全 文 :植物种群研究中的分子标记及其应用 3
张军丽 3 3 王峥峰 李鸣光 王伯荪 (中山大学生命科学学院 ,广州 510275)
【摘要】 综述了植物种群分子生态研究中各种标记法及其应用 ,包括等位酶、AFL P、RAPD、SSR 及 RFL P 等方
法.并根据所涉及的有关研究论述及研究工作总结比较了各种方法应用在植物种群学研究中的利弊. 强调应依
不同的研究目的采用不同的分子标记方法 ,各种标记方法对解决不同的问题在质和量上是不同的.
关键词 分子标记 植物种群 AFL P RAPD RFL P SSR
Molecular markers and their application in plant population research. ZHAN GJ unli , WAN G Zhengfeng , L I Ming2
guang, WAN G Bosun ( School of L if e Sciences , Zhongshan U niversity , Guangz hou 510275) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2000 ,11 (4) :631~636.
This review surveys kinds of markers such as allozyme , AFL P , RAPD , SSR , RFL P and their application in molecular
ecology of plant populations. The advantages and disadvantages of these molecular markers in plant population research
are discussed based on the comparison of the methods and the experience in research work. It is considered emphatical2
ly that the adoption of the molecular markers is dependent on the various research purposes and different quality and
quantity of the molecular information are acquired from various molecular marker methods.
Key words Molecular markers , Plant population , AFL P , RAPD , RFL P , SSR.
3 国家自然科学基金重大项目 ( 39899370) 、国家自然科学基金
(39670136) 、教育部博士点基金 (98055808) 、中国科学院鹤山丘陵综合开
放试验站基金资助项目.
3 3 通讯联系人.
1999 - 08 - 31 收稿 ,2000 - 01 - 28 接受.
1 引 言
植物种群研究应用分子技术手段已有近 30 年的
历史 ,始于蛋白质同工酶研究. Allard[1 ]首次将这项技
术应用于植物种群研究的. 他们早期的研究对象是大
量的野生植物种群和作物 ,主要成绩是用等位酶分析
测定了植物交配系统中近交和远交间的比率 ,并揭示
了基因组非随机结构. 我国有关植物种群分子标记研
究的工作始于 70 年代末到 80 年代初 ,已对红松[55 ] 、
银杉、辽东栎、蒙古栎、水青冈、长白松、红皮云杉和鱼
鳞云杉等用同工酶、随机扩增多态 DNA ( RAPD) 等方
法分析了种群的遗传结构与变化. 而发展到今天 ,多
种分子标记方法均被引入于植物种群研究中 ,诸如对
种群的遗传结构与分化、种群交配系统与杂交种群、遗
传多样性与濒危种群的保护生物学、生境破坏对种群
遗传结构的影响 ,以及遗传修饰生物体的生态效应等
的研究. 都是在分子生物学技术的研究基础上植物种
群生态学研究的发展. 本文就现用于植物种群分子生
态研究中的主要方法概述与比较如下.
2 植物种群分子生态研究中的标记法
211 等位酶 (allozyme)
等位酶分析是根据生物体内由单一位点的不同等
位基因产生的具有生理功能相同而结构不同的一类
酶 ,通过电泳分离、组织染色方法 ,来反映不同位点的
等位基因变化情况. 在过去 20、30 年种群学研究中已
广为应用. 对于种群学研究 ,等位酶的分析相对于其它
分子标记方法来说比较简单 ,而且可一次测定大量个
体的多个特征 ,特别是采用淀粉凝胶 ,可用一块胶剖成
多层进行不同种类等位酶染色[50 ] . 等位酶的分析不需
要花像 DNA 分析那么多的时间和费用 ,等位酶对种
群研究来说 ,其优点为共显性 ,即能反映每个位点各等
位基因的情况 ,分析方法相对 DNA 分析来说较简单 ,
它能在种群内、种群间发生变化而反映大量生态渐变
群[2 ] (cline)和种群水平上的遗传结构和变化[13 ,31 ,45 ] ,
如在植物种群遗传结构[3 ,6 ,17 ,21 ,24 ] 、种群内遗传多样
性[10 ] 、种群的交配系统[12 ,39 ] 、亲本分析和基因流[15 ] 、
种群间的遗传分化与相关程度[12 ,14 ,27 ,31 ,47 ,58 ]等方面.
