全 文 ：2006年 9月
2006, 28(3):257— 262
中国油料作物学报
Chinese journa l of oil crop sciences
芸薹属多倍体与二倍体作物
花柱及角果的发育差异
曾长立 1, 3 , 伍晓明2 , 王建波 3*
(1. 江汉大学医学与生命科学学院 ,湖北武汉 430056;2. 中国农业科学院油料作物研究所 ,湖北武汉 430062;
3. 武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室 ,湖北武汉 430072)
摘要:通过比较分析芸薹属多倍体复合种与其祖先二倍体基本种在花柱 、柱头大小 、角果长度 、宽度 、种子直径
及种子干重变化上的异同 ,发现多倍体复合种在这些发育性状上表现出处于两个祖先二倍体亲本之间 ,或只偏向
于其中一个祖先亲本。同一个多倍体品种在不同发育性状上具有不同的表现 ,即在某一发育性状上偏向于其祖先
亲本之一 , 而在另一发育性状上偏向其另一祖先亲本。
关键词:芸薹属;多倍体;花柱;角果;发育;进化
中图分类号:S565. 401　文献标志码:A　 文章编号:1007— 9084(2006)03— 0257— 06
　　杂交和多倍化是植物最主要的进化方式之一 ,
也是物种起源及形成的重要途径之一 。最近的基因
组研究结果表明 ,显花植物及几乎所有真核生物的
基因组中都具有很大数量的基因冗余 ,而其中很大
部分就可能是多倍化或基因组复制所引起[ 1] 。因
此 ,被子植物 ,甚至可能所有生物都是某种程度上的
多倍体 [ 2] 。
芸薹属为十字花科(C rucife rae)的重要属 ,包含
了许多经济上的重要作物 ,如油菜 、芥菜 、白菜 、甘蓝
等 。芸薹属植物由于具有丰富的异源四倍体 ,因而
是进行多倍体研究的较好材料。 1935年日本学者
禹长春在总结前人研究成果的基础上 ,提出了 “禹
氏三角”(The triangle o f U)假说[ 3] ,把芸薹属植物
分为三个基本种即芸薹(B rassica campestris, 2n=20,
AA)、甘蓝 (B. oleracea , 2n =18, CC)和黑芥 (B.
nigra , 2n=16, BB),三个复合种即芥菜型油菜 (B.
juncea , 2n=36 , AABB)、甘蓝型油菜 (B. napus, 2n=
38 , AACC)和埃塞俄比亚芥 (B. carinata , 2n=34,
BBCC)。多倍体的研究已经引起了众多的关注 ,如
多倍体的不同类型与分类 ,多倍体的形成模式 ,多倍
体的遗传与基因组以及多倍体上短暂的和长期的基
因组加倍等 [ 4, 5] 。但是到目前为止却很少有文献从
发育过程中多倍体性状的变化来研究其进化 [ 6, 7] 。
20世纪 90年代初发展起来的进化与发育生物学是
一个新兴的分支学科 ,是研究进化与发育关系的一
个崭新领域[ 8] 。尽管芸薹属植物角果发育的研究
已有大量的报道 ,如油菜角果中干物质的累积[ 9, 10] ,
角果库源关系研究[ 11, 12] 。但是在遗传背景比较清
晰的 “禹氏三角 ”植物中 ,还没有文献从进化与发育
生物学的角度来研究其基本种和复合种在盛花期花
柱及柱头大小 ,角果基本性状发育上的差异。因此
本研究通过比较分析二倍体基本种和四倍体复合种
在花柱 、柱头及角果基本性状发育过程上的异同 ,来
探讨芸薹属多倍体植物的进化 ,同时为油菜的遗传
育种提供理论基础 。
1　材料与方法
1. 1　植物材料
本研究选用芸薹属的 6个种 ,即白菜型油菜 、甘
蓝型油菜 、芥菜型油菜 、甘蓝 、黑芥和埃塞俄比亚芥。
其中白菜型油菜 、甘蓝型油菜 、芥菜型油菜各 3个品
种 ,甘蓝 、黑芥和埃塞俄比亚芥各 1个品种。具体见
表 1。甘蓝(930)由武汉市蔬菜研究所提供 ,其它材
料由中国农科院油料作物研究所提供。本试验在中
国农科院油料作物研究所试验地进行 ,在播种之前 ,
施足底肥 。选取比较饱满的种子进行播种。开花期
间 ,采用尼龙网把各品种植株覆盖隔开 ,以免种间或
品种间花粉进行传粉。
收稿日期:2005— 11— 20
基金项目:国家自然科学基金项目(30170063)资助
作者简介:曾长立(1972— ),男 ,湖南新化人 ,博士 ,从事细胞生物学研究。
*为通讯作者。
表 1　供试材料一览表
Tab le 1　　List of accession s stud ied for seed deve lopm ent
种
Species
编号
C ode No.
