全 文 :多叶重楼遗传多样性的 ISSR 分析 ?
何 俊1 , 2 , 杨柏云1 , 陈少风1 , 高连明2 , 王 红2
??
(1 南昌大学生命科学学院 , 江西 南昌 330047; 2 中国科学院昆明植物研究所
生物多样性与生物地理学重点实验室 , 云南 昆明 650204 )
摘要 : 采用 ISSR 分子标记对多叶重楼种下 3 个变种的 8 个居群共 208 份样品的遗传多样性进行了分析。 l4
条引物共检测到 251 个清晰的扩增位点 , 其中多态位点 235 个。在物种水平上 , 多态位点百分率 (PPB)
达 93 .63% , Nei′s基因多样性指数 ( HE ) 为 0.2204、Shannon′s信息指数 ( HO ) 为 0 .3532。在居群水平上 ,
多态位点百分率 (PPB) 为 50 .45% , Nei′s基因多样性指数 ( HE ) 为 0 .1405 , Shannon′s信息指数 ( HO ) 为
0 .2194 , 这些均表明多叶重楼的遗传多样性水平较高。此外 , 还用 NTSYS 软件对样品进行了 UPGMA 聚类
分析 , 结果显示滇重楼的 6 个居群聚为一支 , 滇重楼与狭叶重楼有较近的亲缘关系 , 而与长药隔重楼之间
的遗传分化较大。本研究提出了合理保护重楼植物资源的若干措施 , 为进一步开展滇重楼优质种质引种驯
化 , 实现种质资源多样性的合理保护和可持续利用提供参考。
关键词 : 多叶重楼 ; ISSR; 遗传多样性
中图分类号 : Q 943 , Q 949 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2007 ) 04 - 388 - 05
Assessment of Genetic Diversity of Paris polyphylla
(Trilliaceae) by ISSR Markers
HE Jun
1 , 2
, YANG Bai-Yun
1
, CHEN Shao-Feng
1
, GAO Lian-Ming
2
, WANG Hong
2 * *
(1 Colleageof LifeScience, Nanchang university, Nanchang 330047 , China; 2 Laboratory of biodiversity and biogeography,
Kunming Instituteof Botany, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650204 , China)
Abstract : Some species of the genus Paris are of high medicinal value . Severe humanactivities particularly over-harvest-
ing have ledtorecent declines of their population size and fragmented habitat patches . Inter-simple sequence repeat mark-
ers ( ISSR) were applied to investigate thegenetic diversity of eight populations of Paris polyphylla in Yunnan and Sichuan
Provinces . Fourteen primers resulted to a total of 251 bands from the eight populations, of which 235 were polymorphic,
which showes a high level of genetic diversity in thisspecies . A relativelyhigh level of genetic diversitywas revealed: PPB
= 93 .63% , HE = 0 .2204 and HO = 0.3532 at the species level; PPB = 50 .45% , HE = 0 .1405 and HO = 0 .2194 at the
population level . The GST = 0 .3625 indicated a high degree of genetic differentiationamong populations . Genetic variation
occurred mainlywithin populations . In UPGMA cluster analysis the six populations of P . polyphylla var. yunnanensiswere
divided into two clades, and P . polyphylla var. yunnanensis is more related to P . polyphylla var. stenophylla than to
P . polyphylla var. pseudothibetica . In this paper, some conservation concerns were discussed which would be helpful for
the conservation and sustainable utilization of this medicine resources .
Key words: Paris polyphylla; ISSR; Genetic diversity
云 南 植 物 研 究 2007 , 29 (4) : 388~392
Acta Botanica Yunnanica
?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence; E-mail : wanghong@ mail .kib. ac. cn
收稿日期 : 2006 - 10 - 09 , 2007 - 03 - 13 接受发表
作者简介 : 何俊 ( 1982 - ) 男 , 硕士研究生 , 主要从事植物系统与进化和植物资源研究。 ?
