紫薇屬植物染色體倍性鑒定研究進展

李振芳 彭嬋 黃國偉 馬林江 柯尊發 楊彥伶

摘 要： 紫薇屬植物的倍性研究是其遺傳育種工作的基礎，本文從直接鑒定、間接鑒定兩個方面進行了闡述和總結，包括染色體計數、流式細胞儀、分子標記法、形態學鑒定和生理生化指標等方法，以期為紫薇育種和染色體倍性研究工作提供理論依據和實踐參考。

關鍵詞： 紫薇;染色體;倍性;流式細胞儀

中圖分類號：S685.99?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1004-3020（2021）02-0014-05

Research Progress on Chromosome Ploidy Identification of Lagerstroemia

Li Zhenfang（1） Peng Chan（1） Huang Guowei（1） Ma Linjiang（1） Ke Zunfa（2） Yang Yanling（1）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Taizi Mountain Management Bureau of Hubei Province Jingshan 448000）

Abstract： The ploidy study of Lagerstroemia is the basis of its genetic breeding work. The authors expounds and summarizes the direct identification and indirect identification，including chromosome counting，flow cytometry，molecular marker method，morphological identification and physiological and biochemical indexes，in order to provide theoretical basis and practical reference for Lagerstroemia breeding and chromosome ploidy study.

Key words： Lagerstroemia;chromosome;ploidy;flow cytometry

紫薇屬植物多為落葉或常綠灌木或喬木，分布于亞洲東部、東南部、南部的熱帶、亞熱帶等地區，全世界約55種，其中中國原產16種，引入栽培2種：大花紫薇Lagerstroemia speciosa和南洋紫薇L.siamica，是中國優良的夏季園林觀花樹種[1-3]。目前紫薇育種主要是通過與現有種或品種雜交來培育新品種[4-7]，紫薇L.indica、屋久島紫薇L.fauriei、福建紫薇L.limii和南紫薇L.subcostata的種間雜交表現出良好的種間親和性[8-10]，而紫薇與尾葉紫薇L.caudata的部分雜交組合不能結果或結果率很低[11]，紫薇與大花紫薇雜交產生了大量不育后代[12，13]，表明紫薇不同種的細胞遺傳分化可能會造成種間育性差異。染色體是遺傳物資的載體，其倍性研究是開展遺傳育種工作的基礎，紫薇屬植物因染色體小且數量眾多，制片難、不易分辨，染色體研究較其它植物落后較多，過去的研究報道觀點不一[2，14，15]，本文對紫薇屬種質資源的染色體倍性研究進行闡述和總結，以期為紫薇育種和染色體倍性研究工作提供理論依據和實踐參考。

1 直接鑒定法

直接鑒定法也稱染色體計數法，是鑒定植物倍性最直接、最準確的方法[16]。目前，紫薇染色體標本制備的基本方法有壓片法[14，17，18]和去壁低滲火焰干燥法[14，17]，在合適的材料、適宜的處理條件和熟練的技術條件下2種方法都能得到較好的染色體制片[14]，后者效果優于前者，但這對細胞學操作技術要求高，而且對材料的狀態要求嚴格，只有處于旺盛分裂期的組織才能用于染色體計數，費時費工[19]。制片取材部位可以是根尖、莖尖和幼葉，童俊[20]等選取切取幼嫩根尖在常規壓片基礎上增加了前低滲和后低滲進行制片，提高了制片質量;宋平[16]在進行紫薇倍性鑒定時發現嫩葉比根尖壓片效果好;陳瑞陽[21]以紫薇幼葉為材料，獲得較好的制片效果，并得到了紫薇核型公式;楊冰潔等[14，22]認為紫薇新萌發的莖尖比根尖效果好。

