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Polymorphism analysis of endangered Notopterygium incisum and endemic species based on cpDNA trnT-trnL sequences

羌活不同地理种群cpDNA trnT-trnL多态性分析



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 22 期 2015 年 11 月

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• 药材与资源 •
羌活不同地理种群 cpDNA trnT-trnL 多态性分析
杨路存 1, 2,刘何春 1, 3,周学丽 4,徐文华 1, 2,周国英 1, 2*
1. 中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁 810008
2. 中国科学院藏药研究重点实验室,青海 西宁 810008
3. 中国科学院大学,北京 100049
4. 青海省铁卜加草原改良试验站,青海 共和 813000
摘 要:目的 对 245 份不同产地羌活 Notopterygium incisum 样品的遗传多样性和遗传结构进行研究。方法 采用叶绿体 cpDNA
trnT-trnL 直接测序的方法和邻接法(NJ)对 245 份羌活样品进行遗传多样性和遗传结构分析。结果 物种水平上单倍型多样性(Hd)
指数为 0.873,核苷酸多样性(Pi)指数为 0.004 07;种群水平上 Hd 介于 0~0.900,Pi 指数介于 0~0.054 4,与同属的宽叶羌活
Notopterygium franchetii 相比,遗传多样性水平居中;分子方差分析表明,羌活大部分遗传变异(77.55%)发生在居群间,
居群间的基因流(Nm=0.145)较低,群体间变异是羌活的主要变异来源;NJ 树表明,受试的 31 个野生种群可分为 2 大类
群。结论 羌活的遗传多样性处于中等水平,居群间遗传分化较大。
关键词:羌活;cpDNA trnT-trnL;遗传多样性;遗传结构;种群
中图分类号:R282.12 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2015)22 - 3390 - 06
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2015.22.018
Polymorphism analysis of endangered Notopterygium incisum and endemic
species based on cpDNA trnT-trnL sequences
YANG Lu-cun1, 2, LIU He-chun1, 3, ZHOU Xue-li4, XU Wen-hua1, 2, ZHOU Guo-ying1, 2
1. Northwest Institute of Plateau Biology, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China
2. Key Laboratory of Tibetan Medicine Research, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, China
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4. Tiebujia Grassland Improvement Experiment Station, Gonghe 813000, China
Abstract: Objective To analyze the genetic diversity and genetic structure of 245 plant samples in Notopterygium incisum from
different regions. Methods Genetic diversity and genetic structure of 245 samples of N. incisum were studied using chloroplast
cpDNA trnT-trnL direct sequencing method and Neighbor-joining (NJ) method. Results Haplotype diversity (Hd) and nucleotide
diversity (Pi) at the species level were 0.873 and 0.004 07, respectively. At the population level, Hd ranged with 0.000—0.900, and Pi
ranged with 0.000—0.054 4. It indicated that N. incisum had a moderate level of genetic diversity than N. franchetii plants of the genus
Notopterygium Boiss. Molecular variance analysis (AMOVA) indicated that high genetic differentiation (77.55%) existed among
populations, and gene flow was low (Nm = 0.145) among populations. Based on the NJ tree, the 31 wild populations tested were
clustered into two groups. Conclusion N. incisum has the midium cpDNA diversity and higher population genetic differentiation.
