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神农架大九湖湿地泥炭藓遗传多样性RAPD研究



全 文 :第48卷第5期 华中师范大学学报(自然科学版) Vol.48 No.5
2014年10月 JOURNAL OF HUAZHONG NORMAL UNIVERSITY(Nat.Sci.) Oct.2014
收稿日期:2014-03-24.
基金项目:湖北省自然科学基金项目(2013CFB408);中央高校基本科研业务费专项资金项目(CUG090103).
*通讯联系人.E-mail:glsheng@cug.edu.cn.
文章编号:1000-1190(2014)05-0717-05
神农架大九湖湿地泥炭藓遗传多样性RAPD研究 !
杜 明,盛桂莲*
(中国地质大学 生物地质与环境地质国家重点实验室,武汉430074)
摘 要:泥炭藓是重要的沼泽湿生藓类,其生长情况对环境气候变迁具有直接的指示意义.通过
RAPD分子标记对湖北神农架47份泥炭藓样品的遗传多样性进行了研究:(1)对20条随机引物进
行筛选,共选出6条重复性好,条带清晰的引物,对47份样品共扩增出40个条带,多态性比率为
95%;(2)以遗传相似性系数0.61为界限,可将47份样品划分为4大类群;(3)对泥炭藓扩增条带
的聚类分析显示,大九湖湿地泥炭藓遗传多样性与采样点地域之间没有明显的相关性.对上述结
果综合分析表明:大九湖湿地泥炭藓遗传多样性水平较低,一定程度上反映出近些年来旅游开发、
排水工程改造等人类活动对大九湖湿地自然环境的影响.
关键词:RAPD;泥炭藓;遗传多样性;相似性系数
中图分类号:Q37 文献标识码:A
  泥炭藓(Sphagnum palustre L.)植物仅一属,
300余种,分布于世界各地,以美洲、亚洲东北部
和欧洲最为丰富,属沼泽湿生藓类.我国约有50
种,主要分布在东北和西南各省区.泥炭中所保留
的环境信息可以比较全面的反映自然环境变化的
本来面目,在全球古气候古环境变化研究中有着重
要意义[1].神农架大九湖湿地位于神农架西端,晚
更新世以来,由于冰川[2]、岩溶和流水的不断作用,
逐渐形成了独特的封闭高山盆地[3].自全新世以
来,大九湖形成了稳定连续的泥炭堆积,加之地理
位置偏僻,人迹罕至,很少受到人为活动影响.然而
近年来,由于当地政府实施排水工程改造,加上人
们对泥炭藓的收购采集和引进外来植被,使得沼泽
面积不断缩小,大九湖湿地不断地丧失其作为研究
当地历史气候变化、环境演变、生物变化的信息载
体的作用[4].泥炭藓密枝(亚种)(Sphagnum pal-
ustre sub sp.pseudocymbifolium)作为大九湖湿
地的优势种,也是关键种,其遗传多样性已经受到
人类活动和生境片段化影响[5].
RAPD (Random Amplified Polymorphic
DNA),即随机扩增多态性DNA,是1990年由美
国杜邦公司的 Wiliams等和加尼福利亚生物研究
所的 Welsh等同时推出的一种分子遗传标记技
术,是应用最早的DNA标记技术之一[6].具有模
板DNA量少、无污染或少污染、费用较低、对实验
设备要求相对简单、技术简便、周期短,且无需预先
了解目标DNA模板序列信息等特点.尽管有关于
RAPD技术体系不稳定的报道,但根据研究发现,在
增加其引物的长度以及严格选择PCR退火温度的
情况下可以对 RAPD技术不稳定性加以克服,
RAPD标记技术有其特点与优势[7].由于GenBank
中现有的泥炭藓序列数据极其有限,有鉴于此,本研
究利用RAPD分子标记技术对大九湖泥炭藓进行
研究,优化泥炭藓基因组提取和RAPD扩增PCR反
应体系,并对样品遗传多样性进行统计分析,探讨泥
炭藓遗传多样性对人类活动的分子响应,为大九湖
湿地该种群退化的理论研究提供基础资料,并为泥
炭藓野生资源的保护和合理利用提供参考.
