第八章　四倍体

四倍体细胞的生成是由于细胞分裂之后，细胞质的分离受到压制（导致一个细胞在分裂后没有分离开来），于是细胞的染色体数目加倍。这样得来的四倍体细胞最终可能形成整个植株，可能仅仅形成中心柱，也可能形成新植株中的其他任何部位。

我们已经计算过上千种动物的染色体数目，同样也可能计算过上千种乃至更多的植物的染色体数目。其中两三个物种只含一对染色体，而较为极端的情况是，有的物种含一百多条染色体。不管染色体数目是多是少，每一物种所含的染色体数目都是恒定的。

染色体有时呈不规则分布，但大多数通常会按照某种方法自动矫正。亦已证实的是，在一两个特例中，会出现染色体数目的轻微变化，例如在Metapodius中，可能会存在一条或几条多余的小染色体，有时是几条Y染色体，有时是一条称之为M的染色体（如图62）。如同威尔逊（Wilson）所展示的那样，这些染色体在性状上并没有引起相应的变异，所以我们不妨将它们当作一些无关紧要的、活动性不强的物种来看待。

染色体相互连接的方式，可能会使一条或者数条染色体减少，但整体的基因仍然会保留下来；同样，也可能会出现染色体断裂的情况，从而暂时增加一条或几条染色体，但整体基因也会保留下来。[1]最后，某些物种的雌性比雄性会多一条染色体；另有物种则相反，雄性比雌性多一条染色体。针对所有这些情况，我们已做过广泛研究，且为细胞学学者所熟知。这些特例的出现，并不会使如下的陈述归于无效，即每一物种都有一定数目的染色体，且数目恒定[2]。

某些物种可能突然出现有些个体的染色体数目增长到该物种恒定数目的两倍的现象，近年来，这样的例子越来越多。这就是四倍体。我们也发现了其他多倍体，有一部分是自发出现的，有一部分是从四倍体中分裂出来的，我们将其统称为多倍体。在这些多倍体中，四倍体在很多方面都是最有趣的。

确切已知的四倍体动物，只有三种。寄生在马体内的被称为马蛔虫的线虫，其染色体数目有两种类型：一种含有两条染色体，另一种含有四条染色体。这两种类型彼此相似，甚至细胞的大小也相差无几。马蛔虫的染色体被视为合成物，由许多较小的染色体连合组成，这些较小的染色体有时被称为染色粒。在形成体细胞的胚胎细胞内，每一条染色体都会分裂为它的组成成分（如图63a，图63b，图63c）。这些组成成分在数目上恒定，或者保持一个常数，如二价染色体组成成分的总数是单价染色体的两倍。这一结果，支持了如下观点：二价染色体组成成分的总数比单价染色体的多一倍，但二价染色体不是由单价染色体一分为二而来的。

据阿尔托姆（C. Artom）所说，海虾（salina）是另一种形式的四倍体。它有两个种族，其一有42条染色体，其二有84条染色体（如图64）。后者是通过单性生殖进行繁殖的。不难想象，在这种情况下，四倍体是源于原来单性繁殖的变体。这是因为，卵细胞可以在保留一个极体的情况下使得染色体数目加倍，或者是由于第一次细胞核分裂后染色体未分裂而保持这种双倍状态的。

德弗里斯最早发现了植物中的四倍体，并将其命名为巨型待霄草（如图42）。起初，人们并不知道这些巨型待霄草是四倍体类型，但德弗里斯观察到，它比祖代植株（拉马克待霄草）更显矮胖，而且在其他性状上也有些许不同。后来，我们才弄清楚巨型待霄草的染色体数目。

拉马克待霄草有14条二价染色体，巨型待霄草有28条二价染色体（如图65）。

盖茨（Gates）测量过巨型待霄草的不同组织细胞。巨型待霄草药囊表层细胞的体积几乎是普通待霄草的4倍；柱头表层细胞是普通型的3倍；花瓣表层细胞是普通型的2倍；花粉母细胞是普通型的1.5倍；花粉细胞的细胞核是普通型的2倍。同样，这两种待霄草的细胞，有时在外形上也有显著区别。大多数拉马克待霄草产生三叶的盘状花粉，而一些巨型待霄草则产生四叶状的花粉。

