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利用SRAP和ISSR标记分析五节芒(Miscanthus floridulus)的遗传多样性



全 文 :第56卷 第5期
 2010年10月
武汉大学学报(理学版)
J.Wuhan Univ.(Nat.Sci.Ed.)
Vol.56No.5 
Oct.2010,578~

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  收稿日期:2010-06-01   通信联系人 E-mail:huzhongli@whu.edu.cn
作者简介:刁英,女,博士,副教授,现从事植物资源生物学与生物技术研究. E-mail:diaoy78@163.com.
文章编号:1671-8836(2010)05-0578-06
利用SRAP和ISSR标记分析五节芒
(Miscanthus floridulus)的遗传多样性
刁 英1,2,胡小虎1,郑兴飞1,胡 晖1,瞿 桢3,胡中立1
(1.武汉大学 生命科学学院/植物发育生物学教育部重点实验室,湖北 武汉430072;
2.重庆文理学院 生命科学与技术学院,重庆402168;
3.湖北光芒能源植物有限公司,湖北 武汉430071)
  摘 要:对41个来自于梁子岛上4个居群的五节芒(Miscanthus floridulus)进行相关序列扩增多态性(se-
quence-related amplified polymorphism,SRAP)和简单重复序列区间标记(inter simple sequence repeat,ISSR)分析.
利用POPGENE32version1.32软件计算多样性指数,采用 NTSYS.2.10e计算软件,得到相似性系数,并用 UPG-
MA法进行聚类分析.结果显示6条ISSR多态性引物,共扩增出103条DNA条带,其中98条为多态性条带,占
95.15%,样品之间的相似系数为0.67~0.95.6对SRAP引物,共扩增出173条DNA条带,其中147条为多态性
条带,占84.97%,样品之间的相似系数为0.75~1.00.两种标记均表明五节芒具有较高的遗传多样性.分别以个
体为单位及以群体为单位进行聚类分析,2种标记分别得到了相似但并不完全相同的个体聚类图及群体聚类图.研
究结果表明五节芒的遗传多样性水平较高.SRAP与ISSR标记均适用于五节芒的遗传多样性分析.
关 键 词:五节芒;相关序列扩增多态性;简单重复序列区间标记;遗传多样性
中图分类号:Q 949.9   文献标识码:A
0 引 言
  芒草是芒属(Miscanthus Anderss.)植物的总
称,属禾本科多年生高大草类.芒草纤维含量高,是
一种理想的造纸原料;近年来以其高光效、生长快,
产量高、易繁殖、燃值高且污染少等独特的优势[1],
已经被确定为一种开发潜力巨大的生物质能源;同
时,随着研究的深入,人们发现芒草还是一类具有重
要生态效益的植物资源[2].中国是世界芒类植物资
源的分布中心,共有10种在我国分布[3].研究者分
别从形态学、生态学、生理生化、资源利用等领域对
芒属植物五节芒(Miscanthus floridulus (Lab.)
Warb.ex Schum.et Laut.)进行了研究[4~7].
DNA分子标记技术以蛋白质、核酸分子的突变
为基础,能够检测生物的遗传结构与变异.目前,该
技术在品种鉴定、遗传图谱的构建、基因的定位及克
隆、物种亲缘关系鉴别、遗传多样性分析等方面得到
了广泛的应用[8].相关序列扩增多态性(sequence
related amplified polymorphism,SRAP)是一种基
于PCR反应的分子标记技术,最早是从芸苔属作物
研究中开发出来[9],具有简便、稳定、中等产率、在基
因组中分布均匀的特点;简单重复序列区间标记
(inter simple sequence repeats,ISSR)是一种在简
单序列重复标记(simple sequence repeats,SSR)基
础上创建、基于 PCR 扩增的新型的分子标记技
术[10].由于ISSR引物碱基数量多,退火温度高,可
重复性好,非特异性扩增少,真核生物富含SSR序
列且变异最快,故ISSR扩增出的条带多且多态性
要比 RAPD(random amplified polymorphic,DNA)、
SSR、RFLP(restriction fragment length polymor-
phisms)等更加丰富.
