单位|1山西大同大学，037009，山西大同；2山西大同大学设施农业技术研发中心，037009，山西大同；3山西农业大学玉米研究所，034000，山西忻州
为明确不同产地藜麦的染色体数目、核型特征及亲缘与进化关系，采用常规压片法制片比较分析了14个藜麦种质染色体核型特征，对其进行近似数聚类。结果表明，忻藜6的染色体数为2n=54，其余13个种质的染色体数为2n=36；染色体核型共有1A、1B、1C和2B 4种，总体较为对称；核不对称系数范围为52.06%~59.76%。核型聚类分析结果显示，14个藜麦种质总体聚为两大类，藜麦1605单独为一类，其余13个藜麦种质为一类。来自同一地区的藜麦品种在亲缘关系和进化程度上较为相似，不同产地的藜麦品种因起源或在进化过程中受到外界环境干预程度不同，导致亲缘关系较远。该研究获得14个不同藜麦种质的核型信息，填充了有关藜麦染色体核型的数据库以及在细胞遗传学方面的研究。
藜麦（Chenopodium quinoaWilld.）是苋科藜属植物[1]，原产于南美洲安第斯山脉的中高海拔山区[2]，距今已有7000多年栽培历史[3]。因生长于土地贫瘠、盐碱化比较严重的干旱地区，赋予了藜属植物一定的耐寒、耐旱和耐盐性[4]。藜麦的蛋白质[5]、维生素、脂肪酸和矿物质含量较常见谷物丰富且全面[6]，其中不饱和脂肪酸占83%。藜麦也是一种低葡萄糖的食品，在糖脂代谢过程中发挥有利功效，被认为是唯一一种能给人类提供所需基本营养物质的单体作物，因此被称为“黄金谷物”[7]，联合国粮农组织也将其推荐为全营养食品[8-9]。
藜麦因具有极高的营养价值越来越受到人们的青睐，我国引进藜麦时间较欧洲晚。目前关于藜麦的研究主要集中在生理代谢[10]、引种试种[11]、栽培条件[12]和分子机制[13]等方面，在细胞生物学尤其是对藜麦染色体核型分析方面研究甚少[14]。植物染色体形态和数目是最稳定的细胞学特征之一，研究不同藜麦种质染色体的核型特征对于分析不同产地藜麦之间的亲缘关系有重要意义。染色体核型分析是以分裂中期染色体为研究对象，根据染色体长度、长短臂比例、随体的有无和着丝点位置等特征，借助显带技术对染色体进行分类、排序、比较和编号，最终根据染色体结构和数目的变异情况进行诊断的一种分析方法[15]。植物的核型分析可以为植物细胞物种起源进化、物种间亲缘关系以及染色体数目和结构变异的研究提供重要依据。
关于藜属植物的染色体数已有大量研究，但至今仍然缺乏对其染色体核型的详细分析。早期Kawatani等[16-17]研究报道表明藜属植物细胞的基本染色体数为x=8，基因组大小为x=9。后期细胞学研究[18-20]确定了藜麦C.quinoa和C.berlandieri的染色体数为2n=4x=36。Bhargava等[19]研究表明，藜麦材料的核型存在微小差异。何燕等[21]对西藏目前主推的藜麦品种W4进行了核型分析研究。权有娟等[4]研究了青海省主推藜麦品种的染色体数目和核型特征，3个品种均具有2对随体，但位置存在差异，可能与藜麦异源起源和自花授粉等因素有关。单一地区或品种的核型分析不足以显示不同藜麦品种间的差异和亲缘关系。为此，本试验进一步优化预处理方法、盐酸解离时间、染色体制片压片时间、镜检及核型分析的方法，对14个不同种质藜麦进行染色体数目分析及核型分析，进一步填充藜麦染色体核型的数据库，为藜麦育种、种质鉴定和基因组学分析提供参考。
1.1 试验材料
本试验所用藜麦种子均由山西农业大学玉米研究所提供，具体来源见表1。其中黄藜016、藜麦2405和蒙藜1的种子呈淡黄色，颗粒较大较饱满；黄藜22、并藜1和蒙藜2种子颜色较深，颗粒较小；红藜和静藜1号种子颗粒饱满。
1.2 试验方法
2.1 不同种质藜麦的染色体形态及核型模式图
据图1可知，14个藜麦种质体细胞的染色体数目较稳定，除忻藜6体细胞的染色体数目为2n=54外，其余13个体细胞数目均为2n=4x=36，为四倍体；同源染色体均能配对，且数目为18；并藜1的1号染色体上有2个随体，没有观察到非整倍体和多倍体的现象。
2.2 不同种质藜麦的核型分析
由图1分析可知，蒙藜2的染色体相对长度较其他藜麦长，为2.03%~10.56%；黄藜76和忻藜6的染色体相对长度较其他藜麦的相对长度短，分别为3.39%~8.11%和2.18%~6.02%；并藜1和藜麦1605的染色体相对长度相似，分别为3.53%~ 10.15和3.49%~10.39%，说明这2个藜麦的进化程度类似。其余藜麦染色体相对长度差异不明显，在2.52%~9.80%之间。从染色体特点来看，在并藜1中观察到有随体，黄藜22、蒙藜1、蒙藜2染色体类型均为中部着丝粒染色体（m），黄藜80、静藜1号、红藜、黄藜21、黄藜76染色体由中部着丝粒染色体（m）和正中部着丝粒染色体（M）组成，其余藜麦含有近中着丝粒染色体（sm）。