Key words: Notopterygium incisum Ting ex H. T. Chang; cpDNA trnT-trnL; genetic diversity; genetic structure; population

遗传多样性是生物种内表现在从 DNA 分子到
形态特征各个层次上可遗传所有变异的总称,是濒
危植物保护生物学研究的核心之一。一个种群遗传
多样性越丰富,对环境的适应能力就越强,越容易
扩展其分布范围和开拓新的环境。可见物种或种群
进化潜力和适应环境的能力取决于遗传多样性的大
小。对濒危物种遗传多样性和群体遗传结构的研究
是揭示其适应潜力的基础,为进一步探讨濒危物种

收稿日期:2015-04-21
基金项目:青海省青年基金项目:珍稀濒危药用植物羌活的濒危机制研究(2013-Z-942Q)
作者简介:杨路存(1981—),女,博士,助理研究员,主要从事药用植物分子生态学研究工作。E-mail: yanglucun@nwipb.cas.cn
*通信作者 周国英,博士,研究员,主要从事青藏高原药用植物资源与植被恢复的研究工作。E-mail: zhougy@nwipb.cas.cn
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 46 卷 第 22 期 2015 年 11 月

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的濒危机制和制定相应的保护措施提供科学依据[1]。
羌活 Notopterygium incisum Ting ex H. T. Chang
是我国特有的羌活属的多年生草本植物[2-3],与同
属的宽叶羌活 N. franchetii H. de Boiss. 同为药材
羌活的基原植物,以根茎及根入药[4],主要分布
在四川、青海、甘肃等省的高寒山区[5-6]。羌活是
中、藏、羌医药体系中常用药材,主要含挥发油
和香豆素类成分;具散寒祛风、除湿止痛之功效,
用于风寒感冒头痛、风湿麻痹、肩背酸痛等症[7]。
现代药理研究表明其对心脑血管疾病也有确切疗
效。目前,用羌活的中(藏)成药有 200 余种,
用药需求量非常大。羌活多生长于海拔较高的地
方,垂直分布范围在海拔 1 700~5 000 m,其种子
发育期较短,成熟度低,种群更新困难[6]。此外,
由于资源短缺使得羌活药材价格逐渐攀升,使羌活
遭受掠夺性采挖,该药用植物的生境片段化严重,
生物多样性丧失以及资源利用的无序性和破坏性造
成其野生资源濒临灭绝,1987 年即被国务院颁布的
《中国野生药材资源保护管理条例》列为 III 级保护
物种,2005 年又载入《中国物种红色名录》[8]。目
前,羌活植物化学[9-10]、药理[11]、地理分布[12]、分
类学[2-3]、环境土壤学[13]、核型和驯化栽培[14-15]等方
面的研究比较多,但从 DNA 分子水平上对羌活群
体遗传结构、遗传分化及多样性等方面的研究较
少[16],唐学芳等[17]用 RAPD 标记研究了四川西部 4
个居群 33 株羌活的遗传分化,但由于其样品数量有
限还不能反映羌活群体遗传状况全貌,需要更多的
分子生物学标记研究结果给以补充。
由于叶绿体 DNA(cpDNA)trnT-trnL 间隔区
属于 cpDNA 非编码区,在植物中具有稳定性,经
常被用来分析植物的种群遗传变异和系统地理学问
题。另外,技术上选择 DNA 测序的方法还可以避
免在利用限制片段长度多态性(RFLP)和基于 PCR
的指纹图谱法时经常遇到的长度同塑性(length
homoplasy)问题,从而提高估算种群遗传结构和基
因流的分辨率[18]。本研究利用 cpDNA 为分子标记,
对羌活 31 个种群的遗传多样性和遗传结构进行分
析,旨在了解羌活现存种群的遗传变异水平,阐述
种群遗传信息对物种保护的重要意义,为保护植物
遗传资源提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
本实验选取的 31 个居群为 2014 年 6 月至 9 月
分别采自青海、四川和甘肃 3 省区,基本包括了我
国羌活主要产区(表 1)。采样时每个居群选取成年
植株 4~17 株,根据随机取样原则,取样的羌活株
距在 50 m 以上。野外采集新鲜、完整的植物幼嫩叶
片,置于盛有硅胶的塑胶袋中干燥保存。供试材料
由中国科学院西北高原生物研究所周国英研究员鉴
定为羌活 Notopterygium incisum Ting ex H. T. Chang,
凭证标本存放于中国科学院西北高原生物研究所。
1.2 方法
1.2.1 基因组 DNA 的提取与检测 依据改良的
CTAB 法从硅胶干燥的叶片中提取总 DNA。通过测
