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北京地区野生柴胡种质资源的ISSR研究



全 文 :2015 年 10 月 第 17 卷 第 10 期 中国现代中药 Modern Chinese Medicine Oct. 2015 Vol. 17 No. 10
·专题·
△[基金项目] 北京市自然科学基金资助项目(6142002) ;首都中医药研究专项(14ZY04)
*[通信作者] 刘长利,副教授,研究方向:中药材规范化生产及其药材质量调控研究;Tel: (010)83911633,E-mail:lcl74
@ 126. com
北京地区野生柴胡种质资源的 ISSR研究△
赵香妍,刘长利* ,薛文峰,张夏楠,罗容
(首都医科大学 中医药学院,中医络病研究北京市重点实验室,北京 100069)
[摘要] 目的:通过 ISSR分子标记技术考察北京地区野生柴胡不同种质资源之间的亲缘关系。方法:从 43 条引
物中筛选出 8条合适的引物,对北京地区不同产地采集的 15 份野生柴胡种质资源进行 ISSR分析,构建聚类系统树状
图。结果:8条引物共扩增出 130条条带,其中多态性条带 114 条,占 87. 7%,聚类分析显示北京地区野生柴胡遗传
多样性较高,并存在明显的种内遗传变异。结论:北京地区野生柴胡呈现一定的地域性分布趋势,应加以保护,初步
认为百花山山腰及山脚柴胡值得推广种植,研究为北京地区柴胡种质亲缘关系研究及栽培品种的选育奠定了基础。
[关键词] 柴胡;ISSR;北京地区;种质资源;亲缘关系
ISSR Research on Germplasm of Bupleurum chinense DC. in Beijing
ZHAO Xiangyan,LIU Changli* ,XUE Wenfeng,ZHANG Xianan,LUO Rong
(School of Traditional Chinese Medicine,Capital Medical University,
Beijing Key Lab of TCM Collateral Disease Theory Research,Beijing 100069,China)
[Abstract] Objective:To assess population genetic diversity of different kinds of individuals of Bupleurum chinense in
Beijing area by inter simple sequence repeat (ISSR)technique. Methods:Eight appropriate ones were selected from a total of
forty-three primers for ISSR PCR amplification to analyse the Bupleurum in Beijing area and draw dendrograms by using genetic
distance UPGMA method. Results:A total of 130 bands and 114 polymorphic bands were amplified by 8 primers, the
polymorphic loci accounted for 87. 7% . The cluster analysis showed that genetic diversity was high in Bupleurum, the
intraspecific genetic variation was obvious. Conclusion:The distribution of Bupleurum germplasm in Beijing exhibited a certain
regional characteristics. It is imperative to strengthen the protection of Bupleurum wild resources. The plants in the foot and
hillside of Baihuashan is good for cultivating. This study laid a foundation for the research of relationship between Bupleurum
and the breeding of cultivars.
