全 文 ：25S rDNA 在杨属植物染色体上的定位 ?
董凤平1 , 韩素英2 , 张守攻2 , 齐力旺2 ,
刘 博1 , 李秀兰1 , 陈成彬1??
( 1 南开大学生命科学学院 , 天津 300071; 2 中国林业科学院林业研究所细胞生物学实验室 , 北京 100091 )
摘要 : 利用荧光原位杂交技术对杨属 ( Populus) 植物五个组中二倍体 ( 2n = 2x = 38 ) 代表种 : 毛白杨
( P . tomentosa)、箭杆杨 ( P . nigra var. thevestina)、大叶杨 ( P . lasiocarpa)、小青杨 ( P . pseudo-simonii )、胡杨
( P . euphratica) ; 以及所发现的白杨组和黑杨组天然三倍体 ( 2n = 3x= 57 ) : 毛白杨 ( P . tomentosa)、武黑 1
号 ( P . euramericana cv . Wuhei-1) 进行了 25S rDNA 的染色体定位。二倍体毛白杨、箭杆杨、小青杨和大叶
杨都具有 4 个 25S rDNA 位点 , 而胡杨只有 2 个较大的 25S rDNA 定位于 1 对小的染色体上 , 白杨和黑杨天
然三倍体的两个种各有 6 个 25S rDNA 位点。同时作者还将杨属植物 25S rDNA 的分布变化与常规核型分析
结果进行了比较。
关键词 : 杨属 ; 荧光原位杂交 ; 25S rDNA 定位
中图分类号 : Q 942 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2007) 04 - 423 - 06
Physical Mapping of 25S rDNA on Metaphase Chromosomes
of Populus (Salicaceae ) in Five Sections by
Fluorescence in Situ Hybridization
DONG Feng-Ping1 , HAN Su-Ying2 , ZHANG Shou-Gong2 , QI Li-Wang2 ,
LIU Bo
1
, LI Xiu-Lan
1
, CHEN Cheng-Bin
1 * *
(1 Collegeof Life Science, Nankai University, Tianjin 300071 , China; 2 Laboratory of Cell Biology,
the Research Instituteof Forestry, the Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091 , China)
Abstract : This study examined the physical localizations of the25S rDNA on themitotic metaphasechromosomes of seven
species in the five sections of Populus, using fluorescence in situ hybridization (FISH) . Four 25 rDNA loci weredetected
on thechromosomes of five wild diploid species (2n= 2x= 38) , P . tomentosa, P . nigra var. thevestina, P . pseudo-simo-
nii , P . lasiocarpa and P . euphratica . Six 25 rDNA loci were detected on thechromosomes of twowild triploid species (2n
= 3x= 57) , P . tomentosa in section Leuceand P . euramericana cv . Wuhei-1 in section Aigeiros . While only one pair of
25 rDNA loci located at the smallest chromosome was detected in P . euphratica chromosomes . Coupled with the approach
of common karoytypeanalysis, this article alsodiscussesthevariations of 25S rDNA distribution on Populus chromosomes .
Key words: Populus; Fluorescence in situ hybridization (FISH) ; 25S rDNA loci
核糖体 RNA 基因 ( rDNA) 是植物基因组中
研究最广泛的遗传单元之一。rDNA 是拷贝数很
高 ( 500～40 000) 的串联重复序列 , 成簇分布于
一个或数个位点 ( Long and Dawid, 1980; Peders-
en and Linde-laursen, 1994) 。25S rDNA 是 45S rD-
NA 基因重复单位中的一员 , 位于核仁组织区
云 南 植 物 研 究 2007 , 29 (4) : 423～428
Acta Botanica Yunnanica

?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence; E-mail : chencb@ nankai . edu. cn; 电话 : 022 - 23508241
收稿日期 : 2006 - 12 - 22 , 2007 - 02 - 25 接受发表
作者简介 : 董凤平 (1982 - ) 男 , 硕士研究生 , 分子细胞遗传学研究方向。 ?