定紫外光吸收值来确定 DNA 浓度和纯度。利用
0.8%琼脂糖凝胶电泳检查 DNA 完整性。
1.2.2 PCR 扩增与 DNA 测序 对 cpDNA 的
trnT-trnL 片段进行扩增,使用通用引物 trnT:
5’-CATTACAAATGCGATGCTCT-3’ 和 trnL :
5’-TCTACCGATTTCGCCATATC-3’;扩增反应在
Eppendorf Mastercycler Gradient PCR 仪上进行,反
应体系为 25 μL,内含 25 mmol/L MgCl2 2 μL、2.5
mmol/L dNTPs 2 μL、10 μmol/L 引物各 0.6 μL、25
ng 模板、10×缓冲液 2.5 μL 和 1 U Taq DNA 聚合
酶(TaKaRa)。扩增程序为:95 ℃预变性 2 min,
94 ℃变性 30 s,53 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1 min 45
s,共 5 个循环,每个循环退火温度降 1 ℃;94 ℃
预变性 30 s,48 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1 min 45 s,
共 30 个循环;72 ℃延伸 7 min,16 ℃保温。将 PCR
扩增产物经电泳检测纯化后由上海美吉生物医药科
技有限公司测序。
1.3 数据分析
用 Clustal X 软件进行序列对位排列,并加以手
工适当校正。在所有序列校对正确后,用 DnaSP4.0
程序统计 cpDNA 单倍型,计算各居群的核苷酸多
样性(Pi)、单倍型多样性(Hd)、居群间基因流值
(Nm)。居群内和居群间的基因流用每代雌性个体迁
移数(FST)估计,该值可由公式 FST=1/(1+2 Nm)
求出,其中 N 是有效居群大小雌性数目,m 是雌性
迁移率。选用 Arlequin 软件进行分子方差分析
(AMOVA),计算居群内、居群间的变异方差分布。
用 MEGA4.1 软件进行核苷酸组成分析,采用
Kitmura-2-Parameter distance 双参数模型(Kimura,
1980)计算遗传距离,并用邻接(Neighbour-Joining,
NJ)法,通过 1 000 次重复获得的自展检验
(bootstrap)数值标记在分支上。
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表 1 31 个羌活居群的经度、纬度、海拔及 Hd 和 Pi
Table 1 Longitude, latitude, altitude, cpDNA Hd, and Pi averaged across loci of 31 N. incisum populations
居群编号 居群 纬度 经度 海拔/m 样本数 Hd Pi
Q1 青海乐都 36°42.172′ 102°23.540′ 2 935 8 0.464 0.035 000
Q2 青海互助 36°55.614′ 102°22.505′ 2 735 7 0 0
Q3 青海门源 37°22.352′ 102°0.819′ 3 216 10 0 0
Q4 青海祁连 38°7.357′ 100°11.542′ 3 337 7 0.286 0.000 353
Q5 青海兴海 35°50.889′ 99°355.540′ 3 635 6 0 0
Q6 青海河南 34°35.958′ 101°16.862′ 3 525 9 0.417 0.001 370
Q7 青海玛沁 34°36.397′ 100°12.904′ 4 012 7 0 0
Q8 青海班玛 32°44.374′ 100°46.057′ 3 600 4 0.500 0.008 190
Q9 青海久治 33°22.069′ 101°19.120′ 4 013 10 0 0
Q10 青海达日 33°45.349′ 99°33.707′ 4 012 8 0 0
Q11 青海玉树 33°2.882′ 96°51.258′ 4 002 4 0.833 0.024 000
Q12 青海称多 33°8.019′ 97°27.944′ 4 401 17 0.228 0.000 437
Q13 青海囊谦 32°15.517′ 96°55.072′ 3 668 8 0 0
G2 甘肃民乐 38°5.480′ 100°55.682′ 3 408 12 0.455 0.001 030
G3 甘肃山丹 34°37.371′ 101°26.413′ 2 765 10 0 0
G4 甘肃榆中 35°43.819′ 104°1.817′ 2 958 10 0.511 0.050 600
