植物杂交的遗传、形态和化学模式

自然杂交是维管植物中常见的现象。杂交被认为是一种重要的进化力量，因为它可能导致(1)参与种群种内遗传多样性的增加，(2)新物种的产生，(3)遗传同化导致物种灭绝，以及(4)产生高度侵入性的基因型。由于植物杂交在进化中的重要性，因此准确识别杂交个体具有十分重要的意义。本文综述了植物杂交研究的历史背景。此外，我们回顾了用于杂交识别的一些工具及其在杂交个体中的表达模式(形态学、化学、染色体数目和DNA指纹技术)。我们强调，即使在没有DNA指纹技术的情况下，染色体数目、形态特征和化学特征对杂交识别的作用有限，它们的探索也可能为杂交的生态表现提供见解。当杂交导致以多倍体、越界性状表达或亲本物种中不存在的新的次生代谢物表达形式的进化新颖性时，这一点尤为重要。

自然杂交被认为是植物、动物和真菌的重要进化过程(Mallet [2005];Schwenk等。[2008];Paun等。[2009];惠特尼等。[2010])。事实上，杂交被认为是一种规律，而不是例外，至少在植物中是这样。近几十年来，许多关于自然杂交在形成地球生物多样性中的作用的研究已经发表(Wiesseman [2007])。从这个意义上说，已经发现种间杂交可能对形成单个种群的遗传多样性有重要影响(Arnold [2006])。此外，杂交可能是导致特有物种或稀有植物种群灭绝的原因(Levin和Francisco-Ortega [1996])。相反，杂交可能导致新物种的产生(Soltis & Soltis [1993];阿诺德(2006])。在物种水平之外，杂交可能会影响与杂交种群相关的节肢动物群落结构(Tovar-Sánchez和Oyama [2006])，最后，它可能会影响一些生态系统过程(例如，由于杂交种的次生代谢物组成而导致的营养循环;Driebe & Whitham [2000])。

最近，物种远离其原始分布范围的运动促进了许多入侵物种的出现(Mooney和Cleland [2001])。除了由于竞争能力强而引起保护生物学的关注外，该物种还可能通过渐进杂交导致分布范围有限的近亲物种灭绝(vil等。[2000])。此外，由于杂交在后代中产生新的等位基因组合，有人提出杂交可能通过基因渗入增强入侵物种的入侵能力(Schierenbeck和Ellstrand [2009])。由于植物杂交可能对参与物种的遗传和生态产生深远的影响，因此正确识别杂交个体作为确定杂交群体中发生哪些过程的第一步至关重要。

本文简要介绍了植物杂交研究的历史背景，并介绍了相关群体及其杂交后代的主要成果。然后，由于杂交个体鉴定的重要性，我们探索了为此目的使用的几种工具(形态学，化学，基于DNA的标记)。我们讨论了它们在杂交个体识别方面的优势和局限性，以及杂交个体中各标记的表达模式。

种间杂交的历史背景

自新石器时代以来，植物杂交对人类一直很重要，那时植物和动物开始驯化。1935])。然而，由于缺乏对植物性别的认识，植物杂交的正式研究受到了阻碍。虽然在驯化过程中确实发生了一些物种之间的杂交，但由于对花粉的功能不了解，这些事件被忽视了。然而，一些培养注意到雄蕊花应该靠近雌蕊花，以便在雌雄异株植物中产生果实(Roberts [1929])。例如，巴比伦人意识到手工授粉对于雌雄异株棕榈树的繁殖是必要的，可以识别“雄性”和“雌性”植物。然而，他们不认识植物的性别，因为他们对受精没有明确的认识。此外，由于巴比伦人种植棕榈树是为了收获可食用的果实而不是种子，新植物的繁殖仅仅是一个偶然的问题，因此，有性繁殖仍然是未知的(罗伯茨[1929];Zirkle [1935])。

直到17世纪，关于植物性别存在的讨论主要是基于哲学和道德的讨论，几乎没有实验证据。例如，塔伯纳蒙塔菌([1731])和其他作者观察到，在同一个玉米穗上出现了不同颜色的籽粒。然而，他们不理解谷物的混合，把它归因于上帝的创造，以震惊当时的植物学家。1934])。直到1694年，卡梅留斯才通过实验证明花粉是种子发育所必需的，从而认识到植物的性别。虽然他意识到用另一种植物的花粉使一株雌株受精的可能性，但他从未进行过杂交实验(罗伯茨[1929])。

第一个有意制造的杂交品种是托马斯·费尔柴尔德的石竹类植物[翻译]1935])。虽然没有费尔柴尔德本人的实验记录，但布拉德利([1717])总结了这些实验，指出这些杂交种就像一头“骡子”，因为它们不产生种子。此外，林奈还进行了几次实验Tragopogon1759年的物种。他发现杂交种有时具有介于亲本种之间的形态(罗伯茨[1929])。此外，Haartman还发现了种间杂交Thalictrumsp.在雄蕊和雌蕊数量方面处于中等水平(Haartman [1764])。因此，到18世纪中期，尽管人们对植物杂交知之甚少，但它是一种可以产生具有中间表型的不育植物的现象。

然而，是Kölreuter开始了对植物杂交的系统研究。这位作者在两者之间进行了交叉烟草香和n .黄花(Kolreuter [1761])。通过这些杂交，他得出了关于植物杂交的重要结论。首先，他观察到第一代(F1)杂交种通常表现出花粉故障，并将其描述为“植物骡子”。其次，Kölreuter对杂交个体形成过程中的生态因素做了重要观察。他指出，当两个亲缘关系密切的异域物种由于人为干扰而进入共生关系时，杂交很可能发生;产生具有形态中间性的杂种。通过Kölreuter获得的杂种与亲本回交后，后者的表型恢复。他认为，杂交不育和向亲本表型的回归是一种手段，通过这种手段，可以保存先前存在的自然和谐，将杂交视为“非自然生殖”(Kölreuter [1761])。因此，他认为杂交是一种短暂的现象，重要性不大，这加强了当时盛行的物种特殊创造的观点(罗伯茨[1929])。此时，所有的杂交实验都是通过手授粉进行的。然而，Kölreuter也注意到昆虫授粉发生在包括属在内的许多植物中虹膜，烟草，月见草属等等。后来，施普林格尔([1793])非常详细地描述了昆虫在植物中的传粉作用。此外，斯普伦格尔发现，雄蕊和雌蕊在同一朵花中的成熟可能表现出时间隔离。有了这些证据，他认为这些是植物中最大限度地受精的机制，并指出不同物种对之间的杂交可能通过昆虫授粉发生。斯普伦格尔的作品对达尔文等几位作家都有影响。1859])。

