不同種(品種)金雞菊的染色體數(shù)目鑒定及核型分析

孫浩男, 李明陽, 劉冬云*, 王 鑫, 田 琳, 吳芳芳

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學園林與旅游學院, 河北 保定 071000；2. 河北省涉縣城鎮(zhèn)園林管理所, 河北 邯鄲 056400)

菊科(Compositae)金雞菊屬(CoreopsisLinn.)植物大多為一年生和多年生草本，也有亞灌木和灌木，主要原產(chǎn)于北美洲和南美洲，我國習見栽培7種[1]。有報道稱，中國最早于1936～1938年期間由國外引入劍葉金雞菊(C.lanceolata)作為觀賞植物，其余物種暫無確切的引入記錄，但在20世紀20年代，我國就有了大花金雞菊(C.grandiflora)及兩色金雞菊(C.tinctoria)的栽培記錄[2-4]。金雞菊成景效果好，觀賞價值高，是出色的蜜源植物，大部分金雞菊對寒冷、炎熱的氣候具有較好的抗性，且能夠適應(yīng)不良的土壤環(huán)境，因此可以廣泛應(yīng)用于公園、校園、鐵路及街道景觀等[5-6]。鑒于其出色的適應(yīng)性和觀賞性，美國國家園林局還將2018年定為“金雞菊年”(Year of the Coreopsis)。此外，金雞菊在藥用價值及經(jīng)濟價值方面也具有極大的潛力[7]。

核型分析是研究物種染色體遺傳特征的方法之一，對植物的核形態(tài)進行研究，也可為植物品種間的形成和演化關(guān)系提供一定的遺傳學證據(jù)[8-9]。金雞菊的遺傳多樣性豐富，前人已對金雞菊的染色體做了部分研究，主要涉及大量北美的野生種及少量引入我國的物種，其中野生種染色體基數(shù)、倍性及數(shù)目多變，而我國栽培的大花金雞菊及兩色金雞菊在染色體數(shù)目以及核型方面也有明顯的不同[10-13]。常見的金雞菊花色以黃色為主，也有個別粉色及復色的野生種，近年來，育種家Prost、Korlipara及Hansen等人通過不斷雜交培育了一系列花色豐富的金雞菊品種，顏色包括白色、變色及多種復色，親本主要包括兩色金雞菊、玫紅金雞菊(C.rosea)、大花金雞菊、劍葉金雞菊、耳葉金雞菊(C.auriculata)、短毛金雞菊(C.pubescens)、輪葉金雞菊(C.verticillata)、‘甜夢’(C.rosea‘Sweet Dream’)等[14-15]。

金雞菊育種發(fā)展時間較短，其栽培品種的育種背景較為復雜，大部分涉及了遠緣雜交，栽培金雞菊的主要育種親本在染色體基數(shù)上存在一定差距，如大花金雞菊為x=13，兩色金雞菊為x=12，短毛金雞菊為x=14等[11]，報道主要集中在野生種上，而有關(guān)栽培金雞菊及雜交品種方面更是鮮有細胞學方面的研究報導，因此，明確其核型特征及染色體數(shù)目有助于金雞菊種質(zhì)資源的開發(fā)和利用。本研究選取課題組收集自各國的金雞菊資源共60份，采用常規(guī)壓片法進行染色體數(shù)目鑒定，并對其中的18個籽播系材料進行染色體核型分析，旨在為金雞菊的分類、鑒定、遺傳變異及雜交育種等方面提供更多細胞學方面的參考。

1 材料與方法

用于染色體數(shù)目鑒定的材料由課題組提供，主要收集自中國、美國、英國、德國、日本和韓國等國家，包含共60個不同類型的野生種及園藝品種(表1)，列表前24個序號的材料是國內(nèi)外常見栽培的籽播型金雞菊，CGL01、CGL02、CGL03、CG-WS、CG-YFC是國內(nèi)常見標注為大花金雞菊的籽播型材料，列表中剩余材料均為無性系金雞菊。用于核型分析的材料包括列表中前16個序號和CG-WS、CG-YFC。在分類學上，金鬃金雞菊、大花金雞菊、劍葉金雞菊、耳葉金雞菊、短毛金雞菊、皇冠金雞菊屬于金雞菊組(C.sect.Coreopsis)；大葉金雞菊，三葉金雞菊，掌葉金雞菊，輪葉金雞菊屬于輪葉組(C.sect.Gyrophyllum)、兩色金雞菊和細葉金雞菊屬于兩色組(C.sect.Calliopsis)、玫紅金雞菊屬于歧序組(C.sect.Eublepharis)，沙漠金雞菊屬于異果組(C.sect.Pugiopappus)。

表1 供試金雞菊的基本信息Table 1 The information of tested the Corepsis L.

