第八章　四倍型

第八章　四倍型

统计过染色体数目的动物有1000多种，同时有着同样多甚至更多的植物。有两三个物种只含有一对染色体。另一种极端情况是，有的物种含有100多条染色体。不管有多少条染色体，每一物种的染色体数目都是一定的。

有时，染色体呈不规则分布状态，其中大多数通常按照某种方法自我纠正。不过也有一两个例子，其染色体数目存在轻微变化。例如，Metapodius可能有一条或几条额外的小染色体，有时是几条Y染色体，有时是另一条M染色体（图8-1）。就像Wilson指出的那样，可以将这些染色体看作无关紧要的无差别形态，因为这些染色体在个体性状上并没有引起相应的变化。

其次，众所周知，几条染色体是可以相互连接的，1条或多条染色体因此减少，1条染色体被撕裂，从而染色体数目暂时增加1条。[1]在任何一种情况下，所有基因都保留了下来。最后，有的物种雌性会比雄性多出1条染色体。有的物种则相反，雄性会比雌性多1条染色体。这些情况都经过了广泛的研究，也是每位细胞学学者所熟知的。因此，这些特例的存在并不会推翻“每一物种都有特定数目的染色体，同时染色体数目也是恒定不变的”[2]这一普遍结论。

近些年来，突然出现很多个体，其染色体数目增长两倍的例子越来越多。这就是四倍型。也发现了其他多倍型。它们中的一些是自然产生的，其他的是从四倍体中分裂出来的。我们将其总称为“多倍体”。其中四倍型在很多方面都是最吸引人的。

确定已知的四倍体动物仅有三例。寄生在马体内的一种叫马蛔虫的线虫，共有两种类型，一型含有2条染色体，另一型则含有4条染色体。这两种变体看起来很像，甚至连细胞的大小也差不多。马蛔虫的染色体可以看作一种复合体，是由很多小一点的染色体（有时也被称为染色粒）联合组成的。在形成体细胞的胚胎细胞中，各个染色体分裂为它的组成部分（图8-2a、图8-2b、图8-3c）。成分的数目是恒定的，或者其数目接近一个常数，二价型成分的数目是单价型的二倍。这一结果支撑了“二价型染色体的数目比单价型多一倍，而不是二价型染色体由单价型染色体分裂而来的”这一观点。

按照Artom的报告，Artemia海虾有两族四倍体，一族有48条染色体，另一族有84条染色体（图8-3）。后一族通过单性繁殖法繁育后代。因此，不难得出结论，即四倍体起源于原本为单性繁殖的一族。这是因为如果卵细胞保留一个极体，导致染色体数目增加，或是由于胞核在第一次分裂之后，染色体没有分裂，导致数目增加了一倍，这种二倍状态是可以存续下去的。

最早出现的四倍体植物中，有一种是德弗里斯发现的，命名为“巨型待宵草”（图5-5）。起初，我们并不知道巨型待宵草是四倍体植物，不过，德弗里斯发现它比亲种（拉马克待宵草）植株更为强壮，在很多其他微小的特征上，二者也存在差异。直到后来，我们才最终弄清巨型待宵草的染色体数目。

拉马克待宵草含有14条染色体（单倍数7）。巨型待宵草则含有28条染色体（单倍数14）。各染色体群如图8-4所示。

Gates对各种组织细胞的测量工作表明，巨型待宵草的药囊表皮细胞的体积几乎达到正常型体积的四倍，柱头表皮细胞的体积是正常型的三倍，花瓣表皮细胞的体积是正常型的两倍，花粉母细胞比正常型约长1.5倍。花粉母细胞的胞核体积是正常型的两倍。有时，这两种待宵草细胞在外观上也存在着明显区别。各种待宵草大致会产生三叶盘状花粉，而巨型待宵草的某些花粉却是四叶形。

Gates、Davis、Cleland与Boedijn对花粉母细胞的成熟过程进行了研究。根据Gates的报告，巨型拉马克待宵草一般有14对二价染色体（gemini），第一次成熟分裂时，每条二价染色体的两半分别进入一个子细胞。第二次成熟分裂时，每条染色体都纵裂为两条，这样，花粉粒就可以各自得到14条染色体。我们推测在胚珠成熟过程中发生了同样的事情。Davis指出，拉马克待宵草的染色体出现联合无序状态时，染色体是不规则地相互联合的，而不是平行联合的。然后，染色体分别走向两极，减数分裂过程完成。最近，Cleland也指出，另一种二倍型物种Oenothera franciscana的染色体，在进入成熟纺锤体时也是两端相互连接的（图8-5）。在Davis早期发表的图片中，有一些例子也大致是两端连接的。

