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湖南主要南天竹种质资源遗传多样性的ISSR分析



全 文 :·园林花卉·植物 北方园艺 2009(1):166~ 170
作者简介:唐丽(1966-),女,湖南祁阳人, 博士 ,副教授, 现主要从
事森林培育及观赏园艺的教学与科研工作。E-mail:lily0286rose
@163.com。
基金项目:湖南省教育厅科研资助项目(05C328)。
收稿日期:2008-08-30
湖南主要南天竹种质资源遗传多样性的 ISSR分析
唐  丽
(中南林业科技大学 资源与环境学院 ,湖南长沙 410004)
  摘 要:南天竹是我国广泛分布的集观赏 、生态 、药用一体的常绿灌木。以湖南省 13个不同
地区的南天竹种群为试样 ,首次建立了优化的适用于南天竹种源遗传多样性研究的 ISSR-PCR反
应体系 ,并从100条随机引物中筛选出 10条重复性好 、条带特异 、多态性明显的引物 ,平均每条引
物可扩增出 4.8条多态带 ,多态率为 85.7%,扩增片段长度范围为 300 ~ 1 600 bp。遗传距离和遗
传一致度的分析结果表明 ,邵东县与宜章县种源之间的遗传距离最小 ,而张家界与衡山县种源之
间的遗传距离最大。对南天竹 13个种源的遗传距离分析 、聚类分析和主坐标排序分析结果表
明 ,邵东县 、祁阳县 、韶山市与宜章县的种源聚为一类 ,芦淞区与新化县的种源聚为一类 ,柏加镇 、
岳阳县与黄花镇的种源聚为一类 ,洪江县、桃江县 、张家界与衡山县的种源同其它三类的亲源关
系较远 ,且彼此单独为一类。
关键词:南天竹;ISSR;体系优化;遗传距离;种源鉴定
中图分类号:S 795(264) 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2009)01-0166-05
  南天竹(Nandina domestica)属小檗科南天竹属植
物 ,是一种具有观赏 、生态 、药用等多种价值的常绿灌
木。南天竹原产我国和东亚 ,野生在温湿环境山谷或山
坡的杂林和灌木林下 ,适合在温暖 、半荫 、湿润 、肥沃、通
风、排水良好的土壤等环境中生长。在我国 ,南天竹主
要分布于江苏 、浙江、安徽 、江西 、湖北 、湖南 、四川 、陕西 、
河北等地 ,现各地庭园都有栽培[ 1] 。
南天竹枝干挺拔如竹 ,羽叶开展而秀美。南天竹的
叶、根 、茎 、果含多种生物碱 ,其根 、茎 、叶 、果实均可药用。
根、茎 、叶味苦 、性寒 ,有祛风 、清热 、除湿 、化痰 、镇咳止咳
等功能 ,主治感冒发热 、肺热咳嗽 、湿热黄疸等症;果实
味酸甘 、性平 、有小毒 ,有敛肺止咳 、清肝明目之功能 ,用
于久咳 、哮喘 、百日咳 、疟疾 、下疳溃烂等症的治疗 ,还可
外敷 ,治疗烫伤 、烧伤等症。南天竹种子含油约为 12%,
可以榨油。叶含鞣质 ,可以作为鞣料植物[ 2] 。光照对南
天竹叶色形成有明显的作用 ,在强光下叶片呈红色 ,光
照较弱时则为绿色 ,因而 ,南天竹叶色随四季由白转黄 、
青、红 、紫色 ,在园林中具有极好的观赏效果[ 3-4] 。南天竹
在绿化 、保持水土、改良土壤以及人工繁殖栽培等方面
已有较为广泛的研究与应用 ,特别是野生南天竹驯化栽
培、优良品种的植物组织培养与快速繁殖 、夏季扦插繁
殖育苗技术等方面取得了较好的研究进展[ 5-8] 。因而 ,
南天竹已广泛应用于环境绿化 、园林美化 、空气净化 、涵
养水源、防风固沙、保持水土等 ,是我国南方生态环境恶
劣的石灰岩地区的生态环境改善的主要灌木之一[ 9-10] 。
虽然在栽培 、观赏、药用 、形态 、生理等方面对南天
竹有了一定的研究 ,但是在分子生物学水平上 ,尤其关
于它的遗传多样性及品种鉴定的研究在国内外仍是空
白。目前国内外关于南天竹的种质资源评价与遗传多
样性研究等报道极少 ,亟待开展相关研究 ,特别是分子
标记应用研究。目前 , ISSR(Inter-simple sequence re-
peat)分子标记技术在植物遗传作图 、基因定位 、种质资
源与品种鉴定 、遗传多样性分析等方面有着较多的应
用 ,但国内外尚未有 ISSR在南天竹上应用的报道。因
此 ,该研究以多份南天竹种质资源为试材 ,建立并优化
了南天竹 ISSR-PCR反应体系 ,为在 DNA 水平上对南
