第8章　四倍体或四倍型

另一说法似乎更为可能，即正在分裂中的细胞，其胞质分裂受到抑制，于是染色体数目加倍，结果产生了四倍体。这样的四倍型细胞或者形成幼小植株的全体，或者形成其中心柱，或者形成其他任何部分。

那不勒斯动物研究所的一间实验室的内部（1908年左右）。19世纪的生物学家多是研究采集来的生物标本，而那不勒斯研究所则注重活体机能的研究。

计算过染色体数目的有一千多种动物，或者也有同样多或者更多的植物。其中两三个物种只有一对染色体。在另一极端，也有物种含一百多条染色体的。不管染色体多少，每一物种的染色体数目是恒定的。

染色体有时确是不规则的分布。其中，大多数通常借某种方法自行矫正。也确有一二个例子，其染色体数目略有变化。例如Metapodius可能有一条或多条额外的小染色体，有时是几条Y染色体，有时是另一条称为M的染色体（图62）。正如Wilson所指明的，这些染色体在个体性状上，既然没有引起相应的变异，所以不妨把它们当做无关轻重的、不活动性物种看待。

图62　示Metapodius的染色体。a.示精原细胞的染色体群，有三条m染色体；

b和c示精母细胞的侧面观；d和e示三条m染色体接合，两条趋入一极，一条趋入另一极（c的末期赤道板）（仿Wilson）

其次，我们知道，几条染色体可以彼此连接，从而减少一条或多条染色体，一条染色体又可以裂断，从而暂时增加一条（注：Hance描写过待霄草的染色体有时断裂成片。在灯蛾（Phragmatobia）和其他蛾类中，Seiler也描写过几个例子，其中某些染色体原来在精子和卵细胞内连接一起的，在胚胎细胞内却彼此分开。在蜂类的所有体细胞内，每一条染色体都被假定是断裂成两段的。在蝇类及其他动物的一些体细胞中，染色体可以分裂而细胞不分裂，从而使染色体的数目增加到二倍或四倍。），在任一种情况下，全部基因仍然被保存下来。最后，有些物种，雌者比雄者多一条染色体，另有一些物种，情形刚刚相反。所有这一切情况都经过了广泛的研究，而且是每一位研究细胞的学者所熟悉的。这类例子的存在并不使每一物种各有其特殊数目的染色体，而且染色体数目恒定不变（注：近几年来，Della Valle和Hovasse不承认在不同的组织细胞里染色体的恒定数目。这项结论是以两栖类身体细胞方面的研究为根据，但两栖类的染色体数目繁多，不容易精密辨别，所以他们的研究结果不足以推翻其他生物（甚至包括一些两栖类在内）方面的绝大多数的观察，在这些生物里，染色体的数目是能够精密决定的。）这个一般论点，归于无效。

我们也知道：在某些组织里，由于只有染色体分裂而无细胞分裂，或者由于染色体断裂为一定数目的部分，可以把染色体增加到二倍或四倍的数目。这些都是特殊的例子，不足以影响一般情况。

有一些个体突然出现，其染色体数目为该物种特有数目的两倍，这种例子，在近年来愈来愈多。这便是四倍体。又发现了其他多倍型，有的自然发生出来，有的起源于四倍体。我们总称之为多倍体。其中以四倍在许多方面最引人关注。

确实知道的四倍体动物，只有三个例子。寄生在马体内的线虫，即马蛔虫，共有两型，一型含两条染色体，另一型含四条。这两个变种彼此相似，甚至细胞的大小也相仿佛。蛔虫的染色体可以看成是一种复合体，是由许多较小的染色体（有时称之为染色粒）联合组成。在应该形成体细胞的胚胎细胞内，各染色体断裂成它的组成部分（图63a、b和c）。成分的数目恒定，或接近一个常数，二价型成分的数目约为单价型的两倍。这支持了这样的一种看法，认为二价型比单价型多一倍，而不是二价型由单价型染色体的分裂而来。

图63　单价型蛔虫的卵子含两条染色体，图示其最初两次分裂。a和b示染色体在一个细胞内的断裂作用；d示三个细胞的染色体已经断裂，第四个细胞的染色体依然完整，后者产生生殖细胞（仿Boveri）

根据Artom报道，海虾Artemia有两族的四倍体，一族有48条染色体，另一族有84条（图64）。后一族借单性生殖法繁殖。在这些情况下，不难想象，四倍体起源于原来是单性生殖的一族，因为，如果卵细胞保留一个极体，以致染色体数目加倍，或者由于在胞核第一次分裂后，染色体未能分离开来，以致数目增加一倍；这种双倍状态都是可能继续存在的。

