沈頌東

（蘇州大學 基礎醫(yī)學院與生命科學學院，江蘇 蘇州 215123）

藻類遺傳學研究始于上世紀50年代.60年代前后挪威藻類學家F?yn和Fjeld以綠藻石莼（Ulva）為材料，通過誘變獲得許多形態(tài)突變體，他們的目的是通過觀測突變性狀表達來研究發(fā)育生物學問題，但是研究進行了10多年后停止了，以后再沒有看到相關的報道.70年代中期開始，加拿大遺傳學家John van der Meer及其研究團隊，采用江蘺（Gracilaria）等紅藻材料開展遺傳學問題研究，從誘導色素突變體開始，開展了一系列極富挑戰(zhàn)的研究工作，進而驗證了遺傳學基本規(guī)律在海藻中的表現以及特殊的遺傳機制.我國是海藻栽培利用發(fā)展較早的國家，上世紀50年代末海帶栽培業(yè)已經形成規(guī)模，60年代初著名遺傳學家方宗熙先生開始了對海帶（Lami?naria japonica）遺傳學的研究，其在數量性狀方面的研究進展令人矚目，70年代又建立了雌、雄配子體克隆技術，為褐藻遺傳學和育種學研究的發(fā)展打下了堅實基礎.經過遺傳學家和藻類學家的共同努力，海藻遺傳學研究在近半個世紀中已有長足進步.2005年，在國家科學技術著作出版基金資助下，我國海藻遺傳學研究者編著完成《海藻遺傳學》，著名海洋生物學家曾呈奎先生在序言中有這樣的表述：國外第一部藻類遺傳學專著是Lewin先生1976年主編的《The Genetics of Algae》，此后再沒有這方面的專著問世.張學成、秦松、馬家海和許璞等編著的《海藻遺傳學》，是我國出版的第一部海藻遺傳學方面的專著.這本專著全面總結和展現了當前國內外海藻遺傳學研究的成果，闡明了海藻遺傳學的基本原理以及藻類遺傳的特征和機理，并突出介紹了我國海藻遺傳學研究的實踐、水平和成就［1］.許璞教授是國內較系統(tǒng)開展海藻遺傳學的專家，負責撰寫該書紫菜（Porhyra）遺傳學內容，其中大部分為其90年代中期攻讀博士學位時的研究結果.通過國內外文獻比較，可以看到許璞教授及其研究團隊在紫菜屬海藻的突變規(guī)律、遺傳分析和染色體研究等方面開展了大量工作，研究進展及其成果具有科學意義.

1 紫菜色素突變體及其突變規(guī)律

紫菜色素突變體在上世紀70年代初被注意到，最初發(fā)現的色素突變體是在栽培群體中發(fā)生的，Miura（1974）觀察認為栽培群體中的紅色藻體具有遺傳性，是自發(fā)產生的色素變異體［2］.Kobara等（1976）采集到具有綠色特征的藻體，通過培養(yǎng)比較獲得綠色突變體［3］.Miura等（1977）對東京灣的栽培群體調查觀察到，很多色素突變體是以嵌合體的形式出現的，嵌合體的出現頻率主要依據栽培方式的變化，因此推測色素突變體的出現以及嵌合體的發(fā)生頻率與種源的遺傳組成和種苗繁育方式有關［4］.Migita等（1983）和張佑基等（1987）也報道在野外發(fā)現紫菜的色素突變體［5,6］.紫菜的色素突變體形形色色，除了紅色型和綠色型突變體外，Miura等（1978）在條斑紫菜中獲得由紅色型與綠色型雜交產生的黃色型［7］.Migita等（1983）采用同樣方法也獲得了黃色型，并從紅色型與黃色型雜交中還獲得橙色型.隨后還報道了一些新的突變型［8-10］.Katayama（1983、1984）試圖獲取紫菜人工誘變的突變體，試驗多種化學誘變劑處理，但未獲得存活的突變體［11,12］.戴繼勛等（1990）、嚴興洪等（1990、1992）采用秋水仙堿或紫外線誘變紫菜培養(yǎng)細胞，觀察到一些紅色變異體［13-15］.至上世紀90年代中期，只有Mitman等（1994）在進行P.purpurea的遺傳研究中，使用誘變劑亞硝基胍處理獲得5個穩(wěn)定的突變體，其中3個屬細胞核突變，2個為細胞質突變［16］.

