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大叶藻EST-SSR标记开发及其在大叶藻群体遗传多样性研究中的应用



全 文 :第34卷 第4期            渔 业 科 学 进 展  Vol.34,No.4
2 0 1 3 年 8 月        PROGRESS IN FISHERY SCIENCES  Aug.,2013
大叶藻EST-SSR标记开发及其在
大叶藻群体遗传多样性研究中的应用
刘福利1 刘 坤1,2 王飞久1* 孙修涛1 汪文俊1 梁洲瑞1 马兴宇1,2
(1农业部海洋渔业可持续发展重点实验室 中国水产科学研究院黄海水产研究所,青岛266071)
(2上海海洋大学水产与生命学院,201306)
摘 要  本研究从NCBI的EST数据库中下载大叶藻EST序列共计10 659条,从中得到SSR位
点共65个,SSR发生频率为1.7%,平均分布距离为21.7kb。其中三核苷酸为优势重复类型,占
49.2%,二核苷酸数量仅次于三核苷酸,占33.8%。基于65条含有SSR的EST序列,设计并合成了
30对引物,其中26对引物的扩增产物单一,片段大小与预测的相近或较大。在由16个大叶藻个体
组成的群体中,其中8对引物的扩增条带具有多态性。利用这8对引物对青岛汇泉湾大叶藻自然群
体进行了遗传多样性分析,结果表明,8个SSR共检测出33个等位基因,平均每个SSR能检测出4.1
个等位基因,多个遗传多样性参数表明,青岛汇泉湾大叶藻群体具有较高的遗传多样性(Ho=0.538
2;He=0.577 6;I=0.560 7)。本研究开发的EST-SSR标记,可进一步丰富大叶藻SSR标记信息,
为大叶藻分子生态和群体遗传研究提供更多的标记选择。
关键词  大叶藻  EST  SSR  遗传多样性
中图分类号 Q948.8  文献识别码 A  文章编号 1000-7075(2013)04-0091-07
国家公益性行业(农业)科研专项(201003068)资助
*通讯作者。E-mail:wangfj@ysfri.ac.cn,Tel:(0532)85838673
收稿日期:2012-07-12;接受日期:2012-12-04
作者简介:刘福利(1983-),男,博士,助理研究员,主要从事经济海藻研究。E-mail:liufl@ysfri.ac.cn,Tel:(0532)85838673
EST-SSR marker development and its application in population
genetic diversity analysis of Zostera marina
LIU Fu-li 1 LIU Kun1,2 WANG Fei-jiu1* SUN Xiu-tao1 
WANG Wen-jun1 LIANG Zhou-rui 1 MA Xing-yu1,2
(1 Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries,Ministry of Agriculture,
Yelow Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Qingdao 266071)
(2 Aquatic and Life School,Shanghai Ocean University,201306)
ABSTRACT  In this study,a total of 10 659 Zostera marina EST sequences were download-
ed from NCBI database,from which 65EST-SSR loci were searched with the frequency of
1.7%and the average distributing distance of 21.7kb.Out of al the repetitive motifs,the tri-
mer was dominant at a ratio of 49.2%,folowed by the dimer at a ratio of 33.8%.Based on the
searched 65EST sequences,30pairs of primers were designed and synthesized,of which 26
pairs had amplification products with unambiguous bands at similar or larger size than expected.
                      渔 业 科 学 进 展 第34卷 
Using eight pairs of polymorphic primers in a population of 16individuals,the genetic diversity
of Z.marinapopulation in Huiquan Bay,Qingdao was analyzed.A total of 33aleles were ob-
tained at an average of 4.1aleles per locus,and the genetic diversity of the investigated popula-
tion was relatively high(Ho=0.538 2;He=0.577 6).The EST-SSR markers developed in
this study wil provide data for molecular ecology and population genetics study of Z.marina.