[Keywords] Bupleurum;ISSR;Beijing area;germplasm;genetic relationship
doi:10. 13313 / j. issn. 1673-4890. 2015. 10. 004
柴胡(Bupleuri Radix)是被中国药典所收录的传
统常用大宗中药材之一,具有疏散退热,疏肝解郁,
升举阳气等功效。药典规定柴胡为伞形科柴胡属植
物柴胡 Bupleurum chinense DC. 或狭叶柴胡 Bupleurum
scorzonerifolium Willd. 的干燥根[1]。但柴胡属作为伞
形科最大的属,其品种繁多,文献记载表明[2-4]市场
流通的商品柴胡竟达 12 种之多,依次为北柴胡、狭
叶柴胡、膜缘柴胡、锥叶柴胡、小叶黑柴胡、黑柴
胡、雾灵柴胡、银州柴胡、秦岭柴胡、兴安柴胡等,
可见各地药用柴胡的品种非常混乱,且野生柴胡资
源正在减少,市场需求又在不断扩大,因此,迫切
需要开展野生道地柴胡的种质研究及良种选育工作,
运用分子技术研究种质之间的遗传多样性及亲缘关
系,有助于优良种质的筛选及培育。
ISSR(简单序列重复区间扩增多态性, Inter
Simple Sequence Repeat)具有快速、高效、高遗传多
样性、高重复性、高稳定性等特点,其结合了
RAPD(随机扩增多态性 DNA标记,Random Amplified
Polymorphic DNA)及 SSR (微卫星标记, Simple
Sequence Repeat)分子标记的优点,是近些年分子生
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2015 年 10 月 第 17 卷 第 10 期 中国现代中药 Modern Chinese Medicine Oct. 2015 Vol. 17 No. 10
物学的研究热点。Zhang L 等[5]就利用 ISSR 分子标
记技术对 87 个油桐树样本进行了遗传关系研究,结
果显示样本呈明显的地理分化。Medhi K 等[6]应用
RAPD及 ISSR两种分子标记技术研究了三种花椒属
植物的遗传多样性,发现 ISSR具有较高的多态性条
带比例及较多的扩增条带数。Zhan Q Q 等[7]利用
ISSR和 SSR分子标记构建北柴胡遗传图谱,构建
了包含 13 个连锁群、80 个位点的首张北柴胡遗传
图谱,为北柴胡性状基因定位及优种选育奠定了
基础。
目前,湖北保康、陕西、山西等地柴胡种质
ISSR亲缘关系研究均有报道,但迄今未见北京地区
柴胡种质资源 ISSR研究的报道,且历史上北京地区
燕山、太行山一带是道地药材 “北柴胡”的主要产
区之一,经本草考据和产地调查,其原植物来源、
外观性状和内在质量均优于其它[8],因此,北京地
区柴胡优良种质筛选与研究显得尤为重要。实验以
北京产道地柴胡为材料,通过 ISSR分子标记技术对
比考察柴胡种内及种间的亲缘关系,为北京地区柴
胡优良种质筛选及种苗繁育奠定理论基础。
1 仪器与材料
1. 1 仪器
Veriti PCR 仪(美国 ABI) ,DYY-6D 电泳系统
(北京市六一仪器厂) ,离心机(美国,scilogex) ,紫
外凝胶成像分析仪(法国,VILBER LOURMAT) ,
MM400 混合型球磨仪(德国,Retsch) ,微量移液器
(德国,BRAND)。
1. 2 试剂
DNA提取所用试剂购自天根生化科技(北京)有
限公司,Taq DNA 聚合酶(Takara) ,100 bp DNA
Ladder(NEB) ,引物由生工生物工程(上海)股份有
限公司合成。
1. 3 实验材料
实验所用柴胡样品共计 15 份(表 1) ,所有样品
均于 2014 年 6 ~ 9 月采收于北京房山、延庆、门头
沟等京郊山区。样品由北京中医药大学刘春生教授
和首都医科大学刘长利副教授鉴定。各产地样品分
别取其幼嫩无虫害的叶片, - 80 ℃保存备用。
表 1 实验材料及来源
编号 样品物种名称 采集地及其经纬度与海拔
1 柴胡 Bupleurum chinense 北京房山区十渡镇六合村
E115°372. 2″ N39°4340. 5″ 826. 5 m
2 柴胡 Bupleurum chinense 北京市房山区七渡村南孤山寨路边
E115°3713. 2″ N 39°3746. 6″ 245. 8 m
