菊屬植物的細(xì)胞學(xué)和分子遺傳研究進(jìn)展

狹義菊屬（以下簡稱菊花）屬于菊花和春黃菊科。我國是菊屬植物的分布中心,日本、朝鮮、俄羅斯等地也有分布。新種或變種的不斷發(fā)現(xiàn)、天然或人工雜交種的產(chǎn)生、菊屬近緣屬種的不同歸屬等使菊屬組成存在很大分歧。Ohashi等把磯菊(D.pacificum)、鹽菊(D.shiwogiku)歸在菊屬里,而Bremer等則把它們歸到亞菊屬;Kitamura把我國的多花亞菊(Ajaniamyriantha)和櫟葉亞菊(A.quercifolia)也一起歸到了菊屬。在日本,有許多種間雜種被作為新種處理,如鷲敷菊(D.×cuneifolium)、D.×leucanthum、D.×shimotomaii、D.×konoanum、花磯菊(D.×marginatum)等。在我國,也不斷有新種和新變種的報道。林镕等認(rèn)為菊屬有37個種,在中國分布的有22種;Zhang等則報道菊屬約有50個種,在日本分布約有20種。到目前為止,菊屬到底有多少個種或變種都無定論。為了闡明菊屬種的形成、演化、分類地位和種間親緣關(guān)系,不同作者從不同側(cè)面開展了大量的細(xì)胞學(xué)與分子細(xì)胞遺傳學(xué)研究,筆者就此進(jìn)行綜述,以期對菊屬系統(tǒng)發(fā)生、物種間親緣關(guān)系研究及栽培菊花的遺傳改良提供一定的指導(dǎo)。1鹽菊品種染色體核型的變化根據(jù)文獻(xiàn)資料整理結(jié)果,菊屬大約有43個種(不包括日本歸于菊屬的亞菊組4個種)和18個變種(亞種),它們以染色體基數(shù)9形成一個從二倍體到十倍體的多倍體系列,同時存在種內(nèi)多倍體,部分種的倍性尚無記載,尤其是原產(chǎn)我國的一些種。菊屬植物的種、亞種、變種或變型及倍性和產(chǎn)地見表1。栽培菊花(D.×grandiflorum(Ramat.)Kitamura)是菊屬里觀賞和經(jīng)濟(jì)價值最高的一個種,包括切花菊、盆栽菊、展覽菊、食用菊等不同類群數(shù)千個品種。栽培菊花品種大多為六倍體及非整倍體,但染色體數(shù)目變幅極大,從2n=36,45,51～75+B到85,以2n=54為分布高峰。不同類型品種染色體數(shù)目存在較大差異,Endo對日本展覽菊的80個大花型、32個中花型和14個小花型品種進(jìn)行染色體計數(shù),發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目變幅為52～75+B。不同花徑品種染色體數(shù)目存在顯著差異,大花品種染色體數(shù)目變幅最大,為54～75+B;中花型品種染色體數(shù)目變幅為52～56;小花型品種染色體數(shù)目變幅最小,為54±1。當(dāng)對127個切花菊品種、11個盆菊品種、137個食用菊品種進(jìn)行研究時,發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)為2n=36～66,其中大花、中花切花菊品種和盆栽品種染色體數(shù)目變幅較小(2n=53～56);食用菊染色體數(shù)為53～66。在大花和中花切花菊品種里,花期和花色與染色體數(shù)目沒發(fā)現(xiàn)有相關(guān)性,花徑與染色體數(shù)目的相關(guān)性也僅存在大花類個別花型品種中,許多大花品種的染色體數(shù)并不多;但在食用品種里,染色體數(shù)與花期和花徑相關(guān)。李懋學(xué)等對我國21個栽培品種進(jìn)行了染色體觀察,發(fā)現(xiàn)它們多為六倍體至接近八倍體或非整倍體(2n=52～71),并認(rèn)為染色體數(shù)與花徑呈一定正相關(guān)。因此,總體而言,栽培菊花從小菊、中菊到大菊品種,染色體數(shù)目與花徑存在一定正相關(guān),而在各自類型的品種中花徑與染色體數(shù)目無相關(guān)性。