晁亞琮，武榮花，蔣 卉，張和臣

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 林學院,河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學院 園藝研究所,河南 鄭州 450002)

高等植物多倍體化分為同源多倍體化和異源多倍體化[1]。同源多倍體化是指增加的染色體組來自同一物種，即同一物種經(jīng)過染色體加倍而形成多倍體的過程，產(chǎn)生于物種內(nèi)全基因組復制事件，同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化；異源多倍體化是指不同物種雜交產(chǎn)生的后代經(jīng)過染色體加倍形成多倍體的過程，產(chǎn)生于包括特異性雜交在內(nèi)的基因組復制事件[2-3]。相較于同源多倍體，異源多倍體在自然界中普遍存在，染色體重排和基因組復制在異源多倍體化過程中頻繁發(fā)生，且大幅改變了植物的外部形態(tài)特征、生理特性、激素水平、代謝物質(zhì)、育性及生態(tài)適應(yīng)性等[4-6]。因此，異源多倍體兼具多倍體和雜種的雙重優(yōu)勢，能夠更好地應(yīng)對進化及物種生存[7-9]。研究表明，異源多倍體在小麥、甘藍、棉花等作物的長期進化和改良中發(fā)揮著重要作用[10-12]。與異源多倍體的“長期進化”相比，同源多倍體更傾向于“短期革命性變化”。雖然染色體倍增也會導致同源多倍體適應(yīng)環(huán)境的能力增強，但在極端環(huán)境下的局限性、基因冗余導致的基因組不穩(wěn)定性、近交衰退使其在物種進化中的局限性增加。近年來，越來越多的證據(jù)表明，自然界中同源多倍體可能比觀察到的更加普遍，其受自然氣候和環(huán)境波動的影響。同源多倍體化后植株定殖能力和遠源雜交能力增強。在植物育種研究上，同源多倍體化缺乏異源多倍體化進化系統(tǒng)中的不確定性和漸滲雜交，更有助于加強對植物染色體倍增作用和變異機制的了解[13-14]。目前，利用同源多倍體化改良作物品種的方法已在土豆、紅花苜蓿、甜菜、西瓜等中廣泛應(yīng)用[15-17]，大幅度縮短了育種周期，同時在品種保護上也發(fā)揮著重要作用[18]。

從微觀角度看，同源多倍體化導致單個細胞核內(nèi)復制和倍性增加的間接影響是多種多樣的，包括細胞核大小、細胞大小以及器官和生物體大小等變化[19-20]。同源多倍體化尤其是人工誘導產(chǎn)生的同源多倍體化，通常會導致染色體一次或多次倍增而形成四倍體、八倍體或其他高倍體，甚至嵌合體、混倍體和非整倍體?；谶z傳物質(zhì)的穩(wěn)定性和最大容量，一些植物在高倍性時發(fā)育畸形且生長緩慢。因此，同源多倍體化對植物器官的突變性影響非常復雜[21-22]，且這種影響與各器官的細胞學結(jié)構(gòu)和動態(tài)生長規(guī)律密切相關(guān)[23-24]。植物的主要側(cè)生器官葉片、花萼和花瓣等是研究同源多倍體化后植物側(cè)生器官變化機制的重要模式器官，其形態(tài)建成過程中存在廣泛的規(guī)律性和差異性?；谕炊啾扼w化后植物器官的復雜變化及同源多倍體化在植物育種及遺傳進化研究中的重要意義，綜述整倍體化對葉片、花萼、花瓣等側(cè)生器官形態(tài)建成的影響及非整倍體化對植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響，以期為今后通過同源多倍體化改良作物性狀、培育優(yōu)良品種提供理論依據(jù)。

