免费文献传递   相关文献

紫花苜蓿多元杂交后代的遗传多样性



全 文 :书紫花苜蓿多元杂交后代的遗传多样性
李 哲,师尚礼,王 虹
(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业
可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)
  摘要:研究了苜蓿品种甘农3号、甘农5号及游客杂交后代与亲本的亲缘关系,选用ISSR分子标记
进行遗传多样性分析,筛选出4条引物检测供试材料的遗传多样性。结果表明:4条引物共扩增出122
个位点,均为多态性位点,共扩增出22条条带,其中,21条为多态行条带,多态性比率为95.45%,供试
材料遗传多样性丰富。通过计算后代株系分别与3个亲本的遗传距离,速生16#与3亲本的遗传距离
最小,为0.327;与3个亲本的平均遗传距离最大的是大叶1#,遗传距离为0.752。聚类分析结果表明:
39份材料被聚为5类,A类包括速生1#、速生6#等14个株系;B类包括速生2#、速生3#等5个株系;C
类包括速生4#、速生11#等13个株系;D类包括速生17#、速生26#等4个株系;速生18#单独被聚为
一类。
  关键词:苜蓿;遗传多样性;简单重复序列间扩增
  中图分类号:S 541.035;Q 78  文献标识码:A  文章编号:1009-5500(2013)04-0001-06
  收稿日期:2013-04-16;修回日期:2013-04-23
   基 金 项 目:农 业 部 “牧 草 种 质 资 源 保 种 繁 殖 项 目”
(NB2130135)和国家牧草产业技术体系项目
(CARS-35)资助
  作者简介:李哲(1987-),女,在读硕士。
E-mail:41056793@qq.com
师尚礼为通讯作者。
  紫花苜蓿由于其优良的营养品质,作为牧草和绿
肥作物,在全世界范围内广泛种植,在我国的栽培历史
也已有2000多年,主要分布在西北、华北、东北、江淮
流域等地。随着苜蓿的大面积栽培和集约化生产,生
产中亟待解决的是抗虫病、抗逆性、营养成分含量和产
量问题,解决上述问题的最有效方法是培育新品种[1]。
育种突破性的成就取决于对苜蓿关键性基因资源的发
掘和利用,研究种群遗传多样性,形态标记是最简单也
是最直观的方法,但是由于紫花苜蓿是异花授粉,并且
涉及到自然选择与遗传背景的问题,仅仅用形态标记
来分析遗传多样性是有偏差的。随着人类评价种群遗
传多样性方法的改进和提升,分子标记进入研究遗传
多样性的领域,弥补了形态标记的缺陷[2]。1994年,
简单重复序列间扩增(ISSR)分子标记技术被提出[3],
其优点是操作简单、多态性和重复性好,引物随机,
因而被广泛应用于遗传多样性分析、亲缘关系探究
等领域。孟芳等[4]利用ISSR分子标记技术,扩增出
6个与抗褐斑病相关性较大的引物扩增序列;郭计华
等[5]运用ISSR分子标记对28份香蕉种质材料进行
了遗传多样性检测,筛选出的8个多态性引物,能够
很好的描述种质材料间的遗传多样性和亲缘关系远
近;李红等[6]利用ISSR分子标记技术对国内外的39
份紫花苜蓿材料进行了遗传多样性研究,共有10个
引物扩增出多态性条带,再次说明了39份苜蓿材料
的遗传关系,为改良育种提供了强有力的依据。因
此,此次研究利用ISSR分子标记技术对3亲本及其
杂交后代等39份紫花苜蓿材料进行更深层次的遗
传多样性分析,辅助形态标记,为了解后代种质构建
和加快育种进程提供依据。
1 材料和方法
1.1 材料
采用紫花苜蓿(Medicago sativa)灌区直立丰产
型品种甘农3号(Gannong No.3),中度秋眠5-6级
速生型品种游客(Tourist)和高秋眠8-9级速生抗蓟
马品种甘农5号(Gannong No.5)为亲本材料。
1第33卷 第4期           草 原 与 草 坪2013年
DOI:10.13817/j.cnki.cyycp.2013.04.005
2008年7月,种子以1∶1∶1的比例混合播种,行
