不同倍性燕麦的核型分析

许兴泽，赵桂琴，王 军，柴继宽，苟智强

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业 可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

燕麦属(Avena)植物均为一年生草本，适应性较强，在世界各地均有分布，按细胞遗传基础及特点，分为二倍体、四倍体和六倍体3大类，共30种[1-2]。目前，栽培利用最为广泛的是六倍体普通燕麦[2]，既可作为粮食作物收获籽粒，又可作为饲料作物生产饲草[3]。

染色体核型分析作为研究细胞遗传的重要手段，是植物种质资源研究的主要内容，研究包括染色体结构、染色体形态与染色体功能之间的相互关系[4]。观察燕麦根尖细胞染色体，可作为对其分类的重要依据，包含数目和形态等，也可为燕麦的进化研究提供理论依据[5-6]。大多数植物染色体在臂比、着丝点位置等，会伴随着植物倍性化后存在明显差异，与此同时，依据各个核型参数形成的核型公式，也会随之发生相应的改变。染色体数目、大小、形态等，可通过核型及核型模式图进行直观鉴定，而对于细胞核型参数，如染色体类型、体长度、臂比值等需要根据染色体的观察结果进行推算。染色体着丝粒的位置以及随体的有无等都是染色体组在有丝分裂中期可以被测定的表型特征，是确定核型的组成成分[7-8]。梁国玲等[9]通过比较分析燕麦杂交新品系I-D与其亲本在染色体形态特征和核型上的差异，得出燕麦I-D品系具有双亲染色体的一些特有形态，其中部着丝点染色体所占比例28.57%，核不对称系表相较于亲本是更为进化的种群。蔡华等[10]对一种野生燕麦的核型进行了分析，表明其物种染色体数为2n=42，染色体臂比为2.34，核型公式为2n=6x=42=22m+20sm(2SAT)，核型类型为比较对称的2B型。刘伟[11]分析了燕麦不同倍性材料的核型并构建了SSR指纹图谱，得出国外裸燕麦品种核型公式为2n=6x=42=24m+18sm(2SAT)，发现染色体的核型类型随着倍性的增加由2A型变为较不对称的2B型，不对称性随着倍性的增加逐渐增大，认为燕麦染色体的倍性水平越高，往往越容易发生进化，证明燕麦染色体多倍化是进化的趋势。耿帆等[12]认为生长在不同生态环境下的裸燕麦，其核型具有一定的差异性。Fominaya A等[13]鉴定了二倍体和四倍体燕麦的各对染色体，通过染色体C-分带方法对二倍体燕麦和四倍体燕麦进行了研究，发现在显带分析中所有C组染色体均较A组染色体的染色深。截止目前，对燕麦二倍体、四倍体和六倍体染色体核型同时进行研究和分析的报道不多。因此，试验拟通过染色体数目、大小及形态等表型，分析其核型特征，探究二倍体、四倍体和六倍体燕麦之间的核型差异。

1 材料和方法

试验材料为燕麦属3个种Avenanudibreri,A.hispanica和A.sativa，由甘肃农业大学草业学院提供。

1.1 染色体制片方法

将粒大饱满的燕麦种子先用10%次氯酸钠溶液浸泡10 min进行消毒处理，无菌水清洗2～3次,置入25℃恒温培养箱中萌发。将露白的种子放入4℃冰箱中48 h，之后在25℃光照恒温培养箱中继续萌发。待根长至1.0～2.0 cm 时，剪取新生粗壮根尖于0.002 mol/L的8-羟基喹啉中预处理3 h，转入卡诺氏固定液(无水乙醇∶冰乙酸=3∶1，V/V)中在4℃下固定24 h，然后用1 mol/L盐酸在60℃下解离10 min，最后用改良苯酚品红染液染色2 h，进行常规压片，在光学显微镜下观察并拍照。

1.2 染色体核型分析

采用文献[14]的标准，统计30个分散较好的有丝分裂中期细胞进行染色体计数，若85%以上的细胞都具有恒定一致的染色体数，即认为是该植物染色体数目。3份燕麦材料均选取5个分散良好、形态清晰的中期分裂相照片，利用Photoshop软件根据染色体形态特征先进行染色体初步配对，然后分别测量各条染色体的长臂和短臂长度，利用Excel软件对测得的核型数据进行统计，并依据各条染色体的总长度和臂比对初步配对的染色体进行调整，得到最佳的同源染色体配对。按染色体相对长度由长至短依次排列；若长度相同，则短臂长者在前；排列时短臂在上，长臂在下，着丝粒对齐排列于同一直线上，成一张完整的染色体核型图。

