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青藏高原老芒麦和垂穗披碱草SSR分子标记鉴别



全 文 :29卷06期
Vol.29,No.06
草 业 科 学
PRATACULTURAL SCIENCE
937-942
06/2012
青藏高原老芒麦和垂穗披碱草
SSR分子标记鉴别
雷云霆1,2,窦全文1
(1.中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁810001;2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘要:垂穗披碱草(Elymus nutans)和老芒麦(E.sibiricus)是青藏高原高寒区广泛种植的优质牧草草种,由于生态
适应性变异,在对一些野生种质资源鉴定中,二者常易混淆。为了区别鉴定垂穗披碱草和老芒麦,本研究结合细
胞学鉴定,利用不同来源的老芒麦和垂穗披碱草种质材料,对源于普通小麦(Triticum aestivum)的42对SSR引
物进行筛选。结果表明,筛选出的小麦EST-SSR引物Xcwem38c在垂穗披碱草中的多态性标记可以有效区分垂
穗披碱草和老芒麦。
关键词:垂穗披碱草;老芒麦;SSR分子标记
中图分类号:S543+.901;Q943.2   文献标识码:A   文章编号:1001-0629(2012)06-0937-06*
  老芒麦(Elymus sibiricus)和垂穗披碱草(E.
nutans)是禾本科小麦族披碱草属多年生疏丛草本
植物,是青藏高原高寒区具有广泛分布的野生资源。
老芒麦和垂穗披碱草对该地区极端寒冷干旱的生态
环境具有良好的适应性和广泛的生态可塑性[1-2],且
高产优质,故已经成为该地区栽培利用的最为广泛
的当家牧草草种[3-4]。目前生产中,主要栽培利用的
老芒麦和垂穗披碱草品种都是在搜集当地野生种质
资源的基础上,通过筛选、鉴定、选育而来的应用面
积较广的品种有同德老芒麦、青牧1号、川草1号
等[5-7]。青藏高原分布的老芒麦和垂穗披碱草野生种
质资源,是对这两个草种进行进一步遗传改良的重要
物质基础,该地区生长的这两个物种野生种质资源的
采集、鉴定对于高寒牧草育种具有重要意义。
老芒麦和垂穗披碱草皆为花序下垂类披碱草属
物种,在经典的分类学上,通过一些形态学特征可将
这两个物种进行很好地区分。但是,在实际野外种
质资源采集中,由于形态学特征受到生长环境的影
响,对二者进行准确地区分比较困难。卢红双等[8]
对于来源于不同地区的49份穗型下垂类披碱草进
行形态学鉴定和聚类分析研究后认为,老芒麦和垂
穗披碱草在长期适应进化过程中,两个种不同的生
态型在形态性状上具有较多的性状交叉,使得分类
学的鉴定很困难。在对从美国国家植物种质资源库
(NPGS)引进的10多份垂穗披碱草种质利用细胞
学进行鉴定时,发现其中有部分种质实际上是老芒
麦。由此可见,在野外种质资源搜集中,将老芒麦和
垂穗披碱草混淆是一个比较常见的问题。
在细胞学水平上,老芒麦是异源四倍体物种,染
色体数为28,染色体组组成为StStHH[9];垂穗披碱
草为异源六倍体物种,染色体数为42,染色体组组
成为StStHHYY[10],其中St组来自拟鹅冠草属
(Pseudoroegneria)[11],H 组 来 自 大 麦 属 (Hor-
deum)[12],Y组的来源尚不清楚[13]。显然,通过细
胞学观察,可以将这两个物种很清楚地区分开来。
但实际工作中,染色体的准确鉴定一般需要具有一