3 雾灵柴胡 Bupleurum sibiricum var. jeholense 北京市房山区霞云岭乡百草畔高山草甸
E115°3439. 8″ N39°4843. 9″ 1951. 4 m
4 柴胡 Bupleurum chinense 北京市房山区河北镇檀木港村将军坨
E115°5724. 1″ N 39°502. 0″ 258. 5 m
5 柴胡 Bupleurum chinense 北京市房山区蒲洼乡富合村
E115°305. 7″ N39°4358. 1″ 779. 2 m
6 雾灵柴胡 Bupleurum sibiricum var. jeholense 北京市门头沟区百花山国家级自然保护区山顶草甸
E115°3536. 2″ N 39°4923. 8″ 1790. 3 m
7 柴胡 Bupleurum chinense 北京市门头沟区百花山国家级自然保护区山脚
E115°357. 2″ N39°4945. 5″ 1554. 3 m
8 柴胡 Bupleurum chinense 北京市门头沟区百花山国家级自然保护区山腰
E115°3519. 1″ N39°4943. 5″ 1708. 5 m
9 柴胡 Bupleurum chinense 北京市海淀区西山国家森林公园
E116°1057. 3″ N 39°5812. 3″ 361. 4 m
10 柴胡 Bupleurum chinense 北京市延庆区松山国家级自然保护区
E115°4852. 9″ N40°3132. 3″ 1207. 0 m
11 柴胡 Bupleurum chinense 北京市延庆区松山国家级自然保护区
E115°4852. 9″ N40°3132. 3″ 1207. 0 m
12 柴胡 Bupleurum chinense 北京市平谷区镇罗营镇
E117°616. 8″ N40°1817. 7″ 300. 2 m
13 柴胡 Bupleurum chinense 北京市平谷区大华山镇
E117°245. 7″ N40°1746. 5″ 207 m
14 柴胡 Bupleurum chinense 北京市平谷区王辛庄镇
E117°556. 8″ N40°102. 9″ 32 m
15 柴胡 Bupleurum chinense 北京市密云区雾灵山西门
E117°2340. 6″ N40°381. 1″ 540 m
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2015 年 10 月 第 17 卷 第 10 期 中国现代中药 Modern Chinese Medicine Oct. 2015 Vol. 17 No. 10
2 试验方法
2. 1 基因组 DNA提取
取植物新鲜叶片约 30 mg,液氮研磨成粉末,利
用植物基因组提取试剂盒提取样本的总 DNA。提取
的 DNA 于 1% 琼脂糖凝胶上电泳检测 10 min,以
2000 bp DNA Marker 为分子标记,在凝胶扫描仪下
观察并拍照。
2. 2 ISSR-PCR
实验中 ISSR-PCR 反应体系为:25 μL反应体系:
含有 10 × PCR buffer 2. 5 μL,MgCl2(25 mmol·L
-1)
2. 5 μL,dNTP mix(2. 5 mmol·L -1)3. 5 μL,Taq DNA
聚合酶(5 U·μL -1)0. 2 μL,引物(10 pmol·μL -1)
1. 5 μL,DNA 模板 2. 0 μL。扩增程序为:预变性
94 ℃ 5 min;94 ℃ 1 min,52 ℃ (因引物不同而
异[9])45 s,72 ℃ 2 min,45 个循环;最后 72 ℃延
伸 7 min。以 ddH2O 为阴性对照。PCR 扩增产物用
2% 的琼脂糖凝胶电泳分离检测 (电压 83 V,
120 min)在凝胶扫描仪下观察并拍照(见图 1)。
2. 3 数据分析
对产生了多态性扩增的电泳结果统计各样品的
电泳条带,按相同迁移位置上有扩增条带(不论强
弱)计为 1,无带计为 0,得到全部样品的 ISSR图谱
的 0 /1 数据矩阵,用 NTSYS2. 10 软件计算个体间的
相似系数,进行 UPGMA 聚类分析,构建聚类系统
树状图。
M为 100 bp DNA ladder,1 ~ 15 为材料编号同表 1,0 为阴性对照