基金项目 : 云南省天然药物化学重点实验室开放基金项目和国家自然科学基金 (30670160 ) 资助
多叶重楼 ( Paris polyphylla Smith) 为延龄草
科 ( Trilliaceae) 重楼 属 ( Paris L .) 侧 膜亚 属
(subgen. Daiswa ( Raf .) H . Li ) 蚤休组 (sect. E-
uthyra Franch .) 植物 , 下分 8 个变种和 2 个变型
(李恒 , 1998 )。多叶重楼是侧膜亚属中分布最
广 , 外部形态多样化程度最高的物种。此外 , 多
叶重楼种内植物的染色体主要以二倍体为主 , 兼
有四倍体。作为多叶重楼种下变种的 滇重楼
( P . polyphylla var. yunnanensis Hand .-Mazz .) , 不
同居 群 的 核 型 也 有 所 不 同 , 而 狭 叶 重 楼
( P . polyphylla var. stenophylla Franch .) 是多叶重
楼中分布最广 , 生态幅度最大的一个变种 ( 李
恒 , 1998 )。由于其化学成分复杂 , 药理活性强 ,
临床应用范围广 , 其根茎长期以来就被作为多种
中成药和新药的主要原材料 ( 张金渝等 , 2004 )。
然而 , 由于人为过度地采挖 , 目前重楼野生资源
已遭到不同程度的破坏 , 生境片段化较为严重。
一些学者利用 RAPD 分子标记对重楼属植物遗传
多样性进行了研究 ( 唐荣华等 , 2003; 张金渝
等 , 2004) 。本文利用 ISSR 分子标记分析了多叶
重楼 3 个变种 8 个居群的遗传多样性水平和遗传
结构 , 将对进一步保护和合理利用重楼属植物提
供理论指导。
1 材料与方法
1 .1 实验材料
实验材料来自 8 个居群 , 除 HL 居群取自四川外 , 其
余各居群均来自云南境内。其中滇重楼有 6 个居群 , 狭叶
重楼和长药隔重楼 ( P . polyphylla var. pseudothibetica H . Li)
各 1 个居群。各居群的取样位置和采样个体数分别见图 1
和表 1。新鲜叶片用硅胶干燥后于 4℃储存备用。
1 .2 DNA 的提取与 PCR 的扩增
采用改良的 CTAB 法 (Doyle, 1991) 提 取 总 DNA。
用紫外分光光度计测定 260 nm和 280 nm下的光密度值
(OD值 ) , 然后根据 Ausubel 等 ( 1995 ) 的方法确定总
DNA 的浓度和质量 , 将样品浓度稀释至 50 ng?μL 用于
PCR 反应。
PCR 反应体系 ( 25μL ) : ddH2 O 16.5 μL , 10× PCR
buffer ( Mg2+ Plus) 2 .5 μL , MgCl2 ( 25 mmol?L ) 1 . 8 μL ,
dNTPs (2. 5 mmol?L) 1 .2μL , Formamide 0 .5μL , Tag酶 (5
u?μL) 0 . 2μL , 引物 (10μmol?L) 1. 3μL , 模板 DNA (50 ng?
μL) 1 . 0μL。扩增程序 : 95℃预变性 5 min, 1 循环 ; 94℃
变性 40 s, 52℃退火 45 s, 72℃延伸 90 s。40 循环 ; 循环
结束后 72℃延伸 7 min。扩增产物在 1 .5%的琼脂糖凝胶
电泳用 GeneRulerTM 100 bp DNA Ladder plus作为分子量对
照 , EB 染色 , 1×TBE 缓冲液和 4 V?cm电压电泳分离 ,
用 BIO-RAD公司 2000 型凝胶电泳图象分析系统照相。
1 .3 数据统计与分析
对 ISSR 电泳凝胶图进行人工读带 , 同一引物扩增产
物按电泳中迁移率一致的条带被认为具有同源性 , 按相
同迁移位上扩增阳性记为 1 和扩增阴性记为 0 的格式产
生二态数据矩阵 , 输入计算机得到 ISSR 表型数据矩阵。
采用 POPGENE1 .31 软件 (Yeh等 , 1997) 计算各居群的
图 1 取样分布图 ( 居群代号同表 1)
Fig . 1 Map showing locations of the sampled populations
表 1 各居群的样品来源
Table 1 Source of each population of Paris in this study
物种 Species
居群代号
Population No .
