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基于SRAP和IRAP标记的野生君迁子居群取样策略分析



全 文 :湖 北 农 业 科 学 2016 年
收稿日期:2016-01-17
基金项目:公益性行业(农业)科研专项(201203047);华中农业大学大学生科技创新基金项目(2015YLSRF015)
作者简介:王 燕(1994-),女,湖北武汉人,在读本科生,研究方向为果树生物技术和种质创新,(电话)027-87281725(电子信箱)
1206643426@qq.com;通信作者,郭大勇,高级工程师,主要从事果树栽培模式研究,(电话)027-87281038(电子信箱)
guoday@mail.hzau.edu.cn。
基于 SRAP和 IRAP标记的野生君迁子居群
取样策略分析
王 燕 1,张平贤 1,汤 红 1,胡梦珏 1,张青林 1,2,罗正荣 1,2,郭大勇 1,2
(1.华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室,武汉 430070;
2.大别山特色资源开发湖北省协同创新中心,湖北 黄冈 438000)
摘要:君迁子(Diospyros lotus L.)是中国栽培柿(D. kaki Thunb.)的主要砧木,其适应性和繁殖能力强,表
型变异丰富,存在多个变种和近缘种,在国内广泛分布。 目前,有关君迁子居群的取样策略尚不完全清
楚。 试验以 1 个野生君迁子自然居群(40 个单株)和 8 个外类群种质为试材,利用 SRAP 和 IRAP 标记技
术分析其居群取样策略。 结果表明,20对 SRAP引物扩增出 188条谱带,多态性比例为 94.68%;9 条IRAP
引物共扩增出 102 条谱带,多态性比率为 95.10%。UPGMA 聚类分析表明,君迁子居群分别与柿和浙江柿
(D. glaucifolia L.)独立成组。 供试君迁子居群遗传多样性信息参数随取样梯度的增加(5~35 个单株)而
增加。 Nei’s 基因多样性指数(H)在取样梯度为 20 个单株时达到总体的 95%以上,Shannon 信息指数(I)
和多态性位点百分率(PPL)在取样梯度为 25 个单株时分别达到总体的 95%以上,随着取样梯度的进一
步增加,Nei’s 基因多样性指数、Shannon 信息指数和多态性位点百分率数值趋稳。 综上所述,基于遗传多
样性信息参数(H、I、PPL)的居群取样单株数量建议为 20~25 个单株。
关键词:君迁子(Diospyros lotus L.);分子标记;居群取样策略;砧木
中图分类号:S665.3 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2016)11-2838-05
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.031
Population Sampling Strategies Analysis of Diospyros lotus by SRAP and IRAP Markers
WANG Yan1,ZHANG Ping-xian1,TANG Hong1,HU Meng-jue1,ZHANG Qing-lin1,2,LUO Zheng-rong1,2,GUO Da-yong1,2
(1. Key Laboratory of Horticultural Plant Biology Affiliate to Ministry of Education, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China;
2. Hubei Collaborative Innovation Center for the Characteristic Resources Exploitation of Dabie Mountains,Huanggang 438000,Hubei,China)
Abstract: Diospyros lotus L.,with high reproducibility and rich variation, is the main persimmon rootstock of D. kaki Thunb.
in China,however,its population sampling strategy is still unknown. In this study,a wild D. lotus population (40 individuals)
and 8 out group genotypes were used to analyze the population strategy by using SRAP and IRAP markers. There are 20
pairs of SRAP primers and 9 IRAP primers which were screened for PCR amplification. By those primers,a total of 188
(SRAP) and 102(IRAP) robust and reproducible bands were generated and the polymorphism frequency were 94.68%(SRAP)
and 95.10% (IRAP). UPGMA clustering analysis of all genotypes by SRAP and IRAP separated 40 individuals of the wild D.
lotus population from the other two out groups of D. kaki and D. glaucifolia L. The genetic diversity index of the tested D.
lotus population increased with the sample size(5 to 35 individuals). When sample size was 20 individuals,the Nei's gene di-
versity index(H) of D. lotus population was 95% or higher of that of the total population; when simple size was 25 individu-
als,the Shannon's information index(I) and percent of Polymorphic loci(PPL) was 95% or higher of those of the total popu-
lation; when sample size increased further, the genetic diversity index tend to be stable. Therefore, it was suggested that 20
to 25 individuals could represent the whole population of D. lotus based on the genetic diversity index (H,I and PPL) by
SRAP and IRAP markers.
