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综述

专业文献综述

题目:

花烛叶色嵌合体及突变体叶色

形成机理

姓名:

李秋然

学院:

生命科学学院

专业:

生物技术

班级:

生物技术82

学号:

1138216

指导教师:

娄来清职称:

讲师

2011年10月13日

南京农业大学教务处制

花烛叶色嵌合体及突变体叶色形成机理

作者：

李秋然指导老师：

娄来清

摘要：

花烛（Anthuriumandraeanum）为天南星科花烛属植物,其花（苞片）、叶和株型等都有其独到之处,深受人们喜爱，市场需求量逐年增加。

但目前花烛品种多为观花（苞片）品种，观叶品种极少，因此培育新型观叶花烛新品种则可以丰富花烛品种类型，满足市场需要。

而利用体细胞无性系变异途径则可以获得不同类型的叶色嵌合体及突变体。

植物嵌合体（plantchimera）是指含有2种或者2种以上遗传型的植物组织或植物个体。

本实验以花烛品种Anthuriumandreaeanum‘Sonate’的野生型、深绿型、叶色嵌合型、红化型、黄化型和白化型无菌苗叶片及叶柄为材料，研究直接再生与间接再生2种途径下再生植株叶色性状的分化与保持特征，并讨论花烛嵌合叶片的分化途径是通过单细胞起源还是多细胞起源，从而为进一步人工创建嵌合体提供依据。

关键词：

花烛；叶色嵌合体；叶色形成与保持；叶绿体及质体结构；嵌合再生

FormativeMechanismofLeafColorChimeraandMutantsofAnthuriumandreaeanum‘Sonate’

LiQiuran

Abstract：

Anthurium（Anthuriumandraeanum）fortheAraceaeAnthuriumspecies,itsflowers（bracts）,leavesandotherplanttypehasitsownunique,verypopular,themarketdemandisincreasingyearbyyear.ButAnthuriumflowervarietiesforthe（bracts）species,rarevarietiesoffoliage,newfoliagesocultivatenewvarietiesofAnthuriumAnthuriumcanbearichvarietyoftypestomeetmarketneeds.Theuseofsomaclonalvariationmeansyoucangetdifferenttypesofchimericandmutantleaves.

Plantchimera（plantchimera）arethosecontainingtwokindsormorethantwokindsofgenetictypeofplanttissueorplantindividual.Inthisexperiment,AnthuriumvarietiesofAnthuriumandreaeanum'Sonate'wild-type,darktype,chimericleaves,red-basedmodel,yellow,andalbino-typenon-vaccine-typeleavesandpetioleswereusedtostudythedirectandindirectregenerationregeneration2waysleaftraitsundertheregenerationcharacteristicsofdifferentiationandtomaintain,anddiscussthechimericAnthuriumleafdifferentiationisthroughasinglecellormulticellularoriginoftheorigin,soastofurtherprovidethebasisforartificialchimeracreated.

Keywords:

AnthuriumandraeanumLind.;leafcolorchimera;leafcolorformation

andmaintenance;chloroplastandplastidmorphologicalstructure;chimeraregeneration

前言：

植物嵌合体（plantchimera）是指含有2种或者2种以上遗传型的植物组织或植物个体。

叶色嵌合体作为植物嵌合体的主要类型之一，在观赏植物中极具观赏价值和经济价值。

在叶色嵌合体中，正常细胞（包含正常的叶绿体及其它质体）与突变细胞（包含突变的叶绿体及其它质体）共同形成分生组织，在分生组织分化叶原基从而形成叶片的过程中，叶片的不同部位便包含了不同类型的细胞，由于两种类型细胞中叶绿体结构、质体种类、色素含量各不相同，从而使叶片呈现出两种或多种颜色。