KEY WORDS  Zostera marina  SSR  EST  Genetic diversity
大叶藻隶属于沼生目 Helobiae、大叶藻科Zosteraceae、大叶藻属Zostera,生长于低潮带和潮下带浅海区,
是北半球沿海分布最广泛的一类海草,在我国广泛分布于山东、河北、辽宁沿海。作为海草的一个优势种,大叶
藻可形成海草场,是近海典型生态系统之一,具有重要的生态和经济价值(Orth et al. 2006;Hemmingaet
al. 2000)。然而,由于人为因素干扰和气候变化(Waycott et al. 2009),在全球范围内大叶藻正经历着严
重的衰退(Short et al. 1996)。近年来有关大叶藻自然群体衰退原因的探究渐渐成为近海生态系统研究的
焦点之一。生物群体的遗传结构和遗传多样性,既是生物群体对环境长期适应的结果,也是影响生物群体对环
境适应力的关键影响因子。因此,应用分子生态学和群体遗传学的原理和方法,研究大叶藻群体遗传结构和遗
传多样性与环境间的相互作用,对解析大叶藻衰退原因具有重要意义。
作为第二代分子标记的代表,简单重复序列(Simple Sequence Repeat,SSR)又称微卫星(Microsatelite)
标记,具有高丰度、高重复性、多等位基因和共显性遗传等优点,一直是分子生态学和群体遗传学的首选标记
(Powel et al. 1996;Nybom 2004)。根据来源不同,SSR标记可分为基因组SSR(Genomic SSR)和表达序
列标签SSR(EST-SSR),前者需要建库和测序导致成本较高(Zane et al. 2002),而随着公共数据库里EST
数据的积累,EST序列渐渐成为开发SSR标记的重要资源。相对于Genomic SSR,EST-SSR具有开发成本
低、可在近缘物种中交叉使用和可作为功能性标记等优点(Varshney et al. 2005)。对大叶藻而言,Reusch
等(1999、2000)应用富集文库的方法开发了12个Genomic SSR;Peng等(2012)应用富集文库的方法开发了19
个Genomic SSR标记;Oetjen等(2007)利用他们构建的EST数据库中的1 103条序列开发了14个EST-SSR
标记。此后,又有一批新的EST数据被添加到公共数据库(Reusch et al. 2008;刘利民等 2010),截止2012
年6月,NCBI数据库中大叶藻的EST序列已高达10 659条。为了进一步丰富大叶藻SSR标记信息,增加
SSR标记在大叶藻基因组的覆盖度,为大叶藻分子生态和群体遗传研究提供更多的标记选择,最终为更全面
地了解大叶藻遗传多样性和遗传结构服务,本研究利用最新的大叶藻EST信息,从中开发一批新的EST-SSR
标记,并应用这些EST-SSR标记分析评价了山东省青岛市汇泉湾大叶藻群体的遗传多样性。
1 材料与方法
1.1 大叶藻样本
本研究所应用的大叶藻样品,于2011年6月17日采自山东省青岛市汇泉湾。随机取样,样本间至少间隔
2m,样本量为24个个体。采集好的样品用海水初步清洗,装入封口袋,做好标记带回实验室,用灭菌海水清
洗,彻底清除附着物,于-20℃保存以备基因组DNA提取。
1.2 大叶藻基因组提取
大叶藻基因组DNA采用TianGen植物基因组提取试剂盒(TianGen生物技术有限公司,北京)进行提取,
具体步骤参见其说明书。应用电泳和DNA定量仪两种方法检测基因组DNA的质量。
1.3 大叶藻EST-SSR标记开发
大叶藻的 EST 来自 NCBI(美国国家生物技术信息中心)数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
29
 第4期   刘福利等:大叶藻EST-SSR标记开发及其在大叶藻群体遗传多样性研究中的应用
dbEST)。从数据库直接获取的EST中包含一些低质量片段,在搜索SSR前应对这些EST进行预处理,然后
应用在线软件SSRIT(http://acorn.cshl.org/db/searches/ssrtool)搜索EST中的SSR序列。搜索的标准为:
