全 文 :2013年12月 甘 肃 农 业 大 学 学 报 第4 8卷
第6期104~109 JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY 双 月 刊
基于SSR标记的迎春樱自然居群遗传
多样性分析
商韬1,王贤荣1,南程慧2,张琼1
(1.南京林业大学森林资源与环境学院,江苏 南京 210037;2.南京森林警察学院,江苏 南京 210037)
摘要:采用SSR分子标记对迎春樱(Cerasus discoidea)4个居群共112个单株的遗传多样性进行了研究.结果
显示:15对SSR引物共检测到54条等位基因,平均每位点等位基因3.6个,平均多态位点比率为86.67%.Nei′s基
因多样性指数为0.367 6~0.499 0,Shannon信息指数为0.588 3~0.851 5.分子方差分析(AMOVA)表明,迎春樱
78%的遗传变异来自居群内,22%的遗传变异来自于居群间.居群间基因流(Nm)为0.694 4,遗传分化系数(Fst)
为0.264,表明迎春樱居群间的遗传分化水平较高,基因交流受阻.聚类分析结果显示,4个居群可聚为2支.对迎春
樱居群中等遗传多样性和居群间较高遗传分化形成的可能原因进行了分析,并提出了迎春樱的保护利用策略.
关键词:迎春樱;居群;SSR;遗传多样性
中图分类号:S 685.99 文献标志码:A 文章编号:1003-4315(2013)06-0104-06
第一作者:商韬(1989-),男,硕士研究生,研究方向为植物资源学.E-mail:shangtao1122@126.com
通信作者:王贤荣,女,教授,博导,研究方向为植物分类学、植物资源学.E-mail:wangxianrong66@njfu.edu.cn
基金项目:江苏省农业科技支撑计划(BE2012346).
收稿日期:2013-09-10;修回日期:2013-10-24
Genetic diversity in natural populations of Cerasus
discoideabased on SSR markers
SHANG Tao1,WANG Xian-rong1,NAN Cheng-hui 2,ZHANG Qiong1
(1.Colege of Forest Resources and Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;
2.Nanjing Forest Police Colege,Nanjing 210037,China)
Abstract:Genetic diversity of 112individuals from 4 Cerasus discoidea populations was investigated u-
sing 15SSR markers.A total of 54aleles were amplified,and the mean number of aleles per locus was
3.6,the average of polymorphic locus percentage was 86.67%.The Nei's diversity index was 0.367 6~
0.499 0and Shannon's diversity was 0.588 3~0.851 5.The AMOVA analysis showed that the majority of
genetic variation occurred within populations(78% ),and 22%occurred among the populations.The coeffi-
cient of genetic differentiation(Fst)and gene flow(Nm)were 0.264and 0.694 4,which indicated that the
genetic differentiation was relatively evident,with fewness gene flow in Cerasus discoidea populations.The
4populations were divided into 2clades according to genetic distance.The possible formation of the middle
level genetic diversity and the high genetic differentiation were discussed,and further strategies and sug-
gestions for utilization and conservation of these resources were proposed.
Key words:Cerasus discoidea;populations;SSR;genetic diversity
第6期 商韬等:基于SSR标记的迎春樱自然居群遗传多样性分析
迎春樱(Cerasus discoidea)隶属于蔷薇科(Ro-
saceae)李亚科(Prunoideae)樱属(Cerasus),为樱属
资源的中国特有种,分布于我国的安徽、江西、浙江
等省,生于海拔200~1 100m的山谷林中或溪边灌
丛中[1].其花期较早,花色淡雅,树姿轻盈,花开时极
为美观,具有较高的观赏价值,开发利用前景广
阔[2].有关该种居群变异、群落生态学等方面的研究
结果表明:迎春樱叶部、花部表型变异相对较大,在
野生群落中种群衰退明显,自然更新困难,加之人为
的干扰与破坏严重,属渐危类群[3].Nei等[4]研究表
明:物种表型进化是由相互作用的基因突变引起的,
不同分类等级物种的表型多样性是新突变和遗传基
因的累积产物,新突变基因通过自然选择和基因漂
变被纳入基因组中并产生遗传保守性,从而影响表
型进化的方向.因此,深入研究迎春樱遗传多样性水
平及居群遗传结构,对科学有效地制定迎春樱资源
保护策略、引种驯化以及开发利用具有重要意义.