Fig.1 Metaphase chromosome morphology and karyotype pattern of quinoa
2.3 不同藜麦种质的表型分析
由表4可知，14个种质表型性状，穗长变异系数最大，说明该性状变异丰富，千粒重变异系数最小，说明该性状遗传特性较稳定。忻藜6株高、茎粗、穗长皆最大，但千粒重较小，蒙藜2千粒重最大。变异系数从大到小依次是穗长、株高、茎粗、千粒重，这些性状在样本间差异较大。
2.4 不同藜麦种质核型聚类分析
对14种藜麦进行系统性聚类，结果（图2）显示，在核型近似系数8.0处，14个不同藜麦种质资源根据亲缘关系可划分为三大类群，黄藜80、蒙藜2、黄藜76、黄藜16、黄藜21、蒙藜1、静藜1号、红藜、并藜1为类群Ⅰ，藜麦2405、晋藜3、忻藜6、黄藜22为类群Ⅱ，藜麦1605则单独为类群Ⅲ。
植物染色体的特征（数目、结构、类型等）可作为鉴定依据对同一植物或不同种植物进行进化上和亲缘关系上的分类[25]。染色体数和基因组大小的研究在作物育种方面具有非常重要的地位，通过对藜麦核型的精准研究能够正确描述藜麦相关栽培与野生种之间的关系[26]。不同藜麦由于产地不同，导致染色体的数目、类型、结构也存在差异[27]。何燕等[21]对西藏目前主推的藜麦品种W4进行了核型分析，发现藜麦W4的染色体数目为2n=36，核型不对称系数为57.87%，核型分类为2B型，核型公式为2n=36=32m（SAT）+4sm；W4的染色体数目与本试验中大部分藜麦染色体的数目相同，均为2n=36。其中，并藜1染色体的核型公式与W4藜麦品种相似，染色体类型相同，均为2B型，且都具有随体。随体作为重要的染色体特征，其在染色体上的分布位置、类型都是核型分类的重要指标[28]。本试验中黄藜22、蒙藜1和蒙藜2染色体核型相似，为2n=36=36m，黄藜76、黄藜80和静藜1号核型较为相似，均为2n= 36=28m+8M；其余藜麦染色体类型、数目、结构存在较大差异。14种藜麦的产地、种质不同说明藜麦在进化过程中其染色体的特征变化可能受生态环境、海拔、土壤盐碱度和干湿程度等影响。
核型分析已广泛应用于植物的分类研究中，主要利用研究染色体数及染色体的形态特征来反映不同品种之间存在的染色体差异，不仅能反映种间的遗传变异、系统演化以及亲缘关系，还能为杂交种的选育乃至杂种后代的鉴定提供科学的理论依据[29]。尽管一些研究人员对藜属某些种的特定核型的特征进行了研究，但依然缺乏对藜麦及其近缘种的完整细胞发育情形和详细染色体核型分析。Bhargava等[19]首次对7个藜麦材料进行了全面的细胞遗传学研究，发现所有C.quinoa的材料核型特征均具有高度相似性，基于臂长比值，对称指数为43.9%~47.4%。本试验采用染色体常规压片法，结果显示，14种不同藜麦种质的核型不对称系数范围在52.06%~59.76%，进一步分析发现黄藜76的核型不对称系数最小，为52.06%，表明黄藜76进化程度低，其在进化的过程中，受人工干预可能较少；藜麦1605的核型不对称系数最大，为59.76%，表明藜麦1605进化程度高，且趋于不对称发展[30]。材料间的差异可能与藜麦在进化过程中的异源起源[31]和外界生态环境有关。
染色体的长度和数目特征通常与基因组中的DNA含量、基因数量和基因密度相关联。染色体倍性水平与许多特性有关，例如大小、对胁迫的适应以及种内和种间杂交能力[32]。Kamemoto等[33]认为，多倍体会表现出更大的植株类型、叶片和花瓣大小。Yan等[34]发现，55份斑茅种质的倍性与纤维素含量呈负相关，与株高、茎径、叶宽、单株干重、单株鲜重和半纤维素含量呈正相关。这些结果与忻藜6染色体水平和表型性状一致，忻藜6的核型公式为2n=54，其株高、茎粗、穗长皆最大，但种子千粒重较为普通。其余种质染色体倍性相同，在表型性状则表现不一，表明除了潜在的遗传控制外，植物性状还可能受到环境因素和植物生长习性的影响，增加了多基因性状的复杂性，值得进一步研究。对染色体的多个参数进行系统聚类分析，可根据植物种间的差异将属性相似的归为一类，同时也能反映不同种属植物的亲缘关系，参与聚类的染色体指标越多越能反映出植物的综合性状[35]。