定细胞学研究经验的研究者,而且操作过程相对费
时、费力。DNA分子标记具有多态性高,无组织、器
官及发育时期的特异性,不受环境条件的影响等优
点,分子标记技术已经应用于植物遗传育种的各个
领域,尤其是基于PCR反应的分子标记技术,由于
操作简便、快速,现已成为众多实验室的常规技术手
段。在众多分子标记类型中,SSR(Simple Sequence
Repeat)分子标记具有共显性、重复性好、稳定性高
等优点,尤其受到遗传育种工作者的青睐。
本研究首先利用细胞学技术对老芒麦和垂穗披
* 收稿日期:2011-09-18  接受日期:2011-12-02
基金项目:国家科技支撑计划项目(2009BAC61B03-6);青海省重点科技攻关项目(2008-N-161)
作者简介:雷云霆(1985-),男,四川阆中人,在读硕士生,研究方向为植物遗传育种。E-mail:leiyunting@163.com
通信作者:窦全文 E-mail:douqw@nwipb.cas.cn
PRATACULTURAL SCIENCE(Vol.29,No.06) 06/2012
碱草种质进行鉴定,然后利用普通小麦(Triticum
aestivum)中开发出的SSR分子标记对老芒麦和垂
穗披碱草进行多态性筛选,并对筛选出的多态性标
记进行广泛性验证,在此基础上,筛选出能够鉴别老
芒麦和垂穗披碱草种质的SSR分子标记。
1 材料与方法
1.1材料 研究材料由两部分组成,一部分材料由
美国国家植物种质库(NPGS)引进(表1),这部分材
料被原始搜集者鉴定为垂穗披碱草,因此均被当作
垂穗披碱草种质引进;另一部分材料在青海当地搜
集(表2),其中多叶老芒麦(Qingmu No.1)和同德
老芒麦(Tongde)是高寒牧区广泛种植的品种,其他
为野外采集材料,这些材料种名鉴定由中国科学院
西北高原生物研究所专门从事小麦族分类学研究的
专家完成。青海当地材料和野外采集材料均为种子
成熟期采集的种子,干燥环境保存备用。
1.2方法
1.2.1细胞学鉴定 经过低温破除休眠处理的披碱
草种子在室温下发芽,剪取1~2cm胚根,冰水预处
理24h,卡诺液室温固定2h以上,切取根尖分生区
用45%醋酸压片。制片首先在Leica显微系统相差
装置下进行观察,选取中期分裂相良好的制片在
-80℃冰箱冰冻处理1h后揭片,然后利用DAPI
进行套染,利用Leica显微系统荧光装置进行观察
和照相。
表1 引进的垂穗披碱草材料
Table 1 Elymus nutans introduced from NPGS in the study
序号
No.
保存号
Conserved code
采集地
Origins
1 PI 499450 内蒙Inner Mongolia
2 PI 499451 甘肃Gansu
3 PI 499611 甘肃Gansu
4 PI 504459 内蒙Inner Mongolia
5 PI 531643 四川Sichuan
6 PI 531644 甘肃Gansu
7 PI 531645 青海Qinghai
8 PI 547394 内蒙Inner Mongolia
9 PI 619516 四川Sichuan
10 PI 619575 新疆Xinjiang
11 PI 619590 西藏Tibet
12 PI 628675 新疆Xinjiang
13 PI 628698 甘肃Gansu
14 PI 655186 甘肃Gansu
表2 在青海地区搜集的披碱草属野生材料和品种
Table 2 Wild Elymus species colected in Qinghai
序号
No.