在日益发展的众多分子标记技术中,微卫星
(microsatelite)DNA,即简单重复序列(simple se-
quence repeat,SSR)因其广泛分布于基因组、共显
性、重现性好、多态性丰富等特点,被广泛应用到居
群遗传结构分析、系统发育与进化、种质资源鉴定和
评价等领域[5-8].SSR在樱属植物中的应用多见于国
外[9-11].在国内,吕月良[12]应用SSR技术对福建山
樱花(C.campanulata)的居群遗传多样性进行了研
究.张琪静等[13]进行了甜樱桃(C.avium)品种SSR
指纹检索系统的开发及遗传多样性分析.目前国内
外尚未见采用SSR标记对迎春樱居群遗传多样性
及居群遗传结构进行研究的报道.本研究采用SSR
分子标记技术,对迎春樱主要分布区的4个天然居
群的遗传多样性水平、居群遗传结构以及居群间的
亲缘关系进行了分析,以期明确迎春樱主要分布区
现存居群的遗传多样性水平及居群遗传结构,以此
为迎春樱资源的有效保护和合理利用提供参考依
据,也为探明迎春樱的起源、演变等提供基础资料.
1 材料与方法
1.1 试验材料
本研究选取分布于安徽黄山、江西庐山、浙江天
目山、浙江白云山4个迎春樱自然居群进行取样,各
居群的概况见表1.根据居群现有分布规模,每个居
群随机选取20株以上生长状况良好的植株作为样
株,总株数不足20株的居群则全部选为样株,4个
居群共计112个样株.在样株上采集健康的幼嫩叶
片,放入装有干燥硅胶的自封塑料袋中干燥,备用.
表1 4个迎春樱居群采样点概况
Tab.1 Description of the four sampling sites of Cerasus discoidea
居群代号 居群来源地 样本数量 海拔/m 纬度 经度
HS 安徽黄山 32 830 30°09′ 118°07′
LS 江西庐山 16 574 29°36′ 115°55′
TMS 浙江天目山 34 606 30°21′ 119°26′
BYS 浙江白云山 30 432 28°24′ 119°54′
1.2 DNA提取和SSR-PCR
采 用 改 良 CTAB 法 提 取 叶 片 基 因 组 总
DNA[14].并用紫外分光光度计与1%的琼脂糖凝胶
电泳检测DNA的浓度和质量.从相关研究中[15-17]
选择30对引物进行扩增反应预试验,筛选出扩增条
带清晰、多态性丰富、重复性好的15对引物(表2)
用于SSR扩增反应.引物均由南京金斯瑞生物科技
有限公司合成.
SSR-PCR扩增反应在TC-E型PCR仪(Bioer)
上进行,PCR反应相关试剂均购自上海捷瑞生物工
程有限公司.反应体系为:模板DNA 0.5μL(DNA
浓度为40~60ng/μL),上下游引物各0.3μL,Mix
混合液5μL,加双蒸水补足至10μL.扩增程序为:
94℃预变性5min;94℃变性45s,55~58℃退火
45s,72 ℃延伸45s,共35个循环;72 ℃延伸
8min.PCR扩增产物用8%的变性聚丙烯酰胺凝胶
电泳分离,改良银染法染色[18],对所呈现的带谱进
行拍照统计.
