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SSR analysis of sorghum-sudangrass new strains with low hydrocyanic acid content

低氢氰酸含量高丹草新品系及其亲本的SSR分析



全 文 :书低氢氰酸含量高丹草新品系及其亲本的犛犛犚分析
于卓,谢锐,于肖夏,马艳红,李造哲,纪明妹
(内蒙古农业大学农学院,内蒙古 呼和浩特010019)
摘要:为明确4个低氢氰酸含量的高丹草新品系SLCN11、SLCN12、SLCN13、SLCN14及其亲本散穗高粱、黑壳
苏丹草、白壳苏丹草、红壳苏丹草和棕壳苏丹草在DNA水平上的差异程度,以育成登记的高丹草品种蒙农青饲3
号为对照,对其进行了SSR分析。试验从200个高粱SSR引物中筛选出多态性丰富、重复性好的12对引物,利用
这些引物对10个材料进行PCR扩增共得到509个多态性位点,多态性百分率达87.30%。每对引物扩增的SSR
指纹图清晰、稳定,可作为鉴别4个高丹草新品系及其亲本的分子依据。10个供试材料间的遗传距离(GD)变幅在
0.3165~0.6692之间,平均为0.5359;以GD值0.50为基准,将10个材料划分为5类:蒙农青饲3号、散穗高粱、
SLCN11、SLCN12、SLCN13为一类;SLCN14、棕壳苏丹草为一类;白壳苏丹草、黑壳苏丹草、红壳苏丹草各单独
为一类。该研究为下一步低氢氰酸含量高丹草新品种育成及登记利用奠定了基础。
关键词:高丹草;低氢氰酸含量;新品系;SSR分析;指纹图
中图分类号:S816;S544+.103  文献标识码:A  文章编号:10045759(2014)01022306
犇犗犐:10.11686/cyxb20140127  
  高丹草是高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉)与苏丹草(犛狅狉犵犺狌犿狊狌犱犪狀犲狀狊犲)的种间杂交后代,具有高粱鲜草产量高、抗
逆性强和苏丹草叶量大、品质好等优良特性,其不足点是鲜草中含有氢氰酸[13]。有研究表明,高丹草品种间氢氰
酸含量差异较大,含量高的品种(株高约100cm时茎叶鲜草氢氰酸含量≥100mg/kg)家畜采食量大时会出现中
毒现象,给生产带来严重损失[46]。选育青刈饲喂安全的超低氢氰酸含量(株高约100cm时茎叶鲜草氢氰酸含量
1~15mg/kg,青刈后可直接饲喂家畜)高丹草新品种是预防氢氰酸危害的有效措施。
为培育青刈饲喂家畜安全的超低氢氰酸含量高丹草新品种,近年来我们利用在内蒙古中西部地区种植多年
的氢氰酸含量低的散穗高粱与黑壳苏丹草、白壳苏丹草、红壳苏丹草和棕壳苏丹草相组配进行人工授粉杂交,获
得4个杂交组合的F1 代,通过ISSR分子标记辅助选育,得到4个超低氰氢酸含量高丹草新品系SLCN11(散穗
高粱×黑壳苏丹草F5)、SLCN12(散穗高粱×白壳苏丹草F5)、SLCN13(散穗高粱×红壳苏丹草F5)、SLCN14
(散穗高粱×棕壳苏丹草F5)[710]。SSR(simplesequencerepeats,简单重复序列)为共显性标记,具有多态性丰
富、重复性好等优点,已广泛应用于牧草和作物的遗传多样性分析、遗传图谱构建、基因定位及分子标记辅助育
种[1114]。目前,国内外有关SSR标记技术在高丹草品种或品系鉴定方面的应用尚未见有研究报道。本试验以我
们育成登记的高丹草品种蒙农青饲3号为对照[15],重点对上述4个高丹草新品系及其亲本进行SSR分析,以明
确其在DNA水平上的差异程度,并建立高丹草新品系的SSR指纹图,为下一步高丹草新品种育成及登记利用提
供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料为4个高丹草新品系SLCN11(散穗高粱×黑壳苏丹草F5)、SLCN12(散穗高粱×白壳苏丹草F5)、
SLCN13(散穗高粱×红壳苏丹草F5)、SLCN14(散穗高粱×棕壳苏丹草F5)及母本散穗高粱和父本黑壳苏丹
