同源多倍體化對(duì)植物側(cè)生器官形態(tài)建成影響的研究進(jìn)展

晁亞琮，武榮花，蔣 卉，張和臣

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝研究所,河南 鄭州 450002)

高等植物多倍體化分為同源多倍體化和異源多倍體化[1]。同源多倍體化是指增加的染色體組來(lái)自同一物種，即同一物種經(jīng)過染色體加倍而形成多倍體的過程，產(chǎn)生于物種內(nèi)全基因組復(fù)制事件，同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化；異源多倍體化是指不同物種雜交產(chǎn)生的后代經(jīng)過染色體加倍形成多倍體的過程，產(chǎn)生于包括特異性雜交在內(nèi)的基因組復(fù)制事件[2-3]。相較于同源多倍體，異源多倍體在自然界中普遍存在，染色體重排和基因組復(fù)制在異源多倍體化過程中頻繁發(fā)生，且大幅改變了植物的外部形態(tài)特征、生理特性、激素水平、代謝物質(zhì)、育性及生態(tài)適應(yīng)性等[4-6]。因此，異源多倍體兼具多倍體和雜種的雙重優(yōu)勢(shì)，能夠更好地應(yīng)對(duì)進(jìn)化及物種生存[7-9]。研究表明，異源多倍體在小麥、甘藍(lán)、棉花等作物的長(zhǎng)期進(jìn)化和改良中發(fā)揮著重要作用[10-12]。與異源多倍體的“長(zhǎng)期進(jìn)化”相比，同源多倍體更傾向于“短期革命性變化”。雖然染色體倍增也會(huì)導(dǎo)致同源多倍體適應(yīng)環(huán)境的能力增強(qiáng)，但在極端環(huán)境下的局限性、基因冗余導(dǎo)致的基因組不穩(wěn)定性、近交衰退使其在物種進(jìn)化中的局限性增加。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，自然界中同源多倍體可能比觀察到的更加普遍，其受自然氣候和環(huán)境波動(dòng)的影響。同源多倍體化后植株定殖能力和遠(yuǎn)源雜交能力增強(qiáng)。在植物育種研究上，同源多倍體化缺乏異源多倍體化進(jìn)化系統(tǒng)中的不確定性和漸滲雜交，更有助于加強(qiáng)對(duì)植物染色體倍增作用和變異機(jī)制的了解[13-14]。目前，利用同源多倍體化改良作物品種的方法已在土豆、紅花苜蓿、甜菜、西瓜等中廣泛應(yīng)用[15-17]，大幅度縮短了育種周期，同時(shí)在品種保護(hù)上也發(fā)揮著重要作用[18]。

從微觀角度看，同源多倍體化導(dǎo)致單個(gè)細(xì)胞核內(nèi)復(fù)制和倍性增加的間接影響是多種多樣的，包括細(xì)胞核大小、細(xì)胞大小以及器官和生物體大小等變化[19-20]。同源多倍體化尤其是人工誘導(dǎo)產(chǎn)生的同源多倍體化，通常會(huì)導(dǎo)致染色體一次或多次倍增而形成四倍體、八倍體或其他高倍體，甚至嵌合體、混倍體和非整倍體?；谶z傳物質(zhì)的穩(wěn)定性和最大容量，一些植物在高倍性時(shí)發(fā)育畸形且生長(zhǎng)緩慢。因此，同源多倍體化對(duì)植物器官的突變性影響非常復(fù)雜[21-22]，且這種影響與各器官的細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)規(guī)律密切相關(guān)[23-24]。植物的主要側(cè)生器官葉片、花萼和花瓣等是研究同源多倍體化后植物側(cè)生器官變化機(jī)制的重要模式器官，其形態(tài)建成過程中存在廣泛的規(guī)律性和差異性?；谕炊啾扼w化后植物器官的復(fù)雜變化及同源多倍體化在植物育種及遺傳進(jìn)化研究中的重要意義，綜述整倍體化對(duì)葉片、花萼、花瓣等側(cè)生器官形態(tài)建成的影響及非整倍體化對(duì)植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響，以期為今后通過同源多倍體化改良作物性狀、培育優(yōu)良品種提供理論依據(jù)。