在19世纪初，杂交主要被用作农艺或观赏植物变异的来源。然而，当时杂交主要被视为一种证明两种不同植物是否配得上物种地位的方法(Roberts [1929])。当两个可能不同物种的植物杂交并产生可育的后代时，两个亲本个体被认为是一个物种的变种。相反，如果两株植物杂交，所得到的杂种不育，则认为这两株植物属于不同的物种(如Godron [1863])。十九世纪的大多数博物学家^th世纪认为不育作为物种地位的标准，杂种被认为是不育的定义。这一观点受到了Hebert ([1847])，因为他认识到物种和变种之间存在着连续统一体，它们之间没有分离的界限。

遵循赫伯特的观点，诺丁([1863])进行种间杂交曼陀罗光滑的和曼佗罗．他观察到几乎所有的杂交品种都是可育的，这使得他能够在F1之外培育更多的杂交品种。诺丁描述了两者的杂交曼陀罗属植物物种在形态上是可变的，表现出“无序变异”。有时它们在形态上是中间的，有时它们表现出与亲本物种相似的形态。他还指出，F1杂交种在形态上总是中间的，它们之间非常相似，而后代杂交种则表现出很大的差异。其他作者如von Gärtner ([1827])，骑士([1799])及Nägeli ([1865])也注意到了这种模式。然而，尽管他们对孟德尔在1865年描述的性格隔离做出了类似的推论，但他们缺乏解释这种差异的机制。孟德尔(1865)的工作是植物杂交的一个非常重要的发现。尽管孟德尔的论文很重要，但它发表在一份不知名的杂志上，因此没有引起科学界的注意。然而，德弗里斯对孟德尔工作的重新发现([1900])， Correns ([1900])及Tschermak ([1900])为现代植物遗传学奠定了基础。

在孟德尔定律被重新发现的几年后，萨顿[1902])在细胞中鉴定出单个染色体Brachystola麦格纳进行减数分裂。他还注意到，在某一物种的细胞中，染色体的数量是一致的，但在不同的生物体中，染色体的数量是不同的。然而，萨顿最重要的发现是染色体是稳定的元素，可以代代相传，从而确定染色体是孟德尔遗传的遗传物质。这一观察结果使萨顿提出了染色体遗传理论，为孟德尔定律提供了基础机制(萨顿[1902]、[1903])。

一旦发现性状分离的机制，植物杂交就成为获得作物新品种的重要手段。然而，杂交在进化中的重要性却很少被讨论。在20世纪初^th世纪以来，一些重要的发现表明了杂交在进化中的作用。Winge ([1917])通过理论研究表明，杂交个体的染色体数目的重复可以产生新的稳定的物种(即异源多倍体)。如今，通过异源多倍体形成的杂交物种被认为是开花植物中一个重要的过程(Soltis和Soltis [1993])。后来，menczing ([1930])提出了第二种机制，即杂交可以产生新的和稳定的物种。m ntzing提出，由于染色体重排，后代杂交可能偶然导致等位基因的新组合，产生纯合的群体，因为染色体不育因素的独特组合(m ntzing [1930];里瑟博格(1997])。

也是在20世纪^th世纪，Anderson和他的同事们强调了植物杂交在进化中的创造性作用(Anderson [1949])。安德森认为，在自然条件下，杂交种可能会向亲本物种回交，从而增加参与种群的遗传多样性，促进适应性进化。这时杂交被认为是开花植物中非常常见的现象(Stebbins [1959])。在过去的几十年里，大量用于记录杂交的分子标记已经证实了安德森提出的几个假设。然而，也有证据表明，杂交可能对参与的种群及其后代产生其他影响(见下一节)。

杂交、物种概念和系统发育重建

正如上一节所示，一些早期的研究者使用杂交作为一种方法来证明或否认两种被认为不同的植物物种的物种地位。这个标准显示了物种定义的困难。两个不同物种之间的基因交换(即杂交)加剧了这种永恒的争论。虽然种概念的讨论超出了本文的讨论范围，但种间杂交必然需要考虑种概念。

生物物种概念是应用最广泛的概念之一(Mayr [1942])。这一概念认为物种是一群潜在的或实际上的杂交生物，强调繁殖障碍的发展是物种定义的主要过程(Mayr [1942]、[1963])。迈尔认为，由于二次接触，混合带总是稳定的。如果杂交区域内的杂种是可育的，那么他认为这两个物种应该被认为是亚种。另外，Mayr认为杂交总是不育的，表现出较低的适应性，甚至当回交可能发生时，它们被认为是不合适的基因型，被自然选择抛弃。因此，群体杂交被视为物种形成的中间步骤(Dobzhansky [1940]、[1970])。杂交带的研究对于阐明物种形成过程中导致分类群之间完全生殖隔离(即强化)的步骤具有重要意义。虽然强化是自然杂交的一个重要结果，但它不是唯一的结果;杂交物种形成、渐渗和遗传同化也可能发生。那么，我们如何在认识到这些后果的同时，仍将参与的分类群视为不同的物种呢?