1.3 数据分析
选择清晰、可重复的条带统计,用 A、B、C等大
写字母进行记录,无带记为“.”.用Popgene 1.32软
件[19]计算等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、
501
甘 肃 农 业 大 学 学 报 2013年
表2 筛选出的SSR引物序列特征
Tab.2 The characteristics of SSR primers
引物 引物序列(5′→3′) 长度/bp 退火温度/℃ 参考文献
AM287648
F:ATGATGCTACCACAAGGGACTCGT
R:GTTTAGCTGCACATACGCTTTTACCTCC
270-355 55 Yoshiaki et al.2009
AM287842
F:ATTTGACAGTGAGGACATGACCGA
R:GTTTACAATTAAAGGTGGGTTAGGGCCA
150-170 55 Yoshiaki et al.2009
AM288205
F:AGGAACTTTGGCCATATGAATGAT
R:GTTTGTTGCAATAGTCCCATCACTGC
181-185 55 Yoshiaki et al.2009
DN553427
F:ACTGACTCATGCGGTTATATGCAG
R:GTTTAAGGTCGACAACTACTGTACAATGC
201-209 55 Yoshiaki et al.2009
DN554499
F:ATAGTGCAGTTGAGAAACGAGCAG
R:GTTTAAGGTGCAGTTCGTTGTCGATGT
207-225 55 Yoshiaki et al.2009
DY638687
F:ACACTCGGATCATAGAAATCTCCG
R:GTTTCCTGAAACCCTGTTGTCGAAT
148-151 55 Yoshiaki et al.2009
DY640364
F:ACAACTCTTTCTGGGTTCATTGCT
R:GTTTAAAACTCGTATGCTTCCCAAGGGT
228-238 55 Yoshiaki et al.2009
DY640849
F:ACACTCGGATCATAGAAATCTCCG
R:GTTTCCTGAAACCCTGTTGTCGAAT
292-318 55 Yoshiaki et al.2009
DY647422
F:AGACACCCTATCACAATGTCGCAA
R:GTTTGCGAACAGCGATAACCTTAATCC
156-158 55 Yoshiaki et al.2009
pchgms3
F:ACGCTATGTCCGTACCATCTCCATG
R:CAACCTGTGATTGCTCCTATTAAAC
170-230 56 Downey L.et al.2000
PS12A02
F:GCCACCAATGGTTCTTCC
R:AGCACCAGATGCACCTGA
150-178 56 Downey L.et al.2000
PceGA34
F:GAACATGTGGTGTGCTGGTT
R:TCCACTAGGAGGTGCAAATG
145-198 58 Downey L.et al.2000
M9a
F:GCCGAAACCCTAGGTGAGCG
R:CAGGATGCTTGCGGTGCTTG
133-163 58 Satoshi O.et al.2005
PMS2
F:CACTGTCTCCCAGGTTAAACT
R:CCTGAGCTTTTGACACATGC
132-152 58 Cantini et al.2001
PMS3
F:TGGACTTCACTCATTTCAGAGA
R:ACTGCAGAGAATTTCACAACCA
185-213 58 Cantini et al.2001
等位基因预期杂合度(He)、等位基因观察杂合度
(Ho)、Nei′s基因多样性指数(H)、Shannon信息指
数(I)和多态性条带百分率(PPL),来估算遗传多
样性水平;采用GenALEx 6软件[20]进行分子方差
分析(AMOVA),估测遗传变异在居群内和居群间
的分配情况;基于等位基因频率,在假设遗传平衡的
条件下,计算居群间的遗传分化系数(Fst)和基因流
(Nm),并据Popgene计算得到的 Nei′s遗传距离
(GD)和遗传一致度(GI),用 UPGMA方法进行聚
类,分析各居群之间的遗传关系.
2 结果与分析
2.1 居群的遗传多样性
应用Popgene 1.32软件对迎春樱4个居群的
遗传多样性进行统计分析,结果如表3所示.在物种
水平上,筛选出的15对SSR引物在112份样品上
共检测到54条等位基因,位点平均观察等位基因数
为3.6,平均有效等位基因数为2.53,多态位点百分
率达100.00%,平均期望杂合度为0.561 2,Shan-
non多样性指数为0.971 0.图1为引物PMS3在
HS居群上的扩增电泳图.
在居群水平上,15对引物揭示的迎春樱群体的
Shannon多样性指数范围为0.588 3~0.851 5,平
均值为0.712 6;期望杂合度的变化范围为0.374 5
~0.508 1,平均值为0.444;观测杂合度的变化范围
是0.191 1~0.256 9,平均值为0.216 5;Nei′s基因多
样性指数的变化范围是0.367 6~0.499 0,平均值为
0.558 0;有效等位基因数的变化范围是1.727 4~
2.297 0,平均值为1.991 6.可见,迎春樱各居群的遗
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第6期 商韬等:基于SSR标记的迎春樱自然居群遗传多样性分析
传多样性水平较丰富,其中天目山(TMS)居群的遗传
多样性水平最高,白云山(BYS)居群遗传多样性水平
最低,各居群的遗传变异由高到低依次为TMS居群
>HS居群>LS居群>BYS居群.