距80cm,株距25~30cm,2009年进行天然自由传粉
杂交并收获第1代种子,2009年7月中旬种植当年收
获的第1代杂交种子,2010年开花期依据生长速度、
株高、株型、产量、叶形、叶量、茎叶比等指标进行单株
选择挂签,选择135个优良单株,成熟后单独收种子、
单独贮藏,2011年春季种植成株系行,初选出36个株
系与3个亲本作为试验材料(表1)。
表1 供试材料名录和来源
Table1 The list of materials and its origin
编号 株系名称 来源 编号 株系名称 来源 编号 株系名称 来源 编号 株系名称 来源
1 速生1# 杂交后代 11 速生11# 杂交后代 21 速生21# 杂交后代 31 白花2# 杂交后代
2 速生2# 杂交后代 12 速生12# 杂交后代 22 速生22# 杂交后代 32 白花3# 杂交后代
3 速生3# 杂交后代 13 速生13# 杂交后代 23 速生23# 杂交后代 33 大叶1# 杂交后代
4 速生4# 杂交后代 14 速生14# 杂交后代 24 速生24# 杂交后代 34 大叶2# 杂交后代
5 速生5# 杂交后代 15 速生15# 杂交后代 25 速生25# 杂交后代 35 大叶3# 杂交后代
6 速生6# 杂交后代 16 速生16# 杂交后代 26 速生26# 杂交后代 36 大叶4# 杂交后代
7 速生7# 杂交后代 17 速生17# 杂交后代 27 多叶1# 杂交后代 37 甘农3号
甘肃农业
大学
8 速生8# 杂交后代 18 速生18# 杂交后代 28 多叶2# 杂交后代 38 甘农5号
甘肃农业
大学
9 速生9# 杂交后代 19 速生19# 杂交后代 29 直立1# 杂交后代 39 游客 荷兰
10 速生10# 杂交后代 20 速生20# 杂交后代 30 白花1# 杂交后代
1.2 试验方法
1.2.1 DNA提取 采用CTAB法[7]。
1.2.2 DNA检测 将提取的DNA放在0.8%琼脂
糖胶上电泳,结束后用凝胶成像仪拍照观察;利用紫外
分光光度计测定D260nm与D280nm,检测提取出的DNA
的质量与浓度[8]。
1.2.3 引物合成与筛选 根据加拿大哥伦比亚大学
公布的引物序列[9],ISSR引物的合成由上海生工生物
有限公司合成,共100条,从中筛选了4条PCR扩增
产物条带较清晰、多态性较好的ISSR引物用于供试
紫花苜蓿遗传多样性分析。
1.2.4 ISSR扩增和检测 ISSR反应体系为25μL,
包含为模板DNA 2μL、ISSR引物1μL、预混酶12.5
μL、双蒸水9.5μL。PCR扩增条件为预变性94℃4
min,然后,循环94℃1min,45~60℃40s,72℃1~
2min,共40轮循环。循环结束后,72℃10min,4℃
保存。取PCR产物7μL于1.6%琼脂糖胶上电泳,电
泳结束后用凝胶成像仪观察、拍照。
1.2.5 数据统计分析 对强带和清晰弱带进行统计
赋值,有带的计为“1”,无带的计为“0”,统计PCR扩增
产物的条带总数和多态性条带数[10]。
多态性位点比率P=i/j×100%
式中:i为多态性位点数,j为统计出的总位点数[11]。
  用 Ntsys-pc2.1软件进行分析,计算 Nei’s遗传
距离,使用 UPMGA法进行聚类分析,建立聚类图。
遗传相似系数GS=2 Nij/(Ni+Nj)
式中:Ni和Nj分别为i和j两材料的总等位位点数,
Nij为i和j两材料的共有等位位点数。
遗传距离GD=1-GS[12]。
2 结果与分析
2.1 DNA的检测结果
检测提取出的39份供试材料的DNA样品,各个
材料均有3个重复,挑选每个材料条带最清晰、无降
解、无拖尾现象的DNA样品,DNA主带清晰,点样孔
干净,表明DNA片段大小均一,纯度较高。总 DNA
颜色呈无色稍带乳白色,D260nm/D280nm值为1.80%~
1.88,0.8%琼脂糖凝胶电泳检测的结果理想,符合IS-
SR分子标记分析的要求。
2.2 PCR扩增产物多态性分析
