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四川5种杉科植物的核型分析



全 文 :第42卷 第9期
2014年9月
西北农林科技大学学报(自然科学版)
Journal of Northwest A&F University(Nat.Sci.Ed.)
Vol.42 No.9
Sep.2014
网络出版时间:2014-07-30 16:13 DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2014.09.005
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13207/j.cnki.jnwafu.2014.09.005.html
四川5种杉科植物的核型分析
 [收稿日期] 2013-06-24
 [作者简介] 马诗钰(1989-),女,四川阆中人,在读硕士,主要从事松杉植物育种研究。E-mail:melishery1989@163.com
 [通信作者] 周兰英(1960-),女,四川西昌人,教授,博士生导师,主要从事园林植物及林木遗传育种研究。
E-mail:kelin1234@sina.com
马诗钰,周兰英,熊海燕,蒲光兰,刘 焕,蔡利娟
(四川农业大学 林学院,四川 雅安625014)
[摘 要]  【目的】对杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)、柳杉(Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex
Otto et Dietr)、日本柳杉(Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don)、池杉(Taxodium ascendens Brongn)和落羽杉
(Taxodium distichum(Linn.)Rich)染色体核型进行分析,并对它们的种间亲缘关系和进化趋势进行探讨,旨在为该
科植物进化及分类提供细胞遗传学资料。【方法】采用常规压片法,运用AI细胞遗传工作系统对5种杉科植物的染
色体及核型进行研究。【结果】杉木核型公式为:2n=2x=22=20m(2SAT)+2sm,核型类型属于2B型;柳杉和日本
柳杉的核型公式为:2n=2x=22=20m+2sm,核型类型属于2A型;池杉和落羽杉核型公式为:2n=2x=22=22m,核
型类型属于1A型。平均臂比值差异不大,为1.20~1.31;核型不对称系数变化较小,为54.24%~55.57%;最长/最
短染色体值为1.36~2.18。柳杉与日本柳杉的亲缘关系较近,池杉与落羽杉的亲缘关系较近,可分为3组:杉木、柳
杉和日本柳杉、池杉和落羽杉。进化顺序为杉木>柳杉>日本柳杉>池杉>落羽杉。【结论】杉科植物总体进化程度
相对原始,进化速度缓慢,但种间存在广泛变异,以杉木的核型进化程度最高。
[关键词] 杉科;核型分析;进化趋势;亲缘关系;四川省
[中图分类号] S791 [文献标志码] A [文章编号] 1671-9387(2014)09-0063-07
Karyotypes of five Taxodiaceae species in Sichuan
MA Shi-yu,ZHOU Lan-ying,XIONG Hai-yan,
PU Guang-lan,LIU Huan,Cai Li-juan
(Forestry College,Sichuan Agricultural University,Ya’an,Sichuan625014,China)
Abstract:【Objective】This study analyzed the karyotypes of Cunninghamia lanceolata(Lamb.)
Hook),Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr,Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don,Tax-
odium ascendens Brongn and Taxodium distichum(Linn.)Rich,and investigated the genetic relationship
and evolution trend to provide cytogenetical information for plant evolution and classification.【Method】
Traditional squashing method and cytogenetic workstation system were used to study the karyotypes of
five Taxodiaceae species.【Result】The karyotype formula of Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)
was:2n=2x=22=20m(2SAT)+2sm,belonging to class 2B.The karyotype formula of Cryptomeria for-
tunei Hooibrenk ex Otto et Dietr and Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don was:2n=2x=22=20m+
2sm,belonging to 2A.The karyotype formula of T.ascendens and T.distichumwas:2n=2x=22=20m,be-
longing to 1A.Average arm ratios were 1.20-1.31with minor differences.Karyotype asymmetry coeffi-
cients ranged from 54.24%-55.57% with smal variations.The ratios of the longest chromosome to the
shortest chromosome were 1.36-2.18.Taxodiaceae,C.fortunei and C.japonica were close,while Taxo-
diumascendens Brongn and Taxodium distichum(Linn.)Rich were close according to genetic relation-
ship.The five species were divided into 3categories:Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook by itself,
Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr and Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don,and Taxo-
dium ascendens Brongn and Taxodium distichum(Linn.)Rich.The evolutionary tendency was in an order
of Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)>Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr>Cryp-
tomeria japonica(Linn.f.)D.Don>Taxodium ascendens Brongn>Taxodium distichum (Linn.)Rich.
