葱属大蒜芥复合群（Allium ampeloprasum Complex）两种四倍体物种的多倍化新证据与细胞遗传学见解：基于核型、异染色质及核仁组织区的综合分析

《Agronomy》：Polyploidy in Two Species of the Allium ampeloprasum Complex (Amaryllidaceae): New Evidence and Cytogenetic Insights

　　

摘要专业翻译 本研究提供了新的细胞遗传学结果，利用经典细胞遗传学技术（Feulgen染色、Ag-NOR、C-分带）分析了葱属（Allium）植物多花韭（Allium polyanthum）和深紫韭（A. atroviolaceum）（石蒜科Amaryllidaceae，葱属组sect. Allium）的核型，并明确排除了减数分裂分析。两个物种在所检查的所有种群中均表现出稳定的四倍体染色体组（2n = 4x = 32），核型以中着丝粒染色体为主，呈显著对称性；定量不对称参数（MCA、CVCL、CVCI）在两个物种间非常相似。值得注意的是，来自阿尔巴尼亚的单一A. atroviolaceum标本是一个例外：其分生组织内的染色体数目可变，表现出体细胞数目不稳定性。主要差异涉及核仁染色体的组织方式：两个物种均显示亚端粒位置的次缢痕（即“scorodoprasum”型）和近着丝粒位置的次缢痕（即“sativum”型），但数目和分布不同。Allium polyanthum每个间期细胞核最多显示4个核仁（对应于2对具有次缢痕的同源染色体），而A. atroviolaceum最多显示7个，且通常尺寸较小。组成型异染色质（C-分带）的分布也具有物种特异性，尽管染色体形态总体相似。研究人员将这些特征（正常的染色体重排、核型对称性、异染色质组织）解释为相对近期进化事件的指示，该事件可能促进了这些分类群的细胞遗传学稳定化和多样化。该研究还证实了传统细胞遗传学标记在与NOR和异染色质分析整合时，对于研究葱属多倍体物种染色体进化的实用性。

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一、研究背景与意义

葱属（Allium L.）隶属于石蒜科（Amaryllidaceae），包含约1090个被广泛接受的物种，分布于北半球温带和亚热带地区并延伸至南部非洲。该属在营养形态、生态适应等方面表现出显著的生物学多样性，其基本染色体数主要为x = 8，但也报道了x = 7、9、10和11等其他基本染色体数，以及四倍体、六倍体和八倍体等多种倍性水平。在葱属中，Allium ampeloprasum复合群（属于葱属亚属、葱属组）尤为重要，包含多个在人类营养中具有重要价值的分类群，如A. ampeloprasum L.和韭葱（A. porrum L.）。该复合群已报道了从二倍体（2n = 2x = 16）到八倍体（8x = 64）的多种倍性细胞型。

Allium polyanthum和A. atroviolaceum是该复合群中两个不同的进化模型，均具有x = 8的基本染色体数。A. polyanthum长期与A. ampeloprasum s.l.混淆或被处理为其亚种或异名，其基线细胞型为四倍体（2n = 4x = 32），但常形成不稳定的五倍体（2n = 40）和六倍体（2n = 48）系列。A. atroviolaceum主要分布于地中海—图兰和高加索地区最严酷干旱的环境中，表现出稳定的四倍体组成（2n = 4x = 32），但在其意大利分布区内（主要集中在普利亚），具体细胞遗传学数据仍然匮乏，当地研究主要局限于植物地理学分析和保护评估。因此，对来自意大利南部（普利亚和巴西利卡塔）这两个物种的野生种群开展核型系统学研究，旨在通过分析染色体数目和形态（包括次缢痕、组成型异染色质分布和染色体变异）来扩展对这些物种自然核型变异性的认识。

