兜斑锦的遗传研究

兜是一种极具魅力的仙人掌科植物，其遗传特性复杂，交配易行，故变异种和交配种繁多。这不仅仅对园艺学有着重要的意义，同时对遗传学研究和生物多样性的研究都有很深刻的意义。但是众多的园艺性状不是单纯的组合，都或多或少的发生着一定程度的差异，所以这时就需要我们把变异和交配出现的众多园艺性状进行分型、分类，这样才有利于对它们的机理进行探索和研究，从而推动相关的遗传和生态学的研究进展。
兜从原始种经历了自然状态下若干次的选择，基本上形成了较为稳定的遗传特性，所以多数变种还是来源于园艺学的。但是不排除野生兜存在某种园艺性状，所以在谈论这个问题时，就无法准确说出那种性状是纯粹的园艺学性状。
我们这里只讨论兜的斑锦品种，即兜锦（Astrophytum asterias fa . variegata）的遗传。
一．植物育种研究小史
在观赏植物的育种方向上东西方的研究方向是有差异的。例如在兰花（Orchids）的育种方面，就是很明显的一个例子。比如在西方培育的兰花，即洋兰（Orchids Westn），主要的育种方向是兰花的花型和花色，例如蝴蝶兰、大花蕙兰、万代兰；而东方的兰花，即国兰（Orchids Eastn），则有两个方向：
1.以我国为中心的主要是培育花型和花香，近年来逐步转向花型、花香和花的变异的共同研究。
2.当我过的兰花在唐朝和宋朝的时候传入我们的东临日本以后形成了东方兰花的第二个育种中心即日本。日本的育种方向是叶子上面的彩斑。
所以本文所说的兜锦在日本这个以彩斑植物培育为传统的国家是很受大家欢迎的一个品种。
二．植物可遗传性状的遗传种类
植物的可遗传性状分为细胞核遗传和细胞质遗传
三．兜锦的形成和遗传
（一.）兜锦的概念和特点
兜锦，即兜的斑锦变异，（Astrophytum asterias fa . variegata），是以叶绿素代谢障碍为特征的一系列变异个体。植株存在叶绿素完全或部分缺失，呈现红、黄、白等多种颜色，也可和绿色正常组织形成所谓“斑锦植物嵌合体”。
斑锦植物的特点是叶绿素代谢缺陷。这种缺陷可以通过两条途径产生：
1.细胞核中枢调控叶绿体的基因异常；
2.叶绿体DNA受损。因此，所有影响这两个遗传位点的因素都会造成斑锦发生，这些因素包括：环境异常、病毒、生长异常、激素异常及理化因素。
（二．）兜锦的产生：
斑锦植株在自然界也可产生，但是由于斑锦植物缺少叶绿素而不能光合作用或者光合作用减弱，多数被自然淘汰，极少数存留下来的个体基本上都是与正常组织形成的嵌合体。在园艺栽培中，可以通过实生苗早期嫁接技术把斑锦植物个体保留下来。
斑锦植株存在叶绿素的缺失，同时多伴有其他色素的代偿性分泌增多。因此，在绿色缺失的基础上会出现花青素、类黄酮、花色素甙等色素分泌增加，因此表现为红色、黄色等多种色彩。某些斑锦细胞中的叶绿体并未完全被破坏，残留的叶绿体和其他色素叠加可形成黄绿色或者红绿色。
斑锦植株嵌合体的形成：由斑锦细胞和正常绿色细胞共同存在于同一个体，形成由非融性细胞构成的嵌合体。这样的个体黄绿相间，具有很高的园艺价值。嵌合体只要有足够的绿色细胞就可以自根生长。遗传背景、环境、嫁接及其他栽培因素都影响斑锦细胞和正常细胞的比例和组合，关乎嵌合好坏。
（三．）兜锦的遗传
模式一：
细胞核遗传模式：由于细胞核中枢调控叶绿体的基因受到破坏，导致中枢对叶绿体产生关闭信号，下级叶绿体合成叶绿素受到抑制。这种机制导致的斑锦通常依从孟德尔显性遗传，双亲都对子一代产生影响，斑锦比例高，全斑出现机会大。多数伴有其他色素的亢进，因此多表现为红色-橙色斑锦，习惯上把这种遗传成为“红系遗传”。
模式二：
细胞质遗传模式：不同于细胞核遗传的是，细胞质遗传个体的中枢并未受到破坏，而只是叶绿体的DNA遭到破坏，从而导致叶绿素合成障碍（而非抑制）。由于叶绿体这种半自主细胞器导致的遗传通常依从母系的细胞质遗传（因为精子不含叶绿体），不依从孟德尔遗传模式。子一代主要受母本影响，斑锦率根据花蕾不同着生部位而异，和嵌合度密切相关。这样的个体多不伴其他色素亢进，多表现为黄色个体，因此习惯上称细胞质遗传模式为“黄系遗传”。
锦化细胞是正常叶绿体和异常叶绿体共存，这一点尤其体现在细胞质遗传模式中。锦化细胞的分裂会产生多种细胞类型，内涵色素体不同。这样的结果就是形成了嵌合体。嵌合体中不同的细胞处于竞争状态，不同细胞分化形成的配子，将形成不同的斑锦个体。例如从黄色组织形成的果实，子房也是黄色的，子一代斑锦率也很高。从嵌合组织形成的果实，子房是黄绿相间的，这样的种子产生优良嵌合个体可能性要大很多。