近些年，在其他雌雄同株的显花植物中，也发现了一些四倍体。因为此类植株能够同时生成卵子与花粉，所以它们很明显会比雌雄异株的物种产生更多的四倍体。因此，如果植株在最初就是四倍体，那么它会产生具有二倍数目染色体的卵细胞和花粉细胞。自体受精之后，就会产生四倍体。相反，在雌雄异体的动植物中，一个个体的卵子必须与另一个个体的精子受精。如果出现了雌性四倍体，其成熟卵子具有二倍数目的染色体。卵子通常会与正常雄性的单倍体精子受精，结果只能产生三倍体。这种三倍体恢复为四倍体的可能性很小。

培养的四倍体比偶然产生的四倍体，更能够准确地说明四倍体的起源。实际上，我们已经有了一些在人为控制下产生四倍体的例子。Gregory发现了两种巨型的报春花Primula sinensis，其中一种由两株二倍体植株杂交产生。因为亲代含有已知的遗传因子，所以Gregory可以研究四倍体中各性状的遗传过程。他的研究结果表明，不能确定四条相似的染色体中，一条染色体是与其他三条染色体中的一条特殊染色体连合，还是与其他三条染色体中的任意一条染色体连合。Muller在分析相同的数据之后指出，与其中任意一条染色体连合的可能性更大。

通过以嫁接为媒介，Winkler得到一株巨型龙葵（Solanum nigrum）和一株巨型番茄（Solanum lycopersicum）。就我们所知，嫁接本身与四倍体的产生没有直接联系。

我们可以按照如下办法得到四倍体龙葵。取下一段番茄幼株，嫁接在龙葵幼茎之上，摘掉龙葵的所有腋芽。10天后，沿着嫁接平面进行横切（图8-6），自切面愈伤组织中长出若干不定芽。在此基础上发育的植株，会有一株是嵌合体，即一部分组织属于龙葵，另一部分组织属于番茄。把嵌合体取下，让其进行繁殖。产生的新植株中的一些腋芽，就是由番茄的表皮与龙葵的中心柱组成的。把这些枝条取下进行培育。这些幼株与其他确定是二倍体的嵌合体存在差异。人们猜测这种新型也许具备一个四倍型的中心柱，而对其进行检查的结果也证明这一猜测是正确的。截掉嵌合体的顶梢，同时摘去下半部的腋芽，这时就会从愈伤组织的不定芽中长出整体都是四倍型的幼株。图8-7右侧显示的是巨型龙葵，左侧显示的是正常型（二倍型）或亲型。图8-8右上显示的是巨型花，其左侧显示的是亲型花，左上显示的是巨型苗木和亲型苗木。

图8-8下部显示了一些组织细胞之间的差异：左侧为巨型叶与亲型叶的栅状细胞，右侧为两种类型气孔的保护细胞；气孔保护细胞的下方是两种类型的毛；巨型髓细胞比正常型略大。中间两图左侧为亲型花粉粒，右侧为巨型花粉粒。

按照如下方法也可以得到四倍体番茄。取一段番茄幼株，按照一般方法嫁接到龙葵砧木上部（图8-6），等到二者完全连接之后，横切开二者接合的部分，再摘去砧木上的腋芽。从愈伤组织中长出幼芽，移植幼芽。其中一株的表皮由龙葵的细胞组成，中心柱由番茄的细胞组成，进行检查后发现，植株表皮细胞为二倍型，中心柱细胞为四倍型。横切开嵌合体的茎，同时摘去横切面之下的腋芽，最后从嵌合体中得到整体都是四倍体的植株。这时，横切面上长出新的不定芽，这些芽体从内至外大部分都是由番茄组织构成的。巨型番茄植株和其亲型植株之间的差异，与巨型龙葵植株和其亲型植株之间的差异相同。

二倍型龙葵含有24条染色体，单倍体数12；四倍体龙葵含有48条染色体，单倍体数24。二倍型番茄含有72条染色体，单倍体数36；四倍体番茄含有144条染色体，单倍数72（如图8-9、图8-10）。

