甘蔗染色体遗传研究进展

丁雪儿, 侯 潇, 邓祖湖

(福建农林大学国家甘蔗工程技术研究中心/农业部福建甘蔗生物学与遗传育种重点实验室，福建 福州 350002)

甘蔗(Saccharumofficinarum)为禾本科甘蔗属植物，主要分布在热带与亚热带地区，生产上主要以蔗茎进行无性繁殖，并可多年宿根[1-2]。甘蔗属与蔗茅属、芒属、硬穗属和河八王属组成“甘蔗复合体”[3]，这些近缘属野生种是拓宽甘蔗遗传基础的重要种质资源[4]。甘蔗属内分为6个种，包括4个栽培种(热带种、中国种、印度种和食穗种)和2个野生种(割手密种和大茎野生种)。

染色体是生物细胞内遗传物质的载体，每个物种都有一定数目及一定形态结构的染色体[5]。现代甘蔗品种是异源杂合的非整倍体作物，染色体数较多且组成复杂，该遗传背景使染色体遗传研究较困难。Burner et al[6]研究发现，染色体传递方式可能会影响甘蔗育种的选择效率和育种进展。在甘蔗野生种质利用过程中，把染色体遗传行为与甘蔗材料表型相结合研究，对促进遗传育种有重要意义。本文综述了染色体遗传方式、基因组原位杂交(genomicinsituhybridization, GISH)技术以及寡核苷酸荧光原位杂交(oligonucleotide fluorescenceinsituhybridization, oligo-FISH)技术在甘蔗染色体上的研究进展，以期为研究甘蔗及近缘属物种基因组结构提供参考。

1 甘蔗染色体的遗传方式

1.1 甘蔗属种间杂交后代的染色体遗传方式

热带种(2n=80)又称为“高贵种”,含糖量高且粗大，对水肥要求高[7]。热带种作为“高贵化”育种的原始亲本和回交亲本，与野生种质资源杂交以创新种质。野生种割手密茎径细、含糖量低但再生能力较高。热带种与割手密杂交能将热带种的高糖性状和高产量的潜力与割手密的抗逆性相结合，改善杂交后代的宿根能力和适应性。现代甘蔗栽培种品种主要是热带种和割手密杂交而来的非整倍体，染色体数目约100～130条，其中70%～80%来自热带种，10%～20%来自割手密，约10%来自二者之间的相互重组[8]。

1961年，Bremer[9]基于染色体计数的细胞遗传学研究表明，热带种与割手密杂交F1代以及F1再与纯正热带种回交得到的BC1染色体传递方式大多为2n+n，即热带种作为母本将全部的染色体传递给F1和BC1代。该遗传方式加快了热带种大茎、高糖性状的恢复速度并减少割手密野生血缘，使甘蔗在割手密“高贵化”育种中的优良性状得以迅速恢复。但Price[10]研究表明，热带种×割手密杂交后代也有n+n的遗传方式。热带种与割手密杂交品种中，产量较高的品种都出自2n+n组合[11]。热带种与割手密杂交多以热带种作母本，以割手密做母本则较少。Kandasami[12]研究表明,以割手密为母本、热带种为父本的杂交后代大多以n+n的方式传递，少数为2n+n的方式。Price[10]研究表明，热带种与热带种杂交或者热带种与大茎野生种杂交，其染色体大多以n+n的方式传递，少数以2n+2n的方式。2n=60的大茎野生种与割手密(2n=64)杂交，染色体呈n+n传递；而2n=80的大茎野生种与割手密杂交，染色体大多呈2n+n传递，少数以n+n的方式传递[11]。

1.2 甘蔗属与近缘属杂交后代的染色体遗传方式

1.2.1 与蔗茅属杂交 通常把斑茅归类到蔗茅属，但Lloyd et al[13]通过分子研究认为斑茅属于Tripidium属。斑茅具有生物量大、抗旱耐瘠、适应性广和宿根性强等优良性状，是甘蔗品种改良的重要种质[14]。对斑茅的利用已有一百多年，但由于甘蔗与斑茅之间的真正杂交种无花粉或花粉不育，难以进行属间杂交，因此未能选育到斑茅真实杂种。2001年，海南甘蔗育种场以甘蔗与斑茅杂交的F1代做母本大量杂交获得了少量的BC1杂种，随后育成一批BC2等更多高世代材料[15]。

邓祖湖等[16]对热带种Badila与海南斑茅92-105杂交得到的崖城96-66染色体数以及Badila再与崖城96-66杂交得到的崖城96-40染色体数研究表明，甘蔗与斑茅F1代染色体遗传方式为n+n。黄永吉等[17]研究表明，甘蔗与斑茅BC1代染色体以2n+n的方式传递。Wu et al[1]研究表明，甘蔗与斑茅杂交BC1后代存在超2n+n的染色体传递现象。Huang et al[18]研究表明,甘蔗与斑茅杂交的BC2、BC3代染色体传递方式基本符合n+n，其中斑茅染色体存在不断丢失现象。Yang et al[19]对新台糖10号与YCE03-01(BC2)杂交后代BC3和BC4研究表明，从BC3到BC4斑茅染色体数量大约减少了一半，但有少数后代减少数量超过或少于一半。可能在染色体分离过程中，斑茅染色体基数(x=10)少于10条，因此染色体按随机的方式分配。