实现这一目标的一种方法是放宽杂化本身的定义。杂交通常被认为是不同物种个体之间的杂交受精。然而，一个更广泛的定义认为杂交是种群中个体的杂交受精，这些个体基于一个或多个可遗传性状而被区分开来(Harrison [1990];阿诺德(1997])。在同样的意义上，基因渗入通常被认为是通过重复回交在物种之间的基因运动。基因渗入的更广泛定义涉及基因在遗传上可区分的种群之间的移动(Rieseberg和Carney [1998])。这些杂交和渐渗的定义具有不依赖于任何物种概念的优点。因此，在这个定义下，杂交可以发生在种之间、亚种之间或单一物种的分化群体之间。

将杂交类群识别为物种的另一种方法是依靠Templeton ([1989])。这一概念的产生是为了克服生物物种概念在识别无性生物以及涉及合成子的生物方面的局限性。在这一概念下，物种被定义为“具有遗传和/或人口互换性潜力的最具包容性的生物群体”(Templeton [1989])。这一定义包括物种的生态和遗传特征，从而形成一个有凝聚力的群体。这个概念所考虑的遗传特征当然包括不同谱系之间的杂交和遗传交换。此外，这一概念不认为杂交分类群是一个亚种分类群。这一概念将杂交作为某一分类单元进化史的一部分加以考虑(Templeton [1989])。

在放宽生物物种概念的同时，我们也可以认识到杂交物种。在这方面，Rieseberg和Carney [1998])将生物物种定义为“与其他同类群体‘基因隔离’而非‘生殖隔离’的杂交种群群体”。根据作者的说法，这一定义允许将杂交分类群识别为不同的物种。作者认为，大多数杂交带作为物种之间遗传交换的障碍，因此每个物种将保持其遗传完整性，允许它们通过遗传手段进行分化(Rieseberg和Carney [1998])。

除了定义杂交分类群的物种概念问题外，在某一谱系的系统发育重建过程中，分化物种之间的遗传交换也可能带来系统学问题(Arnold [2006])。从这个意义上说，在系统发育重建中包括杂种有两种方法。第一种方法明确地将系统发育重建作为检测杂交的工具或作为证明物种杂交起源的工具(van Ramsdonk等人)。2000];Koontz等。[2004];Soltis等。[2008])。此外，当来自不同数据集的系统发育的拓扑结构不一致时(核与细胞质标记;里斯伯格和索提斯[1991];Pelser等。[2010])。然而，系统发育不一致可能是杂交以外的其他过程的结果，如不完整的谱系分类(Comes and Abbott 2001;Pelser等。[2010])。尽管有这些困难，在这些研究中有一个先天的了解杂交类群或假定的杂交个体。

第二种方法处理的是在系统发育中包含杂交的实际问题。在这种情况下，没有先天的在分析中包含混血儿的知识。有人提出，杂交种的包含可能会对系统发育的拓扑结构产生重要影响，扭曲了非杂交种类群之间的假设关系(Rieseberg等人)。[1995])。然而，在某些条件下，情况未必如此。例如，麦克达德([1990]、[1992])测试了几种水稻的F1杂交组合的影响Aphelandra用形态学数据研究系统发育的拓扑学。他得出结论，近亲物种之间的杂交并不会改变系统发育的拓扑结构，而属内远亲物种之间的杂交对系统发育的拓扑结构有非常重要的影响，并扭曲了非杂交分类群之间的关系(McDade [1990]、[1992])。此外，她还发现，杂交动物通常被归为亲本物种之一的进化枝，但很少两者都有(McDade [1992])。以类似的方式，Soltis等人。[2008])，评估了杂交种核糖体DNA (rDNA)间隔物多态序列在植物系统发育拓扑结构中的影响Tragopogon，甘氨酸和悬钩子属植物．总的来说，作者发现杂交种的包含不会破坏系统发生的整体拓扑结构，保留了非杂交种分类群之间的关系。然而，麦克达德([1992])和Soltis等人([2008])概述了基于rDNA间隔和形态学的分类分析可能是区分杂交和非杂交分类群的不可靠方法，因此有必要使用额外的数据来揭示一个群体的系统发育。因此，作者认为杂交可能是支系分析中的一个错误来源(McDade [1992];Soltis等。[2008])。

植物杂交结果

自然杂交是目前公认的维管植物中常见的现象。惠特尼等人[2010])研究了8个植物区系种间杂交的频率和模式。作者发现，40.4%的科和16.2%的属报告了至少一个杂交品种。然而，这些杂交事件的结果可能对杂交类群及其杂交种产生各种各样的后果。这些后果取决于环境条件(即干扰程度)、亲本物种的本地丰度和参与物种的遗传结构(Levin和Francisco-Ortega [1996];Rhymer和Simberloff [1996];阿诺德(2006])。植物杂交的一个显著结果是杂交物种的高频率报道(Rieseberg [1997])。由于被子植物具有高度的多倍体，因此有研究表明，高达11%的开花植物可能是杂交事件的直接结果(Arnold [2006])。此外，有几项研究报告了通过杂交出现的物种形成，其中新形成的物种显示出与亲本物种相同的倍性(Rieseberg [1997])。

然而，在一些研究中发现，尽管在一对物种之间可能发生杂交，但由此产生的第一代杂交(F1)表现出较低的繁殖成功率(以花粉育性衡量)(例如Campbell等)。2003])，导致“植物骡子”(sense u Kölreuter)。这些不适合F1的产生被认为是一种机制，通过对杂交基因型的选择，加强了参与物种之间的生殖障碍(Marshall等人)。[2002])。然而，在大多数情况下，杂交个体的适合度似乎取决于他们建立的环境。在这个意义上，许多研究(Levin和Francisco-Ortega [1996];拉蒙特等。[2003];lihov等。[2007];Tucker & Behm [2011])报道了在高度干扰的环境(路边、农作物、最近有火山活动的地方等)中杂交的高发生率。干扰在植物杂交中的作用是双重的:

1. 1.

   潜在杂交物种之间的主要隔离机制是物种之间栖息地偏好的差异(Arnold [2006])。干扰通常通过创造两个物种都能建立和繁殖的环境来打破这种隔离机制。

2. 2.