許璞教授關于紫菜屬海藻突變規(guī)律的研究工作主要由文獻［17-21］表述，概述如下：

（1）紫菜屬海藻誘變方法及其特點.一般誘變劑對于紫菜致變特別是色素突變的效果不明確，與紅藻江蘺的突變不同，紫菜的誘變劑選擇范圍較窄，僅甲基亞硝基胍（NNG）可誘導出人工的色素突變體.經系統(tǒng)研究不同紫菜物種對NNG的致變反應，證實誘變劑對于不同紫菜物種的影響相似，但在不同生長階段，各生長藻體致變結果差異明顯，殼孢子最易發(fā)生突變，葉狀體次之，絲狀體較為保守，但隱性突變仍與低劑量效應相關.對于紫菜屬海藻致變特點的研究表明，紫菜殼孢子對誘變劑反應敏感，便于進行誘變劑的效應分析.但是殼孢子是二倍體，其突變效應要到減數分裂后才能表現出來.葉狀體誘變后往往得到含有突變細胞塊的嵌合體，可以對誘變結果作出定量分析.對絲狀體的誘變涉及到二倍體細胞的突變規(guī)律.就色素突變性狀而言，藻絲細胞顯示的突變?yōu)轱@性突變或細胞質突變.然而，突變型多為隱性突變性狀，發(fā)生突變的二倍體絲狀體細胞仍表現為野生型，突變的結果要到絲狀體細胞成熟后產生配子，即殼孢子萌發(fā)分裂時才能被觀察到.絲狀體材料適宜保存，誘變操作簡單可靠，能夠獲得大量有活力的后代突變體，并且重要的是經誘變處理的絲狀體，其切段可接種培養(yǎng)至貝殼上，只要切段大小和培養(yǎng)密度合適，藻落生長類似于培養(yǎng)基上的生長菌落，便于進行突變觀察和遺傳分析.

許璞教授還與其他合作者開展60CO-γ射線的誘變研究［22,23］，研究結果為當前的紫菜誘變育種提供了主要技術方法.

（2）紫菜屬海藻色素突變的表達規(guī)律.紫菜葉狀體在誘變作用下，以單個細胞為單位發(fā)生點狀突變，生長形成的每一顏色斑塊都是一次突變的產物，起源于最初的一個突變細胞，一個細胞的突變只生長成一種突變組織，多個突變細胞可以生長成多種突變組織，誘變導致各種突變組織無規(guī)則鑲嵌生長，葉狀體經誘變引發(fā)的突變顯示典型的單倍體細胞致變結果.而經誘變后培養(yǎng)生長的絲狀體，其后代顯示突變性狀在世代轉化過程中的表達特征：一是絲狀體藻落直接發(fā)生顏色變化，其突變絲狀體產生的葉狀體后代仍為相應的突變型，突變表達與殼孢子萌發(fā)分裂無關，該突變與細胞質遺傳的基本特征相符；二是那些在外觀上沒有發(fā)生突變的絲狀體仍可以產生大量突變體，這種突變多數不在絲狀體階段表達，但在殼孢子萌發(fā)分裂時突變性狀隨細胞分裂發(fā)生分離，表明誘變引發(fā)的隱性突變隨著世代轉變由單核表達顯示，表現隱性的核基因突變特征.與絲狀體后代的突變表達特征相似，誘變后的殼孢子在萌發(fā)分裂時發(fā)生突變顏色的分離，同樣符合二倍體細胞轉變?yōu)閱伪扼w細胞的突變表達規(guī)律.研究證實，紫菜屬海藻的突變規(guī)律及其表達特點，不僅與生長藻體的倍性有關，而且與世代轉變過程中的個體細胞倍性發(fā)生變化有關.

