28个中国紫苏属种质资源的染色体核型分析

孙浩男， 田 琳， 温春秀， 刘冬云， 王 鑫， 李明阳

(1.河北农业大学， 河北 保定 071000;2.河北省农林科学院经济作物研究所， 河北 石家庄 050000)

唇形科(Lamiaceae)紫苏属(PerillaLinn.)植物为一年生草本植物，主要原产于亚洲亚热带地区，世界各国均有引种栽培，我国的中南部和东南部是其野生资源的主要集中地区[1-3]。紫苏属植物集食用、药用、油用、观赏等一体，具有重要的经济价值，其在中国的栽种历史悠久，早在2000多年前，就有文献记载古人食用栽培紫苏[4-8]。截至今日，POWO(Plants of the world online)登录的紫苏属现有1个种3个变种：紫苏原变种(P.frutescensvar.frutescens)、野生紫苏(P.frutescensvar.acuta)、回回苏(P.frutescensvar.crispa)和微毛紫苏(P.frutescensvar.hirtella)。但长期以来，紫苏属植物的分类问题仍饱受争议，如耳齿紫苏和白苏是否该单独划分为变种，各学者通过形态学[8]、同工酶技术[9]等方面的研究，所持观点不一，如今在我国《中国植物志》[1]中，仍将耳齿紫苏(P.frutescensvar.auriculato-dentata)列为单独的一个种。

染色体是遗传信息的主要载体，而染色体分析是细胞学标记中常用的研究方法[10]。对染色体数目进行计数也可用来确定材料是否为多倍体[11]。目前，国内外有关紫苏属植物染色体形态和核型参数方面的研究已有报道。Akik等[12]曾对日本野生紫苏、紫苏原变种的染色体数目进行了鉴定，惠荣奎[13]、张旭[14]等也均有对我国部分紫苏属植物的染色体数目及核型进行了统计和测量。通过比较分析，不同地产的紫苏资源在核型上具有不同程度的差异。因此，本文采用常规压片法，对收集自我国多个地区的6个类型共28份材料的紫苏属植物进行核型分析，旨在为紫苏属植物资源的分类、鉴定及利用提供更多的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为产自我国的28份紫苏属植物材料的种子，进行萌发处理后取得根尖部位组织，名称详见表1，均由河北省农林科学院经济作物研究所提供。

1.2 方法

将种子提前使用60℃温水水浴30 min，再用200 mg·L-1赤霉素浸种进行8 h催芽，最后放在干净的培养皿置于光照培养箱中进行培养。当种子发芽根长1～2 cm后，对幼嫩的根尖部位进行处理，处理方法参考周杨等[15]和孙桂芳等[16]的方法并进行改进：用冰水混合物预处理根尖部位24 h；转入卡诺氏固定液中固定20～24 h(若固定后的材料不能立即使用，可暂时转入70%酒精中，保存不超过1周)；将固定或保存好的材料使用蒸馏水冲洗3～4次；用1 mol·L-1的稀盐酸60℃水浴10 min；再次冲洗3～4次后，放入蒸馏水中低渗10～30 min；切取根尖先端1～2 mm放置于载玻片上，用吸水纸吸去根尖表面多余水分，并用改良卡宝品红染色30 min；擦拭多余染液及污渍，用镊尖轻捣根尖后，盖上盖玻片进行压片。

将制好的压片放在Leica DM 4000显微镜下观察，选取并拍摄有丝分裂中期且染色体分散良好的细胞进行拍摄，核型数据测量方法和处理方式等参考霍辰思等[17]，染色体计数和核型分析参考李懋学等[18-19]的方法，染色体类型按照Levan[20]的标准，核型类型分析参照Stebbins[21]的标准进行，核型不对称系数按照Arano[22]的方法计算。