天竹种质资源进行分析和确定核心种质奠定了重要基
础 ,为我国南天竹地方种源的保护和园林开发利用提供
了科学依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
研究所用的南天竹种群采自湖南省13个不同的地
区 ,在长沙中南林业科技大学试验点集中试验栽培的种
源(表1)。选取有代表性的样株 ,单株采样 ,每株取叶片
4 ~ 5枚 ,洗净后 ,存放至-70℃超低温冰箱。 ISSR引物
参照哥伦比亚大学(UBC)设计的 100条随机引物序列 ,
由上海英骏生物技术有限公司合成。
1.2 试验方法
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北方园艺 2009(1):166 ~ 170 植物 ·园林花卉 ·
1.2.1 南天竹叶片总 DNA的提取 、纯化及测定 采用
改良 CTAB 法提取南天竹叶片的基因组 DNA ,并对提
取的基因组 DNA 进行适宜的纯化处理[ 11-12] 。取 2 μL
DNA样品于 1.0%的琼脂糖凝胶中电泳检测。用核酸
蛋白分析仪测定 DNA 样品的 OD260和OD280的值 ,并计
算其纯度及浓度。
  表 1 南天竹的13个种源
编号 来源 备注
01 洪江县 怀化地区
02 柏加镇 浏阳地区
03 岳阳县 岳阳地区
04 黄花镇 长沙地区
05 邵东县 邵阳地区
06 桃江县 益阳地区
07 祁阳县 永州地区
08 韶山市 湘潭地区
09 张家界 湘西地区
10 衡山县 衡阳地区
11 芦淞区 株洲地区
12 宜章县 郴州地区
13 新化县 娄底地区
1.2.2 ISSR-PCR反应体系的优化 在对南天竹的全
部样品进行 ISSR扩增前 ,为了保证结果的可靠性 、重复
性 ,首先要建立稳定的反应体系 ,对其 PCR扩增体系进
行优化。为此 ,就南天竹 ISSR-PCR反应体系中的DNA
模板浓度 、Taq 酶用量 、Mg2+浓度 、dNTPs浓度 、引物浓
度和退火温度等因素进行优化试验 ,以建立重复性强 、
结果清晰而稳定的南天竹 ISSR-PCR反应体系和循环条
件。ISSR-PCR产物于 1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测。
1.2.3 ISSR的引物筛选 利用 ISSR分子标记对南天
竹种源进行遗传多样性分析 ,首先要在100条引物中筛
选出适合 ISSR-PCR扩增 、扩增条带清晰且多态性较好
的引物 ,然后再对不同的南天竹基因组 DNA进行全面
有效的扩增 ,以保证试验结果的可靠 、科学和高效。随
机选取 4个不同的样品 ,采用优化的 ISSR-PCR反应体
系和适应的退火温度 ,对全部 100条 ISSR随机引物进
行筛选。
1.2.4 ISSR的数据统计与分析 按照相同迁移位置上
有扩增带记为“1” 、无记为“0”的方法记录每个引物的电
泳谱带 ,且仅记录清晰 、重复性好的扩增条带 ,并将“0” 、
“1”数据输入 Excel表格中用于下一步分析。应用软件
POPGENE 1.31对所得数据进行多态性位点百分数 、遗
传一致度和遗传距离的分析[ 13] 。根据遗传一致度系数
矩阵 ,对南天竹 13个种源群体进行 UPGMA法聚类并
形成树状图[ 14] 。应用软件 MVSP 32对南天竹 13个种
源的多样性进行主坐标分析(PCOA),并建立了三维主
坐标图。
2 结果与分析
2.1 南天竹叶片基因组DNA提取质量
试验对 13个种源南天竹叶片进行了基因组 DNA
抽提 ,纯化后用 TE缓冲液定容至 100 μL ,并电泳检测
(图1),结果表明 ,所获得的基因组 DNA条带清晰 ,无明
显拖带 ,说明改良 CTAB 法适合南天竹叶片基因组
DNA的提取。用核酸蛋白分析仪检测基因组 DNA浓
度和纯度 ,所提取的 13个南天竹叶片 DNA的浓度分别
为 50~ 180 ng/μL ,且纯度 R值(OD260/OD280)在 1.7 ~
1.8之间 ,表明纯度较高 ,可满足后续 ISSR-PCR试验的
要求。为了配置一致的 PCR反应体系 ,将 13个 DNA
样品的浓度相应地稀释至 30 ng/μL。
图 1 南天竹叶片基因组 DNA电泳图
注:1~ 13泳道分别对应表 1中的南天竹 13个种源。
2.2 ISSR-PCR反应体系的优化
分别对模板 DNA 浓度 、Taq 酶用量 、Mg2+浓度、