重复序列不少于18~20核苷酸,即二核苷酸(Dimer)重复至少10次,三核苷酸(Trimer)至少重复6次,四核苷
酸(Tetramer)至少重复5次,五核苷酸(Pentamer)至少重复4次,六核苷酸(Hexamer)至少重复3次以上。应
用引物设计软件Primer Premier 5.0设计引物,扩增片段长度在150~350bp之间,最长不超过500bp,引物
由上海生工生物技术有限公司合成。
PCR反应体系和程序参考Oetjen等(2007),不同引物对的退火温度不同,具体参考表格2。PCR扩增产
物应用8%的聚丙烯酰胺凝胶进行分离,电泳结束后参照Bassam等(1991)的方法进行银染显色。
1.4 青岛汇泉湾大叶藻群体遗传多样性的EST-SSR分析
利用筛选的8对大叶藻EST-SSR标记,对青岛汇泉湾大叶藻自然群体(n=24)进行基因分型,评价其遗传
多样性水平。
1.5 数据处理
EST-SSR标记开发成功的标准为:EST-SSR标记的引物对能在PCR反应中扩增出单一的目的条带,没
有或仅有微弱的非特异性扩增,并且在检验群体中表现出一定的多态性。利用POPGENE Version 1.31(Yeh
et al. 1999)软件计算群体的遗传多样性参数:等位基因数Na、有效等位基因数Ne;Shannon多样性指数I;
观察杂合度Ho;期望杂合度He。应用在线软件Genepop(http://genepop.curtin.edu.au/)检验各EST-SSR
标记位点是否在大叶藻群体中遵循 Hardy-Weinberg平衡,检验EST-SSR标记位点间是否存在连锁不平衡。
2 结果
2.1 基因组DNA质量检测
电泳检测所提取基因组DNA样品的质量,结果显示每一样品在电泳时均形成明显的一条主带,与分子量
标准对照,大小约为23kb。DNA定量仪测定所得的DNA溶液OD值在1.6~1.8之间,所得DNA样品的浓
度在20~50ng/μl左右。电泳和定量仪的检测结果均表明所获得大叶藻基因组DNA样本质量较高,可以用
于下游的实验。
2.2 大叶藻SSR在EST中的分布特征
从NCBI的EST数据库中下载大叶藻EST序列共计10 659条,经过预处理后,选择其中高质量的、无冗
余EST序列3823条用于SSR搜索,结果共搜索得到65个SSR,SSR在EST序列中的发生频率为1.7%(含
有SSR的EST与无冗余EST总数之比),EST-SSR的平均分布距离为21.7kb。在65个大叶藻EST-SSR
中,其中二核苷酸共有22个,三核
表1 大叶藻EST-SSR中不同重复单元及其频率
Table 1 Repetitive motif type and frequency of EST-SSR in Z.marina
重复单元 Motif   
数量
Number
比例
Ratio(%)
单元类型数
No.of motif
最大重复数
Maximum repeat
二核苷酸 Dimer  22  33.8  6  36
三核苷酸 Trimer  32  49.2  19  10
四核苷酸 Tetramer  8  12.3  6  8
五核苷酸Pentamer  2  3.1  2  6
六核苷酸 Hexamer  1  1.5  1  4
苷酸共有32个,四核苷酸共有8个;五
核苷酸和六核苷酸分别共有2个和1个
(表1)。其中三核苷酸为优势重复类
型,共占EST-SSR总数的49.2%,二核
苷酸数量仅次于三核苷酸,占33.8%,
而六核苷酸重复类型最少,仅有1个,仅
占1.5%(表1)。共检测到34个重复单
元类型,二核苷酸到六核苷酸中检测到
重复单元类型分别有6、19、6、2和1个
(表1)。二核苷酸至六核苷酸平均基元
39
                      渔 业 科 学 进 展 第34卷 
长度变化范围差异很大,二核苷酸的最大重复次数最大,可达36次,六核苷酸的最大重复次数最小,只有4次
(表1)。
2.3 大叶藻EST-SSR标记引物设计和筛选
