论文部分内容阅读
摘要：基于植物细胞染色体制片技术，分别对25个玉米地方品种和25个自交系B染色体进行镜检鉴定。玉米B染色体表现出与其他生物B染色体相似的特征，其大小略大于常染色体（第10号染色体）的一半，B染色体在细胞中的随机分布和异常分离是其在细胞和植株个体间变化的主要原因。在2种玉米品种（系）类型的供试材料中，玉米地方品种B染色体数目在細胞中呈现0B～3B的变化，具B染色体的品种占同类地方品种数的36%，占供试材料总数的18%；玉米自交系中B染色体存在频率明显低于地方品种，具B染色体的自交系仅占供试材料的6%。结果表明，B染色体的偏向分布及选择受精保证其在上下代间遗传传递，然而生物的连续多代自交有可能破坏B染色体的选择受精机制，造成B染色体丢失，降低其遗传传递频率。
关键词：玉米；地方品种；自交系；B染色体；频率；特征；细胞学鉴定；遗传传递机制
中图分类号： S513.032 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）03-0079-03
B染色体是存在于许多生物细胞内，其形态特征、传递方式及其遗传效应与正常染色体不同的超数染色体[1]。自20世纪20年代在燕麦和玉米中最早发现B染色体以来，迄今已证实它存在于1 500余种植物中。近100年来，B染色体因其特殊的遗传方式引起人们的极大关注，有不少从群体、个体、细胞和分子水平进行B染色体相关研究的报道[2-3]。然而，对其本质的认识却是未知大于已知，目前有关B染色体的起源与进化众说纷纭，B染色体遗传研究一直是细胞遗传学和分子生物学的一大热点[3-4]。
玉米作为细胞遗传学研究的模式生物，对其B染色体遗传研究引起了人们的极大关注。前人以玉米自交系为试验材料开展了广泛的细胞生物学研究，有关玉米地方品种B染色体的研究却少有报道[5-6]。本研究以遗传背景复杂的玉米地方品种和遗传背景单一的玉米自交系为材料，通过B染色体细胞学鉴定，在细胞染色体水平分析B染色体在不同玉米品种（系）类群及同一品种（系）类群不同品种（系）间的分布频率，探讨玉米B染色体遗传传递机制，同时为玉米B染色体细胞生物学研究奠定物质基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
在长江师范学院玉米种质资源库中分别选取玉米地方品种和自交系各25份作供试材料，各试验材料取30粒种子在人工培养箱中发根，以根尖为材料进行染色体制片，1粒种子获取1个根尖制片细胞，鉴定细胞B染色体。玉米地方品种和自交系名称、来源及籽粒特性见表1。
1.2 细胞染色体制片
待人工培养箱中发芽种子根长为0.5～1.0 cm时切取根尖，将根尖材料置于α-溴萘饱和水溶液中进行3～4 h的预处理；用95%乙醇-冰醋酸（体积比3 ∶1）固定液固定预处理根尖材料；采用酶解法，将材料移入0.5%果胶酶和2%纤维素酶混合液中解离；切取根尖分生区组织于载玻片上，卡宝品红染色制片。
1.3 镜检鉴定B染色体
在光学显微镜下寻找各根尖染色体制片中的最好有丝分裂相。先在（10×）或（40×） 倍镜下寻找细胞有丝分裂中期分裂相视野，再用油镜（100×）观察、识别B染色体。参照罗鹏的方法[1]，如果在一个细胞有丝分裂相中出现1个超数染色体（B染色体），计为1B细胞，出现2个B染色体，则计为2B细胞，依次类推。在各供试材料的30个细胞中出现B染色体细胞，则视作具有B染色体品种（系）。
2 结果与分析
2.1 B染色体在玉米细胞有丝分裂相中的特征
玉米地方品种和自交系正常染色体，即常染色体（A染色体）均有10对（2n=20），其中3对中部着丝粒染色体，6对近中着丝粒染色体，1对近端着丝粒染色体。在有丝分裂过程中，B染色体表现出高度异染色质化，多为近端着丝粒，少部分为中部着丝粒，极少部分B染色体呈点状（图1），且玉米B染色体略大于最小的常染色体（第10号染色体）的一半。在细胞有丝分裂中期，多数B染色体位于细胞中央赤道板，而少数B染色体则在细胞内随机分布，有丝分裂后期B染色体不分离或落后于正常染色体分离。光学显微镜下玉米B染色体表现出与其他生物B染色体相似的特征，B染色体在细胞中的随机分布和异常分离是B染色体数目在细胞和植株个体间变化的主要原因。