   一旦杂交物种相遇，杂交基因型可能在没有其他分离机制(即不相容)的情况下产生。在这种受干扰的环境中，某些杂交基因型可能表现出与亲本物种相似或更高的适应性(Mallet [2005])。因此，人们认为扰动是混合带形成的先决条件(例如Rieseberg和Gerber [1995])。

一旦F1个体形成，它们可以作为一个桥梁，通过与亲本物种的反复回交，等位基因可以从一个物种交叉到另一个物种(即，渐渗)。如果回交率有限，亲本物种的丰度相似，则基因渗入可能导致亲本物种种内遗传多样性的增加，这可能使它们能够在新的地区定居(例如Caraway等)。[2001])。然而，当亲本物种的丰度差异很大时，向较少丰度物种的渗入可能导致其遗传完整性的丧失，从而通过称为“遗传同化”的过程导致其灭绝(Levin和Francisco-Ortega [1996];Meyerson等。[2010])。在这方面，远离其原生范围的物种的引入导致了入侵物种的形成(vil等人。[2000];Petit等。[2004];Schierenbeck和Ellstrand [2009])。入侵物种除了因其高度竞争性而对当地生物多样性构成威胁外，还可能通过遗传同化对特有或稀有物种种群构成严重威胁，特别是在高度干扰的环境中。此外，有人提出，杂交可能会增强某些物种的入侵行为，导致高度竞争的基因型，增加入侵行为(Schierenbeck和Ellstrand [2009])。如上所示，自然杂交可能会产生一些后果，这些后果可能对分类单元的遗传多样性或某个群落的物种组成产生积极影响(例如，增加等位基因多样性，物种形成)，也可能产生消极影响(例如，遗传同化导致的灭绝，某些基因型的入侵性增加)。因此，作为研究这一过程的第一步，正确识别杂交个体是至关重要的。在接下来的章节中，我们将讨论用于杂交鉴定的形态学、化学和基于DNA的标记。

杂种形态性状的表达

传统上，分类学家依靠杂交物种与亲本物种的中间形态来进行鉴定。中间形态是一种直观的杂交特征，因为这些性状被认为是在多基因控制中，具有简单的加性效应(Rieseberg等)。[2007])。事实上，上个世纪采用的大多数方法都是为了检测这种中间形态而设计的。在这些方法中，安德森([1949])和其他有影响力的作者采用了诸如图形化散点图的方法(安德森[1949])，多变量分析，如主成分分析(Wagner [1969])和字符计数程序(Wilson [1992])。所有作者都建议，这些方法应该与具有尽可能多的形态学特征的大型数据集一起使用(Anderson [1949];威尔逊(1992])。同时，推测亲本个体形态性状的相关性在杂交个体中也会保持不变。这种形态特征的“性格一致性”被认为是杂交个体的诊断特征(Anderson [1949])。然而，当杂交个体缺乏形态中间性或性状一致性时，很少讨论。

后来，由于以下几个原因，人们认识到形态特征中间性不能很好地预测杂交祖先:

1. 1.

   形态特征通常是相关的。因此，可用字符的数量大大减少。

2. 2.

   与其他表型性状一样，杂种的形态表达高度依赖于环境。从这个意义上说，如果在不同的条件下生长，相同的基因型可能表现出广泛的形态(中间或非中间)。

3. 3.

   此外，形态中间性可能是由杂交以外的过程产生的。例如，一些近亲物种的个体可能会表现出形态上的中间性，如果这些物种保持了它们祖先种群的半胚性特征状态，就会导致对杂交的错误解释(Rieseberg [1995];Judd等人。[2002];阿诺德(2006])。

此外，从遗传学的角度来看，也有来自形态中间性偏差的解释。Rieseberg和Ellstrand ([1993])指出，F1杂交种表达了44.6%的中间性状，而杂交种中有45.2%的性状与亲本任一种相似。最后，10.2%的性状值超出了亲本种(越界性状)的范围。杂种中亲本值的高频率可能是由于只有一个或几个位点对杂种的某种形态性状具有显性(而不是共显性)作用。然而，最突出的结果是F1个体中存在约10%的越界特征(Rieseberg和Ellstrand [1993])。在高级杂交世代(F2，回交)中，越界性状的比例约为30%。越权性状的发生归因于杂交种突变率的增加、新等位基因组合在杂交种中的互补作用、发育稳定性的降低、上位效应、杂种优势等(Grant [1975];Voigt和Tischler [1994];Rieseberg等。[1999];贝尔和特拉维斯[2005])。由于这些解释中的一些不是遗传遗传的特征(寄生、杂种优势、发育不稳定)，它们只占变异的一小部分。因此，许多作者认为，越性特征表达是基因互补作用的结果(Rieseberg等人)。[2003];贝尔和特拉维斯[2005];Stelkens和Seehausen [2009])。

互补基因作用假设亲本物种具有固定的等位基因，在杂交后代中具有相反的作用(Rieseberg等人)。[1999])。也就是说，杂交品种中的越界性状表达来自于等位基因之间的位点相互作用，这些等位基因在每个亲本物种中对表型具有相反的影响，但在杂交品种中具有增强效应(即互补)(Bell和Travis [2005];表格1)。这种越界性状遗传模型解释了为什么在后代杂交中发现的越界数量比F1杂交大，在F1杂交中，由于亲本位点的加性效应，中间性状表达更为频繁(表1)1)。

杂种中越界性状表达的频率似乎是植物的规律。Rieseberg等人对113项报告杂交表型值的研究进行了调查。[1999])发现，其中只有三家没有报告至少一项违法行为。此外，在这113项研究中测量的579个形态特征中，58%表现出侵略值。由于杂交种中这种不可预测的形态表达，一些作者认为这些在检测杂交方面价值有限(Rieseberg和Ellstrand [1993];Hardig等。[2000]，阿诺德[2006])，并应采用额外的标记来作出可靠的杂交假设。

