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    第二节 双孢蘑菇的有性生殖


    【发布日期】:2010-06-02

    一、双孢蘑菇的有性生殖


    (一)双孢蘑菇的繁殖方式

      双孢蘑菇的繁殖方式有无性繁殖和有性生殖两种。其无性繁殖是指由母细胞直接产生子代的繁殖方式。Hayes(1978) 描述了双孢蘑菇的无性生殖能产生厚垣孢子和次生孢子,但它们在双孢蘑菇的生活史研究中少有提及。双孢蘑菇有性生殖是其生活史的主要部分。它通过两性核在担子中的结合,或两性细胞以菌丝融合方式结合后形成新的个体。


    (二)双孢蘑菇的有性生殖

      双孢蘑菇的有性生殖比较特殊,而且比较复杂,但也是从担孢子萌发开始,经过菌丝体和子实体两个发育阶段,直到新一代担孢子产生、成熟而结束。双孢蘑菇的有性生殖有两个分支:一支是含“+”“-”两个不同交配型细胞核的担孢子,不需要交配就可以完成生活史,另一支是仅含有“+”核的担孢子和仅含“-”核的担孢子,萌发成菌丝后,需经交配才能完成生活史。在典型的双孢蘑菇中,双孢担子占绝大多数,四孢担子为数较少,所以次级同宗配合的遗传方式在其完整的有性生殖生活史中占有很大的比例。也就是说,通常,双孢蘑菇的担子上仅产生两个担孢子,绝大多数担孢子内含有“+”“-”两个核,即担孢子通常只获得4个减数分裂产物中的2个。这种异核担孢子萌发出的菌丝是异核的菌丝体,它们不产生锁状联合,不需要经过交配就能完成其生活史,因此这种异核担孢子是自体可育的。1972年Raper等就详细地阐述了双孢蘑菇特殊的二极性次级同宗配合的生活史。 此外,双孢蘑菇的担子偶尔也能产生单个、三个、四个甚至八个担孢子。据统计,一孢担子占3%,二孢担子占81.8%,三孢担子占12.8%,四孢担子占1.2%,五孢担子占0.013%,七孢担子占0.003%。单核孢子或同核的双核孢子是以异宗配合的遗传方式来完成其生活史的。因此,双孢蘑菇的有性生殖生活史可以用图3-1来表示。

     

     

     

     


    图3-1 双孢蘑菇有性生殖生活史(参考《自修食用菌学》,1987)


    1.同核担孢子的萌发 2.同核菌丝体 3.同核菌丝体之间的质配

    4.异核担孢子的萌发 5.异核菌丝体 6.子实体

    7.担子 8.接合的细胞核 9.第一次减数分裂

    10.第二次减数分裂 11.异核担孢子的形成 12.担孢子的弹射

    13.同核担孢子的形成 14.三孢担子 15.四孢担子

    16.单核担孢子 17.单核担孢子的萌发


    1992年,在美国加州发现了四孢变种。这不但丰富了种质资源,也极大地推动了性因子的研究,同时也使得双孢蘑菇有性生殖生活史的研究得到进一步完善。四孢变种的生活史是以异宗配合为主要生殖方式。杂交研究表明,四孢担子性状相对双孢担子是显性的,三孢担子介于二者之间。下图为1995年Phillippe 示意的双孢蘑菇有性生殖生活史(图3-2)。

     

     

     

     

     

    图3-2 双孢蘑菇有性生殖生活史(Phillippe,1995)


    二、双孢蘑菇的性特征

      双孢蘑菇缺乏一般担子菌常有的二个特性。第一,它的担子上通常只形成2个担孢子而不是4个;第二,它的营养菌丝不形成锁状联合。双孢蘑菇是同宗配合还是异宗配合的?它的结实性是由性因子控制的吗?它的双孢担子的意义又何在呢?

      虽然双孢蘑菇已有300多年的栽培历史。但是对其有性生殖和遗传基础的研究和了解却仅仅开始于本世纪。遗传标记的更新是研究发展和深化的主要线索。从外观形态表型标记,如菌落形态、子实体特性到生理生化标记,如营养缺陷型及抗药、抗病性标记,再到分子水平的同工酶、RFLP、RAPD标记,不断加强着人们对双孢蘑菇的遗传、生理、生态行为的观察、分析及判定能力,推动着双孢蘑菇遗传研究的发展。然而,取得卓有成效的研究结果,却是近几十年的事。


    (一)双孢蘑菇是次级同宗配合的物种

      1929年,Lambert发表的论文在国际上首次探讨了双孢蘑菇的性, 他成功地分离出9个单孢子培养物,结果表明它们都具有产生正常子实体的能力。这是人们首次懂得可以用蘑菇孢子萌发成的菌丝体来制备生产用种。Sinden(1937)也用单孢子菌株做了试验,结果发现,事实上有大约三分之一的单孢子菌株根本就不结菇。这个试验首次暗示了蘑菇生殖系统的复杂性。它的子实体既产生自体可育的担孢子,也产生自体不育的担孢子。