在甘蔗染色体传递研究中，亲本染色体遗传给后代大多不是亲本原来一倍体的染色体数目，染色体数目发生了增减。D′Hont et al[20]研究表明，热带种BNS3066与斑茅IK76-48的杂交种并非70条染色体，而是39条来自热带种，25～26条来自斑茅。此外，也有杂种中热带种的染色体数为48～52条[21]。Piperidis et al[22]研究认为，利用GISH技术可以观察到热带种和割手密之间的染色体重组，Huang et al[18]研究表明，甘蔗与斑茅杂交后代存在染色体易位现象，染色体易位发生在斑茅染色体的末端，且易位现象可以稳定遗传。甘蔗与斑茅之间有很大的遗传距离[23-25]，属间的染色体易位可以发生在BC1、BC2和BC3代，这种遗传变异对甘蔗的育种改良有积极的意义[18]。

滇蔗茅与甘蔗的亲缘关系较近[26]。林秀琴等[27]研究表明，甘蔗与滇蔗茅属间远缘杂交的F1代染色体以n+n方式遗传，BC1代以2n+n方式遗传。王先宏等[28]对甘蔗栽培品种与昆明蔗茅杂交产生的F1代进行GISH研究表明，甘蔗与蔗茅杂种F1代染色体组成为n+n及2n+n；F1代再与新台糖10号杂交，亲本染色体在子代中的染色体传递方式为2n+n；F2代与新台糖10号回交获得的BC1代中，染色体以n+n的方式传递。在甘蔗种间及属间杂交时，杂种后代染色体数目比双亲各自单倍的配子体染色体数目之和多，这种现象源于母本一方染色体的“二倍化”。王先宏等[29]认为，母本染色体在子代中以2n方式传递。

1.2.2 与河八王杂交 河八王是甘蔗的近缘属野生种，具有耐旱、耐瘦、分蘖力强等优点。刘昔辉等[30]研究表明，甘蔗与河八王杂交F1代染色体传递方式为：n+n和n+2n，BC1染色体传递方式为n+n。段维兴等[31]认为，甘蔗与河八王杂交的BC1和BC2代染色体均以n+n方式传递。以上说明，河八王或河八王后代和甘蔗杂交(回交)中，甘蔗染色体以配子n的方式传递给下一代。

1.3 甘蔗属与斑割复合体杂交后代的染色体遗传方式

国内外对斑茅和割手密的利用都是用甘蔗与斑茅或割手密杂交，再以杂种为父本与甘蔗进行“高贵化”回交。甘蔗与割手密杂交的F1代可育；但甘蔗与斑茅是属间杂交，其F1代不育或育性极低，难以进一步杂交。利用斑茅与割手密杂交获得斑割复合体，再与甘蔗进行杂交和回交，既有可能结合野生种质的优异性状，又可以解决甘蔗与斑茅杂交后代不育的难题。刘许辉[32]和黄玉新等[33]研究表明，粤糖93-159和桂糖02-761与斑割复合体GXAS07-6-1杂交的F1代染色体遗传方式为n+n。此外，甘蔗与斑割复合体杂交时，斑茅在亲子间传递过程中存在染色体丢失，但未发现有染色体的交换和易位现象。

综上所述，由于遗传背景复杂，在有性杂交过程中甘蔗后代的染色体传递往往不符合经典的细胞遗传规律。在甘蔗远缘杂交中，由于配子染色体的不平衡分配，染色体传递呈现多种形式，包括n+n、n+2n、2n+n和超2n+n等方式。郑成木[34]研究认为，甘蔗细胞染色体数目变化可能是由于祖亲(不同物种)的细胞周期不同，使得在杂种中来自不同物种的染色体行为不同步，导致细胞分裂过程中染色体分配不均衡所造成。在传递配子过程中，亲本出现少于体细胞、配子原本的数目，与染色体的丢失有关[35]。在甘蔗育种中，减数分裂异常导致了2n配子的产生，热带种形成的2n配子使得“高贵种”的高糖基因得以保留。吴嘉云等[36]鉴定了甘蔗和斑茅杂交后代的抗性表明，2n及超2n配子的出现提高了杂交后代的抗性。因此，深入了解2n配子的形成规律将有利于提高甘蔗育种效率。

