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Genetic variation analysis of gliadin from wild germplasm of Psathyrostachys juncea

野生新麦草种质醇溶蛋白遗传变异分析



全 文 :书野生新麦草种质醇溶蛋白遗传变异分析
陈仕勇,马啸,张新全,武小龙
(四川农业大学动物科技学院草业科学系,四川 雅安625014)
摘要:采用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳技术(APAGE)对来自中国新疆、俄罗斯西伯利亚及蒙古等地的35份野生新
麦草种质进行醇溶蛋白的遗传变异分析,获得如下结果,1)电泳共检测到37条醇溶蛋白条带,多态性条带比率高
达100%;2)种质间遗传相似系数变幅为0~0.8276,平均值为0.4509,表明供试材料具有丰富的醇溶蛋白遗传多
样性;3)聚类分析将供试材料分成5类,相同或者相似生态地理来源的材料能够聚在一起,表明醇溶蛋白带谱与其
地理分布具有一定的相关性;4)种质间的Shannon多样性指数 犎狋=0.5796,类群平均多样性指数 犎group=
0.4835,其中类群内和类群间的遗传变异分别为83.42%和16.58%,这可能与新麦草异花授粉的繁育方式有关。
本研究结果将为新麦草种质资源的保护和利用提供理论依据。
关键词:新麦草;种质;醇溶蛋白;遗传变异;资源保护
中图分类号:Q943;S543+.903  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)04031105
  新麦草(犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀犮犲犪)是禾本科小麦族新麦草属的重要物种。它是一种多年生、异花授粉的二倍
体(2狀=2x=14)禾草[1],原产于中亚和西伯利亚,在我国主要分布在新疆及内蒙古等地[2]。新麦草分蘖多,叶量
大,抗旱、耐牧、耐盐碱,是一种优良的放牧刈割兼用型牧草,在草地畜牧业和草地生态建设中发挥了重要作用[2]。
我国在20世纪90年代审定登记了2个新麦草野生栽培品种“山丹”和“紫泥泉”。目前,我国在新麦草育种方面
的研究还较落后,国外在新麦草多倍体材料创制和转基因育种方面已取得了进展[3]。种质资源是遗传育种研究
的基础,对种质资源遗传变异等背景的了解程度将直接影响到育种的进程[4]。目前关于新麦草野生种质资源遗
传变异方面的研究还较少,且在已报道的野生种质和栽培品种遗传分析中供试的种质较少,地区的代表性不
强[59]。
麦醇溶蛋白是麦类植物种子胚乳中的主要贮藏蛋白,经电泳分离后的带纹多少及组合方式完全受基因型控
制,可以构成物种或者品种的指纹。醇溶蛋白已经在品种鉴定、种间亲缘关系以及遗传多样性分析中广泛运
用[10,11]。而目前关于新麦草种质醇溶蛋白的遗传变异研究还鲜有报道。本研究通过酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳
(acidpolyacrylamidegelelectrophoresis,APAGE)技术对来自中国新疆、蒙古及俄罗斯等地的35份野生新麦
草种质进行醇溶蛋白遗传变异及地理分化研究,旨在为新麦草种质资源的合理保护和开发利用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
2009年课题组从美国国家遗传资源库(NPGS,USDA)获得了35份野生新麦草种质,它们分别收集自中国
新疆(18份),俄罗斯西伯利亚(13份)以及蒙古(4份)等地区。供试材料的详细情况见表1所示。
1.2 研究方法
1.2.1 样品提取 每份种质随机取20粒种子,磨成粉末并称重。然后将其转入1.5mL离心管,按照1mg加5
μL的比例加入提取液(2氯乙醇25%+甲基绿0.05%),室温浸提过夜,使用前10000r/min离心15min。
1.2.2 APAGE分析 根据国际种子检查协会ISTA(1986)颁布的酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(pH3.2)标准程
序[12],采用DYCZ24F型电泳槽(北京六一仪器厂)进行电泳,恒压500V,恒温10~15℃,电泳3h。试验以加拿
大春小麦品种‘Marquis’(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿cv.Marquis)为对照。
第20卷 第4期
Vol.20,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
311-315
2011年8月
 收稿日期:20100604;改回日期:20100706
基金项目:国家重点基础研究973计划(2007CB108907),国家科技支撑计划(2008BADB3B10)和国家自然科学基金项目(31072077)资助。
作者简介:陈仕勇(1984),男,四川三台人,在读博士。Email:chengshi8827@163.com
通讯作者。
1.3 数据分析
对获得的电泳条带按有带记为1,无带记为0统计,将醇溶蛋白条带转换成0,1矩阵,利用NTSYSpc2.10
软件计算Dice遗传相似系数(GS),并基于该遗传相似系数进行非加权成对算术平均法(UPGMA)聚类分析[13]。
基于醇溶蛋白表型数据,采用POPGENE1.31软件计算种质和类群的Shannon多样性指数(总多样性指数犎狋
和类群多样性指数犎group)[14,15]。
表1 供试材料
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犿犪狋犲狉犻犪犾狊狌狊犲犱犻狀狋犺犲狊狋狌犱狔
序号
No.