基金项目 : 国家自然科学基金 (30571517 ) 及天津市自然科学基金 (07CYBJC11700) 资助项目
(NOR) 上。由于 rDNA 序列在真核生物中高度保
守并且拷贝数高 , 应用荧光原位杂交 ( FISH) 技
术可以很方便的进行观察和定位。对于具有较多
小染色体和形态对称染色体的植物物种 , 25S
rDNA 是进行染色体组型分析的非常好的细胞学
标记 ( Schrader 等 , 2000 ) 。rDNA 序列虽然高度
保守 , 但在其数目和染色体上的物理位置在进化
过程中并非一成不变 , 即使在同一属或亚属的近
缘种中也存在着差异。
杨属 ( Populus) 植物具有基因组较小、物
种丰富、生长迅速、再生能力强等特性而成为木
本植物研究中模 式物种的首选 ( Bradshaw and
Stettler, 1995; Taylor, 2002 )。在我国 , 杨树分布
极为广泛 , 是最重要的用材树种之一 , 并在城市
绿化中具有防沙滞尘功能 , 是园林绿化的首选树
种。国际上较公认的杨属植物约含 30 个生物种
(Eckenwalder, 1996 ) , 分为五组 ( 五派 ) : 白杨
组 ( Section Leuce)、黑 杨组 ( Section Aigeiros)、
青杨组 (Section Tacamahaca) 、大叶杨组 (Section
Leucoides) 和胡 杨组 ( Section Turanga)。其中 ,
在白杨组和黑杨组中都发现了天然三倍体植株
(陈成彬等 , 2004 ) 。对于杨属植物 , 陈成彬等
(2005 ) 及齐力旺等 ( 2004) 已对其进行了核型
分析 , 但是杨树的染色体较小数量较多 , 传统的
核型分析无法准确的显示染色体 NOR 区的数量
并对其进行准确的定位 , 本文以 25S rDNA 作为
探针在杨属植物 5 个组 7 个种 ( 含品种 ) 的中期
染色体上进行原位杂交定位 , 并对 25S rDNA 在
杨属植物染色体上的数量、分布及种间差异 , 与
常规的核型分析进行了比较 , 为研究杨属植物进
化过程中染色体 NOR 区变化及其相连染色体的
变异提供依据。
1 材料和方法
1 .1 材料
杨属五组中的二倍体 (2n= 2x= 38) 代表种和白杨组和
黑杨组中天然三倍体 (2n= 3x= 57) 共 7 种植物 , 名称及来
源见表 1 , 凭证标本存南开大学生命科学学院标本室。
1 .2 杨树品种和染色体标本的制备
7 种材料均取自杨树植物的幼芽。材料用含有饱和α
- 溴代萘与饱和对二氯苯的水溶液 25℃预处理 3 h, 之
后用固定液 (甲醇∶冰醋酸 = 3∶1) 固定。染色体标本的
制备采用陈瑞阳等 ( 1979 ) 的去壁低渗法。选取染色体
形态和分散较好的标本用于荧光原位杂交。
1 .3 荧光原位杂交
25S rDNA 片断来自拟南芥 25S rDNA 的一个 2.3 kb的
亚克隆 (Unfried and Gruendler, 1990)。通过随机引物法用
DIG (Digoxigenin-dUTP, Roche) 标记 25S rDNA 作为探针。
杂交及杂交后信号的检测按 Qi 等 (2002) 的方法进行。
2 结果
7 个种的中期染色体 25S rDNA 的荧光原位
杂交及核型分析见图 1、2。杨属植物除胡杨组
外 , 白杨组、黑杨组、青杨组和大叶杨组的二倍
体种都具有 4 个杂交信号 , 白杨组和黑杨组的天
然三倍体都具有 6 个杂交信号 , 所有杂交信号均
位于染色体短臂的端部 , 信号的强弱相近 , 而大
小不同。
3 讨论
核糖体 RNA 基因 ( rDNA) 所定位的染色体
是物种染色体组中的一个重要成员。由于 25S
rDNA 一般都定位在染色体的随体位置 , 在染色
体组研究及核型分析中携带随体的染色体一般最