Key words: Diospyros lotus L.; molecular marker; population sampling strategies analysis; root stock
第 55卷第 8期
2016年 4月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol. 55 No.7
Apr.,2016
2
1
1
Jan
11 期
6
Vol. 5 No.1
u .
第 11 期
表 1 20 对 SRAP 引物组合序列基本信息
引物组合
Me1+Em4
Me1+Em8
Me2+Em3
Me2+Em4
Me2+Em6
Me2+Em7
Me2+Em8
Me2+Em14
Me2+Em19
Me4+Em4
Me4+Em6
Me4+Em18
Me6+Em6
Me6+Em7
Me7+Em6
Me8+Em4
Me8+Em7
Me9+Em6
Me9+Em8
Me11+Em2
序列(5′-3′)
TGAGTCCAAACCGGATAGACTGCGTACGAATTTGA
TGAGTCCAAACCGGATAGACTGCGTACGAATTGCC
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTGAC
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTTGA
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTGCA
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTGAG
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTGCC
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTCTT
TGAGTCCAAACCGGAGCGACTGCGTACGAATTCTC
TGAGTCCAAACCGGACCGACTGCGTACGAATTTGA
TGAGTCCAAACCGGACCGACTGCGTACGAATTGCA
TGAGTCCAAACCGGACCGACTGCGTACGAATTCTA
TGAGTCCAAACCGGTAAGACTGCGTACGAATTGCA
TGAGTCCAAACCGGTAAGACTGCGTACGAATTGAG
TGAGTCCAAACCGGTCCGACTGCGTACGAATTGCA
TGAGTCCAAACCGGTGCGACTGCGTACGAATTTGA
TGAGTCCAAACCGGTGCGACTGCGTACGAATTGAG
TGAGTCCAAACCGGTCAGACTGCGTACGAATTGCA
TGAGTCCAAACCGGTCAGACTGCGTACGAATTGCC
TGAGTCGTATCCGGAGTGACTGCGTACGAATTTGC
君迁子 (Diospyros lotus L.;2n=2x=30)是柿科
(Ebenaceae)柿属(Diospyros L.)植物中除栽培柿(D.
kaki Thunb.)外的重要果树,别名黑枣、软枣、高加
索柿等,是柿重要的砧木资源[1,2]。 君迁子适应性和
繁殖能力强,分布范围广,表型变异丰富 [3],存在多
个变种和近缘种 [4],与富有(D. kaki cv. Fuyuu)系
甜柿品种嫁接的亲和性表现复杂[5,6]。有效保护和利
用柿习用砧木君迁子及其所蕴藏的丰富遗传资源
对柿产业的可持续发展具有重要意义。 野生种质资
源的调查和采集受到人力和物力的限制,通常不能
对某个居群的所有个体或某个物种的所有居群都
进行采集或保护, 只能采集或保护其中的一部分,
然而人们又希望获得尽可能多的遗传变异以代表
居群或物种的整体遗传多样性水平。 因此,开展对
野生种质资源遗传多样性调查、 保护和利用的研
究,首先考虑的问题便是最佳的居群取样策略。 遗
传多样性的取样策略是指对一定地理分布范围内
的生物个体取样时,使样本具有代表性和包含尽可
能多的遗传变异信息的最佳取样方法 [7];它在很大
程度上受到生物自身特性、生长环境和取样目的的
影响。 试验以一个野生君迁子居群的 40 份单株和
华中农业大学柿圃活体保存的 7 份柿品种及 1 份
浙江柿(D. glaucifolia L.)种质为试材,基于 SRAP
