川西北高原不同海拔高度披碱草与垂穗披碱草核型分析.pdf

第 43 卷第 1 期2024 年 1 月中 国 野 生 植 物 资 源Chinese Wild Plant ResourcesVol.43 No.1Jan.2024川西北高原不同海拔高度披碱草与垂穗披碱草核型分析杨财容1，2，陈文婧1，王小琴1，祁伟亮3，叶美金1，2，刘松青1，2（1.成都师范学院 化学与生命科学学院，四川 成都 611130；2.特色园艺生物资源开发与利用四川省高校重点实验室，四川 成都 611130；3.陇东学院 农林科技学院 甘肃 庆阳 745000）摘要 目的：为研究不同海拔居群染色体核型变异及进化程度，为披碱草的分类及进化研究提供细胞学资料。方法：以川西北高原6个海拔梯度的披碱草居群和5个海拔梯度的垂穗披碱草居群为材料，采用滴片法制片对染色体进行核型分析。结果：披碱草居群 D3057（海拔 3 057 m）、D2682（海拔 2 682 m）的核型公式为 2n=6x=42=42m，为1B型；D2384（海拔2 384 m）核型公式为2n=6x=42=42m（4sat），为1A型；D2143（海拔2 143 m）、D1747（海拔 1 747 m）的核型公式为 2n=6x=42=40m+2sm，为 1B型；D1589（海拔 1 589 m）的核型公式为 2n=6x=42=36m+6sm，为2B型。垂穗披碱草Y2126（海拔4 050 m）、Y2117（海拔3 800 m）、Y2291a（4 150 m）居群的核型公式为2n=6x=42m，ZY3034（海拔3 200 m）的居群核型公式为2n=6x=40m+2M，Y2122（海拔4 800 m）核型公式为2n=6x=40m+2sm，5个居群的核型类型均为1B型。基于核型对称性与进化指数，披碱草居群D1589（海拔1 598 m）进化程度最高，垂穗披碱草居群Y2117（海拔3 800 m）的进化程度最高。结论：川西北高原不同海拔披碱草居群核型存在丰富的变异，提升了其环境适应能力。关键词 披碱草；垂穗披碱草；居群；海拔；核型；变异中图分类号：Q949.71 文献标识码：A 文章编号：1006-9690（2024）01-0051-07Karyotype Analysis of Elymus dahuricus and Elymus nutans from Different Altitudes in Northwest Sichuan PlateauYang Cairong1，2，Chen Wenjing1，Wang Xiaoqin1，Qi Weiliang3，Ye Meijin1，2，Liu Songqing1，2（1.College of Chemistry and Life Sciences，Chengdu Normal University，Chengdu 611130，China；2.Sichuan Provincial Key Lab.for Development and Utilization of Characteristic Horticultural Biological Resources，Chengdu 611130，China；3.College of Agriculture and Forestry，Longdong University，Qingyang 745000，China）Abstract Objective：To investigate the chromosome karyotype variation and evolution of Elymus dahuricus and Elymus nutans and provide cytological data for the classification and evolution of Elymus.Methods：The chromosome karyotype of six populations of E.dahuricus and five populations of E.nutans from Northwest Sichuan Plateau were analyzed by dropping method.Results：The karyotype formula