植物叶色性状的形成直接受到叶肉细胞中叶绿体及不同质体形成和发育的影响，并能进一步影响叶片光合作用等自养生长过程。

因此叶绿体和质体的数量、形态、分布等直接影响叶片颜色，而对于叶绿体发育异常的突变体，通常不能呈现野生型所表现的正常绿色性状。

花烛（AnthuriumandreaeanumL.），为天南星科（Araceae）花烛属（Anthurium）多年生常绿草本植物。

在自然条件下，花烛叶色嵌合体极少出现。

2004年在进行花烛品种‘Sonate’的离体培养中发现，由愈伤组织再生的无菌苗中出现了一株叶片颜色呈黄绿相间的叶色嵌合体，其表现形式为典型的扇区型嵌合体（sectorialchimera）。

其特征为不同的遗传型细胞呈扇区状分布于生长点原基不同区域，从而形成左右相异的“阴阳脸型”。

通过腋芽增殖及愈伤组织器官发生两种增殖方式对该嵌合植株进行培养，获得了多种性状的叶色突变株系，并从最初的花叶嵌合株系、黄化株系和深绿色株系中不断筛选出稳定的红化和白化株系。

1.嵌合体概述

Baur（1909）在对黄边绿心型天竺葵（Pelargoniumzonalevar.“albomarginatahort.”）的研究中发现，其顶端分生组织（shootapicalmeristem,SAM）、茎秆、叶柄和叶片均由2种遗传型细胞有规律地组成，根据Hanstein（1868）的研究结果（分生组织由多层细胞排列组成），Baur（1910）认为此天竺葵嫁接杂交种为平周型嵌合体（periclinalchimera）。

尽管Baur的结果进一步证明了茎尖分生组织是由多层细胞组成，但这种质体水平的嵌合很难在分生组织中直接观察。

因此，Satina等（1937,1940）所得到的细胞倍性嵌合体（cytochimera），即不同细胞层中细胞染色体倍性不同（如L1、L2和L3层细胞的倍性分别为8N、2N和2N），在直接说明分生组织的分层问题上显得更为直接。

同时，由于分生组织进一步分化成组织及器官的过程中细胞倍性在正常情况下比较稳定，再结合质体嵌合（如包含正常与突变叶绿体）的性状表现，茎尖分生组织中各细胞层的作用及功能被更为深入的研究和确定，植物嵌合体理论便在此基础上逐步发展形成（SatinaandBlakeslee,1941,1943;Satina,1944,1945;Dermen,1947;DermenandStewart,1973;StewartandDermen,1970,1979;Tilney-Bassett,1986）。

大多数双子叶植物的生长点原基由3层相互独立的细胞组成，其中不同层次的细胞分裂方向不同。

最外2层细胞（L1和L2层）被称为‘tunica’，进行垂周分裂，平周扩展，故各层次细胞的遗传型得以保持不变；而内层细胞（L3）被称为‘corpus’，进行平周分裂，进行多向扩展，且L3层细胞并不是一个单一的细胞层，而是由一个层次不分明的细胞群组成（Rombergeretal.,1993）。

当植物生长点的某一细胞发生突变时，变异细胞就只能被限制在其原始层区内进行繁殖和生长，从而导致其所在的层区或部分细胞成为变异体。

这种变异细胞和未突变的正常细胞可以形成一个共同的植物生长点原基，进而形成特有的植物嵌合现（Marcotrigiano,1997）。

在对植物嵌合体研究后发现，植物的生长点原基（SAM）的L1层细胞发育成植物的表皮组织、毛及气孔细胞，同时决定植物的表现花色；L2层细胞发育成植物栅栏组织和生殖细胞组织（花粉和卵细胞），L3层细胞则发育成植物内层薄壁组织及形成扦插植物的根，同时也影响花序及花数。