倍性
P loidy level
基因组
G enom e
收集地
P lace of collection
白菜型油菜(B. rapa) 0074 2x AA(n=10) 江苏 Jiangsu
0113 2x AA(n=10) 安徽 Anhu i
0265 2x AA(n=10) 湖南 H unan
黑芥(B. n igra) 3518 2x BB(n=8) 美国 USA
甘蓝(B. oleracea) 930 2x CC(n=9) 台湾 Taiw an
甘蓝型油菜(B. napus) 2685 4x AACC(n=19) 江苏 Jiangsu
1256 4x AACC(n=19) 湖南 H unan
1219 4x AACC(n=19) 陕西 Shanx i
芥菜型油菜(B. jun cea) 2194 4x AABB(n=18) 山西 Shanx i
2316 4x AABB(n=18) 四川 S ichuan
0857 4x AABB(n=18) 贵州 Gu izhou
埃塞俄比亚芥(B. carina ta) 3524 4x BBCC(n=17) 德国 G erm any
1. 2　材料测定
在花蕾期选取大小相当的 20个花蕾 ,剥开花
瓣 ,取出花柱 ,用游标卡尺测量花柱长和宽 ,同时测
量柱头大小 。在盛花期用黑线标记各材料的花 ,每
一材料同时标记 200朵花 ,同时进行人工授粉 。在
授粉后 (day after po llination, DAP) 5d、 10d、 15d、
20d、25d、30d、35d、40d分别采集角果 ,每一份材料
采集 20个角果测定长和宽 。剥开角果取出种子 ,测
定其直径大小和干重 。二倍体白菜型油菜的数据分
析中采用 3个品种的平均值进行。
2　结果与分析
2. 1　花柱及柱头大小
3个基本二倍体种的花柱和柱头大小差异很大
(表 2),其中黑芥的花柱最短 ,甘蓝的花柱最长。甘
蓝的花柱较宽 ,而黑芥与白菜型油菜的相近。甘蓝
的柱头直径最大 ,黑芥的最小 ,而白菜型油菜的则处
于甘蓝和黑芥之间 。
表 2　多倍体和其祖先二倍体花柱及柱头大小比较
Tab le 2　　Com par ison of style and st igm a size in am ph id ip loid s and the ir d ip loid ancestors
种类
Species
花柱长 /mm
S tyle length
宽 /mm
W id th
柱头直径 /mm
S tigm a diam eter
白菜型油菜(B. rapa) 8. 28±1. 15 0. 75±0. 10 0. 72±0. 10
甘蓝型油菜(B. napus) 2685 11. 10±1. 34 1. 00±0. 09 0. 85±0. 10
1256 9. 90±1. 08 0. 92±0. 08 0. 83±0. 08
1219 9. 58±0. 99 0. 94±0. 10 0. 85±0. 19
芥菜型油菜(B. jun cea) 2194 7. 73±1. 92 0. 68±0. 16 0. 69±0. 15
2356 7. 50±1. 02 0. 67±0. 17 0. 71±0. 14
0857 7. 95±0. 61 0. 66±0. 09 0. 68±0. 05
埃塞俄比亚芥(B. carina ta) 8. 17±0. 74 0. 92±0. 13 0. 63±0. 04
黑芥(B. n igra) 3. 82±0. 84 0. 73±0. 15 0. 64±0. 05
甘蓝(B. oleracea) 930 10. 34±1. 48 0. 94±0. 15 0. 87±0. 15
　　甘蓝型油菜是由白菜型油菜和甘蓝两个基本二
倍体种复合而成 。从花柱大小看 ,甘蓝型油菜花柱
长与宽偏向于其祖先种甘蓝 ,甘蓝型油菜与甘蓝的
柱头直径也非常接近 。对于芥菜型油菜而言 ,与其