芒属植物是多年生的异花授粉植物,自然界分
布广,很易杂交,遗传背景十分复杂,目前,还未见对
五节芒的自然群体进行遗传多样性研究的报道.因
此,本研究利用SRAP和ISSR分子标记技术对湖
北省梁子岛生长的五节芒自然野生群体进行遗传学
第5期 刁 英 等:利用SRAP和ISSR标记分析五节芒(Miscanthus floridulus)的遗传多样性
分析,初步了解芒的遗传变异状况,同时为利用分子
标记对芒属植物进行研究提供基础数据.
1 材料与方法
1.1 样品
供试样品采集地为湖北省鄂州市梁子岛,采集
时间为2010年5月;五节芒生长成丛分布,每丛采
样1~2个分株,共采集41株个体,共4个居群;荻
(Miscanthus sacchariflorus (Maxim.)Benth.)2
株(外类群).所采材料均经过武汉大学生命科学学
院潘明清高级工程师鉴定.材料的具体信息见表1.
1.2 仪器与试剂
PCR扩增是在BIO-RAD MY Cycler Thermal
Cycler PCR仪上进行.主要试剂10×Taq Bufer(不
含 Mg2+),2mmol/L MgCl2,10mmol/L dNTPs,2
U/μL Taq DNA聚合酶,DNA Marker DL 2000均
购于北京鼎国生物技术服务有限公司.ISSR引物及
SRAP引物(表2)均由北京奥科生物技术有限责任
公司合成,稀释至20μmol/L备用.
表1 研究所用材料
样品序号 名称     采集地 经纬度 居群编号
1~14,
40~41 Miscanthus floridulus
梁子岛池塘旁 E 114°34′254″,N 30°15′898″ R1
15~19  Miscanthus floridulus 梁子岛北路旁 E 114°34′311″,N 30°15′965″ R2
20~29  Miscanthus floridulus 梁子岛北部  E 114°34′335″,N 30°15′984″ R3
30~40  Miscanthus floridulus 梁子岛观音庙 E 114°34′359″,N 30°15′933″ R4
42,43  Miscanthus sacchariflorus 梁子岛南部  E 114°34′407″,N 30°15′950″ R5
    注:样品2和3来自于同一丛五节芒的不同分株,4和5,6和7,10和11,40和41均是如此
表2 ISSR和SRAP引物名称与序列
ISSR引物 SRAP引物
引物名称 序列 上游引物名称 序列
下游引
物名称 序列
ubc1  5′-ACACACACACACACACTG-3′ me3  5′-TGAGTCCAAACCGGAAT-3′ em10 5′-GACTGCGTACGAAT-TCAT-3′
ubc3 5′-GTCAGTGTCTCCTCCTCCTC-CTCC-3′ me4  5′-TGAGTCCAAACCGGACC-3′ em11
5′-GACTGCGTACGAAT-
TCTA-3′
ubc835  5′-AGAGAGAGAGAGAGAGYC-3′ me6  5′-TGAGTCCAAACCGGACA-3′ em13 5′-GACTGCGTACGAAT-TCTG-3′
ubc860  5′-TGTGTGTGTGTGTGTGRA-3′ me8  5′-TGAGTCCAAACCGGACT-3′ em14 5′-GACTGCGTACGAAT-TCTT-3′
ubc810  5′-GAGAGAGAGAGAGAGAT-3′ em15 5′-GACTGCGTACGAAT-TGAT-3′
ubc841  5′-GAGAGAGAGAGAGAGAYC-3′
  注:Y=(C,T);R=(A,G).SRAP标记所采用的引物组合为 me3+em14,me4+em15,me6+em11,me6+em14,me6+em10,me8+
em13
1.3 DNA提取
用植物基因组DNA提取试剂盒(北京天根生
化科技有限公司)提取基因组DNA.通过紫外检测
和琼脂糖凝胶电泳检测其质量和浓度,取部分基因
组DNA稀释至50mg/L,置于-20℃冰箱保存备
用.