图64　Artemia salina二倍体（减数）与四倍体两族的染色体（仿Artom）

最早出现的植物四倍体中，有一种被德弗利发现，名叫巨型待霄草Oenothera gigas（图42）。最初并不知道巨型是四倍体，但德弗利看出它比杂种（拉马克待霄草）植株强壮，在其他许多细微特征上也有差异。巨型的染色体数目后来才弄明白。

图65　a.拉马克待霄草的14条二倍染色体；

b.巨型待霄草的28条二倍染色体拉马克待霄草（Oenothera Lamarkiana）有14条染色体（单倍数7）。巨型待霄草（Oenothera gigas）有28条染色体（单倍数14）。图65表示上述两种植物的染色体群。

Gates测量过各种组织的细胞。巨型药囊的表皮细胞几乎为普通型体积的四倍，柱头的表皮细胞为三倍，花瓣表皮细胞为两倍，花粉母细胞比普通型约长一倍半。花粉母细胞的胞核为普通型体积的两倍。两型的细胞在外形上也有时有显著的差别。各种待霄草大多产生三叶的盘状花粉，而巨型的一些花粉则为四叶状。

Gates、Davis、Cleland和Boedijn研究过花粉母细胞的成熟过程。据Gates报道，拉马克待霄草的巨型通常有14对二价染色体（gemini），在第一次成熟分裂时，每条二价染色的两半分别走入一个子细胞。在第二次成熟分裂时，每一条染色体纵裂为两条，于是花粉粒各得14条染色体。据推想，在胚珠成熟中也发生了同样过程。Davis讲到当拉马克待霄草的染色体从联会混乱状态中出现时，染色体参差不齐地互相集结，而不是严格平行联合。随后，染色体分别趋入一极，完成了减数分裂。Cleland近来也讲过另一个二倍型物种Oenothera franciscana的染色体，在进入成熟纺锤体时，相互间端与端相连（图66）。在Davis早期发表的图内，有一些也略有端与端相连合的情况。

图66　Oenothera franciscana花粉母细胞的成熟过程（仿Cleland）

近年来在其他雌雄同株的显花植物中，也找到了一些四倍体。因为这类植株同时产生卵子和花粉，所以显然应该比雌雄异株的植物形成更多的四倍体。因此，如果植株一开始便是四倍体，那么，它会产生有着二倍数目的染色体的卵细胞和花粉细胞。经过自体受精，势必产生四倍体。相反，在雌雄异株的动物和植物中，一个个体的卵子必须同另一个体的精子受精。如果发生了一个雌性四倍体，其成熟卵子有二倍数目的染色体，卵子一般会同普通雄体的单倍型精子受精，结果只能产生三倍体。要从三倍体恢复到四倍体，机会是很少的。

谱系培养中所产生的四倍体，在说明四倍体的起源上，比偶然发现的四倍体，提供了更精确的知识。事实上，四倍体在人工控制下发生的例子，已经有了一些记录。Gregory发现了两种巨型的报春花primula sinensis：一种出现在两株二倍体植株的杂交里。因为亲株含有已知的遗传因子，所以Gregory能够研究四倍体中各种性状的遗传过程。根据他的研究结果，他无法决定：在四条相似的染色体中，某一条染色体究竟是同其他三条中的另一条特殊染色体联合，或者是同其中任何一条染色体联合。Muller分析同一数据，指出后一结论更为可能。

Winkler通过嫁接的媒介作用，得到一株巨型龙葵，Solanum nigrum和一株巨型番茄（Solanum lycopersicum）。就我们所知道的，嫁接作用本身对于四倍体的产生是没有直接关系的。

产生龙葵四倍体的方法如下。取番茄幼株的一段，嫁接在龙葵的幼茎上面，摘除龙葵所有的腋芽。10天后，沿嫁接平面横切（图67）。从切面的愈伤组织中，长出了一些不定芽。由此长成的植株中，有一株是嵌合体，也就是一部分组织为龙葵，一部分组织为番茄的植株。把嵌合体取下，并让其繁殖。新植株的腋芽中，有些由番茄的表皮和龙葵的中心柱组成。把这些枝条取下，另行栽培。这些幼小植株同其他确是二倍体的嵌合体有所区别，使人怀疑这种新型也许有一个四倍型的中心柱。检查结果，证实了这一点。截除嵌合体的顶梢，并且摘除下半部的腋芽。从愈伤组织的不定芽里，得到了全身都是四倍型的幼株。图68右侧示巨型龙葵，左侧为普通型（二倍体）或亲型。图69的右上示巨型的花，左侧为亲型的花。同图的左上示巨型和新型的苗木。

