全 文 ：Moricandia 与芸苔属植物亲缘关系的研究
孟金陵 　甘　莉
(华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室　武汉　430070)
摘要　Moricandia 是十字花科中唯一的具 C3-C4 植物的属。为向十字花科芸苔属(Brassica)作物中转
移 C3-C4 等重要性状提供基本信息 , 从可交配性和 RFLP指纹图谱两个角度研究了 Moricandia 与芸苔
属作物间的亲缘关系。结果表明:Moricandia 与芸苔属作物间的可交配性很低 , 仅从 M.arvensis×甘
蓝型油菜的 105枚培养子房中获得 4 个杂种苗。用 23 个甘蓝型油菜核 DNA 探针和 4 个甜菜线粒体
DNA 探针检测了芸苔属作物和 Moricandia C3-C4 植物间 DNA 限制性内切酶位点多态性。 Moricandia
与芸苔属物种间的同源性很高 ,其中白菜型油菜与 M.nitens之间在核基因组上的相似性甚至大于它与
同属的甘蓝型油菜间的相似性。 Moricandia C3-C4 物种与芸苔属作物在核 DNA 和细胞质 DNA间的高
度同源性 ,揭示了通过有性杂交或原生质体融合及染色体间重组的途径向栽培种转移重要基因的可能
性。
关键词　Moricandia , 芸苔属 ,亲缘关系 , 可交配性 , DNA指纹
STUDIESON THE RELATIONSHIPS BETWEEN
MORICANDIA AND BRASSICA SPECIES

MENG Jin-Ling 　GAN Li
(National Key Labora tory of Crop Genetic Im provemen t , Huazhong Agricultura l U niversity , Wuhan 430070)
Abstract　Moricandia is the only genus with C3-C4 species w ithin the family of Cruciferae.
To provide the basic information of transferring C3-C4 and o ther impo rtant characteristics
from Moricandia to Brassica crops , the relationships between Moricandia and Brassica
species were studied based on crossability and RFLP fingerprinting .The crossabili ty was
very low betw een the two genera in the experiment.There w as no hybrid seed obtained
between M .arvensis and B .rapa though 8 000 flowers w ere crossed.2 989 cross-
pollinated ovaries were cultured and also no hybrid embryo w as developed.However , four
intergeneric hybrid shoots were generated from 105 cultured ovaries in the combination of
M .arvensis×B .napus.The nucleus DNA polymorphism of rest rict ion loci w as detected
w ith 23 genic DNA clones of B .napus for the samples of B .napus , B .rapa and B .
oleracea , M .arvensis and M .ni tens.A high homology w as found between Moricandia
and Brassica species.The similari ty betw een M .ni tens and B .rapa was even g reater than
that betw een B .rapa and B.napus.The close relationships between Moricandia species
and Brassica crops , especially European B .rapa , were also detected w ith 4 beta
mitochondria probes.The intensive homology betw een Moricandia C3-C4 species and
Brassica crops evaluated w ith the RFLP markers revealed the possibility of transferring some
important genes f rom the C3-C4 species to the domesticated species by sexual hybridization or
protoplast fusion follow ed by recombination of homoeologous chromosomes.
Key words　Moricandia , Brassica , Relationship , Crossability , DNA fingerprinting

通讯联系人。Author for correspondence.E-mail address:.
收稿日期:1997-03-04　接受日期:1997-05-14
国家自然科学基金资助项目。 Supported by the Nat ional Natural S cience Foundation of China.