of populations D3057（3 057 m）and D2682（2 682 m）of E.dahuricus was 2n=6x=42=42m（1B），and population D2384（2 384 m）was 2n=6x=42=42m（4sat），with the 1A karyotype type.The karyotype formula of D2143（elevation 2 143 m）and D1747（elevation 1 747 m）are 2n=6x=42=40m+2sm，with the 1B karyotype type.The karyotype formula of D1589（elevation 1 589 m）is 2n=6x=42=36m+6sm，with the 2B karyotype.The karyotype formula of populations Y2126，Y2117 and Y2291a of E.nutans were 2n=6x=42m.The karyotype formula of population ZY3034 was 2n=6x=40m+2m，and the karyotype formula of population Y2122 was 2n=6x=40m+2sm.doi：10.3969/j.issn.1006-9690.2024.01.006收稿日期：2023-02-23，录用日期：2024-01-08基金项目：国家自然科学基金（32200196）；作物基因资源与遗传改良四川省重点实验室开放项目（ZWJYZY2020-2）；成都师范学院高级别科研项目培育专项（CS22XMPY0106）；大学生创新创业训练计划项目（202114389040）。作者简介：杨财容（1988-），女，重庆人，副教授，博士，研究方向为披碱草属植物分类与系统演化。E-mail： 51中 国 野 生 植 物 资 源第 43 卷The karyotypes of five populations were 1B.Based on karyotype symmetry and evolution index，the population D1589（1 598 m）of Elymus dahuricus had the highest degree of evolution.The population Y2117（3 800 m）of Elymus nutans had the highest degree of evolution.Conclusion：There was abundant variation of karyotype in populations of Elymus dahuricus and Elymus nutans from different altitudes of Northwest Sichuan Plateau，which enhanced its adaptability to environment.Key words Elymus dahuricus；Elymus nutans；Population；Altitude；Karyotype；Variation披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）与垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）是禾本科小麦族披碱草属的多年生植物。披碱草性耐寒、耐旱、耐碱、耐风沙，是我国广泛栽培的优质高产饲草，分布于我国青海、陕西、新疆、四川、西藏、华北等地1。垂穗披碱草作为川西高原主要自然分布的优质牧草，是草原和草甸的主要组成成分，具有极高的饲用价值和水土保护能力，作为麦类作物的野生近缘种，其优异基因资源可用于麦类作物改良。目前关于披碱草属植物的染色体数目和核型前人均做过鉴定与分析，其报道的染色体的数目和倍性一致，即2n=6x=42，但其报道的核型公式和类型却有一定的差别2-4。居群是物种进化的基本单元5，目前针对披碱草属居群基于形态标记与分子标记的遗传多样性研究较多。学者用分子标记的方法研究了披碱草居群的遗传多样性，发现披碱草22.64%的遗传变异发生在居群间6。