1 材料与方法
1.1 实验材料
本次实验材料采自湖北神农架大九湖湿地,共
有泥炭藓密枝(亚种)样品47份,编号为D-1~D-
49(D-3,D-24样品缺失),分别来自于养鹿场(D-1
~D-11),娘娘墓(核心区)(D-12~D-36),二号湖
(D-37~D-41),娘娘墓(捌字号)(D-42~D-47),
三号湖(D-48,D-49)等5个采样点.根据各个采
样点之间样品的盖度及生长状况,进行随机采
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样,为了避免采到同一个体的不同分株,每个采
样点各个样本间间距30m以上,选取泥炭藓地
表茎叶,清水冲洗后用塑料袋封装置于冰盒内保
存,带回实验室后,依次用超纯水和灭菌水清洗,
烘干后置于-80℃冰箱中保存备用.
1.2 仪器和试剂
1.2.1 实验仪器 Bio-Rad Power PAC 300电泳
仪,MJ PTC-100荧光定量 PCR仪,Bio-Rad Gel
2000凝胶成像分析系统
1.2.2 试剂 提取:提取采用 DNAsecure Plant
Kit(DP320).包括 RNase A(10mg/mL)、缓冲液
LP1、缓冲液LP2、缓冲液LP3、漂洗液PW、洗脱缓
冲液TE、吸附柱CB3;
PCR:10×PCR buffer,25 mmol MgCl2,
10mmol dNTPs,5UTaq聚合酶、灭菌水 ;
电泳:琼脂糖(agarose),DNA marker(100bp
DNA ladder);
RAPD引物选用北京赛百盛基因技术有限公
司B组20个引物,由南京金斯瑞生物科技有限公
司合成.
1.3 DNA的提取
采用植物基因组 DNA提取试剂盒(DNAse-
cure Plant Kit)进行提取,并根据苔藓植物的特点
进行适当改进及优化[8].具体操作为:选取植物新
鲜组织干重30mg,液氮充分研磨后转入2mL的
离心管中,加入400μL含有1% β-巯基乙醇的
LP1缓冲液和6μLRNase A,漩涡振荡,室温下静
置10min,加入酚/氯仿1∶1的混合液等体积抽
提,然后依照试剂盒加入 LP2、LP3 缓冲液及
300μL漂洗液PW 并分别进行离心,最后加入洗
脱缓冲液TE将提取的样品收集至离心管中.将所
得 的 DNA 样 品 用 Nanodrop2000 进 行 检 测,
OD260/OD280比值大于1.8为合格.
1.4 RAPD反应及电泳
扩增条件:0.2mmol/L dNTPs;2.0mmol/L
Mg2+;1.0UTap酶;引物浓度,10pmol/μL;模板
DNA 60ng;10×buffer 1.5μL.反应体积25μL;
PCR反应:94℃预变性3min;94℃变性1min,36℃
退火1min,72℃延伸2min,循环43次;72℃延伸
10min;PCR 电泳检测:取扩增产物4μL,加入
1.5μL6×loading bufer,用1.5%琼脂糖凝胶电泳
进行检测,在凝胶成像系统中观察拍照.
1.5 数据统计及分析
在筛选出来的引物当中,选取扩增产物条带清
晰、稳定、重复性好的引物进行条带统计.根据扩增
产物的电泳结果,统计选出的每条引物扩增出的条
带数,在同一位置扩增出DNA条带数的记为“1”,
无条带的记为“0”,强带或者可分辨的弱带均记为
“1”,构建(0,1)矩阵.采用 NTSYSpc-2.10e软件
处理RAPD数据,计算出扩增产物得到的总条带
数,多态性条带数和相似系数,采用类平均法 UP-
GMA构建亲缘关系树状图.
2 结果分析
2.1 多态性分析
通过47个样品的模板DNA对20条 RAPD
引物的筛选,共选出 SBS-B-8,SBS-B-10,SBS-B-
11,SBS-B-12,SBS-B-15和SBS-B-17等6个条带
清晰、重复性和多态性都好的RAPD引物(引物序
列参见表1).用筛选出来的6条引物对47个样品
都进行了PCR扩增,本实验对这6条引物扩增出
来的条带进行了全面的RAPD分析,所得的条带
数及多态性结果参见图1、表1.