图67　a.龙葵的苗；b.番茄的苗；c.Solanum tubingense.的嫁接杂种；d.嫁接方法（仿Winkler）

图68　左侧为亲型龙葵的普通二倍体；右侧为四倍体（仿Winkler）

图69下半部示若干组织细胞的差异。左侧示巨型叶和亲型叶的栅状细胞；右侧示两型气孔的保护细胞；其下则是两型的毛；巨型的髓细胞也比普通型大些。图下半部的中央左边为亲型花粉粒，右边为巨型花粉粒。

图69　上部示龙葵的二倍体和四倍体的苗木和花，下部示它们的组织。左上，苗木；右上，花；左下，栅状细胞；中，花粉粒；右下，上为气孔，下为毛（仿Winkler）

用以下方法也得到了一株四倍体番茄。取番茄幼株的一段，按照常用的方法嫁接在龙葵砧木的上面（图67）。待其完全联合以后，横切两种植物联合的部分，并且摘除砧木上的腋芽。从愈伤组织里长出了幼芽。移植这些幼芽。其中有一株由龙葵的细胞构成表皮，由番茄的细胞构成中心柱，进一步检查，发现表皮细胞为二倍体，中心柱细胞则为四倍体。为了从嵌合体造出全身都是四倍体的植株，于是横切嵌合体的茎，并摘除切面以下的腋芽。切面上发生新的不定芽，芽体内外大部分由番茄组织构成。巨型番茄植株和其亲型植株间的差异，同巨型和亲型龙葵间的差异，是一样的。

二倍体龙葵含24条染色体，其单倍数为12；四倍体含48条染色体，其单倍数为24。二倍体番茄含72条染色体（单倍数为36）；四倍体含144条染色体（单倍数为72）。图70和图71表示各型染色体。

像上面所提到的，直到现在我们还不知道嫁接对于愈伤组织内发生四倍型细胞，有什么明显的关系。这些细胞究竟怎样发生，也不明确，也可能像Winkler一度相信的那样，是由于愈伤组织中两个细胞的融合，但另一说法似乎更为可能，即正在分裂中的细胞，其胞质分裂受到抑制，于是染色体数目加倍，结果产生了四倍体。这样的四倍型细胞或者形成幼小植株的全体，或者形成其中心柱，或者形成其他任何部分。

Blakeslee、Belling和Farham在常见的曼陀罗（Datura stramonium）里发现了一种四倍体（图72下部）。就外形看来，它被描述为在几个方面同二倍型有差别。图73示二倍体（第二行）和四倍体（第四行）的蒴果、花以及雄蕊方面的区别。

图70　a和b示龙葵的单倍型和二倍型细胞及染色体，c和d示四倍体龙葵的单倍型和二倍型细胞及染色体（仿Winkler）

图71　a和b示番茄的单倍型和二倍型细胞及染色体，c和d示四倍体番茄的单倍型和二倍型细胞及染色体（仿Winkler）

图72　上行示曼陀罗的二倍体植株；下行示其四倍体（仿Blakeslee）

图73　曼陀罗单倍体、二倍体、三倍体和四倍体巨型的蒴果、花和雄蕊（仿Blakeslee，载在《遗传学》杂志上）

二倍体植株含12对染色体（24条染色体），按照Belling和Blakeslee的意见，这些染色体依体积大小可以安排为六型（图74），即大号（Ll）、中号（Mm）、小号（Ss）或2（L+4l+3M+2m+S+s）。单倍染色体群的方程式为L+4l+3M+2m+S+s。当这些染色体将进行第一次成熟分裂时（前期），它们形成一对一对的环状结构，或者以一端相连接（图75第二列）。以后在每一对中，一条接合体走到一极，另一条则趋向另一极。到第二次成熟分裂之前，每条染色体中缢，从而产生了图74a（注：原文为图74b，但根据作者的叙述，应该是图74a，译文中已予修正。——译者注。所示的形式。一半中缢后的染色体进入纺锤体的一极，另一半则进入另一极。每个子细胞各得12条染色体。