种质编号
AccessionNo.
地理来源
Geographicalorigin
生境
Habitat
海拔
Altitude(m)
1 PI619483 蒙古巴彦乌列盖省BayanOlgiAimag,Mongolia 碎石山坡 Gravelyhilside 2002
2 PI619487 蒙古乌尔苏省,乌兰固木 Ulaangom,UvsAimag,Mongolia 路边 Roadside 1078
3 PI619484 蒙古乌尔苏省,科布多 Hovd,UvsAimag,Mongolia 峡谷Canyon 1878
4 PI619565 蒙古车车尔勒格Tsetserleg,Mongolia 多石山坡Stonyhilside 1878
5 PI598469 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 草地 Opengrassland 950
6 PI565044 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 山坡Shaded,moistslope 1030
7 PI565045 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 路边 Roadside 1020
8 PI565046 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 山坡 Dryhilside 920
9 PI565047 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 山坡 Dryhilside 1340
10 PI565048 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 石质山坡 Rockyslope 1100
11 PI565049 俄罗斯西伯利亚 GornoAltayA.O.,Siberia,Russia 草坡 Grassyslope 1180
12 PI565055 俄罗斯西伯利亚,新西伯利亚 Novosibirsk,Siberia,Russia 铁路边Besiderailroad 942
13 PI565056 俄罗斯西伯利亚,新西伯利亚 Novosibirsk,Siberia,Russia 实验农场Experimentalfarm 790
14 PI565057 俄罗斯西伯利亚,阿尔泰地区 Altairegion,Siberia,Russia 路边 Roadside 1368
15 PI565058 俄罗斯西伯利亚,阿尔泰地区 Altairegion,Siberia,Russia 路边 Roadside 1186
16 PI565059 俄罗斯西伯利亚 Tinginskyregion,Siberia,Russia 石质山坡 Rockyhilside 1216
17 PI565060 俄罗斯西伯利亚,阿尔泰地区 Altairegion,Siberia,Russia 路边 Roadside 1368
18 PI565078 中国新疆,天池 Tianlake,Xinjiang,China 峡谷山坡Canyon,slope 1700
19 PI595133 中国新疆,大丰Dafeng,Xinjiang,China 天然牧场 Naturalpasture 1600
20 PI595135 中国新疆,大丰Dafeng,Xinjiang,China 山坡Dryhilside 1632
21 PI595138 中国新疆,大丰Dafeng,Xinjiang,China 山坡 Hilside 1510
22 PI595142 中国新疆,紫泥泉Ziniquan,Xinjiang,China 围栏牧场Fencedpasture 1120
23 PI595152 中国新疆,博乐Bole,Xinjiang,China 沟渠边Besidetheditch 1200
24 PI595155 中国新疆,温泉 Wenquan,Xinjiang,China 公路边 Roadside 1700
25 PI595165 中国新疆,天池 Tianlake,Xinjiang,China 山地草场 Mountainpasture 1680
26 PI595168 中国新疆,天池Tianlake,Xinjiang,China 山地草场 Mountainpasture 1670
27 PI598559 中国新疆,奇台Qitai,Xinjiang,China 冬春草场 Winterpastures 1300
28 PI595177 中国新疆,乌鲁木齐东南SoutheastofUrumqi,Xinjiang,China 冬春草场 Winterpastures 1600