紫薇屬植物的染色體很小、染色體數目較大，使其制片難度大，染色體常不能分散在同一個平面上，報道的染色體數目較為混亂[2，12]。1967～1981年公開發表的紫薇屬7個種的染色體數目：n=22，24，25，44，46，64;2n=16，18，44，46，48，50[40]。另外，紫薇、小葉紫薇、大花紫薇、多花紫薇、尾葉紫薇、屋久島紫薇、福建紫薇、南紫薇等紫薇屬植物公開發表的染色體數目見表1，紫薇、大花紫薇、多花紫薇這3個種的研究較多，染色體數目且都以2n=48居多，認為這個結果是準確的，可以推斷表1中7個紫薇種的染色體數目應均為2n=48，其可靠性有待在未來研究中進一步驗證。宋平[31]計數紫薇、南紫薇染色體在42～50之間，2n=48占比53%～60%;楊冰潔[14]計數紫薇、福建紫薇、屋久島紫薇的染色體數目在46～50之間，2n=48占比80%～90%。劉婷婷等[41]首次報道了黃薇屬植物黃薇Heimia myrtifolia、柳葉黃薇H salicifolia、千屈菜屬的千屈菜Lythrum salicaria的核型公式，并根據黃薇屬（2種）、千屈菜屬（1種）和紫薇屬（10種）植物的基因組大小，認為3個屬植物均為二倍體，且染色體數目黃薇屬（2n=16）<紫薇屬<千屈菜屬（2n=54）。

染色體計數法也常用來鑒別紫薇人工多倍體植株的真實性，目前已鑒定了授權的四倍體紫薇新品種‘四海升平‘紫馨‘銀蝶染色體為2n=96[17，18，27，42]，以及未授權紫薇四倍體染色體為2n=96[17，19，28，29，31]、六倍體染色體為2n=144[42]，聶碩等[18]對二倍體與四倍體的F1雜種代植株進行壓片，未能找到準確、清晰的三倍體染色體條數圖片，還需進一步制片驗證。

2 間接鑒定法

2.1 分子水平鑒定

2.1.1 流式細胞儀鑒定法

流式細胞儀是對細胞進行自動分析和分選的設備，20世紀80年代以來已廣泛應用于植物細胞學、分類學、遺傳學、免疫學、生物學、生態學等方面的研究中[43-46]，在大批量植物種質資源鑒定、倍性測定等相關研究中有著得天獨厚的優勢[47]。近年來，流式細胞儀已成為植物鑒定倍性的首要選擇，是目前最高效、快速、可靠、相對便宜的倍性鑒定方法[46，48-50]。而且不受植物體取材部位和數量、細胞時期的局限，可測定樣品來源多樣，包括新鮮植物組織、二氧化硅干燥植物組織、凍干植物組織、愈傷組織、活原生質體、干燥成熟種子、標本等材料，其中以新鮮組織的效果最佳[50]。

紫薇葉片等組織中含有較多的蛋白質、糖類和酚類化合物[16]，目前不同學者已用新鮮幼葉[16-19，27，28，41]、組培苗鮮葉[28，29]、二氧化硅干燥葉片[2]、新鮮莖尖[42]等材料，分別采取不同處理方式和提取液都可以取得較好的結果。劉亞瓊[2]用流式細胞儀鑒定紫薇屬16個種的倍性：紫薇、光紫薇、尾葉紫薇、廣東紫薇、福建紫薇、毛紫薇、川黔紫薇、小花紫薇、南紫薇、網脈紫薇、狹瓣紫薇等11個種為二倍體，桂林紫薇為四倍體，云南紫薇、西雙紫薇和大花紫薇為六倍體，毛萼紫薇為非整倍體（2X-4X）;劉婷婷等[41]測定紫薇屬10個種或品種的基因組大?。何踩~紫薇、屋久島紫薇、南洋紫薇、網脈紫薇、川黔紫薇、桂林紫薇、紫薇、大花紫薇、紫薇‘粉精靈、紫薇‘Pocomoke值都在341.00±2.00～370.00±8.89 Mbp之間，其流式細胞分析結果顯示為二倍體。桂林紫薇、大花紫薇2個種的倍性結果不一致，劉亞瓊采用干燥葉片測定分別為四倍體、六倍體，劉婷婷采用新鮮葉片測定均為二倍體，有可能是因為干燥對DNA染色帶來了不確定的影響[50]。