1 植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響因素

植物的側(cè)生器官主要包括葉片、花萼和花瓣等，其形態(tài)受多重因素的影響。其中，遺傳背景是最主要因素，控制細(xì)胞的基礎(chǔ)大小和分裂生長(zhǎng)方向，從而有效控制側(cè)生器官的最終性狀。除遺傳因素外，環(huán)境因素也在其形態(tài)建成過程中產(chǎn)生重要影響，例如土壤營(yíng)養(yǎng)、鹽分、水分、光照、CO2等[25-26]。染色體加倍是遺傳背景對(duì)側(cè)生器官影響的一個(gè)特殊方面，通過遺傳物質(zhì)的整體加倍產(chǎn)生，對(duì)細(xì)胞大小、數(shù)量、增殖、生長(zhǎng)和生長(zhǎng)時(shí)期等方面產(chǎn)生規(guī)律性地協(xié)同作用，影響器官的形態(tài)。相對(duì)于異源多倍體，同源多倍體的遺傳背景較簡(jiǎn)單，是進(jìn)行遺傳物質(zhì)倍增對(duì)器官形態(tài)建成影響研究的良好材料。同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化，主要通過DNA含量成比例的變化來(lái)影響細(xì)胞大小、數(shù)量、增殖方式和生長(zhǎng)時(shí)間等[22]，從而導(dǎo)致器官形態(tài)發(fā)生大幅變化。

2 同源多倍體化對(duì)植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

2.1 整倍體化對(duì)植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

2.1.1 葉片 葉片的發(fā)育和形態(tài)建成研究已經(jīng)相對(duì)成熟[27-28]，葉原基始于莖頂端分生組織的外圍區(qū)，由生長(zhǎng)素定向累積誘導(dǎo)形成，在激素和轉(zhuǎn)錄因子相互作用下協(xié)調(diào)細(xì)胞的分裂和生長(zhǎng)，發(fā)育成扁平結(jié)構(gòu)，并形成不同層、脈管系統(tǒng)和特化表皮細(xì)胞。該過程經(jīng)歷葉膨脹、葉生長(zhǎng)，最終在邊界細(xì)胞的調(diào)控下終止生長(zhǎng)[29]。同源多倍體化是染色體的一次或多次倍增過程，對(duì)葉片中各類型細(xì)胞的大小、數(shù)量、生長(zhǎng)速度和生長(zhǎng)邊界等產(chǎn)生很大影響，這種涉及整個(gè)發(fā)育時(shí)期三維方向上的動(dòng)態(tài)變化，最終導(dǎo)致多倍體植株表型發(fā)生變化。多倍體植株的表型，在橫向上，葉大小、葉基部和葉尖形態(tài)、葉長(zhǎng)寬比等發(fā)生變化；在縱向上，葉片厚度因角質(zhì)層、表皮層、柵欄組織等組織的細(xì)胞大小、層數(shù)和細(xì)胞間隙的改變而發(fā)生變化。此外，維管組織和葉肉組織比例也會(huì)發(fā)生變化，但變化因倍性的差異而存在一定的規(guī)律性。

2.1.1.1 葉表皮層 葉表皮層是位于葉片角質(zhì)層下方的一層細(xì)胞，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和分布。它們可以調(diào)控柵欄組織的生長(zhǎng)，并最終在葉形態(tài)的調(diào)控上發(fā)揮作用。隨著染色體倍性的增加，葉表皮層細(xì)胞大小增加，但增幅逐漸呈下降趨勢(shì)?，F(xiàn)階段同源多倍體化引起細(xì)胞大小與器官大小改變的研究主要集中在擬南芥等模式植物上。擬南芥同源四倍體葉上表皮層細(xì)胞較二倍體增大了約1.7倍[22,30-31]，下表皮層細(xì)胞增幅(四倍體較二倍體增大約1.76倍)稍高于上表皮層[22]；擬南芥同源八倍體葉表皮層細(xì)胞較四倍體增大了1.5倍，表明植物染色體倍性越高，染色體加倍后細(xì)胞大小增加幅度越小[22，31]。綜上，染色體倍增的程度對(duì)不同器官或組織細(xì)胞大小增幅的影響趨勢(shì)一致，但影響程度存在差異。