前人利用形态学标记和分子标记的方法研究不同海拔高度的垂穗披碱草的遗传多样性，阐释了海拔对垂穗披碱草遗传多样性的影响7。海拔梯度差异往往会让光照、温度、湿度和土壤等一系列环境因素发生变化，是影响植物生物进化的重要原因之一，同时也与种内变异和进化有着密切联系8-9。严学兵9对垂穗披碱草进行的等位酶变异分析得出海拔是遗传变异最重要的因素，进行微卫星变异分析得出海拔是影响遗传变异的第二大因素。通过对不同海拔的3种披碱草属植物的表型测定，聚类分析显示聚为一类的多数种群有着相似的生境7。染色体是基因的载体，其形态结构的差异与变化包含着基因重排和基因数量的增减，从而影响着物种的进化10。张建波等11对川西北高原不同海拔共12个居群的垂穗披碱草进行了核型分析，结果显示12个垂穗披碱草居群的核型公式有5种，核型类型有1A、1B两类型，表明川西北高原不同居群野生垂穗披碱草在核型上发生了变异。目前国产披碱草物种的核型已有报道，但从居群染色体核型层面探讨披碱草种内遗传多样性研究较少，结合环境因子进行相关研究的报道更是鲜见。本试验对分布于川西高原的不同海拔高度的披碱草和垂穗披碱草居群进行核型分析，可有效补充披碱草染色体层面遗传多样性研究，为披碱草的物种形成及演化提供新的细胞学证据。1材料与方法1.1实验材料本研究中所有材料的居群编号及来源列于表 1，披碱草6个居群于2018年8月采集于川西高原不同海拔地区，垂穗披碱草 5个居群由四川农表1材料来源Tab.1Origin of materials物种披碱草披碱草披碱草披碱草披碱草披碱草垂穗披碱草垂穗披碱草垂穗披碱草垂穗披碱草垂穗披碱草编号D3057D2682D2384D2143D1747D1589Y2122Y2291Y2126Y2117ZY3034经度（E）102.703 565102.769 141102.940 824103.122 459103.474 705103.746 8198.928 15199.606 04598.932 37799.219 264102.621 657纬度（N）32.157 48332.099 06332.114 29632.076 12631.896 46331.793 92431.948 72130.277 93631.946 13831.935 50332.019 217海拔（m）3 0572 6822 3842 1431 7471 5894 8004 1504 0503 8003 200生境灌木丛灌木丛路边草丛路边草地路边草地干热河谷路边草地碎屑岩斜坡亚高山草甸路边草地路边草丛路边草地来源阿坝黑水县S302阿坝黑水县沙石多乡阿坝黑水县芦花镇阿坝黑水县红岩乡阿坝黑水县色尔古镇阿坝茂县飞虹乡甘孜德格雀儿山甘孜海子山甘孜德格雀儿山甘孜德格马尼干戈阿坝红原刷金寺 52第 1 期杨财容，等：川西北高原不同海拔高度披碱草与垂穗披碱草核型分析业大学小麦研究所提供，凭证标本保存于成都师范学院教学科研实训基地。1.2实验方法1.2.1根尖的获取将每个居群3个单株的种子置于垫有湿润滤纸的培养皿上，4解除休眠后，置于25恒温培养箱中萌发，每隔 24 h浇一次水。待根长至 1 1.5 cm时剪下根尖。将剪取的根尖置于空的离心管内，置于N2O 中预处理2 h 左右，取出后用90%冰醋酸固定5 min，于70%酒精中保存。1.2.2滴片法制片将于70%酒精中保存的3 5个根尖用蒸馏水清洗3 5次，用刀片切取分生区，置于20 L混合酶解液（纤维素酶2%，果胶酶1%）中，在37水浴条件下酶解2 h。而后用70%酒精洗去酶液，重复操作2 3次，再加入少量70%酒精，捣碎根尖。6 000 r/min离心后自然晾干，滴加冰醋酸（30 L每两个根尖），轻轻混匀后滴片。待载玻片自然干燥后滴加改良苯酚品红染液染色，盖上盖玻片在Olympus BX-51（Olympus）下观察并拍照。1.2.3核型分析采用Levan等12的两点四区系统法确定染色体着丝点类型，按照 Stebbins13的分类标准确定核型类型，同时参照李懋学和陈瑞阳14植物核型分析标准，核型不对称系数按照Arano15的方法计算。每个物种选取 5 个分裂良好的细胞，利用 KaryoType2.0进行染色体长度测量，利用该软件可直接输出染色体参数以及核型模式图。