盖茨、戴维斯（Davis）、克莱兰德（J. Cleland）和博迪恩（Boedijn）对花粉母细胞的成熟期做过研究。根据盖茨的研究报告，拉马克待霄草的巨型品种（gemini）含14组二价染色体。在第一次成熟分裂时，每条二价染色体的两半分别进入每一个子细胞内；在第二次成熟分裂时，每条染色体纵裂成两条，致使花粉粒内各含14条染色体。他还假定，在胚珠成熟时期，同样会发生相似的过程。戴维斯指出，当拉马克待霄草的染色体从混乱无序的状态中出现时，染色体的连合略显参差不齐，且不会严格地一一平行排列。之后，这些染色体分别进入一极，完成减数分裂。根据克莱兰德近来的报告，在另一种二倍体待霄草（franciscana）中，当染色体进入成熟的纺锤体时，它们相互间会首尾相连（如图66）。在戴维斯早期发表的图片中，有一些染色体大致也是首尾相连的。

近年来，在其他雌雄同株的显花植物[3]中，人们发现了一些四倍体植株。因为在雌雄同株[4]的植株中，卵子和花粉都是由同一植株产生的，所以很明显，雌雄同株的应该会比雌雄异株的产生更多的四倍体植株。因此，如果一个植株最开始就是四倍体，那么它会产生有二倍数目染色体的卵细胞和花粉细胞。而经过自体受精、自花授粉的植株又会得到一个四倍体植株。反之，如果动物或植物是雌雄异体或雌雄异株，那么某个体的卵细胞或是卵子势必会和另一个体的精细胞或是花粉细胞结合。现在，如果一个四倍体的雌性，其成熟的卵子含有两倍数目的染色体，卵子一般情况下会与一个正常雄性的单倍型精子结合，结果所得只会是三倍体。要从一个三倍体回复到四倍体，机会是很渺茫的。

在谱系培养中所得的四倍体，在说明四倍体的起源方面，比偶然发现的四倍体所提供的信息更精确。事实上，已有案例说明四倍体是在人工控制的条件下产生的。格雷戈里（Gregory）在报春花（sinensis）中发现了两种巨型品种，其中一种出现于两株二倍体植株的杂交过程中。因为祖代植株中含有已知的遗传因子，这使得格雷戈里得以对此四倍体的遗传性状予以研究。这是否说明四条染色体中的某一条只能和另外三条中某一特定的相似染色体接合，还是说某一给定的染色体可以与这一组中剩下的三条染色体中的任意一条染色体接合？格雷戈里的研究结果尚未作出判定。而穆勒（Muller）在分析了同样的数据之后指出，后一种随机接合更为可信。

通过嫁接方式，温克勒（Winkler）得到了一株巨型龙葵（nigrum）[5]和一株巨型番茄（lycopersicum）。据目前所知，嫁接作用与产生四倍体是没有直接关系的。

得到四倍体龙葵的方法如下：取一小段番茄幼苗，将其嫁接于龙葵幼茎上，并将龙葵的所有腋芽切除。十天后，将龙葵的嫁接层横切（如图67）。之后，在龙葵裸露层的愈合组织上会长出若干不定芽。由此长成的植株，会有一株是嵌合体，也就是说，它的一部分组织是龙葵，一部分组织是番茄。将这一株嵌合体取出，让其繁殖。在新植株的一部分腋芽中，会有番茄的皮层和龙葵的中心柱。将这些含此腋芽的枝条取出并种植。所得的小植株与其他已知的二倍嵌合体是有所不同的，这使人怀疑这种新类型的植株是否存在四倍体中心柱。检查的结果证实了这一点。将（种植所得的）嵌合体的顶端切除，下半部分的腋芽也摘除。在愈合组织的不定芽中，我们得到了从上到下都是四倍体的新植株。图68右侧为巨型龙葵，左侧为正常型（二倍体）或祖代型龙葵。图69右上侧左右分别为亲型花（正常型）和巨型花；图69左上侧分别是亲型苗（正常型）和巨型苗。图69下半部分显示了一些组织细胞的差异：左下角所示为巨型叶的栅状细胞和亲型叶的栅状细胞；右侧偏上所示为巨型气孔的保卫细胞和亲型气孔的保卫细胞；右侧偏下所示为巨型的毛发细胞和亲型的毛发细胞。巨型的髓细胞要比正常型的大些。图的下半部分中间两个细胞，靠左的是亲型花粉粒，靠右的是巨型花粉粒。