1 植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響因素

植物的側(cè)生器官主要包括葉片、花萼和花瓣等，其形態(tài)受多重因素的影響。其中，遺傳背景是最主要因素，控制細胞的基礎(chǔ)大小和分裂生長方向，從而有效控制側(cè)生器官的最終性狀。除遺傳因素外，環(huán)境因素也在其形態(tài)建成過程中產(chǎn)生重要影響，例如土壤營養(yǎng)、鹽分、水分、光照、CO2等[25-26]。染色體加倍是遺傳背景對側(cè)生器官影響的一個特殊方面，通過遺傳物質(zhì)的整體加倍產(chǎn)生，對細胞大小、數(shù)量、增殖、生長和生長時期等方面產(chǎn)生規(guī)律性地協(xié)同作用，影響器官的形態(tài)。相對于異源多倍體，同源多倍體的遺傳背景較簡單，是進行遺傳物質(zhì)倍增對器官形態(tài)建成影響研究的良好材料。同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化，主要通過DNA含量成比例的變化來影響細胞大小、數(shù)量、增殖方式和生長時間等[22]，從而導致器官形態(tài)發(fā)生大幅變化。

2 同源多倍體化對植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

2.1 整倍體化對植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

2.1.1 葉片 葉片的發(fā)育和形態(tài)建成研究已經(jīng)相對成熟[27-28]，葉原基始于莖頂端分生組織的外圍區(qū)，由生長素定向累積誘導形成，在激素和轉(zhuǎn)錄因子相互作用下協(xié)調(diào)細胞的分裂和生長，發(fā)育成扁平結(jié)構(gòu)，并形成不同層、脈管系統(tǒng)和特化表皮細胞。該過程經(jīng)歷葉膨脹、葉生長，最終在邊界細胞的調(diào)控下終止生長[29]。同源多倍體化是染色體的一次或多次倍增過程，對葉片中各類型細胞的大小、數(shù)量、生長速度和生長邊界等產(chǎn)生很大影響，這種涉及整個發(fā)育時期三維方向上的動態(tài)變化，最終導致多倍體植株表型發(fā)生變化。多倍體植株的表型，在橫向上，葉大小、葉基部和葉尖形態(tài)、葉長寬比等發(fā)生變化；在縱向上，葉片厚度因角質(zhì)層、表皮層、柵欄組織等組織的細胞大小、層數(shù)和細胞間隙的改變而發(fā)生變化。此外，維管組織和葉肉組織比例也會發(fā)生變化，但變化因倍性的差異而存在一定的規(guī)律性。

2.1.1.1 葉表皮層 葉表皮層是位于葉片角質(zhì)層下方的一層細胞，具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和分布。它們可以調(diào)控柵欄組織的生長，并最終在葉形態(tài)的調(diào)控上發(fā)揮作用。隨著染色體倍性的增加，葉表皮層細胞大小增加，但增幅逐漸呈下降趨勢。現(xiàn)階段同源多倍體化引起細胞大小與器官大小改變的研究主要集中在擬南芥等模式植物上。擬南芥同源四倍體葉上表皮層細胞較二倍體增大了約1.7倍[22,30-31]，下表皮層細胞增幅(四倍體較二倍體增大約1.76倍)稍高于上表皮層[22]；擬南芥同源八倍體葉表皮層細胞較四倍體增大了1.5倍，表明植物染色體倍性越高，染色體加倍后細胞大小增加幅度越小[22，31]。綜上，染色體倍增的程度對不同器官或組織細胞大小增幅的影響趨勢一致，但影響程度存在差異。