二、主要研究内容与结论

研究人员对来自意大利南部普利亚和巴西利卡塔地区多个采集点的A. polyanthum和A. atroviolaceum种群（每地点5个标本）以及来自阿尔巴尼亚希马拉（发罗拉以南）的A. atroviolaceum种子种质（1个标本）进行了细胞遗传学分析。研究确认了两个物种在所有被检查种群中均具有稳定的四倍体染色体组2n = 4x = 32，核型以中着丝粒染色体为主，呈显著对称性。两个物种的定量不对称参数（M_CA、CV_CL、CV_CI）非常相似。主要差异涉及核仁染色体的组织方式：两个物种均显示“scorodoprasum”型（亚端粒位置次缢痕）和“sativum”型（近着丝粒位置次缢痕）次缢痕，但数目和分布不同。A. polyanthum每个间期核最多显示4个核仁，而A. atroviolaceum最多显示7个。C-分带揭示的组成型异染色质分布也具有物种特异性。值得注意的是，来自阿尔巴尼亚的单一A. atroviolaceum标本在分生组织内表现出体细胞数目不稳定性，染色体数在40、44和48之间变化。研究人员将这些特征解释为相对近期进化事件的指示，并证实了传统细胞遗传学标记与NOR和异染色质分析整合时对研究葱属多倍体物种染色体进化的实用性。

三、关键技术方法

研究人员采用了三种经典细胞遗传学技术：Feulgen染色用于染色体计数和核型分析；C-分带（Giemsa染色）用于揭示组成型异染色质分布；AgNO₃（硝酸银）沉淀用于鉴定核仁。染色体测量使用IdeoKar 1.2免费软件进行。核型不对称性通过M_CA（平均着丝粒不对称性）和CV_CL（染色体长度变异系数）等参数评估。样本来自意大利南部普利亚和巴西利卡塔地区的野外种群（每地点5个标本）以及阿尔巴尼亚希马拉的种子种质（1个标本）。每个标本至少检查10个高质量中期分裂相，核型由最佳展开的中期板构建。

四、研究结果

3.1 来自意大利南部的Allium polyanthum**：所有分析标本均确认染色体数2n = 4x = 32，与先前众多作者的描述一致。所有六个种群的个体均表现出相似的核形态、C-分带模式和核仁染色体，表明不存在显著的种群水平变异。核型包含28条中着丝粒和4条亚中着丝粒染色体，按同源性排列为16对。第7对在一个亚中着丝粒染色体上显示“scorodoprasum型”次缢痕，第13对在一个中着丝粒染色体上显示“sativum型”次缢痕。核型对称，M_CA平均值为14.59，CV_CL平均值为22.59。C-分带显示所有染色体均有着丝粒异染色质带，约68条主要带，包括着丝粒、端粒和亚端粒带。仅第10、14、15和16对显示明显的端粒带。硝酸银染色显示最多4个核仁。

3.2 来自意大利南部的Allium atroviolaceum**：确认染色体数2n = 4x = 32。核型公式为26条中着丝粒和6条亚中着丝粒染色体，排列为16对。显示一个具有“sativum型”次缢痕的染色体（第15号）和三个具有“scorodoprasum型”次缢痕的染色体对（第9、12和16对）。核型对称，M_CA平均值为14.05，CV_CL平均值为18.22。C-分带显示约63条主要带。第7对在端粒和中间位置显示两条明显的异染色质带，第9对显示两条靠近的明显带（端粒和中间），第11对显示两条清晰的中间带，第12和16对显示明显的端粒带，第15对显示一条细端粒带。硝酸银染色显示最多7个核仁。并非总能观察到第12、15和16对NOR同源染色体上两个染色体的次缢痕。

3.3 来自阿尔巴尼亚希马拉的Allium atroviolaceum**：该种质的染色体数在分生组织内可变，表现出体细胞数目不稳定性，计数为40、44和48。染色体显示约210条明显带，分布于着丝粒、端粒和亚端粒区域。48条染色体的核型中，最后四条染色体显示较少的异染色质分布。阿尔巴尼亚材料（~210条带）与意大利材料（~63条带）之间总带数的显著差异可归因于较高的染色体数（2n = 48 vs. 2n = 32）以及阿尔巴尼亚材料基因组中组成型异染色质含量和分布显著更高。

3.4 不对称性指数：A. polyanthum的M_CA值为14.59 ± 1.44，A. atroviolaceum为14.05 ± 0.27，均强烈偏向对称下限，反映了中着丝粒染色体的绝对优势（分别为28条m和26条m）。CV_CL值分别为22.59 ± 1.35和18.22 ± 0.65，属于染色体间变异的较低层级。

3.5 统计基础：通过STATS 2.0计算的核型指数显示两个四倍体分类群在染色体对称性方面具有显著相似性。M_CA、CV_CL和CV_CI的平均值在A. polyanthum和A. atroviolaceum之间极为接近，标准误差显示实质性重叠。因此正式的种间统计比较被认为是多余的，数据描述性地确认了两个物种共有的高度保守和同质的核型结构。