隨著染色體倍性的增加，葉表皮層的細(xì)胞數(shù)量減少，形成了倍性變化對(duì)細(xì)胞大小變化的補(bǔ)償效應(yīng)，中和了部分來(lái)自細(xì)胞增大對(duì)形態(tài)的影響。例如：同源四倍體擬南芥葉表皮層細(xì)胞較二倍體增大約1.5倍，但數(shù)量卻減少了約50%[32]，而八倍體細(xì)胞數(shù)量減少量則增加至74%[31,33]。高倍性(六倍體和八倍體)植株的這種補(bǔ)償效應(yīng)更為明顯，導(dǎo)致側(cè)生器官體積較二倍體更小，這種現(xiàn)象被稱為高倍性綜合征[13]，如四倍體擬南芥第一對(duì)真葉較二倍體大27%，而八倍體較二倍體略小[13]。染色體倍增對(duì)葉片的影響是一個(gè)三維動(dòng)態(tài)過程，部分學(xué)者[13,22]認(rèn)為這與遺傳物質(zhì)含量過大導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)周期延緩，使得細(xì)胞數(shù)量減少有關(guān)。但近年來(lái)在擬南芥和黑麥草中的研究均發(fā)現(xiàn)，四倍體植株葉片細(xì)胞長(zhǎng)度的增加是由細(xì)胞伸長(zhǎng)率增加引起的，細(xì)胞生長(zhǎng)周期沒有改變，也并未導(dǎo)致細(xì)胞分裂速度的減緩[25,34]。倍性變化對(duì)葉面積大小的影響研究也表明，葉面積的大幅增加與葉片的伸長(zhǎng)率增加有關(guān)[13]。擬南芥八倍體較四倍體、四倍體較二倍體葉片伸長(zhǎng)率增加，生長(zhǎng)周期延長(zhǎng)[13]。2種黑麥草的同源四倍體葉片比二倍體更長(zhǎng)也與葉片伸長(zhǎng)速率增加有關(guān)[25]。

有研究表明，葡萄糖對(duì)四倍體植物葉表皮層細(xì)胞大小的抑制程度較二倍體更強(qiáng)，甘露醇對(duì)二倍體和四倍體細(xì)胞大小的抑制程度相似[30]，而植物激素[脫落酸(ABA)、吲哚丁酸(IBA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、赤霉素(GA3)、茉莉酸甲酯(MeJA)、乙烯(ETH)、玉米素(ZT)和水楊酸(SA)]對(duì)擬南芥同源四倍體和野生型葉片細(xì)胞大小的影響差異甚微[22]。受葡萄糖脅迫時(shí)，二倍體和四倍體中葉表皮層細(xì)胞周期調(diào)控基因ICK1(Inhibitor of cyclin-dependent kinase 1)、ICK2、ICK4、ICK5表達(dá)量以相似程度增加[30]。

2.1.1.2 柵欄組織、維管組織 同源多倍體化對(duì)葉片的柵欄組織、維管組織的影響與表皮細(xì)胞存在差異。擬南芥同源四倍體柵欄組織細(xì)胞較二倍體增大了24%[30]；黃瓜葉片柵欄組織面積隨倍性的增加呈現(xiàn)增大趨勢(shì)[35]；水稻葉片維管束形態(tài)隨倍性增加由近圓形變?yōu)榻鼨E圓形，維管束數(shù)目隨倍性的升高略有增加，而維管束直徑隨倍性升高顯著增加[35]。維管束的結(jié)構(gòu)主要和植株倍性有關(guān)，而與植株大小的關(guān)系并不密切[36]。

2.1.1.3 氣孔、毛狀體 氣孔也是植物倍性變化的重要指標(biāo)[22]。保衛(wèi)細(xì)胞的面積、長(zhǎng)度隨倍性增加而呈線性增加趨勢(shì)，但單位面積氣孔數(shù)量呈線性減少趨勢(shì)[36-37]。保衛(wèi)細(xì)胞面積占表皮總面積的比例相當(dāng)穩(wěn)定(2.1%～2.8%)，但四倍體較二倍體氣孔密度降低40%[38-39]。此外，四倍體氣孔長(zhǎng)度較二倍體增加的幅度與表皮細(xì)胞面積增加幅度相近，約為60%；四倍體較二倍體氣孔寬度的增加幅度與氣孔長(zhǎng)度相似，但八倍體較四倍體氣孔寬度的增加幅度較氣孔長(zhǎng)度減弱[38]。細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程，倍性增加導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)上的變化機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。

此外，表皮層的毛狀體形態(tài)也是部分植物倍性變化的重要指標(biāo)。擬南芥毛狀體分支數(shù)隨著倍性增加而增加，非整倍體毛狀體分支數(shù)類似于高倍體而與實(shí)際染色體數(shù)目是否整倍無(wú)關(guān)，與鄰近氣孔細(xì)胞大小隨倍性的變化趨勢(shì)一致[38]。