2 结果与分析

2.1 染色体数目与倍性

由表2可知，28份材料的染色体数目稳定，染色体倍性有两种，其中3个多倍体紫苏为四倍体，2n=4x=80，其余25份材料均为二倍体，2n=2x=40。

表1 供试紫苏材料的基本信息Table 1 The information of the tested Perilla

续表1

2.2 染色体核型分析

28份紫苏属植物材料的主要核型参数见表2和图2。结果表明，紫苏属植物的染色体组成类型主要为m和sm类型两种，其中11个(YS-YL，ZS-AG，ZS-PY，ZS-CD，ZS-SXQ，ZS-ZY，BS-LZ，BS-WL3，BS-WL4，EC-WX，EC-WSZ)全部由m和sm类型的染色体组成，而其余17个材料由m，sm和st 3种类型组成，其st类型染色体数量为2～12条不等。在28个材料中，除EC-WSB有2对染色体带有随体，其他仅有1对带有随体，皆位于染色体短臂上，随体的相对长度介于0.91%～2.84%之间。

28份紫苏属植物材料的核型类型较为丰富，有2A，3A，2B，3B 4个类型，15个(YS-YL，HH-GX，ZS-BL,ZS-AG，ZS-CD，ZS-HNH，ZS-SXQ，ZS-CZ1，ZS-QYB，BS-GS，BS-LZ，WL4，EC-WX，EC-WSB，EC-WSZ)为2A型，5个(ZS-BZ，ZS-PY，ZS-QYQ，WL2，EC-TB)为3A型,4个(ZS-TS，BS-YS，WL3，EC-EC)为2B型，4个(ZS-ZY，DZ-1，DZ-2，DZ-3)为3B型。28个材料的最长染色体/最短染色体值的范围为1.50～2.80，臂比大于2的染色体占染色体总数的百分比为10%～65%，核型不对称系数介于59.69%～68.52%之间。平均不对称系数由大到小排列为：多倍体紫苏(67.85%),回回苏(66.10%),紫苏(64.99%),白苏(64.30%),耳齿紫苏(63.61%),野生紫苏(62.05%)。

表2 供试紫苏材料的核型Table 2 Karyotype of the tested Perilla

图1 供试紫苏材料的有丝分裂中期染色体Fig.1 Mitotic chromosomes at metaphase of the tested Perilla

2.3 染色体进化趋势分析

采用核型参数中的平均臂比和核型不对称系数绘制核型散点图[11,23]，图中越靠近右上角表明进化程度越高，反之则越低。由图2可知，28个材料中，DZ-2和DZ-3较为进化，ZS-SXQ和BS-LZ较为原始。

图2 供试紫苏材料的核型散点图Fig.2 Karyotype coordinate image of the tested Perilla

2.4 聚类分析

根据秦丹等的方法[24]绘制聚类分析图(图3)。在遗传距离为4.0时，28个紫苏被划为3大类，其中回回苏、多倍体紫苏全部归为第一大类，而其二大类包含野生紫苏和部分紫苏原变种(包含白苏和回回苏)，第三大类仅包含2个紫苏材料。相比较而言，ZS-SXQ和BS-LZ两者与其他26个紫苏的亲缘关系较远。

3 讨论与结论

染色体数目是物种的重要特征之一[25]。本试验采用常规压片法，从细胞学标记方面对28个中国紫苏属植物的染色体核型进行了检测结果表明，其数目稳定，存在二倍体和四倍体，染色体基数均为x=20，其中未发现B染色体，野生紫苏、回回苏、紫苏原变种(包括白苏和耳齿紫苏)类型均为二倍体(2n=40)、多倍体紫苏均为四倍体(2n=80)。这与惠荣奎[13]、张旭等[14]对中国紫苏属植物染色体数目的报道结果一致，但与Akik等[12]报道的日本紫苏属植物不同(野生紫苏2n=2x=20)。从染色体倍性上看，紫苏属植物多为二倍体，而四倍体较少，但同为唇形科的薄荷属(MenthaLinn.)不仅普遍存在染色体多倍化现象，也常见非整倍体[26]。在前人对鼠尾草属(SalviaLinn.)的研究中发现，原产自国内外的鼠尾草染色体基数存在明显的区别[10,27]，目前所报道的紫苏属染色体基数存在10和20两种[12-14]，而本次供试的28个材料中仅发现一种染色体基数，推测与材料的生境地和来源有关。紫苏属植物的染色体类型共包含3种类型(m，sm，st)，以s和sm类型为主，28个紫苏属植物的核型公式不同，随体的数目、大小及所处位置也存在差别，在前人对野生山丹(Liliumpumilum)[28]、波斯菊(Cosmosbipinnata)[16]的核型研究中也发现了相同的现象。但耿帆[29]认为这些差异也可能是由于预处理条件、染色体缩短程度、观察和测量方法不同。