隨著染色體倍性的增加，葉表皮層的細胞數(shù)量減少，形成了倍性變化對細胞大小變化的補償效應(yīng)，中和了部分來自細胞增大對形態(tài)的影響。例如：同源四倍體擬南芥葉表皮層細胞較二倍體增大約1.5倍，但數(shù)量卻減少了約50%[32]，而八倍體細胞數(shù)量減少量則增加至74%[31,33]。高倍性(六倍體和八倍體)植株的這種補償效應(yīng)更為明顯，導致側(cè)生器官體積較二倍體更小，這種現(xiàn)象被稱為高倍性綜合征[13]，如四倍體擬南芥第一對真葉較二倍體大27%，而八倍體較二倍體略小[13]。染色體倍增對葉片的影響是一個三維動態(tài)過程，部分學者[13,22]認為這與遺傳物質(zhì)含量過大導致細胞生長周期延緩，使得細胞數(shù)量減少有關(guān)。但近年來在擬南芥和黑麥草中的研究均發(fā)現(xiàn)，四倍體植株葉片細胞長度的增加是由細胞伸長率增加引起的，細胞生長周期沒有改變，也并未導致細胞分裂速度的減緩[25,34]。倍性變化對葉面積大小的影響研究也表明，葉面積的大幅增加與葉片的伸長率增加有關(guān)[13]。擬南芥八倍體較四倍體、四倍體較二倍體葉片伸長率增加，生長周期延長[13]。2種黑麥草的同源四倍體葉片比二倍體更長也與葉片伸長速率增加有關(guān)[25]。

有研究表明，葡萄糖對四倍體植物葉表皮層細胞大小的抑制程度較二倍體更強，甘露醇對二倍體和四倍體細胞大小的抑制程度相似[30]，而植物激素[脫落酸(ABA)、吲哚丁酸(IBA)、2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、赤霉素(GA3)、茉莉酸甲酯(MeJA)、乙烯(ETH)、玉米素(ZT)和水楊酸(SA)]對擬南芥同源四倍體和野生型葉片細胞大小的影響差異甚微[22]。受葡萄糖脅迫時，二倍體和四倍體中葉表皮層細胞周期調(diào)控基因ICK1(Inhibitor of cyclin-dependent kinase 1)、ICK2、ICK4、ICK5表達量以相似程度增加[30]。

2.1.1.2 柵欄組織、維管組織 同源多倍體化對葉片的柵欄組織、維管組織的影響與表皮細胞存在差異。擬南芥同源四倍體柵欄組織細胞較二倍體增大了24%[30]；黃瓜葉片柵欄組織面積隨倍性的增加呈現(xiàn)增大趨勢[35]；水稻葉片維管束形態(tài)隨倍性增加由近圓形變?yōu)榻鼨E圓形，維管束數(shù)目隨倍性的升高略有增加，而維管束直徑隨倍性升高顯著增加[35]。維管束的結(jié)構(gòu)主要和植株倍性有關(guān)，而與植株大小的關(guān)系并不密切[36]。

2.1.1.3 氣孔、毛狀體 氣孔也是植物倍性變化的重要指標[22]。保衛(wèi)細胞的面積、長度隨倍性增加而呈線性增加趨勢，但單位面積氣孔數(shù)量呈線性減少趨勢[36-37]。保衛(wèi)細胞面積占表皮總面積的比例相當穩(wěn)定(2.1%～2.8%)，但四倍體較二倍體氣孔密度降低40%[38-39]。此外，四倍體氣孔長度較二倍體增加的幅度與表皮細胞面積增加幅度相近，約為60%；四倍體較二倍體氣孔寬度的增加幅度與氣孔長度相似，但八倍體較四倍體氣孔寬度的增加幅度較氣孔長度減弱[38]。細胞和組織的生長是一個動力學過程，倍性增加導致細胞形態(tài)上的變化機制還有待進一步探索。

此外，表皮層的毛狀體形態(tài)也是部分植物倍性變化的重要指標。擬南芥毛狀體分支數(shù)隨著倍性增加而增加，非整倍體毛狀體分支數(shù)類似于高倍體而與實際染色體數(shù)目是否整倍無關(guān)，與鄰近氣孔細胞大小隨倍性的變化趨勢一致[38]。

