全 文 :园艺学报,2015,42 (12):2505–2511.
Acta Horticulturae Sinica
doi:10.16420/j.issn.0513-353x.2015-0649;http://www. ahs. ac. cn 2505
四倍体黑芥的获得与鉴定
张巍巍 1,刘富强 3,轩淑欣 2,冯大领 1,张成合 2,*,申书兴 2,*
(1河北农业大学生命科学学院,河北保定 071000;2 河北农业大学园艺学院,河北保定 071000;3 保定市农业科学
研究院,河北保定 071000)
摘 要:以黑芥为材料进行了同源多倍体的诱导和鉴定研究。结果表明,用 0.1%秋水仙素药液处理
黑芥籽苗生长点 24 ~ 72 h 均可诱导获得多倍体植株,其中处理 48 h 的诱导效果最好,四倍体株率达
73.33%。四倍体黑芥长势良好,叶片和花变大,叶柄变短,叶色和花色变深,开花期较二倍体晚 2 ~ 3 d。
四倍体黑芥能正常开花散粉,但结籽率较低,仅为 13.83%。
关键词:黑芥;四倍体;秋水仙素
中图分类号:S 63 文献标志码:A 文章编号:0513-353X(2015)12-2505-07
Obtaining and Identification of Tetraploid Brassica nigra
ZHANG Wei-wei1,LIU Fu-qiang3,XUAN Shu-xin2,FENG Da-ling1,ZHANG Cheng-he2,*,and SHEN
Shu-xing2,*
(1College of Life Science,Agricultural University of Hebei,Baoding,Hebei 071000,China;2College of Horticulture,
Agricultural University of Hebei,Baoding,Hebei 071000,China;3Baoding Academy of Agricultural Sciences,Baoding,
Hebei 071000,China)
Abstract:Inducing tetraploid plants is an effective way to overcome the infertility of distant
hybridization. In the present paper,tetraploid inducing and identification of Brassica nigra were conducted.
The results showed that treating the seedling apexes of B. nigra with 0.1% colchicine solution for 24–72
h,the tetraploid plants were induced,in which the treatment for 48 hours achieved the highest percentage
(73.33%)of tetraploid plants. The tetraploid plants grew and developed normally,their blades and
flowers were obviously larger than those of diploid plants. The anthesis of the tetraploid plants was about
2–3 days later than the diploid plants. The seed setting of tetraploid plants was only 13.83%.
Key words:Brassica nigra;autotetraploid;colchicine
黑芥(Brassica nigra,2n = 2x = 16)是十字花科芸薹属的 1 个基本种,基因组为 B,染色体基
数 x = 8。黑芥具有极强的抗逆性和抗病性,特别是对根肿病和黑茎病等具有良好的抗性,而根肿病
和黑茎病是严重危害花椰菜、甘蓝、大白菜等芸薹属栽培蔬菜的主要病害。芸薹属有 A、B、C 3 个
基因组,其染色体基数分别为 x = 10、x = 8 和 x = 9。据研究,3 个基因组间存在着不同程度的亲缘
关系(Armstrong & Keller,1981;Song et al.,1988),这使经由种间杂交和染色体工程等技术实现
收稿日期:2015–10–14;修回日期:2015–12–11
基金项目:‘十二五’农村领域国家科技计划课题(2012AA100202-5);农业科研杰出人才培养计划项目(2130106);国家自然科学基
金项目(31171964);河北省自然科学基金项目(C2014204135)
* 通信作者 Author for correspondence(E-mail:zhangchenghe06@126.com;shensx@hebau.edu.cn)
Zhang Wei-wei,Liu Fu-qiang,Xuan Shu-xin,Feng Da-ling,Zhang Cheng-he,Shen Shu-xing.