利用供试材料基因组DNA进行预扩增,筛选引
物,共获得了4条扩增效果较理想的引物。用这4条
引物分别对39份材料进行扩增检测并且进行统计分
析。检测结果(表2),4条引物共检测到279个DNA
扩增位点,每个引物平均扩增出70个位点。扩增出多
态性位点240个,平均每条引物扩增出60个多态性位
点。4条引物共检测到22条DNA条带,平均每个引
物扩增出6个条带,其中,多态性条带总数为21条,每
2       GRASSLAND AND TURF(2013)            Vol.33No.4
个引物平均扩增出5条多态性条带,多态性比率比较
高,达到95.45%。4条引物产生的带数3~9条,变幅
较大。4条引物中,扩增出片段最多的引物是845号
引物,共9条DNA条带,全为多态性条带;扩增出片
段最少的847号引物,只有3条DNA条带,并且多态
性条带仅有2条。除了扩增出条带数最少的847号引
物,其余3条引物扩增产物的多态性比率均为100%,
多态性信息含量较高,说明甘农3号、甘农5号、游客
以及其杂交后代之间的异质性较高,遗传基础相对较
广,有较大的差异,遗传多样性非常丰富。
图1 引物845PCR扩增检测
Fig.1 The test of PCR amplification of primer 845
表2 39份苜蓿种质的ISSR~PCR带谱分析
Table 2 ISSR-PCR spectrum analysis of 39germplasms
引物编号 引物序列 扩增条带数 多态性带 扩增位点数 多态性位点数 多态百分率/%
845 CTCTCTCTCTCTCTCTRG  9  9  122  122  100
847 CACACACACACACACARC  3  2  45  6  66.67
855 ACACACACACACACACYT  6  6  58  58  100
859 TGTGTGTGTGTGTGTGRC  4  4  54  54  100
总计 22  21  279  240  95.45
平均 6  5  70  60  83.33
2.3 各供试材料的遗传距离分析
研究多元杂交后代与其亲本之间的亲缘关系与遗
传程度,故计算了各个杂交后代分别与甘农3号,甘农
5号和游客苜蓿之间的距离(表3)。各杂交后代与亲
本甘农3号的遗传距离分布在0.250~0.789,其中,
速生17号与甘农3号的遗传距离最小,为0.250;而
速生4号与亲本甘农3号之间的遗传距离最大,为
0.789。速生17号与甘农3号遗传距离较近,差异较
小,遗传相似度较高,亲缘关系比较近,很大程度上遗
传了甘农3号的基因;而速生4#与甘农3号遗传距离
较远,差异较大,遗传相似度较小,亲缘关系比较疏远,
在杂交过程中发生了较大的性状分离。各杂交后代与
亲本甘农5号的遗传距离分布在0.294~0.857,速生
7号与亲本甘农5号的遗传距离最近,为0.294,差异
较小,遗传相似度较高,亲缘关系比较近,遗传甘农5
号基因的程度较高;而大叶1号与甘农5号遗传距离
最远,为0.857,差异较大,遗传相似系数仅为0.143,
遗传相似度较小,亲缘关系比较疏远,在杂交过程中发
生了较大的性状分离。各杂交后代与亲本游客苜蓿的
遗传距离分布在0.143~0.857,速生13号、速生19
号与亲本游客苜蓿的遗传距离最近,为0.143,差异较
小,遗传相似度较高,亲缘关系比较近,遗传游客苜蓿
基因的程度较高;而多叶1号、多叶2号都与游客苜蓿
的遗传距离最远,为0.857,差异较大,遗传相似系数
3第33卷 第4期           草 原 与 草 坪2013年
表3 各株系分别与亲本的遗传距离
Table 3 The genetic distance between strains and parents
苜蓿材料 甘农3号 甘农5号 游客 苜蓿材料 甘农3号 甘农5号 游客
速生1# 0.578  0.500  0.538 速生21# 0.364  0.684  0.375