【Conclusion】Taxodiaceae species were in relatively primitive evolutionary degree and the evolution was
slowly.There were wide-ranging variations between species and the karyotype of Cunninghamia lanceolata
(Lamb.)Hook)had the highest evolutionary degree.
Key words:Taxodiaceae;karyotype;evolutionary trend;genetic relationship;Sichuan
  杉科(Taxodiaceae)隶属于裸子植物门(Gym-
nospermae)松杉纲(Coniferopsida)松杉目(Pina-
les),科下含10属16种,主要分布于东亚、北美及大
洋洲。中国产5属7种,引入栽培4属7种,现存各
属均为古老的孑遗类群[1-2]。从1890年正式创立杉
科至今,关于该科植物种、亚种、变种分类及亲缘关
系一直存在分歧。1890-1926年,松杉科植物分类
争议最大,各学者对族、亚族、属的分类意见均不统
一。1926年,Pilger对裸子植物进行系统整理,结束
了杉科分类混乱的局面,为后继学者的研究奠定了
基础。在后续发展中,杉科分类问题依旧存在,焦点
多集中在杉木、落羽杉、柳杉等族、亚族或组等问题
上。如 Hida[3]认为,杉木、柳杉、落羽杉各自成为一
个亚科,并包含相应属。而Price等[4]认为,应在科
下分组,且柳杉属与落羽杉属、水松属为一组,不涉
及杉木。此外,对不同属间及同属不同植物分类的
分歧也广泛存在[5-7]。
分类学并不单独以某一种水平上的依据解决植
物分类问题[8]。近年来,随着科技水平的不断发展,
关于杉科植物形态结构[9]、孢粉学[10]、系统发生
学[5,7]及分子水平[11-13]等研究内容不断完善,从不同
角度为分类提供了辅助依据。在细胞染色体水平
上,有关杉科植物的核型虽已有部分报道[14-18],但仍
缺乏对杉科染色体核型及亲缘关系、进化程度的探
讨,且已有研究多集中在20世纪80年代,这些研究
均采用手工配对分析染色体,误差较大,在一定程度
上影响了核型分析的准确性[19]。本研究运用AI细
胞遗传工作系统对5种杉科植物核型进行了全面分
析,探讨适合的取材时间、制片技术等,以期为该杉
科植物染色体制片技术的优化提供依据;且通过核
型研究,为该科植物染色体图像分析数据库的建立、
杉科演化过程等提供部分细胞学证据,并进一步为
杉科遗传资源保护、遗传育种(倍性育种等)提供科
学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用的5种杉科植物分别为杉木、柳杉、日
本柳杉、池杉和落羽杉,产地见表1。采集方法为:
在林地中随机抽取30株长势良好的植株,于树冠中
上部东、西、南、北4个方位上分别采集1个球果(4
个/株),种子取出后混匀备用。
表1 四川5种杉科植物材料的来源
Table 1 Sources of 5Taxodiaceae species in Sichuan
中文种名
Chinese name
属名
Generic name
拉丁名
Latin name
来源
Origin
杉木 杉木属Cunninghamia  Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook 四川洪雅林场Forestry Centre of Hongya
柳杉 柳杉属Cryptomeria  Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr 四川农业大学Sichuan Agricultural University
日本柳杉 柳杉属Cryptomeria  Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don 四川洪雅林场Forestry Centre of Hongya
池杉 落羽杉属Taxodium  Taxodium ascendens Brongn 四川林红苗业Nursery Garden of Linhong
落羽杉 落羽杉属Taxodium  Taxodium distichum(Linn.)Rich 四川林红苗业Nursery Garden of Linhong
1.2 试验方法
选取饱满种子于25℃人工气候箱中培养,待幼
根长至0.5~1.0cm时取样。采用常规压片法进行
染色体制片,上午08:00-10:00切取生长旺盛的根
尖作试验材料,用质量分数0.2%秋水仙素和0.002
mol/L 8-羟基喹啉体积比为1∶1的混合液于室温
下处理6~8h,以卡诺氏Ⅰ液(V(无水乙醇)∶V(冰
醋酸)=3∶1)为固定液于4℃冰箱中固定24h,1
mol/L HCl 60℃水浴条件下解离6~8min,改良苯
酚品红染液染色及压片。用Nikon55i显微镜观察,
46 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第42卷
用AI Cytovision软件对中期相细胞进行显微拍照
和保存。
1.3 数据处理与分析
本试验中,5种材料均统计30个以上的合格细
胞,以超过85%细胞具有的相同染色体数,作为该
种植物的染色体数目[20];每种植物均取5个以上染
色体分散良好、染色体纵向收缩程度较为一致以及
缢痕区清晰的中期相照片进行核型分析,所有核型
参数均以5张照片测量结果的平均值为分析数据。
用Image Pro Plus软件测量染色体的全长、臂长(具
随体的染色体将随体长度计算在内);参照李懋学
等[20]的方法,计算平均臂比、核型不对称系数、最
长/最短染色体、着丝点指数均值;依据染色体分类
系统标准[21]确定染色体类型,并得出核型公式;参
照Stebbins[22]的核型分类标准确定核型类型;染色
体相对长度系数按 Kuo等[23]的方法计算并命名。
根据染色体核型参数及形态特征,用AI Cytovision
软件进行同源染色体配对,用Excel 2003软件将各
种植物的染色体测量数据进行汇总,分别以最长/最
短染色体值、平均臂比为纵坐标和横坐标,绘制5种
杉科植物的核型不对称性程度散布图。
2 结果与分析
2.1 5种杉科植物的核型
5种植物的核型参数、核型特征分别见表2和
表3。染色体形态、核型及核型模式见图1。
表2 四川5种杉科植物的核型参数
Table 2 Karyotype parameters of five Taxodiaceae species
种名
Species
染色体序号
No.