續(xù)表1

根尖萌發(fā)培養(yǎng)實驗在河北農(nóng)業(yè)大學園林智能溫室中進行。分別在各個籽播型材料中挑選顆粒飽滿的種子點播在潮濕的基質(zhì)(細草炭∶珍珠巖=1∶1)表面并做好標記，不做覆土，每天觀察補水，待瘦果開裂露白的第二天上午選取根長1～2 cm的種子進行取材；無性系材料選取頂生兩節(jié)枝條，使用相同基質(zhì)進行扦插，生根后進行取材，每種金雞菊各取15個根尖，3次重復。根尖用蒸餾水沖洗干凈，整個過程輕柔小心，以免破壞其根尖部位，參考王琪琪兩色金雞菊的染色體制片方法[13]并加以改良：進行冰水混合物預(yù)處理24 h；卡諾氏固定液(V無水乙醇∶V冰醋酸=3∶1)在4℃冰箱中固定20～24 h；1 mol·L-1稀鹽酸在60℃水浴中解離7～8 min；切取根尖于載玻片中央輕壓，用改良卡寶品紅染色15 min以上后正常壓片，成片在徠卡DM 4000顯微鏡下觀察拍照(100倍油鏡)。

每種材料觀察至少50個以上有絲分裂中期相的細胞，細胞染色體計數(shù)以80%具有一致的染色體數(shù)目作為標準，核型分析參考李懋學等[16]的方法，核型類型分析參照Stebbins[17]的標準進行，核型不對稱系數(shù)按照Arano[18]的方法計算，使用Photoshop 2018和Excel 2010進行染色體配對，并制作染色體數(shù)目分布柱狀圖，參照孫桂芳等[19]的方法制作核型坐標圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 染色體數(shù)目統(tǒng)計

通過鏡檢觀察，60個材料的染色體數(shù)目穩(wěn)定，共有12種類型(表1，表2，圖1)，26條染色體類型的材料最多，共有23個，占總數(shù)的38.33%，其次為24條染色體的類型，共有10個，占總數(shù)的16.67%。而20,28,48,52條染色體類型的材料最少，只有1個。

29個籽播系的染色體數(shù)目以26條和24條類型為主，分別有18個和8個，占籽播系材料的62.07%和27.59%。染色體基數(shù)存在4種，金雞菊組染色體基數(shù)種類最多，有x=10,13,14三種，輪葉組和歧序組的材料染色體基數(shù)只有x=13一種，兩色組和異果組的材料染色體基數(shù)只有x=12。其中，皇冠金雞菊2n=2x=20，兩色金雞菊、細葉金雞菊和沙漠金雞菊2n=2x=24，短毛金雞菊2n=2x=28，大花金雞菊‘黃金分割’2n=2x=52，其余籽播系的染色體數(shù)目為2n=2x=26。

31個無性系的染色體數(shù)目類型較多，存在24,25,26,37,38,39,44,48,50共9種，以37和25條為主，材料分別有8個和6個，占無性系材料的25.81%和19.35%。玫紅金雞菊的三個品種存在兩種染色體數(shù)目，‘美國夢’為26條，‘甜夢’和‘天堂之門’為38條，輪葉金雞菊的兩個品種也存在兩種染色體數(shù)目，‘月光’為26條，‘黃金雨’為39條。幾個同系列品種的染色體數(shù)目一致，如Pie系列為37條，Lemonade系列和Uri Dream為25條，Coloropsis系列為24條；同一父母本組合的雜交后代及變異品種也具有相同的染色體數(shù)目，如‘雪莓’‘秋之詩韻’‘金塊’和‘蔓越莓沙冰’為37條，而‘中央舞臺’‘精彩表演’和‘條紋飛濺’為50條。部分同系列品種的染色體數(shù)目具有一定變化，如Big Bang系列、Little Bang系列和Fairy系列。

圖1 供試金雞菊的有絲分裂中期染色體續(xù)Fig.1 Mitotic chromosomes at metaphase of the tested Coreopsis L. Continue

表2 不同染色體數(shù)目的兩種材料數(shù)量和占比Table 2 Two types materials and its percentage with different chromosome numbers

