全 文 ：生物杖术通稚
纷 述 与 专 论 召云口2艺C 日脚口乙 O G Y B UJ 比 E TI N 2 兀旧年 增 刊
针叶树多倍体及其在遗传育种中的应用研究
张清国 ,2 杨文华 2 韩素英 2 齐力旺2 梁国鲁
( 西南大学园艺园林学院 , 重庆粼刃716 ; 2中国林业科学研究院林业研究所 , 北京 1峨XX为l)
摘 要: 多倍体及 多倍化 已成为生命科学研究的热点 , 林木中, 众多速生高杭品种的成功选育和应用给林木遗传育种带
来了新的研究热潮作为主要的用材树种针叶树 , 天然多倍体极少, 研究材料极其缺乏.严重限制了多倍体的应用研究大1 多
倍体植株的获得以弥补其天然发生不足 ,是促进多倍体针叶树研究发展的前提 利用体细胞胚胎发生技术结合染色体工程技
术等现代生物技术取代传统组织培养 , 解决了针叶树组织培养中生长缓慢 生根困难的瓶颐, 是获得人工多倍体针叶树的最重
要途径
关. 词 : 遗传 育种 针叶树 多倍体 体细胞胚胎发 生 生物技术
S tu 山 es in th e P oly P loid of C o n lfe r a n d th e F u tu re in B reed in g
z hang Q in段尹 2 Y ang w enh uaZ H an suyin 扩 Q ILi wan 扩 Liang G uolu ,
( 肠止肠梦 of Ho 耳ic政ure 口ui L田泊c甲e , 肠毗 , :t Un 动ers勿, C彻嘟 i咭 400716; 2the R esearc h 加 吹 of Fo re :t仃, Ch ine :e
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emb ry o ge n esi an d chromo som e en , eerm g w ould beeo , th e mo st e玉 etive w 叮 to th e indu cti on an d ob 面 ni 嗯 o f P olyP loids in eoni fe r
fo r overeome th e slow ly gr owt h an d har 山y ro otfo rma tion in nom l习c川tu re in in vi tro .
K ey w ofd : G enetie breedi ng Co拍fe r Po加 loid Soma de emb 卿罗nes is Biotechnology
多倍化是植物进化变异的主要途径之一 , 目前
多倍体及多倍化研究已成为生命科学的热点 1一3!
特别是模式植物拟南芥全基因组序列测定完成后 ,
发现拟南芥基因组中普遍存在 D N A 序列的重复事
件 基 因组多倍化及多倍化后的二倍化和新的功能
基 因的形成14一7而大量的研究表明 ,几乎所有的有
花植物在进化中都反复经历基因组的高倍化和重
组事件18一10 多倍化导致植物基因组发生部分或全
部 的重复 , 其后伴随着 D NA 排除 D NA 同质化 基
因沉默和染色体重排等 ,从而改变了二倍体祖先基
因组中基因连锁关系 遗传平衡及遗传修饰式样
12 ,赋予多倍体基因组新的细胞遗传学特性,使之
在细胞形态 核型特征以及基因表达等方面表现出
极大的生物学多样性I3. 4],从而加速物种的进化
多倍化后 , 多个等位基因互作产生了更多的组
合和更多样的功能变化 ,从而比二倍体亲本拥有更
高的杂合性和更迅速的环境适应力 , 表现为抗逆性
增强及克服远缘杂交的不育性等特点而倍受园艺
育种学家的青睐115] 随着基因组学的深人研究 , 以
及后基因组时代的发展 ,多倍化导致的基因组加倍
及功能多样化研究的深人也成为经典遗传学理论
飞跃发展的一个重要 因素 6] 但这些成果主要来 自
于草本模式生物的研究 , 木本植物仅在杨树等部分
树种 中得到较好的发展 针叶树 是主要 的森林 树
收稿日期 :2(X 玲一03 一27
作者简介 :张清国(1984 一),男 ,硕士研究生 ,研究方向:细胞遗传及生物技术;E一四jl:止即明解加5@ 126. ~
通讯作者:齐力旺 (l 96 2一).男 , 研究员 ,博导 ,研究方向:林木遗传学;E 一画 l:lwq i@ caf ac cn
梁国奋 (l 960 一),男 .研究员 , 博导 ,主要研究方向:果树遗传育种;E 一画 1:li出l咫l@ swu 已u. cn
2 X为 年 增 刊 张清国等 :针叶树多倍体及其在遗传育种中的应用研究
种 ,多倍体的比例相对较少 , 大约为 1.5% Ilv] 目前 ,
对于针叶树多倍体及多倍化的研究仍然不多 ,极大
的限制了多倍体针叶树在生产实践中的应用
1 针叶树天然多倍体与人工诱导的多倍体
目前发现天然的多倍体针叶树约有数十种
117, 8] , 包括唯一天然六倍体针叶树北美红杉(Se qu oi a
se m pe rv ire ns , 2n 二6x 二6 ),三倍体和四倍体的日本柳
杉(C卿 tom eri a Ja卯niea , Zn二33 ,科 ) 柏树(JuniPe ru s
ehinensis , Zn 二33 , 料 ;J. s明am at , Zn二科;J. virgl ni -
an a ,Zn=33 ;J sab ina ,Zn 二4 )(A huj a , 20 5) 和智利
柏 (Fi tzro ya eupre ssoides)以及松科的赤松(Pi nus den-
siflora ) 云杉 (R eea ab ies)和落叶松(肠rix)等[19一20]
部分多倍体表现出优 良的性状而使育种学家对这
些树种的多倍体产生兴趣 ,并且通过人工诱导对人
工针叶树多倍体进行了研究
1.1 自然界 中的多倍体针叶树
北美红杉 (Sequoia se m perv ire ns)是现存的唯一
一个天然六倍体(2n 二6x 二6 )针叶树 ,也是世界上
生长最快 的树种之一 迄今为止 ,红杉超大基 因组
D NA (约 3150 M b , 杨树约为 45oM b)的稳定存在仍
无法解释 ,而人们根据红杉基因组的大小 核型 表
皮 结 构 以及化 石 标本 推 测 它来 源 于古 代水 杉 属
(M etasequoia)和巨杉属(Sequoiadendro n)植物12,], 其
祖先首先经过一轮多倍化和一次杂交事件而形成
了 A A B 型植物 , 然后再次多倍化产生了现有的六
倍体红杉浏 目前 ,红杉多倍体基因组的起源与进
化已成为世界上众多科学家深人研究并试图用它
来解释裸子植物的进化问题的重要依据之一
落叶松三倍体是讨论多倍体松科植物是否有
生长优势的一个焦点 (A huj a, Zo s) , 最著名的报道
是 助花en (1938)通过美洲落叶松(肠 dx oeeident al is
nutt .)和欧洲落叶松(肠 dx deeiduas m iller)的杂交实
验发现三倍体杂种后代阴 在对获得的 53 4 粒种子
进行播种及对其生长研究 中发现 ,其 中一株含有三
组染色体 , 2n =3x =36 该三倍体植株的生长速度超
过其二倍体亲本及其亲本和日本落叶松的杂种后
代 ,并且在生长的第八年开花 , 通过对比研究发现
三倍体植株根尖颜色比亲本深 , 雌花鳞片狭长 ,雄
花中包含大量大花粉 肠玲en 认为这种花粉存在大
量异倍体 (an eu ploi d) , 并预测异倍体性细胞的存在
使得多倍体后代拥有广泛的倍性变异 自然发生的
落 叶松 多倍 体 主要为 育苗 圃 中的幼 苗 (A huj a ,
20 5) , 而自然界生长的多倍体则多来自于西伯利
亚等地的恶劣环境中的落叶松研究 (M IL Y U N et
al .,2(X 抖 ;M o tova et al ., 2(X) 8)西伯利亚 N orilsk 和
Krasno yars k 地区的西伯利亚落叶松 (肠 rix si bi rica
此de b. ), 由于放射性气体排放物的影响 , 染色体存
在广泛的变异 , 现已发现三倍体和四倍体各一株
同样地 , 在泰米尔半岛上的西伯利亚落叶松及苏氏
落叶松(L . suk ar ze wi i)中也发现类似结果圈 ,其染色
体数 目变化更为广泛(Zn二21,23,25 ,26 ,27, 36 ,45)
1.2 人工诱导的多倍体
人工诱导的针叶树多倍体主要集中于松科植
物阴 ,包括赤松 黑松 云杉 和落叶松 研究最多 , 时
间跨度最大的是落叶松 从上个世纪四十年代开
始 , 育种学家对落叶松多倍体人工创制进行了广泛
的探索 , Johnssonl27], ILLIESt龙]等分别用秋水仙素对
落叶松种子萌发进行连续的诱导实验 ,这些秋水仙
素诱导的落叶松与未处理的二倍体产生子 1 代和
子一代回交所得到的子 2 代中包含二倍体 三倍
体 四倍体以及大量嵌合体 多倍体产生的子代表
现出染色体数 目多样性是由于减数分裂混乱产生