流式細胞儀也應用在紫薇人工多倍體的倍性鑒別上，鑒定了紫薇三倍體植株[51]、授權的四倍體紫薇新品種‘四海升平‘紫馨‘銀蝶[17，18，27]，以及未授權的紫薇和南紫薇四倍體植株[17，19，28，29，31，52，53]、紫薇疑似八倍體植株[54]、紫薇以及南紫薇嵌合體植株[16，17，19，27-29]。此方法相較染色體計數法更為簡便，大批量樣本檢測時尤為適用。宋平等[16]認為流式細胞儀很容易區分嵌合體和純四倍體，是鑒定紫薇和南紫薇多倍體的理想方法。宋新紅等[42]得到的紫薇二倍體與人工誘導四倍體植株流式細胞儀檢測結果顯示都有3個峰且二者第1個峰位置相同，認為有核內多倍性發生，該四倍體疑是二倍體的內多倍化，同時認為前人研究中的嵌合體或混倍體植株可能是內多倍化結果。Sliwinska等[55]認為對于一些非整倍體植物，應結合染色體計數來確定其倍性，結果會更準確[55]。

2.1.2 分子標記鑒定法

分子標記鑒定也是一種快速、準確的方法，主要是通過RFLP、AFLP、RAPD、SSR、SNP、指紋圖譜、FISH及GISH等技術進行倍性鑒定[56]。王晶等[15]首次獲得了基于FISH技術的紫薇、尾葉紫薇、屋久島紫薇和福建紫薇的染色體核型圖，并分析了45SrDNA在4種紫薇屬植物中期染色體上數量和分布特點，核型公式分別為2n=48=2 M+24 m+22 sm、2n=48=30 m+18 sm、2n=48=2 M+20 m+26 sm和2n=48=2 M+32 m+14 sm，均為2A型。同時，該技術還可用來鑒定種間、種內雜交子代真實性，楊冰潔[22]應用GISH技術在紫薇與尾葉紫薇種間雜種子代染色體上發現了紫薇和尾葉紫薇的雜交信號，鑒定為真雜種。近年來隨著分子生物學的飛速發展，其鑒定速度更快、成本更低、分辨率更高了，而且相較流式細胞儀不能準確檢測非整倍體，依據分子標記卻能得到可靠的鑒定結果，也為植物倍性的鑒定提供了全新的途徑[57]。

2.2 形態學鑒定法

包括植物形態學鑒定、細胞形態學鑒定以及梢端組織鑒定法等，紫薇屬植物目前主要采用了植株形態[17，27，28，51]、葉片形態解剖特征（氣孔大小、保衛細胞葉綠體數目、氣孔指數等）[19，28，29，31，42，51，58]、花粉粒[17，27，42]等方法來鑒定雜交子代、多倍體誘變植株的倍性，其中植物形態學鑒定較為簡便但準確性不高;葉片解剖特征、花粉粒等細胞形態學鑒定結果比較可靠，但操作過程復雜且較難區分非整倍體和嵌合體[59]，可作為倍性判定的初選標準;梢端組織鑒定法能準確鑒定嵌合體[60]，目前未見在紫薇屬植物上應用的報道。

2.3 生理生化指標鑒定法

除了上述方法，生理生化指標也可用來鑒定植物倍性，于永暢等[61]比較研究了二倍體紫薇與四倍體紫薇的光合特性差異，結果表明四倍體紫薇的光合利用能力強于二倍體紫薇。但采用生理生化指標鑒定步驟繁瑣，僅能在一些特定植物的特定指標上進行初步判斷[56]。