菊屬植物廣泛存在B染色體,但野生種出現(xiàn)B染色體的概率低于栽培品種。Endo對284個不同類型品種B染色體的出現(xiàn)概率進(jìn)行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)B染色體在不同類型菊花品種中出現(xiàn)的概率也存在很大差異,平均出現(xiàn)概率為10.9%;非整倍體出現(xiàn)B染色體的概率高于整倍體;部分品種所有觀察植株和細(xì)胞都存在B染色體,但有些品種B染色體的出現(xiàn)呈隨機(jī)性;90.7%的品種(含B染色體)有1條B染色體,其余為2條,其大小約為最小常染色體的一半,分亞中著絲粒、中著絲粒和亞端著絲粒3種類型,出現(xiàn)的概率分別為54.6%、27.3%、18.2%。菊屬種或種間雜種的染色體數(shù)存在變化。陳發(fā)棣等發(fā)現(xiàn)一個野菊地理居群的染色體數(shù)為2n=4x+1=37。Aoyama等對3個鹽菊個體、16個菊花品種、40個F1和68個BC1進(jìn)行染色體記數(shù),發(fā)現(xiàn)鹽菊和栽培品種一樣存在非整倍體,F1的染色體數(shù)為2n=60+B到68,平均約63;BC1的染色體數(shù)變化很大,從53～65,平均59;2個鹽菊個體和1個栽培品種及13個F1、12個BC1個體觀察到了B染色體;在所有組合后代均觀察到非整倍體,說明非整倍體品種和雜種并非不育;染色體數(shù)與品種、F1和BC1雜種的花徑不存在相關(guān)性。2中部顯帶的分布和顯帶時代菊屬植物的染色體分帶包括C-分帶和CMA(chromomycinA3)、DAPI(4′,6-diamidino-2-phenylindole)熒光分帶,但研究報道較少。Taniguchi通過對日本37個地點收集的276個野菊(D.indicum)個體進(jìn)行C-分帶研究,發(fā)現(xiàn)帶紋在形態(tài)、大小、位置和數(shù)量上均存在很大差異,端部顯帶的染色體數(shù)有2～30條;中部或近中部顯帶的有0～6條。根據(jù)帶型和地理條件不同,把野菊歸為3組,A組平均有36條帶,分布在Tsushima地區(qū);B組有15～24條帶,分布在比較寒冷的山區(qū);C組有4～14條帶,分布在比較溫暖和干燥的地區(qū),認(rèn)為染色體分化和生態(tài)型相關(guān)。Kondo等對不同地理居群野路菊(D.japonense)和毛華菊(D.vestitum)進(jìn)行CMA和DAPI熒光分帶分析。CMA只在核仁組織區(qū)(NOR)顯帶,依來源不同,野路菊顯5～8條帶,而毛華菊為8～10條帶;DAPI帶則位于染色體的端部,野路菊居群間長臂和短臂都顯端帶的有13～17條染色體,僅長臂顯端帶的有34～39條染色體,毛華菊長臂和短臂都顯端帶的有1～3條染色體,長臂顯端帶的有17～22條染色體。野路菊比毛華菊顯更多的DAPI條帶,帶型的不同表明它們可能存在不同的祖先。Tanigushi認(rèn)為日本的野菊和中國的野菊熒光帶型不同,特別是DAPI帶型的差別可能主要來自地理隔離和異染色質(zhì)的主動分化。Khaung等根據(jù)著絲粒DAPI帶型差異,認(rèn)為泡黃金菊(D.boreale)和龍腦菊(D.makinoi)曾經(jīng)發(fā)生過染色體重組,并認(rèn)為那賀川野菊(D.yashinagantha)的染色體組包含不止一個二倍體供體。3d.zoarar.latilobum居群到目前為止,至少對約30個菊屬種或變種進(jìn)行了核型分析(表2)[16,17,23,31,32,49,50,51],從表中可以看出,菊屬植物的染色體組成以中著絲粒染色體(m)最多,其次分別為近中(sm)、近端(st)和端著絲粒染色體(t)。Kim等對D.zawadskiivar.latilobum、泡黃金菊、3個韓國產(chǎn)二倍體野菊不同居群個體進(jìn)行核型研究,發(fā)現(xiàn)不同居群間或同一居群體不同個體間核型存在很大分化,如4個D.zawadskiivar.latilobum居群31個個體表現(xiàn)出17種核型。