全 文 :第 29 卷 第 2期
2007 年 3 月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.29 , No.2
Mar., 2007
收稿日期:2006--02--28
http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:辽宁省自然科学基金项目(20062211).
第一作者:杨成超 ,硕士 ,工程师.主要研究方向:林木遗传育种与树木生理.电话:0417--2275810 Emai l:yangchengchao@sina.com 地址:
115200 辽宁省盖州市红旗大街 110号辽宁省杨树研究所.
责任作者:张志毅 ,教授 ,博士生导师.主要研究方向:林木遗传育种.电话:010--62338502 Email:zhangzy@bjfu.edu.cn 地址:100083 北京
林业大学 118信箱.
利用 AFLP标记研究银白杨×白榆的亲子关系
杨成超1 王胜东1 杨志岩1 苏晓华2 何承忠3 张志毅3
(1辽宁省杨树研究所 2中国林业科学研究院林业研究所 3 北京林业大学林木花卉遗传育种教育部重点实验室)
摘要:从形态性状上看 , 银榆杨是银白杨×白榆的科间杂种.为了进一步从分子水平上搞清楚银榆杨与其亲本银白
杨及白榆的亲缘关系 ,该研究采用 AFLP 技术 ,用 20 对 EcoRⅠ +Mse Ⅰ引物对银榆杨 、银白杨 、白榆等 10 个样本进
行了亲子关系分析.共获得 2 040 条可统计的谱带 , 其中 1 470 条带为多态性带 , 多态带百分率为 72.06%.结果表
明:①银榆杨中既含有银白杨的基因又含有白榆的基因 , 且出现了双亲不具有的新谱带;②银榆杨含有的银白杨基
因成分比白榆基因成分多 ,从聚类分析(UPGMA)结果看出 ,银榆杨属于偏母本型的杂种;③辽宁产地的银白杨是银
榆杨杂种的母本得到进一步证实.在所有白榆样本中 ,尽管方差分析结果表明各无性系间对银榆杨杂种子代的遗
传距离没有显著差异 ,但辽宁产地的白榆 2 号(LP--2)与银榆杨杂种各无性系的遗传距离最小 , 它是银榆杨父本的
可能性最大;④银榆杨中白榆的基因在 4 个白榆样本中的存在具有普遍性.但相对于辽宁产地的白榆而言 , 北京的
白榆与银榆杨杂种的亲缘关系较远.该文还对银榆杨杂种的形成与遗传组成进行了分析讨论.
关键词:科间杂种 , 银白杨 , 白榆 , AFLP标记 , 亲子关系
中图分类号:S722.3 +4 文献标识码:A 文章编号:1000--1522(2007)02--0007--06
YANG Cheng-chao1;WANG Sheng-dong1;YANG Zhi-yan1;SU Xiao-hua2;HE Cheng-zhong3;ZHANG Zhi-
yi
3.Genetic relationship between parents and hybrid progenies of Populus alba L.×Ulmus pumila L.
using AFLP marker.Journal of Beijing Forestry University (2007)29(2)7-12 [Ch , 17 ref.]
1 Research Institute of Poplar of Liaoning Province , Gaizhou City ,115200 , P.R.China;
2 Research Institute of Forestry , Chinese Academy of Forestry , Beijing , 100091 , P.R.China;
3 Key Laboratory for Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants , Ministry of Education ,
Beijing Forestry University , 100083 , P.R.China.
The interfamilial hybrids between Populus alba L.×Ulmus pumila L.were described by morphological
characters.In order to identify the hybrids and analyse genetic relationship between the hybrids and their
parents further at the molecular level , the technique of AFLP marker was used in this study.Twenty pairs of
primers were employed and 2 040 clear bands were detected.Among them , 1 470 bands were polymorphic and
the ratio of polymorphic bands was 72.06%.The results were as the followings:1)both gene markers of P.
alba and U.pumila were exhibited on the banks of hybrids.And some new extra bands were detected in the
hybrids;2)the gene marker bands of the hybrids from P .alba were more than those from U.pumila , this
showed that the hybrids were maternal progenies.And the analysis of UPGMA showed similar results;3)P.
alba from Liaoning station was inferred as female parent of the hybrids.Since genetic distance was the least
between the clone(LP-2)and the hybrids and the variance analysis indicated that there was no significant
deviation among all the samples of U.pumila , the male parent would be the clone(LP-2), also from Liaoning
station;4)although the genes of U .pumila were prevalent in the hybrids , the genetic relationship between
comparison clone(BP)and the hybrids was more distant.Meanwhile , the recombination ways and genetic
composition of the hybrids were also discussed in this paper.
