偃麦草属高倍性物种染色体组组成及系统发育研究

来源 :四川农业大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:zhuxuchen0822
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偃麦草属(Elytrigia Desvaux)为禾本科小麦族多年生属,该属的主要形态特征包括:具有强烈的根状茎、小穗单生于穗轴、长花药和常异花授粉。1810年,Desvaux将T.repens从小麦属中划出建立了偃麦草属,由传统冰草属Agropyron Gaertn.中具有根状茎的物种组成,但这种处理没有得到大多数学者的认可。偃麦草属的分类地位一直广受争议,被不同学者处理为不同的分类单位,如冰草属中的一个组(Dumortier)、冰草属的亚属(Nevski)和独立成属(Nevski和耿以礼)。前苏联植物学家Tzvelev将Elytrigia作为独立的属处理,含有约30个物种,由传统冰草属中具有根状茎和丛生的异花授粉植物组成,并划分为section Hyalolepis、section Caespitosae、section Elytrigia和section Juncea四个组。1978年,Melderis认为Tzvelev对偃麦草属分类处理的这些特征分类价值不大,在《欧洲植物志》中将Elytrigia组合到披碱草属(Elymus L.)中,并划分为section Caespitosae和section Elytrigia两个组。形态观察发现,披碱草属与偃麦草属部分物种具有相似的形态特征。Tzvelev在1923年指出,偃麦草属和披碱草属的亲缘关系密切,应该合并成为一个属,将其分开处理的原因一方面由于传统,另一方面希望得到更多的解剖学和生物化学等方面的证据。
  1984年,A.L(o)ve认为小麦族分类应该反映其系统发育关系,染色体组或染色体组组成相同的物种应该划归在同一属。因此,根据染色体组组成将偃麦草属物种划分到冠麦草属(E)、薄冰草属(J)、拟鹅观草属(St)、偃麦草属(StJE)和披碱草属(StH),其中偃麦草属包含8种12变种。Dewey将冠麦草属组合入薄冰草属(J/E),并对偃麦草属物种进行进一步划分,认为该属包含Elytrigia repens、E.lolioides、E.pycnantha、E.pungens和E.elongatiformis五个物种,染色体组组成为StX(X表示未知来源)。随着研究的不断深入,学者们发现偃麦草属的模式种Elytrigia repens的染色体组组成为St1St1St2St2HH。根据染色体组组成E.repens应该划归入披碱草属。颜济和杨俊良认为,偃麦草属为形态分类学家主观臆断的一个属,是一个大杂烩,其模式种已经划归入披碱草属,因此应该对该属其他物种的染色体组组成进行研究,并根据染色体组组成对其进行进一步划分。本研究利用dop-PCR和斑点杂交筛选St基因组特异序列,利用单拷贝核基因Acc1、DMC1、多拷贝核基因ITS、叶绿体基因trnL-F和原位杂交对偃麦草属高倍性物种Elytrigia lolioides、E.pycnantha、E.pungens、E.pontica和E.elongatiformis的亲本供体、母本起源、染色体组组成和起源进行分析,主要结果如下:
  1.以E基因组为对照,利用dop-PCR、斑点杂交和原位杂交筛选St基因组特异重复序列。荧光原位杂交检测发现其在染色体上的信号位点主要分为以下5种类型:(1)弥散的杂交信号分布于染色体端部;(2)明亮的点状信号分布于部分染色体端部;(3)弥散的杂交信号均匀或不均匀分布在整条染色体上;(4)信号均匀分布于染色体上,部分染色体端部信号较弱;(5)信号仅分布于着丝粒区域。以E(Ee和Eb)基因组为对照,从St基因组中筛选到具有差异的克隆11个,其中一个差异明显(命名为St2-80)。荧光原位杂交结果显示,该序列的信号主要分布于St基因组染色体臂上,而在着丝粒和近着丝粒区域则没有信号;在E、H、P和Y基因组染色体上则仅分布于端部,在D基因组染色体端部有非常弱的信号;而在A和B基因组染色体上则无信号。从二倍体到多倍体,该序列在染色体上的杂交信号非常稳定。因此,该序列可以用于鉴定St染色体组和追踪St基因组染色体的特异FISH探针。
  2.利用基因组原位杂交、荧光原位杂交、单拷贝Acc1序列,多拷贝ITS序列和叶绿体基因trnL-F研究E.lolioides的染色体组组成和系统地位。结果表明:(1)ITS系统发育分析显示,Pseudoroegneria(St)和Hordeum(H)为E.lolioides的基因组供体。(2)Acc1系统发育分析显示,除Pseudoroegneria,Hordeum外,Lophopyrum bessarabicum(Eb)可能也参与E.lolioides的物种形成。(3)FISH和GISH结果显示E.lolioides含有两组St染色体组和一组H染色体组,E基因组的拷贝可能源于基因渗入。(4)结合系统发育和分子细胞遗传学结果,E.lolioides包含两组来源不同或已分化的St染色体组和一组H染色体组,其染色体组组成为St1St1St2St2HH。根据染色体组分类原则,该物种应该划归入ElymusL.为Elymus lolioidus(Kar.er Kir.)Meld.。
  3.利用单拷贝核基因DMC1、Accl、多拷贝核基因ITS、叶绿体基因trnL-F和原位杂交(基因组原位杂交和荧光原位杂交)探讨Elytrigia pycnantha和E.pungens的染色体组组成和起源。结果显示:(1)拟鹅观草属、冠麦草属和冰草属为E.pycnantha和E.pungens的主要供体属。(2)DMC1数据显示E.pycnantha和E.pungens存在两种E基因组拷贝类型(E1和E2),表明DMC1基因可能存在非染色体加倍引起的基因加倍,该过程可能由转座子或反转座子介导的。(3)叶绿体基因结果显示拟鹅观草属或冠麦草属为E.pycnantha和E.pungens可能的母本供体。(4)冰草属物种可能没有直接参与Elytrigia pycnantha和E.pungens的物种形成。根据实验结果,它们的染色体组组成分别为StStEEPP和St1St1St2St2EEPP。我们支持颜济和杨俊良对E.pycnantha和E.pungens的分类处理,即将这两个种归入沙滩麦属。
  4.利用单拷贝核基因Acc1、多拷贝核基因ITS、叶绿体基因trnL-F和原位杂交探讨十倍体长穗偃麦草E.pontica的染色体组组成和可能的起源方式。Acc1和ITS系统发育分析表明,冠麦草属为E.pontica的主要供体。拟鹅观草属和类大麦属也参与了E.pontica的物种形成。St基因组特异标记显示E.pontica中不含有St基因组染色体。双色原位杂交结果显示,除26-28条染色体着丝粒和近着丝粒区域有St基因组杂交信号外,部分染色体臂上具有点状或带状杂交信号,表明E.pontica具有EEEEEEEEEE染色体组组成,但在物种形成过程中St与E基因组发生了广泛的重组。
  5.利用单拷贝核基因Acc1、多拷贝基因ITS、叶绿体基因trnL-F和基因组原位杂交对E.elongatiformis的染色体组组成和起源进行分析。系统发育和基因组原位杂交结果显示,拟鹅观草属为E.elongatiformis的主要供体属。因此,其染色体组组成应该为St1St1St2St2St3St3St4St4,根据染色体组组成建议将其划归入拟鹅观草属,名为Pseudoroegneria elongatiformia(Dorb.)Y H.Zhou et L.Wang。
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