1.4 ISSR分子标记体系的优化及分析
参照文献[10]的方法进行,采用单因素法,对反
应体系中的 Mg2+、dNTPs、TaqDNA聚合酶浓度进
行了优化,最后确定最佳的反应体系如下:1μL 10
×Taq Buffer、DNA 20ng、Mg2+1.6 mmol/L、
dNTPs 0.5mmol/L、TaqDNA聚合酶0.6U、正反
向引物浓度均为0.8μmol/L,总体系为10μL.
PCR扩增程序为:95℃预变性5min;95℃变
性45sec、52℃复性45sec、72℃延伸1min,40个
循环;72℃延伸5min,4℃保温.
1.5 SRAP分子标记分析
参照文献[9]的方法,对反应条件进行了优化,
优化后具体反应体系如下:1μL 10xTaq Buffer、
DNA 20ng、Mg2+2mmol/L、dNTPs 0.5mmol/L、
TaqDNA聚合酶0.6U、正反向引物浓度均为0.8
μmol/L,总体系为10μL.
PCR扩增程序为:94℃预变性5min;94℃变
性1min、35℃复性1min、72℃延伸1min,5个循
环;94℃变性1min、50℃复性1min、72℃延伸1
min,35个循环,72℃延伸10min,4℃保温.
1.6 产物检测
扩增产物采用6%的变性聚丙烯酰胺凝胶电泳
975
武汉大学学报(理学版) 第56卷
银染检测,用数码相机照相、记录.
1.7 遗传多样性分析
电泳图谱的每条带(DNA片段),均为一个分子
标记,代表一个引物结合位点.根据各分子标记的迁
移率及其有无,统计所有的二元数据,按条带有或无
赋值,有带(显性)记为1,无带(隐性)记为0,强、弱
条带的均赋值,以此作为数据记录的标准.对于多态
性位点,仅在重复实验中能稳定出现差异的条带用
于数据分析.SRAP和ISSR反应条带转换成“0,1”
矩阵后,假定等位基因频率处于 Hardy-Weinberg
平衡状态下,利用POPGENE32version1.32软件计
算Nei’s基因多样性指数(H)和Shannon信息指数
(I);采用NTSYS.2.10e计算软件,得到Dice相似
性系数,并用UPGMA法进行聚类分析.
2 结果和分析
2.1 ISSR分析结果
利用ISSR技术对五节芒进行了遗传多样性分
析.利用6条ISSR多态性引物,共扩增出103条
DNA条带,其中98条为多态性条带,占95.15%,
平均每个引物扩增出17.1条DNA带.以个体为单
位,五节芒样品之间的相似系数为0.67~0.95,基
因遗传多样性指数 Ht=0.297 4,Shannon’s信息
指数I个体=0.452 5.若按居群进行分析,居群间的
相似系数为0.84~0.95,总的遗传多样性指数 Ht=
0.314 4,居群的遗传多样性 Hs=0.168 2,遗传分化
系数Gst=0.464 8,I居群=0.428 1.以上结果说明,供
试材料之间差异明显,具有较为丰富的遗传多样性.
在聚类分析树状图(图1)中相似系数0.66处,
将41份芒的材料划分为A、B、C三大聚类组,而荻
的两份材料与五节芒有明显分化,聚为一支形成外
类群.在ISSR标记结果中,部分个体材料显示出较
大的变异,与其所在居群分化较大,如第7、18、21号
样品,均游离于相应的居群材料外;R4居群在聚类
树中所有个体均聚在一起,说明其个体之间的分化
较小;R1群体分化为明显的两组,其中一组与 R4
群体较为接近,而其余个体与R3群体的部分个体
聚在一起;R3群体的分化较小,基本聚在一起;从同
一丛五节芒上所取的两个不同的分株,均分别聚在
一起,说明两者之间的变异较小.