G5 甘肃合作 35°13.512′ 103°4.558′ 3 164 7 0 0
G6 甘肃卓尼 34°35.910′ 103°5.052′ 3 025 6 0 0
G7 甘肃临潭 34°54.291′ 103°41.403′ 2 946 4 0 0
G8 甘肃玛曲 34°6.031′ 101°53.329′ 3 683 4 0.500 0.006 130
G9 甘肃碌曲 34°32.617′ 102°31.825′ 3 683 8 0.464 0.039 000
S1 四川若尔盖 33°18.639′ 103°13.639′ 3 757 4 0.000 0
S2 四川红原 32°25.875′ 102°37.618′ 3 963 5 0.900 0.033 100
S3 四川阿坝 32°55.346′ 101°34.190′ 3 493 8 0.250 0.001 470
S4 四川马尔康 31°47.110′ 102°13.079′ 3 693 4 0.667 0.054 400
S5 四川金川 31°27.889′ 101°47.973′ 3 808 15 0.533 0.038 900
S6 四川道孚 31°0.495′ 101°0.440′ 3 846 7 0.714 0.028 700
S7 四川甘孜 31°31.170′ 99°58.579′ 3 886 13 0.641 0.025 200
S8 四川炉霍 31°36.030′ 100°42.474′ 3 445 9 0.222 0.006 420
S9 四川丹巴 30°38.237′ 101°38.108′′ 3 844 7 0 0
S10 四川小金 31°31.399 102°22.572′ 3 654 7 0.286 0.000 720
合计 245 0.873 0.004 070

2 结果与分析
2.1 序列变异
对羌活 31 自然居群 245 个个体的 cpDNA
trnT-trnT 基因间片段进行了测序和比对。序列长
度在 753~847 bp,排序后长 915 bp。合并相同的
序列共得到 38 个单倍型(H1~H38),单倍型序
列注册于 GenBank 数据库中。通过统计这一片段
所有个体的序列发现,碱基 A 与 T 在整个序列中
所占比例为 72.72%,这与大多数叶绿体 DNA 基
因间区碱基组成成分相符[19-20]。
2.2 遗传多样性
种群遗传多样性参数统计表明(表 1),在物种
水平上,羌活 Hd=0.873,Pi=0.004 07;在居群水
平上 Hd的变化范围为 0~0.900,Pi变化范围为 0~
0.054 4;其中四川红原居群的 Hd 最高(0.900),四
川马尔康居群的 Pi 最高(0.054 4),而青海互助居
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群、青海门源居群、青海兴海居群、青海玛沁居群、
青海久治居群、青海达日居群、青海囊谦居群、甘
肃山丹居群、甘肃合作居群、甘肃卓尼居群、甘肃
临潭居群、四川若尔盖居群、四川丹巴居群这些居
群中的每一个居群都是由相同的序列组成,因此其
Hd 和 Pi 都最低。
2.3 居群的遗传结构
基于羌活 cpDNA trnT-trnL 非编码区序列变异
的 AMOVA 分析表明,羌活大部分的遗传变异发生
在居群间(77.55%),只有 22.45%的遗传变异发生
在居群内,居群间的遗传分化大于居群内的分化,
说明群体间变异是羌活的主要变异来源。由 FST 估
算的居群间的 Nm为 0.145,表明羌活各居群间的基
因流较低。
2.4 居群间的系统发育关系
根据不同单倍型之间的遗传距离,以伞形科
(Umbelliferae)的 Rhodosciadium argutum (Wall. ex
Hook.) Ching(登录号 JQ304919)为外类群,构建羌
活 38 个不同单倍型的 NJ 分子系统树(图 1),NJ 树
上各分支上的数字代表1 000次Bootstrap统计分析后
对该支的支持百分比(即置信度)。NJ 树聚为 3 大分
支:Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、G5、G6、G7、S2、
S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9 聚为一支,而 Q1、Q2、
Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、G2、G3、G4、G8、G9、S1、
S6、S9 聚为另一支,外类群的为第 3 支。由图 1 可见,
S1 居群(四川若尔盖)与同一个地理区域的群体(S2~