照以下方法也得到了一株四倍体番茄植株。以常规的方式将番茄幼苗的一段幼株嫁接到龙葵的砧木[6]上（如图67）。当两者完全连合之后，在两株植物的连合部分横切出一道口，并将砧木上的腋芽摘去。在切口的表面，新芽会从愈合组织所在位置萌发出来。将这些新芽予以移植。其中一株有的表层由龙葵的细胞组成，中心柱由番茄的细胞组成。进一步检测发现，表层细胞为二倍体，中心柱细胞为四倍体。为了从合成植株中得到一株所有部位都是四倍体的植株，将这株新植株嵌合体的茎干横切，并将其切口下端的腋芽摘去。新的不定芽会在切口表面长出，芽体内外大部分都是番茄组织。巨型番茄植株与其亲代植株的差异[7]，同巨型龙葵与其亲代的差异，是一样的。

二倍体龙葵含有24条染色体，其单倍数为12；四倍体龙葵含有48条染色体，其单倍数为24。二倍体番茄含有72条染色体（单倍数为36）；四倍体番茄含有144条染色体（单倍数为72）。它们的染色体如图70和图71所示。

正如前述，就我们所知的这些例子而言，我们还不知道嫁接与愈合组织内四倍体细胞有何明确的关系。这些四倍体细胞是如何生成的，也尚未确定。正如温克勒某次所推想的那样，有可能是愈合植株的两个细胞融合到一起所致。但更大的一种可能性是，四倍体细胞的生成是由于细胞在分裂时，细胞质的分离受到压制（导致细胞在分裂后没有分离开来），于是细胞中的染色体数目加倍。这样产生的四倍体细胞最终可能形成整个植株，可能仅仅形成中心柱，也可能形成新植株中的其他任何部分。

布莱克斯利（Blakeslee）、贝林（J. Belling）和法尔姆（Farnham）发现了四倍体的普通曼陀罗杂草（stramonium）[8]（如图72）。在外形上，它为与普通二倍体曼陀罗有着几个方面的差异。图73所示为二倍体曼陀罗（第2列）和四倍体曼陀罗（第4列）在蒴果[9]、花朵和雄蕊方面的差异。

曼陀罗的二倍体植株中含有12对染色体（24条染色体），据贝林和布莱克斯利所说，这些染色体按体积大小可以排列成六种型号（如图74），分别为大号（L和l）、中号（M和m）和小号（S和s），其公式为2（L＋4l＋3M＋2m＋S＋s）。单倍染色体组的公式为L+4l+3M+2m+S+s。这些染色体临近第一次成熟分裂时（前期），会按成对模式形成环状，或是以一端相连接（如图75，第2列）。之后，每一对染色体中，都会有一条接合体去向一极，剩下的一条接合体去向相反的一极。在第二次成熟分裂之前，每条染色体会中断（成两截），产生如图74a所示的样子。中断后的染色体，一半会进入纺锤体的一极，剩下的另一半会进入纺锤体的另一极。这样一来，每个子细胞都会有12条染色体。