每个海拔梯度选取分裂相最好的一张照片作为模式照片，利用Adobe Photoshop 7.0.1软件对模式照片中的染色体进行处理，将模式图片中的染色体配对并进行排列，得到染色体核型图。2结果与分析2.1核型分析结果披碱草 6个居群、垂穗披碱草 5个居群的染色体形态、核型图和核型模式图见图1-2，核型分析结果见表2，居群内未观察到核型差异。披碱草 D3057 居群的核型公式为 2n=6x=42=42m，42条染色体均为中部着丝粒染色体，不具有随体染色体。染色体相对长度介于 3.33%6.48%之间，染色体长度比为 2.22。染色体的臂比范围是1.14 1.66，平均臂比为1.38，臂比值大于2的比例是0。染色体不对称系数为57.86%，核型类型为1B。披碱草 D2682 居群的核型公式为 2n=6x=42=42m，42条染色体均为中部着丝粒染色体，不具有随体染色体。染色体相对长度介于 3.14%6.33%之间，染色体长度比为 2.00。染色体的臂比范围是1.12 1.59，平均臂比为1.33，臂比值大于2的比例是0。染色体不对称系数为56.81%，核型类型为1B。披碱草 D2384 居群的核型公式为 2n=6x=42=42m（4sat），42条染色体均为中部着丝粒染色体，有两对染色体有随体，位于第 19、21对染色体上，且 随 体 均 位 于 短 臂 一 端。相 对 长 度 介 于3.40%6.23%之间，染色体长度比为1.99。染色体的臂比范围是1.17 1.65，平均臂比为1.42，臂比值大于 2的比例是 0。染色体不对称系数为 58.25%，核型类型为1A。表2各海拔梯度披碱草与垂穗披碱草居群染色体参数Tab.2Parameters of karyotype of populations from different altitudes材料编号D3057D2682D2384D2143D1747D1589Y2122Y2291aY2126Y2117ZY3034核型公式2n=6x=42m2n=6x=42m2n=6x=42m（4sat）2n=6x=40m+2sm2n=6x=40m+2sm2n=6x=36m+6sm2n=6x=40m+2M2n=6x=42m2n=6x=42m2n=6x=40m+2sm2n=6x=42m平均臂比1.381.331.421.341.391.401.381.331.421.341.39最长/最短2.222.001.992.42.082.382.342.212.422.272.33不对称系数（%）57.8656.8158.2557.3558.1758.0053.2954.1854.7255.1353.71臂比大于2的比率（%）000004.7600000类型1B1B1A1B1B2B1B1B1B1B1B 53中 国 野 生 植 物 资 源第 43 卷图1各海拔梯度披碱草染色体形态、核型图、核型模式图Fig.1Mitotic metaphase chromosomes，karyograms and ideograms of Elymus dahuricus from different altitudes 54第 1 期杨财容，等：川西北高原不同海拔高度披碱草与垂穗披碱草核型分析披碱草 D2143 居群的核型公式为 2n=6x=42=40m+2sm，42条染色体中有40条中部着丝粒染色体，2条为近中部着丝粒染色体，不具有随体染色体。染色体相对长度介于3.17%6.41%之间，染色体长度比为 1.34。染色体的臂比范围是 1.13 1.81，平均臂比为 1.38，臂比值大于 2 的比例是 0。染色体不对称系数为57.35%，核型类型为1B。披碱草 D1747 居群的核型公式为 2n=6x=42=40m+2sm，42条染色体中有40条中部着丝粒染色体，2条为近中部着丝粒染色体，不具有随体染色体。染色体相对长度介于3.34%6.52%之间，染色体长度比为 2.08。染色体的臂比范围是 1.19 图2各海拔梯度垂穗披碱草染色体形态、核型图、核型模式图Fig.2Mitotic metaphase chromosomes，karyograms and ideograms of Elymus nutans from different altitudes 55中 国 野 生 植 物 资 源第 43 卷1.91，平均臂比为 1.39，臂比值大于 2 的比例是 0。