中最原始的;建水居群(核型不对称系数为81.77%)是最进化的。以核型不对称系数为纵坐标,以平均臂比为横坐标绘制泸定百合核型坐标图(图2)。其中，越靠近右上角具有越高的染色体核型进化程度,建水居群最为进化;宜良居群次之;中甸居群在图中位于左下角,最为原始;其他居群位于中间。

2.3系统聚类分析

利用SAS软件对染色体长度比、平均臂比和核型不对称系数三因子进行聚类分析。聚类结果(图3)表明,当阈值约为0.91时,可以将8个居群分为两类:第Ⅰ类包括麻栗坡、弥勒和建水居群；第Ⅱ类包括宜良、鲁甸、南涧、中甸和蒲缥居群。

3讨论

百合属植物的染色体多为大型染色体,染色体基数x=12,以二倍体(2n=2x=24)最为常见,野生种中仅在卷丹[4]、川百合[16]少数种中发现三倍体。李懋学认为百合属具有共同的核型特征,即均由2对具中部(m)或具近中部(sm)着丝点的大型染色体以及10对具有近端部(st)和端部(t)着丝点染色体所组成,且在第 1、2 对染色体的短臂上常可见到居间随体[13]。本研究结果表明,8个泸定百合野生居群均含24条染色体,为二倍体,未发现染色体数变异,与虞泓[10]、李璇[12]、毛钧[17]等的结果一致,说明泸定百合是一个相对比较稳定的类群。杨雪珍等[18]研究表明,恶劣环境中,具有B染色体的植株适应性和竞争能力更强。例如,含B染色体的细叶韭(Alliumtenuissimum),能增加种子萌发时的抗干旱能力[19];在玉米(Zeamays)中,含B染色体的花粉会优先与卵细胞授精[20]。本研究8个泸定百合居群均未发现B染色体,可见泸定百合对恶劣环境的适应能力有限,除人为破坏和牲畜啃食外,这可能是野生泸定百合近年来分布急剧减少的原因之一。

图2　泸定百合核型坐标图

图3　泸定百合8个居群UPGMA聚类图

一般认为百合属植物的染色体核型为稳定的3B型[21]。已报道的毛百合、兰州百合、朝鲜百合、卷丹[4]、大理百合、岷江百合、滇百合[6]等均为3B型,符合百合属植物核型的一般规律。本研究的8个泸定百合野生居群染色体核型类型均为3A,不符合百合属植物核型的一般规律,但与有斑百合[4]、川百合、南川百合、尖被百合、宜昌百合[6]相同,均为3A型。根据Stebbins[14]“对称—原始,不对称—进化”的观点,泸定百合可能是百合属内较为原始的类群。但是泸定百合的核型不对称系数均较高,达79.82% ～ 81.77%,核型对称性低,进化程度较高。根据核型不对称系数,从高到低可以将8个居群排列为:建水居群>宜良居群>中甸居群>弥勒居群>鲁甸居群>南涧居群>麻栗坡居群>蒲缥居群。

从染色体组成类型、随体数及位置上看,各居群均具有 3 ～ 6 个数目不等、位置不同的随体,核型组成存在明显差别,核型多态性相当明显,表明不同泸定百合居群间在核型上发生了变异。但它们具有一个共同的特征,即均由2对具有中部(m)或具近中部(sm)着丝点的大型染色体以及10对具近端部(st)和端部(t)着丝点染色体组成,且第 1 对染色体均具有随体。由此可见,来自不同产地或居群的泸定百合核型具有多态性,又在具有共性的基础上存在分化。李璇等[12]对泸定百合大关、旧城、扎西等居群进行了核型研究,结果也表明泸定百合各居群间存在明显的核型多态性。本试验补充了建水、宜良、鲁甸、弥勒、南涧、麻栗坡、中甸、蒲缥的核型分析,为首次报道,进一步丰富了泸定百合不同地域或居群的核型数据。