易与其他染色体相区别 , 并且由于不同类型品种
之间 , 随体染色体数目可能存在一定的差异。因
此 , 研究随体染色体的数目及其在染色体组中的
编号位置对于研究杨属植物的起源分化规律具有
一定指导意义。
表 1 供试材料的名称及来源
Table 1 The name and origin of experimental materials
组 Section 种名 Species 凭证标本 Voucher 来源 Origin
白杨组 Leuce 毛白杨 P A. tomentosa ( 2n= 2x = 38 )
毛白杨 P A. tomentosa ( 2n= 3x = 57 ) 齐力旺 L . W . Qi 03 ?- 4 山西大同 Datong, Shanxi
黑杨组 Aigeiros
箭杆杨 P H. nigra var ?. thevestina ( 2n = 2x = 38 )
武黑 1 号 P ?. euramericana cv . Wuhei-1 ( 2n= 3x = 57 )
齐力旺 L . W . Qi 03 ?- 97
陈瑞阳 R . Y . Chen 03 - 1
山西大同 Datong, Shanxi
天津武清 Wuqing, Tianjin
青杨组 Tacamahaca 小青杨 P H. pseudo-simonii ( 2n = 2x = 38 ) 齐力旺 L . W . Qi 03 ?- 51 辽宁大连 Dalian, Liaoning
大叶杨组 Leucoides 大叶杨 P A. lasiocarpa (2n= 2x = 38) 齐力旺 L . W . Qi 03 ?- 47 湖北建始 Jianshi , Hubei
胡杨组 Turanga 胡杨 P ?. euphratica ( 2n= 2x = 38 ) 齐力旺 L . W . Qi 03 ?- 132 山西大同 Datong, Shanxi
424 云 南 植 物 研 究 29 卷
图 1 25S rDNA 与 7 种植物中期染色体的荧光原位杂交结果
Fig . 1 Fluorescence in situ hybridization with 25S rDNA on metaphase chromosomes of the seven species
A . P . tomentosa (2n= 2x= 38) ; B . P . nigra var. thevestina; C . P . pseudo-simonii ; D . P . lasiocarpa; E . P . euphratica;
F . P . tomentosa ( 2n = 3x = 57 ) ; G . P . euramericana cv . Wuhei-1 (bar = 5μm)
3 .1 ?结合 rDNA 位点的核型分析和与传统核型
分析的比较
根据陈成彬等 (2005) 对杨属植物的常规核
型分析 , 发现杨属五组之间核型基本结构十分相
近 , 按 Stebbins (1971) 的核型分类标准 , 杨属植
物均为 2B 类型 , 为较不对称的类型 , 即由对称
核型向不对称核型发展。
常规核型分析依据光镜下观察染色体标本 ,
确定染色体的类型、随体数目并进行配对组合。
但是这种方法有时存在一定的不准确性 , 尤其对
5244 期 董凤平等 : 25S rDNA 在杨属植物染色体上的定位
于那些随体并不明显的染色体配对 , 会产生一些
困难。对具有形态相近小染色体的杨属植物 , 在
应用 FISH 技术对 rDNA 重复序列进行染色体定
位分析后 , 发现其 25S rDNA 位点数目与常规核
型分析得出的随体数目并不完全相同。
毛白杨二倍体 : 2 对杂交信号位于 3 号和 8
号中部着丝粒染色体的短臂端部。而毛白杨核型