染色体不对称系数为58.17%，核型类型为1B。披碱草 D1589 居群的核型公式为 2n=6x=42=36m+6sm，42条染色体中有36条中部着丝粒染色体，6条为近中部着丝粒染色体，不具有随体染色体。染色体相对长度介于3.01%6.36%之间，染色体长度比为 2.38。染色体的臂比范围是 1.11 2.16，平 均 臂 比 为 1.4，臂 比 值 大 于 2 的 比 例 是4.76%。染色体不对称系数为58%，核型类型为2B。垂穗披碱草 Y2122 居群的核型公式为 2n=6x=40m+2sm，40条染色体为中部着丝粒染色体，其余2条染色体为近中部着丝粒染色体。染色体相对长度区间为 2.79%6.17%，染色体长度比为2.27。染色体臂比区间为 1.07 1.48，平均臂比为1.24，臂比值大于2的比例为0。染色体不对称系数为55.13%，核型类型为1B。垂穗披碱草 Y2291 居群的核型公式为 2n=6x=42m，42条染色体均为均为中部着丝粒染色体。染色体相对长度区间为2.92%6.20%，染色体长度比为 2.33。染色体臂比区间为 1.03 1.34，平均臂比为1.16，臂比值大于2的比例为0。染色体不对称系数为53.71%，核型类型为1B。垂穗披碱草 Y2126 居群的核型公式为 2n=6x=42m，42条染色体均为中部着丝粒染色体。染色体相对长度区间为3.02%6.49%，染色体长度比为 2.21。染色体臂比区间为 1.04 1.34，平均臂比为1.18，臂比值大于2的比例为0。染色体不对称系数为54.18%，核型类型为1B。垂穗披碱草 Y2117 居群的核型公式为 2n=6x=42m，42条染色体均为中部着丝粒染色体。染色体相对长度区间为3.09%6.42%，染色体长度比为 2.42。染色体臂比区间为 1.06 1.39，平均臂比为1.22，臂比值大于2的比例为0。染色体不对称系数为54.72%，核型类型为1B。垂穗披碱草 ZY3034 居群的核型公式为 2n=6x=40m+2M，42条染色体均为中部着丝粒染色体。染色体相对长度区间为3.32%6.10%，染色体长度比为 2.34。染色体臂比区间为 1.02 1.36，平均臂比为1.15，臂比值大于2的比例为0。染色体不对称系数为53.29%，核型类型为1B。2.2核型与海拔高度的相关分析根据核型分析结果，6个来自于不同海拔的披碱草居群中，居群D3057和D2682核型公式相同，居群D2143和D1747也具有相同的核型公式，但6个居群的平均臂比、最长/最短、不对称系数等参数存在差异，六个居群进化程度由高到低依次为：D1589（1 589 m）（2B）D3057（3 057 m）、D2682（2 682 m）、D2173（2 173 m）、D1747（1 747 m）（1B）D2384（2 384 m）（1A）。来自于海拔4 150 m的垂穗披碱草居群Y2291、4 050 m的Y2126和3 200 m的居群ZY3034具有相同的核型公式，但5个居群的平均臂比、最长/最短、不对称系数等染色体参数存在差异。从核型进化程度来看，5个不同海拔梯度的垂穗披碱草居群核型进化程度一致，其核型类型均为1B型。3讨论3.1不同海拔高度披碱草和垂穗披碱草居群的核型变异前人针对披碱草属物种的核型研究报道较多2-4，16，但从居群角度分析披碱草物种核型变异研究较少。核型分析的结果显示来自于不同海拔高度的披碱草和垂穗披碱草居群有着明显的核型变异，证明披碱草具有丰富的种内遗传多样性。本研究中不同海拔披碱草与垂穗披碱草居群染色体主要以中部着丝粒染色体为主，有少量亚中部着丝粒染色体。两个物种不同海拔居群间的核型参数（染色体相对长度，染色体长度比，染色体臂比，平均臂比，臂比大于2的比例）等均存在差异，核型公式也存在差异。张建波等11报道川西北高原12个不同海拔的垂穗披碱草居群的核型与本文报道结果存在差异，其报道核型类型有 1A和 1B两类，该研究中垂穗披碱草来源于四川甘孜与阿坝地区，海拔为 3 300 m到4 200 m之间，其研究发现了更为丰富的核型变异，可能与其取样数量较多有关。任建东等17发现三江源地区的7份糙毛以礼草种质在不同类型的着丝点染色体数目、染色体有无随体上表现出丰富的多态性，核型类型也存在一定差异，与本文结果一致。