对于植物叶片而言，茎尖分身组织L1分化为表皮，L2产生栅栏组织和叶片边缘的所有海绵组织，L3产生海绵薄壁组织的上层和中层，对叶片边缘无影响。

（SzymkowiakandSussex,1996）。

对于大部分单子叶植物而言，由于茎尖分生组织只有2层，整个叶缘便由L1层分化而来，而叶片的其它部分则由非独立的L3层分化而来（DermenandStewart,1973;StewartandDermen,1979）。

2.嵌合体的类型

嵌合体根据突变细胞结构分布特点分为平周型嵌合体（periclinalchimera）扇型嵌合体（sectorialchimera）和混合型嵌合体（mericlinalchimera）。

平周型嵌合体由不同的遗传型细胞平周分布于生长点原基的不同层次的嵌合体。

平周型嵌合体内外不一，但相对稳定。

这种稳定性在于每一分生组织层中细胞分裂方式的精确维持，故常见栽培的植物嵌合体多为平周型。

扇区型嵌合体是由不同的遗传型细胞呈扇区分布于生长点原基不同区域的嵌合体，从而形成左右相异的阴阳脸型，扇区型嵌合体极不稳定，容易因某一基因型的消失而纯化，失去其嵌合性。

混合型嵌合体是由不同遗传型细胞平周和扇区分布混合于同一生长点原基的嵌合体。

混合型嵌合体只是一种过渡类型，容易发展成平周型（MarcotrigianoandBernatzky,1995）。

3.嵌合体的形成过程

当叶绿体DNA出现变异时，最初容易引起质体的嵌合（即同一细胞中包含正常和突变叶绿体）。

这种嵌合细胞的分裂和质体的分裂同时进行，使进一步的分化过程出现三种结果：

（1）突变质体在细胞中继续保持；

（2）突变质体丢失，细胞恢复正常；

（3）突变质体替代正常质体，细胞完全变异。

在进一步形成茎尖分生组织的过程中，上述3种细胞之间又存在着竞争与相互替代，其结果便是3种基本类型嵌合分生组织的形成。

以平周型嵌合分生组织的形成过程为例，说明细胞与细胞之间、细胞层与细胞层之间一系列的变化。

当茎尖分生组织中出现突变细胞，此细胞可以是在其中的任一层，当某一层中的某一类型细胞占据优势，平周型嵌合体便很容易产生。

最终L1层为正常类型，而L2层则被突变细胞占据，形成G-W-G或G-W-W型（G代表正常细胞；W代表突变细胞）平周型嵌合体。

如果在茎尖分生组织形成过程中没有某一种类型的细胞在某一层占据优势，那么就将形成扇区型或混合型嵌合体。

4.不同嵌合类型对叶色呈现的影响

不同的嵌合类型会使植株叶片呈现出不同的叶色特征。

对于双子叶植物而言，在叶片的形成过程中L1分化为表皮，L2产生栅栏组织和叶片边缘的所有海绵组织，L3产生海绵薄壁组织的上层和中层。

所以，3种基本的嵌合类型会产生千差万别的叶色特征。

依然以平周型嵌合体为例，对茎尖分生组织不同细胞层完全突变后所产生的叶色性状变化进行分析。

正常类型（野生型）为G-G-G，叶色为绿色，而完全突变类型W-W-W的叶片白化。

因为L1层分化的叶片表皮组织中只有少数保卫细胞（guardcell）含有正常叶绿体（质体），所以当L1层发生变异时，几乎不会对叶色的呈现造成影响（W-G-G类型）。