植　物　学　报　1998 , 40(6):508 ～ 514
Acta Botanica Sinica
绝大多数农作物是 C3植物 ,仅玉米等极少数植物具 C4光合途径。尽管 C4植物比 C3
植物有更高的光合效率 , 但由于二者之间在组织结构 、光合生理以及遗传基础上的显著
差异 ,几乎不可能将 C3 植物改造成为 C4 植物[ 1] 。通过研究植物的光呼吸和 CO2 补偿
点 ,发现有少数植物在光合特性上介于 C3 和 C4 之间 ,被称为 C3-C4 植物或类 C4 植物 。
C3-C4 植物具有 C4植物的叶片解剖特征和 C3 植物的 CO2同化途径 ,其 CO2 补偿点则介
于C3 和 C4 植物之间 , 被认为是 C3 植物向 C4 植物进化的中间形态[ 2] 。迄今发现的 C3-
C4 植物均为野生种 ,由于它们在起源 、进化 、光合生理和遗传基础上比 C4 植物更接近其
近缘的 C3 栽培植物 ,因此具有潜在的利用价值 。Moricandia 是十字花科乃至罂粟目中
唯一具C3-C4 植物的属[ 3] 。而芸苔属(Brassica)是十字花科植物中最具经济价值的一属 ,
均为 C3植物。研究 Moricandia 与芸苔属栽培作物间的亲缘关系 ,对于从 Moricandia 野
生种中向芸苔属栽培种转移 C3-C4 等宝贵性状具有指导意义。种间的亲缘关系可根据形
态学特征 、可交配性 、杂种的细胞遗传学特征及蛋白质和 DNA分子的差异等来确定[ 4] 。
本文报道 Moricandia 与芸苔属作物间的可交配性和用 RFLP 分子标记分析这两个属的
核 DNA 和线粒体基因组的研究结果。
1　材料和方法
在种间可交配性研究中 ,芸苔属(Brassica)作物的亲本为 10个中国的白菜型油菜品
种和两个甘蓝型油菜品种“Express”和“Libravo” , Moricandia 的亲本为M.arvensis品系
Maw ,杂交和子房培养参照 Takahata 和 Takeda[ 5]的方法。MS培养基中蔗糖浓度 20 ～ 40
g/L 。用于 RFLP分析的材料见表 1 ,其中 3个来自中国的白菜型油菜在可交配性实验中
也曾用到;甘蓝型油菜品系 RA为甘蓝 R18和白菜 A12种间杂交加倍后产生的人工合成
的双二倍体 ,由英国 John Innese Centre的 Lydiate博士提供;Moricandia的试材均由英国
John Innes Centre 的 Raw sthrne博士提供。DNA提取 、酶切 、电泳 、Southern blot ting 、分子
杂交等程序同文献[ 6] 。用EcoR Ⅰ和EcoR Ⅴ分别酶切样本DNA后 ,用Lydiate博士提
表 1　材料来源名称及在本实验中的代码
Table 1　The names , sources , and abbreviations of materials used in the experiment
Genus and species Accession Origin Abbreviation
Brassica rapa
Tianmen Daye Youcai(天门大冶油菜) Hubei , China R2
Ya anhuang(雅安黄) Sichuan , C hina R8
Chuanyou 8(川油 8号) Sichuan , C hina R19
A12 Britain A12
B.oleracea RO18 Britain R18
RO18+A12 Britain RA
B.napus Express Britain N39
Lib ravo Britain N51
Morican dia arvensi s
Maw Britain MAW
Ma1 Britain MA1
Ma2 Britain MA2
Ma3 Britain MA3
Mn1 Britain MN1
M.nitens Mn2 Britain MN2
Mn3 Britain MN3
M .arvensis×B.napus (Maw×Express)F1 China MN39
6 期 孟金陵等:Moricandia 与芸苔属植物亲缘关系的研究 509　
供的 pWl01等 23个甘蓝型油菜核 DNA克隆和该中心薛勇彪博士提供的 MR355等 4个
甜菜线粒体 DNA克隆作探针与酶切样本 DNA 杂交 。
2　实验结果
2.1　Moricandia arvensis与芸苔属作物间的可交配性
在本实验中 M .arvensis 与白菜型油菜间的正反交可交配性均很低 。杂交授粉了
8 000多朵花 ,绝大部分子房授粉 1周内变黄萎蔫 。授粉后 10 d摘取色绿并稍有膨大的子
房共 2 989枚 ,表面消毒后培养在 MS 培养基上。其中白菜型油菜×M .arvensis 的组合
中有部分培养子房膨大。培养 20 d后解剖子房 ,共取出 134枚胚继续在 MS 培养基上培
养成小苗。经形态学 、同工酶和 RFLP DNA印迹鉴定 ,这些小苗均非属间杂种。它们可
能产生于孤雌生殖 ,或缘于田间大量杂交时偶尔发生的花粉污染 。
甘蓝型油菜与 M .arvensis 间的可交配性高于白菜型油菜 。经过对 105 枚 M .