2.1.1.4 內(nèi)多倍體 內(nèi)多倍體也是影響植物細胞大小的一個因素。研究表明，隨著倍性增加,葉片內(nèi)多倍體所占比例呈下降趨勢[40]，因為內(nèi)多倍體的出現(xiàn)并不會改變器官中的基因拷貝數(shù)，所以細胞內(nèi)遺傳物質(zhì)含量呈恒定狀態(tài)[22]。因此，內(nèi)多倍體所占比例的變化對器官形態(tài)的影響相對有限。擬南芥同源八倍體、四倍體和二倍體葉片內(nèi)多倍體的分布存在差異，二倍體在受到葡萄糖脅迫后，葉片內(nèi)多倍體4C、8C和16C的細胞所占比例顯著降低；甘露醇脅迫導致葉片內(nèi)多倍體增加，4C細胞所占比例顯著增加，而8C和16C的細胞所占比例顯著降低，表明葉片內(nèi)多倍體增加僅發(fā)生1次；甘露醇脅迫下四倍體16C的細胞所占比例減少，8C的細胞所占比例增加[30]，而葡萄糖或甘露醇誘導不同倍性植物的葉片內(nèi)多倍體比例變化還未知。

2.1.2 花萼 與葉片細胞形狀不同，花萼細胞呈方形而不是矩形[41]?；ㄝ嗝娣e隨倍性的增加而增加，但增幅呈線性下降趨勢。例如：擬南芥四倍體花萼的面積比二倍體大1.51倍，八倍體比四倍體大1.13倍[22,31]?；ㄝ嗉毎笮〉淖兓c葉片非常相似，四倍體花萼表皮細胞比二倍體大1.76倍，八倍體比四倍體大1.71倍[22,31]?；ㄝ嗉毎麛?shù)量的變化也與葉片類似，花萼表皮細胞的數(shù)量隨著倍性的增加呈線性下降趨勢，四倍體花萼表皮細胞數(shù)量較二倍體減少20%，八倍體比四倍體減少23%[22]。另外，花萼也具有與葉片類似的補償效應(yīng)，但控制這種細胞數(shù)量變化的機制尚不清楚。與葉片不同的是，高倍體植株花萼并不會因其補償效應(yīng)過強而出現(xiàn)高倍性綜合征。

花萼細胞也存在核內(nèi)復制[42-43]。同一倍性水平上核內(nèi)復制的頻率大致相似，但隨著倍性增加核內(nèi)復制略有減少，四倍體花萼細胞內(nèi)多倍體較二倍體減少約18%，八倍體較四倍體減少24%，表明高倍性時倍性水平與內(nèi)多倍體出現(xiàn)頻率存在小的負相關(guān)[22,32]。對擬南芥的研究表明，花萼在不同倍性水平時前期的原基細胞數(shù)目是恒定的，細胞生長速度不受倍性影響，因倍性變化產(chǎn)生的細胞數(shù)量的差異在后期才出現(xiàn)[22]。

2.1.3 花瓣 與葉片和花萼類似，四倍體與高倍體的花瓣通常較二倍體大，例如：四倍體黃瓜的雄花和雌花花瓣長、寬增加明顯，花朵變大且更鮮艷，花瓣增厚且表面出現(xiàn)皺褶，花瓣邊緣彼此重疊[44]。擬南芥二倍體-四倍體-八倍體系列中，隨倍性增加，花瓣顯著增大，但各個花器官表型并未出現(xiàn)較大幅度的變化[22]，這與福祿考二倍體、四倍體和六倍體的花冠裂片研究結(jié)果類似[45]。但同源多倍體化對煙草花冠裂片形態(tài)的影響較復雜，形成了較多新的變異[22]。

此外，與葉片和花萼的適應(yīng)力不同，高倍性時植株能正常生長，孕育出帶完整花萼的花苞，但染色體行為異常通常導致花苞停育[46]，例如：六倍體黃花苜蓿花序呈波浪形或卷曲，形態(tài)發(fā)生變異，并產(chǎn)生明顯的生殖分離[47]。另外，花瓣內(nèi)多倍體變化趨勢與花萼相似。