3 討論

紫薇屬植物的染色體倍性鑒定是新品種培育的重要基礎，有利于種間、種內雜交育種工作的順利開展，增加新品種的遺傳多樣性。植物染色體倍性鑒定方法選取原則：盡早篩選、破壞性小、準確度高、因陋就簡[56]。染色體計數雖然準確性高但技術要求也高，只適合檢測少量樣品;流式細胞儀法快速準確可靠，僅需少量材料、適合大批量篩查，但不能準確判定非整倍體;分子標記快速準確，成本相對較高;形態學鑒定法適合初步判斷;生理生化指標測定步驟繁瑣，僅適合初步判斷，可根據實際情況選擇合適的方法，盡可能地縮短育種時間、節約育種成本、加速育種進程。紫薇屬于染色體數量多、染色體小的物種，且葉片等組織內富含多酚多糖類物質，倍性鑒定相對困難，為得到準確可靠的結果，建議先簡后繁，必要時可將各種方法的綜合運用，相互印證。

參考文獻

[1]中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志 第52卷第2冊胡頹子科至石榴科[M].北京：科學出版社，1983.

[2]劉亞瓊.中國紫薇屬植物倍性研究及其cpDNA多樣性分析[D].鄭州：河南農業大學，2010.

[3]李振芳，張新葉，陳慧玲，等.紫薇品種性狀綜合評價選擇體系[J].東北林業大學學報，2017，45（03）：39-43.

[4]Wang X，Wadl P A，Pounders C，et al.Evaluation of Genetic Diversity and Pedigree within Crapemyrtle Cultivars Using Simple Sequence Repeat Markers[J].Journal of the American Society for Horticultural Science，2011，136（2）：116-128.

[5]譚軍，王昊，劉博，等.紫薇新品種‘少女花語雜交親本篩選及其種子處理方式研究[J].江蘇林業科技，2019，46（06）：48-50.

[6]楊如同，王鵬，王淑安，等.紫薇新品種‘紫金[J].園藝學報，2019，46（02）：401-402.

[7]李振芳，馬林江，黃國偉，等.紫薇新品種‘絢紫[J].園藝學報，2020，47（S2）：3110-3111.

[8]Pooler M R.‘Arapaho and ‘Cheyenne Lagerstroemia[J].HortScience，2006，41（3）：855-856.

[9]楊彥伶，李振芳，徐紅梅，等.紫薇與福建紫薇種間雜交F1代遺傳性狀分析[J].東北林業大學學報，2018，46（09）：31-34.

[10]Egolf D R.‘Apalachee，‘Comanche，‘Lipan，‘Osage，‘Sioux，and ‘Yuma Lagerstroemia[J].HortScience，1987，674-677（22）.

[11]蔡明，王曉玉，張啟翔，等.紫薇品種與尾葉紫薇種間雜交親和性研究[J].西北植物學報，2010（04）：697-701.

[12]Pounders C，Rinehart T，Sakhanokho H.Evaluation of Interspecific Hybrids between Lagerstroemia indica and L.speciosa[J].HortScience，2007，42（6）：1317-1322.

[13]Ju Y，Hu X，Jiao Y，et al.Fertility analyses of interspecific hybrids between Lagerstroemia indica and L.speciosa[J].Czech Journal of Genetics and Plant Breeding，2019，55（No.1）：28-34.

[14]楊冰潔，陳晶鑫，唐婉，等.紫薇屬植物染色體制片技術優化[J].廣東農業科學，2012，39（17）：135-137.

[15]王晶，楊冰潔，潘隆應，等.基于熒光原位雜交技術的紫薇屬植物核型分析[J].西北植物學報，2016，36（01）：30-36.

[16]Song P，Wang X，Cai M，et al.Research on Identification of Polyploids by Flow Cytometry in Lagerstroemia indica and Lagerstroemia subcostata[J].Acta Horticulturae，2012，935：207-212.

