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Genetic Diversity Analysis of Wild Adzuki Bean Germplasm and Its Relatives by Using SSR Markers

利用SSR标记分析野生小豆及其近缘野生植物的遗传多样性


利用28SSR引物对96份野生小豆资源、小豆近缘野生植物及栽培小豆进行遗传多样性分析,共检测到255个等位变异,平均每对SSR引物9.10个,多态信息含量的变异范围从0.3740.865,平均为0.722。野生小豆材料和近缘植物Vigna minima遗传变异丰富。来自不同地域的野生小豆材料具有大量特异等位变异,基于非加权成组配对算术平均法的聚类分析可将不同地理来源的野生小豆单独分群,且与主坐标分析的结果相一致。4份栽培小豆材料与日本野生小豆遗传距离较近,表明目前国内小豆育种中较多使用了含有日本血缘的小豆材料,以及国内野生小豆资源的搜集和利用工作落后于日本。本研究对国内野生小豆资源的搜集和保存具有指导意义,并可以为这些资源的评价、利用和优异基因的发掘提供参考。


全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(1): 174−180 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-09), 河北省自然科学基金(C2012301012)和河北省农林科学院青年基金
(A2012060102)项目资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 田静, E-mail: nkytianjing@163.com, Tel: 0311-87670655
第一作者联系方式: E-mail: Liuchangyou2006@yahoo.com.cn
Received(收稿日期): 2013-07-01; Accepted(接受日期): 2013-09-16; Published online(网络出版日期): 2013-10-22.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20131022.1558.002.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014. 00174
利用 SSR标记分析野生小豆及其近缘野生植物的遗传多样性
刘长友 1 范保杰 1 曹志敏 1 苏秋竹 1 王 彦 1 张志肖 1 程须珍 2
田 静 1,∗
1 河北农林科学院粮油作物研究所 / 河北省作物遗传育种实验室, 河北石家庄 050031; 2 中国农业科学院作物科学研究所, 北京
100081
摘 要: 利用 28 对 SSR 引物对 96 份野生小豆资源、小豆近缘野生植物及栽培小豆品种进行遗传多样性分析, 共检测
到 255个等位变异, 平均每对 SSR引物 9.10个, 多态信息含量的变异范围从 0.374到 0.865, 平均为 0.722。野生小豆材
料和近缘植物 Vigna minima 遗传变异丰富。来自不同地域的野生小豆材料具有大量特异等位变异, 基于非加权成组配
对算术平均法的聚类分析可将不同地理来源的野生小豆单独分群, 且与主坐标分析的结果相一致。4份栽培小豆材料与
日本野生小豆遗传距离较近, 表明目前国内小豆育种中较多使用了含有日本血缘的小豆材料, 以及国内野生小豆资源
的搜集和利用工作落后于日本。本研究对国内野生小豆资源的搜集和保存具有指导意义, 并可以为这些资源的评价、利
用和优异基因的发掘提供参考。
关键词: 野生小豆; SSR; 小豆近缘植物; 遗传多样性
Genetic Diversity Analysis of Wild Adzuki Bean Germplasm and Its Relatives
by Using SSR Markers
LIU Chang-You1, FAN Bao-Jie1, CAO Zhi-Min1, SU Qiu-Zhu1, WANG Yan1, ZHANG Zhi-Xiao1, CHENG
Xu-Zhen2, and TIAN Jing1,∗
1 Institute of Food and Oil Crops, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences / Hebei Laboratory of Crop Genetic and Breeding, Shijia-
zhuang 050031, China; 2 Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Wild Adzuki bean (V. angularis var. nipponensis) germplasm and its relatives are very important materials for adzuki
bean breeding. In this paper, genetic diversity of 96 accessions of wild types, relatives and cultivated adzuki bean varieties were
analyzed by using 28 pairs of polymorphic SSR markers. The results showed that a total of 255 alleles were detected in all acces-
sions. The average number of allele per SSR locus was 9.10. The range of genetic diversity index (polymorphic information con-
tent, PIC value) was from 0.374 to 0.865, with an average of 0.722. The results revealed that there are abundant genetic variations
between wild adzuki bean and its relatives Vigna minima. Both cluster and principal coordinate analysis (PCO analysis) suggested
that there is a high genetic differentiation between wild adzuki beans and its relatives, and they could be distinguished from each
other clearly according to their origins, suggesting that the locations of wild adzuki bean accessions affect their genetic variations.
We analyzed the relationship between adzuki bean varieties and wild adzuki bean accessions, and found that their genetic distance
is more closer to Japanese wild adzuki bean accessions than to domestic accessions, indicating that more Japanese adzuki bean
accessions were used in Chinese adzuki bean breeding, and showing that our works for domestic wild adzuki bean resources col-
lection and use is behind Japan. The present study provides some information in collection and conservation of domestic wild
adzuki bean accessions, and the result is useful for evaluating and using these resources to find useful genes.
Keywords: Wild adzuki bean; SSR; Relatives of adzuki bean; Genetic diversity
小豆[Vigna angularis Willd. Ohwi & Ohashi]是豇豆属
(Vigna)亚洲豇豆亚属(Ceratotropis)中重要的栽培种之一[1],
在我国除个别高寒区外, 在全国各地均有种植, 主产区集
中在华北、东北和江淮地区, 是我国重要的出口农产品之
第 1期 刘长友等: 利用 SSR标记分析野生小豆及其近缘野生植物的遗传多样性 175