公式为 : 1M + 27m+ 2sm+ 6st + 2t ( 齐力旺等 ,
2005) , 没有观察到随体 , 25S rDNA 的荧光原位
杂交后发现在 3 号染色体上有一对较明显的随体
存在 , 其中一个随体较大 , 形成了一对异型随
体。第 8 号染色体上的随体杂交信号相对 3 号染
色体上的信号较小 ( 图 2: A) 。
箭杆杨 : 核型结果分析表明箭杆杨核型公式
为 : 3M + 29m ( 2SAT ) + 5sm+ 1st ( 陈成彬等 ,
2005) , 只观察到一对染色体具随体。而 25S rD-
NA 的荧光原位杂交结果显示 , 有 2 对染色体带
有荧光杂交信号分别位于 3 号和 7 号中部着丝粒
染色体的短臂端部。3 号染色体随体相对 7 号
rDNA 荧光原位杂交信号较大 (图 2: B)。
小青杨 : 荧光原位杂交信号位于 2 号近中部
着丝粒染色体和 11 号近端部着丝粒染色体的短
臂端部。小青杨核型公式 : 27m+ 6sm (1SAT ) +
4st (2SAT ) + 1t, 观察到 3 条具随体染色体。荧
光原位杂交结果清楚的显示出 25S rDNA 定位于 2
号染色体和 11 号染色体上 , 其中 2 号染色体的
信号较大和较强 ( 图 2: C)。
大叶杨 : 荧光原位杂交信号位于 4 号和 7 号
近端部着丝粒染色体的短臂端部。核型分析结果
显示 , 大叶杨核型公式为 : 2M + 22m+ 8sm+ 6st,
未发现具有随体染色体 , 荧光原位杂交结果显示
在大叶杨 4 号染色体近端部着丝粒处具有一对较
明显的随体。相对较小的 25S rDNA 信号定位于 7
号近端部着丝粒染色体上 ( 图 2: D) 。
胡杨 : 只有 1 对较大的荧光原位杂交信号位
于最小的 19 号近端部着丝粒染色体的短臂端部 ,
与胡杨核型分析结果 : 2M + 23m+ 3sm + 10st
(2SAT) 相一致。胡杨的随体大小要超过其所定
位的染色体的大小 ( 图 2: E)。
毛白杨三倍体 : 25S rDNA 荧光原位杂交信
号位于 6 号和 7 号近中部着丝粒染色体的短臂端
部。毛白杨三倍体常规核型公式为 : 1M + 31m+
10sm+ 15st ( 陈成彬等 , 2004 ) , 没有观察到随体
染色体 , 荧光原位杂交结果显示 6 号染色体具有
较明显的随体 , 7 号染色体的随体大小和信号强
度都稍小于 6 号染色体 (图 2: F)。
武黑 1 号: 25S rDNA 荧光杂交信号位于 8 号中
部着丝粒染色体和 10 号近中部着丝粒染色体的短
臂端部。武黑 1 号核型公式为 : 2M + 38m (4SAT )
+ 14sm (2SAT ) + 3st, 其显示的随体数目与荧光原
位杂交的 25S rDNA 位点数目一致 (图 2: G)。
本研究结果清楚的显示了杨属 5 个组的二倍
体和天然三倍体的 25S rDNA 的分布情况 , 与 PI
复染中所显示的随体所在位置一致 ( 未显示 ) ,
有些随体由于染色体高度折叠压缩的原因而没有
被观察到。rDNA 探针的染色体荧光原位杂交与
核型分析相结合 , 可对核型分析结果进行校正 ,
提高同源染色体配对的准确性。
3.2 杨属植物 25S rDNA 位点数目和位置变化的比较
植物属内 rDNA 位点数目和位置的变化已经
在很多植物中观察到 , 例如在豆科 (Leguminosae)
的三个属 (刘博等 , 2005) , 菜豆属 Phaseolus (Ga-
lasso等 , 1995; Pedrosa等 , 2003) , 碧冬茄属 Pe-
tunia ( Benabdelmouna 等 , 1997 ) , 棉属 Gossypium
(J i 等 , 1999 ) , 栎属 Quercus ( Zoldos 等 , 1999 ) ,