祖先二倍体种相比较 ,其花柱远远长于黑芥 ,但比白
菜型油菜的短。花柱宽则比两个祖先种都小。柱头
直径比黑芥的大 ,与白菜型油菜相似。埃塞俄比亚
芥是由甘蓝和黑芥复合而成 ,其花柱大小明显偏向
于甘蓝 ,但比甘蓝的小 ,而柱头直径则与黑芥的非常
接近 。从表 2中还可以看出 ,甘蓝型油菜和芥菜型
油菜种内各品种间在花柱大小和柱头直径上差异较
小。
2. 2　角果长度和宽度
就二倍体基本种而言 ,角果长度与宽度变化在
不同种之间表现出明显的差别 (图 1A , C):白菜型
油菜在 15DAP左右角果就基本不再伸长 ,宽度则在
20DAP左右时基本稳定。在 10DAP内 ,白菜型油菜
角果长度增长很快;野生种黑芥则在 10DAP左右角
258 中国油料作物学报　2006, 28(3)
果长度基本定型 ,但宽度变化则与白菜型油菜一样 ,
在 20DAP时达到稳定状态。甘蓝则在 25DAP左右
时角果长度和宽度分别达到稳定 ,而后增长速度减
慢;宽度则在 15DAP内增长速度最快 。
图 1　角果长度与宽度的动态变化
Fig. 1　　Dynam ic change s of pod length and pod w id th
　　多倍体复合种的角果长度变化在不同种之间也
表现出了明显的差别 (图 1B , D):甘蓝型油菜的 3
个品种的长度与宽度明显高于芥菜型油菜的 3个品
种及埃塞俄比亚芥 。甘蓝型油菜的 3个品种在
15DAP左右角果长度就基本稳定在 7. 5 ～ 9. 0cm之
间;宽度则在 20DAP左右时基本定型。而芥菜型油
菜则在 10DAP左右角果长度基本长足。但宽度则
在 20DAP时达到稳定状态 。埃塞俄比亚芥的角果
长度则在 15DAP左右时稳定在 4. 0 ～ 4. 5cm之间 ,
宽度则在 20DAP时定型。另外 ,在 10DAP内 ,甘蓝
型油菜的 3个品种角果长度增长很快 ,但宽度则在
15DAP内增长速度最快 。而芥菜型油菜则在 5DAP
内角果长度增长速度很快 ,但在 10 ～ 15DAP内则是
宽度增长速度最快的阶段 。埃塞俄比亚芥的角果长
度在 5 ～ 10DAP内增长速度很快 ,而宽度则在 10 ～
20DAP内增长速度最快 。
因此 ,不论是二倍体 ,还是多倍体种 ,尽管在角
果长度和宽度的变化上有差异 ,但是基本上都是角
果长的增长速度大于角果宽的增长速度 ,说明在角
果发育过程中 ,其形态的变化规律是纵向生长快于
横向生长 ,即角果是先伸长后增宽 。
多倍体复合体的角果长度与宽度增长变化与其
祖先二倍体亲本之间存在一定的关系。如甘蓝型油
菜 3个品种角果长度与宽度基本定型的相应时间与
其祖先二倍体种白菜型油菜的相似。芥菜型油菜 3
个品种的角果长度变化与其祖先二倍体种黑芥的相
似 ,而宽度则与其另一祖先二倍体种白菜型油菜的
变化规律相同 。埃塞俄比亚芥的角果长度达到稳定
的时间恰好处于其祖先二倍体种黑芥和甘蓝之间 ,
但宽度定型的时间则与黑芥相似 。
259曾长立等:芸薹属多倍体与二倍体作物花柱及角果的发育差异
2. 3　种子直径的增长动态
二倍体基本种的种子直径增长趋势除了普通甘
蓝在 25DAP基本定型外 ,都是在 20DAP到达稳定
状态(图 2A)。这与角果宽度的增长基本一致 。另
外 ,白菜型油菜的种子直径在 5 ～ 15DAP阶段中增
长速度较快 ,随后减慢 ,普通甘蓝和黑芥则分别在
10 ～ 25DAP和 10 ～ 20DAP阶段中种子直径增长最
快。
图 2　种子直径增长的动态变化
F ig. 2　　Dynam ic changes of pod surface area
　　对于多倍体复合种来说 ,甘蓝型油菜的种子直
径比芥菜型油菜和埃塞俄比亚芥要大 ,但三者都是
在 20DAP后种子直径变化趋于稳定(图 2B)。同一
种的不同品种间种子直径变化具有一定的差别 。如
尽管甘蓝型油菜的 3个品种在 5 - 10DAP范围内种