当以居群为单位进行ISSR分析时,聚类结果
(图2)表明R1与R4居群分化不明显,R1的群体与
R4群体相似性最高,说明二者可能有较近的亲缘关
系,而R2的群体与其他3个群体的差异最大,分化
明显.
2.2 SRAP分析结果
利用6对SRAP引物对五节芒进行了遗传多
样性分析,共扩增出173条DNA条带,其中147条
为多态性条带,占84.97%,平均每个引物扩增出
28.3条DNA带.以个体为单位分析,Ht=0.186 6,
I个体 =0.301 8,芒样品之间的相似系数为0.75~
图1 基于ISSR标记的41份五节芒的UPGMA聚类图
其中,1~41为五节芒,42、43为荻
085
第5期 刁 英 等:利用SRAP和ISSR标记分析五节芒(Miscanthus floridulus)的遗传多样性
图2 基于ISSR标记的4个五节芒居群
的UPGMA聚类图
其中,R1~R4为五节芒,R5为荻
1.00.若按居群进行分析,居群间的相似系数为
0.973 8~0.974 2,Ht=0.254 1,Hs=0.100 8,Gst
=0.603 5,I居群=0.290 1.分析结果说明,供试材料
之间存在一定程度的分化,遗传多样性较为丰富.
在此基础上建立了聚类分析树状图(图3),在
相似系数0.75处,将41份五节芒的材料划分为A、
B、C、D大聚类组,而荻的两份材料与芒有明显分
化,聚为一支形成外类群.在SRAP标记结果中,R3
群体内个体分化较小,基本聚在一起,其间夹杂分布
了R4的群体、R2群体、R1群体的部分个体;5个
R1群体的个体单独组成一支,而其余个体则与部分
R4个体及1个R2个体组成一支;21号个体与所有
的五节芒分化均较大.
图3 基于SRAP标记的41份五节芒的UPGMA聚类图
其中,1~41为五节芒,42、43为荻
  当以居群为单位进行SRAP分析时,聚类树
(图4)将4个五节芒的群体分为两组,其中R1与
图4 基于SRAP标记的4个五节芒居群
的UPGMA聚类图
其中,R1~R4为五节芒,R5为荻
R4聚在一起为一组,而R2与R3聚在一起为另一
组.说明R1与R4群体有较近的亲缘关系,而R2与
R3群体亲缘关系较近.
3 讨 论
DNA分子标记广泛存在于基因组DNA 的各
个区域,通过对随机分布的分子标记的多态性进行
比较,就能够全面评估研究对象的遗传多样性.IS-
SR标记呈孟德尔式遗传,在多数物种中是显性的.
目前已广泛用于植物品种鉴定、遗传作图、基因定
位、遗传多样性、进化及分子生态学研究中[11].
SRAP标记技术在第二代分子标记技术里相对年
轻,但是自从其开发以来,也得到了广泛应用,特别
185
武汉大学学报(理学版) 第56卷
是在蔬菜类作物中使用较多[12].目前,DNA分子标
记技术在芒草上的应用相对较少,仅见 RAPD、
AFLP 及 ISSR 标 记 有 相 应 的 报 道[13,14].由 于
SRAP、ISSR标记技术均以PCR扩增技术为基础,
因此,本研究中,我们采用单因素法对五节芒的
ISSR-PCR和SRAP反应体系进行了相应的优化.
SRAP和ISSR两种标记系统在多态性水平及检测
水平上各有不同.本研究中,从平均扩增条带数和平
均多态条带数上看,SRAP标记略高于ISSR标记,
但从多态条带比率上看ISSR 标记要明显高于
SRAP标记;从遗传相似系数分析看,SRAP标记的
遗传相似性系数的范围比ISSR标记略小.因此,在
芒的研究中ISSR标记相对而言比SRAP标记能反
映较多的遗传信息,检测到个体间较高的遗传差异,
这可能与不同的标记在其基因组内的分布不同有
关.经过优化的这两种分子标记技术,不但保证了扩
增的稳定性,且都能产生各自有效的多态性带,揭示
出五节芒种内个体间在DNA 水平上的显著遗传变
异,因此,这两种分子标记均可用于五节芒种质的遗
传多样性研究和其他相关研究.