2.2 玉米地方品种中的B染色体
由表2可见，玉米地方品种B染色体数目在细胞中呈现0B～3B的变化。就供试的25个玉米地方品种而言，9个地方品种的细胞有B染色体，而16个品种未发现B染色体，可见具有B染色体的品种占同类地方品种数的36%，占供试材料总数的18%。在镜检鉴定的30个细胞中，地方品种DP15和DP18各有2、1个细胞存在3B染色体，在3个地方品种DP6、DP7、DP13中发现有2B染色体，而1B染色体在具有B染色体的9个地方品种中均有存在。在镜检鉴定的25×30个细胞中，具有0B、1B、2B、3B染色体的细胞数目分别占细胞总数的95.63%、3.33%、0.67%、0.40%。
2.3 玉米自交系中的B染色体
玉米自交系中B染色体存在频率极低，在供试的25个玉米自交系中仅在3个自交系B73、X7854、Scmc193中镜检发现B染色体，占同类自交系材料的12%，占供试材料总数的6%（表2）。就镜检鉴定的30个细胞而言，自交系B73分别有3、2、1个细胞存在1B、2B、3B染色体；在X7854中发现各有1个细胞存在1B、3B染色体；在Scmc193中仅在1个细胞中发现1B染色体。具有1B、2B、3B染色体的细胞分别占细胞总数（25 × 30）的0.67%、0.27%、0.27%，而98.79%的细胞未发现B染色体。由此可见，玉米自交系B染色体频率较地方品种低。
3 结论与讨论
3.1 玉米B染色体遗传 B染色体在细胞有丝分裂过程中的异常分布，导致B染色体非正常地遗传传递，从而产生同一物种的不同个体和不同的组织器官存在B染色体数目变化[7]。玉米B染色体遗传具有多数生物B染色体遗传的基本特征，本研究的50个玉米品种（系）供试材料1 500（50 × 30）个细胞镜检鉴定结果表明，不同类型的玉米品种（系）B染色体频率差异极大，具有B染色体的玉米地方品种类型占供试材料总数的6.0%，而自交系类型仅占供试材料总数的1.5%；同一类型的不同玉米品种（系）材料间观察的30个细胞B染色体数目呈现 0B～10B 变化，同一品种（系）的不同细胞间呈现0B～3B的数目变化。玉米B染色体表现出明显的偏向分离和不均匀分布，同时B染色体的不分离、偏向分布及选择性受精使其在世代间传递。
3.2 玉米B染色体的遗传传递机制
现已发现B染色体广泛存在于不同物种（包括两栖类、爬行类动物和昆虫）中。就植物而言，B染色体多存在于遗传基础复杂的异花授粉植物中，而极少存在于遗传基础简单的自花授粉植物中[8]。本试验结果表明，B染色体在玉米地方品种中的分布频率明显高于自交系。玉米地方品种是经自然授粉形成的遗传基础复杂的混合群体，而玉米自交系是经人工多代自交产生的遗传基础简单的品种（系）类型。尽管B染色体的偏向分布及选择受精保证其在上下代间遗传传递，然而生物的连续多代自交有可能破坏B染色体的选择受精机制，造成B染色体丢失，降低其遗传传递频率。此外，本供试材料B73有较高的B染色体频率，说明B染色体的遗传背景，即B染色体与A染色体的寄生与互作關系也在较大程度上决定了B染色体的遗传传递和命运。
参考文献：
[1]罗 鹏. 植物细胞遗传学[M]. 北京：高等教育出版社，1991：189-190.
[2]齐克森. 玉米B染色体的细胞遗传研究[J]. 贵州农学院学报，1994，13（3）：1-5.
[3] Jones R N，Viegas W，Houben A. A century of B chromosomes in plants[J]. Annals of Botany，2008，101：767-775.
[4]王玉元. 染色体遗传中的一个不解之谜——B染色体[J]. 武汉植物学研究，1997，15（1）：73-79.
[5]Ricci G L，Silva N，Pagliarini M S，et al. B chromosomes in popcorn（Zea mays L.）[J]. Genetics and Molecular Research，2007，6（1）：137-143.