2.1.1.4 內(nèi)多倍體 內(nèi)多倍體也是影響植物細(xì)胞大小的一個(gè)因素。研究表明，隨著倍性增加,葉片內(nèi)多倍體所占比例呈下降趨勢(shì)[40]，因?yàn)閮?nèi)多倍體的出現(xiàn)并不會(huì)改變器官中的基因拷貝數(shù)，所以細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)含量呈恒定狀態(tài)[22]。因此，內(nèi)多倍體所占比例的變化對(duì)器官形態(tài)的影響相對(duì)有限。擬南芥同源八倍體、四倍體和二倍體葉片內(nèi)多倍體的分布存在差異，二倍體在受到葡萄糖脅迫后，葉片內(nèi)多倍體4C、8C和16C的細(xì)胞所占比例顯著降低；甘露醇脅迫導(dǎo)致葉片內(nèi)多倍體增加，4C細(xì)胞所占比例顯著增加，而8C和16C的細(xì)胞所占比例顯著降低，表明葉片內(nèi)多倍體增加僅發(fā)生1次；甘露醇脅迫下四倍體16C的細(xì)胞所占比例減少，8C的細(xì)胞所占比例增加[30]，而葡萄糖或甘露醇誘導(dǎo)不同倍性植物的葉片內(nèi)多倍體比例變化還未知。

2.1.2 花萼 與葉片細(xì)胞形狀不同，花萼細(xì)胞呈方形而不是矩形[41]。花萼面積隨倍性的增加而增加，但增幅呈線性下降趨勢(shì)。例如：擬南芥四倍體花萼的面積比二倍體大1.51倍，八倍體比四倍體大1.13倍[22,31]?；ㄝ嗉?xì)胞大小的變化與葉片非常相似，四倍體花萼表皮細(xì)胞比二倍體大1.76倍，八倍體比四倍體大1.71倍[22,31]?；ㄝ嗉?xì)胞數(shù)量的變化也與葉片類似，花萼表皮細(xì)胞的數(shù)量隨著倍性的增加呈線性下降趨勢(shì)，四倍體花萼表皮細(xì)胞數(shù)量較二倍體減少20%，八倍體比四倍體減少23%[22]。另外，花萼也具有與葉片類似的補(bǔ)償效應(yīng)，但控制這種細(xì)胞數(shù)量變化的機(jī)制尚不清楚。與葉片不同的是，高倍體植株花萼并不會(huì)因其補(bǔ)償效應(yīng)過強(qiáng)而出現(xiàn)高倍性綜合征。

花萼細(xì)胞也存在核內(nèi)復(fù)制[42-43]。同一倍性水平上核內(nèi)復(fù)制的頻率大致相似，但隨著倍性增加核內(nèi)復(fù)制略有減少，四倍體花萼細(xì)胞內(nèi)多倍體較二倍體減少約18%，八倍體較四倍體減少24%，表明高倍性時(shí)倍性水平與內(nèi)多倍體出現(xiàn)頻率存在小的負(fù)相關(guān)[22,32]。對(duì)擬南芥的研究表明，花萼在不同倍性水平時(shí)前期的原基細(xì)胞數(shù)目是恒定的，細(xì)胞生長(zhǎng)速度不受倍性影響，因倍性變化產(chǎn)生的細(xì)胞數(shù)量的差異在后期才出現(xiàn)[22]。

2.1.3 花瓣 與葉片和花萼類似，四倍體與高倍體的花瓣通常較二倍體大，例如：四倍體黃瓜的雄花和雌花花瓣長(zhǎng)、寬增加明顯，花朵變大且更鮮艷，花瓣增厚且表面出現(xiàn)皺褶，花瓣邊緣彼此重疊[44]。擬南芥二倍體-四倍體-八倍體系列中，隨倍性增加，花瓣顯著增大，但各個(gè)花器官表型并未出現(xiàn)較大幅度的變化[22]，這與福祿考二倍體、四倍體和六倍體的花冠裂片研究結(jié)果類似[45]。但同源多倍體化對(duì)煙草花冠裂片形態(tài)的影響較復(fù)雜，形成了較多新的變異[22]。