Tzanoudakis[22]认为染色体结构变异的原因与广布和生境多样性有关。本课题组前期的研究工作也表明野生泸定百合居群间在表型和分子水平上具有丰富的遗传多样性,而且受环境因子的影响更大。8个居群的供试材料分别采自云南各地区,这些地区的生境存在明显差异。为了适应不同的生境需要,导致了泸定百合居群染色体结构变异的发生。此外,Stebbins[14]认为,当某一类群部分或全部放弃有性生殖后,整个类群的多态现象将大大增加。他还指出,这种多态现象的成因之一是无融合生殖内部发生了染色体与基因的变化,其中包括染色体结构的变异。泸定百合兼性无融合生殖,可以通过珠芽和鳞茎进行无性生殖,这种无性繁育有利于不同居群保存其染色体所发生的结构变异。

参考文献:

[1]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志(第14卷)[M].北京:科学出版社,1980:127.

[2]吴征镒,陈书坤,陈介.云南植物志(第7卷)[M].北京:科学出版社,1997:794.

[3]MICHAEL,JEFFERON-BROWN,HARRIS HOWLAND.The Gardener’s guide to growing lilies[M].Portland,Oregon:Timber Press,2002:124-128,144-146.

[4]图力古尔,刘立波.吉林省产5种百合的核型研究[J].武汉植物学研究,1996,14(1):6-12.

TOLGOR,LIU L B.Studies of karyotypes of 5 species inLiliumfrom Jilin[J].JournalofWuhanBotanicalResearch,1996,14(1):6-12.

[5]荣立苹,雷家军,郑洋,等.东北地区野生百合的核型研究[J].吉林农业大学学报,2009,31(12):711-716.

RONG L P,LEI J J,ZHENG Y,etal.Study on karyotypes ofLiliumspecies native to Northeast China[J].JournalofJilinAgriculturalUniversity,2009,31(12):711-716.

[6]卿秋静.九种百合属植物核型及遗传变异研究[D].成都:四川农业大学,2011.

[7]李标,虞泓,唐坤.紫斑百合居群核型变异式样[J].重庆邮电学院学报,2004,16(1):98-102.

LI B,YU H,TANG K.Study on karyotypical variation in population ofLiliumnepalense[J].JournalofChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,2004,16(1):98-102.

[8]戴小红,张延龙,牛立新.百合属4种植物的核型研究[J].西北植物学报,2006,26(1):50-56.

DAI X H,ZHANG Y L,NIU L X.Karyotypes of fourLiliumspecies[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2006,26(1):50-56.

[9]刘华敏,智丽,赵丽华,等.四种野生百合核型分析[J].植物遗传资源学报,2010,11(4):469-473.

LIU H M,ZHI L,ZHAO L H,etal.Karyotype analysis of four wildLiliumspecies[J].JournalofPlantGeneticreResources,2010,11(4):469-473.

[10]虞泓,王红霞,游丹.泸定百合居群染色体形态研究[J].云南大学学报,2000,22(1):62-69.

YU H,WANG H X,YOU D.Study on chromosomal morphology in populations ofLiliumsargenttiaeWilson[J].JournalofYunnanUniversity,2000,22(1):62-69.

[11]段青,崔光芬,等.云南泸定百合遗传多样性的表型与ISSR分析[J].西北植物学报,2013,33(6):1 106-1 113.

DUAN Q,CUI G F,etal.Genetic diversity ofLiliumsargentiaebased on phenotypic traits and ISSR markers[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2013,33(6):1 106-1 113.

[12]李璇,段青,王祥宁,等.云南泸定百合12个野生居群的核型研究[J].园艺学报,2014,41(5):935-945.

LI X,DUAN Q,WANG X N,etal.Karyotypes of 12 wild populationsLiliumsargentiaefrom Yunnan Province[J].ActaHorticulturaeSinica,2014,41(5):935-945.

[13]李懋学,陈瑞阳.关于核型分析的标准化问题[J].武汉植物学研究,1985,3(4):297-302.

LI M X,CHEN R Y.The standardization about the karyotype analysis[J].JournalofWuhanBotanicalResearch,1985,3(4):297-302.

[14]STEBBINS G L.Chromosomal evolution in higher plants[M].London:Edward Arnold Press,1971:12-150.