杂种中次生代谢物的表达

鉴于形态标记作为杂交识别工具的重要性有限，其他标记在历史上已被用于此目的。其中，杂种的次生代谢物组成被认为是一个更可靠的工具。在20世纪50年代中期和直到1980年，这种标记的使用在几个物种的系统发育和分类研究中得到了彻底的应用(La Duke [1982];Rieseberg和Ellstrand [1993])。祖贝儿([1951])是第一个将二级化学应用于杂交识别的人。然而，在阿尔斯通和特纳的研究中([1962这种方法得到了广泛的认可。

杂交种的次生代谢物组成被认为是鉴定杂交种的可靠工具，因为它被认为具有简单的遗传机制(即孟德尔分离比的寡生控制)。然而，如后面所示，杂种次生代谢物通常在杂种的质量和数量上具有更复杂的遗传模式(Orians [2000];Cheng等。[2011])。杂种的次生代谢产物主要为酚类、萜类、生物碱、异硫代氰酸酯和类黄酮。其中，黄酮类化合物由于其高变异性和稳定性而成为研究最多的化合物(Crawford和Giannasi [1982];Rieseberg和Ellstrand [1993])。

杂种次生代谢物表达的质量变异及其遗传基础

里斯伯格和埃尔斯特兰德([1993])汇编了24项关于杂交植物次生代谢物表达的研究。由于这一修正，作者发现第一代杂交种(F1)通常表现出亲本种中存在的次生代谢物的互补表达。也就是说，杂交后代通常同时表达亲本的次生代谢物。里斯伯格和埃尔斯特兰德([1993])发现67.7%的F1杂交种表现出这种互补模式，而27%的杂交种缺乏至少一种亲本种存在的次生代谢物，5.2%的杂交种表达了在其祖先中不存在的新代谢物。

最近，Cheng等人([2011])补充了Rieseberg和Ellstrand ([1993])通过结合Orians等人发现的模式([2000])以及2011年之前完成的其他研究。这些作者的发现遵循上述相同的一般模式。他们共修改了1112种次生代谢物及其在杂交种中的表达，其中70.3%的代谢物在亲本种及其杂交种中均存在，24.2%的代谢物在杂交后代中缺失，5.5%是亲本种中不存在的新代谢物。

有人提出，代谢物次级化合物的表达受一个或几个表现出显性/隐性(其中显性由次级代谢物的表达给出)的基因调控，这些基因遵循孟德尔分离比。这种遗传模式解释了杂种代谢物组成的互补性。然而，很明显，这种普遍模式的偏差是存在的。这种偏差可以从几个方面来解释:

1. 1.

   杂交种中缺乏亲本次生代谢物可能是由于亲本个体中控制表达的位点的多态性。如果一个杂种的亲本个体对控制次级代谢物表达的基因是杂合的，他们的杂交后代可能会或不会表现出这种代谢物(根据孟德尔遗传)。

2. 2.

   此外，杂交种中缺乏次级代谢物可能是由于生物合成途径的延长。某一途径的延伸可能产生次级代谢物，它是另一途径的中间物，迅速转化为该途径中的下一个化合物。

3. 3.

   新的次生代谢物的表达可能是由于杂交种的生物合成途径受阻所致。如果发生这种情况，中间化合物的积累在亲本物种中只是短暂的，在杂交种中就会很明显(Rieseberg和Ellstrand [1993];Orians [2000];芬和琼斯[2003];Cheng等。[2011])。

正因为如此，在发生杂交的大种群中，预计次生代谢物化合物将发生很大的定性变化。这种次生代谢物的高度可变性已在许多研究中观察到(例如，Hallgren等)。[2003];Kirk等。[2004];Oberprieler等。[2010];Oberprieler等。[2011])。

杂种次生代谢物表达的数量变异及其遗传基础

与质变异一样，次生代谢物表达的定量模式在杂交种中也是可变的。Orians ([2000])评估了杂种中发现的次级代谢物浓度与亲本个体中存在的水平的关系(5项研究)。结果发现，96种次生代谢物中33%的表达浓度与亲本相近，29%在杂交种中表达浓度为中等，19%在杂交种中表达浓度较高(过表达)，14%表达浓度低于亲本(过表达)。最近，Cheng等人。[2011])通过增加截至2010年发表的7项研究扩展了这一修订。作者发现了类似的模式:大多数代谢物在父母一方或双方的相似浓度或中间浓度下表达(分别为51.6%和28.2%)。此外，杂交种中一些代谢物过表达(11.5%)或过表达(8.7)。

杂交种次生代谢物定量表达的遗传调控由多个基因控制，在一个位点内具有显性、超显性或上位性效应(Cheng等)。2011])。这些基因的作用通常会影响参与次生代谢途径的酶的表达。如果酶过度表达，次生代谢物也会过度表达。虽然杂交种的代谢物次级浓度很少被用作杂交种鉴定的标准，但它可能会影响植物-草食相互作用和其他生态过程(见进一步讨论)。

用于杂交识别的遗传数据:染色体数目和DNA指纹技术

除了表型特征外，杂交识别目前还依赖于个体的遗传数据。从这个意义上说，在20世纪90年代，一种方法被广泛用作杂交的重要证据^th世纪是假定的杂交个体的染色体数目。这种方法假设杂交个体总是经历染色体补体的瞬间复制(即异源多倍体;哈兰和德维特[1975])。几个众所周知的异源多倍体案例包括Tragopogonspp(香港)[1950];卢斯和戈特利布[1976]),摘要spp(斯特朗和艾尔斯)[2013])，以及属于夏威夷银字联盟的物种(Barrier等。[1999];Lawton-Rauh [2003])等等。这个工具之所以流行，是因为杂交染色体数目的分析相对容易;与假定的亲本物种相比，杂交种将显示出整个染色体补体的重复。此外，异源多倍体的发现是非常重要的，因为它提供了一种机制，导致杂交种和亲本种之间的生殖隔离(Winge [1917];Ownbey [1950])。事实上，多倍体现在被认为是开花植物中一个重要的物种形成机制(Levin [1983];拉姆齐和舍姆斯克[1998];Soltis等。[2010])。