陳發(fā)棣等也發(fā)現(xiàn)不同地理居群野菊核型存在差異。另外,在泡黃金菊、小紅菊(D.chanetii)、甘菊(D.lavandulifolium)、薩摩野菊(D.oreastrum)、毛華菊等種中也都報道了不同的核型,表明野生菊的核型變化非常普遍,不同核型居群或個體間可能反復(fù)發(fā)生相互雜交和易位。我國的毛華菊和日本的野路菊舌狀花均為白色,有相同的染色體數(shù)(2n=54),被認(rèn)為是親緣關(guān)系很近的兩個種,但兩個種的核型不同。毛華菊在形態(tài)上與日本的龍腦菊很相似,且有相同的核型特征,但它們的染色體倍性相差很遠(yuǎn),毛華菊好象是龍腦菊的一個多倍體。Endo等對不同用途、不同花徑和花型的17個菊花品種進(jìn)行核型分析,發(fā)現(xiàn)最長染色體為3.9～5.8μm(平均4.9μm)、最短染色體為1.7～3.3μm(平均2.6μm);77.8%的品種有1～7條隨體染色體,其中1～4條最為常見,個別品種有5～7條;所有品種的核型組成表現(xiàn)明顯的雜種性,雜合的核型似乎與非整倍體有緊密的相關(guān)。Endo等對32個芽變和25個親本進(jìn)行染色體觀察,發(fā)現(xiàn)只有5個芽變(15.6%)與親本相比增加或減少了1條染色體,但大多數(shù)芽變體的核型發(fā)生了變化,表明芽變可能主要是由染色體的結(jié)構(gòu)變異造成的。4菊屬植物的染色體配對行為Tanaka、Nakata等對20個不同倍性(四、六、八和十倍體)的日本菊屬植物的減數(shù)分裂行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)所有種的染色體在減數(shù)分裂中期Ⅰ以二價體構(gòu)型為主,偶有多價體出現(xiàn),野路菊54條染色體全部穩(wěn)定配成27個二價體,認(rèn)為它們可能是包含配對控制基因的同源多倍體,多價體的出現(xiàn)表明基因組間存在易位等結(jié)構(gòu)變異。陳發(fā)棣等、Watanabe也報道了不同倍性野生菊二倍體化的減數(shù)分裂行為,但認(rèn)為菊屬植物的進(jìn)化是一個異源多倍體化的過程。Riley等發(fā)現(xiàn)小麥的5B染色體上有一個抑制部分同源染色體配對的基因,類似的控制機(jī)制也存在于六倍體燕麥和四倍體棉花和煙草中。所以,菊屬里也可能存在優(yōu)先配對或如5B基因的遺傳控制。Nakata等發(fā)現(xiàn)菊屬二倍體種間雜種染色體在減數(shù)分裂中期Ⅰ也配成正常的二價體,但陳發(fā)棣等觀察到二倍體間雜種配對的二價體在中期提前解離或呈松散配對狀態(tài),認(rèn)為存在控制提前解離的基因或基因組間為部分同源關(guān)系。但其他倍性雜種在減數(shù)分裂中期Ⅰ染色體基本配成二價體,單價體和多價體的數(shù)目明顯低于理論值,其中三倍體雜種出現(xiàn)單價體和多價體的數(shù)目最多。Watanabe對人工誘導(dǎo)的多倍體進(jìn)行研究時也觀察到二倍體化的染色體配對行為。陳發(fā)棣等對3個藥用菊品種(2n=54)進(jìn)行細(xì)胞學(xué)研究時,發(fā)現(xiàn)在花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂中期Ⅰ,3個品種的染色體也都能較好地配成二價體。Roxas等對日本Higo品種群的16個品種減數(shù)分裂行為進(jìn)行研究,同樣觀察到以二價體構(gòu)型為主的染色體配對行為,少有單價體和四價體出現(xiàn)。在所有品種中,后期Ⅰ和后期Ⅱ觀察到了落后染色體和染色體橋;在四分體時期,觀察到大小不等或數(shù)量異常的小孢子。這些異常行為與非整倍體的形成、染色體的結(jié)構(gòu)變異和花粉的育性可能存在一定的相關(guān)性。