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    第二節 雙孢蘑菇的有性生殖


    【發布日期】:2010-06-02

    一、雙孢蘑菇的有性生殖


    (一)雙孢蘑菇的繁殖方式

      雙孢蘑菇的繁殖方式有無性繁殖和有性生殖兩種。其無性繁殖是指由母細胞直接產生子代的繁殖方式。Hayes(1978) 描述了雙孢蘑菇的無性生殖能產生厚垣孢子和次生孢子,但它們在雙孢蘑菇的生活史研究中少有提及。雙孢蘑菇有性生殖是其生活史的主要部分。它通過兩性核在擔子中的結合,或兩性細胞以菌絲融合方式結合后形成新的個體。


    (二)雙孢蘑菇的有性生殖

      雙孢蘑菇的有性生殖比較特殊,而且比較復雜,但也是從擔孢子萌發開始,經過菌絲體和子實體兩個發育階段,直到新一代擔孢子產生、成熟而結束。雙孢蘑菇的有性生殖有兩個分支:一支是含“+”“-”兩個不同交配型細胞核的擔孢子,不需要交配就可以完成生活史,另一支是僅含有“+”核的擔孢子和僅含“-”核的擔孢子,萌發成菌絲后,需經交配才能完成生活史。在典型的雙孢蘑菇中,雙孢擔子占絕大多數,四孢擔子為數較少,所以次級同宗配合的遺傳方式在其完整的有性生殖生活史中占有很大的比例。也就是說,通常,雙孢蘑菇的擔子上僅產生兩個擔孢子,絕大多數擔孢子內含有“+”“-”兩個核,即擔孢子通常只獲得4個減數分裂產物中的2個。這種異核擔孢子萌發出的菌絲是異核的菌絲體,它們不產生鎖狀聯合,不需要經過交配就能完成其生活史,因此這種異核擔孢子是自體可育的。1972年Raper等就詳細地闡述了雙孢蘑菇特殊的二極性次級同宗配合的生活史。 此外,雙孢蘑菇的擔子偶爾也能產生單個、三個、四個甚至八個擔孢子。據統計,一孢擔子占3%,二孢擔子占81.8%,三孢擔子占12.8%,四孢擔子占1.2%,五孢擔子占0.013%,七孢擔子占0.003%。單核孢子或同核的雙核孢子是以異宗配合的遺傳方式來完成其生活史的。因此,雙孢蘑菇的有性生殖生活史可以用圖3-1來表示。

     

     

     

     


    圖3-1 雙孢蘑菇有性生殖生活史(參考《自修食用菌學》,1987)


    1.同核擔孢子的萌發 2.同核菌絲體 3.同核菌絲體之間的質配

    4.異核擔孢子的萌發 5.異核菌絲體 6.子實體

    7.擔子 8.接合的細胞核 9.第一次減數分裂

    10.第二次減數分裂 11.異核擔孢子的形成 12.擔孢子的彈射

    13.同核擔孢子的形成 14.三孢擔子 15.四孢擔子

    16.單核擔孢子 17.單核擔孢子的萌發


    1992年,在美國加州發現了四孢變種。這不但豐富了種質資源,也極大地推動了性因子的研究,同時也使得雙孢蘑菇有性生殖生活史的研究得到進一步完善。四孢變種的生活史是以異宗配合為主要生殖方式。雜交研究表明,四孢擔子性狀相對雙孢擔子是顯性的,三孢擔子介于二者之間。下圖為1995年Phillippe 示意的雙孢蘑菇有性生殖生活史(圖3-2)。

     

     

     

     

     

    圖3-2 雙孢蘑菇有性生殖生活史(Phillippe,1995)


    二、雙孢蘑菇的性特征

      雙孢蘑菇缺乏一般擔子菌常有的二個特性。第一,它的擔子上通常只形成2個擔孢子而不是4個;第二,它的營養菌絲不形成鎖狀聯合。雙孢蘑菇是同宗配合還是異宗配合的?它的結實性是由性因子控制的嗎?它的雙孢擔子的意義又何在呢?

      雖然雙孢蘑菇已有300多年的栽培歷史。但是對其有性生殖和遺傳基礎的研究和了解卻僅僅開始于本世紀。遺傳標記的更新是研究發展和深化的主要線索。從外觀形態表型標記,如菌落形態、子實體特性到生理生化標記,如營養缺陷型及抗藥、抗病性標記,再到分子水平的同工酶、RFLP、RAPD標記,不斷加強著人們對雙孢蘑菇的遺傳、生理、生態行為的觀察、分析及判定能力,推動著雙孢蘑菇遺傳研究的發展。然而,取得卓有成效的研究結果,卻是近幾十年的事。


    (一)雙孢蘑菇是次級同宗配合的物種

      1929年,Lambert發表的論文在國際上首次探討了雙孢蘑菇的性, 他成功地分離出9個單孢子培養物,結果表明它們都具有產生正常子實體的能力。這是人們首次懂得可以用蘑菇孢子萌發成的菌絲體來制備生產用種。Sinden(1937)也用單孢子菌株做了試驗,結果發現,事實上有大約三分之一的單孢子菌株根本就不結菇。這個試驗首次暗示了蘑菇生殖系統的復雜性。它的子實體既產生自體可育的擔孢子,也產生自體不育的擔孢子。