(Sequence-related Amplified Polymorphism) 和 I-
RAP(Inter-retrotransposon Amplified Polymorphism)
标记技术分析君迁子居群的最佳取样策略,以期为
国内野生君迁子种质野外科学采集、生物多样性保
护的研究提供工作基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料
供试材料共 48 份,其中 40 份单株采自位于大
别山东部的安徽省六安市金寨县天堂寨镇马石村
(北纬 31.1885°-31.1889°;东经 115.7691°-115.7695°;
海拔为 600~710 m)的一个君迁子自然居群;采用简
单随机取样方式进行居群内单株取样。 富有、松本
早生 (Matsumoto-wase fuyuu)、上西早生 (Uenishi-
wase)、次郎(Jirou)、前川次郎(Maekawa-jirou)、阳丰
(Youhou)和罗田甜柿(Luotian Tianshi)7 份栽培柿
(2n=6x=90)品种及 1 份浙江柿(2n=2x=30)种质均
采自华中农业大学柿圃 (北纬 30.4772° , 东经
14.3603°,海拔为 30 m)。
1.2 DNA提取
利用 CTAB 法 [8]提取幼嫩叶片基因组 DNA;采
用 Nano Drop 2000 超微量分光光度计和琼脂糖电
泳检测 DNA质量。
1.3 SRAP标记扩增
SRAP 扩增参考 Guo 等 [9]研究结果,采用 20 μL
PCR反应体系,含 1×Buffer,2.5 mmol / L Mg2+,正向和
反向引物各 300 nmol / L,200 μmol / L dNTPs,50 ng
模板 DNA,1 U Taq 酶。 PCR 反应程序为 94 ℃预变
性 5 min;94 ℃、1 min,35 ℃、1 min,72 ℃、1 min,5 个
循环;94 ℃、1 min, 50 ℃、1 min,72 ℃、2 min,30 个
循环;72 ℃延伸 10 min。 PCR产物采用 1%琼脂糖凝
胶电泳检测。 共筛选到 20 对多态性较好的引物组
合,序列信息见表 1;引物由上海生工生物工程技术
服务有限公司合成。
1.4 IRAP标记扩增
IRAP 扩增参考 Du 等 [10]的方法 ,采用 20 μL
PCR 反应体系, 反应体系含 1×Buffer,2.0 mmol / L
Mg2+, 正向和反向引物各 400 nmol / L,250 μmol / L
dNTPs,50 ng 模板 DNA,1 U Taq 酶。 PCR 反应程序
为 94 ℃预变性 5 min;94 ℃ 、1 min,50 ℃ 、1 min,
72 ℃、1 min,35个循环;72 ℃ 延伸 6 min。 PCR产物
采用 1%琼脂糖凝胶电泳检测, 所用 9 条引物及序
列信息见文献[10],引物由上海生工生物工程技术
服务有限公司合成。
1.5 数据统计与分析
试验得到的图谱清晰、重复性强的电泳条带用
0 / 1 矩阵统计;采用 NTSYS-pc version 2.10[11]统计
分析软件计算材料间的 Dice相似指数,并利用 UP-
GMA法(Unweighted Pair Group Method Arithmetic
王 燕等:基于 SRAP 和 IRAP 标记的野生君迁子居群取样策略分析 2839
湖 北 农 业 科 学 2016 年
表 2 SRAP 和 IRAP 标记多态性信息含量比较
参数
引物数
扩增谱带总数
多态性谱带总数
多态性比例//%
平均扩增谱带数
平均多态性谱带数
多重系数
有效多重系数
多态性信息含量
标记指数
SRAP
20
188
178
94.68
9.40
8.90
3.92
3.71
0.31
1.15
IRAP
9
102
97
95.10
11.33
10.78
2.13
2.02
0.27
0.55
SRAP 和 IRAP 结合
29
290
275
94.83
10.00
9.48
6.04
5.73
0.30
1.72
君迁子 1号 Date plum No.1
君迁子 37 号 Date plum 37
君迁子 39 号 Date plum 39
君迁子 40 号 Date plum 40
君迁子 3号 Date plum No.3
君迁子 4号 Date plum No.4
