全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2008, 35 (12) : 1809 - 1814
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2008 - 08 - 06; 修回日期 : 2008 - 11 - 03
基金项目 : 国家科技支撑项目 (2006BAD13B06) ; 农业部 ‘948’项目 (20062G13) ; 中央级公益性科研院所基本科研业务费专
项 (082060302206) ; 农业部园艺作物遗传改良重点开放实验室项目3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: fy_zhuang@caas1net1cn)
同源四倍体胡萝卜的减数分裂行为观察
裴红霞 , 庄飞云 3 , 欧承刚 , 赵志伟
(中国农业科学院蔬菜花卉研究所 , 北京 100081)
摘 　要 : 以花药培养获得的同源四倍体胡萝卜 (2n = 4x = 36) 植株为试材 , 对其花粉母细胞减数分裂
行为进行观察 , 发现其与正常二倍体胡萝卜存在较大差异 : 前减数分裂间期及前期 Ⅰ部分花粉母细胞具有
多核仁现象 ; 终变期、中期 Ⅰ除二价体外 , 还观察到单价体及多价体联会形式 ; 中期 Ⅰ和中期 Ⅱ分别有
23100%和 32129%细胞存在一些染色体 (1～6条 ) 未排在赤道板上 ; 中期 Ⅰ染色体平均构型为 0186Ⅰ +
4101Ⅱ + 2199Ⅲ + 1189Ⅳ + 0181Ⅴ + 1109Ⅵ; 后期 Ⅰ、后期 Ⅱ均观察到落后染色体或染色体桥现象 , 以及
染色体分离多极化现象。由于其异常减数分裂行为 , 造成了四倍体胡萝卜的配子多样化 , 花粉畸形 , 育性
低。
关键词 : 胡萝卜 ; 同源四倍体 ; 减数分裂
中图分类号 : S 63112　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2008) 1221809206
M e iosis of Pollen M other Cells of Autotetraplo id Carrot
PE I Hong2xia, ZHUANG Fei2yun3 , OU Cheng2gang, and ZHAO Zhi2wei
( Institu te of V egetables and Flow ers, Chinese A cadem y of A gricultura l Sciences, B eijing 100081, Ch ina)
Abstract: Chromosomes behaviors of pollen mother cells ( PMCs) of autotetrap loid carrot ( 2n = 4x =
36) were observed using enzymes digestion technique. There were more than two nucleoli in about 4158%
PMCs at p remeiotic interphase and p rophaseⅠ. Besides bivalents, univalents and multivalents were observed
at diakinesis and metaphaseⅠ. Some chromosomes ( about 1 to 6) were found not to rank on the metaphase
p late in about 23100% PMCs at metaphaseⅠand 32129% PMCs at metaphaseⅡ, respectively. The average
chromosome configuration was 0186 Ⅰ + 4101 Ⅱ + 2199 Ⅲ + 1189 Ⅳ + 0181 Ⅴ + 1109 Ⅵ. Chromosome
lagging, chromosome bridge and sp indle m is2orientation were also observed. Abnormal chromosome behavior
of PMCs was reason for polymorphism of male gametophytes and lower fertility of pollen in autotetrap loid
carrot.
Key words: carrot; autotetrap loid; meiosis
胡萝卜属 (D aucus) 除了 D. g loch id ia tus Labill. (2n = 4x = 44) 和 D. m ontanus Humb. & Bonp l.