arvensis×甘蓝型油菜子房的培养 ,获得 4个杂种幼苗(表 2)。杂种的遗传和光合作用特
征将另文报道。
表 2　Moricandia arvensis 与芸苔属作物间的可交配性
Table 2　Crossability between Moricandia arvensis and Brassica crops
B.rapa×M .arvensis M .arvensis×B.rapa M.arvensis×B.napus
Combinations 10 10 2
No.of crossing pollinated ovaries >8 000 >600 >300
No.of cultured ovaries 2 989 320 105
No.of hyb rid plantlets 0 0 4
No.of hyb rids per pollinated f low ers 0 0 0.02
No.of hyb rids per cul tured ovaries 0 0 0.04
2.2　Moricandia与芸苔属作物在核基因组间的相似性
所有来自甘蓝型油菜核基因组的 DNA克隆均能与 Moricandia 两个种的核 DNA杂
交 ,只是从 Moricandia 中检测到的总杂交带数低于芸苔属;其中一些探针在芸苔属与
Moricandia中均能得到较强的信号 ,表明两个属的基因组间具有较高的同源性(图 1)。
但在多数情况下 , Moricandia 所获的杂交带信号弱于芸苔属(图 2), 似乎说明这两个属
核 DNA 序列的较多区段已发生了一定程度的分化。
在 RFLP 分析中 ,DNA 序列结构差异主要表现在限制性内切酶片段长度变化上。在
根据杂交带相对位置异同所做的聚类分析图上 ,同一个种内的不同品种或品系一般都聚
为一类(图 3)。例外的是白菜型油菜:来自中国的品种聚为一类 ,欧洲的白菜型油菜 R18
与甘蓝甚至 M.ni tens 聚在一起。这似乎显示了亚欧白菜型油菜在起源上的歧异。在
Moricandia的 2个 C3-C4物种中 ,M .nitens 与芸苔属物种尤其是白菜型油菜有更高的相
似性。属间杂种 MN39携有双亲的带纹(图 1 、2)。但由于其甘蓝型油菜亲本的总带数高
于 M .arvensis亲本 ,故在聚类分析中 MN39与甘蓝型油菜亲本聚为一类 。
2.3　Moricandia与芸苔属作物在线粒体基因组间的相似性
虽然只用了 8个探针/酶切组合 ,但每一个组合都在所有 16份材料中检测到了多态
性杂交带 。带纹总数达 84条 ,表明线粒体基因组在种属间的变异相当大。与在核基因组
间检测到的限制性内切酶片段长度多态性变化相似 ,线粒体基因组 RFLP 所显示的芸苔
510　 植　　物　　学　　报 40 卷
属与 Moricandia 间的界限仍是不分明的 。M .nitens在线粒体基因组上与芸苔属作物间
的相似性(25%)大于它与同属的 M .arvensis的相似性(图 4)。在芸苔属内 ,甘蓝型油菜
与中
图 1　用 EcoRⅤ酶切芸苔属和 Mor icandia 样品 DNA后以甘蓝型油菜核 DNA探针 pW240杂交所获得的
限制性图谱
Fig.1　Rest rict ion pat terns obtained w ith pW240 , a nuclear probe of Brassica napus , for EcoRⅤ digest of DNA
from Brassica and Moricandia accessions.
A rich polymorphyism of the rest riction cite w as detected from the two genera and st rong hybridization signals w ere obtained.
