毛白杨异源三倍体形态和减数分裂观察

北京林业大学学报
JOURNAL OF BEIJING
FORESTRY UNIVERSITY
1999年第1期No.11999
毛白杨异源三倍体形态和减数分裂观察*
康向阳　朱之悌　张志毅
摘要　毛新杨×毛白杨［(Populus tomentosa×P. bolleana)×P.tomentosa］异源三倍体无性系综合形态特征为偏毛白杨，部分近于新疆杨(如长枝叶)，只有长枝叶、雄花序等表现出了较明显的巨大性.其花粉母细胞减数分裂进程较毛白杨、毛新杨约快8～12 h，且极不同步.三倍体染色体联会和分离的行为复杂，在中期Ⅰ除了出现三价体、二价体、单价体外，还可见到四价体和五价体；在后期Ⅰ、后期Ⅱ亦可见到较高频率的落后染色体，遗传上属于部分异源三倍体.这些毛白杨异源三倍体表现高度不育，但存在着无性系差异.花粉部分可育三倍体(B302)的存在，为相关的遗传分析及倍性育种实践提供了极其有用的材料.
关键词　毛白杨，异源三倍体，形态，减数分裂
中图分类号　S792.117
Morphology and Meiosis of Chinese White Poplar
Kang Xiangyang Zhu Zhiti Zhang Zhiyi
(College of Forest Resources and Environment, Beijing For. Univ., 100083, P.R.China) ABSTRACT　This paper reported morphology and meiosis in the allotriploids of Chinese White Poplar ［(Populus tomentosa×P. bolleana)×P. tomentosa］. All the hybrid's triploids showed giantism in leaf of long shoot and male catkin, and comprehensive morphological alike to their female parents, partial traits (for instance leaf of long shoot etc.) alike to P. bolleana.The meiosis duration of pollen mother cell(PMC) in allotriploids were 8～12 h faster than P. tomentosa and P. bollena, and very non-synchronism.It is also observed that the trivalents,bivalents,univalent and guadrivalents, pentavalents in MetaphaseⅠ,and the lagging chromosomes in AnaphaseⅠ andⅡ.By chromosomal synapses in meiosis of PMC of allotriploids and their parents, it is proved that this triploids is the segmental alloplyloid. The triploids showed hightest sterile, but only clone B302 produced little fertility pollen.
KEY WORDS　Chinese white poplar,　allotriploid,　morphologicall,　meiosis
杨树三倍体形态学等方面的研究较多［1～4］，而在细胞遗传学方面只有染色体计数的报道［4,5］.近年来，我国毛白杨异源三倍体无性系的选育成功［6，7］，引起了国内外的广泛关注.这些三倍体无性系在部分测定林的树龄已达8 a ，大多已有花芽形成，生长和形态等也基本稳定，可以对其形态特征、花粉母细胞减数分裂特点和配子育性进行观察.有关研究资料的取得，对三倍体育种工作的进一步开展具有指导价值.
1　材料和方法
实验材料包括：① 20个毛新杨×毛白杨［(Populus tomentosa×P.bolleana)× P. tomentosa］三倍体无性系，即B301～B320，其中B302和B308为已开花雄株，采自山东冠县苗圃等地；② 毛白杨雄株B111和毛新杨雌株TB04、雄株TB16，分别采自山东冠县苗圃和北京农业大学.1月初采集所需雌、雄花枝，运回温室水培.
采用常规石炭酸品红及醋酸洋红压片的方法，观察雄株B302和B308的减数分裂过程以及减数分裂中期Ⅰ的染色体联会情况；并通过授粉回交、杂交观察三倍体的可育性.