曼陀罗的四倍体植株，含有24对染色体或48条染色体。在它们进入第一次成熟的纺锤体之前，会四条四条地聚在一起（如图75和图76）。从两图中可以看到四价群内染色体的不同组合方式。它们会以这种形态进入第一次成熟的纺锤体。在第一次成熟分裂时期，四价染色体中的两条染色体一起进入一极，另外两条一起进入相反的一极（如图75）。这样一来，每颗花粉粒都会含有24条染色体。不过，有时也会出现三条染色体去向一极，剩下一条染色体去向另一极的情况。

图74b所示为第二次成熟分裂时的24条染色体。它们同那些处于同一时期的二倍体相似。每条染色体中有一半会去向一极，另一半去向相反的一极。根据贝林的记载，按规则分布的染色体占68%，即每一极都有24条染色体（24+24）；23条染色体去向一极，25条染色体去向相反的一极（23+25），占30%；还有2%的情况是22条染色体去向一极，26条染色体去向相反的一极（22+26）；仅有1例，一极是21条，另一极是27条。以上结果显示，在四倍体曼陀罗的减数分裂中，染色体的不规则分布实则是不常见的。这一点可以用四倍体自体受精来检验。当自体受精所得到的子代成熟后，对其生殖细胞内的染色体数目加以计算，结果是：有55株植物各含48条染色体；5株植物各含49条染色体；1株植物含47条染色体；另1株含46条。如果染色体在卵细胞中的分布和染色体在花粉细胞中的分布是相似的，那么含24条染色体的生殖细胞就有极大可能幸存下来，并起作用。当某些植株有多于48条的染色体时，或许会因为出现了多余的染色体而得到染色体分布更不规则的新型植株。

德摩尔（de Mol）对四倍体水仙（Narcissus）发表过如下报告。二倍体的水仙含14条染色体（7对），然而在栽培出的两株水仙变体中，含28条染色体。德摩尔指出，在1885年之前，主要栽培的是矮小的二倍体变种水仙；在1885年后，才有了稍大的三倍体水仙；最后，约在1899年，方才有了第一株四倍体水仙。

据郎利（Longley）所说，多年生[10]墨西哥大刍草[11]的染色体数目是一年生[12]墨西哥大刍草的两倍。多年生大刍草有40条染色体（如图77a）；一年生大刍草有20条染色体（如图77c）。郎利让这两种大刍草分别和含有20条染色体的玉蜀黍杂交（如图77b）。一年生大刍草和玉蜀黍所得杂合子有20条染色体。杂交种在花粉母细胞成熟期，会有10条二价染色体。这些二价染色体随花粉母细胞的成熟而分裂开来，分别进入两极。这意味着来自一年生大刍草的10条染色体与来自玉蜀黍的10条染色体互相接合到了一起。如果将多年生大刍草和玉蜀黍杂交，所得杂合子有30条染色体。在杂合子花粉母细胞成熟期，他发现其染色体也是相互接合的，不过有的是两条接合在一起，有的是三条接合在一起，也有剩下来没有与其他染色体接合的（如图77ab）。后来分裂中的错乱情况，正是由此所致（如图77ab1）。

在雌雄同株的植物中，当性别决定的问题并不涉及分化性的性染色体时，它的四倍体是平衡且稳定的。平衡，是因为四倍体基因之间的数字关系与二倍体或正常型基因之间的数字关系是一样的。稳定，是因为成熟的分裂机制一旦确立，之后就会一直保留下去。

早在1907年，埃利（Elie）和埃米尔（Emlie）就从人工种植的藓类植物[13]中培育出了四倍体。每株藓类植株都有两代。一代是单倍原丝体[14]（配子体[15]），产生卵子和精子；一代是二倍体（孢子体），产生无性孢子[16]（如图78）。

如若将孢子体的一段置于潮湿的环境中，会得到二倍型细丝细胞。这些细丝，会发育成真正的原丝体，且原丝体迟早会产生二倍型卵子和二倍型精子。若将这两种生殖细胞结合在一起，会形成四倍型孢子体植株（如图79）。在这一过程中，正常单倍体植株被复制，以得到二倍型原丝体和苔藓植株；将二倍型孢子体复制，以得到四倍型孢子体。

