全 文 ：麦类作物学报 2007 , 27(5):767 - 771
Journal o f T riticeae Crops
沙生冰草醇溶蛋白遗传多样性研究
*
车永和1 , 2 , 3 ,杨欣明2 ,杨燕萍1 ,李秀全2 ,何蓓如3 ,李立会2
(1.河北科技师范学院农学系,河北秦皇岛 066600;2.中国农业科学院作物科学研究所 ,北京 100081;
3.西北农林科技大学农学院 ,陕西杨凌 712100)
摘 要:为了解中国北方不同地区沙生冰草居群的遗传结构和差异 , 应用醇溶蛋白 A-PAGE 技术对采
集自中国沙生冰草主要生态环境的 18个沙生冰草居群进行了遗传多样性研究。结果表明 ,沙生冰草具有丰
富的遗传多样性。 A-PAGE 总计检测到 64 条相对迁移率不同的电泳带纹 ,在α﹑ β ﹑γ﹑ω区分别有 11 ﹑
17 ﹑ 6 和 30 条。每个沙生冰草居群具有独特的醇溶蛋白带型 , 在确定和划分沙生冰草居群上显示出足够的
遗传多样性。对地区内和地区间的醇溶蛋白遗传多样性进行划分 , 其中 61. 0%的总体遗传多样性存在于地
区间 ,地区内遗传多样性占 39. 0%。在 Nei遗传距离 0. 45处 , 18 个沙生冰草居群被分为 4 个类群。 UPGMA
聚类和 PCA 分析表明 , 采集地生态环境相似的沙生冰草居群遗传距离较近。在沙生冰草的保护和利用中需
加强对其生态环境和更多居群的保护和利用研究。
关键词:沙生冰草;醇溶蛋白;遗传多样性
中图分类号:S512. 1;S331 文献标识码:A 文章编号:1009-1041(2007)05-0767-05
Genetic Diversity of Prolamines in Agropyron
desertorum (Fisch ex Link) Schult
CHE Yong-he1 , 2 , 3 , YANG Xin-ming2 , YANG Yan-ping1 ,
LI Xiu-quan2 , HE Pei-ru3 , LI Li-hui2
(1. Departm ent of Agronomy , Hebei Normal University of Science and Tech nology , Qinhuan gdao 066600, H ebei , C hina;
2. Ins titute of C rop Science , C hinese Academ y of Ag ricultural Sciences , Beijing 100081 , C hina;
3. College of Agronomy , Northw es t A &F Universi ty , Yang ling , Shaanxi 712100 , China)
Abstract:To investigate the genetic variation and st ructure of Agropy ron desertorum (Fisch ex Link)
S chul t. populations collected f rom various geographic areas in no rthern China , Eighteen populations
of A. de serto rum we re used for prolamines analy sis by A-PAGE. A high level of genetic diver si ty w as
detected in these A. desertorum populat ions. In total , 64 electrophoretic bands we re observed fo llow-
ing A-PAG E , among which 11 , 17 , 6 and 30 allelic v ariants w ere separated into α-, β-, γ-, and ω-
f ractions of pro lamine. Each A. desertorum populat ion had unique elect ropho re tic pat te rn , which ex-
hibi ted rich genetic diversi ty fo r identif ication and classification o f populat ions in A. desertorum. The
propo rtion of diversi ty among and w ithin geographic regions f rom which the populat ions o f A. deser-
to rum o rig inated indicated that 39. 0% of the total v ariat ion w as found w i thin regions , and 61. 0% a-
mong regions. According to the dentrog ram based on the Neigenetic distance matrix , the A. deserto-
rum populat ions f rom dif ferent regions w ere distinct ly classi fied. A t Neis distance of 0. 45 , the popu-
lations of A. desertorum were divided into four g roups. The UPGMA phenog ram and the principal co-
o rdinate analysis indicated that the populations f rom similar eco-geographical situations w ere clustered
to gether. Mo re at tention should be paid to greater numbers o f populations o f dif ferent regions in re-
* 收稿日期:2007-03-20 修回日期:2007-06-30
基金项目:科技部项目(No. 2004BA525B03);河北省教育厅重点项目(ZH 2006001)。
作者简介:车永和(1970 -),男 ,副教授 ,博士 ,主要从事作物种质资源与麦类作物遗传育种研究。
gard to collection and in preservat ion of A. deserorum germplasm.
Key words:Agropy ron desertorum (Fisch ex Link) Schult . ;Pro lamines;Genetic diversity
沙生冰草[ Agrop yron desertorum (Fisch.
e x Link) Schult. ]为禾本科小麦族冰草属(Agro-
pyron Gaer tn. , P genome)植物的一个重要种 ,
在中国主要分布于内蒙古 、新疆 、河北 、青海等地。
这类植物在保持生态平衡及农牧业生产中具有重
要的价值 ,不仅可作为优质牧草 、主要固沙草本植
物和草坪用种 ,而且可以作为小麦多种优异外源
基因的供体 ,对小麦遗传改良具有重要意义[ 1] 。
目前 ,在生产中已有含冰草 P 基因组优异基因的
小麦新品种推广应用 。沙生冰草在冰草属植物系
统关系中具有重要的特殊地位 ,在冰草属种间基
因组演化关系上 ,争论较多的是沙生冰草与冰草
[ Agropy ron cristatum (L. ) Gaertn. ]的亲缘关
系问题[ 2 ～ 4] 。以居群为对象进行野生近缘植物的
收集与遗传多样性研究 ,不仅有利于阐明物种间
的系统发育关系 ,而且对于确定多样性分布中心 ,
制定野外考察收集取样与保存策略 ,以及植物资
源的有效利用均有重要的理论指导意义 。
麦醇溶蛋白被称为品种的生化指纹 ,虽然醇
溶蛋白只是由位于个别同源群染色体上的一对或
几对基因所决定 ,但显示出丰富的多态性[ 5 , 6] ,并
且这些基因表达为共显特性[ 7] ,无互作影响。前
人应用醇溶蛋白分析对山羊草属(Aegi lops) [ 8] 、
垂穗披碱草(E lymus nutans Griseb.) [ 9] 的遗传
多样性进行了研究 。Yin 等[ 10] 对西藏的野生大
麦近缘种系统的演化关系进行了研究。Metak-
ovsky[ 11] 报道在小麦中有超过 30个的醇溶蛋白
等位变异 。醇溶蛋白在植物的品种鉴定 、系统演
化 、遗传多样性和种质资源研究上已得到广泛应
用。
沙生冰草具有重要的农牧业生产价值及特殊
的遗传地位 ,但是对沙生冰草的遗传多样性目前
还没有相关的报道。本研究对中国农业科学院作
物科学研究所收集和保存的沙生冰草居群进行醇
溶蛋白的 A-PAGE(酸性凝胶电泳)分析 ,旨在了
解收集自中国北方不同地区的沙生冰草居群的遗
传结构和差异 ,为种质资源的研究利用提供依据。
1 材料与方法
1. 1 供试材料
供试材料共 18个沙生冰草居群(表 1),由中
国农业科学院作物科学研究所组织的植物资源考
察组在中国北方地区连续多年考查收集而来 ,目
前这些种子和标本被保存在中国农业科学院国家
作物种质资源复份库中。
1. 2 醇溶蛋白的提取和电泳分析
每个居群取样参照车永和等[ 12] 的研究 ,随机
取 18 粒种子作为混合样提取醇溶蛋白。采用改
进的 ISTA 1986年颁布的 A-PAGE (pH 3. 2)标
准程序进行电泳分析 ,电泳仪器为 Bio-Red公司
的 PRO TEAN(R)Ⅱx i Cell。利用加拿大春小麦
品种 Marquis作对照 ,并进行相应的分区处理。
表 1 参试材料及其地理分布
Table 1 The populations of Agropy ron desertorum
and their geographical distribution
地区
Region s of origin
居群代号
Accession code
倍性水平
Ploidy
内蒙古 Inner Z592 2X
m ongolia Z610 ,Z613 , Z1696 4X
新疆 Xinjiang Z1540 , Z1553 , Z1585 , Z1761 ,
Z1763 ,Z1764 4X
青海 Qing hai Z2042 ,Z2044 4X
河北 H ebei Z1043 ,Z1048 , Z1052, Z1054 2X
Z1734 4X
宁夏 Ning xia Z1098 4X
1. 3 数据处理
参照小麦醇溶蛋白分别按迁移距离和分子量
大小划分的α、β 、γ、ω四个分区并计算沙生冰草
醇溶蛋白的相对迁移率[ 13] 。应用中国农业科学
院原作物品种资源研究所和浙江大学合作编写的
分析软件GEL进行醇溶蛋白电泳图谱的自动
识别分析比较以及指纹图谱数据库的建立。
数据处理中对醇溶蛋白谱带采用0-1数据
转换 ,有带记为 1 ,无带记为 0 ,获得数据距阵 ,并
应用 SAS 和 Excel软件进行电泳谱带差异和遗
传多样性指数的统计分析 。信息统计采用 Shan-
non指数 H =- ∑ f i ln f i , f i 为第 i 个表现型中
出现的频率[ 14] ,并计算平均遗传多样性指数 。居
群数目为两个及以上的地区计算其地区内的遗传
多样性指数。总的遗传多样性指数(H T)划分为
地区内遗传多样性指数(H S)和地区间遗传多样
性指数(DS T),即为 H T =H S +D ST 。地区间的遗
传分化为 GS T =DS T /H T 。
768 麦 类 作 物 学 报 第 27 卷
用 NTSYS 2. 0版本[ 15] 分析数据矩阵 。计算
Nei遗传距离用 SAHN 程序进行 UPGMA 聚类
分析样品间的遗传关系 。计算 Jaccard 相似系数
并运行 NTSYS 2. 0中的DECEN TER和 EIGEN
程序进行主成分分析(PCA)。
2 结果与分析
2. 1 沙生冰草醇溶蛋白的遗传多样性
以小麦品种 Marquis为对照 , 18个沙生冰草
居群 ,总计检测到 64条相对迁移率不同的醇溶蛋
白带纹 ,α﹑ β﹑γ﹑ω区分别有11﹑ 17﹑6和
30条带纹。不同地区的居群具有不同的醇溶蛋
白数目(表 2)。来自新疆的材料出现的总的电泳
带纹数目最多(51条),来自宁夏的最少(24)。18
个沙生冰草居群在α﹑ β﹑γ﹑ ω区分别有 11 、
15 、11 、18种不同电泳带型 。6个新疆的居群分别
有 6 、6 、5和 6种电泳带型;5个河北的居群有 3 、
5 、4和 5种电泳带型;4个内蒙古居群有 2 、2 、4和
4种电泳带型;2个青海居群有 2 、1 、1和 2种电泳
带型;1个宁夏居群除在 γ区与河北居群 Z1048
和新疆居群Z1585的带型表现相同外 ,其它三个
分区都不同于其它居群的电泳带型 。
表 2 不同地区沙生冰草的电泳带纹和电泳带型数目
Table 2 Number of electrophoretic bands and electrophoretic patterns of different
fractions of prolamines in Agropyron desertorum.
地区 Regions of origin ω γ β α 总计 T otal
河北 Hebei 22 (5) 5(4) 15 (5) 3 (3) 45(17)
新疆 Xinjiang 27 (6) 3(5) 15 (6) 6 (6) 51(23)
内蒙古 Inn er Mongolia 22 (4) 5(4) 8 (2) 6 (2) 41(12)
青海 Qinghai 19 (2) 2(1) 10 (1) 5 (2) 36(6)
宁夏 Ningxia 13 (1) 1(1) 8 (1) 2 (1) 24(4)
总计 Total 30 (18) 6(11) 17 (15) 11 (11) 64(55)
注:括号中的数据为电泳带型数目。Note:elect rophoretic pat terns in paren theses.
进一步统计分析结果(表 3)表明 ,各地区(居
群数目在两个以上)的醇溶蛋白多样性丰富度相
差较大 ,以每个地区收集的居群数目多少 ,多样性
指数呈现大小区别 ,Shannon指数新疆为 1. 756 ,
河北为 1. 401 ,内蒙古为 1. 014 ,青海为 0. 347。α
﹑ β﹑ γ﹑ ω区总体遗传多样 Shannon指数分
别为 2. 767 、2. 936 、2. 994和 2. 890 。β区表现出
最大遗传分化(0. 663), ω区为最小(0. 519)。平
均地区内的遗传多样性指数为 1. 130 ,地区间的
遗传多样性指数为 1. 767 , 平均遗传分化为
0. 610 ,即 61. 0%的总体遗传多样性存在地区间 ,
地区内醇溶蛋白遗传多样性占 39. 0%。
表 3 不同地区沙生冰草的 Shannon指数
Table 3 Shannon index of Agropy ron desertorum from different regions
地区 Reions of origin ω γ β α 平均 Average
河北 Hebei 1. 609 1. 332 1. 609 1. 055 1. 401
新疆 Xijiang 1. 792 1. 654 1. 792 1. 792 1. 756
内蒙古 Inn er Mongolia 1. 465 1. 465 0. 562 0. 562 1. 014
青海 Qinghai 0. 693 0. 000 0. 000 0. 693 0. 347
地区内遗传多样性指数 HS 1. 390 1. 113 0. 991 1. 026 1. 130
总体遗传多样性指数 H T 2. 890 2. 994 2. 936 2. 767 2. 897
地区间遗传多样性指数 DST 1. 500 1. 881 1. 945 1. 742 1. 767
遗传分化 GST 0. 519 0. 628 0. 663 0. 629 0. 610
2. 2 沙生冰草的聚类分析结果
对醇溶蛋白电泳图谱聚类分析(图 1),其中