2　结果及分析
2.1　毛白杨异源三倍体的形态特征
不同无性系在形态上各有特点，但因来源一致，也具有许多相似之处.一般而言，这些三倍体大多树干通直，部分无性系稍有弯曲，树皮幼时灰绿色，以后渐变为浅褐色或灰白色；皮孔菱形，多为2个以上横向连生.树冠卵形或广卵形，侧枝开展，分枝角为45°或略大于45°，部分无性系主侧枝较粗壮，树冠基部或有空膛现象.萌枝或长枝初被灰白色绒毛，后脱落，皮色为淡绿褐色.叶芽长卵形，褐色；长枝叶与短枝叶在形态上差别明显，长枝叶形态较大，一般长约20cm，宽约23cm，黑绿色，三角状卵 形，先端渐尖，叶基部平截形或心形，叶背部有密生白色绒毛,掌状深裂，近似于新疆杨特征；短枝叶大小同一般毛白杨，暗绿色，叶卵园形，先端短尖，基部平截或微心形，具波状锯齿，叶背部具稀疏绒毛.雄花芽略大，径达0.8～1.5cm，长约 1.5～2.5cm，卵圆形，花 芽较多；花序长10～20cm，较一般毛白杨粗，径达2cm，巨大性明显；每花序具雄花180～230个， 稍多于一般毛白杨；雄花苞片褐色或灰褐色，裂度中等，生有绒毛；雄蕊15～20个，花药黄红色或红色，花粉量较多，花粉粒大小均匀.雌花芽大小近于一般毛白杨，卵圆形，花序长3～6cm，每序雌花数为140～200个；苞片呈灰褐色或黄褐色，尖裂，沿边缘有长毛；花盘斜杯状或杯状，具缺刻且绿色；子房椭圆形，柱头2裂，每裂又2裂，粉红色；果序长 6～14cm，严重败育.从三倍体形态看，只有长枝叶、雄花序等表现出了明显的巨大性，可作为这种人工三倍体鉴定的形态表征.
此外，在现已检出的已知性别的三倍体中，包括的雌株较多，而雄株则较少，推测原因可能有二：其一是三倍体雌株前期生长快，因此在选择中处于有利地位，而雄株则因前期生长相对较差而被淘汰；其二可能是由于含有不同性染色体的花粉管在生长上存在着差异，也就是说毛白杨含雌性染色体的花粉和含雄性染色体的花粉在雌蕊柱头上萌发的速度不同，其中含雌性染色体的花粉管生长快，在受精的竞争中处于有利地位，因此获得的杂种三倍体有雌性植株较多的倾向.
2.2　毛白杨异源三倍体减数分裂观察
从对毛新杨×毛白杨三倍体B302和B308 花粉母细胞减数分裂(图版Ⅰ5～10)的观察看，三倍体花粉母细胞减数分裂进程与其花芽、花药的外部形态变化具有相关性(表1)，随着花粉母细胞减数分裂的进行，花芽芽鳞张开，花序逐渐出露，同时花药颜色也由花粉母细胞时的黄绿色变为黄色、微红色、红色，至四分体时呈深红色，在研究中可根据花序和花药颜色变化来估测杂种三倍体减数分裂进程.与其父母本——毛白杨、毛新杨相比，三倍体还有减数分裂持续时间相对较短的特点，在相同的水培条件下，毛新杨(TB16)完成胞母细胞至四分体的减数分裂过程需要72 h,毛白杨(B111)需68 h ［8］，而三倍体B302和B308仅需60 h左右.此外这两个雄性杂种三倍体的减数分裂及不同步，在一定的时期内，同一雄花芽内甚至可以观察到由终变期到四分体之间各个时期的分裂相.
表1　B302花粉母细胞减数分裂过程与花芽外部特征
TABLE 1　Meiosis duration of PMC and morphological of flower in triploid clone B302
固定时间水培时间/h花 序 变 化 花药颜色减 数 分 裂 阶 段
19940116T09　0 花序微露黄绿色花粉母细胞
19940117T0924花序微露黄色细线期
19940118T09481/4伸出芽鳞黄中泛红双线期、终变期、中期Ⅰ
19940118T11501/4伸出芽鳞微红色中期Ⅰ、后期Ⅰ
19940118T15541/3伸出芽鳞红色末期Ⅰ、前期Ⅱ
19940118T19581/3～1/2伸出芽鳞红色后期Ⅱ、末期Ⅱ
19940118T21601/2以上伸出芽鳞深红色末期Ⅱ、四分体
从毛新杨×毛白杨杂种三倍体B302和B308的染色体联会情况看,除了可见到三价体、二价体、单价体外，还有四价体和五价体出现，其中以二价体、单价体为多(图版Ⅰ11～12).尽管如此,这两个三倍体的同源染色体在后期Ⅰ、后期Ⅱ分向两极时，到达两极的染色体数仍大致相近，未见到较极端的情况出现.只是在同源染色体向两极移动过程中，发现有落后染色体的出现(图版Ⅰ 6,10),而从减数分裂末期Ⅰ、末期Ⅱ分裂相细胞的观察看，这些落后染色体有的最终会到达两极子核内，有的则滞留于赤道板处形成微核或消失于细胞质中.此外，就B302、B308两个三倍体无性系自身而言，它们的染色体构型及行为又有所不同，其中B302 在中期Ⅰ可形成7～10个三价体，其余以二价体、单价体为多，仅有1～2个四价体出现(图版Ⅰ11)；B308在中期Ⅰ产生的三价体则较少，仅为2～3个，而四价体、五价体相对较多(图版Ⅰ12).而且B302和B308减数分裂后期Ⅰ、后期Ⅱ的同源染色体分离行为表现亦不一致，其中B308中出现落后染色体的分裂相比率较高，落后染色体数目相对较多，B302中含落后染色体的分裂相比率则相对较低，落后染色体数也相对较少.