保存号
Conserved
code
物种
Species
采集地
Origins
15 Tongde 老芒麦Elymus sibiricus 同德Tongde
16
Qingmu
No.1
老芒麦Elymus sibiricus 同德Tongde
17 E1 垂穗披碱草Elymus nutans 果洛Guoluo
18 E2 垂穗披碱草Elymus nutans 西宁Xining
19 E3 垂穗披碱草Elymus nutans 西宁Xining
20 E4 垂穗披碱草Elymus nutans 西宁Xining
21 E5 老芒麦Elymus sibiricus 西宁Xining
22 E6 老芒麦Elymus sibiricus 西宁Xining
23 E7 老芒麦Elymus sibiricus 西宁Xining
1.2.2引物筛选与PCR扩增 从公布在国际小麦
族协作网(www.wheat.pw.usda.gov/)的小麦基
因组SSR和EST-SSR引物中挑选42对引物(引物
由上海生工生物工程公司合成)。参考李景环等[14]
的CTAB法提取所需披碱草属材料总DNA。PCR
反应体系和程序参照Rder等[15]的方法,通过优化
调整最终优化的25μL PCR扩增体系:模板DNA
1.5μL (50ng·μL
-1),10×PCR Buffer 2.5μL
(含 Mg2+),dNTP 2μL(2.5mmol·μL
-1),Taq
DNA聚合酶0.2μL(5U·μL
-1),上下游引物均为
1.0μL(10μmol·μL
-1);ddH2O补足体积。PCR
扩增条件:94℃预变性5min,94℃变性30s,55℃
退火30s,72℃延伸30s,共35个循环;最后72℃
延伸10min,4℃保存。所有反应在 Applied Bio-
systems PCR仪上进行。
1.2.3 SSR引物PCR产物的检测 扩增产物在8%
聚丙烯酰胺凝胶上用1×TBE缓冲液进行电泳分
离,经溴化乙锭稀释液染色后,用 Vilber Leurmat
自动成像系统照相。
2 结果与分析
2.1细胞学鉴定 观察根尖细胞有丝分裂中期分
裂相,可以很清楚地将四倍体(图1)和六倍体(图2)
区分开来。
  对引进的所有垂穗披碱草种质进行细胞学鉴定
结果表明,14份材料中有5份材料染色体数为28,
与预期染色体数42不符(表3)。因此,这5份材
料,虽然当初被采集者据形态学鉴定为垂穗披碱草,
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图1 6号材料(PI 531644)有丝分裂中期
Fig.1 Mitosis metaphase of
PI 531644
图2 1号材料(PI 499450)有丝分裂中期
Fig.2 Mitosis metaphase of
PI 499450
表3 引进垂穗披碱草材料细胞学鉴定结果
Table 3 Cytological identification results of the
introduced Elymus nutans
序号
No.
保存号
Conserved code
染色体数
Chromosome numbers
1 PI 499450  42
2 PI 499451  42
3 PI 499611  42
4 PI 504459  28
5 PI 531643  42
6 PI 531644  28
7 PI 531645  28
8 PI 547394  28
9 PI 619516  42
10 PI 619575  28
11 PI 619590  42
12 PI 628675  42
13 PI 628698  42
14 PI 655186  42
并被归类为垂穗披碱草种质,但实际上为老芒麦。
这些材料的采集地分布在四川、内蒙、青海、甘肃、新
疆等不同地点,并由不同采集者鉴定。由此可见,由
于老芒麦和垂穗披碱草形态上的相似性及在不同生
态环境下的变异性,其种质在形态鉴定上很容易混
淆。
对在青海采集的披碱草材料进行细胞学鉴定结
果表明,所有材料染色体数与预期相符,即同德老芒
麦、多叶老芒麦及其他3种野生老芒麦材料的染色
体数为28;而垂穗类披碱草材料的染色体数为42。
2.2 EST-SSR多态性初步筛选 考虑到六倍
体垂穗披碱草(染色体组为StHY)比四倍体老芒麦
(染色体组为StH)多一组染色体Y,因此对老芒麦
和垂穗披碱草多态性引物筛选中,能稳定地在垂穗
披碱草材料中扩增出可能来自 Y染色体组的额外
遗传位点的产物,以区别于老芒麦,有可能作为区别
老芒麦和垂穗披碱草较理想的分子标记。以经过细
胞学鉴定的15号材料同德老芒麦和16号材料多叶
老芒麦为老芒麦代表,11号和12号材料为垂穗披
碱草代表,利用已经过前期研究在披碱草中具有扩
增产物的42对小麦的SSR引物对这两类材料进行
多态性筛选,结果表明,42对 SSR 引物中,Xc-
wem38c可能稳定、重复地将这两类材料区分开,
Xcwem38c在垂穗披碱草材料中扩增出的在130~
180bp的多态性条带在老芒麦材料中缺乏(图3),
说明其能够较好地区分老芒麦和垂穗披碱草。
2.3 EST-SSR多态性标记的进一步验证 在
对多态性标记初步筛选中仅用了两对老芒麦和垂穗
披碱草材料。对引进的垂穗披碱草种质的细胞学鉴
定结果表明,这些材料中既有垂穗披碱草又有老芒
麦,由于这些材料来自于四川、内蒙、新疆、西藏、青
海、甘肃等地,在生态环境分布上跨距较大。为了进
一步验证筛选出的标记的有效性,利用Xcwem38c
对这些材料进行了扩增,结果表明,在15号同德老
芒麦和16号多叶老芒麦以及4、6、7、8和10号材料
中没有多态性条带的扩增产物出现,其余材料中(除
12号外)均在150bp左右有两条多态性条带,而12
号材料在约110和160bp有多态性条带,以区别于
老芒麦(图4)。
  对1~14号材料的细胞学鉴定表明,4、6、7、8
和10号材料为四倍体28条染色体,在本研究中这
5个材料中都没有多态性扩增产物,利用Xcwem38c
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图3 部分SSR引物扩增结果
Fig.3 The partial PCR amplification results of SSR primers
注:15为同德老芒麦;16为多叶老芒麦;11为PI 619590;12为PI 628675;M为 Maker。
Note:15,E.sibiricus‘Tongde’;16,E.sibiricus‘Qingmu No.1’;11,PI 619590;12,PI 628675;M,Maker.