29 PI595184 中国新疆,乌鲁木齐东南SoutheastofUrumqi,Xinjiang,China 麦田边 Marginofthefield 1470
30 PI499672 中国新疆,乌鲁木齐南郊SouthsuburbsofUrumqi,Xinjiang,China 路边 Roadside 1000
31 PI499673 中国新疆,乌鲁木齐东北东EastnortheastofUrumqi,Xinjiang,China 峡谷Canyon 1350
32 PI499674 中国新疆,乌鲁木齐东北东EastnortheastofUrumqi,Xinjiang,China 峡谷Canyon 1350
33 PI499675 中国新疆,乌鲁木齐西南SouthwestofUrumqi,Xinjiang,China 路边 Roadside 1600
34 PI531825 中国新疆,乌鲁木齐东北东EastnortheastofUrumqi,Xinjiang,China 路边 Roadside 1140
35 PI531826 中国新疆,乌鲁木齐东北东EastnortheastofUrumqi,Xinjiang,China 峡谷Canyon 1750
213 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.4
2 结果与分析
2.1 醇溶蛋白遗传变异
35份供试种质共检测出37条醇溶蛋白条带,且均为多态性条带,多态性条带比为100%(图1)。每份种质
均具有特有的醇溶蛋白指纹图谱,其中来自蒙古的PI619487种质条带最多,为20条,来自中国新疆大丰的
PI595138和乌鲁木齐的PI595184种质条带最少,为8条,平均每份种质检测到13.9条。这些表明了供试的野
生新麦草种质具有丰富的醇溶蛋白遗传变异。
图1 1~28号新麦草种质的醇溶蛋白电泳图谱
犉犻犵.1 犃犘犃犌犈犵犾犻犪犱犻狀犲犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲犵狉犪犿狅犳犖狅.1-28犪犮犮犲狊狊犻狅狀狊狅犳犘.犼狌狀犮犲犪
2.2 种质间遗传相似系数
35份供试种质醇溶蛋白的Dice遗传相似系数(GS)变幅为0~0.8276,平均值为0.4509。其中来自中国新
疆大丰的种质PI595138和来自新疆乌鲁木齐的种质PI499673之间的GS值最小,为0,亲缘关系较远;而均来自
于中国新疆大丰的PI595133和PI595135种质之间的GS值最大,为0.8276,二者表现出了较近的亲缘关系。
2.3 聚类分析
基于Dice遗传相似系数对35份供试材料进行UPGMA聚类分析(图2)。聚类分析结果将供试材料分成5
类。第Ⅰ类包括来自中国新疆温泉和博乐2份种质;第Ⅱ类包括7份种质全部来自中国新疆地区,包括大丰、天
池以及乌鲁木齐;第Ⅲ类包括9份种质,4份新疆和5份俄罗斯西伯利亚的种质;第Ⅳ类有5份种质,其中3份来
自俄罗斯西伯利亚,另外2份则来自新疆乌鲁木齐;第Ⅴ类的种质最多,包括了12份材料,每个地理类群各有4
份种质。从聚类分析可以看出来自相同或者相近的生态地理类群的材料能够聚在一起,与地理分布呈现出一定
的相关性。但也有一些种质聚类表现出不同,这也可能与其相似的生境和相似的选择压下的趋同进化有关。
2.4 地理类群遗传变异分析
基于醇溶蛋白数据计算3个地理类群的Shannon多样性指数,其多样性指数分别为0.3743(蒙古类群),
0.5211(俄罗斯西伯利亚类群),0.5551(中国新疆类群),其中蒙古类群的多样性指数最低,而新疆类群的多样
性指数最高,该类材料表现出了较高的多样性水平。同时,这与种质的聚类分析结果相似,聚类分析表明来自中
国新疆类群的材料能够分别与蒙古类群和俄罗斯西伯利亚类群的材料聚在一起。35份供试材料的Shannon多
样性指数犎狋=0.5796,3个类群的平均值犎group=0.4835,供试材料遗传变异模式为83.42%的变异发生在类群
内部,仅有16.58%的变异存在于类群间。
3 讨论
本研究首次采用醇溶蛋白对野生新麦草种质进行遗传变异的评价,35份种质共检测到37条带,多态性为
100%,每份种质均有特有的醇溶蛋白带谱。醇溶蛋白条带多态性高于其他小麦族牧草种质资源,如来自亚洲和
313第20卷第4期 草业学报2011年
图2 35份新麦草种质基于犇犻犮犲遗传相似系数的犝犘犌犕犃聚类图
犉犻犵.2 犜犺犲犝犘犌犕犃犱犲狀犱狉狅犵狉犪犿狅犳35犪犮犮犲狊狊犻狅狀狊狅犳犘.犼狌狀犮犲犪犫犪狊犲犱狅狀犇犻犮犲犵犲狀犲狋犻犮狊犻犿犻犾犪狉犻狋犻犲狊犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋
北美的老芒麦(犈犾狔犿狌狊狊犻犫犻狉犻犮狌狊)种质醇溶蛋白多态条带比为90.4%[16],西南区鹅观草(犚狅犲犵狀犲狉犻犪犽犪犿狅犼犻)为
89.66%[17]。这都表明了供试材料具有丰富的醇溶蛋白遗传变异,且醇溶蛋白也是一种快速、简单、有效的遗传