一[2-3]。近年来通过杂交选育, 小豆育种工作虽然取得了
一定进展, 但一直缺乏突破性的品种[4]。种质资源是育种
工作的基础, 其中野生资源发挥着重要的作用[5]。研究者
在野生水稻、野生大豆等野生资源中发掘了许多优异基因,
如水稻抗病基因[6], 大豆耐盐基因[7]等。国外研究者在野
生小豆及小豆近缘植物中也发现了一些优异种质材料。如
抗豆象野生小豆材料能够防止豆象危害[8], 小豆近缘野生
种 Vigna minima可以作为小豆和饭豆间的桥梁亲本[9]等。
中国是小豆的起源地之一 , 野生小豆和小豆近缘野生植
物也有大量分布[1]。加强对这些资源的搜集、鉴定和利用
对小豆育种具有重要意义。
然而目前从国内搜集到的野生小豆及近缘野生植物
资源并不多。在已经开展的野生小豆遗传多样性研究中主
要利用国外的野生小豆材料。如金文林等 [10]、陶宛鑫
等 [11]和赵波等[12]主要利用日本野生小豆材料作为研究对
象, 中国野生小豆材料仅有 3份; 宗绪晓等[13]在研究栽培
小豆和野生变种的演化与地理分布关系时选用了 5 份国
内野生小豆材料。这些现象说明我们对国内野生小豆材料
的搜集工作做得不够。依托国家食用豆产业技术体系平台,
我们与中国农业科学院作物科学所的程须珍研究员的课
题组一起, 在北京、河北、天津、辽宁、山东等地搜集到
野生小豆和小豆近缘野生植物 Vigna minima。对这些材料
的评价和分析可以指导我国野生小豆资源的进一步搜集
和利用。通过前期工作我们已经验证了这些野生小豆资源
以及 Vigna minima与栽培小豆间的杂交可育性(数据未发
表)。为了对它们进行遗传评价, 本研究利用 Han 等[14]已
经公开发表的小豆 SSR标记序列, 分析其遗传多样性, 以
期为我国野生小豆及其近缘野生植物资源保存、鉴定、评
价及新的优异基因的发掘提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
野生小豆材料 69 份, 包括中国天津蓟县(TJJX) 32
份、辽宁大连(LNDL) 17份、辽宁丹东(LNDD) 5份和日
本(Japan) 15份; 小豆近缘野生植物 Vigna minima 21份,
包括天津蓟县 1片、河北遵化(HBZH) 9份、北京平谷(BJPG)
5 份、山东烟台(SDYT) 6 份; 小豆近缘野生植物 Vigna
nakashimae 1份, Vigna riukiuensis 1份; 栽培小豆材料 4
份(白红 99616、冀红 352、冀红 9218和京农 6号)。
1.2 DNA提取及 SSR分析
从每份试验材料挑选出 5 粒健康种子播在营养钵内,
采集刚展开的第一片三出复叶 , 利用天根公司的植物基
因组 DNA 快速提取试剂盒提取 DNA, 用 1%的琼脂糖凝
胶检测 DNA 质量。经紫外分光光度计测定浓度后, 加
ddH2O稀释至 10 ng μL–1, 备用。
从 196对小豆 SSR引物中筛选中 28对扩增条带清晰、
多态性好的引物用于后续分析。PCR 扩增反应在 ABI
Applied Biosystems Veriti 96 Well Thermol Cycler扩增仪
上进行, 反应体系为 10 μL, 包含 1×PCR缓冲液, 2 mmol