[15]ARANO H.Cytological studies in subfamily Carduoideae(Compositae) of Japan[J].BotanicalMagazineofTokyo,1963,76:32-39.

[16]谢晓阳,武全安.三倍体川百合的核型与醋酶同功酶鉴定[J].云南植物研究,1993,15(1):57-60.

XIE X Y,WU Q A.The determination of karyotype and thioesterase on triploidLiliumdavidii[J].ActaBotanicaYunnanica,1993,15(1):57-60.

[17]毛钧,张明宇,虞泓.泸定百合普洱居群遗传与变异研究[J].云南大学学报,2003,25(S1):91-96.

MAO J,ZHANG M Y,YU H.A study on genetic variation of Puer population inLiliumsargenttiaeWilson[J].JournalofYunnanUniversity,2003,25(S1):91-96.

[18]杨雪珍,贾月慧,张克中,等.部分中国野生百合的核型分析[J].西北植物学报,2013,33(5):922-930.

YANG X Z,JIA Y H,ZHANG K Z,etal.Karyotype analysis of several wildLiliesnativeto China[J].ActaBotanicaBoreali-OccidentaliaSinica,2013,33(5):922-930.

[19]PLOWMA A B,BOUOURD S M.Selectively advantageous effects of B chromosome in germination behavior inAlliumschoenoprasum[J].Heredity,1994,72:587-593.

[20]GONZALEZ-SANCHEZ M,GONZALEZ-GONZALEZ E,MOLINA,etal.One gene determines maize B chromosome accumulation by preferential fertilization,another gene(s) determines their meiotic loss[J].Heredity,2003,90:122-129.

[21]洪德元.植物细胞分类学[M].北京:科学出版社,1990:91-96.

[22]TZANOUDAKIS.Karyotypes of the taxa of Allium section scorodon from Greece[J].Caryologia,1983,36(3):259-284.

(编辑:宋亚珍)

Karyotypes Analysis of Eight Wild Populations ofLiliumsargentiaefrom Yunnan Provice

DUAN Qing,CUI Guangfen,JIA Wenjie,MA Lulin,WANG Jihua,DU Wenwen,WANG Xiangning*

(Flower Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Yunnan Flower Breeding Key Lab.,Flower Engineering Technology Research Center of Yunnan,National Engineering Research Center for Ornamental Horticulture,Kunming 650205,China)

Abstract:Karyological study of 8 wild populations of Lilium sargentiae Wilson from Yunnan Province was carried out by traditional squashing and pressing method.The results were the following:(1)the base number of chromosome in L.sargentiae was 12 (x=12).All of the 8 wild populations were diploid (2n=2x=24) and without B chromosome;(2)karyotypes of 8 wild populations of L.sargentiae were ‘3A’,Their first and second pairs of chromosomes were either large median chromosomes (m) or large submedian chromosomes (sm).All the first pairs of chromosomes of the 8 populations had satellite chromosomes;(3)chromosome length ratio were from 1.64 to 2.26,the mean arm ratio ranged from 6.43 to 8.22,and the karyotype asymmetry coefficient (As.K.%) of the 8 populations were from 79.82% to 81.77%.The above results indicated that the chromosome number of L.sargentiae was stable,and the chromosome variation among populations was generally coming from structure variation.The 8 populations had obvious differences in the composition of chromosomes,the number and distribution of satellite,chromosomes arm ratio,chromosome length ratio and As.K.%.There were obvious karyological variations among populations of L.sargentiae.

Key words:Lilium sargentiae Wilson;population;chromosome;karyotype

中图分类号:Q343.2+2

文献标志码:A

作者简介:段青(1984-),女,硕士,助理研究员,主要从事百合细胞和分子生物学研究。E-mail:duanqing123@126.com*通信作者:王祥宁,研究员,主要从事百合栽培与育种研究。E-mail:494746259@qq.com

基金项目:国家‘863’计划(2011AA100208);云南省应用基础研究计划青年项目(2012FD072);云南省科技计划项目(2012BB011)

收稿日期:2015-11-09;修改稿收到日期:2016-02-01

文章编号:1000-4025(2016)03-0472-07

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.03.0472