草、白壳苏丹草、红壳苏丹草、棕壳苏丹草,对照品种为蒙农青饲3号高丹草(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉×犛狅狉犵犺狌犿狊狌
第23卷 第1期
Vol.23,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
223-228
2014年2月
收稿日期:20130819;改回日期:20131030
基金项目:国家“973”计划基金项目(2014CB138703),国家自然科学基金项目(31060322)和内蒙古农业综合开发办项目(201297)资助。
作者简介:于卓(1958),男,内蒙古托克托人,教授,博士。
通讯作者。Email:yuzhuo58@sina.com
danensecv.MengnongQingsiNo.3)。各供试材料的种子由内蒙古农业大学农学院饲用作物育种研究室提供,
试验于2012年7月至2013年5月在室内进行。
1.2 总DNA提取与纯度检测
将各供试材料的种子播种在花盆中,室温条件下培养成苗,在三叶期每种材料随机剪取20个单株幼苗的叶
片混合,用植物基因组试剂盒(北京天根生化科技有限公司)提取DNA,取5μLDNA用1.5%琼脂糖凝胶电泳
检测DNA纯度,将各材料的DNA浓度稀释至50ng/μL置冰箱中冷冻保存备用。
1.3 SSRPCR扩增反应
扩增反应体系:反应液总体积为20μL,其中ddH2O11.6μL,10×Buffer2.0μL,Mg
2+1.6μL,dNTP1.6
μL,Taq酶0.2μL,上游引物1.0μL,下游引物1.0μL,60ng/μL的模板DNA1.0μL。
扩增反应程序:在EppendorfMastercycler5331PCR仪上,95℃变性4min,1个循环;94℃变性30s,56℃
退火45s,72℃延伸90s,34个循环;72℃延伸10min,1个循环后终止反应。
聚丙烯酰胺凝胶电泳及银染检测:扩增产物在6%变性聚丙烯酰胺凝胶上进行电泳,每样品点样8μL,电泳
时间2h。胶板在0.15% AgNO3溶液中银染15min,取出后蒸馏水速漂5s,放入含有3%NaOH和0.5%甲醛
的溶液中显色10min,视条带清晰后转入固定液终止反应,蒸馏水清洗2min后晾干、扫描。
1.4 SSR适宜引物的筛选
利用已开发的同属植物高粱的200对SSR引物进行筛选(http://algodon.tamu.edu/sorghumdb.html提
供的引物序列,由上海生物工程公司合成),选出多态性丰富的适宜引物,用于PCR扩增。试验重复5次。
1.5 SSR分子标记的数据处理
将染色好的胶板放在透射光灯箱上,记录胶板上清晰的条带,电泳结果采取0/1赋值记带,将所观察到的每
一条带视为1个单位,有带记为1,无带记为0,生成0,1组成的数据矩阵,进行统计分析,并计算下列相关遗传系
数[16]。
多态性位点百分率:对于某一位点而言,当变异个体频率大于0.01时,该位点即为多态性位点(P):犘=(犓/
犖)×100%,式中,犓 为多态性位点数目、犖 为扩增位点总数。
供试材料的遗传相似系数(GS)和遗传距离(GD):犌犛=2犛犻犼/(犛犻+犛犼),式中,犛犻犼为材料犻和材料犼共有的条
带数目,犛犻+犛犼为2种材料中出现的条带数目之和;犌犇=1-犌犛。根据类平均法,运用DPSV8.01分析软件进
行聚类分析。
2 结果与分析
  图1 供试植物基因组犇犖犃电泳检测
  犉犻犵.1 犜犺犲犲犾犲犮狋狉狅狆犺狅狉犲狊犻狊狅犳犵犲狀狅犿犻犮犇犖犃狅犳狋犲狊狋犲犱狆犾犪狀狋狊
   M:DNAmarkerDL2000;1:蒙农青饲3号 MengnongQingsiNo.3;
2:SLCN11;3:SLCN12;4:SLCN13;5:SLCN14;6:♀散穗高粱 Loose
spikesorghum;7:♂黑壳苏丹草Blackhulsudangrass;8:♂白壳苏丹草
Whitehulsudangrass;9:♂红壳苏丹草Redhulsudangrass;10:♂棕壳
苏丹草Brownhulsudangrass.