2.2 染色體核型分析

根據(jù)同源染色體配對，18個材料均可配成二倍體，染色體類型共包含s，sm，st三種(表2)?！┚铡?、‘輪盤’、‘不可思議矮生型’三個材料都含有一對st(近端部著絲點)型染色體。18個材料均包含s(中部著絲點)，sm(近中部著絲點)兩種類型的染色體，數(shù)量不等，玫紅金雞菊的s型最多，sm型最少，分別為有22條和4條。而沙漠金雞菊的s型最少，sm型最多，分別為6條和18條。大花金雞菊、劍葉金雞菊和耳葉金雞菊的核型公式相同，為2n=2x=16m+10sm，與同組的短毛金雞菊和皇冠金雞菊核型公式不同。輪葉組的三個材料中，大葉金雞菊和三葉金雞菊核型公式同為2n=2x=14m+12sm，而掌葉金雞菊為2n=2x=18m+8sm。兩色組的四個材料共發(fā)現(xiàn)兩種核型公式，‘雪菊’和‘紅色小矮人’為2n=2x=14m+8sm+2st，‘輪盤’和細葉核型公式為2n=2x=14m+10sm。

有6種材料含有隨體，隨體數(shù)量2至6條不等，隨體所在染色體序號為，鬃毛金雞菊的第5,7,13號染色體、'輪盤'的第10號染色體、皇冠金雞菊的3,4,10號染色體、細葉金雞菊的第9號染色體、沙漠金雞菊的第4,12號染色體，CGL02的第8號染色體。所有材料中均未發(fā)現(xiàn)B染色體。18個材料核型全部為2A型，類型單一。核型不對稱系數(shù)上，玫紅金雞菊最低，第二低的為大花金雞菊，分別為58.56%和59.47%，最高的是沙漠金雞菊64.93%，其次為鬃毛金雞菊63.70%，根據(jù)核型散點圖(圖4)，一年生金雞菊的不對稱系數(shù)普遍高于多年生材料。玫紅的平均臂比最低，為1.47，而沙漠1.92為最高，除鬃毛外，其余一年生金雞菊的平均臂比均高于多年生金雞菊。

CGL02和CG-YFC的核型公式為2n=2x=14m+12sm，與大花金雞菊和劍葉金雞菊存在一定差異。兩者在核型坐標圖中與劍葉距離相近，與大花金雞菊較遠，且在臂比大于2的染色體比例上，兩者與劍葉金雞菊相同為15.38%。

3 討論

同一物種或品種的植物往往具有較為穩(wěn)定的染色體數(shù)目，了解親本及后代的染色體特征，有助于選配雜交親本及鑒定后代，也可提高雜交育種的成功率[20-21]。北美金雞菊野生屬內(nèi)染色體基數(shù)多變，并與屬內(nèi)分組有一定關(guān)聯(lián)，如兩色組為x=12，毛果組(C.sect.Pseudoagarista)為x=13，金雞菊組甚至存在x=14,13,10,9,7,6[10-11,22-23]。在我國對兩色金雞菊的研究中，多將其稱為蛇目菊，與菊科蛇目菊屬的蛇目菊(Sanvitaliaprocumbens)同名，但蛇目菊屬(SanvitaliaLam.)的染色體基數(shù)為x=8,11[24]，明顯區(qū)別于兩色金雞菊的x=12，可由此作為兩者細胞學鑒定和區(qū)分的依據(jù)。根據(jù)前人的研究，皇冠金雞菊存在x=6,7,8,9,10五種染色體基數(shù)，部分人認為其中x=9,10的類型應(yīng)立為新種類皇冠金雞菊C.nuecensoides[23]，本次核型試驗的皇冠金雞菊僅發(fā)現(xiàn)x=10一種染色體基數(shù)，雖有學者不承認這一物種，但其表觀形態(tài)和染色體基數(shù)更接近Crawford和Smith[25]所描述的新種。

栽培金雞菊的育種常涉及到大量的種間雜交，目前雖有幾個重要親本染色體基數(shù)方面的報道，但未見有關(guān)栽培金雞菊染色體倍性方面的研究。29個籽播系材料大多為二倍體，僅大花金雞菊‘黃金分割’有52條染色體，推斷其可能為四倍體，而31個無性系材料中存在大量以二倍體、三倍體及四倍體為基礎(chǔ)的非整倍體，但部分未參與遠緣雜交的品種如輪葉金雞菊‘黃金雨’的39條染色體可能為x=13的三倍體?！饓簟从谝患颐缙缘呐既话l(fā)現(xiàn)，并非經(jīng)過人工培育得來，商業(yè)上將其歸為玫紅金雞菊，其38條染色體與玫紅金雞菊的x=13明顯不同，結(jié)合其形態(tài)特征推斷，其很可能產(chǎn)生了天然的種間雜交引入了x=12的兩色組金雞菊的基因，但也可能是玫紅金雞菊自身產(chǎn)生了某種染色體級變異而形成了非整倍體。但僅憑染色體數(shù)目來推測栽培金雞菊的染色體倍性還存在較大的局限性，需要進一步輔以流式細胞儀技術(shù)和FISH技術(shù)(熒光原位雜交Fluorescence in situ hybridization)等明確染色體組大小和部分相關(guān)染色體的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 十八個金雞菊材料的核型散點圖Fig.2 Karyotype coordinate image of eighteen tested Coreopsis L.