分布地
Population locality
采样数
Sample number
海拔
Altitude ( m)
P ?. polyphylla var. yunnanensis HL 四川会理 24 1800
P ?. polyphylla var. yunnanensis LP 云南罗平 24 1800
P ?. polyphylla var. yunnanensis GD 昆明果东 27 2000
P ?. polyphylla var. yunnanensis DX 栽培于武定 ( 引种自丽江 ) 28 2550
P ?. polyphylla var. yunnanensis DZ2 栽培于武定 ( 引种自武定 ) 25 2550
P ?. polyphylla var. yunnanensis DZ4 栽培于武定 ( 引种自大理 ) 25 2550
P ?. polyphylla var. stenophylla QJ 云南巧家药山 29 2660
P ?. polyphylla var. pseudothibetica LDP 云南维西 26 2600
9834 期 何 俊等 : 多叶重楼遗传多样性的 ISSR 分析
多态位点百分率 ( PPB)、Nei′s (Nei, 1973) 基因多样性
( HE )、Shannon′s指数 ( HO ) ( HO = - Σpi log2 pi , pi 为居
群中第 i 个等位基因的频率 ) (Lewontin, 1972)、等位基因
数 (Na)、有效等位基因数 (Ne)、基因分化系数 ( GST )、
基因流 ( Nm ) (Slatkin and Borton, 1989) ; 同时分别根据
Shannon′s指数 ( HO ) 在物种水平的基因多样性 (Hsp ) 和
居群水平的基因多样性 (Hpop ) , 利用 ( ( Hsp -Hpop )/ Hsp )
来估测居群间的遗传变异。用 WINAMOVA 1.55 ( Excoffier
等 , 1992) 软件分析遗传变异在居群间与居群内的分布 ,
居群间的遗传分化 ; 用 NTSYSpc 2 .1 ( Rohlf, 2000 ) 计算
个体间的 Nei 相似性系数 (Nei and Li , 1979 ) , 并对个体
进行聚类分析。
2 实验结果
2 .1 遗传多样性
从 100 条引物中筛选出 14 条扩增产物条带
清晰、稳定性和重复性好的引物用于 8 个居群共
208 份样品的 PCR 扩增 (表 2) 。每个引物产生 13
~22 条 , 长度在 380~2 000 bp之间。14 条引物
共检测到 251 个位点 , 其中多态位点 235 个。在
物种 水 平 上 , 多 态 位 点 百 分 率 ( PPB ) 达
93 .63% , Nei′s基因多样性指数 ( HE ) 为 0 .2204、
Shannon′s信息指数 ( HO ) 为 0 .3532; 在居群水
平上 , 多态位点百分率 ( PPB) 为 50 .45% , Nei′s
基因多样性指数 ( HE ) 为 0 .1405 , Shannon′s 信
息指数 ( HO ) 为 0 .2194 (表 3)。
2 .2 居群遗传变异分析
POPGENE 的分析结果表明 , 多叶重楼各居
群间存在较大的遗传分化 , 居群间遗传分化系数
( GST ) 仅为 0 .3625 , 表明居群间的遗传变异占总
的遗传变异的 36 .25% , 遗传变异主要存在于居
群内。而根据遗传多样性水平在物种水平的基因
多样性 ( Hsp ) 和居群水平的基因多样性 ( Hpop )
的分化 , 各居群间的 Shannon′s 居群分化系数
( (Hsp -Hpop )/ Hsp ) = 0 .3788 , 说明有 37 .88% 的遗
传变异存在于居群间。用WINAMOVA 1 .55 软件对
遗传变异在居群间与居群内的分布进行分析的结
果显示 , 居群间 的遗传 变异 占 41.43% ( P <
0.0002) , 居群内的遗传变异占 58 .57% (表 4)。这
3 种方法计算的结果相似 , 均表明多叶重楼各居群
之间有较高的遗传分化 , 但遗传变异主要存在于
居群内。居群 间基 因流 ( Nm) 为 0 .8792 , 表明
居群间基因交流较大。
表 2 筛选到的 14 个 ISSR 引物序列
Table 2 List of 14 ISSR primers and their sequences
引物
Primer
序列
Sequence5 ?′-3′
引物
Primer
序列
Sequence5 D′-3′
ISSR 1 }VHVG (TG) 7 ?UBC 818 /(CA )8 .G
ISSR 2 }BDB (TCC)5 ?UBC 825 /( AC)8 3T
ISSR 3 }HVH (TCC)5 ?UBC 826 /( AC) 8 0C
ISSR 4 }HVH (CA ) 7 ?T UBC 827 /(AC)8 .G
ISSR 8 }GGA ( GTG)4 ?UBC 840 /( GA )8 RG