标记,可以作为新麦草种质遗传研究的有效工具。
种质资源的遗传变异在居群内和居群间的分布模式受到很多因素的影响,比如与物种的地理分布,种子扩散
的方式以及物种的繁育系统等有关[18]。本研究中新麦草的遗传变异83.42%存在于类群内,16.58%存在于类群
间,这可能与新麦草是异花授粉的繁育方式相关,种质间的大量基因流增加了种质间的变异。这与杨艳等[8]和
Yang等[9]采用等位酶和同工酶对新麦草种质的分析结果相似。各地理类群的Shannon多样性指数结果表明中
国新疆类群的材料多样性指数高,遗传变异较大,蒙古类群的多样性指数最低而遗传变异较小。这可能与中国新
疆类群与其他2个类群相比较而言具有更为复杂的生态地理环境有关,但也可能与本研究中各个类群取样的大
小不同有一定的关系。本研究结果表明供试种质的多样性水平较高且3个地理类群间的关系较近,这可能说明
中国新疆、俄罗斯西伯利亚及蒙古地区是新麦草种质重要的分化中心,特别是中国新疆类群应是新麦草资源保护
的重点地区。关于新麦草种质的遗传变异需要将多种分析方法相结合进行综合分析,了解其遗传分化等为该种
质资源的保护和利用提供更多的信息。
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犌犲狀犲狋犻犮狏犪狉犻犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犵犾犻犪犱犻狀犳狉狅犿狑犻犾犱犵犲狉犿狆犾犪狊犿狅犳犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀犮犲犪
CHENShiyong,MAXiao,ZHANGXinquan,WUXiaolong
(TheDepartmentofGrasslandScience,ColegeofAnimalScienceandTechnology,
SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Acidpolyacrylamidegelelectrophoresis(APAGE)wasusedtoanalysethegliadingeneticvariation
amongthirtyfivewildaccessionsof犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀犮犲犪colectedfromXinjianginChina,theSiberiaregion
inRussia,andfromMongolia.1)Atotalof37bandswereobtainedfromtheaccessionsandalwerepolymor
phic;2)TheDicegeneticsimilaritycoefficientofthetestedmaterialsrangedfrom0-0.8276,withameanof
0.4509.Therewasrichgeneticpolymorphismamongthetestedwildmaterialsof犘.犼狌狀犮犲犪;3)The35wild
accessionscanbedividedintofivegroupsandcanbeclusteredwiththesameorsimilarecogeographicalori
gins.Resultsalsoshowedsomerelationshipbetweenthepatternsofgliadinbandsandgeographicaldistribu
tion;4)GeneticdifferentiationsbetweenandwithingroupswereestimatedbyShannon’sdiversityindex.The
resultsshowed犎狋=0.5796and犎group=0.4835,whichindicatedthat83.42%geneticvarianceexistedwithin
groups,and16.58%geneticvariancewasbetweenthegroups.Thismightberelatedtothecrosspolinated
breedingsystemof犘.犼狌狀犮犲犪.Theresultsofthestudywilsupplymoreinformationforgermplasmresources,
conservationandbreedingof犘.犼狌狀犮犲犪.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀犮犲犪;germplasm;gliadin;geneticvariation;resourcesconservation
513第20卷第4期 草业学报2011年