1.λDNA;2.R2 population;3.R2 single plant;4.R8 population;5.R8 single plant;6.R19 populat ion;7.R19 single
plant;8.N39 population;9.N39 single plant;10.N51 population;11.N51 single plant;12.MAW;13.A12;14.
R18;15.RA;16.
MN39;17.MA1;18.MA2;19.MA3;20.M N1;21.MN2;22.MN3;23.λDNA.The abbreviations were described on Table 1.
图 2　用 EcoRⅠ酶切芸苔属和 Mor icandia 样品 DNA后以甘蓝型油菜核 DNA探针 pW177杂交所获得的
限制性图谱
Fig.2　Rest rict ion pat terns obtained w ith pW177 , a nuclear probe of Brassica napus , for EcoRⅠ digest of DNA
from Brassica and Morica ndia accessions
A few hybrid bands w ere detected w ith a w eak signals f rom the genus Mor icandia.Indication for the Arabic numerals
and abbreviations were the same as those in Fig.1.
国的白菜型油菜相似性较高 ,而它们与甘蓝之间的相似性较小 ,为 45%左右 。从图 4还
可以看到 ,线粒体基因组在种内的变异相对较小 ,特别是野生种 M .ni tens和M .arvensis
内 ,DNA限制性内切酶位点间的相似性在 80%左右。两个中国的白菜型油菜之间的相
似性最高 ,达 95%。但它们与同种的欧洲白菜型油菜 R18之间的相似性仅为 65%左右 ,
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同样反映了欧 、亚两类白菜型油菜间的高度分化。属间杂种 MN39 与母本 M .arvensis
品系 Maw 聚在一起 ,揭示了线粒体基因组的母性遗传特征。
图 3　根据芸苔属和 Moricandia 核基因组 RFLP数据所作的聚类分析图
Fig.3　Dendrogram of Brassica and Morica ndia species classified wi th RFLP markers coming f rom nucleus genome
The abbreviat ions w ere described on Table 1.
图 4　根据芸苔属和 Moricandia 线粒体基因组 RFLP数据所做的聚类分析图
Fig.4　Dendrog ram o f Brassica and Moricandia species classified with RFLP
markers coming from mitochondria genome
The abbreviat ions w ere described on Table 1.
3　讨论
生殖隔离是由于种间的遗传差异造成的 。种间生殖隔离的程度一般用可交配性来衡
量。M .arvensis与芸苔属物种间有一定的可交配性 。通过子房培养和胚挽救 , Takahata
等[ 5 ,7 ,8]先后获得了 M .arvensis与白菜 、黑芥 、甘蓝 , M .arvensis与甘蓝型油菜及芥菜型
油菜的属间杂种 。每培养一枚子房获得的成熟杂种胚数为白菜 0.20 、甘蓝型油菜 2.95 。
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Apel等[ 9]用白花芥蓝(B .alboglabra)作亲本 ,未经组织培养就获得了与 M .arvensis的有
性杂种 。我们通过胚培养虽也获得了 M .arvensis 与甘蓝型油菜的属间杂种 ,但每培养一
枚子房仅获得 0.04个杂种苗 , 而在 M .arvensis与白菜的杂交组合中可交配性为零。我
们的实验结果与 Takahata小组在同一种间杂交组合中所得结果相去甚远 ,说明种间交配
性的高低并不能完全反映种间遗传差异的大小 ,因为较少量的基因突变就可以实现生殖