豇豆属 Vigna (Moscone等 , 1999 ) 的属内不同种
或野生种与栽培种之间 rDNA 数目和位置都存在
着差异。对杨属植物 5 个组的二倍体和三倍体的
25S rDNA 的数目和形态进行比较 , 发现毛白杨二
倍体、箭杆杨、小青杨、大叶杨、毛白杨三倍体
和武黑 1 号具有相似的 25S rDNA 分布特征 , 都具
有 2 组可配对的 25S rDNA 位点 ( 二倍体为 4 个 ,
三倍体为 6 个 ) , 信号在形态大小上表现为其中一
组要大于另一组 , 只是信号在染色体组中的排列
位置不同; 而胡杨则只有 1 对大的 25S rDNA 位
点 , 并位于最小的 19 号近端部着丝粒染色体上 ,
而其它六种杨属植物 , 携带较大杂交信号的一组
同源染色体较大 , 排列顺序比较靠前。与其它组
杨属植物不同的是 , 毛白杨的二倍体和三倍体以
及胡杨中 , 较大的随体本身还具有一个缢痕 (图
2: A , E, F) , 称为衔接随体 (洪德元 , 1990)。
从胡杨的分子核型分析中可以得出 , 胡杨组
具有较多的 st、 t 染色体 , 核型不对称系数比黑
杨组、青杨组、大叶杨组高 , 为 63 .03 , 胡杨的
624 云 南 植 物 研 究 29 卷
图 2 7 种植物中期染色体核型图
Fig . 2 The karyotypes of the seven species
A . P . tomentosa (2n= 2x= 38) ; B . P . nigra var. thevestina; C . P . pseudo-simonii ; D . P . lasiocarpa; E . P . euphratica;
F . P . tomentosa ( 2n = 3x = 57 ) ; G . P . euramericana cv . Wuhei-1 (bar = 5μm)
25S rDNA 的数目和位置也与其它组差异较大。
而白杨组具有更高的核型不对称系数为 65 .97
(陈成彬 , 2005 ) , 但其 25S rDNA 的数目和位置
变化不大。
7244 期 董凤平等 : 25S rDNA 在杨属植物染色体上的定位
据 1935 年在新疆发现的化石推断 , 胡杨距今
大约有 300～600 万年的历史 , 是杨属中最古老的
一种 (王世绩 , 1996)。干旱高盐碱的特殊生态环
境保证了胡杨组与杨属其它植物发生分歧后的生
殖隔离 , 也保证了其基因组的原始性。胡杨组与
其它组杨属植物相比 , 虽然保持了核型的相似性 ,
但其具有较高的核型不对称系数 , 根据 Stebbins
(1971) 对植物界核型进化的一般规律是由对称型
向不对称型发展 , 核型越不对称越进化的阐述 , 可
见胡杨属于较进化的类型 , 同时 25S rDNA 数目和
位置的差异也显示在胡杨的进化过程中发生了明
显的染色体变化。综合以上研究结果 , 说明胡杨
自身进化的动力较高 , 发生了更多的染色体事件 ,
这种随机事件发生频率高是与环境压力相适应的
(Ayala等 , 2000)。染色体事件频率提高推动变异
的产生、加速进化 , 使胡杨更加适应极端的生态
环境 , 甚至产生了储水储碱等特异表型。
综上所述 , 笔者认为在杨属植物进化的过程
中 , 胡杨组与其它杨属植物在 rDNA 数目和位置
上存在着显著差异 , 这种染色体组型的变异可为
研究杨属的起源进化 , 以及准确的判断胡杨在进
化过程中的分歧时间提供了线索。在白杨组和黑
杨组的天然三倍体中发现带有 25S rDNA 杂交信
号的 3 个同源染色体的形态和信号的大小都存在
着一定的差异 , 这显示其可能是异源三倍体 , 但
这个推断还需要进一步的试验证据。
〔参 考 文 献〕
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