1~23泳道为泥炭藓样品,24泳道为空白对照,
M为100bp梯形DNA标记
图1 SBS-B-8扩增的部分样品RAPD电泳图谱
Fig.1 Gel electrophoresis gram of samples
by primer SBS-B-8
表1 RAPD引物及其扩增结果
Tab.1 RAPD primers and the amplification results
RAPD引物 序列(5’-3’)
多态性
条带数
总条
带数
多态性条
带比例/%
SBS-B-08 GTCCACACGG  5  6  83.33
SBS-B-10 CTGCTGGGAC  8  9  88.89
SBS-B-11 GTAGACCCGT  6  6  100
SBS-B-12 CCTTGACGCA  6  6  100
SBS-B-15 GGAGGGTGTT  7  7  100
SBS-B-17 AGGGAACGAG  6  6  100
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6条引物扩增出的条带数在6~9条之间,扩
增片段长度位于200bp~1 500bp之间,共扩增出
40个条带,平均每条引物扩增条带数为6.67条,
其中多态性条带数38条,多态性比率为95%,因
此可见RAPD分子标记显示了较高的多态性比
率,实验材料之间遗传多样性较大,但就每条引物
扩增的条带数而言,采用RAPD引物来扩增泥炭
藓基因组得到的条带数较少,平均只有6.67条.
2.2 聚类分析
将6条引物扩增得到的数据运用 NTSYS-pc
软件进行分析,计算任意两个样品间的 Nei-Li遗
传相似性,对实验材料根据Nei-Li遗传相似性,按
UPGMA法进行聚类分析,构建聚类树状图(参见
图2).
图2 47个泥炭藓样品的RAPD分析聚类图
Fig.2 Dendrogram of RAPD cluster analysis of 47Sphagnum samples
  由图2可以看出,47个泥炭藓样品的遗传相
似性系数在0.59~0.93之间,在遗传相似性系数
0.61处可以将47个实验材料分为4个大类,第一
个类群包含了本次实验的34个样品,包括养鹿场
8个,娘娘墓(核心区)15个,二号湖4个,娘娘墓
(捌字号)5个以及三号湖的2个样品.在相似性系
数约为0.69处进一步可分为4个亚类群,其中D-
1,D-21和 D-30距离其它样品最远,遗传差异较
大.其余31份样品遗传相似系数大多约在0.73~
0.86之间,在遗传上表现为较高的遗传相似性;第
二大类包含6个样品,其中采自二号湖的D-38和
其它5份娘娘墓(核心区)样品虽采样地环境不同,
但却表现出了较高的遗传相似性;第三大类包含5
份材料,其中采集自娘娘墓(核心区)的D-26与养
鹿场的D-2,D-9样品聚为一小类,其余2份采集自
娘娘墓(核心区)的D-13和D-14样品聚为一小类;
第四大类仅包含2份实验材料(D-12、D-39),分别
采集于核心区及二号湖.
3 讨论
3.1 泥炭藓遗传多样性
DNA分子水平多态性检测技术可以作为基因
组研究的基础.自从1975年Crodzicker等人首次
采用RFLP分子标记对腺病毒血清型突变体基因
组进行作图,DNA分子水平上的多态性便被广泛
应用于进行基因组遗传图谱构建、基因定位以及生
物进化和分类的研究[9].RAPD技术建立于PCR
技术基础上,能从分子水平上揭示同一物种内材料
间的差异,并已在苔藓的遗传多样性及其他许多物
种的种质资源鉴定上得到广泛应用[10-14].本研究
利用从20条随机引物中筛选出来的条带清晰、重
复性好的6条RAPD引物对47个实验样品进行
扩增,从条带统计结果看,实验材料间有一定的遗
传差异,遗传相似性系数介于0.59~0.93之间.从
聚类分析来看,实验材料与采样地之间并没有明显
的关联(参见图3),例如娘娘墓(核心区)采集的样
品在聚类结果四大类群中均有分布,表明大九湖湿
地泥炭藓遗传多样性与地域间并没有明显的相关
性.此外,从聚类分析结果来看,本研究的遗传相似
性系数总体相对较高,表明本次实验材料在群体水
平遗传差异相对较低.因此可以对泥炭藓遗传多样
性研究工作提供一定的参考,在野外材料采集时应
扩大采样点,即使在同一环境也要根据环境地理条
件变化,尽可能增加采样量,采集有遗传差异的资
720  华中师范大学学报(自然科学版)   第48卷
图3 泥炭藓采样点分布与聚类分析
Fig.3 The distribution of sampling points and cluster analysis of Sphagnum
源.本研究结果也可以为泥炭藓遗传多样性的后续
研究工作提供借鉴和参考.
