全 文 ：植物学通报 2005, 22 (6): 641~647
Chinese Bulletin of Botany
①通讯作者。Author for correspondence. E-mail: mingyin.li@rz.hu_berlin.de
收稿日期: 2005-01-26 接受日期: 2005-05-09 责任编辑: 白羽红
植物遗传嵌合体及其在观赏植物育种中的应用
李明银① 何云晓
(绵阳师范学院生命科学与工程系园林科学研究所 绵阳 621000)
摘要 植物嵌合体是由2种或者2种以上遗传型细胞组成的特殊的植物结构, 它在西欧国家观赏植物产
业中发挥着非常重要的作用。本文根据有关资料及作者在德国柏林洪堡大学园艺科学所多年的研究结
果,着重介绍了植物嵌合体的概念及形成机理、植物嵌合体的分类以及植物嵌合体繁殖中的特点,植物
嵌合体的作用, 并简要地讨论了其在植物育种中的生产开发和利用问题。
关键词 天竺葵, 嵌合体, 异倍型嵌合体, 细胞转移, 细胞突变, 试管培养, 异花异色株
Plant Chimeras and Application in the Breeding of the
Ornamental Plant
LI Ming-Yin① HE Yun-Xiao
(Department of Life Sciences and Engineering, Mianyang Normal University, Mianyang 621000)
Abstract The plant chimera contains at least 2 different genotypes in the shoot apex of plants
and plays an important role in the ornamental plant market in Europe. This review of the literature
and investigations at the horticultural science institute of Humboldt University of Berlin covers
the definition, theory of formation, important characteristics, classification and function of the
plant chimera and its application in the breeding of ornamental plants.
Key words Pelargonium zonale, Plant chimera, Cytochimera, Layer translocation, Cell
mutation, In vitro culture, Mixed flower
综 述
众所周知, 淀粉植物、蛋白质植物以及
油料植物可以提供生物能源, 以满足人们物质
生活的需要, 而观赏植物则具有赏心悦目的
色、香、形 , 可以满足人们精神生活的需
要。观赏植物产业在发达国家的农业中占有
非常重要的地位。2002年, 荷兰观赏植物栽
培仅占全国园艺种植面积的4%左右, 但观赏
植物产业却创造了30亿欧元的价值, 占荷兰园
艺总产值的一半以上, 从业人员在10万以上。
以色列每年仅向欧洲出口花草价值就高达2.5
亿欧元。
植物嵌合体极具观赏价值, 已被西欧国家
广泛研究和利用, 并在观赏植物市场的开发和
利用中发挥着前所未有的重要作用。但在中
国等亚洲国家, 对植物嵌合体的研究、开发
和利用则未见报道。中国植物资源丰富, 种
类繁多, 在市场全球化的今天, 观赏植物的开
发和生产具有十分广阔的前景。因此加强植
642 22(6)
物嵌合体的研究, 促进其开发利用, 具有十分
重大的意义。
1 植物嵌合体的概念及形成机理
植物嵌合体 (plant chimera)是指含有2种
或者 2 种以上遗传型的植物组织或植物个
体。 B a u r ( 1 9 0 9 )对黄边绿心型天竺葵
(Pelargonium zonale) 植物进行了详细的研究,
发现其生长点原基 (shoot apical meristem,
SAM)、茎秆、叶柄和叶均由 2种遗传型细
胞有规律地组成, 遂称之为植物嵌合体。在
此基础上, 经进一步研究,形成了植物嵌合体的
基础理论, 为植物嵌合体的应用及奇花异草的
育种提供了依据。
Romberger 等 (1993)和Simon (2001)指出,
大多数双子叶植物的生长点原基由 3层相互
独立的细胞组成 (图1), 其中不同层次的细胞
的分裂取向是不同的。最外 2层细胞(第 1层
(L1)和第2层(L2)) 被称为‘tunica’, 该细胞实行