dNTPs浓度 、引物浓度 、退火温度等 ISSR-PCR的反应
体系进行了优化。模板 DNA 浓度分别设置了 10 、20、
30 、40 、50 、60 、70 、80 ng/μL 8种不同的模板梯度;Taq 酶
用量分别设置了0.25 、0.50 、0.75、1.00、1.25 U共5个酶
含量梯度;Mg2+浓度分别设置了 2.0 、2.5 、3.0 、3.5
mmol/ L共4个浓度梯度;dNTPs浓度分别设置了 120、
160、200 、250μmol/L共 4个浓度梯度;引物浓度分别设
置了 0.1 、0.2、0.4 、0.5μmol/L 共4个浓度梯度;退火温
度分别设置了50 、52 、53、54 、56℃共 5个退火温度梯度。
优化后的 ISSR-PCR反应体系为:DNA 模板 50 ng/μL ,
Taq 酶0.50 U ,Mg2+2.5 mmol/L ,dNTPs 200 μmol/L ,
引物 0.4μmol/L ,退火温度 54℃。在该反应体系下 ,能
扩增出较多清晰特异的 DNA条带 ,长度分布适中 ,背景
低(图2)。
优化后的反应体系和应用程序为:20μL PCR体系
中 ,1 x Taq 酶配套缓冲液 ,0.5 U Taq DNA聚合酶 ,0.4
μmol/L 引物 ,200 μmol/L dNTPs , 2.5 mmol/L MgCl2 ,
50 ng 模板 DNA。PCR 循环程序为:预变性:94℃
5 min;94℃变性 30 s ,54℃退火 30 s ,72℃延伸 2 min;共
40个循环后 ,最后72℃延伸7 min ,4℃保存。另外 ,使用
该优化反应体系与循环条件筛选引物时 ,可对退火温度
进行适当微调。
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图2 优化体系下引物 851对南天竹DNA
样品的 ISSR-PCR扩增结果
  注:泳道 M为 100 bp Plus DNA marker ,泳道 1~ 13分别对应表 1中
的南天竹 13个种源。
图 3 引物857 对南天竹 13个样品的 ISSR-PCR扩增电泳结果
  注:泳道 M为 100 bp Plus DNA marker ,泳道 1~ 13分别对应表 1中
的南天竹 13个种源。
2.3 ISSR-PCR的扩增结果
  利用已经优化的南天竹 ISSR-PCR反应体系 ,对
100条合成的 ISSR随机引物进行扩增筛选。结果表明 ,
共有10条引物的扩增条带清晰特异 、长度适中 、背景低 、
反应稳定 ,适合作为南天竹 ISSR的多态性引物(图3)。
  10条引物扩增出 56条清晰可重复的条带 ,其中 48
条是多态条带(表 2)。每个引物可扩增的多态条带数目
不等 ,数目在3 ~ 7条 ,平均为4.8条。总多态带百分率
为 85.7%,其中引物 818、834 、845 、855、857、881扩增的
多态带百分率为 100%。扩增片段长度范围为 300 ~
1 600 bp ,完全符合 ISSR分子标记对扩增 DNA条带的
要求[ 15] 。
2.4 南天竹的遗传距离和遗传一致度分析
遗传距离(genetic distance)和遗传一致度(genetic i-
dentity)是来衡量 2个种源之间的遗传分化程度的重要
指标。采用Nei法计算遗传距离和遗传一致度 ,并通过
POPGENE 1.31分析软件对南天竹的 13个种源间进行
分析(表3)。从表中看出 ,13个种源间的遗传一致度的
变化范围在0.5179~ 0.9286之间 ,遗传距离的变化范围
在 0.0741 ~ 0.6581之间。03和 04遗传一致度最高 , I =
0.9286;遗传距离最小(D=0.0741);09和 10的遗传距离
最大为0.6581 ,相应的最低遗传一致度为 0.5179(表3)。
 表 2 用于南天竹 ISSR扩增的引物及获得的条带数
引物
编号 序列
退火温度
/ ℃
总条
带数
多态
带数
多态带
百分率/ %
818 (CA)8G 54 3 3 100
834 (AG)8YT 54 3 3 100
835 (AG)8YC 54 5 3 60
845 (CT)8RG 54 7 7 100
846 (CA)8RT 54 6 4 66.7
851 GA(GT)2AGAT(GT)3YG 54 6 4 66.7