本研究通过对14个不同产地藜麦的染色体进行系统性聚类分析发现，根据亲缘关系可分为两大类，红藜、黄藜76、静藜1号、黄藜016、黄藜80首先聚类，这5种不同品种藜麦均来自玻利维亚；来自中国内蒙古的黄藜21、并藜1、蒙藜1和蒙藜2在核型近似系数为2时聚为一类。其中，黄藜21和并藜1首先聚类，蒙藜1和蒙藜2聚为一类，说明虽来自同一地区，但经过种子杂交和人工干预等操作，在进化过程中产生了差异；藜麦2405、晋藜3和忻藜6首先聚类，亲缘关系最近；藜麦1605在遗传距离大于25时，单独聚为一类。以上结果表明，来自同一地区的藜麦品种在亲缘关系和进化程度上较为相似，各产地亲缘关系远近不同[20]。该研究获得了14个不同藜麦种质的核型信息，丰富了藜麦染色体核型的数据库，为藜麦的亲缘关系和育种进化起源研究提供了重要的细胞学资料。
参考文献
Abstract This study used a conventional compression method to compare the karyotype characteristics of 14 quinoa species and clustered their karyotype approximation numbers in order to clarify the chromosome number and karyotype characteristics of quinoa from different origins, as well as their kinship and evolutionary relationships. The results showed that the Xinli 6 possesses a chromosome number of 2n=54, whereas the remaining 13 quinoa species exhibit a chromosome number of 2n=36. The chromosome karyotypes, predominantly categorized as 1A, 1B, 1C, and 2B, demonstrated a general symmetry. The nuclear asymmetry coefficient ranges from 52.06% to 59.76%. The 14 quinoa species were divided into two primary groups by karyotypic dustering analysis; Quinoa 1605 formed a separate class by itself, while the other 13 species were clustered together. The varieties from the same region displaying similar affinities and evolutionary. Conversely, quinoa varieties from different origins exhibit greater genetic divergence due to geographical separation or varying levels of environmental influence during the evolutionary process. This study obtained karyotypic information on 14 different quinoa germplasms, enriching the database on quinoa chromosome karyotypes and cytogenetic studies.
Key words Quinoa; Chromosome; Karyotype analysis
本文发表于《作物杂志》2024年第3期
《作物杂志》是中国科学技术协会主管、中国作物学会和中国农业科学院作物科学研究所共同主办的关于农作物的科技期刊。主要发表农作物产量、品质、抗逆等相关农艺性状及品种资源利用研究，以及农田生态、农业信息技术研究及综述，设有专题综述、遗传育种·种质资源·生物技术、生理生化·植物营养·栽培耕作、植物保护、技术推荐、农业信息技术等栏目。《作物杂志》被收录为中国科技核心期刊，自2000年开始连续入选《中文核心期刊要目总览》。