平均相对长度/%
Relative length
短臂
Short arm
长臂
Long arm
全长
Total length
平均臂比
Arm ratio
染色体相对长度系数
Coefficient of relative length
计算值
Value
名称
Name
染色体
类型
Type
杉木
Cunninghamia
lanceolata
(Lamb.)
Hook
1  6.24  7.11  13.35  1.14  1.47 M2 m
2  5.62  6.11  11.73  1.09  1.29 M2 m
3  4.93  6.01  10.94  1.22  1.20 M2 m
4* 4.62  6.19  10.81  1.34  1.19 M2 m
5  4.20  4.68  8.88  1.11  0.98 M1 m
6  3.51  5.16  8.67  1.47  0.95 M1 m
7  3.95  4.21  8.16  1.07  0.90 M1 m
8  3.46  4.32  7.78  1.25  0.86 M1 m
9  3.37  3.70  7.07  1.10  0.78 M1 m
10  2.10  4.38  6.48  2.08  0.71 S sm
11  2.42  3.70  6.12  1.53  0.67 S m
柳杉
Cryptomeria
fortunei
Hooibrenk
ex Otto
et Dietr
1  5.88  6.16  12.04  1.05  1.32 M2 m
2  4.99  5.53  10.52  1.11  1.16 M2 m
3  4.23  5.79  10.02  1.37  1.10 M2 m
4  4.45  4.76  9.21  1.07  1.01 M2 m
5  3.87  5.10  8.97  1.32  0.99 M1 m
6  3.37  5.40  8.77  1.60  0.96 M1 m
7  4.25  4.37  8.62  1.03  0.95 M1 m
8  3.97  4.46  8.43  1.12  0.93 M1 m
9  3.73  4.18  7.91  1.12  0.87 M1 m
10  3.87  3.97  7.84  1.02  0.86 M1 m
11  2.18  5.50  7.68  2.53  0.84 M1 sm
日本柳杉
Cryptomeria
japonica
(Linn.f.)
D.Don
1  5.32  5.65  10.97  1.06  1.21 M2 m
2  5.19  5.49  10.68  1.06  1.18 M2 m
3  5.06  5.38  10.44  1.06  1.15 M2 m
4  4.63  4.88  9.51  1.05  1.14 M2 m
5  4.16  4.84  9.00  1.16  1.05 M2 m
6  3.93  4.61  8.54  1.17  0.94 M1 m
7  4.07  4.42  8.49  1.09  0.93 M1 m
8  3.78  4.55  8.33  1.20  0.92 M1 m
9  2.46  5.80  8.26  2.36  0.91 M1 sm
10  3.71  4.17  7.88  1.12  0.87 M1 m
11  2.89  4.98  7.87  1.72  0.87 M1 m
56第9期 马诗钰,等:四川5种杉科植物的核型分析
续表2 Continued table 2
种名
Species
染色体序号
No.