此外，與葉片和花萼的適應(yīng)力不同，高倍性時(shí)植株能正常生長(zhǎng)，孕育出帶完整花萼的花苞，但染色體行為異常通常導(dǎo)致花苞停育[46]，例如：六倍體黃花苜?；ㄐ虺什ɡ诵位蚓砬螒B(tài)發(fā)生變異，并產(chǎn)生明顯的生殖分離[47]。另外，花瓣內(nèi)多倍體變化趨勢(shì)與花萼相似。

2.2 非整倍體化對(duì)植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

非整倍體主要是由于細(xì)胞有絲分裂或減數(shù)分裂過程中染色體異常分離引起的[48-49]。與整倍體相比，非整倍體因染色體異常分離導(dǎo)致單個(gè)染色體增加或減少，存在廣泛的染色體不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生新的表型[49-50]。非整倍體化產(chǎn)生的影響在很大程度上對(duì)細(xì)胞是有害的，會(huì)導(dǎo)致生物體致死或產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷，例如在動(dòng)物和人身上會(huì)表現(xiàn)出嚴(yán)重的缺陷，但非整倍的多倍體植物能夠表現(xiàn)出新的表型和較強(qiáng)的耐受力[51]。非整倍體水稻葉色較淡[52]；三倍體玉米葉片上出現(xiàn)結(jié)節(jié)[53]；非整倍體擬南芥擁有比整倍體擬南芥更小的花環(huán)直徑[54]；非整倍體煙草花瓣明顯增大，表面光滑且邊緣呈圓鋸齒狀[53]。

3 展望

同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化，整倍體化對(duì)側(cè)生器官的影響主要表現(xiàn)在細(xì)胞大小和器官大小上[19-20]，而非整倍體化對(duì)側(cè)生器官的影響則涉及器官形態(tài)的變異甚至造成畸形，以及變異后對(duì)自然環(huán)境逐步適應(yīng)而產(chǎn)生形態(tài)修復(fù)[51]。葉片和花萼對(duì)高倍性有較高的適應(yīng)性，而花瓣在高倍性時(shí)則多表現(xiàn)為畸形，甚至停育等。與葉片隨著倍性增加細(xì)胞變大而細(xì)胞數(shù)量減少，但變化幅度降低這種變化不同，花萼細(xì)胞大小隨著倍性增加而增大，細(xì)胞數(shù)量降低，但降幅增大[22]。因此，倍性對(duì)細(xì)胞大小的影響也取決于組織的特異性。此外，隨著倍性的增加，不同器官內(nèi)多倍體的變化趨勢(shì)也不同，但其DNA含量保持恒定[22]。同源多倍體化后，植物側(cè)生器官形態(tài)建成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，隨著倍性的增加，初期各側(cè)生器官的生長(zhǎng)速度減緩，這是由于細(xì)胞遺傳物質(zhì)增加，促使細(xì)胞分裂速度減緩，進(jìn)而導(dǎo)致生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)[22]。但GANEM等[34]的研究結(jié)果卻不支持細(xì)胞遺傳物質(zhì)增加導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)周期延長(zhǎng)這一觀點(diǎn)。因此，隨著倍性增加,生長(zhǎng)期延長(zhǎng)和初期生長(zhǎng)速度減慢的原因還有待進(jìn)一步研究。

同源多倍體化對(duì)花瓣細(xì)胞大小的影響與葉片、花萼相似，但形態(tài)建成的數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏。一些研究表明，隨著倍性增加，花瓣除細(xì)胞大小存在規(guī)律性變化外，形態(tài)上也存在一些變異，如花瓣厚度、花瓣折疊狀態(tài)、花瓣各裂片比例、花瓣裂片長(zhǎng)寬比例等[43,46-47]，表明同源多倍體化對(duì)花瓣形態(tài)的影響更強(qiáng)。非整倍體化對(duì)花形態(tài)影響更復(fù)雜，植物為適應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生更復(fù)雜的表觀遺傳變異修飾以及染色質(zhì)重塑等，從而產(chǎn)生更多新的表型。了解多倍體植物形態(tài)建成與二倍體間的差異，及引起差異的原因，是研究植物花形態(tài)調(diào)控機(jī)制和觀賞性狀改良的重要途徑。

目前，同源多倍體化已被應(yīng)用在許多作物改良育種中，在觀賞植物的研究上雖有報(bào)道，但應(yīng)用還相對(duì)較少。由于同源多倍體化對(duì)植株大小和活力、花瓣大小、花瓣厚度、花色、花期、葉色、抗性等均有影響，因此，在觀賞植物性狀改良上具有廣闊的應(yīng)用前景。