当L2与L3层发生突变，形成G-W-W类型时，理论上叶色应该和完全突变型W-W-W一样，但往往会呈现“黄白色”或“极浅绿色”。

这是由于在叶片未完全展开阶段，保卫细胞中含有正常的叶绿体（质体）和少量的叶绿素，且保卫细胞之间距离较短。

当叶片进一步生长，叶面积扩大后，保卫细胞中的叶绿素分解，细胞间距离拉大，从而使叶色更为接近完全白色（Marcotrigiano,1997）。

由于L2层形成叶缘，因此G-W-G和W-W-G叶片的典型叶色为“绿心白边”。

其中，后者由于L1层也是突变细胞层，其叶色还可能出现“浅绿心+白边”。

如果L3层发生突变，形成W-G-W或G-G-W型，那么叶色很可能出现“浅绿心+绿边”。

这是因为虽然L3层产生海绵薄壁组织的上层和中层，但由于产生栅栏组织和叶片边缘的L2层没有发生变化，其叶色从正面看依然为绿色，只是会产生深浅上的差异。

当然，由于叶色类型在自然界中会受到种种因素的影响从而呈现多种衍生性状，但总的性状无外乎这8种。

对于大多数单子叶植物而言，由于组成茎尖分生组织的细胞只有2层（DermenandStewart,1973;StewartandDermen,1979），因此除G-G的野生型和W-W的白化型外，G-W或W-G的叶色性状往往表现为“绿边白心”或“白边绿心”型。

对于其它2种嵌合类型——扇区型和混合型，往往其叶色的典型特征前者为2种叶色的对半分布，后者为2种或多种叶色的混合分布。

这2种嵌合类型的叶色分布方式在双子叶植物与单子叶植物上基本是一致的。

5.质体发育及分裂对嵌合性状形成的影响

在上述关于嵌合体形成过程，尤其是叶色嵌合体的形成过程中，往往先是细胞内质体的突变（如叶绿体变异），进而引起整个细胞、茎尖分生组织的部分细胞层乃至整个茎尖分生组织的突变，最终形成各种类型的嵌合体。

因此，明确质体的发育与分裂过程，对理解嵌合体理论与控制嵌合的形成就显得尤为重要。

近些年来通过对拟南芥、水稻、玉米、烟草等叶色突变体中一系列相关基因的研究，如GLK（Golden2–like）家族和ARC（AccumulationandReplicationofChloroplast）家族，明确了部分基因的功能与作用。

6.嵌合叶色性状的保持与传递

关于植物嵌合体的性状传递机制研究，国内外仅有少量研究报道，如小叶橡胶树、天竺葵等（Szymkowiak,1996;Burgeetal.,2002）。

但部分嵌合体在遗传上存在不稳定性，在繁殖过程中常出现新的植株类型。

其形成机理通常表现为细胞类型的转移、分离和消失。

尽管在嵌合体中，不同遗传型细胞间相互独立，无遗传物质交换，但在不同遗传型的相邻细胞间可以进行信息传递（HualaandSussex,1993;Burgeetal.,2002），进而在生理上相互影响或表现互作中间效应，或产生生长受阻现象。

关于花叶嵌合体性状传递的分子生物学研究报道较少，但由于目前对植物顶端分生组织（SAM，shootapicalmeristem）保持以及形态发生相关基因的分离与功能研究报道较多（Bowman,2000;Byrne,etal.,2003;Carles,2003;Groß-HardtandLaux,2003;Harrison,2007）但是，针对嵌合体分生组织中不同细胞基因表达的差异导致同一叶片出现嵌合性状的研究尚不深入。

7.嵌合体的形成方法

主要有两种方式：

一是单个植株在个体发育的过程中因某种原因产生嵌合性，二是通过不同个体植株的结合产生嵌合体。

7.1单个植株产生嵌合体

植物个体发育的任何阶段，当一个细胞里发生了遗传变化，那么就有可能产生嵌合体。

这种遗传上的改变可以是自发诱导的，如X射线诱导染色体臂的丢失，导致隐性位点的表现（Poethig,1987）；转座子的插入或剪切（Carpenter,1995）引起染色体断裂、基因重组，产生遗传嵌合体；一整条染色体的体细胞消除或细胞质的改变（Martienssen,1990）等等。