[17]童俊，葉要妹，馮彪，等.秋水仙素誘導三種紫薇多倍體的研究[J].園藝學報，2009，36（01）：127-132.

[18]聶碩，張林，王峰，等.紫薇雜種F1代的性狀表現與倍性研究[J].山東農業科學，2017（01）：17-22.

[19]陳磊.紫薇無性系建立及多倍體誘導技術研究[D].天津：天津大學，2011.

[20]童俊.秋水仙素誘導紫薇多倍體的研究[D].武漢：華中農業大學，2007.

[21]陳瑞陽.中國主要經濟植物基因組染色體圖譜：中國園林花卉植物染色體圖譜[M]：北京：科學出版社，2003.

[22]楊冰潔.幾種紫薇屬植物染色體制片技術優化及原位雜交體系的建立[D].北京：北京林業大學，2013.

[23]中國農業百科全書編輯委員會.中國農業百科全書觀賞園藝卷[M].北京：農業出版社，1996.

[24]Bir S S，Gill B S，Bedi Y S，et al.Evolutionary status of the woody taxa of Garhwal Himalaya[J].Improvement of forest biomass.Solan：Society of Tree Scientists，1980：81-96.

[25]Dollon T.Contribution a l'étude caryo-taxinomique des Lythracées et des Punicacées[J].1966.

[26]R.Ali.Chromosome numbers in some species of Lagerstroemia[J].Curr.Sci.，1977，46：579-580.

[27]Ye Y M，Tong J，Shi X P，et al.Morphological and cytological studies of diploid and colchicine-induced tetraploid lines of crape myrtle （Lagerstroemia indica L.）[J].Scientia Horticulturae，2010，124（1）：95-101.

[28]王曉嬌.紫薇同源四倍體的獲得及組培快繁技術研究[D].北京：北京林業大學，2013.

[29]Zhang Q，Luo F，Liu L，et al.In vitro induction of tetraploids in crape myrtle （Lagerstroemia indica L.）[J].Plant Cell，Tissue and Organ Culture （PCTOC），2010，101（1）：41-47.

[30]宋新紅.紫薇多倍體的誘導、鑒定及內多倍性[D].青島：山東農業大學，2012.

[31]宋平.紫薇再生體系的建立及多倍體誘導研究[D].北京：北京林業大學，2009.

[32]Tjio J H.The somatic chromosomes of some tropical plants[J].Hereditas，1948，34（1-2）：135-146.

[33]Mehra P N，Bawa K S.Chromosomal Evolution in Tropical Hardwoods[J].Evolution，1969，23（3）：466-481.

[34]Singhal V K，Gill.B S.SOCGI plant chromosome number reports--II.[J].Journal of Cytology and Genetics，1984，19：115-117.

[35]Cave M S.Index to Plant Chromosome Numbers for 1962[J].California Botanical Society，Berkeley，CA，USA，1963.

[36]Darlington C D，Wylie A P.Chromosome Atlas of Flowering Plants[M].London，UK：George Allen and Unwin Ltd.，1956.

[37]Bowden W M.A list of chromosome numbers in higher plants I.Acanthaceae to Myrtaceae[J].American Journal of Botany，1945，32（2）：81-92.

[38]Goldblatt P.Index to plant chromosome numbers 1975–1978[M].St Louis：Missouri Botanical Garden，1981.

[39]Kumar V，Subramaniam B.Chromosome Atlas of Flowering Plants of the Indian Subcontinent：Volumes I [M].Calcutta，India：Botanical Survey of India，1987.

[40]Tobe H，Raven P H，Graham S A.Chromosome Counts for Some Lythraceae sens.str.（Myrtales），and the Base Number of the Family[J].1986，35（1）：13-20.

[41]劉婷婷，梁曉涵，張燁，等.紫薇屬及近緣屬13種植物基因組大小測定[J].植物遺傳資源學報，2020，21（04）：1020-1029.