28个材料的核型类型十分丰富，出现了2A，3A，2B，3B 4种，不同类型的紫苏属植物在核型类型上存在一定差异：野生紫苏和回回苏为2A型，多倍体紫苏为3B型，紫苏原变种下的核型类型最为丰富，其中紫苏、白苏和耳齿紫苏的皆含有2A，3A，2B型，在紫苏中还额外发现了3B型。在张旭[14]对我国4种紫苏属植物的染色体核型研究中，共发现了2A，3A，3B 3种类型，而惠荣奎[13]仅发现了2A，2B两种，本次试验的材料与两者的取材存在一定差异，推测这可能和紫苏属植物在我国的分布范围较广有关。张海洋[30]发现，栽培种芝麻(Sesamumindicum)的不对称系数要明显高于野生种芝麻，通过核型散点图和聚类分析图发现，28个紫苏并不能明显的进行分类，很可能是由于各地对于紫苏属植物引种栽培程度不一导致，因此，仅依靠核型参数对紫苏属植物进行分类较为困难。根据洪德元[31]和Stebbins[21]的观点，植物染色体倍性进化的趋势是由低到高，核型不对称系数较大的类群较为进化，相反则较为原始。各类型紫苏的平均不对称系数上，多倍体紫苏>回回苏>紫苏>白苏>耳齿紫苏>野生紫苏，因此推测紫苏属内多倍体紫苏和回回苏的进化程度较高，而野生紫苏较为原始，这与张旭等[14]、惠荣奎[13]研究结果不一致，推测与材料来源不同有关。和目前国内所报道的一些唇形科植物相比，紫苏属的染色体不对称系数略高于独一味属(LamiophlomisKudo)、糙苏属(PhlomisLinn.)[32]，低于薰衣草属(LavandulaLinn.)[33]，与部分荆芥属(NepetaLinn.)[34]较为接近。因此，推测紫苏属在唇形科内的进化地位较为原始。

图3 供试紫苏材料核型聚类图Fig.3 Cluster image of the tested Perilla based on karyotype

核型试验中，成功与否最关键的步骤便是材料的预处理，对根尖进行染色体压片前，多用到物理方法和化学方法来进行预处理，其中化学方法用到的药剂多具毒性，如对二氯苯、秋水仙素、8-羟基喹啉等[19,35]。本试验采用冰水混合物对紫苏幼嫩的根尖进行预处理24 h，与前人所采用的试验方法相比，处理时较为安全，更容易把握处理时间，同样能够获得处于中期分裂相的细胞。低渗处理能够增强染色体的分散程度[36]，由于多倍体紫苏的染色体数量较多，压片时染色体极易交叠，在预实验中发现，进行低渗处理的根尖更便于观察其细胞内的染色体形态和数量。

总体来看，紫苏属植物具有丰富的的染色体遗传多样性。目前，我国所报道紫苏属植物的染色体核型参数仍极为有限。而本次试验得到的大多核型公式均为紫苏属内首次报道，且对鲜有研究的多倍体紫苏的核型参数进行了补充，这些数据均为我国紫苏属植物的分类、鉴定等提供了大量理论参考。但本次采集的材料有限，尤其是回回苏和野生紫苏类型的样本极少，还存在很大的局限性，若要在细胞学标记方面判断紫苏属植物的分类及进化则需要更深层次的研究。