正如前面所描述的，到目前为止，我们还不清楚嫁接与愈伤组织内部产生四倍型细胞究竟有哪些明显关联。也就是不能确定这些细胞究竟是如何产生的。也可能像Winkler一直相信的那样，这些细胞是在愈伤组织内部两个细胞融合的过程中生成的。不过，还有一种说法似乎具有更大的可能性，即正在分裂的细胞的胞质分裂受到抑制，导致染色体数目加倍，最终出现四倍型。这类四倍型细胞，要么产生幼株的整体，要么产生其中心柱，要么产生任何其他部分。

Blakeslee、Belling和Farnham在常见的曼陀罗（Datura stramonium）中发现了一种四倍体（图8-11下部）。这种四倍体在外形上被描述为在某些方面与二倍体存在若干差异。图8-12显示二倍体（第二列）与四倍体（第四列）植株在蒴果、花和雄蕊这几方面存在的差异。

二倍体个体含有12对染色体（24条），根据Belling和Blakeslee的观点，这些染色体按照体积大小划分为六种尺寸（图8-13），即大号（Ll）、中号（Mm）和小号（Ss），或2（L+41+3M+2m+S+s）。单倍染色体群的公式为L+41+3M+2m+S+s。这些染色体在第一次成熟分裂时（前期），会按照成对模式形成环状结构，或者以一端相连接（图8-14，第二列）。随后，每一对染色体中，一条接合体移向一极，另一条移向另一极。在第二次成熟分裂前，每条染色体发生中缢，形成如图8-13a所示的样子。一半中缢后的染色体进入纺锤体的一极，另一半进入另一极。每个子细胞获得12条染色体。

四倍型个体含有24对，即48条染色体。在进入第一次成熟分裂的纺锤体之前，它们每4条接合在一起（图8-14、图8-15），两幅图中显示四价群内染色体接合的各种不同方式。染色体大致在这种状态下进入第一次成熟分裂的纺锤体。在第一次成熟分裂时，每个四价染色体中的两条进入一极，另两条进入另一极（图8-14）。每颗花粉粒有24条染色体。不过，偶尔也存在其中三条染色体进入一极，另一条进入另一极的情况。

图8-14显示的是第二次成熟分裂时四倍体的24条染色体。这些染色体与相同时期的二倍体染色体十分相似。每条染色体的一半移向一极，另一半移向另一极。根据Belling的研究，有68%的染色体呈规则分布状态，即每极都得到24条染色体（24+24）。有30%的染色体表现为一极有23条，另一极有25条（23+25）。还有2%的情况是一极得到22条，另一极得到26条。仅有一例是一极得到21条，另一极得到27条。这些结果表明，在四倍体曼陀罗的染色体分布中（图8-15），不规则的分布状态并不少见。这一结论也可以通过四倍体的自体受精来进一步验证。这样产生的子代成熟之后，对其生殖细胞内的染色体数目进行测算，发现含有48条染色体的有55株，含有49条的有5株，含有47条的有1株，还有一株含有48条。如果卵细胞内的染色体与花粉细胞中的染色体具有同样的分布方式，其结果是含有24条染色体的生殖细胞存活概率最大，并且功能健全。由于增加了额外的染色体，某些含有48条以上染色体的个体，可能产生染色体分布更不规则的新型。

De Mol报告了一种四倍体水仙（Narcissus）。其二倍型物种含有14条（7对）染色体，还有培育的两个变种各含有28条染色体。De Mol指出，直到1885年，主要培育的是矮小的二倍型变种。1885年后才产生了较大的三倍型。最后，大约在1899年，得到了第一株四倍体。

根据Longley的研究，墨西哥大刍草的多年生teosinte含有的染色体数目，是一年生teosinte染色体的两倍。多年生型含有40条染色体（n=20）（图8-16a），一年生型只含有20条（n=10）（图8-16c）。Long1ey把这两种teosinte分别与含有20条染色体（n=10）的玉米进行杂交（图8-16b）。一年生teosinte与玉米的杂交种后代含有20条染色体。杂交种的花粉母细胞成熟时含有10条二价染色体，这些二价染色体分裂后分别进入两极，没有停留在中间的。也就是说，teosinte的10条染色体与玉米的10条染色体相互接合了。多年生teosinte与玉米的杂交种含有30条染色体。杂交种花粉母细胞成熟时，其染色体相互接合，有的是2条接合，有的是3条接合，也有单独1条不参与接合的（图8-16ab），这就导致了随后分裂过程中的不规则现象（图8-16ab1）。

当雌雄同株的植物的性别决定问题不涉及分化性的性染色体时，它的四倍体既平衡又稳定。平衡指的是基因之间的数字关系与二倍体或正常型基因的数字关系相同。稳定指的是此成熟机制使得该类型一旦建立，就会持续存在。[3]