[42]宋新紅，豐震，谷衍川，等.紫薇多倍體的誘導、鑒定及內多倍性研究[J].山東林業科技，2012，42（02）：1-7.

[43]宋云連，張惠云，王躍全，等.流式細胞術應用及植物種質資源倍性研究進展[J].陜西農業科學，2020，66（08）：76-80.

[44]Robinson J P，Grégori G.Principles of Flow Cytometry[J].2007：19-40.

[45]Suda J，Kron P，Husband B C，et al.Flow Cytometry and Ploidy：Applications in Plant Systematics，Ecology and Evolutionary Biology[J].2007：103-130.

[46]Vrána J，Cápal P，Bednáová M，et al.Flow Cytometry in Plant Research：A Success Story[J].Vrána J.，Cápal P.，Bednáová M.，Doleel J.（2014） Flow Cytometry in Plant Research：A Success Story.In：Nick P.，Opatrny Z.（eds） Applied Plant Cell Biology.Plant Cell Monographs，vol 22.Springer，Berlin，Heidelberg.https：//doi.org/10.1007/978-3-642-41787-0_13，2014（22）：395-430.

[47]韓鴻鵬，宋純鵬.流式細胞術在植物生物學研究中應用進展[J].北方園藝，2015（15）：178-181.

[48]林丹，李冰冰，趙振利，等.基于流式細胞儀對不同品種泡桐倍性及白花泡桐基因組大小的測定[J].河南農業大學學報，2019，53（03）：337-342.

[49]趙孟良，任延靖，田閔玉，等.基于流式細胞儀鑒定菊芋倍性方法的建立及應用[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2021（03）：1-9.

[50]Doleel J，Greilhuber J，Suda J.Estimation of nuclear DNA content in plants using flow cytometry[J].Nature Protocols，2007，2（9）：2233-2244.

[51]袁瑋.紫薇授粉生物學特性和三倍體育種初步研究[D].武漢：華中農業大學青島，2009.

[52]Roughani A，Miri S M.Polyploidy induction in ornamental plants[J].2018.

[53]Xiao-Jiao W，Xue-Feng W，Qi-Xiang Z，et al.In vitro chromosome doubling of Lagerstroemia indica.2012年園藝植物染色體倍性操作與遺傳改良學術研討會[C].北京：中國園藝學會，2012：34.

[54]聶碩.紫薇育種技術研究[D].青島：山東農業大學，2016.

[55]Sliwinska E.Flow cytometry-a modern method for exploring genome size and nuclear DNA synthesis in horticultural and medicinal plant species[J].Folia Horticulturae，2018，30（1）：103-128.

[56]陶抵輝，李小紅，王利群，等.植物染色體倍性鑒定方法研究進展[J].生命科學研究，2009，13（5）：453-458.

[57]Wen G，Dang J，Xie Z，et al.Molecular karyotypes of loquat （Eriobotrya japonica） aneuploids can be detected by using SSR markers combined with quantitative PCR irrespective of heterozygosity[J].Plant Methods，2020，16（1）.22.

[58]王滑，陳放，段麗君，等.紫薇異倍體的雜交親和性分析及子代倍性鑒定[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2016（03）：291-295.

[59]李春楠，傅巧娟，沈國正，等.流式細胞術在蘭科植物中的應用[J].核農學報，2020，34（05）：973-981.

[60]王靜波，羅堯幸，桂英，等.我國葡萄染色體倍性鑒定研究進展[J].果農之友，2016（S1）：3-5.

[61]于永暢，王厚新，李承秀，等.四倍體與二倍體紫薇光合特性研究[J].中國農學通報，2013，29（22）：10-14.

（責任編輯：鄭京津）

收稿日期：2021-02-23

基金項目：湖北省知識創新專項（自然科學基金一般面上）資助項目“紫薇與大花紫薇F1代植株敗育機理研究”（2018CFB703）。

楊彥伶為通訊作者。