2.1 供试材料基因组DNA质量检测
用植物基因组试剂盒提取10个供试材料基因组
DNA的电泳条带清晰、可辨、均匀且无拖尾现象,表明
所提取的DNA纯度高,完全能满足SSR分析的要求
(图1)。
2.2 SSR扩增结果
以4个高丹草新品系SLCN11、SLCN12、SLCN
13、SLCN14和其亲本散穗高粱、黑壳苏丹草、白壳苏
丹草、红壳苏丹草、棕壳苏丹草及蒙农青饲3号高丹草
基因组DNA为模板,从200个SSR引物中筛选出条带清晰、稳定性好、多态性丰富的适宜引物12对(表1),用
于10个供试材料基因组DNA的PCR扩增,共得到576个SSR位点,其扩增片段长度多在200~2500bp之间,
平均每对引物扩增出48个,多态性位点509个,多态性百分率达87.3%。在12对引物中,以引物Xtxp7扩增的
总位点数和多态性位点数最少,分别为26和18个,引物 Xtxp96扩增的多态性位点百分率最高,为100%
(表2)。
422 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1
表1 犛犛犚分析所用引物及其碱基序列
犜犪犫犾犲1 犘狉犻犿犲狉狊犪狀犱狋犺犲犻狉狀狌犮犾犲狅狋犻犱犲狊犲狇狌犲狀犮犲狊狌狊犲犱犳狅狉犛犛犚犪狀犪犾狔狊犻狊
引物编号
Primers
碱基序列Sequence
上游Forward 下游Reverse
Xtxp7 ACATCTACTACCCTCTCACC ACACATCGAGACCAGTTG
Xtxp12 AGATCTGGCGGCAACG AGTCACCCATCGATCATC
Xtxp13 TCTTTCCCAAGGAGCCTAG GAAGTTATGCCAGACATGCTG
Xtxp19 CTTTCAATCGGTTCCAGAC CTTCCACCTCCGTACTC
Xtxp61 GATGCCCATGCCTTGC CCCACTAAACTAAAGCGGACA
Xtxp63 CCAACCGCGTCGCTGATG GTGGACTCTGTCGGGGCACTG
Xtxp67 CCTGACGCTCGTGGCTACC TCCACACAAGATTCAGGCTCC
Xtxp69 TGACTGAAAGCTCGGCGT CGCAACTGCGCTTAACAACT
Xtxp96 GCTGATGTCATGTTCCCTCAC CATTCGTGGACTCTGTCGG
Xtxp258 CACCAAGTGTCGCGAACTGAA GCTTAGTGTGAGCGCTGACCAG
Xtxp331 AACGGTTATTAGAGAGGGAGA AGTATAATAACATTTTGACACCCA
ZCT339 CCAACCGTATCAGCATCAGC GCAGAGCTCTCATCGTCTTCTT
  此外,每对引物扩增的SSR指纹图均可以清晰地
将10个供试材料区别开来,这可为高丹草新品系鉴定
及下一步新品种育成登记和知识产权保护利用提供
DNA分子依据(图2~4)。
2.3 遗传距离和聚类分析
10 个供试材料间的遗传距离 (GD)变幅在
0.3165~0.6692之间,平均为0.5359(表3);以 GD
值0.50为基准,10个材料大体分为5类:蒙农青饲3
号、散穗高粱、SLCN11、SLCN12、SLCN13为一类;
SLCN14、棕壳苏丹草为一类;白壳苏丹草、黑壳苏丹
草、红壳苏丹草各单独为一类(图5)。
3 讨论
植物远缘杂交是实现不同物种间基因交流和创造
新种质(新物种、新品种)的重要途径[1718]。本试验用
育成登记的高丹草品种蒙农青饲3号作对照,将散穗
高粱与黑壳苏丹草、白壳苏丹草、红壳苏丹草和棕壳苏
丹草种间远缘杂交获得的4个低氰含量高丹草新品系
SLCN11、SLCN12、SLCN13、SLCN14[910]和其亲
表2 供试植物犛犛犚引物及扩增结果
犜犪犫犾犲2 犛犛犚犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳狋犲狊狋犲犱狆犾犪狀狋狊
引物编号
Primer
扩增位点数
No.of
amplified
loci
多态性位点数
No.of
polymorphic
loci
多态性位点百分率
Percentageof
polymorphic
loci(%)
Xtxp7 26 18 69.23