垂周分裂, 进行平周扩展, 故各层次细胞的遗
传型得以保持不变。而内层细胞(第3层(L3))
被称为‘corpus’, 其实行平周分裂,进行多向扩
展。第 3层细胞实际上不是一个单一的细胞
层, 而是由一个层次不分明的细胞群组成。
这一规律被称为 tunica-corpus理论。因此,
当植物生长点的某一细胞, 在植物生长的过程
中发生突变时(植物细胞突变通常为单细胞行
为), 变异细胞就只能被限制在其原始层区内进
行繁殖和生长, 从而导致其所在的层区或部分
细胞成为变异体。这种变异细胞和未突变的
正常细胞可以形成一个共同的植物生长点原
基, 进而形成特有的植物嵌合体现象。
Stewart 和 Dermen(1979)及 Carles 和
Fletcher(2003) 对植物嵌合体的研究结果指出,
植物的生长点原基(SAM)的第1层细胞发育成
植物的表皮组织、毛及气孔细胞, 同时决定
植物的表现花色; 第2层细胞发育成植物栅栏
组织和生殖细胞组织(花粉和卵细胞), 因此植
物种子由第2层细胞发育而成, 第2层细胞也
可同时影响花色的表现, 第3层细胞则发育成
植物内层薄壁组织及形成扦插植物的根, 同时
也影响花序及花数。
2 植物嵌合体的分类
2.1 根据结构分布分类
2.1.1 平周型嵌合体(periclinal chimera) 此
类型指不同的遗传型细胞平周(与表面平行)分
布于生长点原基的不同层次的嵌合体 (图
2A)。平周型嵌合体内外不一, 但相对稳定。
故常见栽培的植物嵌合体均为平周型。
Bergann和Bergann (1962)又将平周型嵌
合体分为单层式、双层式和三层式。单层式
是指只有一层细胞发生变异者。双层式则指
二层细胞发生变异者。三层式是指所有的三
层细胞遗传型互不相同者。其中以三层式嵌
合体植物最为少见。
2.1.2 扇区型嵌合体(sectorial chimera) 此
类型是指不同的遗传型细胞呈扇区分布于生
长点原基不同区域的嵌合体(图2B), 从而形成
左右相异的阴阳脸型。扇区型嵌合体很不稳
定, 容易因某一基因型的消失而纯化, 失去其
嵌合性。
2.1.3 混合型嵌合体 (mericlinal chimera)
此类型指不同的遗传型细胞平周分布和扇区
分布混合于同一生长点原基的嵌合体 (图
2C)。 混合型嵌合体只是一种过渡类型, 容易
发展成平周型。
图 1 植物生长点结构分层和发展方向示意
Fig. 1 Constitution and development of the cell
layers in plant shoot apical meristem
6432005 李明银等: 植物遗传嵌合体及其在观赏植物育种中的应用
2. 2 根据标记特点分类
2.2.1 异花型嵌合体 此类型是指植物的花
具不同颜色或不同形状者(图 2D)。常见的异
花型嵌合体以异色型居多, 如红 -白型和白 -
黄型等。异色花系由花青素突变形成。异
形花多为细胞突变而导致花瓣组织结构变形
造成的。
2.2.2 异叶型嵌合体 此类型是指植物的叶
具有不同颜色或不同形状者(图2E)。常见有:
由质体突变形成的异色(绿, 白, 黄)叶型; 或
因突变细胞生长受阻而造成组织结构部分
变形而形成皱 -平叶型等。其中以质体突变
形成异色型 (如绿 -白型和绿 -黄型)最具观
赏价值。白色表皮层或绿色的表皮层无法
从叶片的色泽上予以分辨。由于植物叶缘
表现第 2层细胞特征, 叶心则显现第 3层细
胞特征, 故绿 -白型又有白边绿心及绿边白
心之分。
2.2.3 异倍型嵌合体(cytochimera) 此类型
是指植物生长点原基由染色体倍数不同的细
胞 组 成 的 嵌 合 体 。 在 天 竺 葵 小 宝 贝
(Pelargonium zonale ‘Kleiner liebling’)中, 我
们先后发现并鉴定得到单倍 - 双倍 - 双倍、
双倍 -单倍 -单倍和四倍 -单倍 -单倍型嵌
合体。异倍型嵌合体在外观上与非嵌合体
无多大差异, 故无多大观赏价值, 但在研究
不同染色体倍数细胞间的信息传递上具有
重要的作用。
3 植物嵌合体的特点
3.1 不稳定性
部分植物嵌合体是不稳定的, 在繁殖过程
中常出现新的植株类型。其形成机理通常表
现为细胞类型的转移、分离和消失。
3.1.1 细胞类型转移 根据Marcotrigiano
和Bernatzky (1995)及笔者的研究①发现, 当嵌
① Li MY (2005) Anatomical, cytological and histo-
logical investigation of somatic variability of the muted
clone of Pelargonium zonale ‘Kleiner Liebling’. PhD.