君迁子 5号 Date plum No.5
君迁子 6号 Date plum No.6
君迁子 7号 Date plum No.7
君迁子 8号 Date plum No.8
君迁子 14 号 Date plum 14
君迁子 15 号 Date plum 15
君迁子 16号 Date plum 16
君迁子 11 号 Date plum 11
君迁子 13 号 Date plum 13
君迁子 17 号 Date plum 17
君迁子 18 号 Date plum 18
君迁子 19 号 Date plum 19
君迁子 20号 Date plum 20
君迁子 22号 Date plum 22
君迁子 23号 Date plum 23
君迁子 24号 Date plum 24
君迁子 28号 Date plum 28
君迁子 29号 Date plum 29
君迁子 30 号 Date plum 30
君迁子 21号 Date plum 21
君迁子 10 号 Date plum 10
君迁子 31 号 Date plum 31
君迁子 32号 Date plum 32
君迁子 33 号 Date plum 33
君迁子 12号 Date plum 12
君迁子 38 号 Date plum 38
君迁子 25号 Date plum 25
君迁子 27号 Date plum 27
君迁子 26号 Date plum 26
君迁子 35 号 Date plum 35
君迁子 36号 Date plum 36
君迁子 34 号 Date plum 34
君迁子 2号 Date plum No.2
君迁子 9号 Date plum No.9
富有 Fuyuu
松本早生 Matsumoto-wase fuyuu
上西早生 Uenishi-wase
次郎 Jirou
前川次郎 Maekawa-jirou
阳丰 Youhou
罗田甜柿 Luotian tianshi
浙江柿 Chekiang persimmon
D. lotus L.
D. kaki Thunb.
D. glaucifolia L.
0.58 0.68 0.79 0.90 1.00
相似系数
图 1 基于 SRAP 和 IRAP 数据结合分析的 48 份柿属植物聚类情况
Averages)进行聚类分析;运用 Microsoft Office Ex-
cel 2010软件处理试验所得数据并作图, 从君迁子
居群总体(40 个单株)中模拟抽取 5、10、15、20、25、
30、35 等 7 个不同取样梯度的样本, 各取样梯度重
复抽取 10 次 ;采用 POPGENE1.32 [12]分析软件计
算不同抽样梯度下的观测等位基因数(Number of
allele, Na)、有效等位基因数 (Effective number of
allele,Ne)、Nei’s 基因多样性指数(Nei’s gene di-
versity index,H)、Shannon 信息指数(Shannon’s in-
formation index,I) 和多态性位点百分率(Polymor-
phic loci,PPL)等遗传多样性信息。
2 结果与分析
2.1 SRAP和 IRAP标记的多态性分析
分别从已发表的 SRAP 和 IRAP 引物序列信息
中筛选出已得到较好扩增结果的 20 对和 9 条引
物,其扩增谱带大小均在 200~2 000 bp。 将 SRAP和
IRAP标记的多态性信息含量进行比较,结果见表2。
从表 2 可见,SRAP 和 IRAP 分别扩增出 188 条和
102条谱带,其中多态性谱带分别为 178条和 97条,
多态性比例分别为 94.68%和 95.10%。 IRAP的平均
扩增谱带数(11.33)和平均多态性谱带数(10.78)略
高于 SRAP(分别是 9.40、8.90);但是,有效多重系
数、多态性信息含量和标记指数则是 SRAP(分别是
3.71、0.31、1.15)高于 IRAP(分别是 2.02、0.27、0.55);
同时,SRAP 和 IRAP 结合的标记指数(1.72)均高于
SRAP和 IRAP各自独立的标记指数。
2.2 SRAP和 IRAP标记的聚类分析
基于 SRAP 和 IRAP 分析数据,计算出 48 份柿
属种质的 Dice相似系数,结合 2 种分子标记获得的
UPGMA聚类结果见图 1。 从图 1可见,40份野生君