[6]Lia V V，Confalonieri V A，Poggio L. B chromosome polymorphism in maize landraces：adaptive vs. demographic hypothesis of clinal variation[J]. Genetics，2007，177（2）：895-904.
[7]Lamb J，Kato A，Birchler J. Sequences associated with A chromosome centromeres are present throughout the maize B chromosome[J]. Chromosoma，2005，113（7）：337-349.
[8]Jones N. B chromosomes in plants[J]. Plant Biosystems，2012，146（3）：727-737.
关键词：玉米；地方品种；自交系；B染色体；频率；特征；细胞学鉴定；遗传传递机制
中图分类号： S513.032 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）03-0079-03
B染色体是存在于许多生物细胞内，其形态特征、传递方式及其遗传效应与正常染色体不同的超数染色体[1]。自20世纪20年代在燕麦和玉米中最早发现B染色体以来，迄今已证实它存在于1 500余种植物中。近100年来，B染色体因其特殊的遗传方式引起人们的极大关注，有不少从群体、个体、细胞和分子水平进行B染色体相关研究的报道[2-3]。然而，对其本质的认识却是未知大于已知，目前有关B染色体的起源与进化众说纷纭，B染色体遗传研究一直是细胞遗传学和分子生物学的一大热点[3-4]。
玉米作为细胞遗传学研究的模式生物，对其B染色体遗传研究引起了人们的极大关注。前人以玉米自交系为试验材料开展了广泛的细胞生物学研究，有关玉米地方品种B染色体的研究却少有报道[5-6]。本研究以遗传背景复杂的玉米地方品种和遗传背景单一的玉米自交系为材料，通过B染色体细胞学鉴定，在细胞染色体水平分析B染色体在不同玉米品种（系）类群及同一品种（系）类群不同品种（系）间的分布频率，探讨玉米B染色体遗传传递机制，同时为玉米B染色体细胞生物学研究奠定物质基础。
1 材料与方法
1.1 供试材料
在长江师范学院玉米种质资源库中分别选取玉米地方品种和自交系各25份作供试材料，各试验材料取30粒种子在人工培养箱中发根，以根尖为材料进行染色体制片，1粒种子获取1个根尖制片细胞，鉴定细胞B染色体。玉米地方品种和自交系名称、来源及籽粒特性见表1。
1.2 细胞染色体制片
待人工培养箱中发芽种子根长为0.5～1.0 cm时切取根尖，将根尖材料置于α-溴萘饱和水溶液中进行3～4 h的预处理；用95%乙醇-冰醋酸（体积比3 ∶1）固定液固定预处理根尖材料；采用酶解法，将材料移入0.5%果胶酶和2%纤维素酶混合液中解离；切取根尖分生区组织于载玻片上，卡宝品红染色制片。
1.3 镜检鉴定B染色体
在光学显微镜下寻找各根尖染色体制片中的最好有丝分裂相。先在（10×）或（40×） 倍镜下寻找细胞有丝分裂中期分裂相视野，再用油镜（100×）观察、识别B染色体。参照罗鹏的方法[1]，如果在一个细胞有丝分裂相中出现1个超数染色体（B染色体），计为1B细胞，出现2个B染色体，则计为2B细胞，依次类推。在各供试材料的30个细胞中出现B染色体细胞，则视作具有B染色体品种（系）。
2 结果与分析
2.1 B染色体在玉米细胞有丝分裂相中的特征
玉米地方品种和自交系正常染色体，即常染色体（A染色体）均有10对（2n=20），其中3对中部着丝粒染色体，6对近中着丝粒染色体，1对近端着丝粒染色体。在有丝分裂过程中，B染色体表现出高度异染色质化，多为近端着丝粒，少部分为中部着丝粒，极少部分B染色体呈点状（图1），且玉米B染色体略大于最小的常染色体（第10号染色体）的一半。在细胞有丝分裂中期，多数B染色体位于细胞中央赤道板，而少数B染色体则在细胞内随机分布，有丝分裂后期B染色体不分离或落后于正常染色体分离。光学显微镜下玉米B染色体表现出与其他生物B染色体相似的特征，B染色体在细胞中的随机分布和异常分离是B染色体数目在细胞和植株个体间变化的主要原因。
2.2 玉米地方品种中的B染色体