图 1 引物 808 ISSR扩增结果
3 结果
3. 1 引物筛选
利用 4 个样本对 43 条加拿大 British Columbia 大
学提供的 ISSR 引物进行筛选,共初步筛选出 15 条
可扩增出 3 条以上电泳条带的引物作为实验有效引
物,再利用全部样本进行复筛,最终,确定 8 条有
效引物(见表 2)。
表 2 有效引物及其扩增结果
编号 碱基序列 退火温度 /℃ 统计位点 多态位点数 多态位点百分率(%)
844 CTC TCT CTC TCT CTC TRC 52. 6 14 14 100. 0
808 AGA GAG AGA GAG AGA GC 57. 0 20 18 90. 0
811 GAG AGA GAG AGA GAG AC 54. 5 15 12 80. 0
822 TCT CTC TCT CTC TCT CA 52. 0 11 8 72. 7
840 GAG AGA GAG AGA GAG AYT 51. 0 16 14 87. 5
841 GAG AGA GAG AGA GAG AYC 56. 4 18 17 94. 4
845 CTC TCT CTC TCT CTC TRG 53. 7 18 15 83. 3
873 GAC AGA CAG ACA GAC A 55. 0 18 16 88. 9
3. 2 野生柴胡 ISSR遗传多样性
从初筛的 15 条引物中筛选出 8 条多态性好、条
带清晰的引物,用于 15 个实验样本的 PCR 扩增,
大部分扩增片段大小在 100 ~ 1500 bp。表 2 表明,8
条引物共扩增出 130 条条带,其中多态性位点 114
个,每个引物扩增位点为 14 ~ 20 个,平均 16. 25
个,其中多态性位点 8 ~ 18 个,平均 14. 25 个,多
态性比率为 87. 7%。这说明供试样本存在较大的遗
传变异。
3. 3 遗传相似系数
遗传相似系数是评价物种及居群间亲缘关系的
重要指标,其值越大,说明亲缘关系越近,反之,
则越小。15 份北京野生柴胡的样本之间相似系数在
0. 571 ~ 0. 813 之间(见表 3) ,其中,来自房山区将
军坨的 4 号北柴胡样本与延庆松山自然保护区的 10
号北柴胡样本亲缘关系最近,相似系数为 0. 813。而
北京市房山区百草畔山顶草甸的 3 号雾灵柴胡样品
则与房山区蒲洼乡富合村的 5 号北柴胡样本亲缘关
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2015 年 10 月 第 17 卷 第 10 期 中国现代中药 Modern Chinese Medicine Oct. 2015 Vol. 17 No. 10
系最远,遗传相似系数为 0. 571。说明同一物种生活
在相近环境中,亲缘关系较近,不同物种生活在不
同生态环境中,亲缘关系较远。且 15 份样本均采自
北京各郊区,地理位置较近,所以样本亲缘关系大
都较近,而由于品种、生活环境或基因交流等原因
致使一些样本亲缘关系较远。
表 3 ISSR标记 15 份样本之间的相似系数和遗传距离
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 0. 295 0. 288 0. 286 0. 393 0. 291 0. 272 0. 294 0. 255 0. 286 0. 329 0. 274 0. 94 0. 289 0. 321
2 0. 705 0. 358 0. 324 0. 381 0. 329 0. 296 0. 347 0. 338 0338 0. 285 0. 343 0. 276 0. 243 0. 347
3 0. 712 0. 642 0. 276 0. 429 0. 256 0. 302 0. 258 0. 301 0. 289 0. 278 0. 347 0. 388 0. 293 0. 312
4 0. 714 0. 676 0. 724 0. 319 0. 232 0. 261 0. 258 0. 272 0. 187 0. 329 0. 250 0. 324 0. 252 0. 284
5 0. 607 0. 619 0. 571 0. 681 0. 338 0. 391 0. 414 0. 379 0. 390 0. 383 0. 338 0. 398 0. 324 0. 399