Xtxp12 44 37 84.09
Xtxp13 49 38 77.55
Xtxp19 33 31 93.94
Xtxp61 51 45 88.23
Xtxp63 38 29 76.32
Xtxp67 50 42 84.00
Xtxp69 45 44 97.78
Xtxp96 46 46 100.00
Xtxp258 56 53 94.64
Xtxp331 55 48 87.27
ZCT339 83 78 93.98
合计 Total 576 509 87.25
本间的遗传差异及亲缘关系进行SSR分析显示,各供试材料间的遗传距离(GD值)平均为0.5359,遗传差异较
大;10个材料聚为3类,其中在第1类的5个材料中,包含了3个母本遗传背景均为散穗高粱的新品系SLCN
11、SLCN12和SLCN13,新品系SLCN14与其没有杂交关系的棕壳苏丹草聚在一起,另外3个父本材料黑壳
苏丹草、白壳苏丹草和红壳苏丹草各单独为一类,即部分遗传背景相同或不同的杂交新品系并没有表现出明显的
聚类规则。这说明高粱和苏丹草种间杂交育成的新品系实现了亲本间基因的复杂交流,打乱了其亲本原有的基
因次序,组合形成了新的基因型,这可能是高丹草杂交新品系杂种优势强的重要分子依据。
522第23卷第1期 草业学报2014年
图2 引物狓狋狓狆61的犛犛犚指纹图
犉犻犵.2 犛犛犚犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犪犿狆犾犻犳犻犲犱犫狔狋犺犲狆狉犻犿犲狉狊狓狋狓狆61
 1:蒙农青饲3号 MengnongQingsiNo.3;2:♀散穗高粱
Loosespikesorghum;3:SLCN11;4:♂黑壳苏丹草Blackhul
sudangrass;5:SLCN12;6:♂白壳苏丹草 Whitehulsudan
grass;7:SLCN13;8:♂红壳苏丹草 Redhulsudangrass;9:
SLCN14;10:♂棕壳苏丹草Brownhulsudangrass;M:DNA
markerDL2000;下同Thesamebelow.
图3 引物狓狋狓狆69的犛犛犚指纹图
犉犻犵.3 犛犛犚犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犪犿狆犾犻犳犻犲犱犫狔狋犺犲狆狉犻犿犲狉狊狓狋狓狆69 
图4 引物犣犆犜339的犛犛犚指纹图
犉犻犵.4 犛犛犚犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犪犿狆犾犻犳犻犲犱犫狔狋犺犲狆狉犻犿犲狉狊犣犆犜339 
表3 供试植物的遗传距离矩阵
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犵犲狀犲狋犻犮犱犻狊狋犪狀犮犲犿犪狋狉犻狓狅犳狋犲狊狋犲犱狆犾犪狀狋狊
材料 Materials 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 0.3571
3 0.3889 0.3165
4 0.5603 0.5226 0.5346
5 0.5852 0.4362 0.5163 0.5333
6 0.5782 0.4783 0.4424 0.5802 0.5897
7 0.5077 0.4444 0.4595 0.5310 0.4676 0.4967
8 0.6692 0.6190 0.6424 0.6486 0.6197 0.5714 0.6058
9 0.5827 0.5294 0.6051 0.5974 0.5405 0.5750 0.5524 0.5890
10 0.5278 0.4177 0.5309 0.5975 0.5948 0.4788 0.5270 0.6159 0.4522
 1:蒙农青饲3号 MengnongQingsiNo.3;2:♀散穗高粱Loosespikesorghum;3:SLCN11;4:♂黑壳苏丹草Blackhulsudangrass;5:SLCN12;6:
♂白壳苏丹草 Whitehulsudangrass;7:SLCN13;8:♂红壳苏丹草Redhulsudangrass;9:SLCN14;10:♂棕壳苏丹草Brownhulsudangrass.