2.2 非整倍體化對植物側(cè)生器官形態(tài)建成的影響

非整倍體主要是由于細胞有絲分裂或減數(shù)分裂過程中染色體異常分離引起的[48-49]。與整倍體相比，非整倍體因染色體異常分離導致單個染色體增加或減少，存在廣泛的染色體不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生新的表型[49-50]。非整倍體化產(chǎn)生的影響在很大程度上對細胞是有害的，會導致生物體致死或產(chǎn)生嚴重缺陷，例如在動物和人身上會表現(xiàn)出嚴重的缺陷，但非整倍的多倍體植物能夠表現(xiàn)出新的表型和較強的耐受力[51]。非整倍體水稻葉色較淡[52]；三倍體玉米葉片上出現(xiàn)結(jié)節(jié)[53]；非整倍體擬南芥擁有比整倍體擬南芥更小的花環(huán)直徑[54]；非整倍體煙草花瓣明顯增大，表面光滑且邊緣呈圓鋸齒狀[53]。

3 展望

同源多倍體化包括整倍體化和非整倍體化，整倍體化對側(cè)生器官的影響主要表現(xiàn)在細胞大小和器官大小上[19-20]，而非整倍體化對側(cè)生器官的影響則涉及器官形態(tài)的變異甚至造成畸形，以及變異后對自然環(huán)境逐步適應(yīng)而產(chǎn)生形態(tài)修復[51]。葉片和花萼對高倍性有較高的適應(yīng)性，而花瓣在高倍性時則多表現(xiàn)為畸形，甚至停育等。與葉片隨著倍性增加細胞變大而細胞數(shù)量減少，但變化幅度降低這種變化不同，花萼細胞大小隨著倍性增加而增大，細胞數(shù)量降低，但降幅增大[22]。因此，倍性對細胞大小的影響也取決于組織的特異性。此外，隨著倍性的增加，不同器官內(nèi)多倍體的變化趨勢也不同，但其DNA含量保持恒定[22]。同源多倍體化后，植物側(cè)生器官形態(tài)建成是一個動態(tài)的過程，隨著倍性的增加，初期各側(cè)生器官的生長速度減緩，這是由于細胞遺傳物質(zhì)增加，促使細胞分裂速度減緩，進而導致生長期的延長[22]。但GANEM等[34]的研究結(jié)果卻不支持細胞遺傳物質(zhì)增加導致細胞生長周期延長這一觀點。因此，隨著倍性增加,生長期延長和初期生長速度減慢的原因還有待進一步研究。

同源多倍體化對花瓣細胞大小的影響與葉片、花萼相似，但形態(tài)建成的數(shù)據(jù)相對缺乏。一些研究表明，隨著倍性增加，花瓣除細胞大小存在規(guī)律性變化外，形態(tài)上也存在一些變異，如花瓣厚度、花瓣折疊狀態(tài)、花瓣各裂片比例、花瓣裂片長寬比例等[43,46-47]，表明同源多倍體化對花瓣形態(tài)的影響更強。非整倍體化對花形態(tài)影響更復雜，植物為適應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生更復雜的表觀遺傳變異修飾以及染色質(zhì)重塑等，從而產(chǎn)生更多新的表型。了解多倍體植物形態(tài)建成與二倍體間的差異，及引起差異的原因，是研究植物花形態(tài)調(diào)控機制和觀賞性狀改良的重要途徑。

目前，同源多倍體化已被應(yīng)用在許多作物改良育種中，在觀賞植物的研究上雖有報道，但應(yīng)用還相對較少。由于同源多倍體化對植株大小和活力、花瓣大小、花瓣厚度、花色、花期、葉色、抗性等均有影響，因此，在觀賞植物性狀改良上具有廣闊的應(yīng)用前景。