然而，在某些情况下，可能很难区分自多倍体(即，在单一物种的单一种群中出现的多倍体;格兰特(1981])和异源多倍体(即由两个不同物种杂交产生的多倍体);拉姆齐和舍姆斯克[1998])，使得染色体数目成为不可靠的杂交检测工具(Comai [2005])。这一困难的出现是因为自多倍体和同种异体多倍体之间可能存在中间状态，这使得区分这些类别变得困难。有人提出可能会出现“节段异源多倍体”，其中一些染色体在减数分裂期间可能表现出与异源多倍体相似的配对，而其他染色体则具有与自多倍体相似的配对(Stebbins [1950])。虽然没有出现节段性异体多样体的明确例子(Soltis等)。[2010])，这种情况解释了自然界中发现的一些偏析比率(Stift等。[2008])。除了这个问题外，自多倍体和异源多倍体的区分也带来了一些方法上的困难。为了确定一个个体是自体多倍体还是异源多倍体，应该观察许多位点的分离比率以及减数分裂过程中多价体的存在与否(Soltis等)。2010])。这种技术既昂贵又耗时，使得它们无法确定假定的杂交个体的状态。

如上所述，在某些情况下，假定的杂交种的染色体数目可以提供杂交的见解。然而，当它是在缺乏额外的数据(形态或基因型)，杂交的频率可能被低估。这是因为杂种可能表现出与亲本物种相同的染色体数目(即，同倍体杂种;锤(2007， Abbott等人。[2010])。事实上，尽管异源多倍体被认为是被子植物物种形成的主要模式，但在许多物种中也记录了同倍体杂交物种形成(Gross and Rieseberg [2005];Abbott等人。[2010])。正因为如此，在缺乏额外数据的情况下，杂种的染色体数目并不是一个可靠的工具，然而，当使用形态学或DNA指纹技术时，它可能提供强大的杂交假设(例如Newaskar等人)。2013])

由于表型数据的复杂表达模式和不可靠的数据提供的染色体计数在假定的杂交种，DNA指纹技术是目前最常用的工具杂交鉴定。这些标记相对于表型性状的优势在于:1)它们在基因组中大量存在;2)它们通常表现出独立性;3)由于这些标记应该位于非编码区，它们是选择性中性的;4)它们的遗传严格遵循孟德尔分离比(Rieseberg和Wendel, 1992)。此外，当基于贝叶斯的结构分析(Pritchard等)时，这些标记在检测不同的杂交类别(F1、F2、回交和后代杂交)时也很有用。2000])， new whybrids(安德森和汤普森)[2002])， BAPS (Corander and martinen) [2006])和GENECLASS (piy等)[2004])已被雇用。

然而，有各种各样的DNA指纹技术用于混合识别。在表2，介绍了主要的DNA指纹技术及其遗传模式和多态性程度。在非基PCR技术中，限制性片段长度多态性(RFLPs)是最被认可的技术(Jeffreys等。[1985])。这项技术是基于细菌限制性内切酶的活性。这些酶识别特定的回文序列，产生不同尺寸的片段。然后在凝胶电泳上显示这些片段(Jeffreys等人)。[1985])。限制性内切片段长度的变化是由于酶识别的序列发生了变化(点突变或易位)。尽管RFLP具有高度可重复性和多态性，但该技术非常耗时。此外，放射性试剂的使用和对大量DNA样本的需要使这种技术在当今不受欢迎。

几种基于pcr的标记物克服了RFLPs的一些困难。基于PCR的标记是耗时更少的技术，并且初始DNA样本可以最少。此外，其中一些技术不需要事先了解所研究的生物体的序列。随机扩增多态性DNA (RAPD)和扩增片段长度多态性(AFLP)是其中的两种标记(Williams等。[1990];Vos等。[1995])。RAPD标记是通过使用短引物(10碱基对)随机扩增基因组DNA而产生的。使用短引物是必要的，以增加他们能够找到适合退火的同源序列的概率。RAPD片段的多态性是由基因组中引物结合位点的重排或缺失产生的(Williams等。[1990])。然而，该技术的主要问题是再现性差，在略微不同的PCR条件下通常会显示不同的条带模式(Williams等人)。[1990];Hadrys等。[1992])。AFLP是RAPD和RFLP相结合的一种重复性好的技术。在这种技术中，获得样品DNA的限制性片段。然后，通过随机PCR扩增扩增片段(Vos等)。[1995])。RAPD和AFLP片段的主要限制是它们都具有显性遗传模式。也就是说，该性状被记录为凝胶电泳中特定条带的存在(显性状态)或不存在该条带(隐性状态)。

任意PCR扩增的另一种方法是通过特定引物扩增基因组的目标区域。由于序列技术的便捷性和可及性，这类DNA指纹识别技术已经变得非常流行。一种流行的技术依赖于微卫星或简单重复序列(SSR)的多态性。SSR由重复序列组成，通常由2 - 6个碱基对的短基序组成(Kalia等)。[2011])。在特定位点内的多态性是由于微卫星序列长度的变化，这取决于基本基序的重复次数。与AFLP、RAPD和RFLP相比，这些标记具有许多优点。SSR具有共显性遗传(即可以评估一个位点的杂合子状态)，在基因组中数量丰富，等位基因多样性高，扩增可重复性高(Kalia等)。2011])。然而，为了设计特定的引物，SSR需要对目标物种的DNA序列有广泛的了解。此外，零等位基因的存在(即引物退火位点的点突变可能导致特定微卫星位点的扩增失败)被认为是频繁的，导致等位基因多样性被低估(Chybicki和Burczyk [2009])。