Key words interfamilial hybrids , Populus alba L., Ulmus pumila L., AFLP marker , genetic relationship
银白杨(Populus alba)[ 1] 是杨柳科杨属白杨派树
种 ,白榆(Ulmus pumila)是榆科榆属树种.1979年 ,别
婉丽用蒙导法做了银白杨×(白榆+新疆杨死花粉)
的杂交试验 ,并采用未成熟胚离体培养技术获得了
“杂种”幼苗 ,在植物远缘杂交领域取得重大突破.通
过形态观察 ,该“杂种”(暂定名银榆杨)被认为是科
间杂种 ,并在绿化上得到了应用.
鉴别植物杂种有形态学[ 2] 、细胞学[ 3] 、生化标
记[ 2 ,4] 、分子标记[ 3 , 5-6] 等几种方法 ,分子标记以其高
度的灵敏性被广泛应用.在众多的分子标记中 ,
AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism)标记技
术检测品种质量和纯度是一种十分灵敏和可靠的方
法[ 7] ,现在被广泛用于多样性研究[ 8] 及杂种鉴别[ 9] .
到目前为止还没有见到应用AFLP 标记鉴定科间杂
种真实性的报道.为了搞清楚银榆杨与银白杨及白
榆的亲缘关系 ,从分子水平进一步证实该科间杂种
的真实性 ,本文利用 AFLP 标记技术对银白杨×白
榆的杂种与亲本的遗传关系进行了研究.
1 材料与方法
1.1 材 料
1979年 ,别婉丽获得银白杨 ×(白榆+新疆杨
死花粉)的败育幼胚挽救苗 38 株 ,目前仅存 4 株大
树.当时 ,由于这些杂种生长一般 ,没有受到足够的
重视.时隔 20多年 ,才发现这些杂种具有较强的适
应性和抗逆性.在研究档案中 ,银榆杨的母本银白杨
采集地点记载比较清楚 ,在盖州市熊岳树木园内 ,而
父本则只记载在该树木园附近采集.因此 ,在采样时
我们采集了现存的 4 株银榆杨杂种无性系(AP-1 、
AP-2 、AP-3和 AP-4),同时在盖州市熊岳树木园内
采集 1株银榆杨的母本银白杨(LA),在树木园周围
分别采集了 3 株可能的父本白榆(LP--1 、LP--2 和
LP-3),这 8个无性系作为研究试样.另外我们在北
京采集了银白杨(BA)和白榆(BP)的样本 ,作为亲子
鉴定的对照.共计 10个样本(表 1).以上试样均取
休眠状态的枝条 ,带回实验室进行水培 ,获得幼嫩的
叶片作为提取 DNA的实验材料.
1.2 方 法
1.2.1 模板 DNA的制备
选取各样本枝条相同部位生长健壮的幼嫩叶
片 ,利用SDS方法提取 DNA[ 10] ,上清液用酚-氯仿抽
提 ,反复抽提后用乙醇沉淀水相中的 DNA.用紫外
分光光度计测定 DNA的浓度 ,并取少量 DNA 样品
用 0.8%的 Agrose 胶检测所提 DNA的质量.最后取
适量的 DNA ,稀释成 200 ng μL ,置于 4℃冰箱备用.
表 1 试验材料基本情况
TABLE 1 Basic information of experimental materials
树种 样本采集地点 样本数 样本编号
银榆杨 辽宁省杨树研究所 4 AP--1 、AP--2、
AP--3 、AP--4
银白杨 辽宁省盖州市熊岳树木园 1 LA
银白杨 北京市 1 BA
白 榆 辽宁省盖州市熊岳树木园 3
LP--1 、LP--2 、
LP--3
白 榆 北京市 1 BP
1.2.2 AFLP 反应
本试验所选用的接头和引物由上海生工生物工
程技术服务公司合成(表 2).试验步骤基本按照
VOS
[ 11]的方法 ,并略作改动[ 12] .