等位酶在种上的应用还有 : 系统学和进化研究 ,结合
形态、化石、细胞及 DNA 分子等的分析来建立系统
树. 特别是对于小进化 ,即亲缘关系近的类群[5 ,29 ] ,
如杂种起源47 , 56 ] 、物种形成以及进化的速率和时
间[16 ]等.
尽管等位酶的表现型与基因型有较好的关联[8 ] ,
等位酶只反映了一部分功能基因 (外显子) 的情况 ,而
对大部分功能基因和大量非功能基因无法表现 ,使其
应 用 生 态 学 报 2000 年 8 月 第 11 卷 第 4 期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2000 ,11 (4)∶631~636
应用范围有一定局限性[35 ] . 从统计的可靠性来说 ,应
该有 10~20 种等位酶的数据 ,但有些种群大多数等位
酶位点常为单态的[33 ] ,这样 ,对分布狭窄或经过瓶颈
效应的一些种群就很少发现多态现象 ,甚至对一些大
范围分布的种群[26 ]也是这样. 而且 ,等位酶一方面由
于是功能基因的产物 ,而功能基因相对比较保守 ,由功
能基因控制的等位酶常常难以反映生态作用的变化 ;
而另一些酶 , 如过氧化物酶类等[20 ] ,对环境变化的敏
感性高但却常是基因调控的结果 (多基因作用) ,其机
理不清. 因此 ,等位酶在涉及种群因生态作用而发生
的更细的变化上仍有一定的局限性.
212 DNA 标记
高等植物的基因组 DNA 标记的最大优点是它直
接提供了遗传物质的信息 ,而不是象等位酶那样是转
录或翻译的产物[32 ] . DNA 分析直接反映种群的基因
型 ,也即是表现型 = 基因型 ,作为生态学分析的分子标
记 ,要求对生态因子变化敏感 ,从理论上说 ,潜在的
DNA 标记几乎是无限的 ,并且作为探测变异的方法 ,
DNA 分析要比同功酶分析有效得多[7 ] .
对于诸如进化等研究的理想遗传标记应是非编码
的 DNA 分子 ,这是因为这些片段比暴露在选择作用
下的编码基因产物 (如等位酶等) 要好. 但作为种群生
态研究 ,编码基因 (产物) 的变化仍是反映环境作用的
重要部分. DNA 分子不同的区域有不同的核苷酸取代
率[23 ] . DNA 的高变化区域有时能提供区别每一个体
唯一的“指纹”. 特别是对种群学研究来说[37 ] ,以“DNA
指纹”来探测核 DNA 的多样性 ,用异源的探针检测
DNA 的高变化区是一重要的发展方向. DNA 分析的
优点还在于较易采集和保存 ,有些 DNA 分子甚至可
保存上亿年[4 ] . 通常只需少量的 DNA (ng 水平) ,通过
PCR 扩增后再进行分析.
植物 DNA 包括核 DNA ( nuclear DNA , nDNA) 、
叶绿体 DNA (chloroplast DNA ,cpDNA)和线粒体 DNA
(mitochondrial DNA ,mtDNA) . 核 DNA 是通过双亲遗
传的并依孟德尔定律分离. 而叶绿体和线粒体 DNA
常为单亲遗传 ,即非孟德尔遗传 ,这种特性可用于母性
家系、奠基者效应 (founder effect) 、杂交和遗传渐渗[53 ]
(intergression)等研究.
目前用于植物种群学研究的 DNA 标记有很多 ,
对于核 DNA ,可以用任意引物 ,也可用特定引物技术.
任意引物 ( arbit rary primers) 技术包括 RAPD、AP2
PCR、DAF、AFL P 等 ,此类方法不需要预先知道目的
基因的序列数据. 引物一般为随机合成的寡核苷酸单
链 ,也有用已知的引物序列[51 ] , AFL P 就是用已知序
列的引物去检测基因组的组成和变化[41 ] . 特定引物
(specific primers)技术包括 RFL P、SSR、DNA 测序等 ,
这类技术必须知道所扩增目的基因的引物序列.