子直径数据基本一致 ,但是在 20DAP时 ,品种 1256
的种子直径明显低于品种 2685和 1219,但后两者
的则基本相同。而就芥菜型油菜而言也有相似的情
况 。如在 5DAP时 , 3个品种的种子直径非常接近 ,
但在后面的发育过程中展示出了极大的变化 ,在
25DAP时 ,品种 2356和 0857的种子直径明显高于
品种 2194。另外 , 10 ～ 20DAP是多倍体复合种种子
直径增长最快速的时期。
多倍体复合种的种子直径增长动态与二倍体亲
本相比 ,其品种内出现了明显的分化 ,如甘蓝型油菜
品种 2685和 1219的种子直径变化与甘蓝类似 ,而
品种 1256则偏向于白菜型油菜。而芥菜型油菜品
种 2356和 0857的种子直径变化偏向于白菜型油
菜 ,品种 2194的种子直径数值变化则偏向于黑芥 。
埃塞俄比亚芥的种子直径变化偏向于其祖先二倍体
种黑芥 ,而与另一祖先亲本甘蓝相差比较大。
2. 4　种子干物质的积累
本研究中所观察的二倍体种的籽粒干重均随授
粉后天数的增加而增加 (图 3A)。除了黑芥外 ,其
它种在 20DAP前 , 籽粒干重的增加比较缓慢 ,而
20DAP后籽粒干重迅速增加。 15DAP是黑芥籽粒
干重迅速增加的一个转折点 ,在此之前 ,增加的幅度
较小 ,其后则增加幅度较大。值得一提的是 ,白菜型
油菜在 30DAP -成熟期之间籽粒干重增加的幅度
又有所下降 ,而甘蓝则是在 35DAP -成熟期 ,黑芥
在 25DAP -成熟期籽粒干重的增加幅度减小 (图
3A)。成熟期甘蓝的籽粒干重比较大 ,黑芥比较小 ,
而白菜型油菜则处于两者之间。
在多倍体复合种中 , 7个品种的籽粒干重变化
规律与其祖先二倍体种基本类似 (图 3B)。同时也
具有 20DAP前籽粒干重的增加比较缓慢 ,而 20DAP
后籽粒干重增加迅速的规律。在 35DAP后籽粒干
重增加幅度有所下降(图 3B)。另外 ,甘蓝型油菜的
3个品种在籽粒干重的数值也基本相似 ,而芥菜型
油菜品种 2194的籽粒干重则和另外两个品种 2356
和 0857的相差比较大。埃塞俄比亚芥的籽粒干重
数值变化与芥菜型油菜品种 2356和 0857的基本相
似。
总体来看 ,多倍体复合种的籽粒干物重积累规
律与其祖先二倍体种基本类似 。甘蓝型油菜的 3个
品种在籽粒干物重上变化基本相似 ,与其祖先甘蓝
的变化很接近;芥菜型油菜品种 2194的籽粒干物重
偏向于黑芥 ,而品种 2356和 0857的籽粒干重增加
变化偏向于白菜型油菜;埃塞俄比亚芥的籽粒干重
处于其两个祖先二倍体亲本甘蓝和黑芥之间 。
260 中国油料作物学报　2006, 28(3)
图 3　种子干重增加的动态变化
F ig. 3　　Dynam ic changes of seed dry w e igh t
3　讨论
通过黑芥和甘蓝 、黑芥和白菜型油菜 、甘蓝和白
菜型油菜的种间杂交 ,多倍化后分别形成了异源四
倍体埃塞俄比亚芥 、芥菜型油菜和甘蓝型油菜 [ 3, 5] 。
芸薹属多倍体作物在染色体加倍后 ,其基本外观性
状与其祖先二倍体相比发生了不同程度的分化 。如
从花柱及柱头的大小上 (表 2所示),甘蓝型油菜 3
个品种花柱及柱头大小变化都偏向于其祖先二倍体
种之一甘蓝 。芥菜型油菜 3个品种的花柱长处于其
两个祖先亲本之间;花柱宽则比两个祖先种的都小;
而柱头直径比黑芥的大 ,但与白菜型油菜的接近 。
埃塞俄比亚芥的花柱大小偏向于甘蓝 ,而柱头直径
则与其另一祖先二倍体种黑芥的非常接近。同理 ,
在角果的长度与宽度 (图 1A - D)、种子直径大小变
化 (图 2B)及籽粒干物重积累规律(图 3B)上 ,也分
别体现出同一多倍体品种内呈现出了较大的分化。
总之 ,多倍体复合种在花柱 、柱头及角果发育性
状上表现出或处于两个祖先二倍体亲本之间 ,或只
偏向于其中一个祖先亲本 。同一个多倍体品种在不
同发育性状上具有不同的表现 ,即在某一发育性状