基于搜索得到的65条含有SSR的大叶藻EST序列,设计并合成了30对引物(表2)。随机取4个大叶藻
个体,对30对引物进行初步筛选。结果表明30对引物均有扩增产物,其中有4对引物非特异性扩增较多,目
的条带不明确,将这些引物对舍弃;其余26对引物的扩增产物单一,片段大小与预测的相近或较大,保留这些
扩增产物清晰、明亮的引物对,并将它们作为成功开发的大叶藻EST-SSR标记(表2)。然后,随机取16个大
叶藻个体,筛选在16个个体间具有多态性的引物对,结果表明其中8对引物对的扩增条带具有多态性(表2),
每对引物在16个个体中最多能扩增出5个等位基因,最少能扩增出两个等位基因,共扩增出28个等位基因,
平均每对引物扩增出3.5个等位基因。其余18对引物在16个个体中都能扩增出清晰明亮的预期条带,但是
都不具有多态性,至于它们是否确实不具多态性还需要在其他大叶藻群体中进一步检验。
表2 大叶藻EST-SSR标记的引物信息
Table 2 Primer information for EST-SSR markers of Z.marina
编号
Number
序列号
Accession No.
序列(5′-3′)
Sequence
重复单元
Repetitive unit
退火温度
Annealing
temperature(℃)
产物长度
Length of
amplicon
多态性
Polymorphism
1 HS090967 GAAGGCGACCACCGTCACTC  AG  62.5  379 无 No
ATCCACCACCAAACCGAACA  60.6
2 AM768889 TGCCATCATCTCACTTACGC  TC  50  217 无 No
TGACCGCAATAGGACAACCA  50
3 AM408843 CGTAGATAACGACCGCAGAG  CTT  56.1  194 有 Yes
GAGGGACGGAGGAGATGAAG  58.3
4 HS091441 GCCACTCAAAACATACAAAA  TCT  51.1  166 有 Yes
ATAGCAAAAGAAACCCAGAT  51.2
5 AM766590 TAACTCTGCGAATCCTCCTG  TTC  55.3  355 无 No
AACCTGCTTCTCCCACTGTAT  55.6
6 AM768799 CGTCTTCATCCCTACCACCA  TTC  58  104 有 Yes
ATTCGTTTGCTGTCGTCCTC  57.5
7 AM767326 GGAACAAGAATGATAAACGGACAA  ATAG  60.4  352 有 Yes
CGGGAGCAGAAGAGGTGAAA  60.1
9 HS090290 TCTCCAACGCTTCTTCTCCG  TA  62.3  648 无 No
CAAATACATCCTCAAGTCCG  52.9
10 AM772587 TCAGTCACGGTTCCCTACGA  GAC  58.5  231 无 No
ATACGGGCTACCCACTCT  59.2
11 AM770310 AGGTTTGACCAACGGAGATT  TCT  55.8  254 无 No
GACCTGCTTCACAAAGACGA  56
12 HS091741 GATGATCCTTCCGATCCTAG  TGA  53.5  181 无 No
TTCAGATTCCTTTCCCACAA  55.3
14 FC822541 TTTCATTTCCATTTCCCACC  AG  57.3  394 无 No
ATCCCAAAGTGCCAAACCTA  57.2
15 FN435338 GCCACTTCCGTAGTTGCTGT  AG  57.7  391 有 Yes
ACAAATACGACCCAAACTGC  55.2
49
 第4期   刘福利等:大叶藻EST-SSR标记开发及其在大叶藻群体遗传多样性研究中的应用
  续表2
编号
Number
序列号
Accession No.