(2n = 6x = 66) 为多倍体外 , 其他种均为二倍体。栽培胡萝卜 (D aucus carota L. var. sa tiva DC. ) 是
野生胡萝卜种 (D aucus carota L. ) 的一个变种 , 基因狭窄 , 从野生种导入优良抗性基因一直是育种
者关注的问题。同源四倍体胡萝卜材料将为深入开展远缘杂交研究奠定良好基础 , 但国内外尚未见相
关报道。
本课题组通过多年花药培养试验 , 获得了同源四倍体胡萝卜材料 , 但其存在的花粉畸形、结实能
力低等问题 , 限制了材料的进一步利用。本试验中从细胞学水平上探讨同源四倍体胡萝卜花粉败育的
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原因 , 为进一步改善其育性提供理论依据。
1　材料与方法
试验所采用的原始二倍体胡萝卜材料 HCM A. C. , 由美国威斯康星大学 Philipp W. Simon教授提
供 , 本课题组通过花药培养获得了四倍体植株。
2007年 3月将四倍体种根移栽到中国农业科学院蔬菜花卉研究所试验基地 , 5月抽薹开花。上午
8: 00—10: 00取适宜大小的花序 , 用卡诺溶液 (无水乙醇 ∶冰醋酸 = 3∶1) 固定过夜 , 转至 70%酒
精 , 4 ℃下保存备用。
取出花药 , 蒸馏水清洗 3次 , 置于酶液 ( 4%纤维素酶与 1%果胶酶 , 用柠檬酸缓冲液溶解 ) ,
37 ℃水浴锅中酶解 120～150 m in, 再用蒸馏水清洗 3次 , 将花药从中部切开 , 用镊子轻轻挤压 , 采
用卡宝品红染色制片 , 在 ZE ISS显微镜 (Axioskop 40) 下观察并照相。每个分裂时期至少观察 100个
以上花粉母细胞 , 进行统计分析。
选择较大花序观察花粉的形态及其育性 , 采用醋酸洋红染色 , 盖上玻片 , 显微镜下观察并统计 ,
共观察 50个视野。
2　结果与分析
211　多核仁及多价体现象
在前减数分裂间期和前期 Ⅰ, 发现一些细胞出现两个或两个以上的核仁 (图版 , 1 ) , 细胞比例
达到 4158% , 另外一些细胞的核仁呈不规则形状 , 如三角形、短棒形 (图版 , 2)。
在双线期、终变期和中期 Ⅰ, 花粉母细胞除了含有二价体以外 , 均存在单价体及多价体 (图版 ,
3、4)。
中期 Ⅰ, 单价体占到总染色体数的 2139% (表 1)。终变期、中期 Ⅰ, 五价体数分别占到了总染
色体数的 11139%和 11125% , 六价体分别占 18100%和 18117% , 说明细胞内的非同源染色体之间存
在着广泛的部分同源联会。
中期 Ⅰ的染色体平均构型为 0186Ⅰ + 4101Ⅱ + 2199Ⅲ + 1189Ⅳ + 0181Ⅴ + 1109Ⅵ (表 1)。
表 1　同源四倍体胡萝卜花粉母细胞的终变期和中期Ⅰ的染色体构型
Table 1　Chrom osom e conf igura tion s a t d iak inesis and
m etapha seⅠ in autotetraplo id carrot
构型
Configuration
终变期 D iakinesis
平均数
Mean
number
比例 /%
Rate
中期ⅠMetaphaseⅠ
平均数
Mean
number
比例 /%
Rate
Ⅰ 0170 1194 0186 2139
Ⅱ 4103 22139 4101 22128
Ⅲ 2194 24150 2199 24192
Ⅳ 1196 21178 1189 21100
Ⅴ 0182 11139 0181 11125
Ⅵ 1108 18100 1109 18117
0181
　12期 裴红霞等 : 同源四倍体胡萝卜的减数分裂行为观察 　
图版说明 : 同源四倍体胡萝卜花粉母细胞减数分裂 ( 1～10) 及 n分体、花粉的不同类型 ( 11～16)
1. 前减数分裂间期 , 箭头所指示双核仁 ; 2. 粗线期 , 箭头所指示畸变核仁 ; 3. 终变期 ( a环状多价体 , b多价体 ) ; 4、5. 中期 Ⅰ
(4中 a多价体 , b环状多价体 , 5示赤道板外染色体 ) ; 6. 中期Ⅱ, 赤道板外染色体 ; 7. 后期 Ⅰ, 箭头示染色体桥 ; 8、9. 末期 Ⅱ
(8落后染色体 , 染色体不均等分离成多极 , 9染色体不均等分离成三极 ) ; 10. 后期Ⅰ, 不均等分离 , 一极染色体数为 16, 另一极染
色体数为 20; 11. 二分体 ; 12. 三分体 ; 13. 三分体 + 3微核 ; 14. 四分体 + 1微核 ; 15、16. 成熟花粉粒 ( 15长椭圆形 , 16左四