速生2# 0.473  0.500  0.692 速生22# 0.429  0.444  0.333
速生3# 0.684  0.625  0.538 速生23# 0.429  0.556  0.467
速生4# 0.789  0.750  0.231 速生24# 0.600  0.647  0.571
速生5# 0.778  0.600  0.667 速生25# 0.429  0.333  0.273
速生6# 0.578  0.375  0.385 速生26# 0.400  0.529  0.714
速生7# 0.400  0.294  0.714 多叶1# 0.400  0.529  0.857
速生8# 0.667  0.600  0.833 多叶2# 0.500  0.529  0.857
速生9# 0.647  0.571  0.636 直立1# 0.400  0.647  0.571
速生10# 0.500  0.412  0.429 白花1# 0.333  0.684  0.500
速生11# 0.750  0.692  0.200 白花2# 0.578  0.625  0.692
速生12# 0.578  0.500  0.231 白花3# 0.733  0.500  0.778
速生13# 0.600  0.647  0.143 大叶1# 0.765  0.857  0.636
速生14# 0.523  0.444  0.200 大叶2# 0.364  0.474  0.375
速生15# 0.417  0.429  0.333 大叶3# 0.300  0.294  0.571
速生16# 0.364  0.368  0.250 大叶4# 0.272  0.368  0.375
速生17# 0.250  0.429  0.444 甘农3  0.217  0.579
速生18# 0.385  0.391  0.600 甘农5# 0.217  0.500
速生19# 0.500  0.412  0.143 游客 0.579  0.500
速生20# 0.391  0.600  0.412
仅为0.143,遗传相似度较小,亲缘关系比较疏远,在
杂交过程中发生了较大的性状分离。
研究比较了甘农3号,甘农5号和游客苜蓿3个
亲本之间的亲缘关系远近。甘农3号和甘农5号都与
游客之间的遗传距离较远,甘农3号与甘农5号的遗
传距离较近,这样的亲本的选择,很符合杂交育种的要
求,后代杂种优势比较明显(表3)。
2.4 聚类结果及分析
4条ISSR引物在遗传距离0.59~1.00处能将
39份苜蓿材料完全分开。遗传距离为0.59处,39份
供试苜蓿材料被分为2个类群;遗传距离为0.64处供
试苜蓿材料被分为3个类群;遗传距离为0.66处供试
苜蓿材料被分为A、B、C、D、E等5个类群。A类群包
括14份材料,由速生1#、速生6#、速生5#、白花3#、
速生24#、多叶1#、多叶2#、速生7#、速生25#、大叶
3#、大叶4#、甘农5号、速生23#和白花2#组成;B类
群包括5份材料,由速生2#、速生3#、速生10#、速生
8#和大叶1#组成;C类群包括13份材料,由速生4#、
速生11#、速生12#、速生13#、游客、速生19#、速生
14#、速生22#、速生15#、速生20#、速生21#、速生
9#和直立1#组成;D类群包括4份材料,由速生17#、
速生26#、白花1#和甘农3#组成。E类群单独由速生
18#组成。供试材料中,速生18#单独成为一类群,与
其他4个类群的遗传距离最远,速生12号与速生13
号遗传距离最近(图2)。
3 讨论
分子标记是遗传标记中比较重要的一种手段,它
被广泛的应用于品种鉴定、种质资源考察以及遗传多
样性分析中,可以辅助传统的形态学标记方法从DNA
的微观水平上揭示受检品种间的相关性和差异性,来
检测品种间的亲缘关系远近、杂交后代筛选[13]。研究
采用ISSR分子标记技术,对PCR扩增结果进行扩增
条带多态性分析和聚类分析,初步揭示甘农3号,甘农
5号和游客以及其杂交后代的遗传多样性,判断出各