ISSR 9 }CCC ( GT )6 ?UBC 855 /( AC)8 ?YT
UBC 813 ?(CT )8T UBC 866 /(CTC)5 [
表 3 8 个居群的遗传多样性 ( 括号中的值为标准差 )
Table 3 Genetic variation of the 8 populations of P . polyphylla ( Standard deviations in parenthesis)
居群
Population
等位基因数
Na
有效等位基因数
Ne
Nei′s 基因多样性
HE
Shannon′s 指数
HO
多态位点百分率
PPB ( % )
LP 1 . 5378 (0 0. 4996 ) 1 ]. 2551 (0 ?. 3327) 0 .1556 ( 0 .1829 ) 0 ?. 2403 (0 G. 2641) 53 . 78
GD 1 . 5976 (0 0. 4914 ) 1 ]. 2429 (0 ?. 2971) 0 .1563 ( 0 .1672 ) 0 ?. 2486 (0 G. 2447) 59 . 76
HL 1 . 4661 (0 0. 4998 ) 1 ]. 2134 (0 ?. 2774) 0 .1398 ( 0 .1830 ) 0 ?. 2145 (0 G. 2645) 46 . 61
DX 1 . 5697 (0 0. 4961 ) 1 ]. 2408 (0 ?. 3076) 0 .1522 ( 0 .1721 ) 0 ?. 2398 (0 G. 2513) 56 . 97
DZ2 ,1 . 5418 (0 0. 4992 ) 1 ]. 2330 (0 ?. 3366) 0 .1398 ( 0 .1613 ) 0 ?. 2234 (0 G. 2404) 54 . 18
DZ4 ,1 . 6056 (0 0. 4897 ) 1 ]. 2676 (0 ?. 3234) 0 .1668 ( 0 .1774 ) 0 ?. 2609 (0 G. 2563) 60 . 56
QJ 1 . 4223 (0 0. 4949 ) 1 ]. 1961 (0 ?. 3138) 0 .1194 ( 0 .1726 ) 0 ?. 1852 (0 G. 2512) 42 . 23
LDP 1 . 2948 (0 0. 4569 ) 1 ]. 1569 (0 ?. 2948) 0 .0939 ( 0 .1659 ) 0 ?. 1424 (0 G. 2425) 29 . 48
居群水平 Average 1 . 5044 (0 0. 4910 ) 1 ]. 2257 (0 ?. 3104) 0 .1405 ( 0 .1728 ) 0 ?. 2194 (0 G. 2519) 50 . 45
物种水平 Taxa 1 . 9363 (0 0. 2448 ) 1 ]. 3395 (0 ?. 2914) 0 .2204 ( 0 .1551 ) 0 ?. 3532 (0 G. 2123) 93 . 63
表 4 居群间与居群内的遗传变异
Table 4 Analysis of molecular variance (AMOVA ) among?within P . polyphylla
Sourceof variation d ?. f . Sum of squares Mean squares Variance component % of total variance P-Value
Among populations 7 P2965 e. 63 423 r. 66 15 ?. 46 41 . 43 < 0 .0002
Within population 200 u4372 e. 03 21 `. 86 21 ?. 86 58 . 57 < 0 .0002
093 云 南 植 物 研 究 29 卷
2 .3 聚类分析
利用 NTSYSpc 2 .1 软件根据个体间的遗传距
离 (Nei and Li , 1979 ) 对多叶重楼各居群进行
UPGMA 聚类分析 ( 图 2 )。滇重楼 6 个居群先聚
在一起 , 再与 QJ 居群聚为一大支 , 而 LDP 居群
与其他居群之间有较大分化 , 但各居群的所有个
体都各自聚在一起。
图 2 8 个居群的 (Nei & Li) 相似性系数 UPGMA 聚类图
( 居群代号同表 1)
Fig . 2 UPGMA dendrogram of the populations of P . polyphylla based
on Nei & Li coefficient ( Population codes are given in Table 1)
3 讨论
本研究利用 14 条 ISSR 引物从多叶重楼的 8
个居群共 208 份样品中分析得到 251 条条带 , 其
中多态带 235 条 , 多态位点百分率 ( PPB ) 为
93 .63% , 这个 结果与 张金渝 等 ( 2004 ) 利 用
RAPD 对多 叶重楼检 测到的多态 位点百分 率
(92 .05% ) 相当 , 这进一步证实了多叶重楼确实
具有很高的遗传多样性。本研究结果也同样表现
出了多叶重楼种下不同变种间遗传多样性水平的