序列(5′-3′)
Sequence
重复单元
Repetitive unit
退火温度
Annealing
temperature(℃)
产物长度
Length of
amplicon
多态性
Polymorphism
16 AM768896 GATTCTTCTCCCTTGGTTGC  TA  56.2  202 无 No
CCTTGGAGGAGTCTGAAAAT  53.3
18 AM771969 AGAAGCGTCTCCCTAAGCAA  AAG  57  113 无 No
AACCTGCTTGAGAACCTTGA  54.7
19 AM769444 CTGCTTCCTCTGTTTCCACGAT  AAG  61  191 无 No
GCGACGGTCAGACTCCAAAT  59.8
20 HS091722 CTACCGTCAGGTTTCTACTT  AAT  48.8  99 无 No
ACTAATCCACTTCAAGCCAC  51.6
21 AM769845 TTTGTTAGGTCGAAACTCCG  AGA  55.9  233 无 No
CAAGGCATCCATTCTTACTCAG  56.9
22 AM769767 AATGGAAATATGATGGGATG  CCA  52.2  154 无 No
ATGTGGTTGACTCGGTAGAA  52.5
24 AM766914 GGGACTCAATAATTCACAGAGA  AG  53.7  221 无 No
ATGGGCTACCAGACGAAACT  56.3
25 AM766316 GGGGACTCACTCAATAATTCAC  AG  55.5  224 有 Yes
ATGGGCTACCAGACGAAACT  56.3
26 AM766373 ACATCCAAACCCATTTACCG  GGA  57.3  239 无 No
TCCTTCACAAGCGAAGCACA  60
27 AM767889 GAGACAACATCTACCCAAGACA  TTTGA  54.1  181 无 No
TGACAGACCGAGACCTGAAT  54.7
28 AM772850 GGGGACGCCTCTTTTTTCCT  CT  62.2  377 有 Yes
TCAACCCTGGGAATACCATCTT  60.1
29 AM771411 AAAAGACAGAGCCTATCAAC  ATC  48.6  294 有 Yes
CAGTACAGGGTTTAGTTTAGAT  48.4
30 HS090390 TCCTGCTCTGACTATCTCCA  TGGC  52.5  353 无 No
AACCACAGATCAAATCTAAGAC  50.6
1~21:其中21个大叶藻个体;M:DL2000marker
1~21:21 Z.marinaindividuals;M:DL2000marker
图1 引物对29在汇泉湾大叶藻群体中的扩增电泳
Fig.1 Electrophoresis patterns of Z.marina using the primer No.29
2.4 青岛汇泉湾大叶藻群体遗传多样性的
EST-SSR分析
  利用筛选出来的8对大叶藻EST-SSR
引物,对24个个体组成的青岛汇泉湾大叶藻
自然群体进行遗传多样性分析。结果表明,
这些SSR标记中,最多能检测出5个等位基
因,最少能检测出3个等位基因,8个SSR共
检测出33个等位基因,平均每个SSR能检
测出4.1个等位基因。图1为其中第29号
引物对在大叶藻自然群体中的扩增电泳图。
利用POPGENE软件计算了青岛汇泉湾大
叶藻自然群体的等位基因数(Na)、有效等位
基因数(Ne)、Shannon多样性指数(I)、观察
59
                      渔 业 科 学 进 展 第34卷 
杂合度(Ho)、期望杂合度(He)(表3)。这些参数揭示出青岛汇泉湾大叶藻自然群体具有较高的遗传多样性。
这些EST-SSR位点在青岛汇泉湾大叶藻自然群体中符合 Hardy-Weinberg平衡,并且这些位点相互独立,彼
此间处于连锁平衡状态(P<0.01)。
表3 青岛汇泉湾大叶藻自然群体的遗传多样性
Table 3 Genetic diversity of Z.marinapopulation in Huiquan Bay,Qingdao
Na Ne  I  Ho  He
4.123 5±0.240 5  3.987±0.414 6  0.560 7±0.108 0  0.538 2±0.038 9  0.577 6±0.023 1
3 讨论
由于Genomic SSR开发过程繁杂、成本较高,大叶藻Genomic SSR分子标记罕有报道(Reusch et al. 