到目前为止所提到的技术已经被广泛应用于混合识别(Blair和Hufbauer [2010];Meyerson等。[2010];Travis等人。[2010];Zalapa等。[2010];Saad等。[2011];Tovar-Sánchez等。[2012])。然而，测序技术的新技术进步提供了基于DNA序列的几乎无限变异的新标记。经典方案采用先前的标记，如RAPD、SSR、AFLP和RFLP的主要问题是，它们具有较低的标记可用性，这些标记可以低分辨率区分近亲物种并识别后代杂交(Twyford和Ennos[])。2012])。虽然最近的杂交事件可以明确地检测到只有四个标记(Boecklen和Howard [1997])，将个体正确分配到杂交类别(F1, F2，回交)将需要探索24至48个独立的共显性位点(Vähä和primer [2006])。此外，有时很难找到诊断性或物种特异性标记(Howard等人)。1997])，使用传统的基于PCR的方法来区分杂交物种。这种诊断标记是用于检测晚期遗传渗入的最有力的标记(Hohenlohe等人)。[2011])。

大多数基于PCR的DNA标记的这些局限性导致了新标记的开发，这些标记可以评估基因组完整部分的序列，而不需要先前对目标序列的了解。特别是被称为下一代测序(NGS)的新技术，从复杂的核酸群体中产生大量的核苷酸序列数据(Metzker [2010])。NGS被认为是一种新兴技术，它被认为可以提高我们对杂交和基因渗入的认识，因为不需要事先知道目标生物的序列(Hohenlohe等人)。[2011])。特别是，与上述传统的基于PCR的方法相比，每个亲本杂交群体的大量标记可能会大大增加(高达约300个)(Twyford和Ennos [2012])。

为什么我们要使用几种不同的标记来进行杂交鉴定?

在前面的小节中，我们讨论了用于混合识别的主要工具。与形态学和次生代谢物标记相比，DNA指纹技术是杂交鉴定最可靠的工具。DNA分子标记的主要优点主要是它们的中性和它们在基因组中几乎无限的数量。如前所述，形态特征表达被认为是复杂的，在某些情况下是不可预测的(Rieseberg等人)。[1999];Hardig等。[2000])。同时，次生代谢物具有更可预测的遗传机制，F1杂交种同时具有亲本种的次生代谢物(Rieseberg和Ellstrand [1993];Orians [2000];Cheng等。[2011])。然而，获得杂交种的化学特征是耗时的，并且在技术上是困难的。此外，它也不能很好地预测后代杂交种的杂交血统(Cheng等人)。[2011])。最后，当这些个体表现出异源多倍体时，染色体数目可以提供关于个体杂交起源的信息，然而，有时杂交种与亲本物种相比表现出同倍体状态(Abbott等)。2010])。此外，估计的杂交后代和亲本个体的染色体计数可能是昂贵和耗时的。

因此，如果DNA指纹技术是杂交识别的最佳工具，那么为什么研究人员还要继续使用其他标记，如形态、化学特征和染色体数目来进行杂交相关研究呢?一些作者提出，除了DNA指纹鉴定外，还应采用其他标记，以便有大量的证据来证实两个分类群之间的杂交假设(如Hardig等)。2000])。此外，已经发现这些额外的标记可能会揭示在使用有问题的DNA标记(如RAPD或AFLP)时未被发现的杂交个体(例如Kirk等人)。2012])。然而，研究杂交种的表型和染色体性状的主要原因是它们可以提供对其生态性能的见解。当杂交种与亲本物种相比表现出新颖或越界的特征时，这一点尤为重要。

在这方面，越界形态特征的表达被认为是亲本种与其杂交种之间发生生态分化时物种形成的机制。在这方面，Schwarzbach等人[2001])研究了杂交种的性状表达向日葵anomalus以及它们的亲本物种;h . annuus和h . texanus．杂种物种比亲本物种有非常明显的生态偏好。h . anomalus主要发生在沙丘生境。作为第一步，使用基于DNA的标记确定杂交种(Rieseberg [1991])。但后来，Schwarzbach等人。[2001])解释了它的形态变异。作者测量了41个形态特征。他们发现h . anomalus居间性状占2.4%，亲本性状和越权性状分别占56.1%和41.5%。作者认为，海侵特征的高频率表现h . anomalus可能促进了它的生态分化。这一假设得到了加强，因为许多这种海侵特征与其他沙丘植物的适应性是一致的(Schwarzbach等人)。2001])。

除了上述杂交在物种形成中的作用外，自然杂交也被认为是入侵基因型进化的一个过程，因为它具有产生进化新颖性的潜力(Schierenbeck和Ellstrand [2009])。一些杂交基因型中的越界特征表达被认为是增强某些种群侵袭性的机制之一(Ellstrand和Schierenbeck[])。2000])。

另一方面，杂交种中次生代谢物的表达可能影响草食-植物互作。从这个意义上说，杂交个体中存在的次生代谢物的数量和类型可能会降低食草动物的适口性(Orians [2000])。在质量变异方面，杂种中新代谢物的表达可以阻止不适应的食草动物，无论是通才还是专才，从而产生抗性植物。这些杂交种是否具有抗性可能取决于该植物的相对丰度。周和考特尼([1991[])认为，如果产生一种新化学物质的寄主植物的丰度随时间变化很大，那么食草动物将无法追踪这种植物并适应这种化学物质。在数量变异方面，杂交种可能表现出较高浓度的次生代谢物。一般来说，有人提出高浓度的次生代谢物对杂交个体具有抗性(Orians [2000])。然而，一种单一的化学物质可能会刺激、阻止或对食草动物的活动没有影响(奥利安[2000])。因此，杂交次生代谢物的质量和数量可能影响节肢动物相关群落和草食植物相互作用。

然而，有研究表明，杂交次生代谢物的组成可能在生态系统水平上改变过程。例如，Driebe和Whitham ([2000])评价凋落叶分解速率杨树angustifolia，p . fremontii还有他们的混血儿。总的来说，作者发现F1杂交种显示了亲本种中存在的所有次生代谢物。F1杂交种凋落叶分解速率介于亲本种和亲本种之间。然而，他们发现回交杂交种的浓缩单宁含量高于纯亲本个体和F1杂交种，这导致凋落叶的分解速度较慢。作者认为，如果杂交发生在广阔的地理区域，土壤中的养分有效性可能会因分解速率的改变而严重改变，从而改变整个生态系统过程(Driebe和Whitham [2000])。