（3）紫菜屬海藻突變規(guī)律顯示的減數分裂過程與早期發(fā)生模式.在條斑紫菜（P.yezoensis）、壇紫菜（P.hai?tanensis）、少精紫菜（P.oligospermatangia）和華北半葉紫菜（P.katadai var.hemiphylla）4種實驗材料中，發(fā)生隱性突變的絲狀體后代中多為2～4色塊嵌合的個體，未發(fā)現4色塊以上的嵌合個體存在.殼孢子經誘變后，其萌發(fā)分裂的個體無例外地重復了嵌合體的發(fā)生，分裂生長個體也為2～4色塊的嵌合體.實驗研究證實，嵌合體的產生只與殼孢子萌發(fā)的最初兩次細胞分裂有關，不同遺傳背景的藻體生長組織來源于殼孢子萌發(fā)分裂產生的4個初始細胞，表明與減數分裂的機制相聯(lián)系.在所觀察的紫菜物種中，突變色素標記的嵌合體顯示條斑紫菜、壇紫菜和少精紫菜屬線性四分子構造，表現為直線生長的發(fā)育特性.華北半葉紫菜幾乎未觀測到2色塊以上的嵌合體，這與其殼孢子附著分裂后基部細胞不再分裂有關，顯示為典型的四分子缺失型，其頂端細胞再次分裂的橫向性，使生長個體表現兩側發(fā)育的特性，屬順序四分子的特殊生長體.突變性狀在殼孢子萌發(fā)分裂過程中的表達規(guī)律，為研究紫菜屬海藻減數分裂和早期發(fā)育生長模式提供了重要依據.

2 紫菜屬海藻遺傳特征及其分析

條斑紫菜5種自發(fā)產生的突變型分別與野生型雜交，產生的絲狀體表現野生型，后代葉狀體（F1）表達了各自雙親的顏色，兩種色型按1：1分離，表明這5種突變型各自受一個突變的隱性核基因控制.當幾個突變型之間雜交，也產生野生型絲狀體，各自后代的葉狀體中，除了雙親顏色還出現兩個重組型，其中一個是新的突變顏色，而另外一個卻總是野生型.重組突變型的雜交測試顯示屬雙隱性突變體（Miura et al.1980；Miura et al.1985；Ohme et al.1986；Niwa et al.1993）［8,10,24,25］.Ohme 等（1988）［26］、Niwa等（1993）和Hamada等（1994）［27］對上述5種突變型的雜交結果進行四分子分析，測算得到各自突變位點與著絲粒的遺傳距離，并分析了各突變位點之間的聯(lián)系.對雜交子代類型的分析表明，雜交涉及到一個突變基因，子代中除出現雙親個體外，還有6種嵌合個體，它們與減數分裂后形成的四分子類型相符，其中2個屬于非交換型，另外4個為染色體交換形成.雜交涉及兩個突變基因，子代中除雙親個體還增加兩個重組個體，各種嵌合體可以歸納為36個類型，與預期的四分子類型完全相符（Miura et al.1994）［28］.P.purpurea屬雌雄同株、左右異性的紫菜物種，對它的遺傳研究是以誘變產生的兩個色素突變體進行的，雜交結果表明分別為核、質突變，其中細胞核突變位點距著絲粒約37.0 m.u.，具較高的染色體交換率，進一步遺傳分析顯示P.purpurea的雌雄性狀由性別基因決定，受一對等位基因控制表達（Mitman et al.1994）［16］.