6 0. 709 0. 671 0. 744 0. 768 0. 662 0. 267 0. 215 0. 239 0. 244 0. 269 0. 269 0. 329 0. 220 0. 313
7 0. 728 0. 704 0. 698 0. 739 0. 609 0. 733 0. 244 0. 284 0. 248 0. 315 0. 275 0. 295 0. 289 0. 283
8 0. 706 0. 653 0. 742 0. 742 0. 586 0. 785 0. 756 0. 227 0. 245 0. 272 0. 232 0. 362 0. 286 0. 342
9 0. 745 0. 662 0. 699 0. 728 0. 621 0. 761 0. 716 0. 773 0. 231 0. 273 0. 245 0. 308 0. 274 0. 307
10 0. 714 0. 662 0. 711 0. 813 0. 610 0. 756 0. 752 0. 755 0. 769 0. 303 0. 224 0. 338 0. 226 0. 284
11 0. 671 0. 715 0. 722 0. 671 0. 617 0. 731 0. 685 0. 728 0. 727 0. 697 0. 361 0. 358 0. 279 0. 312
12 0. 726 0. 657 0. 653 0. 750 0. 662 0. 731 0. 725 0. 768 0. 755 0. 776 0. 639 0. 343 0. 293 0. 325
13 0. 706 0. 724 0. 612 0. 676 0. 602 0. 671 0. 705 0. 638 0. 692 0. 662 0. 642 0. 657 0. 241 0. 306
14 0. 711 0. 757 0. 707 0. 748 0. 676 0. 780 0. 711 0. 714 0. 726 0. 774 0. 721 0. 707 0. 759 0. 236
15 0. 679 0. 653 0. 688 0. 716 0. 601 0. 687 0. 717 0. 658 0. 693 0. 716 0. 688 0. 675 0. 694 0. 764
注:下三角为相似系数,上三角为遗传距离。
3. 4 北京地区野生柴胡聚类分析
利用 ISSR标记数据计算 15 份野生柴胡间的遗
传相似系数,并采用 UPGMA 法构建了北京地区野
生柴胡的遗传关系聚类图(图 2) ,显示实验样本可
分为两大组,第一组共 14 份样品,包括除 5 号样品
的所有样品,并分为二个亚类,第一亚类包括 1 号
来自房山区六合,4 号来自房山将军坨,10 号、11
号来自延庆松山,12 号来自平谷区镇罗营镇,6 号、
8 号、7 号来自门头沟区百花山,9 号来自海淀区西
山森林公园,3 号来自房山百草畔。第二亚类包括
来自房山区十渡孤山寨的 2 号样品,来自平谷区大
华山镇与王辛庄镇的 13、14 号样品,以及来自密云
雾灵山的 15 号样本。而第二组则只有来自房山区蒲
洼乡富合村的 5 号样本。
4 讨论
葛亚莹等[10]利用 ISSR 分子标记技术对 41 个丽
穗凤梨品种进行遗传多样性研究,12 条引物共扩增
出 132 个位点,其中多态性位点 125 个,多态位点
百分率达 94. 70%,表明 ISSR 标记具有较高的多态
图 2 15 份北京野生柴胡聚类图
性检测水平。刘君等[11]则对 9 种狗牙根进行鉴定分
析,结果显示 ISSR可有效揭示 9 种狗牙根的亲缘关
系并可用于构建指纹图谱。Feicui Zhao 等[12]利用
RAPD和 ISSR技术研究乌头属 4 种植物的遗传多样
性,发现两种方法均适用于乌头属植物的分析,但
其中 ISSR更具有较高的多态性。Jun Liu 等[13]则利
用 ISSR 及 SRAP(相关序列扩增多态性,Sequence-
Related Amplified Polymorphism)两种方法分析 89 份