早在1907年，Élie Marchal和Émile Marchal就用人工方法培育了四倍体藓类。每一种藓类植株都有两代，一代是产生卵子与精子的单倍型原丝体时期（配子体），另一代是产生无性孢子的二倍体时期（孢子体）（图8-17）。在潮湿情况下，孢子体的一截能够产生由二倍型细胞组成的细丝。细丝发育成原丝体，原丝体最终将产生二倍型卵子和二倍型精细胞。这两种生殖细胞联合，就会形成四倍型孢子体（图8-18）。在这一过程中，正常单倍型被二倍型原丝体和藓的植株重复一次，二倍型孢子体被四倍型孢子体重复一次。

Marchal父子测量了正常型和四倍体的细胞体积，并进行了比较。正常花被细胞的体积与四倍体花被细胞的体积之比有三种情况，即1∶2.3、1∶1.8、1∶2。二者的精子器细胞体积之比为1∶1.8，胞核体积之比为1∶2。卵细胞体积之比为1∶1.9。测量精子器（内含精子）和颈卵器（内含卵子），也显示出四倍体要比正常型更长、更宽。很明显，四倍体体积的增加是因为其有了较大的细胞。细胞体积增加是因为其有较大的胞核。同时，正如其他例子所证明的，四倍体的染色体数目是正常型的二倍。这是可以预想到的，因为四倍体是由正常孢子体再生得到的。

在孢子体世代中，2n孢子母细胞与4n孢子母细胞的体积之比大致为1∶2。

紧随着染色体接合之后，藓类完成两次成熟分裂，该过程均发生于孢子在孢子体中形成之时。每个孢子母细胞产生四个孢子，如果藓类染色体携带基因，那么预计四倍体的所有加倍染色体会产生与正常型不一样的比例。Wettstein在几种藓类的杂交中发现了明显的遗传证据。不过，Allen在几种近缘藓类中也找到了配子体两种性状的遗传证据，但是类似的研究还是比较少的。

两位Marchal、Allen、Schmidt和Wettstein已经分别证明了，在雌雄异体藓类和其他苔类植物中，孢子在形成时与会涉及性别决定的要素相分离。他们的这些观察和实验将在有关性别的章节中进行探讨。

许多有关四倍体细胞体积的重大问题都属于胚胎学范畴，而非遗传学范畴。四倍体的细胞通常较大，一般会有正常个体的两倍大小，但是在不同的组织中，细胞的尺寸差距也比较明显。

似乎正是因为细胞体积增大，才影响了整株四倍体植物的大小及一些其他特征。如果这一解释成立的话，那么这些特征将属于发育问题，而非遗传问题。已经有一些涉及四倍体产生方法的研究。前面提到的有关四倍体细胞内部胞质如何增加的方法，还需要通过进一步的研究来确认。

我们假设种迹内的两个细胞相互融合，那么两个细胞核早晚也会联合，也有可能产生四倍型细胞。假设生长期内的四倍型细胞保持其两倍大的体积，那么可以预计将得到相当于正常型体积两倍的卵子。预计大型胚胎的细胞在数目上与正常胚胎的特有细胞是一样的。

还有一种可能的解释是，在二倍型母株生殖细胞内，四倍型生殖细胞的体积可能不会达到两倍。如果这一解释成立的话，那么其卵子虽然携带两倍数目的染色体，却不会比正常卵子更大。这种卵子发育出的胚胎，在其能够从外界获取食物的胚胎后期或幼虫期之前，或许难以获取足够的营养以供增大其细胞体积。至于到了比较晚的时期，每个细胞内的两组染色体能否增加其细胞的胞质，仍不能确定。不过，由于下一代卵子在母体内发育时就携带了四倍染色体，所以该卵子在分裂之前增加两倍的体积也是有可能的。

或许我们不能认定，随着染色体数目的加倍，成熟卵子在受精之后，其胞质也将迅速增加。动物胚胎在其器官开始形成之前，已经经历了多次的细胞分裂。如果该胚胎最初就是来自一个体积正常但染色体数目加倍的卵子，而两倍的染色体数目导致其卵裂时期比正常卵子更早结束，进而器官开始形成，那么，此类四倍体胚胎的细胞的体积将是正常胚胎细胞的两倍，但数目只有一半。

显花植物的胚囊相对较空，同时养料丰富，这可能为卵子生成大量胞质提供了有利条件。