      1943年,Kligman又對蘑菇生殖系統做了進一步的研究, 他證實了蘑菇能產生自體可育和自體不育的兩種分離物,并用11個自體不育的單孢分離物做雜交試驗,共做了55個配對組合,結果有7個組合恢復了可育性。Kligman還用5個分離自棕色菌株的自體不育株和3個分離自白色菌株的自體不育株配對雜交,結果15 個配對組合中有3個產生了子實體。 盡管他的試驗結果提示了蘑菇可能存在一個不親和性因子或不親和性系統,但是Kligman的結論卻是蘑菇是無性的, 他認為蘑菇核的融合在孢子產生之前,是“沒有遺傳學意義的殘余特性”。Lambert(1960) 回顧了雙孢蘑菇的遺傳與育種,認為只有具不同核的孢子才能形成可育的單孢培養物。他提出一個遺傳研究的途徑,即從單個擔子上分離出一對孢子,從單孢培養物中分離出同核的部分。Pelham(1967)首次從菌褶上直接分離出擔孢子,并檢驗了從雙孢和三孢擔子上分離的孢子的結菇能力。 這項工作成為美國的 Miller( 1971) 和英國的Elliott(1972)進行蘑菇生殖系統分析的起點。Miller和Elliott都從四孢擔子上分離出孢子。Miller(1971)研究了12個此類培養物,結果全部都是不育的。用這12個培養物配對培養,66個配對組合中有34個結菇。Elliott(1972) 分析了一套完整的四分體,結果表明,6個可配對的組合中有4個結菇。這些研究提供的證據表明,雙孢蘑菇中有一個交配系統在起作用。雙孢蘑菇的性特征介于同宗配合與異宗配合之間,屬于次級同宗配合類型。


    (二)雙孢蘑菇的交配親和性受二極性或單因子控制,它的結實性依賴于性因子的配合。

      雙孢蘑菇性因子的遺傳研究主要在兩方面展開,一是性因子的極性研究,二是性因子等位基因的尋找與定位。

      1972年,Miller和Kananen做了較全面的交配試驗,結果表明, 交配親和性受單一因子控制。Ginns(1974)重復解釋了Miller(1971)的配對數據, 認為親和性更可能是受雙因子控制。 但是, 證據表明是單一因子系統在起作用。 Miller 和Kananen(1972) 所做的進一步分析和另外三種蘑菇已被清楚地闡明是由單因子控制結實性的事實(Elliott,1978;Raper,C.A.,1976b)都支持雙孢蘑菇受單因子控制的觀點。

      進一步的研究還表明,雙孢蘑菇的性因子存在著復等位基因(Raper等, 1972;Elliott,1979;Castle等,1988;Wang等,1990)。Elliott 用分離自一個棕色菌株的沒有特定標記的分離物與交配型A1與A2培養物間雜交,結果全部可育。Castle用RFLP為標記跟蹤商業菌株與野生菌株同核體間的雜交時發現,其中三個同核體兩兩配對均可雜交成功。Wang等以同工酶為標記進行高產菌株與優質菌株的同核體間雜交時也發現了類似的現象。 1992 年, 美國加州發現了雙孢蘑菇的四孢變種。Micheeline,Lmbernoow 等用四孢變種與傳統的雙孢蘑菇菌株雜交也發現了性因子等位基因。至此,人們共發現了14個雙孢蘑菇性因子等位基因,而且這些等位基因出現的概率均一(Imbernon等,1995)。

      那么,雙孢蘑菇的性因子與結實性的關系又如何呢? May等(1982),王澤生等(1990)用經同工酶鑒定為雜種F1的培養物做栽培試驗,發現此類培養物并非全部恢復可育性,即部分沒有結菇。這個結果暗示,決定蘑菇細胞壁親和性的性因子并不保證決定子實體的發生。Xu等(1993)用RFLP和RAPD標記技術研究的結果也認為蘑菇子實體的形成有賴于性因子,但由性可親和的同核菌絲配合形成的異核體并不絕對保證子實體的形成。

      1993年,多倫多大學生物系的Xu等對性因子開展了染色體與DNA水平上的探討,以RFLP和RAPD標記技術成功地將性因子定位在雙孢蘑菇最大的連鎖群,即染色體 I上。目前距性因子位點最近的遺傳標記有35個遺傳圖距(約600Kb), 用染色體步查法來分離性因子仍存在技術上的困難。


    (三)雙孢擔子核減數分裂行為的研究

      雖然,雙孢蘑菇有大約80%以上的擔子通常是雙孢的,而且, 每個孢子通常具有2個不同交配型的核,因此是自體可育的,具有結菇能力。但是,在蘑菇菌褶上還可觀察到3孢、4孢擔子等等,這些異常擔子上的孢子大多數情況下只得到單個核,因此無結菇能力。就是雙孢擔子上的部分孢子也是自體不育的,這些孢子雖然具有雙核,但2個核具有相同的交配型。

      為什么大多數雙孢擔子的擔孢子具有異核性?為什么有的雙核孢子中的核具親和性,而有的又不親和呢?雙孢擔子中核減數分裂產生的四個核是如何配對遷移入兩個孢子的呢?