21211 RAPD 法 RAPD ( random amplified polymor2
phic DNA 随机扩增多态 DNA) :是用一组随机合成的
长 8~10bp 的寡核苷酸作为引物 ,直接通过与基因组
DNA 上相应的互补序列结合 ,再通过 PCR 扩增这些
随机片段 ,电泳分离染色后 ,再分析多态性. 由于该方
法灵敏度较高 ,在条件控制得当的情况下 , RAPD 对
解决一些种下亲缘关系相近的分类单位 ( taxon) 是有
效的[22 ,34 ,42 ,54 ] , 也 可 用 在 种 群 遗 传 变 化 研 究
中[11 ,25 ,38 ,40 ,44 ,46 ] . 此外 ,根据所用引物的长短不同 ,还
有 DAF (DNA amplification fingerprinting DNA 扩增
指纹) 和 AP2PCR (arbit rarily primed polymerase chain
reaction 任意引物 PCR ) . 前者所用引物短 ,5~8bp ,
扩增产物片断多 ;后者所用的引物较长 ,常有 20~
30bp ,扩增片断少 ,专一性强.
21212 AFL P 法 AFL P ( amplified fragment length
polymorphism 扩增片段长度多态性或 selective rest ric2
tion fragment amplification 选择限制性片段扩增[57 ]) :
这是在 RFL P 和 PCR 的基础上发展出来的一种有效
的用于种群研究的方法[58 ] ,它的特点是 ,通过合适的
限制性内切酶消化 , 再接上人工合成的双链接头 ,作
为 PCR 扩增的模板 ,扩增后用聚丙烯酰胺凝胶电泳分
离 ,银染、化学莹光法或放射自显影等方法观察. 其引
物由 3 部分组成 :与接头互补的核心序列 ,内切酶识别
位点和 3’端的选择碱基. 与 RAPD 相比 ,AFL P 由于
用限制性内切酶消化完全 ,在其他条件恒定时 ,重复性
好. 与特定引物技术中的分子标记如 SSR、RFL P、
DNA 测序等比较 , AFL P 是不需知道基因组 DNA 的
情况就可检测种群的遗传变化情况. 这正好能较好符
合这些要求 ,因而适合应用于植物和微生物的种群分
子遗传研究. 因为 AFL P 方法是利用限制性酶切作用
于整个基因组 DNA ,其中包含有大量的酶切位点 ,酶
切可得到大量相应片段 ,通过各片段的差异反映多样
性变化 ,而其它方法只酶切一个或少数位点.
我们以 AFL P 标记测定了南亚热带常绿阔叶林优
势种群黄果厚壳桂 ( Cryptocarya conci nna) 不同生境
条件下种群的遗传结构与变化 ,以 4 个引物组合 (见表
1)扩增 ,每对引物平均得到 50 个左右的表型带 (片
段) ,其它的几个种群 ,如厚壳桂 ( Cryptocarya chi nen2
sis) [48 ] 、荷树 ( Schi m a superba) [49 ]等 ,均能通过 AFL P
获得大量的分子变异信息 ,显示以 AFL P 为手段分析
种群生态学上的差异也有较好地体现[43 , 59 ] . 并能反
236 应 用 生 态 学 报 11 卷
表 1 黄果厚壳桂( Cryptocarya concinna)等种群研究中所用 AFLP限制性内切酶、引物及接头
Table 1 AFLP restriction enzymes , primers and adopters in studies of Cryptocarya concinna populations
内切酶种类
Restriction enzymes
接 头
Adopters
引 物 3 3
Primers
Mse I 5’- GACGATGAGTCCTGAGTACTCAGGACTCAT - 5’
5’- GATGAGTCCTGAGTAA CA G (Mse2CAG)
5’- GATGAGTCCTGAGTAA CTC (Mse2CTC)
EcoR I 3 5’- CTCGTAGACTGAGTACCCATCTGACGCATGGTTAA - 5’ 5’- GACTGCGTAACCAATTC A GG ( Eco2AGG)5’- GACTGCGTAACCAATTC A CT ( Eco2ACT)3 少切点酶’Rare cutter’enzyme. 3 3 由表中所列引物构成 4 种组合 : Eco2AGG Mse2CAG , Eco2AGG Mse2CTC , Eco2ACT Mse2CAG , Eco2ACT Mse2
CTC. 4 primer combinations Eco2AGG Mse2CAG , Eco2AGG Mse2CTC , Eco2ACT Mse2CAG and Eco2ACT Mse2CTC based on the primer types listed in the
table.