5菊屬dna重復(fù)序列的分布和形態(tài)AbdEl-Twab等對泡黃金菊、小紅菊、野菊、甘菊、野路菊、那賀川野菊、毛華菊等不同倍性物種的種間雜種以親本種基因組為探針,進(jìn)行基因組原位雜交分析(genomicinsituhybridization,GISH)時,未能將雙親的基因組區(qū)分開,表明基因組間有很高的同源性,彼此間親緣關(guān)系很近。在廣義菊屬里,亞菊屬被認(rèn)為與菊屬的親緣關(guān)系最近,均屬菊亞族。在日本,亞菊屬甚至被歸到了菊屬里,作為菊屬的一個組。AbdEl-Twab等對屬間雜種甘菊×疏齒亞菊(D.lavandulifolia×A.remotipinna)以疏齒亞菊基因組為探針進(jìn)行GISH分析時發(fā)現(xiàn),僅有1條亞菊屬染色體產(chǎn)生很弱的雜交信號,表明它們的基因組的確存在很高的同源性。另外,兩個屬間存在許多雜種;菊屬一些種與亞菊屬的親緣關(guān)系比菊屬種間親緣關(guān)系還要近,所以把亞菊屬獨立于菊屬還值得懷疑。DNA重復(fù)序列在染色體中的分布研究將有助于洞察植物基因組的組成、進(jìn)化和行為。高等植物的基因組里,DNA重復(fù)序列至少占DNA的20%,有時甚至占到80%以上。在高等真核生物里,核糖體DNA(rDNA)包括編碼18S-5.8S-26S(45S)和5SrRNA的基因,主要由重復(fù)序列組成。AbdEl-Twab等利用5SrDNA作探針對不同菊屬植物進(jìn)行熒光原位雜交分析(FISH),觀察到二倍體龍腦菊、泡黃金菊、D.horaimontana、甘菊有2個雜交信號;四倍體小紅菊、野菊、那賀川野菊、若狹濱菊(D.makinoivar.wakasaense)有4個雜交信號;六倍體野路菊和毛華菊有8個雜交信號。在菊屬里,5SrDNA的雜交信號數(shù)似乎與倍數(shù)性相關(guān)(表3)。45SrDNA位于核仁組織區(qū),以其為探針進(jìn)行FISH時,雜交信號數(shù)相當(dāng)于基因組里附隨體的染色體數(shù),每個染色體組平均雜交信號出現(xiàn)頻率越高種越原始。CMA熒光分帶雖然也能反映NOR區(qū)域,但因染色體制片技術(shù)等的原因,條帶數(shù)常比45SrDNAFISH的雜交信號數(shù)少,而FISH結(jié)果準(zhǔn)確性較高。在二倍體種里,甘菊被認(rèn)為比泡黃金菊原始,45SrDNA的熒光原位雜交信號也支持了這一觀點,甘菊有8個雜交信號,而泡黃金菊只有6個信號;甘菊最原始,D.horaimontana最進(jìn)化,且隨著倍數(shù)性的提高,45SrDNA的信號頻率下降。二倍體泡黃金菊和龍腦菊被認(rèn)為是四倍體野菊和那賀川野菊的親本,這4個種和小紅菊彼此有很近的親緣關(guān)系。但是,四倍體種的形成不像是二倍體種染色體組的簡單加倍,因為當(dāng)用pTa7145SrDNA做探針進(jìn)行熒光原位雜交時,四倍體雜交信號數(shù)并不是二倍體的2倍,如泡黃金菊有6個雜交信號,龍腦菊有4個雜交信號,而那賀川野菊有10個雜交信號或4個雜交信號,不支持菊屬種的同源多倍體起源。日本野菊有8個雜交信號,中國野菊有12個雜交信號,表明同一種不同地理居群間存在遺傳分化;野菊與那賀川野菊至少有1個染色體組不同,它們在核型分化上有不止1個祖先。但龍腦菊和若狹濱菊的45SrDNA和5SrDNA熒光原位雜交信號數(shù)的出現(xiàn)頻率(每個染色體組平均雜交信號數(shù))均相同,進(jìn)一步表明若狹濱菊可能是龍腦菊的同源多倍體。二倍體的龍腦菊還被認(rèn)為是六倍體野路菊的一個親本,野路菊和毛華菊有較近的親緣關(guān)系。Nakata等推測毛華菊可能是龍腦菊的自然多倍體,但毛華菊有10個45SFISH雜交信號,每染色體組平均頻率為18.5%,而龍腦菊為22.2%,所以毛華菊基因組包含不止一個供體,應(yīng)該是一異源多倍體;同樣六倍體