非整倍体性细胞造成的 ,使得它们的后代出现及其
丰富的染色体变异 同时 ,这些植株不稳定的染色
体数目减数分裂异常 ,表现出高度不育和种子萌发
率极低 虽然个别植株表现出优良的生长形状 , 但
扦插极难生根和组织培养困难使得这些优 良的多
倍体未能得到繁殖
2 多倍化在针叶树进化中的作用
近年来 , 研究显示了一个事实 , 植物 自身基因
重组事件反复发生普遍存在于自然界中 ,杂交与多
倍体化是推动植物进化的主要动力之一 针叶树中
也发现了基因组多倍化的证据 ,但超大基因组的形
成仍需跟多的研究
2.1 针叶树的进化 中基 因组加倍事件
自从拟南芥等模式生物的基因组 DN A 全长序
列测序完成之后 , 从 D N A 序列水平分析植物倍性
变化在物种进化中的作用有了一个直观的认识 多
倍化和基因组重组在物种的进化中起到非常重要
的作用 ,从基因组序列来看 , 拟南芥是一个古二倍
吐物技术通稚 丑如 几肋甸盯 2 (兀旧 年增 刊
体(pal eo po lyP loi d) , 它在进化过程中至少经历过两
至三回的多倍化事件口]; 通过序列比对来分析亲缘
关系的实验中同样发现水稻和玉米等谷类植物在
物种进化和形成中不断的出现多倍化事件l] 针叶
树的进化和形成是否也经历了多倍化事件一直备
受科学家的关注 M as a liro Hi zum e 等 (2 0 2) 通过
LP D (肠 rix Prox im al DA PI ban d spe c讯e re pe at se -
qu en ce fa nlily )的基因组定位分析 , 发现这个重复序
列家族大量的存在落叶松的基因组中 ,但在其他的
松科植物基因组中并未发现该序列国 , 因而认为落
叶松基因组在物种形成后有大规模的基因组 D NA
序列重复的形成 但是 , 目前仍无法解释松科植物
庞大基因组(25 1拟) M b 左右)形成的机制 火炬松
全基因组 DN A 序列测定正在进行 , 从全基因组序
列分析针叶树进化中是否存在基因组多倍化即将
成为可能
2. 2 针叶树多倍体为什么如此稀少
自然界中很少有多倍体针叶树 , 人工诱导的多
倍体通常表现为矮小 , 生长缓慢 , 研究者产生了怀
疑 :多倍体对于速生针叶树良种的选育是否有重要
的价值和意义? 对此 DA RLIN GT 0N( 1947 )提出 , 针
叶树和百合以及贝母属植物超大染色体和细胞质
比例达到了完美状态 , 而针叶树更是达到了这种状
态的上限 , 任何染色体及倍性的变化都是不利的
K H O SH 0 ol 划总结了针叶树的生殖特征提出 ,所有
针叶树是一个高度杂合的物种 ,所有的杂种多倍体
后代或多或少表现为同源多倍体或序列异源多倍
体 因而导致了针叶树减数分裂过程 中有更多的交
叉互换以及染色体配对异常 , 比其他植物有更高比
例的不育 除此之外针叶树不存在双受精(ab sen ce
of doub1e fe rti hzati on in eon ife I8 )和生态种间显著差
异 (eeos钾eifie d硫 rentiation of eo fe r sPe eies)l,71也
被认为是造成针叶树难以形成多倍体的因素
3 针叶树多倍体的未来
植物多倍体获得的途径包括 2n 配子诱导 , 组
织细胞离体培养物理化学诱变 天然多倍体的筛
选 胚乳培养及细胞融合植株再生和不同倍性植株
间杂交等几个途径 在林木倍性育种中 , 目前已成
功利用细胞融合之外的所有技术 , 获得了多倍体杨
树 桑树 桦木 刺槐等多种阔叶树多倍体优良品种
13 1利用已有的技术体系以及适合针叶树独特的技
术 ,诱导多倍体是针叶树多倍体研究利用的关键
3.1 针叶树多倍体研究存在的问题
尽管近一个世纪以来 ,育种学家在多倍体育种
方面取得了巨大的成就 , 在林木中大量多倍体被成
功诱导 针叶树中人工诱导的赤松 日本柳杉和落
叶松等树种的多倍体生长缓慢 个体矮小 高度不
育 ,不体现营养生长上的优势 ,他们的种子极难萌
发很难大量获得实生苗 , 且极不稳定无法应用于生
产117, 32] 迄今为止 , 只有部分三倍体和四倍体优良
日本柳杉品种应用于实际生产的报道 这主要是针
叶树多倍体材料无法大量获得 ,缺少倍性育种的材
料是目前落叶松倍性育种研究的主要的障碍13 , 没
有多倍体材料就无从谈起相应的探索
3. 2 天然多倍体针叶树繁殖策略的提示
目前发现有大量天然分布的多倍体针叶树树