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其染色体重组或基因渗入成为可能。但在 A、B、C 基因组间进行种间杂交依然存在着一定程度的
生殖障碍,特别是 A 与 B 或 B 与 C 间尤为明显(Attia & Robbelen,1986;Chèvre et al.,1997)。人
工诱导四倍体,即利用人工诱导技术先将二倍体诱导成四倍体,然后在四倍体水平上进行种间杂交,
并对杂种幼胚进行离体培养,是克服这种远缘杂交不孕的有效方法(满红 等,2007;袁鹤 等,2008;
轩淑欣 等,2009)。目前芸薹属的许多蔬菜作物,如白菜(刘惠吉 等,2002)、大白菜(王子欣 等,
1992)、甘蓝(轩淑欣 等,2005)等,已通过人工诱导获得了同源四倍体,并经由四倍体种间杂交
获得了芥蓝—菜薹的种间杂种(任艳蕊 等,2009)。但黑芥多倍体的诱导研究迄今少见报道。本研
究旨在人工创建黑芥四倍体新材料,为通过远缘杂交和染色体工程等技术手段实现将黑芥抗根肿病
等有益基因导入大白菜等芸薹属蔬菜奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料及其诱导处理
供试材料为黑芥‘012-1’,由河北农业大学园艺学院遗传育种研究室提供。
2013 年 10 月中旬在日光温室播种,出苗后按 3 ~ 5 cm 的株间隔选留生长健壮、大小基本一致
的籽苗,待两片子叶展开时用小镊子去除真叶,露出生长点,然后将蘸 0.1%秋水仙素药液的脱脂
棉小球放置在生长点上,每天进行 1 次(下午 6:00),持续 1、2 和 3 d;每天进行 2 次:上午
8:00 放好后,下午 6:00 再放 1 次,持续 1、2 和 3 d。每次处理后覆盖塑料薄膜和遮阳网保湿遮
光。处理后 40 d 调查存活率,将存活植株移栽到阳畦越冬,翌年 2 月初定植于塑料棚室,常规管理。
1.2 诱导植株的染色体鉴定
DNA 相对含量测定参照吴雅琴等(2006)的方法。用美国生产的 Epics Altra 流式细胞仪进行测
定。DNA 相对含量峰值图由流式细胞仪及其计算机 PartecDPAC 软件自动生成。
对诱导植株的花蕾,用卡诺固定液固定,从小到大选择适宜的花蕾,涂片法制片,苏木精染色
液染色,Olympus BH-2 光学显微镜检测花粉母细胞的染色体数及染色体联会和分离行为,选择典型
清晰的图像照相。
将诱导植株的自交种子生根,待根长 1.0 ~ 1.5 cm 时切下根尖置于 0. 002 mol · L-1 的 8–羟基
喹啉药液中 20 ℃预处理 2 h,然后用卡诺液固定,常规压片法制片,PIHCH(丙酸—铁—水合三氯乙
醛—苏木精)染色液染色,Olympus BH-2 光学显微镜检测染色体数,并进行核型分析。
1.3 诱导植株的形态观察、特征与特性
于 2014 年 4 月 15 日各取 3 株诱导的四倍体及其二倍体植株,3 次重复,对其株高、叶片大小、
花冠大小、叶色、花色等形态学特征进行观察和测量。
取植株的倒数第 4 片叶,撕小块下表皮置载玻片上,加少许 1%的碘—碘化钾溶液,展平,加
盖玻片,在显微镜下用网格测微尺测量气孔密度,直线测微尺测量保卫细胞的大小,并观察保卫细
胞内的叶绿体数。
于 2014 年 4 月 15—5 月 15 日进行人工自交授粉,套袋隔离,成熟后统计坐荚率和结籽率。将
籽粒置玻璃杯中温水浸种 2 h,然后播入铺有双层湿滤纸的培养皿中,每皿 30 粒,重复 3 次,置恒
温培养箱中(25 ℃)培养。统计萌发的籽粒数,计算萌发率。
张巍巍,刘富强,轩淑欣,冯大领,张成合,申书兴.
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2 结果与分析
2.1 秋水仙素的诱导效果
由表 1 可见,用 0.1%的秋水仙素蘸黑芥幼苗生长点,每天处理 1 次的染色体加倍株率与每天处
理 2 次的没有明显差异,连续滴蘸 1、2 和 3 d 均可获得四倍体植株,其中处理 2 d 的四倍体株率最
高,占存活株数的 73.33%;随着处理时间的增加,植株的存活率下降,且出现染色体二次加倍非整
倍体等现象,非整倍体的染色体数大多介于四倍体和八倍体之间。
表 1 籽苗生长点蘸秋水仙素的诱变效果
Table 1 Effect of treating days with 0.1% colchicine solution on chromosome doubling of B. nigra
处理天数/d
Treating days
处理株数
Number of
plants treated
存活株数
Number of plants
survived
存活率/%
Rate of plants
survived
2x 株数
Number of
diploid plants
4x 株数
Number of
tetraploid plants
4x 株率/%
Rate of tetraploidy
plants
1 25 19 76. 00 14 5 26. 32
2 25 15 60. 00 2 11 73. 33
3 25 8 32. 00 0 5 62. 50
2.2 诱导植株的倍性鉴定
花粉母细胞染色体数检测表明,诱导植株中
有二倍体(2n = 16)、四倍体(2n = 32)、八倍体
(2n = 64)和非整倍体等几种类型的植株。
表 2 四倍体黑芥的核型参数
Table 2 Karyotype parameters of B. nigra
染色体编号
No. of
chromosome
染色体相对长度/%
Chromosome
relative length
臂比 L/S
Arm ratio
L/S
染色体类类型
Chromosome
type
1 10.54 + 6.54 = 17.08 1.61 m
2 9.28 + 6.75 = 16.03 1.37 m
3 8.44 + 6.37 = 14.81 1.32 m
4 7.93 + 4.56 = 12.49 1.74 sm
5 6.16 + 4.72 = 10.88 1.31 m
6 5.53 + 4.26 = 9.79 1.21 m
7 4.56 + 4.39 = 8.95 1.04 m
8 6.75 + 3.25 = 10.00 2.03 sm(SAT)
注:长臂(L)+ 短臂(S)= 染色体长度。
Note:Long arm(L)+ short arm(S)= chromosome length.