马夏尔夫妇对正常型植株和四倍体植株的细胞大小做了对比测量。正常型的花被细胞的体积和四倍体的同类细胞的体积比，经测量有三种：1:2.3，1:1.8和1:2。二者的精子器细胞的体积比为1:1.8，精细胞核的体积比为1:2，卵细胞的体积比为1:1.9。对精子器（携带精液）和颈卵器（携带卵子）[17]予以测量后，他们发现在所有例子里，四倍体的精子器和颈卵器都比正常型的精子器和颈卵器更长、更宽。很明显，四倍体植株体形的增大是因为细胞体积增大，而细胞体积增大是因为细胞核增大。其他证据显示，四倍体的细胞核是正常型细胞核的两倍。这当然是意料之中的，因为四倍体是从正常型孢子体再生出来的。

在孢子体的世代中，2n孢子的母细胞与4n孢子的母细胞体积比为1:2。

藓类植株紧跟着染色体接合之后的两次成熟分裂，发生于孢子在孢子体内成形之时。每个孢子母细胞产生四个孢子，如果藓类植株的染色体上携带基因，那么，预计四倍体的所有加倍染色体将会产生不同于正常型的比例。虽然维特斯坦（Wettstein）在几种藓类杂交中找到了基因遗传的明显证据，艾伦（Allen）也在藓类的亲缘种群中发现了配子体两种性状的遗传学证据，但至今为止，在遗传学方向上的成就仍然很少。

马夏尔夫妇、艾伦、斯密特（Schmidt）和维特斯坦已经分别证明：在雌雄异株的藓类植物或是某些苔类植物中，在其孢子成形的同时，性别的决定因子也会分离开来。他们的观察和实验，将在有关性别的一章中作出说明。

许多关于四倍体细胞的体积的重要问题，应着眼于胚胎学，而不是遗传学。一般说来，四倍体细胞会更大，通常是正常型的两倍，但不同组织中的细胞，体积差异也颇悬殊。

四倍体植株整体的大小和其他一些特性，似乎是受到细胞增大的影响。如果这条解释成立，就意味着这些特性源于后天发育，而非得自遗传。我们对四倍体的产生形式有过一些讨论。上面提及的关于四倍体细胞内的细胞质总量是如何增加的理论，尚待进一步的研究。

若同一物种的两个细胞会融合，那么细胞核迟早也会融合，也有可能由此产生四倍体细胞。若四倍体细胞在发育期继续保持两倍大的体积，预计会得到比正常型大一倍的卵细胞，所得大型胚胎的细胞数和正常胚胎特有的细胞数相同。

另有一种可能的解释是，四倍体生殖细胞的体积在其二倍体母株的生殖细胞内，可能不会增至两倍。这样，虽然其卵细胞含有两倍的染色体，也不会大过正常型的卵细胞。从该卵细胞发育而来的胚胎，在能够从外界获取食物的胚胎后期或幼虫期到来之前，也许难以从外界摄取足够的营养去增大其细胞体积。至于发育后期，在每个细胞中的双组染色体是否会扩大每一个细胞的细胞质，尚不能确定。不过，下一代的卵子在母体中开始发育时，就有了一组四倍染色体。所以，卵细胞在分裂前发育出两倍大的体积，也是有可能的。

或许，我们不能认定，成熟的卵细胞在受精之后，随着染色体的数目加倍，细胞质也会迅速增加。动物胚胎在开始形成器官之前，经历了一定次数的细胞分裂。如果一个胚胎始于一个正常大小的卵细胞，却有着两倍数量的染色体，如果两倍数目的染色体使卵细胞分裂期比正常卵细胞终止得早，从而开始形成器官，那么，这样的四倍体胚胎的细胞，就会比正常胚胎的细胞大一倍，但其细胞数量只及正常胚胎的一半。

空间宽裕、食物充足的显花植株胚囊（卵细胞发育的地方），可能会为卵细胞发育出大量的细胞质提供更有利的机会。