棱形 , 右小形 )。
Explana tion of pla tes: M e iosis of PM C s ( 1 - 10) and d ifferen t types of tetrads and pollen gra in s in autotetraplo id carrot ( 11 - 16)
1. Premeiotic interphase, arrow showing two nucleoli; 2. Pachytene, arrow showing abnormal nucleolus ; 3. D iakinesis ( a showing ring multiva2
lent and b showing multivalent) ; 4, 5. MetaphaseⅠ ( a showing multivalent and b showing ring multivalent in 4 and 5 showing the chromosomes
outside metaphase p late) ; 6. MetaphaseⅡ, showing the chromosomes outside metaphase p late; 7. AnaphaseⅠ, showing the chromosomes
bridge; 8, 9. TelophaseⅡ (8 showing lagging chromosomes and chromosome multi2polarization and 9 showing tri2polarization) ; 10. AnaphaseⅠ,
showing unequal separation; 11. A p rimary type of diad having two large2sized components; 12. A p rimary type of triad having three large2sized
components; 13. A p rimary type of polyad having three large and three small2sized components; 14. Tetrad with one m icronucleus; 15, 16. Pollen
grains of autotetrap loid (15 showing oblong pollen grains and 16 showing big, four2arris pollen grains at left and small2sized pollen grains at right) .
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212　染色体的不均等分离现象
在中期 Ⅰ和中期 Ⅱ, 一些花粉母细胞的部分染色体未排于赤道板上 , 染色体数 1～6条不等 (图
版 , 5、6) , 这些异常细胞的比例分别为 23100%和 32129% (表 2)。后期 Ⅰ、末期 Ⅰ和后期 Ⅱ、末
期 Ⅱ, 均发现了落后染色体或染色体桥现象 (图版 , 7、8)。后期 Ⅰ和后期 Ⅱ出现落后染色体或染色
体桥现象的细胞比例分别为 15100%和 13133% (表 2)。
表 2　不同减数分裂时期染色体行为异常的花粉母细胞的比例
Table 2　Ra te of abnorma l PM C s a t d ifferen t m e iosis stages
时期
Stage
细胞数
Number of cells
异常细胞数
Number of
abnormal cells
异常细胞比例 /%
Rate of
abnormal cells
中期ⅠMetaphaseⅠ 200 46 23100
后期Ⅰ AnaphaseⅠ 200 30 15100
中期ⅡMetaphaseⅡ 192 62 32129
后期Ⅱ AnaphaseⅡ 120 16 13133
　　注 : 中期Ⅰ、中期Ⅱ异常花粉母细胞为含赤道板外染色体的花粉母细胞 ; 后期 Ⅰ、后期 Ⅱ异常花粉母细胞为含落后染色体或染
色体桥花粉母细胞。
Note: Abnormal PMCs at metaphaseⅠand metaphaseⅡ were cells with the chromosomes outside metaphase p late; Abnormal PMCs at ana2
phaseⅠand anaphaseⅡ were cells with lagging chromosomes or chromosome bridges.