种只有北美红杉和智利柏两个种 两者的共性减数
分裂过程中同源染色体配对混乱造成的 , 因而多倍
体很难得到有性生殖的后代 但他们都具有分集能
力 ,红杉根部分雍能力极强 , 而智利柏只有较嫩的
根基才能分雍 ,并随着树龄的增加 ,分集能力逐渐
消退 34 ] 极强的分萦能力使它们保持多倍体性状
并经历数百万年的演化 这个我们一个重要的提
示 ,针叶树多倍体的存活以及优势种群的形成主要
依赖于无性繁殖 , 因此针叶树多倍体优树的培育必
须借助人工诱导筛选和无性繁殖
3. 3 针叶树多倍体在遗传育种中的应用
遗传育种的任务是选育和繁育遗传品质得到不同
程度改良的繁殖材料尿 终选育优良品种针叶树多倍
体良种选育应用和研究工作已经在日本柳杉 (C ry ptom e-
riaj aponi ca)中取得较好的发展 菊池秀夫等阅从日本柳
杉优树中检测到了大量的多倍体无性系 ,其中三倍体和
四倍体分别占无性系总数的7.中并和 0.7% , 这些多倍体
具有营养生长的优势 , 目前通过人工无性繁殖已经大量
应用于实际生产 同时部分三倍体柳杉产生的花粉所含
的 Cry j l和 Cry j Z两种蛋白量很低脚 ndo 19 句,这两
种蛋白是引起花粉病的过敏原 ,是困扰敏感人群的一个
严重的季节性疾病的诱因通过无性繁殖的途径进行速
生种质保存和应用 ,培育低过敏原和不含过敏原的柳杉
对人类生活质量的改良有很大的现实意义
2 X为 年 增 刊 张清国等 :针叶树多倍体及其在遗传育种中的应用研究
3. 4 针叶树多倍体研究展望
多倍体以加倍 自身染色体数 目为 目的 ,具有基
因安全 操作性强 目的明确 ,有别于常规育种和分
子育种的随机性 , 因此多倍体育种是最安全 最有
效的诱变育种途径 ,是依据 自然规律促进物种进化
及良种选育良性循环的一个重要途径 多倍体研究
已不再集中于草本模式生物而向林木中迅速延伸
国 优良多倍体新种质在多个树种中获得 , 但并非
所有多倍体都表现超常性状 , 营养生长仅有三倍体
普遍存在超亲现象(康向阳 , 20 3) 针叶树是否也只
有三倍体存在超亲的可能 ? 柳杉的基因组大小仅
n X叉)M bl刘, 三倍体 四倍体柳杉与拥有 20 (X X M b
左右的基因组大小是否有关联 ? 美洲红杉拥有的
31 so M b 的基因组规模是否是针叶树核质均衡
的上限? 大部分针叶树基因组大小约为 20 X ) M b
侧 ,值得我们去探索三倍体的性状和表型 自然界
中不断的发生以及人工诱导的稳定多倍体针叶树 ,
给我们提供极为重要的启示 目前较为成熟的多倍
体人工诱导技术及不断完善分子学研究技术让我
们研究多倍体更为容易 也让我们看到了理解确定
多倍体在针叶树遗传进化中的作用及地位的希望
总结已有的多倍体研究 , 借鉴现有的成功研究例子
应用到针叶树多倍体研究中成了一个必然趋势 , 基
于针叶树成熟的体细胞胚胎发生技术刚 , 以及不断
完善的染色体加倍技术 , 通过大规模的多倍体体细
胞胚胎发生和植株再生途径将成为获得针叶树多
倍体的一个重要途径之一 同时不断完善无性繁殖
的人工技术体系对多倍体材料种质保存和规模化
生产有重要的现实意义 大量多倍体植株的获得 ,
将建立起多倍体生理遗传研究的技术平台 为选育
优良品种提供选育材料 推动林木生物技术萦殖与
育种的快速发展 证实针叶树多倍体基因互作及在
物种进化中都具有重大的理论研究及应用价值
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性物被术趁橄云白妞 几肋枷盯 B 川物如 2(X 刃 年 增 刊
2 展望
综上所述 ,弧菌的感染和致病是由多种治病的
毒力因子相互协同作用而产生的结果 毒力因子的
发现使我们更进一步的了解了弧菌的致病机制 ,也
认识到弧菌在进化过程中形成的毒力具有很复杂
的特点 , 及时深人的研究毒力基因 ,对研制更有效
的方法来治愈弧菌病具有很好的帮助 目前 , 在国
内海水鱼类的养殖过程中 ,频繁使用抗生素使致病
菌产生耐药性 ,其耐药质粒在弧菌之间的水平传播
给鱼病防治工作带来新的挑战 到目前为止还有一
些弧菌没有彻底阐明其致病机理 ,所以对弧菌的毒
力因子还有待进一步的研究 ,并在此基础上可以探
索和研发弧菌的毒力因子的有效疫苗 ,从而可以为
水产养殖业预防和控制感染性弧菌病提供可靠的
防治途径
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