由表2可见，玉米地方品种B染色体数目在细胞中呈现0B～3B的变化。就供试的25个玉米地方品种而言，9个地方品种的细胞有B染色体，而16个品种未发现B染色体，可见具有B染色体的品种占同类地方品种数的36%，占供试材料总数的18%。在镜检鉴定的30个细胞中，地方品种DP15和DP18各有2、1个细胞存在3B染色体，在3个地方品种DP6、DP7、DP13中发现有2B染色体，而1B染色体在具有B染色体的9个地方品种中均有存在。在镜检鉴定的25×30个细胞中，具有0B、1B、2B、3B染色体的细胞数目分别占细胞总数的95.63%、3.33%、0.67%、0.40%。
2.3 玉米自交系中的B染色体
玉米自交系中B染色体存在频率极低，在供试的25个玉米自交系中仅在3个自交系B73、X7854、Scmc193中镜检发现B染色体，占同类自交系材料的12%，占供试材料总数的6%（表2）。就镜检鉴定的30个细胞而言，自交系B73分别有3、2、1个细胞存在1B、2B、3B染色体；在X7854中发现各有1个细胞存在1B、3B染色体；在Scmc193中仅在1个细胞中发现1B染色体。具有1B、2B、3B染色体的细胞分别占细胞总数（25 × 30）的0.67%、0.27%、0.27%，而98.79%的细胞未发现B染色体。由此可见，玉米自交系B染色体频率较地方品种低。
3 结论与讨论
3.1 玉米B染色体遗传 B染色体在细胞有丝分裂过程中的异常分布，导致B染色体非正常地遗传传递，从而产生同一物种的不同个体和不同的组织器官存在B染色体数目变化[7]。玉米B染色体遗传具有多数生物B染色体遗传的基本特征，本研究的50个玉米品种（系）供试材料1 500（50 × 30）个细胞镜检鉴定结果表明，不同类型的玉米品种（系）B染色体频率差异极大，具有B染色体的玉米地方品种类型占供试材料总数的6.0%，而自交系类型仅占供试材料总数的1.5%；同一类型的不同玉米品种（系）材料间观察的30个细胞B染色体数目呈现 0B～10B 变化，同一品种（系）的不同细胞间呈现0B～3B的数目变化。玉米B染色体表现出明显的偏向分离和不均匀分布，同时B染色体的不分离、偏向分布及选择性受精使其在世代间传递。
3.2 玉米B染色体的遗传传递机制
现已发现B染色体广泛存在于不同物种（包括两栖类、爬行类动物和昆虫）中。就植物而言，B染色体多存在于遗传基础复杂的异花授粉植物中，而极少存在于遗传基础简单的自花授粉植物中[8]。本试验结果表明，B染色体在玉米地方品种中的分布频率明显高于自交系。玉米地方品种是经自然授粉形成的遗传基础复杂的混合群体，而玉米自交系是经人工多代自交产生的遗传基础简单的品种（系）类型。尽管B染色体的偏向分布及选择受精保证其在上下代间遗传传递，然而生物的连续多代自交有可能破坏B染色体的选择受精机制，造成B染色体丢失，降低其遗传传递频率。此外，本供试材料B73有较高的B染色体频率，说明B染色体的遗传背景，即B染色体与A染色体的寄生与互作關系也在较大程度上决定了B染色体的遗传传递和命运。
参考文献：
[1]罗 鹏. 植物细胞遗传学[M]. 北京：高等教育出版社，1991：189-190.
[2]齐克森. 玉米B染色体的细胞遗传研究[J]. 贵州农学院学报，1994，13（3）：1-5.
[3] Jones R N，Viegas W，Houben A. A century of B chromosomes in plants[J]. Annals of Botany，2008，101：767-775.
[4]王玉元. 染色体遗传中的一个不解之谜——B染色体[J]. 武汉植物学研究，1997，15（1）：73-79.
[5]Ricci G L，Silva N，Pagliarini M S，et al. B chromosomes in popcorn（Zea mays L.）[J]. Genetics and Molecular Research，2007，6（1）：137-143.
[6]Lia V V，Confalonieri V A，Poggio L. B chromosome polymorphism in maize landraces：adaptive vs. demographic hypothesis of clinal variation[J]. Genetics，2007，177（2）：895-904.
[7]Lamb J，Kato A，Birchler J. Sequences associated with A chromosome centromeres are present throughout the maize B chromosome[J]. Chromosoma，2005，113（7）：337-349.
[8]Jones N. B chromosomes in plants[J]. Plant Biosystems，2012，146（3）：727-737.