Thesis, Humboldt University of Berlin, Berlin (http: //
edoc.hu-berlin.de/dissertationen/li-mingyin-2005-03-
08/PDF/Li.pdf)
图 2 常见的植物嵌合体类型
A.平周型嵌合体(绿 -绿 -白); B. 扇区型嵌合体(绿 -白); C. 混合型嵌合体; D. 天竺葵异花型嵌合体; E.
天竺葵异叶型嵌合体
Fig. 2 Common types of the plant chimeras
A. Periclinal chimera in type of green-green-white; B. Sectorial chimera in type of green-white; C. Mericlinal
chimera; D. Pelargonium zonale with mixed flowers; E. Pelargonium zonale with mixed leaves
644 22(6)
合体内个别具有分裂能力的细胞分裂方向发
生改变时, 可引起嵌合体内细胞类型的转移, 从
而形成新的嵌合体类型。转移包括穿突、侵
入和交换3种不同的方式 (图3)。细胞穿突指
内层细胞(第2和3层)穿突而进入外层并继续
增殖形成新的嵌合体(图3A); 细胞侵入指外层
细胞侵入内一层而发展形成新的嵌合体(图
3B); 细胞交换指相邻不同遗传型细胞层交换位
置而发展形成新的嵌合体(图 3C)。细胞类型
的转移与细胞的遗传性及生长竞争力强弱有
关(Swartz, 1991)。对某些天竺葵的研究发现,
绿色的正常细胞生长势强于突变而成的白色
细胞(Hagemann and Scholze, 1974)。笔者在
天竺葵Mrs Pollock品种的研究中发现, 绿色
的正常细胞和突变的白色细胞的生长竞争力
相近,其转移方向与细胞所处的环境有关。
3.1.2 分离 植物嵌合体实质上是一种混合
体, 故在繁殖过程中可分离纯化成为具单一遗
传类型的枝芽, 从而形成具不同遗传类型的连
体植株(图 2D, E)。
3.1.3 消失 由于种子是由第2层细胞发育
而成的, 故植物嵌合体的嵌合性状会通过种子
繁殖而失去, 因此嵌合体只能通过非种子的无
性繁殖(如扦插, 地下茎)以保持其嵌合性。
3.2 表现型的互作效应
虽然在嵌合体中, 不同遗传型细胞间相互
独立, 无遗传物质交换, 但在不同遗传型的相
邻细胞间, 可以进行信息传递 (Sessions et al.,
2000; Burge et al., 2002), 进而在生理上相互影
响或表现互作中间效应, 或产生生长受阻现
象。在红 -白异花型小宝贝嵌合体植株中, 我
们观察到过渡型的粉红色花瓣。这种过渡型
花瓣呈明显的白边红心。即粉红色可能是因
第3层的红色透过白色的第1和2层细胞使其
色度减弱而形成的。
3. 3 染色体倍数测定的复杂性
由于在植物异倍型嵌合体内, 不同层次的
细胞具有不同的染色体数。因此利用根尖及
植株生长点压片测定其染色体倍数的传统方
法, 不适合测定嵌合体内相应层次细胞染色体
倍数。因为不同层次的细胞通过压片会混合
在一起而难以区分其层次。常用的测定方法
是根据不同层次细胞生长发育规律, 比较其相
应衍生细胞的大小或细胞核数目的多少, 间接
估定各层细胞的染色体倍数。其中表皮层细
胞(气孔细胞)可标定第1层染色体倍数, 花粉
细胞可标定第2层染色体倍数, 不定根细胞则
图 3 常见的植物嵌合体的变异中细胞转移模式
A. 细胞穿突; B. 细胞侵入; C. 细胞层位置交换
Fig. 3 Common modes of the layer translocation
A. Cell replacement of the white L3 cell into L2; B.
Cell displacement of the white L3 cell into under
layer; C. White cell and green cell layers in L2 and