迁子居群单株间遗传变异丰富并单独聚类成组,与
7份柿品种和 1份浙江柿种质独立分开,说明 SRAP
2840
第 11 期
标记
SRAP
IRAP
结合
多态性位点百分率//%
88.51
85.26
87.36
观测等位基因数
1.89±0.33
1.85±0.36
1.87±0.33
有效等位基因数
1.57±0.36
1.49±0.33
1.54±0.35
Shannon 信息指数
0.47±0.24
0.44±0.23
0.46±0.24
表 3 基于 SRAP 和 IRAP 标记的君迁子居群遗传多样性信息参数
多态性位点
154
81
235
Nei’s 基因多样性指数
0.32±0.18
0.29±0.17
0.31±0.18
取样梯度
5
10
15
20
25
30
35
观测等位基因数
1.58±0.05
1.71±0.05
1.78±0.02
1.82±0.01
1.83±0.01
1.86±0.01
1.86±0.01
有效等位基因数
1.40±0.03
1.47±0.03
1.50±0.01
1.52±0.01
1.52±0.01
1.53±0.01
1.53±0.00 A
多态性位点百分率//%
57.29±3.77
71.04±4.88
78.22±2.19
82.19±1.32
83.27±1.23
85.28±1.07
86.47±0.50
表 4 不同取样梯度下的君迁子居群遗传多样性信息参数统计
重复次数
10
10
10
10
10
10
10
Nei’s 基因多样性指数
0.22±0.02
0.27±0.02
0.29±0.01
0.30±0.00 A
0.30±0.00 A
0.31±0.00 A
0.31±0.00 A
Shannon 信息指数
0.33±0.02
0.39±0.02
0.42±0.01
0.44±0.01
0.45±0.01
0.45±0.00 A
0.46±0.00 A
注:表中数据后 A 表示误差小于 0.01。
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0






//%
5 10 15 20 25 30 35 40
取样数量//株
A
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0






//%
5 10 15 20 25 30 35 40
取样数量//株
B
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0






//%
5 10 15 20 25 30 35 40
取样数量//株
C
A. Nei’s 基因多样性指数(H);B. Shannon 信息指数(I);C. 多态性位点百分率(PPL)
图 2 不同取样梯度下的君迁子遗传多样性信息参数变化曲线
92.3796.23 92.0596.75 94.08
95.32
和 IRAP 数据结合分析具有较高的可靠性, 因此可
用于进一步的君迁子居群取样策略分析。
2.3 SRAP 和 IRAP 标记的居群取样策略分析
基于 SRAP 和 IRAP 标记、 利用 POPGENE1.32
软件分析野生君迁子居群的遗传变异情况,结果见
表 3。 从表 3 可见,基于 SRAP 和 IRAP 标记均能检
测到较高的居群遗传多样性, 但 SRAP 的多态性位
点百分率(88.51%)、观测等位基因数(1.89±0.33)、
有效等位基因数(1.57±0.36)、Nei’s基因多样性指数
(0.32±0.18)和 Shannon信息指数(0.47±0.24)均高于
IRAP(分别是 85.26%、1.85±0.36、1.49±0.33、0.29±0.17、
0.44±0.23),而采用 SRAP 和 IRAP 数据结合分析的
居群遗传多样性介于 SRAP 和 IRAP 上述参数之间
(分别是 87.36% 、1.87±0.33、1.54±0.35、0.31±0.18、
0.46±0.24)。
对不同单株取样量前提下大别山野生君迁子
居群的 SRAP 和 IRAP 遗传多样性信息参数分 7 个
取样梯度进行统计,结果见表 4。 从表 4 可见,当取
样量为 5 株时,君迁子居群的遗传多样性信息参数
最低;当取样量为 35 株时,君迁子居群的遗传多样
性信息参数最高;随着单株取样量的增加,君迁子
居群的各项遗传多样性信息参数均呈逐渐增大的