半配生殖是一种比较少见的形成嵌合体的方式，即雄核进入卵细胞，但不与卵核融和，各自独立分裂，产生具有来自亲本双方的嵌合体胚，再发育成嵌合体。

这种嵌合体经过有性过程，但却是由双亲细胞组成的单倍体。

7.2不同个体产生嵌合体

自从Winkler（1907）利用嫁接的方法成功创建了种间（Solanumnigrum和

Lycopersiconesculentum）嵌合体后，利用此技术，在Solanaceae家族内（Jorgensen,1927;Neilson-Jones,1969;Clayberg,1975;MarcotrigianoandGouin,1984a;Marcotrigiano,1986;Goffredaetal.,1990）、Brassica种间（Hirataetal.,1992;Noguchietal.,1992）、Brassicaoleracea变种间（Hirataetal.,1990）便产生了众多嫁接嵌合体。

这种技术的关键在于：

砧木与接穗的结合部位所产生的愈伤组织分化形成的不定芽中，有一定比例的不定芽是同时由包含砧木与接穗两种不同遗传背景细胞的愈伤组织分化而来，进而形成嵌合植株。

利用相同的原理，通过髓片（pithslices）共培养（CarlsonandChaleff,1974）、愈伤组织混合培（MarcotrigianoandGouin,1984b）、原生质体混合培养（Bindingetal.,1987）以及离体嫁接（Hirataetal.,1990;Noguchietal.,1992）等技术也可以产生嵌合体。

7.3人工构建嵌合体的形成率极低

无论是传统的嫁接技术还是离体培养技术，嵌合体的形成概率都是极低的。

Jorgensen（1927）从200个嫁接植株中只获得了2株种间嵌合植株，概率不到1%（当时没有统计不定芽的分化数量）。

Kaddoura和Mantell（1991）从151个不定芽中得到14株Nicotiana-Solanum的嫁接嵌合体，其中只有5株是稳定的周缘嵌合体（概率小于3%）。

Tian和Marcotrigiano（1993）从Nicotianatabacum与N.glauca的嫁接结合部只得到了大约9%（39/413）的周缘嵌合体。

Lindsayetal.（1995）在10个番茄与龙葵（nightshade）的嫁接结合部所产生的52个不定芽中只得到2个嵌合植株，概率还不到4%。

离体培养技术虽然给嵌合体的形成提供了更多的可能，但在形成几率上很多方法往往低于传统的嫁接技术。

关于愈伤组织离体混合培养，Carlson和Chaleff（1974）在所得的7000个不定芽中，只确定了28个嵌合体（概率不到0.4%，虽然有237个被认为是潜在的嵌合体）。

在烟草（Nicotianatabacum）上，Marcotrigiano和Gouin（1984b）从294个不定芽中得到3个种内嵌合体（概率不到1%），而在N.tabacum和N.glauca的愈伤组织混合培养中没有得到任何嵌合植株（MarcotrigianoandGouin,1984a）。

目前，只有在Solanumnigrum与S.tuberosum的原生质体混合培养中形成了大量的种间嵌合体（Bindingetal.,1987），但是作者没有提供嵌合植株的形成概率。

结论：

1绿色类型（野生型、深绿型及嵌合类型绿部）与非绿色类型（红化型、黄化型、白化型及嵌合类型非绿部）在叶绿体形态结构及数量上差异极大。

2嵌合型叶片中存在所有其它5种类型包含的叶绿体，是绿色型和非绿色型之间的

混合类型。

3深绿型叶绿素含量最高，类胡萝卜素与叶绿素的比值非绿色类型均比野生型高；淀粉含量最低点与可溶性糖含量最高点均出现在嵌合型中；蛋白质含量及其SDS-PAGE电泳分析表明非绿色类型蛋白含量显著高于绿色类型，且包含大量特异蛋白。

4各种类型叶片颜色变化的根本原因与其控制叶绿体发育的基因表达异常有关。

基因表达的变化影响了叶绿体的发育和结构，进一步影响了各种色素的合成，从而导致不同叶色特征的出现。

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