L3 change each other
6452005 李明银等: 植物遗传嵌合体及其在观赏植物育种中的应用
可标定第 3层染色体倍数。
笔者在天竺葵嵌合体中的研究①表明, 利
用生长点及相应组织切片, 可以直接确定各层
次细胞的染色体倍数。常用的切片方法有冷
冻法和包埋法。而利用甲苯胺蓝染色, 不仅
可以测定细胞的染色体数, 而且可以观察到细
胞及其染色体的分裂过程。
4 植物嵌合体的作用
4.1 增加植物品种的异样性
Huala 和Sussex (1993) 观察发现, 嵌合体
植物的不同遗传型细胞在生长发育过程中, 通
过分裂和转移可以形成多种新的植物嵌合体
类型, 从而增加植物的花色品种。以绿 -白型
平周分布嵌合体为例, 通过细胞转移重组可以
形成23种不同的遗传型组合, 产生4种不同的
表现型(图4): 绿色(L1)-白色(L2)-白色(L3)及白
色(L1)-白色(L2)-白色(L3) 植株呈现白色; 白
色 -绿色 -绿色及绿色 -绿色 -绿色呈现绿色;
绿色-白色-绿色及白色-白色-绿色呈现白色
边绿色心; 绿色 -绿色 -白色及白色 -绿色 -白
色呈现绿色边白色心。
4.2 形成异色花及异型叶等奇异的稀有植
物
在天竺葵植物繁殖研究中, 我们先后从多
重标记嵌合体中得到:红-白姊妹花型植株(图
2D)、红花 -白花 -粉红花型植株和花叶 -黄
叶型植株(图 2E)。
图 4 平周型嵌合体变异中不同的遗传组合及植株表现型模式
A. 绿 -白 -白呈白色; B. 白 -白 -白呈白色; C. 绿 -绿 -白呈绿边白心; D. 白 -绿 -白呈绿边白心; E. 绿 -
白 -绿呈白边绿心; F. 白 -白 -绿呈白边绿心; G. 白 -绿 -绿呈绿色; H. 绿 -绿 -绿呈绿色
Fig. 4 Schematic drawing of genotypes and it’s phenotypes of the different variantes of periclinal
chimeras with green and white cell by three layer’s plant
A. Green-white-white periclinal chimera shows phenotype with white plant; B. White-white-white
periclinal chimera shows phenotype with white plant; C. Green-green-white periclinal chimera
shows phenotype with green margin and white inne in leaf; D. White-green-white periclinal chi-
mera shows phenotype with green margin and white inne in leaf; E. Green-white-green periclinal
chimera shows phenotype with white margin and green inne in leaf; F. White-white-green periclinal
chimera shows phenotype with white margin and green inne in leaf; G. White-green-green periclinal
chimera shows phenotype with green plant; H. Green-green-green periclinal chimera shows phenotype
with green plant
① Li MY (2005) Anatomical, cytological and histological investigation of somatic variability of the muted