关于染色体数目，一些与杂交相关的研究继续研究假定的杂交个体的细胞遗传学(例如Suárez-Santiago等)。[2011])。这些研究的方法可以回答有关混合动力性能的几个重要问题。首先，杂交可能产生异源多倍体，这些异源多倍体对两个亲本物种都是间不育的，并可能产生新的物种(Comai [2005])。另一方面，如果杂交种是同倍体，它们可能会向亲本物种回交并导致基因渗入(例如Peffley和Mangum [1990])。然而，虽然同倍体杂交种可能与两个亲本物种都有干扰，但也可能发生同倍体杂交种形成。同种异种的杂交物种形成可能以两种方式发生;1)同倍体杂交种可能表现出新的特征(即越界特征)，使它们能够殖民新的地区，从而导致与亲本物种的生态差异;2)杂交种可能表现出新的染色体或遗传不育障碍，从而导致与亲本物种的生殖隔离(Abbott等)。2010])。同倍体杂交物种形成已被提出产生若干种，如h . anomalus(Sapir等。)2007]),h .脉(Lexer等。)2003])和h .酶类(Gross等。)2003])。

此外，异源多倍体也可能具有进化新颖性的重要特征。异源多倍体表现出与其二倍体亲本物种相比的一些优势。例如，多倍体通常表现出杂种优势，使它们比亲本物种更有活力(Chen [2013])。此外，由于异源多倍体的染色体加倍，杂种表现出基因冗余，这为它们提供了一些优势。首先，同种异体多倍体中的基因冗余为它们提供了对隐性有害等位基因和隐性突变的保护(Comai [2005])。其次，异源多倍体能够通过修饰基因的冗余拷贝使基因功能多样化。这可能会导致有利的等位基因，从而提高他们的适应性(Prince和Pickett [2002];Adams等。[2005])。最后，异源多倍体通常表现出无性繁殖的增加，这使它们即使在没有性伴侣的情况下也能增加种群数量(Comai [2005])。摘要anglica是异源多倍体提供的有利特性的一个显著例子(见Strong和Ayres [2013])。由于同种异体多倍体和同倍体在杂交种生态性能中的重要性，因此对杂种个体染色体数目的研究是一项非常重要的工作。

如前一节所示，在没有DNA指纹技术的情况下，形态标记、化学标记和染色体数目并不是杂交鉴定的可靠工具。然而，由于杂交可能产生的进化新颖性，对这些标记的评价是重要的。杂种在形态特征、新的次生代谢物和全倍性的遗传变异性上表现出越界的特征表达。如果生态分化发生，这种进化新颖性可能导致新物种的产生，或者可能导致对食草动物或病原体的杂交抗性增加。虽然DNA指纹鉴定技术是杂交品种鉴定最可靠的工具，但其他标记的使用将继续被采用，因为它们提供了杂交品种生态性能的见解。

在这篇综述中，我们探讨了历史上用于杂交鉴定的主要标记的用途和/或遗传模式:形态和化学标记以及染色体数目和DNA指纹技术。虽然形态特征在上个世纪被广泛用作杂交识别的主要标志，但现在人们知道它们的遗传模式是复杂的，通常是不可预测的。此外，在上个世纪，植物次生代谢物组成成为一种比形态标记更可靠的工具，然而，它们的高成本、低多态性和复杂的遗传使它们在缺乏其他标记的情况下也成为不可靠的杂交识别工具。由于化学和形态标记都是表型性状，它们在杂交种中的表达高度依赖于环境，这降低了它们在自然条件下检测杂交的效用。此外，假定的杂交种的染色体数目是一个可能表现出一些缺点的标准。一些杂交种可能表现为异源多倍体，而另一些可能是同倍体杂交种。因此，杂交率可能被低估。此外，在染色体计数过程中使用的技术可能既昂贵又耗时。在这方面，DNA指纹识别似乎是一个更好的选择，因为它们在基因组中的高可用性，它们的中性和容易获得大量数据。

不可否认，DNA指纹识别技术是混合识别的最佳选择。当正确使用时，它们能够以高可靠性检测下一代混合动力车。然而，虽然基于dna的标记是研究物种对之间是否发生杂交及其频率的主要标记，但关于杂交种在自然条件下的命运，其他重要问题也出现了:我们如何在野外条件下识别这些杂交种?它们会对病原体表现出更高的抗性/耐受性吗?它们是否可能表现出比纯亲本个体更高的适合度?这些问题可以用细胞学方法以及分子和次级代谢物标记来回答。无论是在自然条件下还是在温室条件下进行杂交，这些问题都可能是非常重要的问题。考虑到地球上正在发生的全球性变化，这些问题的相关性就更加突出了;全球变暖、森林砍伐和外来物种的引入有利于以前是异域物种之间的共生。由于杂交带来的遗传多样性比单独的突变要多得多，它可能赋予杂交物种一些有利的特征，这些特征可能会显著改变它们生长的生态系统。

因此，虽然DNA指纹技术在揭示自然杂交的存在和频率方面非常有用，但使用其他标记可能会对杂交的生态表现有所了解。

本研究得到了conacyte - sep Mexico到A.L.C.的奖学金支持。我们也感谢波斯格拉多科学研究所Biológicas (UNAM)。

作者及单位

1. Sistemática与Evolución系，Investigación与Conservación生物多样性中心，Autónoma与Morelos州大学，1001大学，Chamilpa上校，Morelos, CP 62209, Cuernavaca，墨西哥

   Alfredo López-Caamal & Efraín Tovar-Sánchez

2. 波斯戈拉多科学学院Biológicas，国立大学Autónoma，邮政所70-181,Delegación Coyoacán, 04510, m录影带

   阿尔弗雷多Lopez-Caamal

相应的作者

对应到Efrain Tovar-Sanchez．

相互竞争的利益

作者宣称他们没有竞争利益。

作者的贡献

两位作者都参与了综述的选题设计、数据分析和论文撰写。此外，两位作者都阅读并批准了手稿的最终版本。

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