四．实验设计
1.实验题目：
验证黄色系兜锦的遗传特征
2.实验目的：
验证兜锦（黄色全斑锦植株和黄色—绿色斑锦嵌合体植株）的遗传特征符合细胞核遗传特征还是细胞质遗传特征。
3.实验原理：
兜锦的遗传模式。即如果符合模式一，说明黄色兜锦是符合细胞核遗传特征的；反之，如果符合模式二，则说明说明黄色兜锦是符合细胞质遗传特征的。
4.实验干扰因素及排除：
1）.普通兜因为体表有星点（dum）使一部分斑锦容易被遮蔽而不易被观察到，所以用体表无星点的琉璃兜（Astrophytum . asterias ‘ nudum ’）作为母本(mother)。
2）.为了防止母本身自身有斑锦化倾向，所以将母本嫁接切顶(cut heads)后用繁殖出的兜自交受粉选择无半锦的植株作为母本。
3）.为防止兜锦的遗传既有核遗传倾向又有细胞质遗传倾向，即兜锦的遗传由父、母本的性状共同决定。所以以实验干扰及排除2）所制备的琉璃兜作为母本，将兜锦作为父本。以排除本实验的子代斑锦性状的来源于母体的细胞质遗传。
5.实验用品：
兜（黄色全斑锦植株）1个、兜（黄色—绿色斑锦嵌合体）1个，琉璃兜20个，分两组，每组10个
6.实验步骤：
1）.将兜锦作为父本
2）.将琉璃兜作为母本，分两组，每组10个。在开花时去雄。一组与兜的全锦品种杂交；另一组与兜的斑锦品种杂交。
3）.将杂交的种子（F1代）种下统计出锦的概率。
4）.如果有绿色植株出现那么将绿色植株相互杂，将杂交所得的种子（F2代）种下统计出锦概率。
五．验数据统计：
第一组：
父本（♂）：兜全锦
母本（♀）：琉璃兜
数据：
1）.杂交一代（F1代）：兜全锦（♂）* 琉璃兜（♀）
种子数：131粒；
结果：兜斑锦：52；绿苗：49；兜全锦：3；
出苗率：（52 49 3）/131=0.8015*100%=80.015%
2）.绿苗杂交子二代（F2代）：绿苗（♂）* 绿苗（♀）
种子数：520粒
结果：绿苗：128；斑锦：219；全锦：136；红苗：2；
出苗率：（128 219 136 2）/520=0.6885*100%=68.85%
第二组：
父本（♂）：兜斑锦嵌合体
母本（♀）：琉璃兜
数据：
1）杂交一带（F1代）：兜斑锦嵌合体（♂）* 琉璃兜（♀）
种子数：248粒
结果：绿苗：50 ；斑锦：95；全锦：48：红斑锦：20；红苗：20；
出苗率：（50 95 48 20 20）/248=0.9395*100%=93.95
2）绿苗杂交子二代（F2代）：绿苗（♂）* 绿苗（♀）
种子数：286粒
结果：绿苗：132；斑锦：115 ；全锦：10；红锦：2
出苗率：（132 115 10 2）/286=0.9056*100%=90.56%
六．实验结果分析：
1.第一组的结果1），很象一组测交的结果，因为他的数据比值52：49≈1：1
2.斑锦可能是一种所谓的半显性性状，因为他的杂交后代常在子二代表现3：1的表现型。
七．实验结论：
1.兜的斑锦形状很可能是由隐性基因控制的。
2.斑锦的彩斑生长是横向生长的。
3.从实验中我们还观察到，斑锦的发生有两种模式：
模式一：实生苗出苗时就有斑锦发生；
模式二：有一部分斑锦植株是在后天产生的，这种斑锦苗的性状是：一开始好象是普通的绿苗，随着生长球体的一部分的绿色开始变淡，并逐渐过度为黄色。这种植株的长势较模式一的兜锦长势强。
4.斑锦很可能是全锦植株和绿色植株回交产生的，所以可能是先产生了全锦植株再产生了斑锦植株。
5.植物有三个胚层，分别为外胚层（L1）、中胚层（L2）和内胚层（L3），在研究中我们发现由于叶绿体在中胚层，而外胚层和中胚层内很少或几乎没有。所以中胚层是否是斑锦嵌合成了斑锦是否发育的成功的必要条件，于是我们把斑锦从植物解剖学上分为两种类型：
1）.如果外胚层和中胚层同时发生斑锦化，那么这时的斑锦是亮黄色的，我们把这种类型称为“明锦”。
2）.如果外胚层没有锦化而中胚层发生了斑锦变异，那么这样的植株斑锦是暗黄和至黄绿色的，我们把这种类型称为“暗锦”
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