核型参数见表 2。根尖细胞染色体数检测
表明,诱导的四倍体当代植株自交子代仍为四
倍体,核型与其二倍体亲本一致,均由 6 组中
部着丝点染色体、1 组近中部着丝点染色体和 1
组带随体的染色体组成(图 1)。
叶片细胞 DNA 相对含量(图 2)测定表明,
黑芥二倍体植株的细胞 DNA 相对含量为 50,
而四倍体植株的细胞 DNA 相对含量为 100。
图 1 黑芥二倍体(A)和四倍体(B)的核型
Fig. 1 Karyotypes of diploid(A)and tetraploid(B)B. nigra
Zhang Wei-wei,Liu Fu-qiang,Xuan Shu-xin,Feng Da-ling,Zhang Cheng-he,Shen Shu-xing.
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上述结果表明,经诱导获得的四倍体黑芥植株其细胞 DNA 均已进行了加倍,是倍性一致的四
倍体。
图 2 黑芥二倍体(2x)与四倍体(4x)的 DNA 相对含量
Fig. 2 Relative DNA content of diploid and tetraploid B. nigra
2.3 黑芥四倍体与二倍体的特征比较
由表 3 可见,四倍体的株高、叶柄长和花瓣长宽比均比二倍体减小,且差异达到极显著水平;
叶片、花冠和花瓣增大,且差异明显;叶片长宽比没有明显变化。此外,花和叶的颜色加深,开花
期晚约 2 ~ 3 d。荚的大小和形状与二倍体的差异不大,均为短小、扁圆形。
表 3 黑芥二倍体和四倍体植株的形态学特征
Table 3 Morphological characters of diploid and tetraploid B. nigra
倍性
Polyploid
株高/cm
Plant
height
叶片大小/cm
Size of basal
Leaf
叶片长宽比
Ratio of length to
width of basal leaf
叶柄长/cm
Petiole
length
叶面特征
Surface of
leaf
花冠大小/cm
Size of corolla
花瓣大小/cm
Size of petal
花瓣长宽比
Ratio of length to
width of petal
2x 205 a 27.54 × 17.51 b 1.57 a 22.50 a 光滑
Smooth
1.12 b 0.55 × 0.40 b 1.38 a
4x 195 b 29.53 × 22.50 a 1.31 a 18.53 b 光滑
Smooth
1.31 a 0.51 × 0.60 a 0.85 b
P < 0.05.
由表 4 可见,四倍体的叶片下表皮保卫细胞明显变大,保卫细胞内的叶绿体数几乎成倍增加,
而单位面积的气孔数则显著减少。
表 4 黑芥二倍体和四倍体的保卫细胞大小、气孔密度及叶绿体数
Table 4 Guard cell size and stoma density in leaf lower epidermis and chloroplast number in guard cells
of diploid and tetraploid B. nigra
倍性
Polyploidy
保卫细胞大小/μm
Size of guard cells
气孔密度/(个 · mm-2)
Stoma density
叶绿体数/保卫细胞
Number of chloroplast per guard cell
2x 9.70 × 7.10 b 260 a 6.50 b
4x 16.80 × 8.67 a 108 b 11.20 a
P < 0.05.