毛新杨×毛白杨异源三倍体B302和B308的染色体联会及分离时的行为表现了三倍体遗传上的复杂性和个体间的差异性.由于毛白杨属杂种起源，同源染色体间的联会较差，而毛白杨与新疆杨的杂种毛新杨的同源染色体间的联会较好，表明新疆杨与毛白杨部分染色体间具有一定的同源性［8］.显然，当同源性较差的毛白杨二倍性花粉(n=2x=38)与同源性较好的毛新杨正常雌配子(n=x=19)结合后，由于在形成配子时同源染色体的随机分离和在形成合子时配子的随机结合，就会产生由同源性差异不等的三组“同源染色体”组成的三倍体.可见毛新杨×毛白杨人工三倍体既不是同源三倍体，也不是完全异源三倍体，而属于部分异源三倍体.因此，当这些部分异源三倍体的孢母细胞进行减数分裂时，其中某些完全同源的染色体形成三价体；而三条同源染色体中只有两条具有较强同源性的则形成一个二价体，另一条相对同源性较差的则单独存在形成单价体；多价体的形成有可能是非同源染色体间染色体片段易位造成的，此外由于古多倍性引起的染色体次级配对［9］的影响，以及由于杂合性造成的同源染色体配对紊乱也是不可忽视的因素.但值得提出的是，由于外源染色体及其片段的存在，会干扰正常的染色体联会，因此在减数分裂中期Ⅰ的染色体构型中，可能显示了异源性过高的倾向.
康向阳等：毛白杨异源三倍体形态和减数分裂观察
Kang Xiangyang et al: Morphology and Meiosis of Chinese White Poplar
图版Ⅰ　PlateⅠ
1.毛白杨二倍体的染色体数(2n=2x=38);2～4.毛新杨×毛白杨三倍体B301、B305、B308染色体数
(2n=3x=57);5～10. B302花粉母细胞减数分裂过程(示中期Ⅰ、后期Ⅰ、前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ);11. B302中期Ⅰ的染色体联会情况;12. B308中期Ⅰ染色体联会情况.
2.3　毛白杨异源三倍体的育性
奇数多倍体常常是高度不育的，高染色体基数的尤其如此，三倍体亦不例外，但这并不是说所有的三倍体都绝对不育.本研究用毛新杨TB16和毛白杨B111花粉给三倍体B313，B318，B319授粉，15d后观察约有5%～20%的蒴果膨大，但检查其蒴果却 极少见到胚珠，显然未能正常授精，最终均未能收获到种子，表现为高度不育.当用三倍体B302和B308花粉给毛新杨TB04授粉时，其中毛新杨×B308有76.2％的蒴果膨大,膨大的蒴果内含大小两个胚珠，但胚珠多属于假授精，最终未取得种子.在毛新杨×B302杂交组合中，授粉15d后统计，果序上蒴果膨大百分率为94.4％，膨大的蒴果内约有57％含有胚珠，且一般为2个大胚珠，最终从6个果序上共收获了427粒不太饱满的种子，播种后出苗138株，出苗率为31％.幼苗长势壮弱不一，甚至有3个子叶和4个子叶的现象，最终大部分死亡，移栽时只剩28株，现仅存活10株，尚在观察之中.
从上述情况看，雄性三倍体间存在着育性的差异，这种差异性可能主要与毛新杨×毛白杨三倍体内染色体的同源程度有关.尽管这种可育花粉的比率较低，但由于花粉数量的巨大性，因此可以在杂交时使一定的雌配子授精.花粉部分可育三倍体的存在，为今后进行相关的遗传分析及倍性育种实践提供了极其有用的材料.