由于高丹草目前还没有开发出SSR引物,若单独开发成本高,故本试验从网上公布 (http://algodon.tamu.
edu/sorghumdb.html)的200个普通高粱(近源同属植物)的SSR引物中,筛选出多态性丰富、条带稳定的12对
引物进行了PCR扩增和位点分析,由于这些引物在普通高粱上扩增的SSR位点数目等表现情况目前还未见有
研究报道,尚难与本试验结果进行比对,但本试验所用的母本材料散穗高粱是高粱属的一种,从12对引物扩增的
电泳图片可知,由于引物不同其位点数不同,总体看散穗高粱的SSR位点数较多,它们与其余9个供试材料的
622 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1
图5 10个供试植物的犛犛犚聚类图
犉犻犵.5 犜犺犲犛犛犚犱犲狀犱狉狅犵狉犪犿狅犳10狋犲狊狋犲犱狆犾犪狀狋狊
 
SSR位点数和条带位置存在着一定的差异,而且每对引物扩增的SSR指纹图均可将10个供试材料区分开来,说
明同属近缘种普通高粱的SSR引物用于高丹草新品系在DNA水平上鉴定是可行的。
本试验采用植物基因组试剂盒提取各供试植物基因组DNA的质量很高,但在试验中应注意样品经液氮处
理后要迅速研磨成粉末状,且要避免长时间放置研好的样品,否则会影响DNA的提取效果,甚至导致DNA提取
失败。另外,在聚丙烯酰胺凝胶(PAGE)制备过程中,加速剂TEMED应最后加入,并迅速充分混匀、立即匀速灌
胶,否则会导致同一胶板电泳速度不一致,出现非水平的条带而影响试验结果。
4 结论
试验筛选出SSR适宜引物12对,PCR扩增10个材料的基因组DNA共得到509个多态性位点,多态性百分
率达87.30%。每对引物扩增的SSR指纹图清晰、稳定,是识别4个低氰含量高丹草新品系及其亲本的重要分子
依据。供试材料间的GD值变幅为0.3165~0.6692,以GD值0.50为基准,10个材料划分为5类:蒙农青饲3
号、散穗高粱、SLCN11、SLCN12、SLCN13为一类;SLCN14、棕壳苏丹草为一类;白壳苏丹草、黑壳苏丹草、红
壳苏丹草各单独为一类。
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犛犛犚犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狊狅狉犵犺狌犿狊狌犱犪狀犵狉犪狊狊狀犲狑狊狋狉犪犻狀狊狑犻狋犺犾狅狑犺狔犱狉狅犮狔犪狀犻犮犪犮犻犱犮狅狀狋犲狀狋
YUZhuo,XIERui,YUXiaoxia,MAYanhong,LIZaozhe,JIMingmei
(ColegeofAgronomy,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Toidentifythedifferencedegreeoffournewstrainsofsorghumsudangrasswithlowhydrocyanic
acidcontentSLCN11,SLCN12,SLCN13andSLCN14,andtheirparentsataDNAlevel,weconducted
SSRanalysesusingthevarietyMengnongQingsiNo.3asacontrol.Atotalof12SSRprimerpairswithhigh
polymorphismandgoodreproducibilitywerescreenedfrom200developedsorghumSSRprimerpairs.The10
materialswereanalyzedusingtheseSSRprimers.Atotalof509polymorphiclociwereamplified,andtheper
centageofpolymorphiclociwasupto87.30%.EachSSRpolymorphicprimerpairscouldamplifyclearandsta
blebands,whichcanbeusedasmolecularbasisforidentifyingthefournewstrainsofsorghumsudangrass.
Geneticdistance(GD)among10materialsrangedfrom0.3165-0.6692,withanaverageofusing0.5359;U
singtheGDvalueof0.50asathreshold,the10materialscanbeclusteredintofivegroups:Mengnongqingsi
No.3,loosespikesorghum,SLCN11,SLCN12andSLCN13;SLCN14andbrownhulsudangrass;white
hulsudangrass;blackhulsudangras;redhulsudangrass.Thisstudylaidthegroundworkforthenextstep
breeding,registrationandutilizationofnewsorghumsudangrassvarietieswithlowhydrocyanicacidcontent.
犓犲狔狑狅狉犱狊:sorghumsudangrass;lowhydrocyanicacidcontent;newstrain;SSRanalysis;fingerprint
822 ACTAPRATACULTURAESINICA(2014) Vol.23,No.1