映种群较小范围的生态变异 ,一次可分析大量位点 ,这
对于小种群或小样本的遗传分析统计也有利[30 ] ,因而
在植物种群学研究中有其优越性. 还可作为杂种鉴
定[5 ]与种群的数量性状特征 (Q TL)的检测手段[19 ] ,以
及通过 AFL P 特殊片段的进一步探测来揭示种群与生
态环境的分子作用机理 ,因而 AFL P 将在植物种群学
研究的更宽广领域内应用.
21213 RFL P 法 RFL P ( rest riction fragment length
polymorphism 限制性片段长度多态性) :利用限制性内
切酶对专一位点进行酶切 ,再通过克隆技术扩增 ,由于
同一种群或不同种群中个体间或个体内两组基因序列
有限制性酶切片段长短或位点的存失造成的变化 ,经
电泳分离后 ,这些 DNA 片断就会在琼胶板上分开. 这
些 DNA 分子从琼脂胶被转移到尼龙或纤维素薄膜上
后 ,再用 DNA 分子探针进行杂交 ,放射性自显影后 ,
将其上相对应的片段做电泳分离及进行多态性分析.
植物种群学和植物系统关系学中用此方法有很多例
子[28 ] .其特点是有共显性 ,灵敏度较高 ,可重复性强 ;
但可选择的内切酶实际上有限 ,而且操作时间长 ,需载
体 ,有放射性等是其缺点.
21214 SSR (微卫星)法 微卫星 (microsatellite) ,又叫
单序列重复 ( single sequence repeat , SSR) 或短串联重
复 ( short tandem repeat , STR) ,微卫星是指整个真核
基因组中普遍存在的排列 2~5 核苷酸的短串联重复
单位. 在真核基因组中微卫星很丰富 ,通常长度能达到
150bp . 统计分析测出人类微卫星的平均突变率是
0. 1 %. 不同物种的微卫星在突变率上有同样的稳定
性[52 ] . SSR 的 PCR 引物设计为对一个高变重复位点
是专一的 ,用引物扩增相应的这段微卫星后 ,再通过电
泳分离 ,变化可经溴化乙腚染片或银染后观察. 一个一
般种群常可显示超过 10 种类型的等位基因. 该方法的
主要缺点首先是要花时间了解高变区的序列 ,去设计
引物. 动物体内的 SSR 一般 [ CA/ GT ]n 的重复较多 ,
而植物体内 [ GA/ CT ]n 和 [ A T/ TA ]n 的重复较多 ,为
了避开引物互补等造成的偏差故不用 [ A T/ TA ]n 的重
复片段引物. 对 Q uercus 属的几个种群已有 SSR 的研
究[9 ,18 ] .随着该方法在不同的分类单位上的应用 , 为
根据不同的分类单位设计引物提供了基础 ,也可参考
相近亲缘种来设计引物. 微卫星与等位酶相似 ,具有
独立的共显性等位基因. 而由于微卫星是中性的且比
等位酶法有更多的可检测等位基因 ,这种方法将提供
更细致的基因变化分析范围. 该方法在种群研究上表
现了很大的潜力 ,对于种群生态学研究有重要意义.
因此 ,微卫星被认为是第二代种群研究分子标记.
21215 DNA 测序 (DNA sequencing) 这种方法在解决
种群学和系统学问题中都是可靠的. 它可以避免等位
酶在电泳过程中由于相似的迁移率和相同的遗传密码
而无法检测到信息的情况. 但通过 DNA 测序分析观
察到的单基因多态性只揭示该单基因的进化史[30 ]或
变化情况 ,在种群学研究中如果针对某些特征的适应
基因 ,鉴别和测序特别基因对这种特征的描述是有用
的.而对一般的种群学研究 ,需要对许多基因进行测
序 ,而且由于需要耗费极多的时间和费用 ,DNA 测序
在种群学研究中的可行性需要认真考虑.