株系与亲本之间的亲缘关系远近,反映了三亲本的杂
交过程与遗传情况。
种群多态位点比率是衡量种群内遗传变异程度高
低的重要指标[14]。一个种群的多态位点比率高,则说
明这个种群适应环境的能力较强;相反,则这个种群适
应环境能力较弱,在长期的进化过程中就有可能被淘
汰[15]。选取的4条引物中,845号引物扩增的效果较
好,多态性程度较高,说明供试材料的遗传多样性比较
丰富。845,855和859号引物多态性比率都是100%,
4       GRASSLAND AND TURF(2013)            Vol.33No.4
图2 39份供试材料聚类图
Fig.2 The dendrogram of 39the tested materials
扩增出的条带相对847号引物较多;而847号引物虽
然只扩增出3条条带,但其中有一条条带非多态性条
带,总体多态性比率仅66.7%,效果不好,不能良好的
揭示受检材料的多态性比率和遗传多样性,故在以后
的试验检测中此类引物不予使用。
遗传距离是衡量材料间综合性状遗传差异大小的
指标[16]。育种目标所要求的性状不止一个,为了能够
更全面地反映后代间的遗传差异,需要对多个性状进
行综合考虑,因而引伸出计算遗传距离的重要性[17]。
遗传距离能够从微观角度说明杂交后代与亲本之间的
关系,从遗传距离大小上更能说明3个亲本对后代的
贡献水平。两者之间的遗传距离值越小,说明二者之
间的亲缘关系越近,遗传相似系数也越高,二者的基因
相似度也越高[18]。若是这二者为亲本与后代某个株
系,则说明后代很大程度上遗传了此亲本的基因。聚
类结果表明,速生18#材料单独聚为一类,与其他4个
类群遗传距离较远,分化程度较高。最大的一类是 A
类群,包括14份材料,由速生1#、速生6#、速生5#、
白花3#、速生24#、多叶1#、多叶2#、速生7#、速生
25#、大叶3#、大叶4#、甘农5#、速生23#和白花2#
组成。亲本甘农5号也被聚在这一类中,说明A类群
中的后代株系与甘农5号遗传距离较近,很大程度上
遗传了甘农5号的特性。它们虽然都聚为一大类,但
彼此之间又可以划分为3类,说明A类群间相同中也
有差异。C类群中包含亲本游客苜蓿,说明此类群的
后代株系与游客苜蓿的亲缘关系较近,遗传距离小。
D类群中包含亲本甘农3号,它们之间的遗传距离也
较近。孙其信[19]在研究小麦品种间遗传多样性时得
到品种间遗传距离小,遗传变异也小的结论。亲本间
的遗传差异可以决定后代杂种优势的产生,亲缘关系
越远,杂交后代的杂种优势就越大[20]。利用分子标记
技术可以查明亲本及其后代株系间的遗传差异大小,
可以在理论上指导如何选配亲本杂交组合、如何充分
地利用杂种优势改良品种[21]。由于PCR反应体系较
小,各组成成分要非常精确,对浓度的要求更加严格,
PCR扩增的条件设置也需要严格控制,否则任何一项
的粗心都会对实验结果产生很大影响。应该反复摸索
实验条件、确定PCR反应体系,随着对实验越来越熟
练,利用ISSR分子标记技术必定会得出一个好结果。
参考文献:
[1] 康爱民,龙瑞军,师尚礼,等.苜蓿的营养与饲用价值[J].
草原与草坪,2002,12(3):31-33.
[2] 师尚礼,南丽丽,郭全恩.中国苜蓿育种取得的成就及展
望[J].植物遗传资源学报,2010,11(1):46-51.
[3] 李拥军.中国苜蓿地方品种遗传多样性及亲缘关系的研
究[D].北京:中国农业科学院,1998:1-14.
[4] 孟芳,袁庆华,苏德荣.紫花苜蓿抗褐斑病ISSR分子标记
研究[J].草地学报,2007,15(6):561-565.
[5] 郭计华,李新国,李丽.基于ISSR分析28份香蕉种质的
5第33卷 第4期           草 原 与 草 坪2013年
基因组DNA多样性[J].基因组学与应用生物学,2012,
31(5):492-497.
[6] 李红,李波,赵洪波,等.苜蓿种质资源遗传关系的ISSR
分析[J].草地学报,2012,20(1):96-101.