首先是模板 DNA的酶切和酶切片段与接头的
连接 ,37℃恒温酶切连接≥4 h.然后 ,将酶切连接产
物稀释 6倍用做预扩增模板.预扩增完成后 ,把预扩
增产物稀释20倍后当作选择性扩增模板DNA ,在预
扩增引物的 3′末端加上 3个碱基用做选择性扩增引
物 ,对预扩增产物进行选择性扩增.选择扩增产物经
变性聚丙烯酰胺凝胶电泳后 ,用 10%的冰醋酸脱色
固定 、AgNO3 银染 、无水碳酸钠加上甲醛以及硫代硫
酸钠显影 、10%的冰醋酸定影 、蒸馏水冲洗 、自然干
燥后照相.
1.2.3 数据处理
谱带统计时将具有相同迁移率的扩增片段按
0 1系统记录 ,有带记为 1 ,无带记为 0 ,并参照标准
Marker带估计扩增片段的大小.
利用 DCFA1.1 软件[ 13] 将参试的 10个样本的
AFLP谱带统计结果转换为 POPGENE1.32软件适用
文件[ 14] ,用 POPGENE1.32 软件计算多态性(P)、遗
传相似系数(GS)和遗传距离(D),公式分别如下:
P =Ni +Nj -2Nij
Ni +Nj ×100% (1)
GS = 2N ij
Ni +Nj (2)
D =1 -GS (3)
式中 , Nij表示样本 i 和 j 的公共带数 , Ni 、Nj 分别是
样本 i 、j 的带数.
用SPSS12.0软件进行方差分析.利用 NTSYS-
8 北 京 林 业 大 学 学 报 第 29卷
pc2.1版分析软件 ,采用Nei[ 14] 的遗传一致度 I 进行 非加权配对算术平均聚类分析(UPGMA).
表 2 AFLP 标记所用接头和引物
TABLE 2 Adapters and primer sequence for AFLP marker
接头和引物 代号 碱基序列 接头和引物 代号 碱基序列
EcoRⅠ 接头 EcoRⅠ adapter 5′-CTCGTAGACTGCGTACC-3′ EcoRⅠ- 65 E65 5′--GACTGCGTACCAATTCGAG-3′
3′-CTGACGCATGGTTAA--5′ MseⅠ--00 M00 5′--GATGAGTCCTGAGTAA--3′
MseⅠ 接头 MseⅠ adapter 5′-GACGATGAGTCCTGAG--3′ MseⅠ--31 M31 5′--GATGAGTCCTGAGTAAAAA-3′
3′-TACTCAGGACTCAT--5′ MseⅠ--33 M33 5′--GATGAGTCCTGAGTAAAAG-3′
EcoRⅠ--00 E00 5′-GACTGCGTACCAATTC--3′ MseⅠ--40 M40 5′--GATGAGTCCTGAGTAAAGC--3′
EcoRⅠ--33 E33 5′-GACTGCGTACCAATTCAAG--3′ MseⅠ--44 M44 5′--GATGAGTCCTGAGTAAATC-3′
EcoRⅠ--34 E34 5′-GACTGCGTACCAATTCAAT--3′ MseⅠ--46 M46 5′--GATGAGTCCTGAGTAAATT--3′
EcoRⅠ--44 E44 5′-GACTGCGTACCAATTCAAT--3′ MseⅠ--47 M47 5′--GATGAGTCCTGAGTAACAA--3′
EcoRⅠ--48 E48 5′-GACTGCGTACCAATTCCAC--3′ MseⅠ--60 M60 5′--GATGAGTCCTGAGTAACTC--3′
EcoRⅠ--60 E60 5′-GACTGCGTACCAATTCCTC--3′ MseⅠ--63 M63 5′--GATGAGTCCTGAGTAAGAA-3′
EcoRⅠ--63 E63 5′-GACTGCGTACCAATTCGAA--3′
2 结果与分析
2.1 引物组合
用20对AFLP引物 ,对参试的 10个样本做了选
择性扩增 ,结果表明所有的引物组合都能得到 PCR
产物 ,但是不同的引物组合所得的扩增谱带多少 、均
匀程度及清晰度不同.扩增出来的有效片段长度的
范围主要集中在 50 ~ 650 bp.筛选出的引物对组合
见表 3.