平均相对长度/%
Relative length
短臂
Short arm
长臂
Long arm
全长
Total length
平均臂比
Arm ratio
染色体相对长度系数
Coefficient of relative length
计算值
Value
名称
Name
染色体
类型
Type
池杉
Taxodium
ascendens
Brongn
1  5.50  5.93  11.43  1.08  1.26 M2 m
2  5.11  5.51  10.62  1.08  1.17 M2 m
3  4.34  5.99  10.33  1.38  1.08 M2 m
4  4.74  5.12  9.86  1.08  1.05 M2 m
5  3.04  5.99  9.03  1.97  0.99 M1 m
6  4.09  4.86  8.95  1.19  0.99 M1 m
7  4.05  4.73  8.78  1.17  0.97 M1 m
8  3.73  4.78  8.51  1.28  0.94 M1 m
9  4.07  4.29  8.36  1.05  0.92 M1 m
10  3.37  4.44  7.81  1.31  0.86 M1 m
11  3.44  3.65  7.09  1.06  0.78 M1 m
落羽杉
Taxodium
distichum
(Linn.)
Rich
1  4.74  6.15  10.89  1.30  1.20 M2 m
2  5.04  5.31  10.35  1.05  1.14 M2 m
3  4.41  5.48  9.89  1.24  1.09 M2 m
4  4.49  4.92  9.41  1.10  1.04 M2 m
5  3.69  5.43  9.12  1.47  1.00 M1 m
6  4.34  4.63  8.97  1.07  0.99 M1 m
7  4.31  4.39  8.70  1.02  0.96 M1 m
8  3.46  4.85  8.31  1.40  0.91 M1 m
9  3.87  4.43  8.30  1.14  0.91 M1 m
10  3.97  4.08  8.05  1.03  0.88 M1 m
11  3.44  4.56  8.00  1.32  0.88 M1 m
  注:*示随体染色体,随体长度计算在内。
Note:*indicates chromosome with satelite,and the length of satelite was included.
  由表2和表3以及图1可知,5种杉科植物的
染色体数目均为2n=2x=22;杉木核型公式为2n=
2x=22=20m(2SAT)+2sm,柳杉和日本柳杉的核
型公式为:2n=2x=22=20m+2sm,池杉和落羽杉
的核型公式为:2n=2x=22=22m,均为2倍体。染
色体主要由近中部(sm)和中部着丝点染色体(m)组
成,近中部着丝点染色体(sm)有杉木10号、柳杉11
号、日本柳杉9号染色体,其余均为中部着丝点染色
体(m),随体仅出现在杉木4号染色体上。核型不
对称系数变化较小,为54.24%~55.57%,说明5
种植物均为较原始类型;平均臂比值差异不大,为
1.20~1.31;最长/最短染色体值为1.36~2.18;柳
杉、日本柳杉、池杉、落羽杉的染色体相对长度组成
中只有 M1和 M2,无L和S;杉木的染色体相对组
成中包含 M1、M2和S,无L。按核型分类标准[22],
5种植物被分为3类:杉木为2B型,柳杉和日本柳
杉均为2A型,池杉和落羽杉均为1A型。
表3 四川5种杉科植物的核型特征
Table 3 Comparison of karyotype features of five Taxodiaceae species in Sichuan
种名
Species
核型公式
Formula
核型不对
称系数/%
As.k.
平均臂比
Mean arm ratio
最长/最短染色体
Longest/shortest
chromosome
相对长度组成
Relative length
核型类型
Chromosome
type
杉木C.lanceolata  20m(2SAT)+2sm  55.57  1.31  2.18  8M2+10M1+4S 2B
柳杉C.fortunei  20m+2sm  55.21  1.30  1.57  8M2+14M1  2A
日本柳杉C.japonica  20m+2sm  54.78  1.28  1.39  10M2+12M1  2A
池杉T.ascendens  22m 54.52  1.24  1.61  8M2+14M1  1A
落羽杉T.distichum  22m 54.24  1.20  1.36  8M2+14M1  1A
2.2 5种杉科植物核型的不对称性程度
图2中,坐标点的相对位置反映了5种杉科植
物的不对称性、进化程度及其相互之间的关系,植物
坐标点越靠近左下方,表明其核型的不对称性越低,
种越原始,种的进化程度也相对越低;相反,越靠近
右上方,其核型的不对称性越高,种的进化程度越