图74　a.曼陀罗二倍染色体群的第二次成熟分裂中期；b.曼陀罗四倍体（含24条染色体）相应的染色体群（仿Belling和Blakeslee）

四倍体有24对或48条染色体。在它们进入第一次成熟分裂纺锤体以前，它们每四条集合一起（图76和图75）。从两图中可以看到四价群内染色体联合的各种不同方式。染色体大致在这种状态下进入第一次成熟纺锤体。在第一次成熟分裂时，每个四价染色体的二条染色体趋入一极，另两条趋入另一极（图75）。每颗花粉粒有24条染色体。不过偶尔也可能有三条染色体同入一极，另两条趋入另一极（图75）。每颗花粉粒有24条染色体。不过偶尔也可能有三条染色体同入一极，另一条则趋入另一极。

图75　曼陀罗二倍体、三倍体、四倍体各型染色体的接合方法（仿Belling和Blakeslee）

图76　曼陀罗四倍体的染色体互相接合，四条相同的染色体联合组成一个群（仿Belling和Blakeslee）

图75示第二次成熟分裂时四倍体的24条染色体。这些染色体和同一时期中二倍体的染色体相仿佛。每条的一半趋入一极，另一半则趋入对极。据Belling记载，有规则地分布的，即每极各得24条染色体（24+24）的，占68%；一极23条，另一极25条的（23+25），占30%；一极22条，另一极26条的，占2%。分布为21—27的，有一个例子。以上结果表示，在四倍体曼陀罗中，染色体不规则的分布，并不是少见的。这一点可用四倍体自体受精来进一步检验。让这样产生的子代生长成熟，并且计算其生殖细胞内染色体的数目。有55株植物，各含48条染色体，5株各含49条，一株含47条，另一株含48条（？）。如果染色体在卵细胞内像在花粉细胞内一样分布，结果含24条染色体的生殖细胞最可能生存下来，并且有作用。含48条以上的染色体的一些植株，由于增加了额外染色体，也许会产生染色体分布更不规则的新型。

De Mol发表了一种四倍体水仙（Narcissus）。其二倍体物种有14条染色体（七对），另有栽培的两个变种则各有28条染色体。De Mol指出，直到1885年为止，主要栽培的是矮小的二倍体变种。以后才出现了较大的三倍体；最后，约在1899年，又得到了第一株四倍体。

据Longley报道：墨西哥大刍草中，多年生teosinte所含染色体，为一年生teosinte染色体的两倍。多年生型有40条染色体（n＝20）（图77a）。一年生型有20条（n＝10）（图77c）。

图77　a.多年生墨西哥大刍草（Euchlaena）第一次成熟分裂前期；有19条二价染色体和2条单染色体；a¹ .第一次分裂中期；a² .第一次分裂后期。b.玉蜀黍第一次成熟分裂前期，有10条二价染色体；c.墨西哥Euchlaena mexicana第一次成熟分裂前期，有10条染色体；ab.多年生Euchlaena同玉蜀黍所生的杂交一代的杂种，第一次成熟分裂前期，有3条三价染色体，8条二价染色体和5条单染色体；ab¹ ，同上，第一次成熟分裂后期的晚期（仿Longley）

Longley把两种teosintes同含20条染色体（n＝10）的玉蜀黍（图77b）分别杂交。一年生teosinte和玉蜀黍所生的杂种有20条染色体。新种的花粉母细胞成熟时，有10条二价染色体，二价染色体各自分裂，分别趋入两极，没有停滞在中途的。这意味着从teosinte得来的10条染色体，同从玉蜀黍得来的10条染色体，互相接合了。又多年生teosinte同玉蜀黍杂交的杂种有30条染色体。杂种花粉母细胞成熟时，其染色体互相接合，有两条一起的，有三条一起的；也有孤立无偶的（图77ab）。由此引起了后来分裂中的错乱情况（图77ab）。

当雌雄同株的植物性别决定问题不涉及分化性的性染色体时，它的四倍体可说是又平衡、又稳定。所谓平衡，就是说：它的基因之间的数字关系，同二倍体或普通型基因的数字关系，是一样的。所谓稳定，就是说：成熟机制能够使该型一旦建立以后会继续存在（注：Blakeslee对于这些词汇有不同的解释。）。

早在1907年，Elie和Emile Marchal便已用人工方法产生了四倍体藓类。每株藓有两个世代：一个是产生卵子和精子的单倍型原丝体时期（配子体），和一个产生无性孢子的二倍体时期（孢子体）（图78）。