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2015 年 10 月 第 17 卷 第 10 期 中国现代中药 Modern Chinese Medicine Oct. 2015 Vol. 17 No. 10
香菇植株的遗传多样性,结果发现这 2 种标记都能
揭示材料间较高的遗传多样性,而且 ISSR标记的多
态性又高于 SRAP标记。研究表明 ISSR 是一种有效
的揭示品种间遗传多样性的实验技术,实验中利用
8 条引物,扩增出 130 条条带,其中多态性位点 114
个,每个引物平均扩增位点 16. 25 个,多态性比率
为 87. 7%,表明北京地区柴胡种质资源存在较大的
遗传变异,实验研究结果为北京地区野生柴胡种质
亲缘关系研究奠定了基础。
Xu L等[14]利用 ISSR和 SP-SRAP(单引物相关序
列 扩 增 多 态 性, Single Primer-Sequence Related
Amplification Polymorphism)研究 100 份黑粉菌的亲缘
关系,发现生态环境的特异性质在样品分化过程中
起到了重要的作用。Yu J 等[15]研究 15 个居群的长
芒草的遗传多样性,发现其与地理距离有很大关系,
并认为 ISSR分子标记技术可有效可靠地评价长芒草
的遗传多样性。卢萍等[16]则利用 ISSR技术研究了 6
个种群的小花棘豆的遗传多样性,聚类结果表明,
生态地理条件相近的种群会优先聚集。遗传聚类结
果显示,部分结果与上述研究结果相似,6 号、7
号、8 号均来源于门头沟百花山,9 号采自海淀区西
山森林公园,其生长环境与百花山山脚环境相类似,
所以显示出较近的亲缘关系,13、14、15 号样品均
来源于北京平谷区、密云区,也具有较高的相似性,
表明生态环境相近的聚为一类。
房山百草畔的 3 号雾灵柴胡样本与延庆松山的
11 号北柴胡样本聚在一起,其原因可能由于柴胡雌
雄蕊异熟的特性导致其异交授粉为主的繁殖方式,
一定程度上促进了居群间基因交流,进而出现基因
渐渗现象,使得柴胡属植物的鉴定存在困难,以此,
采用多种遗传分子标记方法与传统性状鉴定相结合
的方法确定植物基源更为可靠。此外,来源于房山
区蒲洼乡富合村的 5 号样本则可能是采集地地势相
对较高,且地处偏僻的山区,基因交流相对较少,
所以自成一支。
由于经济利益的驱使,人们对于野生柴胡资源
的乱采滥挖现象日益严重,从而使得野生柴胡资源
遭到严重破坏,药用资源得不到保障。另外,各地
药用柴胡来源的复杂性造成了柴胡质量的不稳定性,
以至于临床疗效受到严重影响。基于以上问题,开
展柴胡药材的质量研究及人工栽培优良种质筛选尤
为重要,而 ISSR分子标记技术则能很好的揭示品种
间的亲缘关系,并为栽培品种的选育奠定基础。贾
金萍等[17]通过对北柴胡样本的皂苷含量、指纹图谱
及 AFLP(扩增片段长度多态性,Amplified Fragment
Length Polymorphism)分子标记研究,认为柴胡的化
学表型差异与其遗传差异具有一定的相关性,且
AFLP分子标记法可有效区分不同的柴胡种群。而也
有学者[18]表示皂苷含量较高且遗传多样性丰富的种
质资源更具有推广的价值。实验结果显示,皂苷含
量较高的西山森林公园的 9 号样本(课题组已测定)
与门头沟百花山的 7 号、8 号样本亲缘关系较近(见
表 3) ,初步认为百花山山脚与山腰的柴胡种质遗传
多样性较好,值得推广种植。此外,柴胡属植物由
于基因渐渗出现的资源混乱的复杂问题,则可利用
ISSR等分子标记技术与标准药材进行亲缘关系研
究,并与形态鉴定结合的方式进行鉴定,使得结果
更加可靠,进而提高用药效果。
5 结论
利用 ISSR分子标记技术对北京地区野生柴胡的
亲缘关系研究中,15 份样本扩增出 130 条条带,其
中多态性位点 114 个,每个引物平均扩增位点 16. 25
个,相似系数在 0. 571 ~ 0. 813 之间,表明北京地区
野生柴胡具有较高的遗传多样性,并同时存在一定
的种内遗传变异。而利用 UPGMA 聚类分析,则将
15 份材料进行分类,聚类结果呈现出一定的地域性
分布趋势。综上,北京地区野生柴胡应加以保护,
初步认为百花山山腰及山脚柴胡值得推广种植,研
究为今后开展北京地区柴胡种质亲缘性研究及栽培
品种的选育奠定了基础。
参考文献
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