許璞教授進行的遺傳分析工作在文獻［17,18］中的表述概括為：在8個誘變產生的條斑紫菜色素突變體中，3個屬單隱性核基因突變，3個受核外突變基因控制，1個紅色與亮紅色嵌合型由核、質突變基因表達，另1個隱性突變的絲狀體后代分離出兩個表型相同、突變位置鄰近的pnk1和pnk2核基因.其中兩例遺傳分析涉及深入，對于認識紫菜植物的特殊遺傳規(guī)律十分主要，主要結果概述如下：

（1）兩個相似突變基因pnk1和pnk2分析.1個疑似突變的絲狀體Yt-6產生的后代中，被檢1074幼藻，記錄：pink 1063，pink/wt/yellow 6，wt/yellow 3，wt 2.通過隨機孢子分析，計算得到重組頻率=0.74 m.u.，分析表明，突變體Yt-6遺傳表現受兩個表型相似、突變位置鄰近的隱性核基因pnk1和pnk2控制.在絲狀體階段，pnk1和pnk2處于雜合狀態(tài)，藻絲呈野生型.進入葉狀體階段，當殼孢子開始萌發(fā)分裂，處于雜合狀態(tài)的兩個突變基因隨著染色體分配到4個子細胞，它們各自決定的顏色立即被表達，形成雙親的顏色，即粉紅色.pink個體屬親代雙型（PD），它們有兩種顏色表型，但由于pnk1和pnk2兩基因表達的顏色太過于接近，或者說是相同的，以致無法被覺察.Pink/wt/Yellow、wt/Yellow和wt個體，前者為四型（T），后二者為非親代雙型（NPD），它們是重組的結果.非親代雙型wt個體，屬基部細胞不分裂而造成的四分子缺失現象，同樣理由Yellow個體也可能出現，實驗中未被觀察到可能與事件發(fā)生的頻率低有關.

（2）核質雙突變分析.一突變絲狀體藻落Yr-11，產生的葉狀體后代中出現很少量的顏色嵌合體（＜1%），其嵌合葉片組織都呈紅色，其中一種色澤較深，和后代中多數的單一突變色型個體相似，另一種為亮紅色，是新出現的突變顏色.分別切取這些個體的不同顏色葉片進行雜交實驗，得到不同的結果：單一突變色型與野生型雜交，正反交結果的后代都表現母本性狀，進一步與嵌合個體中的兩種突變色型雜交，結果也顯示母本遺傳的特征，表明單一突變色型個體表現為細胞質突變，它的顏色表達受核外基因Mred控制.嵌合體中顏色較深的紅色型與野生型雜交，正反交的后代也都表現母本性狀，與其它兩種色型雜交的結果也證實它同樣屬于核外遺傳類型.另一種嵌合色型亮紅型與野生型雜交，亮紅型為母本時雜交產生的葉狀體全都是紅色型，與其它兩種色型雜交，也只產生紅色型后代葉狀體，表明它仍屬細胞質突變，但是與野生型為母本的雜交，其結果與前兩者完全不同，野生型♀×亮紅型♂，產生的絲狀體為野生型，在它們的F1葉狀體中，除出現野生型個體外，還出現大量野生型與紅色型嵌合的個體，并還有少量的紅色型個體，表明突變體亮紅型還受另一個基因控制，即隱性核基因Nred.上述實驗揭示，Yr-11實際上產生兩個突變型，將它們分別標記為Yr-11a與Yr-11b，Yr-11a表現紅色型突變，后代中占絕大多數的單一突變個體屬這一突變型，嵌合體中顏色較深的紅色型同屬這一類型，這個突變型的表達基因是Mred，為細胞質突變類型，Yr-11b是嵌合體中的另一種突變型，亮紅型這個顏色表型是基因Mred和Nred共同作用的結果，為核質雙突變.