3 植物种群学中分子标记应用的比较
现代分子生物学技术中可以用于种群学的方法很
多 ,对不同研究目的采用不同方法 :对于植物基因组
DNA 鉴别来说 ,不同的分类层次上所选用的探针不
同 ,如 AFL P、RAPD、SSR、RFL P、DAF 等可用于种群
及个体水平的研究 ,这些 DNA 分子标记甚至可提供
象人指纹般的个体分辨能力 ;而 ITS、18s rDNA 等的
DNA 序列分析更适用于物种水平以上类群之间差异
的研究 ,这是由于这些序列片段相对保守 ,在个体间很
少发生变化. 而这些不同的测定位点和分子标记的选
取其间的界线又很难划定 ,所以要根据具体的研究对
象及研究目的来决定. 同时也要考虑到分析 DNA 片
段或 PCR 扩增产物的流程 ,并进行效率和费用等的比
3364 期 张军丽等 :植物种群研究中的分子标记及其应用
较策略分析.
目前种群生态学研究中所涉及的分子标记有等位
酶、RFLP、RAPD、VNTR (variable number tandem repeats
变化数目串联重复 ,其中包括小卫星 (minisatellite) 和微
卫星) 、AFLP ,以及 DNA 测序等方法. 选用不同的分子
标记对解决种群生态学中不同的问题是十分重要的. 作
为植物种群学中分子技术所用各种不同的分子标记 ,根
据研究者所想解决的问题 ,选用合适的分子标记. 每一
种标记所提供的信息的质和量都是不同的 ,DNA 分子
在基因组不同的部位表现不同的变化速率[23 ] . 值得强
调的是并非采所用分子标记方法越新、越难就越好 ,而
要根据所要解决的问题来定. 对于种群水平的研究 ,一
方面需要了解其中的多样性水平及其种群间的相互关
系 ,灵敏的分子标记就能提供更多的信息. 但除了灵敏
度高之外 ,所获得的信息要重复性好、稳定可靠、可比性
高. 同时利于种群的遗传结构、等位基因频率以及种群
间的遗传分化研究等 ,并要求便于统计分析. 比较适合
这类分析的分子标记有等位酶、RFLP 以及微卫星. Rus2
sell 等[36 ]比较了几种分子生物学方法 ( RFLP、AFLP、
RAPD、SSR)在检测 18 个大麦品系种群遗传变化水平中
的情况 ,指明所有这些方法都能鉴别每一个品系 ,不同
之处在于反映出的多态性水平不同. 例如所有 13 个
SSR引物产物都是多态的 ,平均每一对引物有 5. 7 个等
位基因 ,而同时近 54 %的 AFLP 片段是单态性的 ,最高
的多样性指数仍是用 AFLP 得到的 (0. 937) ,最低的是
RFLP(0. 322) (表 2) .
随着分子生态学的迅速发展 ,分子生态学的研究
方法也会越来越多 ,越来越完善. 我们在此就种群学研
究中采用的主要几种方法进行比较 ,作为筛选合适分
子标记的参考 (表 3) .