通过对神农架大九湖泥炭的气候变化记录研
究发现,大九湖先后从气候相对冷湿转为凉干[15].
大九湖泥炭沼泽先由最初的草本沼泽,经过混有泥
炭藓的草本沼泽,再演化为现在的以泥炭藓为主的
贫营养沼泽[16].然而进入20世纪80年代后期,由
于人为干扰,大九湖的生态环境发生很大变化,贫
营养沼泽正在逐步退化[17].从图3可以看出,经过
聚类分析,第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类的泥炭藓样品大致都位于
娘娘墓(核心区),其遗传多样性相对较为丰富,而
养鹿场、娘娘墓(捌字号)和三号湖采样点均只含有
部分Ⅰ类样品,遗传多样性则显得相对比较单一.
因此,为了保护和合理利用大九湖湿地泥炭藓资
源,应重点保护遗传多样性水平较高的娘娘墓(核
心区)的种群.对于核心区周边遗传多样性较低的
养鹿场、三号湖等地区应给予特别重视,尽量减少
人为活动对其生境造成的破坏,避免生境片段化带
来的不良效应,可通过人工的方式恢复种群数量,
提高遗传多样性水平.
3.2 RAPD分子标记的局限性
RAPD已经在种内不同居群间亲缘关系的研
究中得到广泛运用,在种间关系的研究中也已具有
相当大的潜力.本实验探讨了RAPD分子标记在
泥炭藓遗传多样性研究上的可行性,结果表明
RAPD标记能够用于种内遗传多样性研究.De-
meke等[18]用RAPD标记研究了芸苔属与萝卜属
(Raphanus)、欧自芥属(Sinapis)的属间关系.采
用RAPD分子标记研究得出的结论与传统的形态
分类的结果完全吻合,由此认为RAPD标记适用
于不同居群、种间乃至属间的分类学研究;然而,张
安世等[19]在对11种苔藓植物的亲缘关系研究中,
对SRAP和RAPD标记分别得出的结果进行了比
较分析,发现两者均与形态学分类的结果基本一
致,但在科上等级的结果则有一定的差异.由此可
知:RAPD方法可以应用于种间乃至近缘属之间
亲缘关系的研究,但有一定的局限性.任何一种检
测方法都存在些许不足,因此,多种方法联合使用,
取长补短,才能得出客观的结果,为泥炭藓遗传多
样性研究提供背景资料.
致谢:生物地质与环境地质国家重点实验室
侯新东老师在实验过程中给予了精心指导,尹帅、
刘乔和王翰林等同学在样品采集及野外数据整理
上提供了帮助,在此一并表示衷心的感谢.
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RAPD marker analysis of genetic diversity of
Sphagnum in Dajiuhu Wetland,Shennongjia
DU Ming,SHENG Guilian
(State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,China University of Geosciences,Wuhan 430074)
Abstract:The Sphagnum,as one of the significant musci in the wetland,is also a direct
indicator of climate and environmental changes.We analyzed the genetic diversity of 47
Sphagnum samples colected from Dajiuhu wetland via RAPD method:(1)there were 6
out of 20random primers were successfuly amplified with 40clear and repeatable poly-
morphic bands,which counting for a proportion of 95%;(2)the samples have been di-
vided into four groups at the point of genetic similarity coefficient of 0.61;(3)cluste-
ring analysis of the bands showed that there was no obvious correlation between the ge-
netic diversity of Dajiuhu Sphagnum samples and the geographical sampling locations.
Al the above results showed that the genetic diversity of Dajiuhu Sphagnum is relatively
low,which indicates the influence of human activities such as development of tourism,
improvement of draining projects,on the local environment of Dajiuhu wetland.
Key words:RAPD;Sphagnum;genetic diversity;genetic similarity coefficient