853 (TC)8RT 54 6 4 66.7
855 (AC)8YT 54 7 7 100
857 (AC)8YG 54 6 6 100
881 (GGGT)3G 56 7 7 100
  表 3 南天竹种源间的遗传一致度(对角线上方)和遗传距离(对角线下方)
编号 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
01 0.6964 0.6429 0.6786 0.6607 0.6786 0.6786 0.6071 0.5536 0.6429 0.6429 0.6250 0.5714
02 0.3618 0.7679 0.7679 0.7143 0.6964 0.6964 0.6250 0.6429 0.7321 0.6964 0.6786 0.6250
03 0.4418 0.2642 0.9286 0.7679 0.7500 0.6786 0.6786 0.6250 0.7500 0.8214 0.7321 0.7143
04 0.3878 0.2642 0.0741 0.7679 0.7500 0.6429 0.7143 0.6607 0.7500 0.7857 0.7321 0.7143
05 0.4144 0.3365 0.2642 0.2642 0.7321 0.8393 0.8750 0.6786 0.6250 0.7321 0.8929 0.7679
06 0.3878 0.3618 0.2877 0.2877 0.3118 0.6071 0.6429 0.5893 0.6429 0.7500 0.6964 0.7500
07 0.3878 0.3618 0.3878 0.4418 0.1752 0.4990 0.8214 0.7321 0.6429 0.6786 0.8036 0.6429
08 0.4990 0.4700 0.3878 0.3365 0.1335 0.4418 0.1967 0.7321 0.5357 0.6786 0.8393 0.6786
09 0.5914 0.4418 0.4700 0.4144 0.3878 0.5288 0.3118 0.3118 0.5179 0.5536 0.7143 0.5536
10 0.4418 0.3118 0.2877 0.2877 0.4700 0.4418 0.4418 0.6242 0.6581 0.6786 0.5536 0.6071
11 0.4418 0.3618 0.1967 0.2412 0.3118 0.2877 0.3878 0.3878 0.5914 0.3878 0.7679 0.8214
12 0.4700 0.3878 0.3118 0.3118 0.1133 0.3618 0.2187 0.1752 0.3365 0.5914 0.2642 0.7679
13 0.5596 0.4700 0.3365 0.3365 0.2642 0.2877 0.4418 0.3878 0.5914 0.4990 0.1967 0.2642
2.5 南天竹 13个种源的遗传相似性分析
利用 NTSYS-pc软件对Nei的遗传距离使用 UPG-
MA聚类分析 ,获得南天竹的 13个种源的分子遗传聚类
图(图 4)。该聚类图分析结果表明 ,13个南天竹种源中
的 01号南天竹样品单独为一类;02、03 、04 、10之间的亲
缘关系较近 ,聚为一类;06、11 、13之间的亲缘关系比较
近 ,聚为一类;另外 ,亲缘关系较近的 05、07 、08 、12 、09聚
为一类。
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2.6 南天竹的13个种源的遗传分化的主坐标排序分析
应用软件 MVSP 32对南天竹的 13个种源的多样
性进行分析(表4),建立了三维主坐标图(图 5)。其中 ,
13个种源的相对三维主坐标排序列于表 5。因此 ,图 5
中的位置关系能够反映出它们在遗传上的相似性 ,在排
序图上种源的位置越近 ,则它们的遗传组成越相似。图
5的分析结果表明 ,13个种源存在一定的遗传分化 ,其
中 05、07 、08 、12在遗传上较相似 ,11 、13很相似 , 02 、03、
04的相似性较近 ,01、06 、09、10则同其它种源相似性较
远 ,这同 UPGMA构建的树状图得到的结果相符合。