上偏向于其祖先亲本之一 ,而在另一发育性状上 ,则
偏向其另一祖先亲本 。该研究结果与我们在种皮纹
饰 [ 7]及栅栏层发育上 [ 13]得出的结论基本一致 。众
所周知 ,多倍体的发育性状是基因表达和调控的产
物 。如角果长度 [ 14]和种子千粒重 [ 15]是受核基因控
制的。考虑到多倍体杂种的形成有多起源方
式[ 16, 17] ,而且角果发育受各种不同因素如遗传 、生
理及环境因素等的影响 [ 18] ,因此由不同倍性杂交产
生的种子常常显示出不同的表现型 ,且主要依赖于
母本中谁贡献更多的染色体 [ 19] ,表明父母本的基因
组在功能上并不是同等的。多倍体在经过杂交多倍
化后迅速发生的重组过程在基因组结构和遗传特性
等方面不是表现为祖先基因组的简单相加 ,而是表
现许多非孟德尔式的遗传变异 [ 20] 。同时 , 通过
DNA排除 (elim ina tion)、DNA同质化 (homogen iza-
tion)、基因沉默 (gene silencing)和染色体重排
(chromosoma l rearrangemen t)等过程对多倍体基因
组进行改组或重建[ 4] 。因而使得多倍体中不同发
育性状的变化更加复杂多样 。
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ZENG Chang - Li
1, 3 , WU X iao -M ing2 , WANG Jian - Bo3
(1. College ofMedicine and Life Sciences, J ianghan University, Wuhan , 430056, China;
2. Institute ofO il Crop R esearch , Ch inese Academy of Agricultura lS ciences, Wuhan , 430062, Ch ina;
3. Key Laboratory ofMOE for P lantDevelopmen ta lB iology , Wuhan University, Wuhan , 430072, China)
Abstract:Based on the comparative ana ly sis of style, stigm a size, pod leng th and w id th , pod surface a rea,
seed d iame ter and dry w eigh tbetw een amphidiploids and their pu tative diplo id ancesto rs, we obse rved that some ac-
cessions o f amphidiploids revealed intermediate state be tw een the two puta tive paren ts, othe rs resemb led only one o f
the paren ts. Fu rthermo re, the same amphidiplo id show ed different representa tion in d iffe rent deve lopmen tal charac-
ters, .i e. the amph idip lo id resembled one o f the parents in one deve lopmenta l characte r, bu t it resemb led the o ther
in ano ther cha racter.
Key words:B rassica;Amph id ip lo ids;S ty le;Pod;Deve lopment;Evo lution
262 中国油料作物学报　2006, 28(3)