clone of Pelargonium zonale ‘Kleiner Liebling’. PhD. Thesis, Humboldt University of Berlin, Berlin (http://
edoc.hu-berlin.de/dissertationen/li-mingyin-2005-03-08/PDF/Li.pdf)
646 22(6)
4.3 进行植物生理学研究
在植物生理学领域里, 可以利用嵌合体
植物, 对不同遗传型细胞组织间的信息交换
特点、生理化学互作效应及生理物质储存
区所在 (Szymkowiak and Sussex,1996)进行
深入研究。
4.4 进行抗病抗虫研究
对无性繁殖及多年生植物,可利用遗传型
不同的细胞在嵌合体异层中的共存性,合成表
层(第 1层)抗病抗虫、内层(第 2和 3层)优质
的无性繁殖农作物品种(如马铃薯 Solanum
tuberosum和红薯 Ipomoea batatas等)和多年
生的水果, 以解决抗病抗虫与优质的矛盾。
5 植物嵌合体的形成方法
5.1 人工合成嵌合体
利用不同遗传类型的植物进行嫁接, 嫁接
面上的异型细胞可以生成嵌合体; 或利用不同
遗传类型的细胞及愈伤组织进行混合培养, 以
及将具不同遗传型的原生质体进行融合培养,
其不同遗传型组织都可以形成一个生长点原
基, 从而生成嵌合体植株(Marcot r ig iano ,
1990)。
5.2 细胞变异形成嵌合体
一般说来, 植物嵌合体是植物组织器官在
发育过程中, 具有分裂功能的体细胞发生突变
而形成的(Marcotrigiano, 1997; Pohlheim,
2003)。细胞突变能否形成嵌合体与突变细胞
所处的位置和突变发生的时间有关(Bowman
and Eshed, 2000)。如果突变不是发生在顶端
生长点的分生细胞 , 而是发生在某一器官
(organ)的发育过程中, 则只能形成嵌合型器
官。秋水仙精等化学处理或光、热等物理处
理以及自然环境的变化, 都可促使部分细胞突
变, 从而生成植物嵌合体。细胞的突变可能
性与遗传物质载体,即染色体的排列和遗传基
因的特性有关。因此在相同的生长条件下,
有些植物种比较容易产生突变, 有些植物种则
不容易产生突变。而突变细胞和非突变细胞
的生长竞争力则是能否形成嵌合体的重要原
因。如果细胞的分裂繁殖及生长竞争能力因
突变而未减弱, 则突变细胞容易增殖而形成嵌
合体, 否则难以形成嵌合体。由突变而形成
的初级嵌合体多为混合型嵌合体。
5.3 杂交分离
Hagemann 和 Scholze(1974)、Tilney-
Bassett等(1992)利用不同遗传型的天竺葵科植
物进行杂交, 从而得到具有不同基因型的混合
型生殖细胞。而不同基因型的混合型生殖细
胞, 在生长发育过程中也能生成嵌合体植株。
5.4 嵌合体组织培养
Norris等(1983)在实验中发现, 嵌合体中
不同层次的细胞在培养过程中可以共同发育
成一个生长原基, 从而实现母体型嵌合体的复
制。我们利用天竺葵绿 -白型叶柄组织进行
试管培养, 不仅获得了母体型嵌合体, 还获得
了不同于母体组织类型的新型嵌合体植株(Li,
2005)。但在大多数情况下, 组织培养获得的
嵌合体株率是很低的。
5.5 转基因细胞的培养
利用病毒、电导或基因枪击等方法, 可
将不同遗传基因导入植物细胞内, 形成具不同
遗传基因的源细胞。然后可根据需要, 将不
同的源细胞进行融合或混合在一起, 制成细胞
混合体, 再进行试管培养, 也可形成各种各样
具嵌合体结构的嵌合体植株(而非嵌合结构植
株是转基因株)。细胞基因转移的目的在于增
加不同遗传型细胞的来源, 以便有目的地改进
嵌合体的性状, 提高嵌合体的利用价值。
致谢 本文所涉及笔者研究工作得到了德
国柏林洪堡大学 Pohlheim教授和 Plashil博
士的支持, 胥文诗女士对本文的写作提出
了有益的修改意见, 在此一并表示感谢。
6472005 李明银等: 植物遗传嵌合体及其在观赏植物育种中的应用
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