五、讨论总结

研究人员重新审视了文献中关于A. polyanthum和A. atroviolaceum多倍化的先前陈述，分析了意大利普利亚和巴西利卡塔种群的核形态。三种染色技术提供了互补信息：Feulgen染色显示染色体形态相对同质，C-分带揭示组成型异染色质分布，硝酸银染色检测转录活跃的核仁组织区。A. polyanthum的染色体可一致排列为16个形态可识别的对，表明四倍体染色体组具有二倍体样结构组织，但缺乏减数分裂材料无法直接证明优先配对或二倍化过程。A. atroviolaceum同样可排列为16对，其C-分带模式提供了染色体形态可重复性的证据。阿尔巴尼亚Vlor?标本表现出异常的异染色质分布、显著的结构差异和体细胞数目不稳定性（混合倍性），48条染色体组包含四个明显较小的元件，可能为B染色体，其不稳定性可解释体细胞变异。核仁分析显示A. polyanthum最多4个核仁（对应2对具次缢痕的染色体），A. atroviolaceum最多7个核仁（对应4对具次缢痕的染色体），但核仁数目不能直接解释为NOR承载染色体数目的精确度量。两个物种共享四倍体染色体组2n = 4x = 32、16个形态可识别的染色体对、卫星染色体和次缢痕以及大致可比的染色体形态和C-分带组织，表明密切的细胞遗传学关系。差异在于可见次缢痕的染色体对数目（A. polyanthum为2对，A. atroviolaceum为4对）和异染色质分布。形态计量学指数显示总单倍体长度（THL）从A. polyanthum的168.90 ± 7.06 μm增加到A. atroviolaceum的179.48 ± 4.07 μm，CV_CL从22.59 ± 1.35降至18.22 ± 0.65，而CV_CI保持稳定（13.16 ± 0.77 vs. 12.73 ± 0.77），表明在总长度和染色体大小分布变化的同时，染色体臂的内部对称性被严格保留。

六、研究结论翻译

本研究调查的Allium polyanthum和A. atroviolaceum种群共享保守的四倍体染色体数（2n = 4x = 32）以及染色体形态和异染色质分布的若干特征，表明实质性的细胞遗传学相似性。在两个分类群中，染色体均可一致排列为16个形态可识别的对，反映了四倍体核型的二倍体样结构组织。然而，该模式本身并不能证明优先同源配对或正在进行的二倍化过程。由于未研究减数分裂染色体行为，现有数据无法区分异源四倍体、节段异源多倍体或结构分化的同源四倍体基因组组织。因此，体细胞中期染色体之间的形态对应不应被解释为遗传同源性或优先减数分裂配对的证据。进一步的减数分裂分析，特别是二价体、多价体和单价体频率的分析，将有必要评估二倍体样减数分裂行为的程度。

尽管核型总体相似，两个分类群表现出不同的染色体分化模式。A. polyanthum显示两对具有可见次缢痕的染色体，而A. atroviolaceum显示四对。C-分带揭示的组成型异染色质分布差异进一步表明核型保守与结构分化并存。可见次缢痕数目与核仁数目之间的差异，特别是在A. atroviolaceum中，也表明核仁数目不能被视为活跃核仁组织区（NOR）数目的直接指标。同样，NOR相关染色体形态的差异需要分子细胞遗传学确认后才能归因于rDNA组织或活性的变异。

在Vlor?附近采集的A. atroviolaceum标本中观察到的异常异染色质模式值得特别关注。虽然它可能反映种群水平的细胞遗传学变异或更复杂的基因组组成，但现有证据不允许区分这些可能性。杂交或基因渗入也可能被视为潜在解释，但该假设仍是 tentative 的，需要调查更多个体和独立分子标记。

总体而言，结果表明A. polyanthum和A. atroviolaceum拥有广泛保守的四倍体核型，同时在染色体结构、异染色质分布和NOR相关特征方面存在差异。这些发现并非提供正在进行二倍化的直接证据，而是强调核型保守与可测量的染色体分化共存。将经典细胞遗传学与减数分裂分析、基于FISH的rDNA位点定位和全基因组分子方法相结合，对于阐明这些地中海葱属分类群的基因组关系、进化历史和分化程度至关重要。