染色體通常由對稱向不對稱演化，表現(xiàn)為不對稱系數(shù)的提高[26]，金雞菊的進化趨勢為生活習性上由多年生轉(zhuǎn)向一年生，葉片由全緣轉(zhuǎn)向全裂[2]，從核型上看，18個金雞菊試材全部為2A型，整體上較為原始，但一年生的金雞菊普遍具有更高的不對稱系數(shù)，比多年生的更為進化。Archibald等[28]認為，一年生金雞菊種內(nèi)的染色體重組更為頻繁，生殖隔離的進化速率也更快，可能由此導致了一年生金雞菊的核型不對稱系數(shù)高于多年生。和現(xiàn)有報道對比，大花金雞菊的核型和楊德奎的1A型不一致[12]，兩色金雞菊三個品種的2A型與前人的報道相同，但核型公式有所出入[13,26,29]，這可能和材料來源有關(guān)，但也可能是由于材料處理時染色體縮短程度、觀察和測量染色體的方法不同導致的。

雜交育種可以結(jié)合兩個或多個種的優(yōu)良特性，創(chuàng)造新的花卉種質(zhì)[30]。在籽播型金雞菊中，常用到的并非大花金雞菊或劍葉金雞菊其中的某一個種，而是兩者的種間雜交種，為了培育植株更為矮小緊湊的品種，往往還會加入耳葉金雞菊作為親本[31]。三者在分類上同屬金雞菊組，本次核型試驗三者試材的核型公式同為2n=2x=16m+10sm，在核型坐標圖中位置也較為緊密，親緣關(guān)系較近。我國商業(yè)上常見將金鬃金雞菊、大花金雞菊和劍葉金雞菊混為一談，在培育過程中發(fā)現(xiàn)，CGL02和CG-YFC的表觀形態(tài)和習性與劍葉金雞菊極為接近，根據(jù)核型坐標圖和各核型參數(shù)，兩者與劍葉金雞菊更為相似，而2n=2x=14m+12sm極有可能是劍葉金雞菊的另一種核型公式，但仍需輔以其他標記手段進行驗證。籽播系金雞菊中，大花金雞菊和劍葉金雞菊的染色體基數(shù)都是x=13，品種也呈2n=26或2n=52，不能僅以此為依據(jù)進行鑒別，兩者的核型和染色體數(shù)目雖然相同，但核型不對稱系數(shù)存在較大差異，而二者的種間雜交品種是否也在核型參數(shù)上存在差異還有待近一步研究。無性系金雞菊中，源于同一親本雜交組合的幾個材料染色體數(shù)目的一致性可能與其親本產(chǎn)生可育配子的染色體數(shù)目較為固定有關(guān)。輻射變異通常伴隨著遺傳物質(zhì)的改變，但較少引起染色體數(shù)目的變化[32]。通過伽馬射線輻射誘變得到的Uri Dream系列[33]中，‘日落夢想’和‘胭脂夢想’具有一致的染色體數(shù)目2n=25?！焯弥T’是‘甜夢’的芽變品種[34]，而‘金塊’和‘蔓越莓沙冰’起源于‘雪莓’的組培突變和二次突變[35]，這些品種在變異后也均未發(fā)生染色體數(shù)目的改變。

4 結(jié)論

本研究首次報道了大量栽培金雞菊資源的染色體數(shù)目和核型特征，其染色體數(shù)目變化廣泛，介于20～52之間，共有12種類型。籽播系材料有二倍體和四倍體，無性系材料中可能含有大量的非整倍體。染色體類型以s型和sm型為主，部分材料含有st型染色體。核型全部為2A，較為原始，個別材料的染色體含有隨體，不對稱系數(shù)介于58.56%～64.93%之間，而一年生金雞菊普遍具有更高的不對稱系數(shù)更為進化。親本復雜的染色體基數(shù)及染色體倍性是造成栽培金雞菊染色體數(shù)目多變且產(chǎn)生大量非整倍體的主要原因。研究結(jié)果為栽培金雞菊的分類、鑒定、遺傳變異及雜交育種等方面提供更多細胞學方面的參考。