2 GISH技术在甘蔗染色体研究中的应用

甘蔗是复杂的异源多倍体植物，染色体数目众多且形态小、相似性高，给染色体识别带来了较大的困难。以往的研究大多根据细胞学水平的计数和核型分析，无法准确阐明甘蔗远缘杂交后代染色体的遗传行为。原位杂交是根据核酸分子碱基配对的原则，将经放射性或非放射性的外源核酸序列如基因组DNA与染色体经过变性的DNA互补配对，结合成专一的核酸杂交分子，再经一定的检测手段将待测核酸在染色体上的位置显示出来[37]。通过荧光素检测杂交位点的原位杂交称为荧光原位杂交。其中，将不同物种的基因组DNA标记为探针的技术称为基因组原位杂交技术，主要应用于鉴定种间亲缘关系及异源染色质。近年来GISH技术发展迅速，使甘蔗细胞学研究进展明显。GISH技术还可用来研究甘蔗染色体重组。早期，Price[38]认为甘蔗杂交后代热带种与割手密不发生重组。1996年，D′Hont et al[39]利用GISH技术研究栽培种R570(2n≈115)，发现该品种有约10%的热带种和割手密的重组染色体。罗宗苹[40]对新台糖25号和新台糖16号进行GISH，区分出了热带种血缘和割手密血缘，以及发生交换、重组的染色体。GISH也是对远缘杂交后代中的染色体进行鉴定的有效工具，用不同标记的双亲DNA探针可将来自不同亲本的染色体区分开。若亲缘关系不密切，如属间关系，进行基因组原位杂交会出现明显的红绿荧光信号，从而清晰地判断染色体来源。林秀琴等[41]应用GISH技术，鉴定出甘蔗属热带种与滇蔗茅远缘杂交F1代含双亲本的染色体。应用GISH技术能够了解和探明现代甘蔗品种的复杂性，同时为甘蔗属的分类和染色体遗传提供证据[42]。

3 oligo-FISH技术在甘蔗染色体研究中的应用

甘蔗染色体大小相似，利用传统FISH技术识别具有挑战性。近年来随着甘蔗基因组参考序列研究取得突破，使开发甘蔗染色体或染色体区域的特异寡核苷酸(oligo)探针成为可能。oligo探针可为每条异源或同源染色体产生唯一条形码。oligo-FISH技术是根据已测序的基因组序列设计覆盖染色体部分片段的oligo作为探针的FISH技术，寡核苷酸探针是人工合成的，适用于染色体识别与核型构建[43]。oligo探针可分为染色体条形码和染色体涂染。染色体涂染是将整条染色体上oligo用来设计探针，从而达到对物种某一单条染色体进行涂染的目的[25]。已有学者利用oligo-FISH技术观察和追踪水稻[44]、柑橘[45]、玉米[46]和杨树[47]等植物的染色体有丝分裂和减数分裂时期的形态变化。

Piperidis et al[48]结合olig-FISH与GISH技术，研究了现代甘蔗品种及其亲本代表种的基因组结构，证实了热带种的染色体基数为10，并推测割手密经过染色体融合后，基数从10到9再到8的逐步演化。Meng et al[49]基于高粱基因组设计和合成了染色体特异oligo探针，对割手密SES208(2n=8x=64)进行FISH，证实了割手密的染色体重排导致染色体基数由10减少到8。目前利用oligo-FISH技术已识别了热带种和割手密染色体，但对甘蔗近缘属细胞学研究较少。染色体基数为8的割手密oligo探针对甘蔗近缘属染色体识别效果不理想，因此开发基数为10的oligo染色体全涂染探针对甘蔗属及甘蔗属复合体中的芒属、河八王属和蔗茅属材料进行染色体鉴定具有重要意义。

oligo-FISH技术能够识别单个染色体，为甘蔗复杂基因组的组装奠定了基础，是研究甘蔗染色体的有利工具。随着研究深入，利用oligo-FISH技术可对甘蔗与野生种质杂交进行精确的染色体遗传研究。FISH技术不仅可以用来鉴定斑茅染色体，也可以用来鉴定其他近缘属物种。目前，河八王、蔗茅、滇蔗茅等野生近缘属已经成功与甘蔗属杂交获得后代。斑茅作为重要的野生种质资源，斑茅血缘的渗入提高了甘蔗杂交后代的抗性。将甘蔗与斑茅杂交高世代中的染色体和表型相联系，进一步把抗性材料的优良性状锁定在某一或某些染色体上，深入挖掘抗性基因，将能更好地利用野生种质资源，创制优良亲本、材料或品种。

4 展望

本文从甘蔗染色体遗传方式、GISH技术和oligo-FISH技术应用等方面综述了甘蔗染色体遗传研究进展，为分析甘蔗以及近缘属物种基因组结构提供细胞学依据。oligo-FISH技术的发展使之前研究的数量关系发展到精确的染色体识别上，有利于了解甘蔗近缘属野生种质材料的细胞遗传信息，可将oligo-FISH与GISH结合用于探明甘蔗品种的染色体核型，辅助甘蔗基因组的组装。