隔离 , 而控制生殖隔离的基因频率在不同的种群间或品种间有很大的变异[ 4] 。种间遗传
差异的大小 ,只有在 DNA水平上才能得到更深刻的揭示。
Schulz[ 10]曾根据形态学特征 , 将十字花科芸苔族(Brassiceae)分为 7 个亚族
(subtribes), 其中芸苔属作物和 Moricandia 物种分别归划在芸苔亚族(Brassicinae)和
Moricandiinae亚族中 。而 Al-Shehbaz[ 11]认为 ,Schulz仅仅根据果喙中有无种子和中间蜜
腺是否缺乏就把芸苔亚族和 Moricandiinae亚族区划开来完全是人为的。实际上 ,这两个
亚族的植物均具有长的并开裂的角果 ,而这一形态学特征是 Schulz的其它 5个亚族所缺
乏的。Vaughan和Whitehouse[ 12]分析了十字花科植物种子结构与分类的关系 ,在其研究
的 12个性状中 ,M .arvensis在包括种子形态 、胚胎类型等 10个性状上均可在芸苔属中
找到与其相似的种 。Takahata 和他的同事[ 5 ,8] 在芸苔属的 3 个基本种 ,即白菜型油菜
(AA , 2n=20)、黑芥(BB , 2n=16)和甘蓝(CC , 2n=18)与 M.arvensis杂交产生的 F 1代
花粉母细胞中 ,分别观察到 2.67 、2.52和 2.17个二价体 ,单个细胞中的二价体最高可分
别达到 6 、5和 6个。考虑到 Moricandia 与芸苔属植物间存在着一定的可交配性和杂种
的细胞学行为 ,Harberd[ 13] 、Warw ick和 Black[ 14]均提出把 Moricandia 的物种归于芸苔属
生态种(Brassica coenospecies)。传统的依据形态学特征对芸苔族植物的分类受到了挑
战。
DNA分子标记由于其信息量大和不受环境影响等优点 ,已被广泛地用于植物的进
化 、分类和亲缘关系研究[ 15～ 17] 。Warw ick和 Black[ 18]用叶绿体 DNA 探针研究了芸苔亚
族的芸苔属植物及其近缘属野生种的系统进化关系 ,把芸苔亚族分为白菜/甘蓝和黑芥两
大谱系(lineages)。分子的分类与细胞学分类结果很相似 ,但与经典的形态学分类很不吻
合。后者是把白菜 、甘蓝和黑芥都划在芸苔属内的 , 为该属的 3 个基本种 。尔后 ,
Warwick 和 Black[ 19]又用叶绿体 DNA探针分析了包括Moricandiinae亚族在内的 34个芸
苔族物种的 RFLP , 发现该亚族与芸苔亚族的亲缘关系较近 ,并与芸苔亚族的白菜/甘蓝
谱系归为一类 ,因此建议将包括 Moricandia 的 Moricandiinae亚族归并于芸苔亚族中 。我
们从核基因组和线粒体基因组两方面所获得的信息均支持Warwick 和 Black 的观点 ,进
一步揭示了 Moricandia 与芸苔属植物之间密切的亲缘关系。因此 ,人们可以期待在
Moricandia与芸苔属的有性杂种或体细胞杂种中发生部分同源染色体间的联会 、交换 ,
产生染色体组间的重组 ,从而将 Moricandia 中包括 C3-C4 特性在内的重要性状转移到芸
苔属作物中。
在 Moricandia的 5 个 C3-C4 物种中 , M .nitens的 CO2 补偿点最低 ,其 τ值仅 9左
右[ 20] 。因此在转移 C3-C4 特性方面 ,M .nitens可能比M .arvensis更有利用价值 。前人
在 Moricandia 与芸苔属作物间种质转移的研究中 ,均只采用了 M .arvensis作亲本 ,并分
别获得了有性杂种和体细胞杂种[ 6 ～ 8 , 21～ 23] 。目前尚未见 M .nitens与芸苔属作物间杂
交工作的报道 。鉴于 M.nitens与芸苔属作物间的亲缘关系并不低于M .arvensis ,在 M .
6 期 孟金陵等:Moricandia 与芸苔属植物亲缘关系的研究 513　
ni tens与芸苔属作物间开展有性杂交或体细胞杂交工作 ,有可能产生更为积极的结果 。
致谢　部分研究工作在英国 John Innes Centre 完成 ,得到了该中心芸苔和油料作物研究
系的 Dr.D.Lydiate、Dr.S.Rawsthorne 、M r.A.Sharpe和 M r.C.Morgan的协助 ,谨表谢
意。
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