[7] 周亚星,于卓,马艳红,等.散穗高粱与苏丹草杂种的ISSR
分析[J].草地学报,2009,17(6):718-72.
[8] 王方,袁庆华.冰草ISSR-PCR反应体系的建立与优化
[J].草地学报,2009,17(3):354-357.
[9] 王瑜,袁庆华.紫花苜蓿ISSR-PCR反应体系的建立与优
化[J].草地学报,2007,15(3):212-215.
[10] 安梅,杨德龙,栗孟飞,等.小麦RIL群体遗传连锁图谱
的构建及其多态性分析[J].甘肃农业大学学报,2012,
47(6):74-80.
[11] 马向丽,毕玉芬.云南野生苜蓿和逸生苜蓿资源遗传多
样性的ISSR分析[J].中国草地学报,2010,32(6):34-
38.
[12] Rathaparkhe M B,Santra D K,Tulu A,et al.Identifica-
tion of inter simple sequence repeat(ISSR)markers as-
sociated with seed size in wheat[J].The oretial and Ap-
ple Genetics,2001,102:726-732.
[13] 张雪婷,师尚礼.陇东野生紫花苜蓿的遗传特异性分析
[J].草地学报,2009,17(3):343-348.
[14] 王小丽,李志勇,李鸿雁,等.利用ISSR分子标记检测老
化扁蓿豆种质遗传完整性的变化[J].草原与草坪,
2010,30(6):84-88.
[15] 姜健,杨宝灵,夏彤,等.紫花苜蓿耐盐种质资源的遗传
多样性分析[J].草业学报,2011,20(5):119-125.
[16] 李飞飞,崔大方,羊海军,等.中国新疆紫花苜蓿复合体3
个种的遗传多样性及亲缘关系研究[J].草业学报,
2012,21(1):190-198.
[17] 于林清,王照兰,萨仁,等.苜蓿的遗传标记技术及其利
用的研究进展[J].草原与草坪,2001(1):18-20.
[18] 王根旺.中国苜蓿种质资源及育种前景分析[J].甘肃农
业,2005(2):31-34.
[19] 孙其信.利用 RAPD标记研究小麦品种间的遗传差异
[J].农业生物学报,1996,4(2):103-110.
[20] 闫伟红,徐柱,李临航,等.冰草属植物醇溶蛋白遗传分
析与评价[J].草原与草坪,2010,30(1):1-6.
[21] 王晓娟,孙月华,杨晓莉,等.苜蓿遗传图谱构建及其应
用[J].草业学报,2008,17(3):119-127.
Analysis on genetic diversityamongmultiple hybrid
progenies of alfalfa
LI Zhe,SHI Shang-li,WANG Hong
(College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem,
Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-U.S.Centers for
Grazingland Ecosystem Sustainability,Lanzhou730070,China)
  Abstract:In order to explore the genetic relationship between hybrid progenies of alfalfa cultivated species,
involving Gannong 3#,Gannong 5#,Tourists and their parents,the genetic diversity was analyzed the by ISSR
marker and 4primers were screened to detect the genetic diversity of tested materials.The results showed that 4
primers with high polymorphism were screened and 122sites were generated,which were al polymorphic sites.
22informative ISSR markers were generated and showed a polymorphic band ratio of 95.45%.The genetic di-
versity of tested materials was rich.Genetic distances between hybrid progenies and three parents were ana-
lyzed,genetic distance between fast-growing 16 #and the three parents was the smalest(0.327),while it be-
tween big leaf 1#and the three parents was the biggest(0.752).Clustering results showed that 39materials
were clustered into 5categories,there were 14strains in Categories A,including 14fast-growing 1#,fast-grow-
ing 6#and so on;5strains in Categories B,including fast-growing 2#,fast-growing 3#and so on;13strains in
Categories C,including fast-growing 4#,fast-growing 11#and so on;4strains in Categories D,including fast-
growing 17#,fast-growing 26#and so on;fast-growing 18# was clustered in one category.
  Key words:alfalfa;genetic diversity;simple sequence repeat
6       GRASSLAND AND TURF(2013)            Vol.33No.4