综述：甘薯及其野生近缘种的细胞遗传学研究进展

《Plants》：Research Progress in the Cytogenetics of Sweetpotato and Its Wild Relatives

　　

栽培甘薯（Ipomoea batatas (L.) Lam.）是六倍体（2n = 6x = 90）作物，是旋花科（Convolvulaceae）番薯属（Ipomoea）中经济价值最重要的物种。已确认14个二倍体番薯属物种和若干多倍体材料与甘薯亲缘关系密切，通常被称为其野生近缘种。这些野生种蕴藏着丰富的优良基因，有益于甘薯改良，因此是育种计划不可或缺的种质资源库。此外，有若干野生分类群被认为是栽培甘薯的潜在祖先。然而，栽培甘薯的进化起源和基因组结构尚未完全阐明。细胞学研究，特别是染色体核型分析和减数分裂配对分析，在揭示多倍体分类群的基因组结构和进化轨迹方面发挥了关键作用。在此，研究人员系统总结了甘薯及其野生近缘种在染色体计数、基因组大小、核型分析和减数分裂配对研究方面的进展。

**1. 引言**

甘薯是六倍体作物（2n = 6x = 90），隶属于旋花科（Convolvulaceae）番薯属（Ipomoea），是该属中经济价值最重要的物种。番薯属约有800个物种，在系统发育上分为旧世界分支（Old World Clade, OWC）和新世界分支（New World Clade, NWC），新世界类群进一步划分为A至E五个主要分支。甘薯及其野生近缘种归属于A分支的A3亚分支，即Batatas分支。已确认14个二倍体番薯属物种（2n = 2x = 30）为栽培甘薯最近的野生近缘种，包括I. trifida、I. triloba、I. tenuissima、I. littoralis等。此外，若干鉴定不明的多倍体材料（以四倍体为主，少数为三倍体和六倍体）也与甘薯密切相关，其中I. aequatoriensis为新鉴定的四倍体物种，I. tabascana长期被推测为甘薯与二倍体I. trifida的种间杂种或甘薯的潜在四倍体祖先。关于甘薯的起源存在三种多倍化假说：同源多倍化假说、异源多倍化假说和节段异源多倍化假说。近期基于分型（phased）染色体水平基因组组装的研究表明，I. aequatoriensis可能是某一祖先物种的直接后裔，而I. trifida可能并非六倍体甘薯的直接祖先，甘薯被初步归类为节段异源多倍体（segmental allopolyploid）。

**2. 甘薯及其野生近缘种的染色体数目**

番薯属物种具有2x、4x和6x三种倍性水平，基本染色体数目为x = 15。甘薯的染色体数目直到1953年才得以最终确认。King和Bamford（1937年）在旋花科细胞遗传学研究中发现甘薯体细胞含60条以上染色体，据此提出甘薯为具有约90条体细胞染色体的六倍体。Ting和Kehr通过减数分裂分析确定其配子染色体数为45，为甘薯体细胞染色体数为90提供了决定性细胞遗传学证据。栽培甘薯通常维持2n = 6x = 90的稳定染色体组，但不同品种中常观察到非整倍体个体。在野生近缘种中，I. lacunosa、I. triloba、I. tiliacea和I. ramoni（即I. trifida）等均被报道为二倍体（2n = 2x = 30），后续更多野生近缘种的染色体数目由Jarret等和Sun等测定。

**3. 甘薯及其野生近缘种的基因组大小**

基因组大小即非复制体细胞核的2C DNA含量，是现代细胞遗传学的重要定量参数。物种形成常伴随基因组DNA的获得与丢失，基因组大小比较因此成为揭示系统发育关系和澄清近缘类群分类的有效工具，也是判断倍性水平和杂交事件的初步指标。流式细胞术可快速、可靠地定量细胞核DNA含量。Arumuganathan和Earle首次测得I. batatas的2C值为3.31 pg，Marie和Brown报道的2C值为3.51 pg。Ozias-Akins和Jarret将流式细胞术分析扩展至42份甘薯及其野生近缘种材料，Srisuwan等对22份材料进行了相同分析。尽管两次研究的2C值存在系统性差异，但所有测试物种的核DNA含量与倍性水平均呈显著正相关，表明可通过基因组大小可靠推断多倍体系列中的倍性水平。该研究还首次记录了I. cordatotriloba的四倍体细胞型。基于核DNA含量分析，Srisuwan等提出六倍体甘薯可能通过三倍体桥（triploid-bridge）途径起源于I. trifida，即四倍体个体与二倍体个体的杂交产生三倍体，再经体细胞染色体加倍形成可育六倍体后代；或由两个二倍体杂交产生三倍体，其中一个亲本产生未减数配子。

