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摘 要 甘蔗是非整倍性异源多倍体作物,遗传背景高度复杂,其细胞生物学研究难度大。近年分子标记技术以及原位杂交技术等快速发展使甘蔗细胞学研究也取得明显进展。本文主要围绕甘蔗核型、染色体行为、原位杂交技术在甘蔗上的应用展开综述,以期为高倍体植物细胞学研究提供参考。
关键词 甘蔗;多倍体;染色体;原位杂交技术
中图分类号 TQ352 文献标识码 A
Abstract Sugarcane is an euploid allopolyploidy with complex genetic background, its cytological study was thus considered to be challenging. In these years,significant progresses for the cytology of sugarcane have been made based on the rapid development of molecular marker technology and in situ hybridization. Here, to provide the reference for cytological study in high polyploidy plant, we reviewed the germplasm resources, karyotype, chromosome behavior, and in situ hybridization technique for sugarcane.
Key words Sugarcane; Olyploidy; Chromosome; In situ hybridization
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.07.030
甘蔗(Saccharum officinarum)属是禾本科甘蔗亚族中10个属之一,与蔗茅属(Erianthus)、芒属(Miscanthus)、河八王属(Narenga)组成“甘蔗属复合体(Saccharum Complex)”。甘蔗属主要包括6个成员,热带种(S. officinarum L.)、中国种(S. sinense Roxb.)、印度种(S. bareri Jesw.)、割手密(S. spontaneum L.)、大茎野生种(S. robustum Brandes and Jeswiet ex Grassll)和食穗种(S. edule Hassk)[1],前三者为栽培种,其余为野生种。
甘蔗是一种以非整倍性和多倍性而著称的多年生热带亚热带作物,作为一种C4植物,甘蔗能高效将太阳能转化为化学能,是工业生产上较高的能源作物之一。因此,对甘蔗开展进一步研究具有重要意义。但是甘蔗染色体数目多,形态相似,压片技术难以把握、遗传背景复杂等困难给研究工作带来了极大的挑战,一直以来取得的科研成果难以给后来研究者提供可靠的依据,因此,甘蔗细胞学的研究特别是分子水平的研究难以取得突破性的进展。本文综述了近几十年来甘蔗核型、染色体行为、原位杂交技术在甘蔗上应用的研究近况,期望为甘蔗分子生物学研究乃至多倍体作物细胞生物学研究工作提供理论参与。
1 甘蔗染色体核型
1.1 核型概况
栽培种甘蔗是异源杂合非整倍体作物,染色体数目较多(一般2n>100),形态小、相似性较高,因此,对精确分析甘蔗核型的工作带来了挑战,随着过去20 a许多科研工作者对甘蔗研究的不断努力,在甘蔗染色体形态、大小、数目、基因结构、进化等诸多方面有了初步了解。甘蔗染色体大小为1~6 μm左右,属于禾本科植物中较小的染色体,且不同染色体的大小非常接近,不易辨认[2-3]。甘蔗染色体大多数为中部着丝点(m)染色体,少部分为近中部着丝点(sm)染色体,核型大部分为2B型,甘蔗近缘种斑茅为1A型染色体[4],根据Stebbins[5]植物染色体核型按对称性程度高低分类(1A、2A、3A、4A;1B、2B、3B、4B;1C、2C、3C、4C)标准,甘蔗属以及近缘属染色体都属于较原始的核型。上述研究结果还表明了随着祖亲代野生种向高世代杂交栽培种的演化,表现出一致的特征:随着杂交次数及祖亲血缘的不断增加,染色体数目将按一定的方式增加,中部着丝点染色体所占比例逐渐减少,核型从对称向不对称方向演化,基本符合物种进化趋势。
1.2 异染色质与物种进化研究
甘蔗属的染色体异染色质程度高低不同。对甘蔗3个品种Giemsa-C带分析表明:割手密野生种和热带种异染色质程度较低,中国种异染色质含量高[6]。据有关报道[7]高等生物异染色质含量多少与物种进化程度高低有关,所以中国种应该是进化程度较高的物种,割手密是进化上较为原始的物种。同时庄伟建对甘蔗4个种十多份材料进行了染色体形态学研究,其中割手密和热带种的染色体较对称,而中国种和印度种的染色体较不对称[6],即印度种和中国种进化程度较高。尽管没有直接的证据,大家一般认为食穗种是热带种或大茎野生种与近缘属种杂交而来,加上一直以来都假定大茎野生种是热带种的祖先,以及大茎野生种可能由割手密种和蔗茅属、硬穗茅属和芒属发生基因渗透进化而来[8],Waldrona和Glaszioud[9]的酯酶同工酶分析支持割手密作为甘蔗进化起点,以上论点可作为推测甘蔗属中6大种进化程度关系的依据。
1.3 染色体数目探索
染色体是遗传物质的主要载体,染色体数目的变化与表现型的变异关系密切。观察作物的染色体已成为作物育种和细胞遗传的重要研究手段。甘蔗染色体数目多,并且品种之间染色体数目变化幅度大,即使同一品种在不同组织或不同生育期,观察到的染色体数目也不尽相同[10]。下面将具体介绍甘蔗不同种属的染色体数目情况: