全 文 :书山西白羊草种质资源遗传多样性的犐犛犛犚分析
李钰莹,董宽虎
(山西农业大学动物科技学院,山西 太谷030801)
摘要:利用ISSR分子标记技术对山西33个白羊草种质资源进行遗传多样性分析。白羊草种质间遗传变异较稳
定,10条ISSR引物共扩增出99条带,多态性比率(P)为52.23%;通过PopGen32软件计算出:等位基因数(Na)为
1.5253±0.5019,有效等位基因数(Ne)为1.2941±0.3665,Nei’s基因多样性(H)为0.1723±0.1983,Shannon信
息指数(I)为0.2590±0.2841;通过 NTSYSpc1.20c软件计算出33份材料间的遗传相似系数(GS)为0.8188~
0.9801,遗传距离(GD)为0.0200~0.1988。结果表明,33份种质材料居群水平的遗传多样性较低,而自然条件下
白羊草进行无融合生殖可能是导致白羊草居群遗传多样性较低的原因之一。
关键词:白羊草;ISSR;遗传多样性;山西;无融合生殖
中图分类号:S816;S543+.903;Q943 文献标识码:A 文章编号:10045759(2014)01021706
犇犗犐:10.11686/cyxb20140126
白羊草(犅狅狋犺狉犻狅犮犺犾狅犪犻狊犮犺犪犲犿狌犿)是禾本科孔颖草属丛生、具匍匐茎的多年生暖季型牧草,属C4 植物,具有
高产、抗旱、耐牧等特点,是我国暖性草丛类草地的建群种,主要分布于我国暖温带森林草原区和落叶阔叶林区。
白羊草草地是山西中南部地区低山丘陵区的主要草地类型[1]。国外早在20世纪50年代对于白羊草能进行无融
合生殖(apomixis)已有报道[23],即白羊草可以不经过雌雄性细胞的融合而产生有胚的种子;国内肖辅珍和王景
林[4]采用石蜡切片法和苏木精浅染整体透明法观察了北京地区的白羊草生殖过程,观察到不定胚、双胚、多胚囊
以及双苗现象,证实了白羊草的无融合生殖现象。白羊草可以进行有性繁殖和无融合生殖[23,56],而这2种繁殖
存在资源的竞争,两者之间的权衡很大程度上受植物生理生化特性和生境条件的影响[7],对于山西省境内不同地
域的白羊草自然状态下的生殖特点还罕有报道。约在20世纪早期白羊草作为牧草引入美国[8],白羊草现已广泛
分布于美国的中部和南部地区,对于白羊草的研究国内外已做了大量的工作,主要集中在生理生态方面[912],利
用分子手段对白羊草的研究还罕有报道[1314]。
简单序列重复区间(intersimplesequencerepeat,ISSR)DNA分子标记技术是Zietkiewicz等[15]于1994年
提出,在PCR(polymerasechainreaction)中直接使用微卫星序列进行DNA扩增[16],具有操作简单、成本低、快
速、灵敏、检测多态性能力强、所需DNA模板的量少而倍受青睐。ISSR标记在雀麦(犅狉狅犿狌狊)[17]、燕麦(犃狏犲狀犪
狊犪狋犻狏犪)[18]、扁蓿豆(犕犲犾犻狊狊犻狋狌狊)[19]和苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅)[20]等牧草种质资源的遗传多样性研究领域得到广泛应用。
山西省白羊草野生资源丰富,分布广泛,是较为重要的建群种植物之一。本研究利用ISSR分子标记对山西省内
33个自然居群白羊草进行了遗传多样性研究,以期从遗传上鉴定这些材料,为后期的育种和种质资源的收集、保
存工作奠定基础,同时从分子层面揭示出山西省内不同地域白羊草的繁殖特点。
1 材料与方法
1.1 材料
参试白羊草种质资源于2010年10月采自山西境内,共33个自然居群,各居群地理信息如表1。2011年6
月种植于山西农业大学动物科技学院草业科学实验室,待植株正常生长到50d后采样。对不同居群,随机收集8
第23卷 第1期
Vol.23,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
217-222
2014年2月
收稿日期:20130403;改回日期:20130527
基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(20101403110002),山西省科技攻关项目(201203110111)和山西省科技基础条件平
台建设项目(20120910040101)资助。
作者简介:李钰莹(1988),女,陕西宝鸡人,在读硕士。Email:liyuy_ing@163.com
通讯作者。Email:dongkuanhu@126.com
株以上[21]的白羊草无污染叶片均匀混合后存于-80℃冰箱备用。
1.2 方法
1.2.1 总DNA的提取与检测 采用改良的CTAB法提取基因组DNA[16],紫外分光光度计检测纯度,核酸分
析仪测定DNA浓度。稀释至10ng/μL,母液于-20℃冰箱中备用
[13]。
1.2.2 引物筛选 引物从哥伦比亚大学(UniversityofBritishColumbiaBiotechnology,UBC)提供的96条引
物序列中选出25条在禾本科牧草中多态性较高的引物进行筛选,引物由生工生物工程(上海)公司合成,其中23
条引物都能扩增出清晰的条带。经过综合考虑其多态性、重复性和稳定性,最终选出10条用于本次试验,引物序
列如表2所示。TaqDNA酶、dNTPs、Mg2+和10×PCRBuffer购自宝生物工程(大连)公司。
表1 山西白羊草33个种质资源的地理位置
犜犪犫犾犲1 犌犲狅犵狉犪狆犺犻犮犾狅犮犪狋犻狅狀狅犳33犅.犻狊犮犺犪犲犿狌犿犵犲狉犿狆犾犪狊犿狉犲狊狅狌狉犮犲狊犻狀犛犺犪狀狓犻
编号Code 采样位置Location 经度Longitude(N) 纬度Latitude(E) 海拔 Altitude(m)
1 阳高县 YanggaoCounty 113°48′32.1″ 40°25′43.9″ 1169
2 岚县LanCounty 111°44′21.3″ 38°15′48.1″ 1347
3 芮城县 RuichengCounty 110°24′31.8″ 34°38′44.8″ 428
4 阳泉县 YangquanCounty 113°26′29.9″ 37°51′17.6″ 795
5 隰县 XiCounty 110°59′39.4″ 36°47′17.2″ 1125
6 昔阳县 XiyangCounty 113°38′41.4″ 37°30′03.6″ 1021
7 襄汾县 XiangfenCounty 111°16′09.7″ 35°55′58.0″ 585
8 原平市 YuanpingCity 112°46′03.8″ 38°57′26.4″ 842
9 忻府区XinfuDistrict 112°26′33.3″ 39°38′02.3″ 1498
10 运城市 YunchengCity 110°54′24.0″ 34°54′29.1″ 363
11 偏关县PianguanCounty 111°29′14.7″ 39°33′21.0″ 1477
12 古交市 GujiaoCity 112°13′30.6″ 37°54′56.4″ 1007
13 芮城县 RuichengCounty 110°36′37.7″ 34°41′28.5″ 518
14 浑源县 HunyuanCounty 113°51′18.8″ 39°29′30.4″ 1282
15 阳高县 YanggaoCounty 113°38′43.5″ 40°14′46.8″ 1125
16 沁水县 QinshuiCounty 112°37′02.0″ 35°42′14.5″ 819
17 武乡县 WuxiangCounty 112°49′57.2″ 36°47′53.4″ 1044
18 太谷县 TaiguCounty 112°45′27.4″ 37°22′34.5″ 945
19 娄烦县LoufanCounty 111°50′00.6″ 38°08′13.8″ 1192
20 芮城县 RuichengCounty 110°53′22.2″ 34°49′50.1″ 1151
21 交城县JiaochengCounty 111°43′18.9″ 37°39′20.3″ 1195
22 和顺县 HeshunCounty 113°36′32.6″ 37°25′10.6″ 1285
23 中阳县ZhongyangCounty 111°12′51.6″ 37°09′18.3″ 1444
24 交口县JiaokouCounty 111°22′48.6″ 37°02′37.6″ 1161
25 阳城县 YangchengCounty 112°32′25.9″ 35°36′14.5″ 575
26 平定县PingdingCounty 113°40′35.3″ 37°43′07.3″ 863
27 沁县 QinCounty 112°40′35.0″ 36°44′47.5″ 1003
28 太谷县 TaiguCounty 112°34′41.2″ 37°21′43.9″ 978
29 代县 DaiCounty 112°56′50.7″ 39°05′10.6″ 889
30 临汾市LinfenCity 111°38′12.3″ 35°59′31.2″ 1007
31 高平市 GaopingCity 112°50′55.3″ 35°45′33.4″ 891
32 盐湖区 YanhuDistrict 110°52′24.6″ 34°56′12.7″ 349
33 方山县FangshanCounty 111°20′44.8″ 38°00′14.2″ 1321
812 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1
表2 犐犛犛犚分析的引物序列及其扩增结果
犜犪犫犾犲2 犘狉犻犿犲狉狊犲狇狌犲狀犮犲狌狊犲犱犻狀犐犛犛犚犪狀犪犾狔狊犲狊犪狀犱犪犿狆犾犻犳犻犲犱狉犲狊狌犾狋狊
引物编号
Primername
引物序列(5′-3′)
Sequence
退火温度
Tm(℃)
扩增条带数
Totalbands
多态性条带
Polymorphicbands
多态性比率Percentage
polymorphicbands(%)
片段大小
Fragmentsize(bp)
UBC807 (AG)8T 52.18 12 6 50.00 300~1600
UBC808 (AG)8C 54.59 7 3 42.86 250~1000
UBC811 (GA)8G 54.59 9 4 44.44 400~1200
UBC822 (TG)8A 52.18 12 9 75.00 300~2000
UBC823 (TC)8C 54.59 9 5 55.56 400~2000
UBC826 (GC)8C 54.59 12 4 33.33 300~1600
UBC845 (GA)8RG 56.16 9 5 55.56 350~2500
UBC855 (AC)8YT 53.88 7 3 42.86 500~1500
UBC857 (AC)8YG 56.16 11 6 54.55 200~1600
UBC881 (GGGGT)3 61.77 11 7 63.64 500~2000
总计 Total - - 99 52 - -
平均 Average - - 9.90 5.20 52.53 -
1.2.3 PCR扩增及产物的检测[13] 采用Eppendorf梯度PCR仪对白羊草进行ISSR-PCR扩增。扩增程序:
94℃预变性5min,94℃变性45s,50~60℃(温度随引物不同而定)退火60s,72℃延伸90s,共35个循环,72℃
后延伸5min,4℃冰箱保存;反应体系:25μL体系中dNTP0.2mmol/L、Taq酶1.0U、引物0.6μmol/L、Mg
2+
2.5mmol/L、DNA模板30ng、10×PCRBuffer2.5μL。
扩增产物用含有EB的1.5%琼脂糖凝胶电泳分离,90V电泳1h左右,用Bio-RadGelDocXR凝胶成像
系统观察、拍照保存。
1.3 数据统计与分析
用QuantityOne软件选取清晰可辨的扩增条带进行统计分析,对于同一引物的扩增产物,迁移率相同的条
带记为1个位点,有条带的记为“1”,无带的记为“0”,依次构建原始数据矩阵。采用PopGene32软件计算居群间
等位变异数(Na:Observednumberofaleles)、有效等位基因数(Ne:Effectivenumberofaleles)、Nei’s基因多
样性(H:Nei’sgenediversity)、Shannon信息指数(I:Shannon’sinformationindex)、多态位点比率(P:The
percentageofpolymorphicloci);利用NTSYSpc2.10c软件计算33个白羊草自然居群间遗传距离(GD)和遗传
相似系数(GS),然后用非加权配对算术平均法(UPGMA)构建亲缘关系聚类树状图。
2 结果与分析
2.1 多态性分析
本研究按最适反应体系及程序最终筛选出10条稳定性和重复性好、多态性较高且条带清晰的引物,用于33
份白羊草样品的扩增。由表2可知,10条引物中(AC)n、(AG)n、(GA)n 各2条,说明白羊草基因中可能存在大
量的(AG)二核苷酸重复序列。10条引物共扩增出99条带,大小在200~2500bp之间(引物UBC823扩增结果
见图1),平均每个引物扩增出9.90条带,平均多态性比率(P)为52.53%。其中引物UBC822的扩增条带为12
条,多态性比率最高为75.00%;引物UBC826的扩增条带为12条,多态性比率最低为33.33%。33份白羊草材
料的遗传变异较稳定,有一定的多态性,ISSR标记能够解释白羊草基因组部分的信息量。
2.2 遗传变异分析
试验利用PopGen32软件对10条引物分别扩增33份白羊草的99条扩增条带进行了分析,结果表明,等位
基因数(Na)为1.5253±0.5019,有效等位基因数(Ne)为1.2941±0.3665,Nei’s基因多样性(H)为0.1723±
0.1983,Shannon信息指数(I)为0.2590±0.2841,多态性条带比率(P)为52.53%。结果表明,山西境内不同居
912第23卷第1期 草业学报2014年
群的白羊草遗传变异较稳定。用 NTSYSpc1.20c软件计算白羊草自然居群间的遗传距离(GD),其变异为
0.0200~0.1988,其中阳高县孤山(1)和忻府区奇村镇(9)之间的遗传距离最小,为0.0200,说明2个居群的白羊
草亲缘关系最近;芮城县中条山(20)和运城市盐湖区(32)之间的遗传距离最大,为0.1988,表明2个居群的白羊
草之间亲缘关系最远。
2.3 ISSR聚类分析
利用NTSYSpc1.20c软件中的SAHN程序和UPGMA算法,根据遗传相似系数(GS)构建33个白羊草种
质资源遗传关系聚类图(图2),从图2可以看出,来自不同地域条件下的33份种质资源居群水平的遗传多样性
较低,这也与33份材料具有较高的表观相似性一致。如果以0.88作为相似系数分界点,33份材料能分成2类,
16和32号分为一类,其余31份材料为一类。沁水县胡底村(16),运城盐湖区(32)为同一类,均来自晋南地区;
阳高县孤山(1)、忻府区奇村镇(9)、阳高县重兴镇(15)和娄烦县(19),材料遗传相似度最高,在地理位置上也距离
较近都属于晋北地区。
图1 引物犝犅犆823对33份材料犇犖犃的犐犛犛犚扩增图
犉犻犵.1 犜犺犲犐犛犛犚-犘犆犚犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀犲犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲狊犻狊狅犳33犇犖犃狊犪犿狆犾犲犫狔狆狉犻犿犲狉犝犅犆822
图2 33份白羊草基于犐犛犛犚的遗传相似性犝犘犌犕犃的聚类图
犉犻犵.2 犝犘犌犕犃犮犾狌狊狋犲狉犪狀犪犾狔狊犻狊犫犪狊犲犱狅狀犐犛犛犚犵犲狀犲狋犻犮狊犻犿犻犾犪狉犻狋狔犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋犪犿狅狀犵33犅.犻狊犮犺犪犲犿狌犿犿犪狋犲狉犻犪犾狊
022 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1
3 讨论与结论
种质资源遗传变异与地理生态环境之间的关系一直是植物遗传研究中关注的热点。本研究结果显示山西省
内白羊草居群间有一定的地域关系,但是遗传距离和地理距离没有显著的相关性。这一方面符合郭敏等[22]、曾
亮等[23]的聚类分析呈现一定地域性分布的规律;另一方面也符合孙群等[24]、俞靓等[25]得出的遗传多样性与地域
性没有明显关系的规律。
Hamrick和Loveless[26]的研究表明,植物的繁育系统、基因流和种子扩散机制、繁殖方式及自然选择等因素
对植物的遗传结构有明显的影响。白羊草既可进行种子繁殖(有性繁殖以及无融合生殖)[23,56],又可进行营养繁
殖[9,27],在天然草地上主要依靠营养繁殖的形式实现种群的补充更新,使其成为群落中的优势种[9,28]。当白羊草
进行兼性无融合生殖时,既存在基因的分离和重组,提供了可供自然选择的遗传变异,产生的新的有益基因又可
经过无融合生殖迅速占领某个地区,从而补充了因无融合生殖而降低的遗传多样性,提高了种群间的遗传变异水
平并降低了种群内的遗传差异。杨艳娟等[29]研究表明高的无融合生殖率可能是造成其种群内遗传多样性较低
的原因之一;姚家玲等[30]研究表明专性或高度无融合生殖个体之间,因缺乏有性生殖,没有基因交流。虽然山西
省地形较为复杂,境内有山地、丘陵、高原、盆地、台地等多种地貌类型,但是其总面积为15.67km2,仅占全国总
面积的1.6%。风的驱动和人为因素都促进了种子的远距离传播,增大了采样地自然居群间的交配机会,使得山
西省内白羊草自然居群间遗传分化较小。
ISSR分子标记是一种基于微卫星序列发展起来的分子标记,具有简便迅速、稳定高效、DNA多态性高,该方
法克服了RFLP技术的局限性以及RAPD的假阳性等优点。本研究利用10条ISSR引物对山西省白羊草进行
遗传多样性研究,得到52条多态性条带,平均多态性比率(P)52.53%。说明ISSR分子标记法可以区分33个不
同居群的白羊草,对其遗传多样性的研究具有一定的意义。本研究利用ISSR分子标记法研究了山西地区33个
自然居群的白羊草的遗传多样性,为扩展白羊草的遗传资源,研究、利用白羊草种质资源,发掘新种质,培育白羊
草新品种提供了丰富的物质基础。
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犐犛犛犚犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犵犲狀犲狋犻犮犱犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犵犲狉犿狆犾犪狊犿狉犲狊狅狌狉犮犲狊
狅犳犅狅狋犺狉犻狅犮犺犾狅犪犻狊犮犺犪犲犿狌犿犻狀犛犺犪狀狓犻
LIYuying,DONGKuanhu
(ColegeofAnimalScienceandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thegeneticdiversitiesof33germplasmresourcesof犅狅狋犺狉犻狅犮犺犾狅犪犻狊犮犺犪犲犿狌犿inShanxiProvince
wereanalyzedusingintersimplesequencerepeat(ISSR)techniques.Thegeneticdiversityamonggermplasm
resourceswasrelativelystable.Ninetyninebands,ofwhich52(52.23%)werepolymorphic,wereamplified
using10pairsofISSRprimers.AnalyzesbyPopGen32softwareshowedthenumberofaleles(Na)was1.5253
±0.5019,theeffectivenumberofaleles(Ne)was1.2941±0.3665,Nei’sgenediversity(H)was0.1723±
0.1983,andShannon’sinformationindex(I)was0.2590±0.2841;AccordingtotheresultsofNTSYSpc
1.20c,thegeneticsimilaritycoefficient(GS)among33germplasm materialsrangedfrom0.8188to0.9801,
thegeneticdistance(GD)rangedfrom0.0200to0.1988.Thepopulationgeneticdiversityof33germplasm
materialswaslow:thepossiblereasoncouldbethatthereproductivestrategyof犅.犻狊犮犺犪犲犿狌犿isapomixicun
dernaturalconditions.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犅狅狋犺狉犻狅犮犺犾狅犪犻狊犮犺犪犲犿狌犿;ISSR;geneticdiversity;Shanxi;apomixes
222 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1