图4 引物Xcwem38c在14份引进材料上的扩增结果
Fig.4 The amplification results of primer Xcwem38cin 14introduced material
注:15为同德老芒麦;16为多叶老芒麦;1~14同表1;M为 Marker。
Note:15,E.sibiricus‘Tongde’;16,E.sibiricus‘Qingmu No.1’;1~14,same as Table1;M,marker.
引物对这些材料的鉴定结果与细胞学鉴定的结果非
常一致。12号材料多态性条带分子量大小有别于
其他六倍体垂穗披碱草材料,表明这个材料可能与
其他种质具有较大的遗传分化。由于这些材料生境
分布上距离比较远,而利用Xcwem38c扩增出的多
态性分子标记能稳定地将这些材料辨别,表明筛选
到的SSR引物Xcwem38c能够准确地在分子水平
上将老芒麦和垂穗披碱草区分开来。
2.4 EST-SSR多态性标记在青藏高原野生材
料中的广泛性验证 利用Xcwem38c对不同来
源的老芒麦和垂穗披碱草材料进行扩增时,无论是
老芒麦还是垂穗披碱草中都会在100bp左右有一
条带在两个物种中稳定扩增出现,而在其他试验材
料中150bp左右大多有两条多态性条带。为了进
一步验证SSR引物Xcwem38c的稳定性、可靠性和
广泛性,选取具有代表性的青藏高原野生老芒麦和
垂穗披碱草材料,进行PCR扩增反应(图5)。17~
20号和21~23号材料都是经过形态学和细胞学鉴
定的野生垂穗披碱草和老芒麦材料,Xcwem38c在
这些野生材料中的PCR扩增结果和细胞学鉴定结
果相吻合。结果表明,SSR引物Xcwem38c可以在
这些材料中进行稳定性扩增,进一步验证筛选到的
EST-SSR引物Xcwem38c能够准确可靠地在分子
水平上将老芒麦和垂穗披碱草区分开来。
3 讨论与结论
垂穗披碱草和老芒麦都是披碱草属的常见种,
分类学家常常根据外部形态学性状进行区分,垂穗
披碱草形态学性状主要表现为,穗状花序紧密、小穗
排列多偏向于穗轴一侧等特征,而老芒麦则表现为
穗状花序疏松、小穗排列不偏于穗轴一侧的特
征[16-17]。对从美国引进的垂穗披碱草种质的鉴定以
及有关研究[4]的结果来看,在不同生态环境中老芒
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图5 引物Xcwem38c在野生材料上的扩增结果
Fig.5 The amplification results of primer Xcwem38cin 12wild material
注:11为PI 619590;12为PI 628675;15为同德老芒麦;16为多叶老芒麦;17~23同表2;M为 Marker。
Note:11,PI 619590;12,PI 628675;15,E.sibiricus‘Tongde’;16,E.sibiricus‘Qingmu No.1’;17~23,same as Table 2;M,
marker.