**4. 甘薯及其野生近缘种的核型分析**

**4.1 基于常规醋酸压片染色的核型分析**

核型分析是细胞遗传学研究的基本内容，可为界定物种亲缘关系和推断多倍体起源提供重要线索。常规醋酸压片染色技术最初用于分析甘薯及其二倍体近缘种I. lacunosa和I. triloba的核型，但这些物种的染色体普遍较小且形态相似，这一形态相似性阻碍了精确核型分析和系统发育解析。值得注意的是，微小的染色体尺寸在粗线期（pachytene）核型分析中反而成为优势：分化良好的粗线期染色体展现出丰富的诊断性形态标记，可实现可靠的染色体识别。Magoon等利用臂比、染色粒模式和核仁联合等特征，成功区分了45条单倍体粗线期染色体中的40条，并将其划分为19种染色体类型。其中8种类型在单倍体组中仅出现一次，表明并非在所有三个基因组中都有代表；6种类型出现两次，存在于三个基因组中的两个；2种类型出现三次，存在于全部三个基因组。据此认为甘薯的祖先亚基因组可根据8种染色体类型加以区分，这一细胞遗传学证据排除了同源多倍体起源，支持了甘薯起源于相关祖先的异源多倍化。

**4.2 基于FISH和荧光染料显带的核型分析**

酶解结合低渗处理改善了染色体铺展质量，促进了染色体显带和荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization, FISH）技术在植物核型分析中的应用。串联重复DNA序列是最广泛使用的FISH探针类型。Srisuwan等对10份甘薯品种、5份四倍体I. trifida材料和6个相关物种进行了5S和18S核糖体DNA（ribosomal DNA, rDNA）位点分布分析，并结合GC特异性染色剂chromomycin A3（CMA）的荧光显带分析，通过18S和5S rDNA位点与CMA+显带模式的联合实现了更高分辨率的核型描述。细胞遗传学数据支持I. trifida为I. batatas的推定祖先，而I. tabascana可能起源于六倍体甘薯与二倍体I. trifida之间的杂交。Sun等利用源自二倍体I. trifida基因组的两个卫星重复序列Itf_1和Itf_2作为FISH探针，对甘薯和5个野生近缘种进行比较核型分析，结果显示I. tenuissima与I. × leucantha核型相似，亲缘关系密切；Itf_1和35S rDNA的联合信号模式仅存在于I. trifida、I. tabascana和I. batatas中，表明三者亲缘关系更近。

**4.3 基于Oligo-FISH的核型分析**

由于缺乏稳健的细胞遗传学标记，此前所有甘薯及其野生近缘种的核型均无法在单细胞内可靠区分全部染色体。Oligo-FISH利用基于单拷贝序列设计的寡核苷酸（oligonucleotide, oligo）探针，可实现染色体鉴别和核型分析，且由于单拷贝序列主要来源于保守的基因编码区，为某一物种设计的oligo探针可用于其他近缘物种，具有比较核型分析的独特优势。研究者利用来自二倍体牵牛（Ipomoea nil）的4个oligo-FISH条形码探针和2个染色体涂染探针，首次在甘薯及不同倍性野生近缘种中实现了全部染色体的完全区分和rDNA位点定位。比较核型分析显示，在12个受调查的二倍体物种中，I. trifida与甘薯的核型相似性最高，且I. trifida是唯一具有与甘薯及其他多倍体近缘种完全一致的rDNA位点排列方式的二倍体物种，表明I. trifida是甘薯最近的二倍体近缘种。此外，I. aequatoriensis与四倍体甘薯具有相同的rDNA分布模式和高度一致的核型，两者在细胞遗传学上无法区分；而I. tabascana在核型上与两者差异显著，其四个同源染色体中两个携带强35S rDNA杂交信号、两个携带弱信号，支持I. tabascana最可能起源于结构同源且亲缘关系密切的亚基因组加倍，而非甘薯与I. trifida的种间杂交。栽培甘薯与六倍体I. trifida表现出相似的核型和相同的5S与35S rDNA分布，但两者均存在染色体长度、形态和rDNA信号强度的同源染色体间差异，且甘薯中的这种变异更为显著，与其节段异源多倍体祖先起源相一致。