L–1 MgCl2, 0.1 mmol L–1 dNTPs, 0.4 μmol L–1的引物, 20 ng
DNA和 0.5 U Taq DNA聚合酶。反应程序为 95℃预变性
3 min; 94℃变性 30 s, 退火 30 s, 72℃延伸 45 s, 循环 35
次; 72℃延伸 7 min。扩增产物经 8%的非变性聚丙烯酰胺
凝胶电泳分离, 在 200 V恒压下电泳, 根据 PCR产物分子
量大小及差异带型的可辨程度调整电泳时间。将凝胶从玻
璃板转移到染色盒 , 用蒸馏水洗涤 2 次 , 然后用 0.2%
AgNO3 溶液染色 8 min, 蒸馏水快速漂洗 2 次, 加 1.5%
NaOH (0.5%甲醛)溶液显影至条带清晰, 再用蒸馏水洗掉
凝胶上残留的染色液, 拍照读带。
1.3 数据处理
按照各 SSR 引物扩增片段迁移位置的不同分别读
取数据 , 依据不同分析软件需求的差异在 Microsoft
Excel 中相应转换数据格式。用非加权成组配对算术平均
法 (unweighted pair-group method with arithmeticmean,
UPGMA)计算各种质材料间 Nei-Li’s遗传相似性系数[15],
用 NTSYS-pc 2.10t 作树状聚类图及主成分分析; 利用
PopGen32 软件包计算多态信息含量 (polymorphism in-
formation content, PIC)。
2 结果与分析
2.1 遗传多态性分析
28对 SSR 引物在96份野生小豆、栽培小豆及其近缘
野生植物中共检测到255个等位变异, 每对引物检测到等
位变异的数目为4~14个, 平均每 SSR位点9.10个(表1)。其
中等位变异最丰富(14个)的引物为 N27 (连锁群1)、N102
(连锁群5)、N114 (连锁群6)和 N163 (连锁群9); 仅检测到4
个等位变异的引物共2个, 分别为 N60 (连锁群2)和 N73
(连锁群3), 占7.14%。等位变异频率从1.04%至76.04%不
等, 平均为10.77%。分布频率高于50.0%的等位变异为6
个, 占2.35%, 即在6个 SSR位点检测出优势等位变异; 分
布频率低于5%的等位变异占50.98%。多态信息含量的变
异为0.374~0.865, 平均为0.722。其中多态信息含量最高的
引物是 N111, 最低的是 N73, 分别位于小豆的第5和第3
连锁群。除 N56、N73和 N149 3个引物外, 其他 SSR引物
多态信息含量均高于0.5。
由表2可知, 来自日本的野生小豆材料检测到的等位
变异数和特异等位变异数最多, 分别为94个和31个。来自
天津蓟县的野生小豆材料虽然检测种质数量(32份)最多,
但等位变异数却与检测种质数仅有5份的辽宁丹东野生小
豆材料相同, 均为64个, 表明来自天津蓟县的部分野生小
豆材料间遗传差异较小, 可能存在重复取样现象。然而从
其具有较多的特异等位变异数(30个)及特异等位变异比
最高(44.78%)来看, 来自该地域的野生小豆具有特殊的遗
传组成。在来自日本的一份 Vigna nakashimae材料中未检
测出特异等位变异, 其等位变异位点均与 Vigna minia 的
变异位点相同。
176 作 物 学 报 第 40卷