3 紫菜屬海藻二倍體細胞核分裂特征研究

自Drew（1949）［29］發(fā)現殼斑藻（Conchocelis rosea）是由葉狀體成熟產生的果孢子（carpospore）萌發(fā)后鉆入貝殼形成，證明了紫菜絲狀體（conchocelis）階段的存在以來，科學家們對紫菜絲狀體進行了一系列的研究.其中關于細胞倍數性的研究，大多數學者觀察到雙倍體的存在（Fujiyama，1957；Yabu et al.，1963，1969，1970，1971，1972；Migita，1967；Kito，1967，1968，1974，1978；Giraud et al.，1968；Chen et al.，1970；Mumford et al.，1977；Hawkes，1977，1978；Krishnamurthy，1984；Ma et al.，1984；戴繼勛，1985，1987；Burzycki et al.，1987；Kapraun et al.，1987；Tseng et al.，1989；）［30-52］.但也有一些學者觀察到紫菜絲狀體有單倍體的現象.Krishnamurthy（1959）報道P.purpurea的生活史各階段均為5條染色體，Conway等（1973）對P.papenfussii絲狀體的觀察得出單倍體的結論，Freshwater等（1986）報道在P.carolineusis生活史的所有階段均為4條染色體［53-55］.Mumford等（1977）對北美西海岸15種紫菜絲狀體進行了觀察，結果認為有3種絲狀體是雙倍體，4種是單倍體.孫愛淑等（1987）觀察了甘紫菜、條斑紫菜和華北半葉紫菜絲狀體細胞，結果認為絕大多數為雙倍體，在個別絲狀體細胞中為單倍染色體數［56］.

另一長期以來有爭議的重要問題是關于紫菜減數分裂發(fā)生位置.Tseng等（1955）研究了P.tenera的受精果胞的分裂過程，觀察到在果胞第一次分裂中出現染色質絲的聯(lián)會，并在果胞的第二、三次分裂時觀察到單倍的染色體數，從而認為減數分裂是在受精果胞的第一次分裂時進行，產生的果孢子是單倍體［57］.不過，Magné（1952）［58］、Yabu等（1963）、Yabu（1969，1971，1972）、Kito（1967，1968，1974）、Mumford等（1977）和Hawkes（1977，1978）觀察到果孢子不是通過減數分裂產生的，它含有雙倍染色體數，但他們都沒有描述減數分裂的發(fā)生.其后，Migita（1967）、Giraud等（1968）、Kito（1974，1978）和Wang等（2006）［59］報道殼孢子形成時發(fā)生了減數分裂.他們都是以觀察到雙線期和終變期的染色體聯(lián)會作為判斷依據.但是，Burzycki等（1987）和Tseng等（1989）認為，可能Migita（1967）、Giraud等（1968）和Kito（1974，1978）將觀察到的孢子囊枝細胞染色體配對（somatic pairing）誤認為減數分裂的同源配對.Ma等（1984）、Burzycki等（1987）和Tseng等（1989）通過細胞學觀察結果，提出減數分裂發(fā)生在殼孢子萌發(fā)時期.

紫菜染色體數較少［60,61］，然而研究過程中出現如此眾多的重要爭議，人們不禁懷疑這是否與其核分裂中的重要特征未被認識有關.許璞教授主持的研究團隊依據長期積累的觀察資料，發(fā)表了紫菜絲狀體細胞核分裂的觀察研究結果（文獻［62］），對重要爭議問題仔細探討，認為：

Migita（1967）和Kito（1978）對條斑紫菜果孢子萌發(fā)核分裂進行了詳細描述，認為其核分裂過程與一般高等植物的有絲分裂過程相同.孫愛淑等（1987）支持了他們的觀點.在我們的觀察中，果孢子萌發(fā)核分裂為有絲分裂，在前期和中期出現同源染色體配對的特征.

在條斑紫菜營養(yǎng)藻絲細胞分裂中，Migita（1967）和Kito（1978）都報道此階段不能清楚地觀察到核分裂的具體情況，只在營養(yǎng)藻絲細胞分裂中期觀察到6條染色體.孫愛淑等（1987）描述了分裂的詳細過程，認為其核分裂基本為有絲分裂，在晚前期和早中期能清楚地看到兩個同源染色體靠得很近，有的在一點或幾點上交叉，有的完全配對.我們的觀察結果與孫愛淑（1987）一致.Krishnamurthy（1959）觀察到P.purpurea的絲狀體細胞分裂晚前期為5條染色體，Freshwater等（1986）觀察到P.carolineusis絲狀體細胞4條染色體也出現在分裂前期，他們據此得出單倍體數的結論.然而，后來Kito（1978）通過細胞學觀察認為P.purpurea的絲狀體細胞含有10條的雙倍染色體數，Mitman等（1994）的細胞學觀察和遺傳學實驗結果也證明P.purpurea的絲狀體為二倍體世代.我們認為根據較多的觀察結果，Krishnamurthy等作者可能未注意到同源配對對觀察結果的影響，由于紫菜二倍體細胞核分裂的同源配對特點，在觀察中很難對中期以前的核分裂染色體數進行分辨計數.