芒属植物均是异花授粉,可以利用种子进行有
性繁殖,芒草的种子依靠风力进行散播,散布范围较
大;同时也可以利用分蘖或地下茎进行无性繁殖.五
节芒成丛分布就是其分蘖生长的结果.研究发现由
同一丛五节芒中所采集的两个不同分株,利用ISSR
或SRAP分子标记均能检测出差异,但是其变异的
程度明显小于不同丛间的变异.无性繁殖能够保持
物种的特性稳定,但是在自然界无性系的变异也广
泛存在,目前许多作物品种都是通过无性系的变异
选育得到的[15,16].克隆生长一方面有效地保证了物
种的生存和延续,另一方面其克隆个体间的变异又
有效地增加了遗传多样性,避免自交衰退的情况.
从梁子岛上的各个群体内部个体之间的变异来
看,不同群体的内部遗传多样性状况不同,有的群体
表现出较为丰富的变异,如位于池塘旁边的R1群
体,而有的群体较为保守,检出的个体间的变异较
小,如R3群体.从其群体分布的环境来看,变异较
为丰富的群体生长环境条件相对优越的地方,而变
异较小的群体则分布在地势较高、土质较差的半坡
位置.因此,我们推测五节芒群体内变异的大小与其
生长的环境有较大关系,其生存环境较好时,有利于
有性繁殖,群体遗传多样性较高;当生长环境较恶劣
时,则促进了无性繁殖,群体多样性相对较低[16].R2
与R3群体在本研究中表现出较近的亲缘关系,这
可能与这两个群体所处的位置较为接近有关.
本研究的结果显示,不论是在克隆个体间还是
群体之间,五节芒都表现出较为丰富的变异,可能是
因为五节芒为短命多年生植物,繁育系统多样(既可
进行有性繁殖,也可进行营养繁殖)等原因造成的.
五节芒丰富的遗传多样性,使其能够具有很强的适
应性和抗逆性,从而在各种恶劣的环境条件下均能
生长.
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Analysis of Genetic Diversity in Miscanthus floridulus
Using SRAP and ISSR Markers
DIAO Ying1,2,HU Xiaohu1,ZHENG Xingfei 1,HU Hui 1,QU Zhen3,HU Zhongli 1
(1.Colege of Life Sciences,Wuhan University/Key Laboratory of Ministry of Education for
Plant Developmental Biology,Wuhan 430072,Hubei,China;
2.Colege of Life Science and Technology,Chongqing University of Arts and Sciences,Chongqing 402168,China;
3.Hubei Shining Energy Plant Co.Ltd.,Wuhan 430071,Hubei,China)
  Abstract:To study the genetic diversity of Miscanthus floridulus,forty-one individuals of M.flo-
ridulus from Liangzi Island were analyzed by sequence related amplified polymorphism(SRAP)and inter
simple sequence repeats(ISSR)molecular markers.The data were analyzed by POPGENE32version1.32
and NTSYS.2.10esoftware and clustered by UPGMA method.Six ISSR primers amplified 103bands with
98(95.15%)polymorphic and six SRAP primer combination amplified 173bands with 147(84.97%)
polymorphic.The genetic similarity coefficient was 0.67~0.95(by ISSRs)and 0.75~1.00(by SRAPs).
Both SRAP and ISSR analyses revealed a high level of genetic diversity in M.floridulus.By cluster analy-
sis of the individuals or the populations,the dendrograms based on SRAP and ISSR markers were similar
but not al the same.Different germplasms diversity of M.floridulus is high and SRAP and ISSR can be
used in genetic diversity study of M.floridulus.
Key words:Miscanthus floridulus;sequence related amplified polymorphism(SRAP);inter simple
sequence repeats(ISSR);genetic diversity
385