由表 5 可见,二倍体和四倍体黑芥的坐荚率均在 80%以上,但差异显著,四倍体的结籽率则很
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低,仅为 13.83%,远低于二倍体的 64.88%。此外,四倍体的种子萌发率亦明显地低于其二倍体。
表 5 黑芥二倍体和四倍体的结实性和种子萌发率
Table 5 Seed setting and seed germination rate of diploid and tetraploid B. nigra
倍性
Polyploidy
授粉花蕾数
Number of
pollinated bud
坐荚数/%
Number of pod
坐荚率
Pod setting
胚珠数
Ovule
籽粒数/%
Seed
结籽率/%
Seed setting
种子萌发率/%
Rate of seed
germination
2x 353 305 86.40 aA 12.53 aA 8.13 aA 64.88 aA 87.78 aA
4x 405 333 82.22 bB 10.27 bB 1.42 bB 13.83 bB 81.11 bB
2.4 四倍体黑芥减数分裂行为
对黑芥四倍体的减数分裂行为进行了观察。在减数分裂早前期,染色体细长如线相互缠绕在一
起,不能区分染色体的个数及联会形态(图 3,A);终变期,染色体缩短变粗,可见四价体、三价
体、二价体和单价体等联会形式(图 3,B),每个细胞中的四价体数不等,多为 4 ~ 5 个(表 6);
中期Ⅰ,二价体、三价体和四价体一般排在赤道面上,单价体则游离在赤道面周围(图 3,C);后
期Ⅰ,同源染色体分离,分到两极的染色体数除均衡的 16/16(图 3,D)条外,还有 15/17(图 3,
图 3 黑芥四倍体的减数分裂行为
A:细线期;B:终变期,示各种联会方式;C:中期Ⅰ,示二价体、四价体排在赤道面上,单价体游离在赤道面附近;
D:后期Ⅰ,示染色体为 16/16 分离;E:后期Ⅰ,示染色体为 15/17 分离;F:后期Ⅰ,示染色体为 14/18 分离;
G:后期Ⅱ,示染色体为 16/16/16/16 分离;H:后期Ⅱ,示染色体为 15/15/17/17 分离。
Fig. 3 Karyotypes and meiosis behavior of tetraploid B. nigra
A. Leptotene stage;B. Diakenises,showing different ways of synapsis;C. MetaphaseⅠ,showing bivalents and quadrivalents
collected on equator plate,and univalents in cytoplasm;D. AnaphaseⅠ,showing chromosome distribution of 16/16;
E. AnaphaseⅠ,showing chromosome distribution of 15/17;F. AnaphaseⅠ,showing chromosome distribution of 14/18;
G. AnaphaseⅡ,showing 16/16/16/16/16 chromosome distribution;
H. AnaphaseⅡ,showing 15/15/17/17 chromosome distribution.
E)和 14/18(图 3,F)等不均衡形式,其中以 16/16 为主,约占 65.33%(表 7);后期Ⅱ,姊妹染
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色单体分开,分到四极的染色体数可见 16/16/16/16(图 3,G)和 15/15/17/17(图 3,H)等分离形
式。
表 7 四倍体黑芥后期Ⅰ分到两极的染色体数及频率
Table 7 Numbers of chromosome in each pole of
PMCs at anaphaseⅠof tetraploid B. nigra
后期Ⅰ两极染色体数
Number of Chromosome
in AnaphaseⅠ
PMC
比率/%
Ratio
13/19 1 1.33
14/18 4 5.33
15/17 21 28.00
16/16 49 65.33
注:PMC:花粉母细胞。
Note:PMC:Pollen mother cell.
表 6 四倍体黑芥终变期四价体数及频率
Table 6 Numbers of quadrivalents in PMCs at
diakesis of tetraploid B. nigra
四价体数
Quadrivalent
PMC
比率/%
Ratio
四价体数
Quadrivalent
PMC
比率/%
Ratio
0 1 1.47 5 18 26.47
1 2 2.94 6 7 10.29
2 5 2.94 7 3 4.41
3 9 13.24 8 0 0
4 23 33.82
注:PMC:花粉母细胞。
Note:PMC:Pollen mother cell.
3 讨论
人工诱导多倍体是创建植物新种质或新类型的一个重要途径,也是植物育种的一个重要手段。
本研究中利用秋水仙素诱导黑芥籽苗生长点的方法,成功获得了黑芥的同源四倍体新材料,为黑芥
在大白菜等芸薹属蔬菜遗传育种上的应用奠定了基础。
植物多倍体一般表现为‘巨大型’等特征,本研究中获得的四倍体黑芥在叶片、花蕾、花瓣等
器官均比其二倍体的明显变大,但株高却略低于其二倍体,尤其是叶柄长度较其二倍体的明显变短。
植物同源四倍体,尤其是人工诱导获得的同源四倍体,其减数分裂行为远比二倍体的复杂,如
出现多价体联会、落后染色体、姊妹染色单体提前分离和染色体分配不均衡等,这也被认为是引起
植物同源多倍体育性降低的一个重要原因。本研究中黑芥虽然染色体基数相对较少(x = 8),但诱
导获得的同源四倍体同样存在着减数分裂比较紊乱的现象,如后期Ⅰ分到两极的染色体数除正常的
16/16 分离外,还有 15/17 和 14/18 等不均衡分离类型。观察表明,黑芥四倍体后期Ⅰ染色体数分配
均衡的花粉母细胞约占 65%左右,而其花粉生活力则可达 80%以上,显然一些含有不均衡染色体数
的花粉也具有生活力。
植物同源多倍体育性降低是一种常见的现象(轩淑欣 等,2009;刘富强 等,2013)。黑芥四倍
体的坐荚率与其二倍体没有明显差异,但结籽率却仅为 13.83%,远低于其二倍体的 64.88%。由于
黑芥四倍体的花粉量充足,花粉生力和结荚率均较高,因此引起其结籽率低的原因可能主要是胚胎
在早期发育过程中出现败育所致。
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