  表 4 南天竹 13个种源的三维主坐标排序
       种源
    排序    
坐标轴      
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
Axis 1 0.527 0.466 0.864 0.820 -0.765 0.633 -1.124 -1.204 -1.600 1.994 0.375 -1.003 0.062
Axis 2 0.121 0.749 0.314 0.581 0.012 -0.577 0.496 0.042 1.721 1.282 -1.612 -0.422 -1.965
Axis 3 2.549 -0.20 -0.93 -0.69 0.664 0.984 0.775 0.490 -1.56 0.085 -1.10 0.030 -0.510
3 结论与讨论
改良 CTAB 法适于提取高质量的南天竹叶片基因
组DNA。通过对 ISSR-PCR反应体系中的一些重要参
数进行了摸索和优化试验 ,建立了稳定的 、适用于南天
竹种源遗传多样性和遗传分化研究的 ISSR-PCR反应体
系。采用优化的 ISSR-PCR反应体系 ,从 100条随机引
物中筛选出 10条重复性好 、条带特异、多态性明显的引
物。该10条引物扩增出 56条清晰可重复的条带 ,其中 48
条是多态带 ,平均每条引物为4.8条多态带 ,总多态带百
分率为85.7%,扩增片段长度范围为 300 ~ 1 600 bp。
图 4 南天竹 13个种源的遗传距离 UPGMA树状图
  Nei遗传距离和遗传一致度的结果表明:05(邵东
县)和 12(宜章县)之间的遗传距离最小 ,相应的遗传一
致度最大;而09(张家界)与10(衡山县)之间的遗传距离
最大 ,相应的遗传一致度最小。这表明邵东县和宜章县
两个种源的生长环境相类似 ,而张家界和衡山县间的差
异可能较大。通过 NTSYS-pc软件和 MVSP 32软件对
南天竹的 13个种源的 Nei的遗传距离分析发现 ,05(邵
东县)、07(祁阳县)、08(韶山市)、12在遗传上较相似 ,聚
为一类;11(芦淞区)与 13(新化县)很相似 ,聚为一类;02
(柏加镇)、03(岳阳县)、04(黄花镇)的相似性较近 ,可以
聚为一类;01(洪江县)、06(桃江县)、09(张家界)、10(衡
山县)则同其它三类的相似性较远 ,且彼此单独为一类。
在我国 ,南天竹已形成了多种不同的地方种源和种
类。由于其重要的经济价值和观赏价值 ,目前广泛栽
培。ISSR研究表明 ,在种源水平上 ,南天竹多态带百分
率为 85.7%,不同种源间遗传相似性系数 0.5536 ~
0.9286。根据 Hmarick利用等位酶研究对植物遗传变
异的结果[ 16] ,多年生木本植物的多态性比率为 64.7%。
可见在种源水平上 ,南天竹体现了非常丰富的遗传多样
性。不同地区间种源交换少 ,外源基因交流的机会也
少 ,变异程度自然不大 ,其繁殖方式也限制了遗传变异
的发生。
图5 南天竹 13个种源的三维主坐标分析
  ISSR分子标记技术已广泛应用于植物种质资源遗
传多样性研究及分类 ,指纹图谱绘制和品种鉴定 ,遗传
图谱的构建及目标基因定位等方面[ 17] 。在种源及品种
鉴定方面 ,以往主要采用比较植株的形态 ,并结合细胞
学 、分子生物学和生理生化特征的方法。这些方法对于
差异不明显的个体 ,传统的形态特征很难识别 ,具有较
大的局限性 ,难以对种源及品种进行准确的鉴定与分
类。而利用分子标记鉴别就比较容易 、准确。它所揭示
的多态性是其它标记所不能比拟的 ,并可以作为新品种
登记注册和产权保护的重要依据 ,观赏植物新老品种数
量繁多 ,且不同地域特征 、气候条件的影响 ,极易造成同
名异物或异名同物 ,形成不同观赏效果。对供试材料的
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DNA指纹图谱进行比较分析 ,筛选出特异带 ,以此可作
为鉴定该种质材料的客观依据 ,因此 , ISSR分子标记技
术已成为鉴别种质的有力工具。
与 RFLP 、RAPD 、STS 、SSR等分子标记相比 , ISSR
具有重复性高 、多态性位点丰富等优点 ,与 AFLP 等分
子标记相比 , ISSR具有技术难度降低 、可操作性强 、使用
经费减少等优势 ,因而是一种已完全成熟 、可广泛推广