**5. 甘薯及其多倍体野生近缘种的减数分裂染色体配对与基因组结构分析**

染色体配对分析被广泛用于推断多倍体的基因组组成，同源多倍体理论上应在减数分裂中形成大量多价体。然而，仅依赖减数分裂配对模式的评估存在局限，因为同源多倍体在进化过程中可能建立以二价体为主的稳定减数分裂行为，且追踪单条染色体配对行为和区分多价体构型在多倍体中存在技术困难。Ting和Kehr在甘薯两个品种中首次观察到完整的45个二价体，未检测到多价体，但普遍存在二至三个二价体的次级联合（secondary association）。次级联合被认为是异源多倍体类群中部分同源染色体组的稳健细胞遗传学证据。据此他们提出甘薯起源于四倍体物种与二倍体物种之间的种间杂交，杂种经自然染色体加倍恢复育性。Magoon等在粗线期和中期I均观察到多价体联合频繁出现，常见四价体和六价体，表明甘薯各组成基因组间存在广泛的染色体同源性。基于六价体的三种形态类型，作者推断甘薯具有三个部分同源的祖先亚基因组，其中两个亚基因组间的序列同源性高于其与第三个亚基因组间的同源性，该模型后来被解释为节段异源多倍化假说。与此一致，基于二倍体和四倍体I. trifida合成六倍体及其与甘薯F1杂种的减数分裂分析，提出了基因组公式B1B1B2B2B2B2。但Shiotani和Kawase在I. trifida复合体杂交后代的配对研究中认为B1和B2基因组同源，支持甘薯和多倍体I. trifida为同源多倍体。近期，基于oligo染色体涂染探针的研究显示：I. tabascana的粗线期细胞中高达82%存在四价体，且四个同源染色体可根据有无随体和次缢痕区分为两对，表明其为同源四倍体（autotetraploid）；六倍体I. trifida和甘薯中，六个同源染色体在偶线期至粗线期主要以六价体形式配对，表明三个亚基因组间存在高度同源性，同时二价体和四价体的高频存在表明其中两个亚基因组间同源性更高。六倍体I. trifida中涉及全部同源染色体的配对构型比例明显高于甘薯，反映前者亚基因组相似性更高。数据支持I. trifida为同源六倍体起源，而甘薯更可能为节段异源六倍体（segmental allohexaploid）。

**6. 结论**

现代分子细胞遗传学技术，尤其是基于oligo的FISH，克服了传统细胞遗传学研究的瓶颈，极大地推进了甘薯及其野生近缘种的细胞遗传学研究。在甘薯起源方面，迄今提出的八个假说中有七个涉及I. trifida。基于oligo-FISH的比较核型分析表明，I. trifida是所调查二倍体物种中与甘薯核型相似性最高的物种，且是唯一具有与甘薯及其多倍体近缘种完全一致的rDNA位点排列方式的物种，确认I. trifida为甘薯最近的二倍体近缘种。然而，最新的基于六倍体甘薯分型染色体水平基因组组装的研究提示，I. trifida可能并非六倍体甘薯的直接祖先，I. aequatoriensis可能是某一祖先的直接后裔，其他供体（donor）仍属未知。在甘薯基因组结构方面，三种多倍化假说中节段异源多倍化假说获得了细胞遗传学分析的最强支持，这些细胞遗传学观察与基于分型染色体水平基因组组装的基因组推断一致，甘薯因此被初步归类为节段异源多倍体。