高[22]。由图2和表3可知,5种杉科植物的核型不
对称性系数依次为:落羽杉 (54.24%)< 池杉
66 西北农林科技大学学报(自然科学版) 第42卷
(54.52%)<日本柳杉(54.78%)<柳杉(55.21%)
<杉木(55.57%),说明杉木的进化程度最高,柳杉
和日本柳杉的进化程度较低,池杉和落羽杉的进化
程度最低,进化程度由高到低顺序为杉木>柳杉>
日本柳杉>池杉>落羽杉。
图1 四川5种杉科植物的染色体形态(a,100×)、核型(b)及核型模式(c)
1.杉木;2.柳杉;3.日本柳杉;4.池杉;5.落羽杉
Fig.1 Chromosome(a,100×),karyotype(b),and karyotype mode(c)of five Taxodiaceae species in Sichuan
1.Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook;2.Cryptomeria fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr;
3.Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don;4.Taxodium ascendens Brongn;5.Taxodium distichum(Linn.)Rich
76第9期 马诗钰,等:四川5种杉科植物的核型分析
图2 四川5种杉科植物的核型不对称性程度散布图
1.落羽杉;2.池杉;3.日本柳杉;4.柳杉;5.杉木
Fig.2 Karyotype asymmetry degrees of five
Taxodiaceae species in Sichuan
1.Taxodium distichum(Linn.)Rich;2.Taxodium ascendens
Brongn;3.Cryptomeria japonica(Linn.f.)D.Don;4.Cryptomeria
fortunei Hooibrenk ex Otto et Dietr;5.Cunninghamia
lanceolata(Lamb.)Hook
3 讨论与结论
3.1 5种杉科植物的核型
本研究中,杉科5种植物染色体数目均为22
条,核型公式与已报道研究结果[14-18]基本一致,但着
丝点位置、随体位置及有无、B染色体、非整倍性变
异等现象存在差异,这表明植物的核型在种间具有
丰富的多样性[24]。本试验结果表明,仅杉木4号染
色体上具随体,其余4种植物所有染色体上均无随
体;池杉(2n=2x=22m)与落羽杉(2n=2x=22m)
所有染色体的着丝点均位于染色体中部;5种杉科
植物均为二倍体且没有B染色体,这与前人的部分
研究结果[8,25-26]一致,但也存在差异[13-15,18,27-28]。随
体是由染色体不等臂间发生倒位或不等相互异位造
成的,一定程度上反映了物种的进化程度[29-30]。供
试5种杉科植物染色体相对较稳定,总体进化程度
相对较原始,虽然进化速度相对缓慢,但内部细微变
异一直存在,这与Groth等[31]的观点一致。有关染
色体着丝点位置确定的研究结果表明:当染色体形
态各异,且其出现折叠或扭曲时,人工分析可能会影
响分析结果[32],本试验采用 AI细胞遗传工作系统
分析染色体具有可靠性。B染色体是正常染色体之
外的1条染色体,是发生结构变异的证据,在不同生
境条件下,植物为适应环境易发生染色体结构和倍
性变异,而B染色体多出现于克服了不利环境的影
响且生长在高海拔条件下的植物中[29],这表明同一
物种经过不同环境驯化后会形成不同程度的进化和
变异。因此,对不同生境同一物种的核型分析可以
增加遗传多样性几率,为分类学提供更广泛的依据。
本试验不足之处在于没有分析不同种源地该科所有
植物,后续研究可以选取多个材料,以对比不同生境
中植物发生不定向变异的程度。
3.2 5种杉科植物的进化趋势及亲缘关系
植物核型进化的基本趋势是由对称向不对称发
展,系统演化上处于比较古老或原始的植物,大多具
有较对称的核型,而不对称的核型则主要见于衍生
的、特化的以及比较进化的植物类群中[22]。染色体
特征是细胞分类学的重要指标,种属间、种内及品种
间染色体特征常出现不同程度分化[33],在此水平上
检测种间遗传变异程度以及推断亲缘进化关系具有
一定的科学依据。本试验中,平均臂比值由大到小
顺序为杉木>柳杉>日本柳杉>池杉>落羽杉;最
长/最短染色体平均值由大到小顺序为杉木>池
杉>柳杉>日本柳杉>落羽杉。核型不对称系数值
由大到小顺序为杉木(55.57%)>柳杉(55.21%)>
日本柳杉(54.78%)>池杉(54.52%)>落羽杉
(54.24%),杉木核型不对称程度最高,相对最为进
化;落羽杉的核型不对称程度最低,相对最为原始;
柳杉与日本柳杉的进化程度相近,柳杉较日本柳杉
进化程度高,且两者明显比池杉进化程度高。此结
果与于永福[34]的研究结果存在差异,虽然其并未给
出不同属间植株具体进化顺序,但对杉科各属间的
进化顺序排列为杉木属>落羽杉属>柳杉属。
[参考文献]
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