表 3 AFLP标记试验所用引物组合
TABLE 3 Selection of AFLP primer pairs
引物 M31 M33 M40 M44 M46 M47 M60 M63
E33 + +
E34 + + +
E44 + + + + +
E48 +
E60 + + +
E63 + +
E65 + + + +
注:“ +”表示形成引物组合.
2.2 标记多态性
通常情况下 ,AFLP每一条扩增带都对应着一个
DNA分子位点 ,出现多态性扩增带 ,说明某个或某
些样品在该位点上存在变异;如果树种间扩增的谱
带位点一致 ,则说明树种间具有相同的基因.利用亲
本和子代谱带位点一致性程度 ,可以了解子代和“亲
本”是否具有亲缘关系.
用20对引物进行了 AFLP 分析 ,共得到 2 040
条可统计的谱带 ,其中1 470条带为多态性带 ,多态
带百分率为 72.06%.引物对及谱带分布见表 4.
AFLP 标记结果表明 ,银榆杨各无性系谱带中都有与
白榆和银白杨相同的谱带 ,只是与白榆相同的谱带
数少 ,与银白杨相同的谱带数多.辽宁的 3个白榆
LP-1 、LP--2 、LP-3与 4个银榆杨杂种无性系 AP-1 、
AP-2 、AP-3 、AP-4 有共同的谱带 ,这说明银榆杨中
含有白榆的基因.此外 ,银榆杨各无性系具有新的特
异谱带 ,这种新谱带是银白杨和白榆都没有的谱带 ,
这说明银榆杨杂种不仅遗传了亲本的特征 ,还产生
了重组变异(图1).
表 4 20 对AFLP引物扩增产生的多态谱带 条
TABLE 4 Polymorphic fragments amplified
by 20 pairs of AFLP primers
引物组合 扩增总带数 差异带数 引物组合 扩增总带数 差异带数
E48 M33 94 61 E60 M63 128 75
E60 M33 100 77 E44 M63 153 119
E65 M60 94 70 E65 M40 145 113
E44 M60 92 87 E33 M47 78 70
E63 M44 54 38 E34 M47 115 98
E44 M44 72 34 E65 M31 110 65
E44 M31 98 52 E33 M60 104 78
E34 M60 106 84 E63 M47 78 62
E60 M46 144 106 E44 M47 64 45
E34 M46 141 84 E65 M47 70 55
2.3 银榆杨与银白杨 、白榆间的遗传变异
根据 20 对引物的扩增结果 ,计算 10个样本间
的遗传相似系数和遗传距离 ,并以此建立遗传矩阵
(表 5).由此表数据计算得到各树种内样本间和树
种间遗传距离变幅及其均值.
从银白杨 、银榆杨 、白榆种内样本间遗传距离变
幅及均值(表 6)可以看出 ,每个树种内也存在多态
性 ,银榆杨无性系间遗传距离最小 ,两个地理位置不
同的银白杨无性系之间遗传距离最大 ,白榆无性系
之间的遗传距离在这 3个树种中居中.仔细研究表
5 ,可以看出 ,北京地理种源的树种与银榆杨的遗传
距离较大 ,即亲缘关系较远(图 2).