(1)染色体长度

①绝对长度(或实际长度)：均以微米表示。

②相对长度：均以百分比表示，根据Levan等[15]的公式计算。

③染色体长度比：核型中最长染色体与最短染色体的比值。

(2) 次缢痕及随体

次缢痕的有无及位置，随体的有无、形状和大小都是重要的形态指标，带随体的染色体用SAT或*标记。

(3) 臂比值

着丝点的位置精确到0.01。

根据臂比值可确定着丝点的位置(表 1)，进而可将染色体分成相应的类型[16]。

表1 着丝点位置命名

(4)核型的分类

依据文献[17]的方法进行，用染色体的长度比与臂比两个主要特征来进行核型分类，用于区分核型的对称和不对称的程度(表2)。

表2 核型分类

注：1A为最对称核型，4C为最不对称核型

(5)核不对称系数(As.K)

反映染色体对称与否、进化与否的一个参数。

核不对称系数=长臂总长/全组染色体总长×100%

1.3 数据处理

根据镜检观察到的染色体图像，利用Photoshop对染色体图片进行抠图、配对数据分析，Microsoft Excel软件作核型模式图。

2 结果与分析

2.1 Avena nudibreri燕麦的核型特征

通过镜检观察，选择30个分散好的有丝分裂中期细胞进行染色体计数，其中85%以上细胞均具有恒定一致的14条染色体，为二倍体。根据各条染色体的长臂和短臂长度、总长度和臂比值进行配对，获得供试材料的核型图及核型模式(图1)，以及主要核型参数(表3)。

图1 Avenanudibrer的染色体照片、核型图及核型模式Fig.1 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of Avena nudibrer

供试材料的7对染色体中，1号染色体相对长度最长，7号最短；臂比值以7号染色体最大，5号染色体次之，1号染色体最小。共有5对中部着丝点染色体(m)和2对近中部着丝点染色体(sm)，其中第5对是带有随体的染色体，且属于近中部染色体(sm)。核型公式为2n=2x=14=10m+4sm(2SAT)。染色体相对长度的变化范围为5.26%～9.09%；染色体的长度比为1.72。染色体臂比值大于2∶1的有2对，即第5号和第7号染色体，所占比例为28.57%。核不对称系数为57.85%，核型属于较原始的2A型。

表3 Avena nudibrer燕麦染色体类型参数

注：*为随体染色体，随体长度未计算在内

2.2 Avena hispanica燕麦的核型特征

Avenahispanica燕麦的染色体照片、核型及核型模式见图2，主要核型参数(表4)。Avenahispanica共有28条染色体，是一个四倍体种；共有10对中部着丝点染色体(m)、4对近中部着丝点染色体(sm)，其中第10对是带有随体的染色体。核型公式为2n=4x=28=20m+8sm(2SAT)。染色体相对长度的变化范围为2.67%～5.03%；染色体的长度比为1.88。染色体臂比值大于2∶1的有3对，所占百分比为21.42%。核不对称系数为60.04%，染色体组核型属于2A型。

表4 Avena hispanica燕麦种染色体类型参数

注：*为随体染色体，随体长度未计算在内，下表相同

图2 Avena hispanica染色体、核型及核型模式Fig.2 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of A.hispanica

2.3 Avena sativa燕麦的核型特征

通过镜检观察，Avenasativa共有42条染色体，为六倍体，其染色体照片、核型图及核型模式见图3，主要核型参数见表5。该供试材料含有15对中部着丝点染色体(m)和8对近中部着丝点染色体(sm)，其中第12对和第17对是带有随体的染色体。核型公式为2n=6x=42=26m+16sm(4SAT)。染色体相对长度的变化范围为3.12%～11.72%；染色体的长度比(最长与最短)为3.75。染色体臂比值大于2∶1的有6对，所占百分比为12/42×100%=28.57%。核不对称系数为61.01%，染色体组核型属2B型。