1~32:安徽黄山(HS)居群的1~32号单株;M:pBS DNA/Msp I
图1 引物PMS3对迎春樱基因组DNA的扩增图谱
Fig.1 SSR amplification pattern of Cerasus discoidea genomic DNA by primer PMS3
表3 4个迎春樱自然居群的遗传多样性分析
Tab.3 The genetic diversity for the four wild populations of Cerasus discoidea
居群代号
观察等位
基因数(Na)
有效等位
基因数(Ne)
观测杂
合度(Ho)
期望杂
合度(He)
Nei′s基因
多样性指数
(H)
Shannon
指数(I)
多态位点
比率/% (PPL)
HS 3.133 3 2.204 7 0.256 9 0.478 9 0.470 5 0.806 9 93.33
LS 2.285 7 1.737 4 0.217 7 0.418 0 0.383 2 0.603 7 80.00
TMS 3.133 3 2.297 0 0.200 2 0.508 1 0.499 0 0.851 5 93.33
BYS 2.428 6 1.727 4 0.191 1 0.374 5 0.367 6 0.588 3 80.00
平均 2.745 2 1.991 6 0.216 5 0.444 9 0.430 1 0.712 6 86.67
种级水平 3.600 0 2.530 4 0.221 7 0.561 2 0.558 0 0.971 0 100.00
2.2 居群的遗传分化
采用分子方差分析(AMOVA)迎春樱自然居群
微卫星位点的变异总量及在群体间和群体内的分布
进行了确定,结果表明,迎春樱有22%的遗传变异
存在于居群间,78%的遗传变异存在于居群内(表
4),居群内的遗传变异大于居群间的遗传变异,居群
内变异是其居群的主要变异来源.该结果与由居群
间的遗传分化系数(Fst=0.264)得到的结果相一
致.此外,居群间的基因流(Nm)为0.694 4,表明居
群间基因交流受阻,由遗传漂变等因素引起的居群
间遗传分化较大.
2.3 遗传距离和聚类分析
根据Nei方法计算出不同居群的遗传距离和遗
传一致度(表5).居群间遗传距离范围为0.239 2~
0.506 3,遗传一致度范围为0.602 7~0.787 3,
TMS与LS居群的遗传距离最大,遗传一致度最
表4 迎春樱自然居群的AMOVA分析
Tab.4 AMOVA analysis of the wild populations of Cerasus discoidea
变异来源 自由度 方差总和 平均方差 变异组分
变异百
分率/%
P
居群间 3 97.603 32.534 1.052 22 <0.01
居群内 108 398.844 3.693 3.693 78 <0.01
总量 111 496.446 4.745 100
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甘 肃 农 业 大 学 学 报 2013年
低,分别为0.506 3和0.602 7,TMS与BYS居群
间遗传距离最小,遗传一致度最高,分别为0.239 2
和0.787 3.
表5 居群间的Nei′s遗传距离(GD)和
遗传一致度(GI)
Tab.5 Nei′s genetic distance and genetic identity
among populations
居群代号 HS TMS LS BYS
HS **** 0.752 7 0.750 8 0.645 8
TMS 0.284 1 **** 0.602 7 0.787 3
LS 0.286 6 0.506 3 **** 0.617 6
BYS 0.437 2 0.239 2 0.481 9 ****
下三角:Nei′s遗传距离;上三角:遗传一致度.
利用 Nei′s遗传距离,采用平均聚类法(UPG-
MA)对4个迎春樱自然居群进行聚类.4个居群被
分为2个类群,来自浙江的TMS与BYS居群聚为
一组,居群遗传距离最近,来自安徽的 HS居群与江
西的LS居群聚成另一组(图2).
图2 基于Nei′s遗传距离的居群
UPGMA聚类图
Fig.2 UPGMA dendrogram based on Nei′s
genetic distance
3 讨论与结论
3.1 迎春樱自然居群及其物种水平遗传多样性
SSR分子标记在研究植物居群基因组的基因
漂流、遗传多样性及种质资源保护上有很大的潜力.