图78　雌雄同株的藓类的正常生活史

孢子体的一段在潮湿情况下，会产生由二倍型细胞组成的细丝。细丝发育成真正的原丝体，后者迟早会产生二倍型卵子和二倍型精细胞。两种生殖细胞联合，于是形成了四倍型孢子体（图79）。这里，正常单倍型被二倍型原丝体和藓的植株重复一次；二倍型孢子体又被四倍型孢子体重复一次。

图79　正常雌雄异株的藓类，一段2n的胞子体再生，形成二倍型原丝体（2n），2n配子体通过自交，产生了四倍体或4n孢子体，四倍体再生，产生了四倍型配子体（仿Winkler）

两位Marchals对普通型和四倍体两者的细胞体积，作了比较测量。正常花被细胞的体积与四倍体同样细胞的体积有三种比例：1∶2.3，1∶1.8和1∶2。两型的精子器细胞体积比为1∶1.8，胞核体积比为1∶2。卵细胞体积比为1∶1.9。测量精子器（内藏精子）和颈卵器（内藏卵子），也表示在所有例子里，四倍体比正常型长些、宽些。显然，四倍体体积之所以增大，是由于有了较大的细胞，细胞之所以增大，又由于有了较大的胞核，而且像其他证据所已经证明过的，四倍体大核内的染色体又为正常型的二倍。这自然是在意料中的，因为四倍体是由正常孢子体再生出来的。

在孢子体世代中，2n孢子母细胞同4n孢子母细胞两者的体积比约为1∶2。

藓类的两次成熟分裂，即紧接着染色体接合后的两次分裂，发生在孢子体内孢子形成的时候，每个孢子母细胞产生四个孢子，藓类的染色体上如果带有基因，预料四倍体所有的加倍的染色体将会产生不同于正常型的比率。虽然Wettstein在几种藓类杂交中找到过遗传的显明证据，Allen在亲缘相近的几群藓类中也得到了配子体两种性状的遗传学证据，但是这方面的研究仍然是很少的。

在雌雄异体的藓类以及在某些苔类里，Marchals、Allen、Schmidt和Wettstein已经分别证明：在孢子形成的时候，与性别决定有关的要素分离开来。他们的观察和实验将于性别一章中讨论。

有许多涉及四倍体细胞体积方面的重要问题，是胚胎学上的问题，而不是遗传学上的问题。四倍体的细胞一般较大，往往大到两倍，不过组织不同，细胞大小也颇悬殊。

四倍体整个植株的大小以及其他一些特性，似乎都是由于细胞增大的缘故。如果这种解释是对的，这便意味着，这些特性属于发育范畴，而不属于遗传范畴。四倍体发生的方法，已经有了一些讨论。以上所提出的关于四倍体细胞内如何增加胞质的方法，尚有待于进一步的研究。

假设同一物种的两个细胞彼此融合，两个胞核也迟早联合，也许由此会产生四倍型细胞。假设四倍型细胞在生长期内，继续维持其两倍大的体积，预料会得出比正常型体积大两倍的卵子。大型胚胎的细胞同正常胚胎特有的细胞，在数目上预料是一样多的。

另一个可能的解释，即四倍型生殖细胞的体积，在二倍型母株的生殖细胞内，或者不能增加到两倍。这样，卵子也将不会大于正常卵子，但却带有两倍多的染色体。从这种卵子发育而成的胚胎，在达到能够从外界获得食物的胚后期或幼虫期以前，也许不能摄取足够的营养来增加它的细胞体积。至于在这样晚的时期，每个细胞内的双组染色体是否会扩大各该细胞的胞质，还是不确定的。不过下一代的卵子在母体内开始发育时，便有了四倍染色体，在这种情况下，卵子在分裂前增加到两倍的体积，也是可以想象的。

如果说在受精以后成熟卵子中，随着染色体数目的加倍，胞质也会立刻增加起来，这或者是不可期望的。在动物胚胎开始形成器官以前，它经历了相当一定次数的细胞分裂。如果胚胎一开始便是一个体积正常而染色体加倍的卵子，如果由于染色体的双倍数目以致卵裂时期比正常卵子提早结束，从而开始了器官形成，那么，这样的四倍体胚胎的细胞将会比正常胚胎的细胞大两倍，但数目却只有一半。

在显花植物里，胚囊空阔，并富于养料，也许为卵子发生大量的胞质提供了更有利的机会。