表 2 大麦多样性检测中几种分子标记方法结果比较
Table 2 Comparison among several molecular marker patterns in analyses of Hordeum vulgare
标 记
Marker
分析单位数
Number of
assay units
带总数
Total No
of bands
多样性带数 ( %)
No. of polymorphic
bands ( %)
带数/ 分析单位
No. of bands
/ assay unit
表型数/ 分析单位
No of phenotypes
/ assay unit
多样性指数
Diversity
index
RFL P 114 (42 种探针 , 3 种酶) 299 249 (83. 2 %) 2. 62 2. 37 0. 322
RAPD 22 种引物 107 71 (66. 3 %) 4. 86 3. 41 0. 521
SSR 13 种引物对 70 70 (100 %) 5. 38 5. 38 0. 566
AFL P 6 种引物组合 297 139 (46. 8 %) 49. 5 17. 2 0. 937
表 3 植物种群研究中分子标记的对比分析
Table 3 Comparison of molecular markers in plant population researches
分子标记
Marker
流 程
Procedure of
analysis
开发及实验用时
Exploitation time
/ Experimental time
适合基因组
Suitable genome
种群结构分析比较
Comparison in population
structure analysis
记数难易程度
Difficulty in
band count
DNA 分析所需的量级
Quantity of DNA
required in analysis
等位酶 提取 ,电泳 ;遗传分析 2~4 周
两天
动物、植物 对种群遗传变化分析
较好 ,但能检测的多样
性有限
容易~中等 —
RFL P 提取 ,酶切 ,凝胶电泳 ,
点杂交 ;多态性分析
1~4 月
2~4 周
动植物种、属 良好 ng~μg
小卫星 提取 ,酶切 ,电泳 ,凝胶
点杂交 ;多态性分析
1 个月
2~4 周
动物、植物 相对多态怀估计良好 ;
对研究等位基因不力
中等 ng~μg
微卫星 引物筛选与设计 , 测
序 ;然后提取 , PCR ,电
泳 ,多态性分析
2~6 个月
1 周
动植物 ,一些引物可
在较高分类级别通
用
研究多态性效果良好 ,
只位点较少 ,因而对等
位基因、杂合度分析效
果良好
容易~中等 pg~ng
AFL P 提取 ,酶切 ,酶接人工
接头 , + 1~3bp 选择引
物 PCR ,电泳 ,多态性
分析
2~4 周
1 周
微生物、植物、动物 对多态性分析好 ;研究
等位基因分析不易
中等 pg~ng
RAPD 提取 , PCR ;电泳 ,多样
性分析
1~2 周
1 周
动物、植物 对多态性研究较好 ,但
要注意条件的控制
中等~难 pg~ng
DNA 测序 提取 ,DNA 模板预备 ,
PCR ,电泳 ; 进一步分
析
2~6 周
1 周
动物、植物 系统分化研究的很好
方法 ,但种群研究中繁
琐
中等 pg~ng
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作者简介 张军丽 ,女 ,1954 年生 ,博士 ,副研究员 ,主要从事植
物分子生态研究 ,发表学术论文 30 余篇. E2mail :ls31 @zsulink.
zsu. edu. cn
致 读 者 · 作 者
《应用生态学报》系中国科学院沈阳应用生态研究所和中国生态学会主办的国内外公开发行的学术性期刊 ,
科学出版社出版. 国际标准刊号为 ISSN100129332. 专门刊载有关应用生态学 (主要包括森林生态学、农业生态
学、草地牧业生态学、渔业生态学、自然资源生态学、景观生态学、全球生态学、城市生态学、污染生态学、化学生态
学、生态工程学等)的具有创新性的综合性论文、研究报告和研究简报等.
本刊创刊于 1990 年 ,现为双月刊 ,采用国际标准开本 (210mm ×285mm) ,160 面 ,每期约 36 万字. 本刊系中
国自然科学核心期刊 ,曾荣获全国优秀科技期刊和中国科学院优秀期刊称号. 本刊整体质量和水平已达到相当高
度 ,在国内外应用生态学界的影响日益扩大.《中国科学引文索引》、《中国生物学文摘》、美国《生物学文摘》(BA) 、
美国《化学文摘》(CA) 、英国《生态学文摘》( EA) 、日本《科学技术文献速报》(CBST) 和俄罗斯《文摘杂志》(РЖ) 等
数十种权威检索刊物均收录本刊的论文摘要 (中英文) .
据悉 ,您们正在从事有关生态与环境科学研究项目 (如国家基础科学人才培养基金项目、国家杰出青年科学
基金项目、国家自然科学基金重大和重点项目、国家攀登计划项目、国家“863”和“973”计划项目、国家重点科技攻
关项目、“百人计划”项目、“长江学者计划”项目和国际合作研究项目等) ,并有望取得重大研究成果和产生一系列
创新论文 ,本刊编辑同仁热切希望您及您的同行们充分利用这一科学园地 ,竭诚为您们提供优质跟踪服务 ,本刊
将在 6~9 月内发表您们的创新成果论文 (或以特刊、专刊及增刊等形式发表 ,或以专刊形式发表优秀英文创新论
文) . 我们相信这一承诺一定能得到您们的积极响应 ,愿我们迎着新世纪的曙光 ,为应用生态学的发展协同奋进 !
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《应用生态学报》编辑部
636 应 用 生 态 学 报 11 卷