趋势。
采用 Nei’s 基因多样性指数(H)、Shannon 信息
指数(I)和多态性位点百分率(PPL)3 项遗传多样性
信息指标分析君迁子居群的取样策略,结果见图 2。
从图 2可见,H、I和 PPL均随着取样梯度的增加(从
5 株到 35 株)而增加;当取样量为 20 株时,H 达到
总体(40株)的 96.23%(超过 95%),I 和 PPL 达到总
体的 92.05%和 94.08%; 当取样量为 25 株时,I 和
PPL 分别达到总体的 96.75%和 95.32% (均超过
95%);当遗传多样性信息参数超过总体 95%后,H、I
和 PPL 这 3 项遗传多样性信息参数的数值趋稳。 3
项遗传多样性信息参数均随着取样量的增加而增
加,但不同遗传多样性信息参数随样本量增加而增
幅不同,这说明随机选取 20~25 个单株就能代表和
反映一个居群的整体遗传特性(达到样本总体遗传
多样性信息参数的 95%以上)。
王 燕等:基于 SRAP 和 IRAP 标记的野生君迁子居群取样策略分析 2841
湖 北 农 业 科 学 2016 年
3 讨论
君迁子是中国柿栽培主要的砧木, 全国有 17
个省(市、自治区)具有分布,绝大部分种质资源处
于野生或半野生状态, 主要生于海拔 500~2 300 m
左右的山地、山坡、山谷灌丛中,在北方地区仅有少
量栽培 [1,2,4]。 在柿的分类上,完全甜柿(Pollination
Constant Non-astringent,PCNA) 在树上就能自然脱
涩、去皮即可脆食,其无需人工脱涩和良好口感等
商品价值相对于非完全甜柿(Non-PCNA)更具备市
场竞争优势 [13],已在云南、福建、山西、湖北等省初
具产业规模。 现在生产上综合性状表现良好的完全
甜柿品种如富有、太秋(Taishu)等与习用砧木君迁
子嫁接表现出早期不亲和或后期不亲和,尤其是结
果太多时树势易速衰[5,14],且新育成的早秋(Soshu)、
甘秋(Kanshu)等品种或多或少具有富有系遗传背
景。 而国内君迁子分布范围广、变异类型丰富,推测
与富有系嫁接广亲和的君迁子砧必然存在;基于形
态、生理、解剖和分子水平的研究,国家柿种质资源
圃(陕西杨凌)尚存 20 年生的君迁子与富有嫁接亲
和性及生长势同本砧差异不显著(西北农林科技大
学,数据未发表)的事例。 因此,开展君迁子收集、保
存和评价工作,筛选出与主栽甜柿品种嫁接亲和度
高、适应性强且早实丰产的配套优良砧木将对国内
甜柿产业可持续发展具有重要意义。
金燕等 [15]对野生大豆居群的研究表明,随机取
样量应保持在 35~45 株时方能代表居群整体并反
映居群的整体遗传特性。 刘文献等[16]对华山新麦草
2 个居群的 6、10、14、18、22、26、30 等 7 个单株取样
梯度进行研究表明,当样本量为 18 时,包含了居群
95%以上的变异。课题组利用 SRAP和 IRAP分子标
记对生长于大别山东部的一个野生君迁子居群分
单株进行取样策略研究,结果表明在各取样梯度上
的观测等位基因数 (Na)、有效等位基因数 (Ne)、
Nei’s 基因多样性指数(H)、Shannon 信息指数(I)和
多态性位点百分率(PPL)均存在随样本量的增加而
随之变大的趋势。 为了更准确地说明居群取样量与
遗传多样性信息参数之间的关系, 采用 H、I 和 PPL
这 3 种遗传多样性信息参数作为评判标准,当君迁
子居群取样量为 20 株时, 基于 H 的遗传多样性信
息参数就包含了居群总体 95%以上的遗传变异;而
当取样量为 25株时,基于 I和 PPL的遗传多样性信
息参数方能达到居群总体 95%以上的遗传变异;随
着取样量的进一步增加各项遗传多样性信息参数
(H、I 和 PPL)的变化基本趋于一致。 说明对君迁子
居群进行野外考察收集、 保护及多样性研究过程
中,按照野生取样原则,选取 20~25 个单株就能代
表和反映一个君迁子居群的整体遗传特性。
综上所述,供试君迁子遗传多样性丰富,基于
遗传多样性信息参数(H、I、PPL)的居群单株取样数
建议设为 20~25株。 基于以上君迁子取样策略的研
究,结合柿属植物已经开发的分子标记 [9,10]和居群
遗传分析水平,有望在挖掘君迁子新类型以及合理
利用与保护野生君迁子种质方面获得更多的理论
依据。
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