在孢子囊枝階段，Migita（1967）將其分為未成熟和成熟兩種類型，在未成熟的孢子囊枝細胞分裂中，各期特征與一般的有絲分裂過程相同.在成熟的孢子囊枝細胞核分裂開始時，6條染色體成對出現，每對染色體兩兩之間關系密切，并將這一過程認定為雙線期，到終變期可觀察到3條二價染色體，以后它們分成兩組向細胞兩極移動.而我們的觀察結果表明，當這里所指的成熟孢子囊枝細胞為殼孢子囊分裂細胞時，那么Migita所看到的染色體配對現象與我們的觀察是一致的，但據大量制片的觀察，紫菜二倍體細胞核分裂的細線期特征及變化過程并不容易分辨，他所認為的雙線期與我們觀察的殼孢子囊細胞分裂的中期特征吻合，而所描述的終變期特征與配對染色體收縮的觀察鏡像相似，因此其減數分裂的認識可能受到分期判斷不準確的影響.Kito（1978）也將孢子囊枝分為成熟與未成熟兩種類型，他所指的未成熟類型屬初期孢子囊枝細胞，但所述成熟類型的細胞學特征有誤，與發(fā)育后期的孢子囊枝細胞以及殼孢子囊分裂細胞相混淆.Kito描述，在成熟的孢子囊枝細胞分裂中期，染色體排列在赤道面上，緊密配對難以識別，形成3個二價體，這與本文關于前期末配對染色體聚合的觀察鏡像相似.Kito將此階段認為是減數分裂的終變期，同樣Wang等（2006）觀察到孢子囊枝階段的終變期也作了類似解釋，我們認為這只是同源染色體兩兩緊密配對的結果，其中重要判斷依據是核分裂后期染色單體仍然進行了分離.

在殼孢子萌發(fā)核分裂中，Ma等（1984）觀察到P.yezoensis殼孢子萌發(fā)核分裂前期末同源染色體配對，分裂中期出現3條環(huán)狀的染色體，分裂后期6條染色體對等分離.Burzycki等（1987）觀察到P.torta殼孢子萌發(fā)核分裂末期，每條染色體含兩個染色單體.Tseng等（1989）觀察結論也認為減數分裂發(fā)生在殼孢子萌發(fā)分裂時期.我們對減數分裂的觀察研究結果肯定了這一觀點.

Cole等（1983）觀察發(fā)現大多數紅毛菜屬植物的雙倍核階段，在分裂前期兩組染色體同源配對，即體細胞染色體配對（somatic pairing）［63］.Burzycki等（1987）在P.torta的孢子囊枝細胞，Tseng等（1989）在P.tenera、P.yezoensis和P.katadai var.hemiphylla的營養(yǎng)藻絲細胞，也觀察到有絲分裂同源染色體配對現象.更早些，Tseng等（1955）在觀察甘紫菜受精卵核分裂過程時，就對配對的染色質絲聯(lián)會或交叉現象進行了描述.我們的細胞學觀察研究結果證實，不同紫菜物種的二倍體細胞分裂前期、中期均出現同源染色體配對，有絲分裂同源染色體配對行為是紫菜絲狀體核分裂的重要特征.從我們的圖像分析中可以看到，處于不同發(fā)育階段的絲狀體細胞，在核分裂的晚前期或前期末均出現類似于減數分裂染色體配對的現象，有些圖像與典型的終變期特征十分相似，這也解釋了一些作者對減數分裂判斷錯誤的原因.

紫菜染色體觀察困難是公認的，許璞教授及其合作者是國內外為數不多的專業(yè)團隊之一，其研究意見深入，揭示問題有助于加深對紫菜細胞學的研究認識.

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