麦和垂穗披碱草种质,由于对环境的适应性,形态学
上的某些变异常会对这两种草种的鉴定造成干扰。
DNA分子标记是一类不依赖于形态学的遗传标记,
由于分子标记鉴定是对生物体遗传物质的直接鉴
定,相对于形态学标记鉴定,分子标记鉴定更为直
接、客观、准确。垂穗披碱草和老芒麦在细胞学上倍
性不同,在本研究中,通过细胞学鉴定以及在广泛筛
选出的小麦EST-SSR引物Xcwem38c扩增出的多
态性标记可以对垂穗披碱草和老芒麦进行有效辨
别。
本研究利用在小麦中开发出的SSR标记,进行
了可区分老芒麦和垂穗披碱草的多态性标记筛选。
结果表明,一些SSR标记尤其是EST-SSR标记在
不同物种之间具有良好的通用性。对披碱草属
SSR标记研究较早的Sun等[18],曾经成功地利用小
麦SSR引物对披碱草属物种进行了种群遗传多样
性分析;MacRitchie和Sun[19]也曾经利用来自小麦
和大麦(Hordeum vulgare)的SSR引物对细茎披
碱草(E.trachycaulus)的遗传多样性分析,并指出,
麦类SSR引物在小麦族近缘物种中具有一定的通
用性;严学兵等[20]通过对不同来源SSR标记在中
国披碱草属植物的通用性和效率评价指出,亲缘关
系较近的小麦以及披碱草属SSR引物遗传分析的
效率更高,即亲缘关系越近SSR引物通用性越好。
由于目前直接从老芒麦和垂穗披碱草中开发出来可
供利用的SSR标记缺乏,因此利用亲缘关系较近物
种中已经开发出来的SSR引物也不失为一条较好
的捷径。
老芒麦和垂穗披碱草是青藏高原高寒区重要的
禾本科类牧草,DNA分子标记的应用,将有效促进
这两类牧草种质资源的搜集、鉴定以及育种引用。
随着SSR分子标记开发技术的改进[21],开发老芒
麦和垂穗披碱草自身的SSR引物显得更为经济、简
便、可行。本研究从42对小麦的SSR引物中筛选
到了一对可以区分老芒麦和垂穗披碱草的引物,在
今后的研究中,在开发大量老芒麦和垂穗披碱草自
身的SSR引物的基础上,可筛选出更多重复、稳定
地进行物种区分的分子标记,并有望能在分子水平
上对老芒麦和垂穗披碱草种质的不同生态型进行准
确区别和鉴定。
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Distinguishing Elymus nutans fromElymus sibiricus in
Qinghai-Tibet Plateau using a SSR marker
LEI Yun-ting1,2,DOU Quan-wen1
(1.Northwest Institute of Plateau Biology,Chinese Academy of Sciences,Xining 810001,China;
2.Graduate university of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abtract:Elymus nutans and E.sibiricus,which belong to Elymus genus of the Triticeae,are perennial
herbaceous plants.These two species are high-quality forage grasses which wildly planted in China,espe-
cialy in alpine zone of Qinghai-Tibet Plateau.Due to eco-adaptive variation,it was often confusing while i-
dentifying some wild germplasms between them.In order to distinguish E.nutans fromE.sibiricus,mate-
rials colected from Sichuan,Gansu and Tibet and somewhere else were screened using 42SSR primers,in-
cluding 21genomic SSR and 21EST-SSR,which located on the 21chromosomes of wheat.The results
showed that a EST-SSR primer Xcwem38ccould produce 3bands in E.nutans and 1band in E.sibiricusin
PCR system.It indicated that the band with 100bp presented in both E.nutans and E.sibiricus,while two
contiguous bands with 150bp were only existed in E.nutans.Thus,the two bands could be used to distin-
guish E.nutans fromE.sibiricus.At the same time,the results obtained from further cytological identifi-
cation study were consistent with the molecule marker,which supported the conclusion that the EST-SSR
primer Xcwem38ccould be used to distinguish E.nutans fromE.sibiricus effectively.
Key words:Elymus nutans;Elymus sibiricus;SSR marker
Corresponding author:DOU Quan-wen E-mail:douqw@nwipb.cas.cn
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