的分子标记技术。特别是近年来在植物分子分类研究
中 ,得到了广泛的应用 ,已成为植物遗传多样性的分子
研究中的首选分子标记技术。因此 ,该研究中采用 ISSR
分子标记技术对湖南省的13个南天竹种群进行分子水
平上的遗传多样性分析 ,这是国内外首次对南天竹进行
遗传多样性的分子遗传学研究 ,具有较为重要的理论价
值和科学意义 ,将对南天竹的分子遗传学研究乃至分子
生物学研究起着积极的推动作用。
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ISSR Analysis of Genetic Diversity of Main GermplasmResources of
Nandina domestica in Hunan Province
TANG Li
(School of Resources and Environments , Central South University of Forestry and Technology , Changsha ,Hunan 410004 , China)
Abstract:Nandina domestica is the noble even-green shrub tree distributed widely in China , and characterized by the in-
tegration of afforesting , beautifying and perfuming.The improved ISSR-PCR reaction system was established for the ge-
netic diversity analysis of 13 populations of Nandina domestica in Hunan Province , and 10 primers with the good repeti-
tion , special bands and distinct polymorphism were selected from 100 random ISSR primers.Each selected primer aver-
agely yielded 4.8 polymorphic bands(85.7 polymorphism)varying from 300 bp to 1 600 bp in length.The analy tical re-
sult of genetic distance and genetic identity showed that the genetic distance between Shaodong and Yizhang was the
least , and that between Zhangjiajie and Hengshan w as the maximal.The analytical result of genetic distance , clustering
and PCOA on 13 populations of Nandina domestica showed that populations of Shaodong , Qiyang , Shaoshan and
Yizhang were clustered into a class , Rushong and Xinhua as a class , Baijia , Yueyang and Huanghua as a class , howev-
er , the other four populations including Hongjiang , Taojiang , Zhangjiajie and Hengshan were divided into four independ-
ent classes for the far homology with each other.
Keywords:Nandina domestica;ISSR;Improvement of PCR system;Genetic distance;Population identification
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