计算银白杨 、银榆杨和白榆种间遗传距离变幅
及均值得出 ,银白杨和银榆杨的遗传距离范围在
0.226 1 ~ 0.253 7之间 ,平均遗传距离为 0.240 8 ,两
个树种亲缘关系比较接近;而白榆和银榆杨的遗传
距离在0.800 1~ 0.857 2之间 ,平均遗传距离为0.827 2;
9第 2期 杨成超等:利用 AFLP标记研究银白杨×白榆的亲子关系
图 1 AFLP标记在银白杨 、白榆和银榆杨杂种中的分离情况
FIGURE 1 Separation of AFLP markers in P.alba , U.pumila and their hybrids
表 5 银白杨 、白榆和银榆杨各树种及无性系间遗传距离
TABLE 5 Genetic distances among P.alba , U.pumila and their hybrids
BP LP--1 LP--3 LP--2 AP--1 AP--2 AP-3 AP--4 LA BA
BP 0.135 7 0.148 4 0.164 6 0.849 9 0.857 2 0.853 8 0.849 8 0.870 6 0.867 2
LP--1 0.135 7 0.071 2 0.112 6 0.812 0 0.820 2 0.817 2 0.813 5 0.843 6 0.837 5
LP--3 0.148 4 0.071 2 0.119 3 0.834 2 0.841 2 0.836 7 0.834 2 0.858 2 0.846 0
LP--2 0.164 6 0.112 6 0.119 3 0.800 1 0.808 4 0.804 1 0.803 0 0.833 5 0.823 0
AP--1 0.849 9 0.812 0 0.834 2 0.800 1 0.011 1 0.014 7 0.024 4 0.242 6 0.253 7
AP--2 0.857 2 0.820 2 0.841 2 0.808 4 0.011 1 0.007 3 0.014 7 0.234 3 0.246 6
AP--3 0.853 8 0.817 2 0.836 7 0.804 1 0.014 7 0.007 3 0.013 4 0.237 0 0.246 7
AP--4 0.849 8 0.813 5 0.834 2 0.803 0 0.024 4 0.014 7 0.013 4 0.226 1 0.239 7
LA 0.870 6 0.843 6 0.858 2 0.833 5 0.242 6 0.234 3 0.237 0 0.226 1 0.085 4
BA 0.867 2 0.837 5 0.846 0 0.823 0 0.253 7 0.246 6 0.246 7 0.239 7 0.085 4
表 6 银白杨 、白榆和银榆杨杂种的种内
遗传距离变幅及均值
TABLE 6 Variance and means of genetic distances among
the species of P.alba , U.pumila and their hybrids
样本材料 来源 遗传距离变幅 遗传距离平均值
银榆杨 样本内 0.007 3~ 0.024 4 0.014 3
银白杨 样本内 0.085 4 0.085 4
白 榆 样本内 0.071 2~ 0.164 6 0.125 3
白榆和银白杨的遗传距离在 0.823 0 ~ 0.870 6之
间 ,平均为 0.847 5 ,比白榆和银榆杨的遗传距离大 ,
说明银白杨与银榆杨的亲缘关系更近一些.
从表 5中提取“白榆各无性系与银榆杨的遗传
距离”的数据并计算平均值(表 7),可以看出 ,辽宁
的白榆 2号(LP-2)与各子代的遗传距离最小 ,亲缘
关系最近 ,它是银榆杨的父本的可能性最大.但在用
SPSS12.0 软件进行白榆各无性系对子代遗传距离
的单因素方差分析后发现 ,各白榆无性系间对子代
的遗传距离并没有显著差异(表 8).
表 7 白榆各无性系与银榆杨的遗传距离
TABLE 7 Genetic distances between U.pumila
and the hybrids
子代 BP LP-1 LP-2 LP--3
AP-1 0.849 9 0.812 0 0.834 2 0.800 1
AP-2 0.857 2 0.820 2 0.841 2 0.808 4
AP-3 0.853 8 0.817 2 0.836 7 0.804 1
AP-4 0.849 8 0.813 5 0.834 2 0.803 0
平均值 0.852 7 0.815 7 0.803 9 0.836 6
10 北 京 林 业 大 学 学 报 第 29卷
2.4 银榆杨 、银白杨 、白榆树种及无性系间的聚类
分析
表 8 白榆各无性系与银榆杨杂种
遗传距离的单因素方差分析
TABLE 8 Variance analysis of the single factor of genetic
distances between U.pumila and the hybrids
离差平方和 自由度 均方 均方比 Sig.
组间 0.000 3 0.000 0.100 0.958
组内 0.006 12 0.000
合计 0.006 15
用各样本间遗传距离数据 ,采用非加权配对算
术平均法(UPGMA)进行聚类分析(图 2),结果将 10
个样本在 0.2处划分为三类 ,分别是白榆 、银榆杨 、
银白杨;在 0.4 处划分为两类 ,白榆 、(银榆杨 、银白
杨).从聚类图表更加明显地看出各树种之间的关
系 ,银榆杨与母本银白杨的亲缘关系比其与白榆的
亲缘关系近 ,也就是说 ,银榆杨更像母本 ,属于偏母
本融合型的杂种.