本试验利用SSR分子标记技术对迎春樱4个自然
居群的112个个体进行分析,结果表明,迎春樱物种
水平的多态位点比率为100.00%,位点平均观察等
位基因数为3.6,平均有效等位基因数为2.53;
Nei′s遗传多样性指数为0.558 0,Shannon多样性
指数为0.971 0.Shannon指数和Nei′s指数既可以
反映条带的丰富程度,又能反映均匀程度,而丰富度
与均匀度是衡量多样性的2个重要指标[21].在居群
水平上,Nei′s指数计算的各种群遗传多样性比
Shannon指数计算的值偏低,二者估计的各种群内
平均遗传多样性的变化趋势一致.其中,天目山
(TMS)居群的遗传多样性水平最高,白云山(BYS)
居群遗传多样性水平最低,各居群的遗传变异由高
到低依次为TMS居群>HS居群>LS居群>BYS
居群.苏倩[22]利用SSR分子标记技术分析了福建
山樱花野生群体的遗传多样性,得出福建山樱花
Shannon指 数 平 均 为 1.426 9,Nei′s 指 数 为
0.689 3;蔡宇良[23]利用DNA扩增片段序列对野生
中国樱桃种质资源的遗传分析,得出野生中国樱桃
Shannon指数为0.380 8,Nei′s指数为0.243 7.从
数值上看迎春樱物种存在中等水平的遗传多样性,
说明迎春樱有较强的适应环境的能力及其被改造和
利用的潜力.但是,由于迎春樱本身生长的自然环境
恶劣,野外种群数量不多,再加之人类肆意不科学地
开发利用,迎春樱面临着遗传多样性丢失的严峻形
势.因此,应该加大迎春樱资源保护的力度,科学地
开发利用.
3.2 迎春樱自然居群的遗传结构
遗传分化是反映遗传结构的重要指标.植物居
群间的遗传分化是长期进化的结果,包括分布范围
的改变、生境的片断化和居群的隔离等,是基因突
变、遗传漂变、基因流以及自然选择等因素的综合反
映[24].Weight研究指出遗传分化系数Fst>0.25,
则群体间存在的遗传差异很大[25].迎春樱居群在
SSR分子水平上,其遗传分化系数(Fst)为0.264,说
明其居群间遗传分化程度较高.分子方差分析
(AMOVA)结果也表明,迎春樱有22%的遗传变异
存在于居群间,78%的遗传变异存在于居群内,居群
内变异是其居群的主要变异来源.这与亲缘关系较
近的其它樱属植物基于SSR标记的研究有类似结
果[14].UPGMA聚类分析结果显示4个居群被分为
2个类群,遗传距离与地理位置没有明显的相关性.
基因流(Nm)一定程度上能反应居群间遗传物
质的交流.Wright认为,如果居群间基因流指数
Nm>1,基因流则能发挥均质化作用,可有效防止
不同地区亚居群间遗传分化的产生;反之,如果居群
间基因流指数Nm<1,则各居群间基因交流受阻,
居群走向遗传分化[25].迎春樱居群间基因流Nm为
0.694 4,表明迎春樱居群间基因交流受阻,遗传漂
变导致居群间产生较大的遗传分化.对此推测为迎
801
第6期 商韬等:基于SSR标记的迎春樱自然居群遗传多样性分析
春樱居群分布范围狭窄,且在空间上相互隔离,致使
花粉和种子等的迁移受限,从而导致各居群基因交
流受阻,遗传分化增大.此外,群体的种子来源、形成
机制和演化历史可能有所不同,逐渐形成了迎春樱
现在的遗传结构.
3.3 迎春樱种质资源的保护策略
根据野外实地调查得知,迎春樱自然居群分布
范围狭窄,加之人为破坏严重、生境破碎化、有性生
殖存在障碍等因素的影响,迎春樱已经逐渐步入渐
危物种的行列.结合本研究迎春樱自然居群间遗传
分化较大的结果,认为在迎春樱种质资源保护策略
上,应在较大范围内保护现有个体数量维护居群的
完整性,同时应防止边缘个体因人为开采被损伤而
造成潜在变异资源流失;在对该种资源进行就地保
护时,应设立多个保护点保护自然居群及其周围生
境,让其进行自然更新,扩大居群的规模;同时继续
对迎春樱的繁殖技术做更深入细致的研究,解决大
规模生产中的实际问题,建立种质资源圃和良种基
因库等措施都对迎春樱这一观赏价值极高的特有种
的保护及开发利用具有重要的现实意义.
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