落后染色体与行动滞后的游离单价体有较强的关联性 (李子先 等 , 1996) , 染色体桥则是由于
臂内倒位引起的。
后期 Ⅰ和后期 Ⅱ的染色体分离情况较为复杂 , 除出现了四极分离 , 还出现了三极及多极分离现象
(图版 , 8、9) , 可能与微管系统的异常有关 (Xu et al. , 2001)。染色体的多极分离使得有害基因暴
露 , 可能是花粉后期败育的原因之一 (Chen et al. , 2003)。
减数分裂过程中 , 除部分染色体丢失外 , 还发现了一些细胞虽然染色体总量并未减少 , 但分离至
两极的染色体数不相等的现象 (图版 , 10)。
213　多分体现象及花粉粒形状的多样化
同源四倍体胡萝卜花粉母细胞为同时型胞质分裂 , 与正常二倍体胡萝卜相同 (张永兵 等 ,
2005)。但试验中发现四倍体花粉母细胞在四分体时期 , 除形成四分体外 , 还形成二分体、三分体以
及多分体 , 一些细胞中还包含一个或多个微核 (图版 , 11～14)。四分体在众多分离类型中的比例较
大 , 占到 72102% , 二分体、三分体、多分体及含有微核细胞的比例分别占到 0141%、 7100%、
4152%和 16105% (表 3)。
表 3　花粉母细胞四分体时期形成不同多分体类型的比例
Table 3　Num ber and ra te of PM C s of d ifferen t types of polyad a t tetrad
类型 Types of polyad 数量 Number 比例 /% Rate
四分体 Tetrads 700 72102
二分体 Dyads 　4 　0141
三分体 Triads 68 　7100
多分体 Polyads 44 　4152
含微核细胞 Cells with m icronuclei 156 16105
总计 Total 972 100100
四分体时期所形成的三分体及多分体可能是后期 Ⅱ时染色体分离三极化及多极化所导致的直接结
果 (Q ian et al. , 2005)。
同源四倍体胡萝卜的花粉粒形状大小不一 (图版 , 15、16) , 小花粉粒多为不规则形状 , 大花粉
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　12期 裴红霞等 : 同源四倍体胡萝卜的减数分裂行为观察 　
粒形状呈长椭圆形 (图版 , 15)、四棱形 (图版 , 16) 及不规则形。长椭圆形大花粉在总花粉量中仅
占 5118% , 四棱形大花粉比例最大 , 占到 58152% , 其次是小花粉粒 , 占到 26167% (表 4)。小花粉
粒由微核形成 , 与减数分裂过程中后期 Ⅰ、后期 Ⅱ的落后染色体现象密切相关 (张仲鸣 等 , 1997;
张蜀宁 等 , 2007) , 且不具有育性。
表 4　四倍体胡萝卜形成不同形状花粉粒的比例
Table 4　Num ber and ra te of d ifferen t pollen gra in s in autotetraplo id carrot
花粉粒类型
Types of pollen grains
数量
Number
比例 /%
Rate
长椭圆形大花粉粒 Oblong pollen grains 49 　5118
四棱形大花粉粒 Four2arris pollen grains 553 58152
不规则大花粉粒 Irregular pollen grains 91 　9163
小花粉粒 Small pollen grains 252 26167
总计 Total 945 100100
3　讨论
同源四倍体普遍存在育性低 , 花粉败育等现象 , 阻碍了其在生产中的应用。对于花粉的败育机制
已有多方面的研究 : 细胞核的异常 (朱必才和高立荣 , 1988 ) , 遗传物质的不均衡 (李子先 等 ,
1996; Chen et al. , 2003) , 微管系统异常 (代西梅 等 , 2006) , 绒毡层异常 (康向阳 , 2001) 等均
与花粉的败育有关。
作者在试验中发现 , 同源四倍体胡萝卜花粉母细胞在减数分裂过程中也存在细胞核的异常及遗传
物质的不均衡 : 多核仁现象 , 核仁畸变 (图版 , 1、2) ; 游离单价体的随机分配 (表 1) ; 非同源染
色体部分同源联会形成多价体 (图版 , 3、4; 表 1) ; 赤道板外染色体 (图版 , 5、6; 表 2) ; 染色体
桥的最终断裂 (图版 , 7) ; 联会染色体后期未发生分离 , 染色体的二极化、三极化及多极化 (图版 ,
8、9) ; 落后染色体丢失或形成微核 (图版 , 13、14) 等均会导致不均等分离 , 最终都会形成致死配
子 , 使得同源四倍体胡萝卜的花粉败育 , 有性生殖能力远低于正常二倍体胡萝卜。且发现同源四倍体
胡萝卜同一花药中的花粉母细胞的发育具有非同步性 , 在每个花药中 , 都可观察到处于不同时期的花
粉母细胞。
同源四倍体胡萝卜中 58%以上的花粉粒形状为四棱形 (图版 , 16; 表 4) , 可能与植株倍性有一
定的相关性。我们通过对四倍体胡萝卜自交后代以及与二倍体杂交后代植株的倍性及育性鉴定 , 发现
只有四倍体植株中存在四棱形花粉粒。目前我们正在观察同源四倍体自交分离后代植株的减数分裂行
为及其育性 , 以期通过筛选获得具有高结实率的四倍体单株 , 为胡萝卜育种及遗传研究提供新型种
质。
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