      幾十年來,對于雙孢蘑菇遺傳方式的研究,始終圍饒著擔子內減數分裂行為這一主題,其核心問題就是減數分裂產生的四個核在兩個孢子中是如何分配的。顯微操作使直接從擔子上分離單孢子成為可能后,研究者已注意到雙孢蘑菇的孢子多數是自體可育的。Sarazin于1955年提出在雙孢蘑菇擔子中,減數分裂后, 具不同性的兩個核是非隨機地遷移入每一個擔孢子的。1959年,Evans 研究了擔子中的減數分裂,并細心地觀察了減數分裂過程紡綞絲的動態變化,提出較完整的核的非隨機分離理論。他估計,在減數分裂的第一次分裂分離中產生異核體的機率為80%, 在第二次分裂分離中產生異核體的機率為60%(圖3-3)。1982年,Royse和May應用同工

    圖3-3 雙孢蘑菇減數分裂過程紡綞絲排列類型與異核體產生頻率(Evans,1959)

            酶技術研究雙孢蘑菇的遺傳,發現約90% 的單孢子在多個同工酶位點上是異質的,而同核孢子數不到百分之五,認為減數分裂后非姐妹核有進入同一孢子的非隨機傾向。隨后,Castle等人(1987,1988)以RFLPs為遺傳標記分析雙孢蘑菇(Agaricusbisporus)及大肥菇(Agaricus bitorqus)的種間及種內多態性,Summerbell(1989)用核DNA 的單拷貝探針跟蹤分析了由異核親本產生的單孢子的遺傳物質存在情況,Kliush(1992)應用RAPD進行遺傳親子分析。這些研究均支持上述觀點,即雙孢蘑菇減數分裂后形成的四個單倍體核有非姐妹核進入同一孢子的非隨機遷移傾向。核非隨機遷移行為導致絕大多數孢子為異核的現象,被解釋為是由于該物種為防止同核體隱性純合可能導致的菌株致殘、致死效應,而進化出的適應性遺傳機制,該機制最大程度地保持了親本的異核性質。同核菌株在RFLP及RAPD分析研究中均表現為一些電泳譜帶明顯缺失,這一點與王澤生等人(1989)應用同工酶鑒定同核子的研究結果一致。電泳譜帶的缺失可能反映了同核體缺乏執行正常生命功能的基因。因此必須注意到,由此導致的不易萌發、生存能力低下的同核體在實驗觀察中就可能被遺漏,造成觀察中的同核孢子比率偏離真實比率。

      事實上,絕大多數孢子異核的現象,基本上都是以孢子萌發成的菌絲體為試驗材料進行研究的。假如是由于同核體不易萌發,或生存能力低下造成觀察中同核孢子比率偏低的話,那么,減數分裂后核是隨機配對遷移進入孢子的理論就值得重視。1980年Langton和Elliott以營養缺陷型為標記進行研究,提出核的分配過程是隨機的觀點,他們著文詳細闡述了雙孢蘑菇減數分裂后的四個核在兩個孢子中隨機分配的模型。按此預測,一個孢子接受異核的概率將是接受同核概率的兩倍(圖3-4) ,這和許多檢驗蘑菇單孢分離物可育性研究者的發現相一致(Sinden,1937;Kligman,1943;Elliott,1972)。Langton認為這是異核孢子占大多數的原因。

    圖3-4 雙孢蘑菇減數分裂產物隨機配對模型(Elliott等,1980)

         隨機遷移假設的重要性是它預期了基因的分離并可用以繪制基因在染色體上的位置,但在雙孢蘑菇中不易檢測。Elliott和Challen(1983a) 檢測了次級同宗配合的雙孢墨汁鬼傘營養缺陷型標記分離的預期比例,所獲得的數據和原養型對營缺型分離株的5:1的預期比例完全吻合。1991年, 王澤生等以酯酶同工酶為遺傳標記研究標記位點EstA,B和C在雜交子二代中的分離與重組行為時,發現等位基因的分離比均為1:4:1。這個結果支持如下觀點:擔子中減數分裂產生的四個核隨機配對遷移入兩個擔孢子是雙孢蘑菇種的特怔。

    圖3-5 雙孢蘑菇減數分裂核隨機配對遷移結果出現異常擔子的典型機率( Elliott,1983)


    圖3-5 顯示了雙孢蘑菇生活史中核隨機配對遷移的結果和出現異常擔子的典型機率。從另一角度看問題,雙孢蘑菇也可能屬于單因子控制的異宗配合的種,但是這種異宗結合被擔子的雙孢特性所掩蓋。1992年,在美國加州發現了雙孢蘑菇的四孢變種。在這一變種中,四孢擔子占絕大多數,異宗配合是其主要的有性生殖方式。
     

     
     
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