1999、2000;Peng et al. 2012);对EST-SSR而言,虽然公共数据库中已有大量的大叶藻EST(Reusch et al.
 2008;刘利民 2010),但是目前仅有Oetjen等(2007)利用他们构建的EST数据库中的1 103条序列开发了
14个EST-SSR标记。本研究利用最新的大叶藻EST信息,从中开发了26个新的EST-SSR标记,可进一步
丰富大叶藻SSR标记信息,增加SSR标记在大叶藻基因组的覆盖度,为大叶藻分子生态和群体遗传学提供更
多的标记选择,从而服务于大叶藻遗传多样性和遗传结构等相关研究。
大叶藻EST序列中含SSR的比率1.7%,稍微偏离了EST文库中大约2%~11%的EST序列中含有
SSR的推测(Cordeiro et al. 2001)。大叶藻EST序列平均每21.7kb含有一个SSR,故其EST-SSR的密度
高于玉米(28.3kb)和大豆(23.8kb)(Gao et al. 2003),而低于拟南芥(14.9kb)、小麦(15.6kb)、棉花
(20.0kb)、水稻(11.8kb)、大白菜(10.3kb)和油菜(4.34kb)(李永强等 2004;葛 佳等 2005;李小白等 
2007)。值得注意的是,不同的研究者得到的EST-SSR密度存在差异,这可能与EST的数量、搜索SSR软件
的算法与SSR标准的参数设定等多种因素有关。
大叶藻EST-SSR中三核苷酸重复所占的比例最高为49.2%,与已报道的甘蔗、棉花、水稻、玉米、小麦、大
白菜、番茄、香蕉和拟南芥中三核苷酸类型所占比例最高的结果一致(Cardle et al. 2000;王静毅等 2008)。
在所有大叶藻重复单元类型中,出现频率最高的是AAG/CTT,占所有三核苷酸重复类型总数的26.3%,与甘
蓝、大白菜、油菜、拟南芥和大豆中都是AAG/CTT出现频率最高的结果相一致。Gao等(2003)推测双子叶植
物中AAG/CTT重复丰度很高,尽管大叶藻属于单子叶植物,但是其AAG/CTT重复类型频率最高,这可能
提示单子叶植物中也具有高丰度的AAG/CTT重复。
利用本研究筛选的8个EST-SSR标记分析评价了青岛汇泉湾大叶藻自然群体的遗传多样性,结果表明该
大叶藻群体具有较高的遗传多样性(Ho=0.5382;He=0.5776)。另外,刘志鸿等(1998)、李 渊等(2011)分
别应用同工酶和AFLP技术研究,表明青岛地区大叶藻种群具有较高的遗传多样性,与本研究结果相一致。
这些研究都证明了青岛大叶藻群体具有较高的遗传多样性水平,暗示其具有较强的环境适应力。然而,近年来
青岛地区的大叶藻群体却有衰退趋势,这可能因为生境条件变化幅度超出了大叶藻的适应范围。引起生境条
件变化的因素很多,包括气候变化、海洋酸化,尤其是人为因素的影响,如近海污染、围海造田和近岸工程等。
大叶藻组成的海草场是近海典型生态系统之一,具有重要的生态和经济价值。因此,应采取科学有效的保护措
施,一方面通过多种方法提高大叶藻群体自身的环境适应力,另一方面要尽量减少人为干扰,来保育大叶藻群
体,以发挥其重要的生态效应。
参 考 文 献
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 第4期   刘福利等:大叶藻EST-SSR标记开发及其在大叶藻群体遗传多样性研究中的应用
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