表 1 不同连锁群 SSR位点检测的等位变异数及遗传多样性指数
Table 1 Number of alleles and genetic diversity index for SSR loci in each linkage group
SSR位点
SSR locus
连锁群
Linkage
group
等位变异数
Number of
alleles
遗传多样性指数
Genetic diversity
index
SSR位点
SSR locus
连锁群
Linkage group
等位变异数
Number of
alleles
遗传多样性指数
Genetic diversity
index
N21 1 11 0.837 N74 4 5 0.598
N27 1 14 0.827 N102 5 14 0.813
N34 1 11 0.758 N111 5 13 0.865
N36 1 8 0.756 N114 6 14 0.856
N40 1 10 0.806 N116 6 9 0.770
N42 2 12 0.784 N124 7 8 0.759
N44 2 8 0.790 N149 8 6 0.470
N56 2 5 0.494 N153 8 9 0.799
N60 2 4 0.681 N156 8 8 0.587
N63 3 9 0.753 N163 9 14 0.813
N64 3 13 0.834 N175 10 9 0.749
N66 3 7 0.697 N176 10 7 0.708
N68 3 8 0.569 N179 10 7 0.708
N73 3 4 0.374 N185 10 8 0.768
平均Average 9.107 0.722

表 2 不同来源种质的检测数目、等位变异数及特异等位变异
Table 2 Number of accessions, alleles, and specific alleles in different species
种质类型
Species
来源
Origin
检测种质数
Number of
accessions
等位变异数
Number of alleles
特异等位变异数
Number of specific
alleles
特异等位变异比
Rate of specific
alleles (%)
TJJX, China 32 67 30 44.78
LNDL, China 17 83 20 24.10
LNDD, China 5 67 9 13.43
野生小豆
V. angularis var. nipponensis
Japan 15 94 31 32.98
TJJX, China 1 28 0 0
HBZH, China 9 48 8 16.67
BJPG, China 5 39 1 2.56
V. minima
SDYT, China 6 46 9 19.57
V. nakashimae Japan 1 28 0 0
V. riukiuensis Japan 1 28 12 42.86
栽培小豆 Vigna angularis China 4 42 9 21.43
TJJX: 天津蓟县; LNDL: 辽宁大连; LNDD: 辽宁丹东; HBZH: 河北遵化; BJPG: 北京平谷; SDYT: 山东烟台.
TJJX: Jixian, Tianjin; LNDL: Dalian, Liaoning; LNDD: Dandong, Liaoning; HBZH: Zunhua, Hebei; BJPG: Pinggu, Beijing; SDYT:
Yantai, Shandong.

2.2 不同种质间的遗传分化及遗传关系
基于 UPGMA的聚类分析显示(图 1), 利用 28对 SSR
引物, 可以将小豆类群(I)、和小豆近缘植物类群(II)在遗
传上完全分开。其中小豆类群(I)又可以分为 3个组群, 第
一组群(i)均为来自中国天津蓟县的野生小豆材料, 第二
组群(ii)包含来自中国辽宁的野生小豆材料和来自日本的
野生小豆材料以及 4 个栽培小豆品种。第三组群(iii)仅有
来自中国辽宁大连的 1份野生小豆材料。小豆近缘植物类
群(II) 也可分为 2 个组群, 其中第四组群(iv)包括所有的
Vigna minima材料和 1份 Vigna nakashimae, 来自不同地
域的 Vigna minima 基本按照地理来源聚在一起, Vigna
nakashimae 不能和 Vigna minima 区分开。第五组群(v)中
第 1期 刘长友等: 利用 SSR标记分析野生小豆及其近缘野生植物的遗传多样性 177



图1 基于野生小豆、近缘植物及栽培小豆间遗传相似性系数绘制的树状聚类图
Fig. 1 Dendrogram of wild adzuki bean, relatives, and adzuki bean based on similarity coefficient
WA: 野生小豆; minima: Vigna minima。WA: wild adzuki bean; minima: Vigna minima.

Vigna riukiuensis单独分为一类。
进一步进行主成分分析 , 从图 2 可以更直观的看
出小豆类群 (I)集中在右侧成群 , 而近缘植物类群 (II)
集中在左侧成群 , 其他上述各组群之间界限也非常清
楚 , 结果显示基于主成分分析的二维坐标图与聚类分
析吻合。
3 讨论
3.1 分子标记在小豆遗传多样性分析中的应用
以DNA分子标记为手段进行遗传多样性检测被广泛
应用到作物种质资源研究中, 成为种质资源鉴定、分类强
有力的佐证和检验手段[16]。在小豆SSR标记公布之前, 我
国研究者主要利用非物种特异性的分子标记如RAPD、
AFLP等分析小豆种质资源的遗传多样性, 如金文林等[10]
利用25个RAPD引物分析了16份野生小豆材料的遗传多
样性, 王述民等 [17]、宗绪晓等[13,18]和粟生群等[19]均利用
AFLP标记分析了不同小豆种质资源的遗传多样性。在
Wang等 [20]和Han等 [14]开发的小豆SSR标记公布后 , 这些
标记成为近年来用于小豆资源遗传多样性分析的主流。徐
宁等[21]、王丽侠等[22-24]和赵波等 [12]先后利用小豆SSR标
记对国内及部分国外小豆种质资源的遗传多样性进行了
分析。本研究利用从Han等 [14]公开发表的196对小豆SSR
标记中筛选出的28对多态性高的标记 , 分析近期从国内
搜集到的野生小豆资源、小豆近缘野生植物及部分日本野
178 作 物 学 报 第 40卷



图2 基于主成分分析绘制的小豆、近缘植物及栽培小豆关系的
二维坐标图
Fig. 2 Two-dimentional map of wild adzuki bean, relatives and
adzuki bean varieties based on coefficient of similarity
WA: 野生小豆; minima: Vigna minima。
WA: wild adzuki bean; minima: Vigna minima.