2.4 不同倍性燕麦种核型比较

对3个供试材料进行比较(表6)，发现不同倍性燕麦染色体的核型有所不同。由核型公式分析，二倍体、四倍体和六倍体均含有m型和sm型染色体，且随着倍性的增加，具m型和sm型染色体的数目呈逐渐

图3 Avena sativa燕麦染色体、核型及核型模式Fig.3 Chromosomes shape,karyotype and karyotype pattern of A.sativa

染色体编号相对长度/%长臂短臂总长臂比染色体类型16.744.9811.721.35m26.894.5211.411.52m36.924.3511.271.59m46.703.8810.581.73sm55.753.789.531.52m64.433.007.431.48m74.822.337.142.07sm84.472.667.131.68m94.602.136.732.16sm103.122.956.071.06m113.182.815.991.13m 12*3.111.824.931.71sm133.011.894.901.59m142.721.153.872.37sm152.201.443.641.53m161.921.683.591.14m17*2.361.143.502.08sm181.871.633.501.15m192.311.023.322.27sm201.751.553.301.13m212.081.043.122.01sm

注：*为随体染色体，随体长度未计算在内

增多。六倍体皮燕麦的核不对称系数、染色体长度比和臂比大于2的染色体数目均最高，其核型为不对称的2B型。随着倍性的增加，染色体的核不对称系数、染色体长度比逐渐增加，且核型类型也由对称的2A型转为不对称的2B型，说明六倍体燕麦的染色体形态更具有多态性。

表6 不同倍性燕麦种的核型比较

3 结论

3.1 不同倍性燕麦种核型特征

燕麦属的分类经历了由外部形态为标准的系统分类过渡到以细胞染色体组为基础、结合形态特征分类的两个阶段。1919～1924年，对当时掌握的10个燕麦种进行了远缘杂交，并对亲本及杂种的染色体做了观察分析，据此将燕麦属分为二倍体、四倍体和六倍体3个种群[18]。这种以其细胞遗传基础及特点进行分类的方法，也得到了形态分类学家们的赞同。此后各国均以此作为燕麦属分种的基础。后来补充了9个种，加上后人陆续发现新种(5个种)，现燕麦属植物共有30个种[2]。

试验对二倍体、四倍体、六倍体材料进行了染色体分析，发现二倍体材料的核型公式为2n=2x=14=10m+4sm(2SAT)，具有1对随体、2对近中部着丝点染色体，研究结果与郭淑华[19]的报道一致，但在中部着丝点染色体数目上有差异。研究结果得出二倍体燕麦A.nudibreri有5对中部染色体，而郭淑华[19]的研究结果是4对中部染色体，这可能是材料来源不同造成的。四倍体燕麦A.hispanica具有4对近中部和10对中部着丝点染色体，刘伟[11]发现四倍体燕麦A.maroccana有6对近中部和8对中部着丝点染色体。对于六倍体燕麦A.sativa,梁国玲等[20]发现青引1号具有11对近中部着丝点染色体和10对中部着丝点染色体，且在第7和第17号染色体上各含有一对随体。核型公式为2n=6x=42=20m+22sm(4SAT)。盛中飞等[21]研究发现，葡萄牙燕麦具有11对近中部着丝点染色体、9对中部着丝点染色体和1对近端部着丝点染色体，第5、11、16号染色体上含有3对随体，核型公式为2n=6x=42=18m+22sm(6SAT)+2st。而本研究发现，A.sativa染色体具有8对近中部着丝点染色体和13对中部着丝点染色体，并且在第12和第17号染色体上均含有一对随体。由此可见，不同倍性、不同种的燕麦染色体数目、核型不同，同一个种不同品种的核型结构也有所不同。

3.2 不同倍性燕麦的进化

Stebbins[17]和Levitzky[22]报道，染色体核型的进化趋势是由对称往不对称发展。二倍体燕麦A.nudibreri的核不对称系数为57.85%，染色体长度比为1.72，核型为2A型，是较为原始的对称型。四倍体A.hispanica的核型虽然也属2A型，但其核不对称系数为60.53%，染色体长度比为1.88，均高于二倍体燕麦A.nudibreri，因此，四倍体A.hispanica的染色体不对称型要大于二倍体燕麦A.nudibreri。六倍体的A.sativa核不对称系数进一步增大，为61.01%，均高于二倍体和四倍体，其核型为2B型，进化地位要高于四倍体和二倍体。