      1943年,Kligman又对蘑菇生殖系统做了进一步的研究, 他证实了蘑菇能产生自体可育和自体不育的两种分离物,并用11个自体不育的单孢分离物做杂交试验,共做了55个配对组合,结果有7个组合恢复了可育性。Kligman还用5个分离自棕色菌株的自体不育株和3个分离自白色菌株的自体不育株配对杂交,结果15 个配对组合中有3个产生了子实体。 尽管他的试验结果提示了蘑菇可能存在一个不亲和性因子或不亲和性系统,但是Kligman的结论却是蘑菇是无性的, 他认为蘑菇核的融合在孢子产生之前,是“没有遗传学意义的残余特性”。Lambert(1960) 回顾了双孢蘑菇的遗传与育种,认为只有具不同核的孢子才能形成可育的单孢培养物。他提出一个遗传研究的途径,即从单个担子上分离出一对孢子,从单孢培养物中分离出同核的部分。Pelham(1967)首次从菌褶上直接分离出担孢子,并检验了从双孢和三孢担子上分离的孢子的结菇能力。 这项工作成为美国的 Miller( 1971) 和英国的Elliott(1972)进行蘑菇生殖系统分析的起点。Miller和Elliott都从四孢担子上分离出孢子。Miller(1971)研究了12个此类培养物,结果全部都是不育的。用这12个培养物配对培养,66个配对组合中有34个结菇。Elliott(1972) 分析了一套完整的四分体,结果表明,6个可配对的组合中有4个结菇。这些研究提供的证据表明,双孢蘑菇中有一个交配系统在起作用。双孢蘑菇的性特征介于同宗配合与异宗配合之间,属于次级同宗配合类型。


    (二)双孢蘑菇的交配亲和性受二极性或单因子控制,它的结实性依赖于性因子的配合。

      双孢蘑菇性因子的遗传研究主要在两方面展开,一是性因子的极性研究,二是性因子等位基因的寻找与定位。

      1972年,Miller和Kananen做了较全面的交配试验,结果表明, 交配亲和性受单一因子控制。Ginns(1974)重复解释了Miller(1971)的配对数据, 认为亲和性更可能是受双因子控制。 但是, 证据表明是单一因子系统在起作用。 Miller 和Kananen(1972) 所做的进一步分析和另外三种蘑菇已被清楚地阐明是由单因子控制结实性的事实(Elliott,1978;Raper,C.A.,1976b)都支持双孢蘑菇受单因子控制的观点。

      进一步的研究还表明,双孢蘑菇的性因子存在着复等位基因(Raper等, 1972;Elliott,1979;Castle等,1988;Wang等,1990)。Elliott 用分离自一个棕色菌株的没有特定标记的分离物与交配型A1与A2培养物间杂交,结果全部可育。Castle用RFLP为标记跟踪商业菌株与野生菌株同核体间的杂交时发现,其中三个同核体两两配对均可杂交成功。Wang等以同工酶为标记进行高产菌株与优质菌株的同核体间杂交时也发现了类似的现象。 1992 年, 美国加州发现了双孢蘑菇的四孢变种。Micheeline,Lmbernoow 等用四孢变种与传统的双孢蘑菇菌株杂交也发现了性因子等位基因。至此,人们共发现了14个双孢蘑菇性因子等位基因,而且这些等位基因出现的概率均一(Imbernon等,1995)。

      那么,双孢蘑菇的性因子与结实性的关系又如何呢? May等(1982),王泽生等(1990)用经同工酶鉴定为杂种F1的培养物做栽培试验,发现此类培养物并非全部恢复可育性,即部分没有结菇。这个结果暗示,决定蘑菇细胞壁亲和性的性因子并不保证决定子实体的发生。Xu等(1993)用RFLP和RAPD标记技术研究的结果也认为蘑菇子实体的形成有赖于性因子,但由性可亲和的同核菌丝配合形成的异核体并不绝对保证子实体的形成。

      1993年,多伦多大学生物系的Xu等对性因子开展了染色体与DNA水平上的探讨,以RFLP和RAPD标记技术成功地将性因子定位在双孢蘑菇最大的连锁群,即染色体 I上。目前距性因子位点最近的遗传标记有35个遗传图距(约600Kb), 用染色体步查法来分离性因子仍存在技术上的困难。


    (三)双孢担子核减数分裂行为的研究

      虽然,双孢蘑菇有大约80%以上的担子通常是双孢的,而且, 每个孢子通常具有2个不同交配型的核,因此是自体可育的,具有结菇能力。但是,在蘑菇菌褶上还可观察到3孢、4孢担子等等,这些异常担子上的孢子大多数情况下只得到单个核,因此无结菇能力。就是双孢担子上的部分孢子也是自体不育的,这些孢子虽然具有双核,但2个核具有相同的交配型。

      为什么大多数双孢担子的担孢子具有异核性?为什么有的双核孢子中的核具亲和性,而有的又不亲和呢?双孢担子中核减数分裂产生的四个核是如何配对迁移入两个孢子的呢?