生小豆资源, 28对引物共检测到 255个等位变异, 高于王
丽侠等[23]利用 51对 SSR引物在 145份栽培小豆种质中检
测到的等位变异数(222), 这一方面表明小豆 SSR 标记在
野生小豆及小豆近缘野生植物的遗传多样性分析中的有效
性, 另一方面也表明野生小豆资源及小豆近缘野生植物中
蕴藏着更丰富的遗传变异, 这与 Xu等[25]的观点一致。
此外 , 鉴于本研究中所使用的国内野生小豆材料和
小豆近缘野生植物资源均取自我国东北和华北地区 , 因
此还安排了 4 份来自东北和华北地区的栽培小豆品种作
为野生小豆的对照种。从等位变异位点、聚类分析结果以
及主成分分析结果来看 , 这些国内育成品种中均含有日
本野生小豆材料的遗传背景 , 而与国内的野生材料遗传
差异更大一些 , 这表明中国目前的小豆育种中大量使用
了日本小豆材料或具有日本小豆血缘的材料 , 另外也从
侧面表明中国对国内野生小豆资源的搜集和利用要落后
于日本。因此应加强对国内不同地理来源(尤其是本研究
尚未涉及的我国南方地区)的小豆野生材料的搜集、鉴定
和评价, 为小豆育种提供新的优异基因。
3.2 地理来源和生态环境对野生小豆遗传组成的影响
小豆属于短日照植物 , 大多数材料对光周期反应比
较敏感 , 这可能是来自不同地域的野生小豆资源的遗传
组成差异的原因之一。王述民等[17]、宗绪晓等[13,18]和粟
生群等[19]利用 AFLP 分子标记分析小豆资源的遗传多样
性中均表明了这一观点 ; 徐宁等 [21]和王丽侠等 [24]利用
SSR 标记分析栽培小豆种质的遗传多样性时也有同样发
现。本研究在对国内不同来源地的野生小豆资源的多样性
分析中发现, 野生小豆材料具有大量特异等位变异, 且不
同地理来源间明显单独分群。由于野生小豆不像栽培小豆
那样可能经过杂交或地域间的交流 , 因此更能够说明地
理来源和生态环境对小豆的遗传组成具有较大影响 , 野
生小豆的遗传组成与其地理来源有明显关系。
3.3 种间遗传关系分析
根据 Siriwardhane等[9]和Tomooka等[26]和我们前期的
杂交验证(数据未发表), 小豆与野生小豆、Vigna minima、
Vigna nakashimae、Vigna riukiuensis间均可以正常杂交结
实, 且 Vigna minima、Vigna nakashimae、Vigna riukiuensis
还可以作为小豆与饭豆间的桥梁亲本 , 用于小豆与饭豆
间遗传物质的融合。这表明小豆与这些种质之间具有较近
的遗传关系。从本研究的聚类结果看栽培小豆与野生小豆
的亲缘关系最近, 其次是 Vigna minima 和 Vigna naka-
shimae, 与 Vigna riukiuensis的亲缘关系最远。
3.4 SSR标记分析可以指导野生小豆资源的搜集和保存
从聚类结果来看本研究中有一部分相同地理来源的
材料遗传相似度较大, 利用 28对 SSR引物无法将其区分
开。如 TJJX-WA01 与 TJJX-WA02 间、TJJX-WA03 与
TJJX-WA05间、TJJX-WA09与 TJJX-WA10间、TJJX-WA24
与 TJJX-WA28 间、LNDL-WA02 和 LNDL-WA03 间、
LNDL-WA10和 LNDL-WA11间。这种现象一方面可能由
于我们采用的 SSR 标记的数目或多态性不足, 另一方面
也可能由于我们在野生小豆资源收集过程中存在少量的
重复取样。此外, 也可以看出我们在搜集中获得了一些遗
传特异材料, 如辽宁的野生小豆 LNDL-WA05, 天津蓟县
的野生小豆 TJJX-WA023, 在以后的保存中可以根据此分
析结果去除冗余的材料。

致谢: 感谢唐山市农业科学院刘振兴研究员和辽宁省农
业科学院葛维德研究员等人在野生资源搜集过程中提供
的帮助。感谢王丽侠博士在数据分析中提供的指导。
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