在各个树种内部 ,都有多态性出现.银榆杨 4个
无性系中 AP--2 与 AP-3 的亲缘关系最近 , AP-1与
这两个无性系的关系比 AP-4与这两个无性系的关
系还要近一些.与北京白榆(BP)相比 , 辽宁白榆
(LP)各无性系之间亲缘关系更近.
图 2 10个样本AFLP标记结果 UPGMA法聚类图
FIGURE 2 Dendrogram of cluster analysis for
10 samples based on AFLP markers
3 结论与讨论
通过用20对引物组合对参试的 10个样本进行
了AFLP 标记分析 ,发现 AFLP 标记稳定性强 ,重复
性好 ,可用于亲子分析鉴定.结果表明 ,在 4个银榆
杨无性系中均包含有银白杨和白榆的 DNA片断 ,由
此可以认为它们是银白杨与白榆的杂种.
从形态性状的观察看 ,银榆杨幼叶背面没有浓
密的白绒毛 ,而银白杨幼叶有白色绒毛;银榆杨叶缘
锯齿不裂 ,叶片大于白榆 ,树冠长椭圆形 ,侧枝多而
细 ,呈羽状排列 ,似榆树分枝 ,与银白杨粗壮的侧枝
明显不同;银榆杨多为雌雄同株 ,有的甚至雌雄同一
花序 ,一般3 ~ 4年开花 ,而银白杨为雌雄异株 , 5 ~ 6
年开花 ,白榆雌雄同株 ,花两性 ,3年开花;在花的性
状上 ,银榆杨与白榆相似;从植株的表型上看 ,银榆
杨与银白杨更相似一些 ,这一点与 AFLP 标记结果
相同 ,也为分子标记结果做了验证.
从AFLP 标记结果还可看出 ,银榆杨中含有银
白杨的基因较多 ,白榆的基因较少 ,从聚类分析结果
看出 ,银榆杨属于偏母本类型的杂种.银榆杨中含有
白榆的基因较少 ,可以用这样的推测来解释:在组培
过程中 , “银白杨×白榆”杂种胚中的大部分白榆的
染色体被消除了 ,这在农作物杂交育种中发现过类
似情况[ 15] .只有少量白榆的染色体片段导入到银白
杨染色体之中或者白榆的单基因渗入到银白杨染色
体之中 ,最后成为现在的银榆杨杂种.当然这个推测
还有待于运用细胞学手段和银榆杨的子代分析进一
步研究证明.
各个树种内也存在多态性 ,银榆杨无性系间遗
传距离最小 ,两个地理位置不同的银白杨无性系之
间遗传距离最大 ,白榆次之;相对辽宁的亲本而言 ,
北京地理种源的对照亲本与银榆杨的亲缘关系较
远.辽宁的银白杨是银榆杨的母本这是清楚的.银榆
杨中的白榆基因在这 4个白榆样本中具有普遍性 ,
虽然单因素方差分析结果表明 ,各白榆无性系间对
子代的遗传距离并没有显著差异 ,但是辽宁的白榆
2号(LP-2)与银榆杨各无性系的遗传距离最小 ,亲
缘关系最近 ,因此推测该白榆个体为银榆杨的父本
的可能性最大.AFLP标记结果表明银榆杨出现了父
母本都不具有的谱带 ,这说明银榆杨在遗传了银白
杨和白榆基因的同时发生了重组变异.
开展植物科间远缘杂交的研究不少 ,但成功的
例子几乎没有 ,造成失败的原因很多.其中原因之一
认为 ,由于所有远缘的种间杂交 ,胚和后代中都存在
很严重的染色体异常行为[ 16] ,在染色体配对重组过
程中 ,存在着双亲染色体配对交叉和异源重组重排
事件[ 17] .银白杨(2n=38)和白榆(2n=28)的染色体
数目不等 ,在杂交和败育胚挽救过程中 ,染色体的重
新组合是十分复杂的 ,不同的染色体组合在表型上
会发生什么变化和产生什么效应是下一步值得深入
研究的课题.
参 考 文 献
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(责任编辑 董晓燕 李 慧)
12 北 京 林 业 大 学 学 报 第 29卷