      几十年来,对于双孢蘑菇遗传方式的研究,始终围饶着担子内减数分裂行为这一主题,其核心问题就是减数分裂产生的四个核在两个孢子中是如何分配的。显微操作使直接从担子上分离单孢子成为可能后,研究者已注意到双孢蘑菇的孢子多数是自体可育的。Sarazin于1955年提出在双孢蘑菇担子中,减数分裂后, 具不同性的两个核是非随机地迁移入每一个担孢子的。1959年,Evans 研究了担子中的减数分裂,并细心地观察了减数分裂过程纺缍丝的动态变化,提出较完整的核的非随机分离理论。他估计,在减数分裂的第一次分裂分离中产生异核体的机率为80%, 在第二次分裂分离中产生异核体的机率为60%(图3-3)。1982年,Royse和May应用同工

    图3-3 双孢蘑菇减数分裂过程纺缍丝排列类型与异核体产生频率(Evans,1959)

            酶技术研究双孢蘑菇的遗传,发现约90% 的单孢子在多个同工酶位点上是异质的,而同核孢子数不到百分之五,认为减数分裂后非姐妹核有进入同一孢子的非随机倾向。随后,Castle等人(1987,1988)以RFLPs为遗传标记分析双孢蘑菇(Agaricusbisporus)及大肥菇(Agaricus bitorqus)的种间及种内多态性,Summerbell(1989)用核DNA 的单拷贝探针跟踪分析了由异核亲本产生的单孢子的遗传物质存在情况,Kliush(1992)应用RAPD进行遗传亲子分析。这些研究均支持上述观点,即双孢蘑菇减数分裂后形成的四个单倍体核有非姐妹核进入同一孢子的非随机迁移倾向。核非随机迁移行为导致绝大多数孢子为异核的现象,被解释为是由于该物种为防止同核体隐性纯合可能导致的菌株致残、致死效应,而进化出的适应性遗传机制,该机制最大程度地保持了亲本的异核性质。同核菌株在RFLP及RAPD分析研究中均表现为一些电泳谱带明显缺失,这一点与王泽生等人(1989)应用同工酶鉴定同核子的研究结果一致。电泳谱带的缺失可能反映了同核体缺乏执行正常生命功能的基因。因此必须注意到,由此导致的不易萌发、生存能力低下的同核体在实验观察中就可能被遗漏,造成观察中的同核孢子比率偏离真实比率。

      事实上,绝大多数孢子异核的现象,基本上都是以孢子萌发成的菌丝体为试验材料进行研究的。假如是由于同核体不易萌发,或生存能力低下造成观察中同核孢子比率偏低的话,那么,减数分裂后核是随机配对迁移进入孢子的理论就值得重视。1980年Langton和Elliott以营养缺陷型为标记进行研究,提出核的分配过程是随机的观点,他们著文详细阐述了双孢蘑菇减数分裂后的四个核在两个孢子中随机分配的模型。按此预测,一个孢子接受异核的概率将是接受同核概率的两倍(图3-4) ,这和许多检验蘑菇单孢分离物可育性研究者的发现相一致(Sinden,1937;Kligman,1943;Elliott,1972)。Langton认为这是异核孢子占大多数的原因。

    图3-4 双孢蘑菇减数分裂产物随机配对模型(Elliott等,1980)

         随机迁移假设的重要性是它预期了基因的分离并可用以绘制基因在染色体上的位置,但在双孢蘑菇中不易检测。Elliott和Challen(1983a) 检测了次级同宗配合的双孢墨汁鬼伞营养缺陷型标记分离的预期比例,所获得的数据和原养型对营缺型分离株的5:1的预期比例完全吻合。1991年, 王泽生等以酯酶同工酶为遗传标记研究标记位点EstA,B和C在杂交子二代中的分离与重组行为时,发现等位基因的分离比均为1:4:1。这个结果支持如下观点:担子中减数分裂产生的四个核随机配对迁移入两个担孢子是双孢蘑菇种的特怔。

    图3-5 双孢蘑菇减数分裂核随机配对迁移结果出现异常担子的典型机率( Elliott,1983)


    图3-5 显示了双孢蘑菇生活史中核随机配对迁移的结果和出现异常担子的典型机率。从另一角度看问题,双孢蘑菇也可能属于单因子控制的异宗配合的种,但是这种异宗结合被担子的双孢特性所掩盖。1992年,在美国加州发现了双孢蘑菇的四孢变种。在这一变种中,四孢担子占绝大多数,异宗配合是其主要的有性生殖方式。
     

     
     
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