青海居群 Z2042 与 Z2044 之间遗传距离最小
(0. 077),河北居群 Z1052 与青海居群 Z2044 间
遗传距离最大(0. 787)。在居群间的遗传距离和
聚类关系上不同倍性水平材料 ,即 5 份二倍体与
13份四倍体材料间没有表现出明显差别。在遗
传距离 0. 45处 ,可将 18个沙生冰草分为 4个类
群。第一类由 5个河北居群 、4个内蒙古居群和 1
个新疆居群组成 。进一步第一类又可分为两组 ,
一组由 3个河北居群和 1个新疆居群组成 ,另一
组由 2个河北居群和 4个内蒙古居群组成 ,每组
769 第 5 期 车永和等:沙生冰草醇溶蛋白遗传多样性研究
中地域来源较近的材料较近的聚为一起 。第二类
为一个宁夏居群 Z1098 。第三类由 4个新疆居群
和 2个青海居群组成 。两个青海居群采集自原生
境青海省共和县 ,海拔均为 2950 m ,两居群的遗
传距离仅为 0. 077。第四类为一个新疆居群
Z1553 。
主成分分析(图 2)获得了同 UPGMA聚类相
似的居群间的相互关系。醇溶蛋白的前三项主成
分分别为 16. 31%、13. 18%和 19. 66%。18个沙
生冰草居群平均 Jaccard相似系数为 0. 435。
■新疆;▲内蒙古;★青海;▼宁夏;◆河北
■ Xin jiang;▲ Inner Mongolia;★Qingh ai;▼ Ningxia;◆H ebei
图 1 18个沙生冰草居群基于醇溶蛋白的 UPGMA树状聚类图
Fig. 1 UPGMAdendrogram based on Neis distance among the 18 populations of Agropyron desertorum .
■新疆;▲内蒙古;★青海;▼宁夏;◆河北
■Xinjiang;▲ Inner Mongolia;★Qinghai;▼ Ningxia;◆Hebei
图 2 基于醇溶蛋白和 Jaccard相似系数的 18 个
沙生冰草居群的主成分(PCA)分析
Fig. 2 Principal coordinate analysis of 18 populations
of Agropyron desertorum using prolamines and
Jaccard similarity index.
3 讨论
本研究在 18个沙生冰草居群中检测到了 64
条相对迁移率不同的带纹 ,沙生冰草所具有的醇
溶蛋白电泳带纹数远大于对照小麦品种 Marquis
的带纹数 ,并且醇溶蛋白多态性丰富 ,每一个居群
呈现为一种特殊醇溶蛋白带型 。对于异花和常异
花授粉的开放式繁育系统的居群 ,居群内个体基
因型是特异的 ,因此进行居群间及以上的遗传多
样性研究时个别植株不能反映居群的整体遗传水
平 ,研究者大多采取混合取样(Bulked samples)
来代表居群整体水平[ 16 , 17] 。车永和等[ 12] 对冰草
属植物的 5个种 22个居群分 8个取样梯度研究
表明 ,取样量 12粒的样本的平均醇溶蛋白谱带占
出现平均最大醇溶蛋白谱带数的 99. 58%,平均
遗传多样性指数占平均最大遗传多样性指数的
99. 79%,混合取样量保持在 12个个体及以上能
代表居群整体﹑反映居群的整体遗传特性。本试
验基于以上研究结果混合取样量为 18粒 ,因此取
样水平能够充分代表沙生冰草不同居群的整体遗
传状况。
诸多相关植物的研究表明 ,醇溶蛋白的遗传
多样性与其生长的生态地域环境密切相关。唐慧
慧等[ 1 8] 对中国野生大麦醇溶蛋白遗传多态性研
究发现 ,地理环境相似地区的材料有着相似的醇
溶蛋白图谱类型。Nevo 等[ 19] 检测宏观和微观生
态环境与大麦醇溶蛋白遗传多样性的关系表明 ,
蛋白的遗传多样性同生态因素联系紧密。 De-
missie
[ 20] 对不同海拔﹑生态地理环境的大麦醇溶
蛋白研究表明 ,醇溶蛋白多样性的丰富度与海拔
相关 ,提出了相应的原位保护策略。马啸等[ 9] 对
野生垂穗披碱草种质的醇溶蛋白遗传多样性分析
770 麦 类 作 物 学 报 第 27 卷
表明 ,醇溶蛋白图谱类型与材料的生态地理环境
具有一定的相关性 。本研究 UPGMA 聚类分析
表明居群间遗传距离同居群的地理来源相关 ,相
似地理生态环境的居群较近地聚在一起 ,这也进
一步在 PCA 分析中被确定。
遗传多样性研究是野生植物有效保护和持续
利用的前提 ,通过以上分析可知 ,沙生冰草遗传多
样性与居群的遗传和生态环境相关 ,每个居群有
其独特的醇溶蛋白带型 ,遗传多样性指数随着每
个地区收集居群数量的增加而增大 。因此 ,在沙
生冰草的有效保护和持续利用中需加强对其各生
态环境和更多居群的保护和利用研究。
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