3　结论
(1)毛新杨×毛白杨异源三倍体无性系多为雌株，雄株占少数，其综合形态特征表现为偏毛白杨，部分性状近于新疆杨(如长枝叶).只有长枝叶、雄花序等表现出了明显的巨大性,可作为这种异源三倍体鉴定的参考形态表征.
(2)三倍体花粉母细胞的减数分裂进程较毛白杨、毛新杨快8～12 h，且极不同步.B302，B308的染色体在中期Ⅰ联会时,除了形成三价体、二价体、和单价体外，还有四价体和五价体，而在后期Ⅰ、后期Ⅱ同源染色体分离过程中，亦可见到较高频率的落后染色体的出现，这些落后染色体在末期有的会滞留于赤道板处，最终形成微核或消失于细胞质中.B302，B308的花粉母细胞减数分裂染色体联会及分离时的行为表明，毛新杨×毛白杨三倍体在遗传上应属于部分异源三倍体，且个体间存在一定的差异性.
(3)毛白杨异源三倍体均表现高度不育，但无性系间存在着差异，其中B302的部分花粉可育，利用该花粉给毛新杨授粉获得了种子乃至植株.这种育性差异可能主要与毛白杨异源三倍体内染色体的同源程度有关.部分花粉可育三倍体(B302)的存在，为今后进行相关的遗传分析及育种实践提供了极其有用的材料.
*国家“八五”科技攻关加强项目(85-18-01-09)的部分内容.
第一作者男,34岁,博士后,副教授
作者单位:北京林业大学森林资源与环境学院,100083,北京;
参考文献
　[1]　Nilsson-Ehle H. Note regarding the gigas from of Populus tremula found in nature. Hereditas, 1936,21:372～382
　[2]　Bvijtenen Van, P N Joranson and D W　Einspahr. Naturally occurring triploid Quaking Aspen in the United States. Proc Soc Amer For, 1957. 62～64
　[3]　Einspahr D W. Production and utilization of triploid hybrid Aspen. Iowa State J Res, 1984,58(4):401～409
　[4]　Weisgerber H. 25 years of forest tree breeding in Hessen. Allgemeing-Forstzeitschriff， 1986. 26
　[5]　Muntzing A．The chromosomes of a giant Populus tremula. Hereditas, 1936, 21:383～393
　[6]　朱之悌,林惠斌,康向阳．毛白杨异源三倍体B301等无性系选育的研究.林业科学,1995,31(6):499～505
　[7]　Zhu Zhiti, Kang Xiangyang,Zhang Zhiyi．Advances in the Triploid Breeding Program of Populus tomentosa in China.Journal of Beijing Forestry University (English Ed.),1997,6(2):1～8
　[8]　康向阳．毛白杨细胞遗传与三倍体选育的研究:［学位论文］.北京:北京林业大学资源与环境学院, 1996
　[9]　康向阳．染色体次级联会与杨属的起源进化.甘肃农业大学学报,1996,31(4):323～326
　[10]　林惠斌，李天权，董凤祥. 毛白杨花粉和种子辐射效应的研究.北京林业大学学报,1988,10 (1):83～85
　[11]　朱之悌.毛白杨良种选育战略的若干考虑及其八年研究结果总结.见:林业部科技司主编.阔叶树遗传改良.北京:科学技术文献出版社,1991.59～82
　[12]　Zhu Zhiti, Zhang Zhiyi. The Status and Advances of Genetic Improvement of Populus tomentosa Carr. Journal of Beijing Forestry Univesity(English Ed.), 1997,6(1):1～7
　[13]　Zhang Zhiyi, Li Fenglan, Zhu Zhiti et al. Doubling Technology of Pollen Chromosome of Populus tomentosa and Its Hybrid. Journal of Beijing Forestry Univesity (English Ed.),1997,6(2):9～20
　[14]　康向阳,朱之悌.白杨2n花粉生命力测定方法及萌发特征的研究.云南植物研究,1997,(4):395～401
　[15]　朱之悌,康向阳,张志毅.毛白杨天然三倍体选种研究.林业科学,1998,34(4):22～31
1998-06-15收稿(责任编辑　赵　勃)。