Stebbins 13认为，由于生境的不同，物种的染色体形态可以产生一定程度的变异，变异也是基因型的反应。物种遗传多样性的高低体现了物种对环境适应能力的强弱18，川西北高原位于青藏高原东南部，平均海拔在3 000 4 000 m以上，低温、辐射大，气候条件恶劣，来自于不同海拔的披碱草和垂穗披碱草居群的丰富核型变异体现了其丰富的遗传多样性，增强了川西北高原披碱草环境适应能力。56第 1 期杨财容，等：川西北高原不同海拔高度披碱草与垂穗披碱草核型分析3.2各海拔梯度披碱草和垂穗披碱草的核型进化程度核型进化是进化过程中最重要的方面之一，被认为是物种形成过程中的一种孤立机制，具有自身的进化趋势，与遗传进化无关19。核型不对称可以反映核型的进化，核型进化的基本趋势是从对称到不对称13，19。基于Stebbins13总结的核型类型的分类标准，划分出1A、1B、1C、2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4B、4C共12种核型类型，其进化程度从1A 4C依次增加，其中1A最对称最原始，4C最不对称进化程度最高。本研究中6个不同海拔的披碱草居群的核型进化程度由高到低依次为：D1589 D3057、D2682、D2173、D1747 D2384。川西高原5个不同海拔梯度的垂穗披碱草核型进化程度一致，其核型类型均为1B型，进化程度不高。基于徐克学20、钟扬等 21的数量分类学和分支系统学理论，可计算出不同海拔居群的进化指数。不同海拔的披碱草居群的进化指数由高到低依次为：D1589 D2384、D2143、D1747 D3057 D2682。不同海拔的垂穗披碱草居群的核型进化程度由高到低依次为Y2117 Y2122 ZY3034、Y2126、Y2291a。进化指数的分析结果和基于Stebbins核型类型的分析结果存在差异，导致这种差异的原因可能是核型类型仅以臂比大于2的比例和染色体长度比来判断，而进化指数则还要参考不对称系数和平均臂比，究竟采用何种方法进行分析更加准确还需进一步研究。尽管分析方法不同导致结果有所差异，两种方法均显示来自于不同海拔高度的披碱草居群其进化程度存在差异，但川西高原披碱草居群染色体核型进化程度与海拔高度变化未呈现出一定规律性，原因可能在于染色体核型变异为海拔因素和其他多种生态因子长期综合作用的结果，未来可用其他分子生物学方法进一步研究披碱草遗传多样性与海拔高度或其他生态因子之间的关系22-23。综上，来自于川西北高原不同海拔高度的披碱草与垂穗披碱草不同居群的染色体核型存在变异，可能与其环境适应能力有关，但是染色体结构层面究竟发生了何种变异还需借助其他方法进行进一步研究。参考文献:1 郭本兆中国植物志 M.北京：科学出版社，1987：59-104.2 王克平.披硷草的核型分析 J.遗传，1982，4（6）：19-20.3 刘玉红.我国11种披碱草的核型研究 J.武汉植物学研究，1985，3：323-330.4 王琴，邰丽华，哈斯巴根，等.披碱草属七种植物核型及其亲缘关系的研究 J.内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2013，42（2）：192-200.5 陈家宽，王徽勤.居群（population）概念和方法在植物分类学中的应用 J.武汉植物学研究，1986，4（4）：377-383.6 孙建萍，袁庆华.利用微卫星分子标记研究我国16份披碱草遗传多样性 J.草业科学，2006，23（8）：40-44.7 陈钊.海拔对披碱草属植物遗传多样性影响 D.郑州：河南农业大学，2016：13-44.8 梁新平.海拔对披碱草属植物遗传特性影响研究 D.郑州：河南农业大学，2015：49-65.9 严学兵.披碱草属植物遗传多样性研究 D.北京：中国农业大学，2005：46-80.10Rieseberg L H.Chromosomal rearrangements and speciation J.Trends in Ecology&Evolution，2001，16（7）：351-358.11张建波，白史且，张新全，等.川西北高原12个垂穗披碱草居群的核型研究 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