差异 , 即长药隔重楼 (LDP) 的遗传多样性水平
最低 , 多态位点百分率 ( PPB ) 仅为 29 .48% ,
Nei′s基因多样性 ( HE ) 为 0 .0939 , Shannon′s 基
因多样性 ( HO ) 为 0 .1424; 狭叶重楼 (QJ ) 次
之 , 滇重楼的各居群遗传多样性水平皆较高。
在滇重楼的 6 个居群中 , 又以 DZ4 居群的遗
传多 样 性 水 平 最 高 ( PPB = 60.56% , HE =
0 .1668 , HO = 0 .2609) , 而 HL 居群最低 ( PPB =
46 .61% , HE = 0 .139 , HO = 0 .2145) , 其余 4 个
居群的遗传多样性水平介于这两者之间 , 这可能
与其所处的地理位置有一定的关系。DZ4 居群是
从云南西北部大理引种到滇中进行种植的 ; 而
HL 居群是取自四川会理的野生居群 , 该地处于
云南高原的边缘 , 与其它居群相比 , 该居群规模
更小、个体零星分布 , 居群个体之间可能已经存
在自交。此外 , 有研究发现 , 滇重楼不同居群间
的核型有不同程度的变异 , 例如 , 分布在云南的
彝良、寻甸和罗平的 3 个不同居群就出现了 3 种
不同的染色体结构式 (李恒 , 1998)。不同的居群
由于其不同的生境条件 , 可能受到各种环境因子
的影响以及种内自然杂交后染色体在重组时发生
了一些结构上的变异 , 而导致核型结构的变异形
成多种细胞型 , 这也是遗传多样性的表现。
植物居群的遗传结构和遗传多样性受其进化
历史和自然环境条件等众多因素的影响 , 如繁育
系统、种子的散布、地理范围以及自然选择等 ,
其中 繁 育 系 统 是 主 要 的 ( Hamrick and Godt,
1990) , 并且远交物种要比近交或克隆的物种具有
更高的遗传多样性 (Xie等 , 2005)。多叶重楼植
物是虫媒花 ( 李恒 , 1998 ) , 为远交物种 ( Sage
等 , 2001) , 因而具有较高的遗传多样性水平。
一般认为 , 狭域分布的物种往往遗传多样性较
低。多叶重楼广泛分布于我国多个省区 , 尤以西
南各省区为多 , 并且占据多种生境 , 表现出了较
高的遗传多样性 , 这与我们的分析结果相吻合。
在对居群进行遗传变异分析方面 , POPGENE
的分析结果显示居群间遗传分化系数 ( GST ) 为
0 .3625 , 而根据遗传多样性水平在物种水平的基
因多 样性 ( Hsp ) 和 居 群水 平 的 基 因 多 样 性
(Hpop ) 的分化 , 各居群间的分化系数 ( (Hsp-Hpop )?
Hsp ) = 0 .3788 , WINAMOVA 1 .55 软件分析的结
果显示 , 居群间的遗传变异占 41 .43% ( P <
0 .0002 )。所使用 3 种方法对居群遗传变异分析的
1934 期 何 俊等 : 多叶重楼遗传多样性的 ISSR 分析
结果虽然有所差异 , 但均表明多叶重楼各居群间
有较高的遗传分化 , 遗传变异主要存在于居群内。
因为多叶重楼植物具有重要药用价值 , 一直倍受
人们的关注。为了满足市场需求 , 长期的掠夺式
采挖已使其目前的生境严重片段化和异质化 , 野
外已经很难找到个体数量较大的居群和幼苗植株。
而生境片段化所带来的遗传漂变以及地理隔离造
成生态地理环境的差异 , 可能是多叶重楼各居群
间出现较高遗传分化的主要原因之一 (Frankham,
1995; Souframanien and Gopalakrishna, 2004)。
聚类分析的结果显示 ( 图 2) , 所研究的各居
群内个体各自聚在一起 , 这也是居群间存在一定
程度分化的反映。滇重楼 6 个居群聚为一大支 ,
其中引种栽培居群 (DZ4) 和 3 个野生居群 (LP,
GD和 HL ) 聚为一支; 两个引种栽培居群 ( DX
和 DZ2) 聚为一支 , 可以看出引种栽培居群和野
生居群之间的分化不是很明显。遗传距离分析显
示 , 狭叶重楼和滇重楼的遗传距离在 0 .0970 到
0 .1344 之间 , 长药隔重楼与滇重楼居群间的遗传
距离较远 , 在 0.1882 到 0 .2209 之间。故而在
UPGMA 聚类分析中 , 滇重楼各居群先与狭叶重
楼聚为一支 , 表明其与狭叶重楼有较近的亲缘关
系 , 而与长药隔重楼的遗传分化较大。
基于我们的实验分析结果 , 可以看出多叶重
楼具有较高的遗传多样性 , 而人为因素应该是直
接导致其目前植物居群和个体减少并成星散分布
的主要原因之一。为了合理地利用这些珍贵的中
药资源 , 采取适当而有效的保护措施已势在必
行。在保护植物多样性的过程中 , 栖息地的保护
被认为是最重要的 , 然而由于这些植物生长区域
比较广泛、多样 , 其居群内遗传变异也较高 , 因
此 , 我们建议可以从个体数量较多的居群中选择
植株进行迁地保护。
致谢 感谢本研究组张舒、李洪涛在野外和实验室工作
中给予的大力帮助。
〔参 考 文 献〕
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