S10)并未聚成一支,且 S6、S9 等多个居群由于单倍
型的共享在聚类时出现交叉重叠。
3 讨论
3.1 羌活的遗传多样性
普遍认为稀有的或分布区狭窄的物种遗传多样
性水平偏低[21-23],但近年来也有研究报道显示有些
特有种、狭域种甚至濒危种也能保持较高水平的遗
传多样性[24-25]。本实验通过对濒危植物羌活 31 个自
然居群的叶绿体 DNA(cpDNA)trnT-trnL 分析得
到其物种水平的 Hd、Pi 分别为 0.873 和 0.004 07,
表明羌活物种水平上的遗传多样性相对较高。与同
属的宽叶羌活[26]相比,其物种水平的遗传多样性稍
低于宽叶羌活(Hd=0.750 3,Pi=0.007 111)。但
其遗传多样性又略高于其他濒危物种[27-29],说明羌
活的遗传多样性处于中等水平。
遗传变异水平受多方面因素影响,诸如生活型、
繁殖方式、基因流、遗传漂变及自然选择和人为干

图 1 羌活 cpDNA trnT-trnL 单倍型 NJ 树
Fig. 1 NJ tree based on cpDNA trnT-trnL haplotypes of N. incisum
扰等。羌活的遗传多样性处于中等水平,可能与生
境的严重片段化以及本身的生长特性有关。羌活是
多年生草本,其分布范围相对较广,属异花授粉植
物,有利于维持较高的遗传多样性水平。但是近几
年来,由于资源短缺使得羌活药材价格逐渐攀升,
使羌活遭受掠夺性采挖,羌活在人为的破坏中经历
了严重的瓶颈效应,居群的大量减少及各居群间相
互孤立,个体数量稀少的居群内容易发生近交,增
加纯合度,造成居群内的遗传多样性的减少。虽然
珍稀濒危物种一般表现出低水平的遗传变异,但遗
传变异水平的高低并不一定与濒危相关,濒危的结
果之一是遗传多样性水平下降,低水平的遗传多样
性使物种更加濒危。羌活在遗传多样性上没有表现
出濒危特性,需要加强其生物学特点、生殖生态、
传粉生态等方面的研究,以便揭示濒危的机制。
3.2 羌活的遗传结构
一个物种或群体的进化潜力,在很大程度上取
H4(Q12)
H11(Q12,Q10,S2,S6)
H31(Q11)
H38(S7)
H14(S2,S7)
H26(Q11)
H6(Q11,Q12,Q13)
H20(S7)
H16(G5,G7,S6,S9)
H24(S7)
H32(S8)
H19(S2)
H27(S7)
H3(S3)
H12(S3)
H5(Q12)
H13(S7)
H21(S2)
H37(S4,S6)
H18(S4)
H36(Q8)
H9(Q8,G4,S8,S9)
H10(Q8)
H28(G8)
H8(Q7,G8,G9)
H30(S6)
H2(S1,S6,S9)
H15(G4)
H34(G4)
H17(G9)
H35(G9)
H25(G2)
H23(G2)
H1(Q1,Q2,Q3,Q6,G3)
H7(Q4)
H29(Q5)
H22(G2)
H33(Q6)
外类群
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决于它的居群遗传结构[30]。而物种的遗传结构是指
该物种遗传多样性在种群内和种群间的分布,即遗
传分化。一般情况下,对于濒危物种来说,居群间
的遗传变异相对较大,分化明显,如中国疵粒野生
稻[31]、银杉[32]、宽叶羌活[26]、独一味[33]等。本研究
中AMOVA数据表明羌活的遗传变异主要分布在居
群间(77.55%),也显示了相似的结果。植物种群
遗传结构一般解释为交配系统、种子传播方式、生
活史、分布区大小等因素综合作用的结果。与
Nybom[34]对116种植物种群遗传分化系数统计分析的
平均值比较,羌活野生种群遗传分化系数(0.775 5)
高于自交系统植物(0.65),这与羌活异花授粉的特
征不符,可能是与青藏高原独特的地形和气候有关。
在青藏高原内部千山万壑、峡谷纵横,而羌活主要
分布于青藏高原的高山林缘下和灌丛中,青藏高原
独特而复杂的地形通过阻断种子或花粉的传播来阻
止居群间的交流,居群间有限的 Nm(0.145)进一
步证明了这一点。因此,青藏高原地区的地理格局
可能导致了羌活居群的隔离,加大了居群间的遗传
分化。对大钟花 Megacodon stylophorus (C. B.
Clarke) H. Smith [35]、大花红景天 Rhodiola crenulata
(Hook. f. & Thomson) H. Ohba [36] 、 独 一 味
Lamiophlomis rotat (Benth. ex Hook. f.) Kudo [32]青
藏高原植物居群的遗传多样性及遗传分化研究也
表明,分布地区内复杂的地理条件,往往是导致
居群隔离,促进居群间遗传分化的原因。此外,
作为传统的藏药,近年来的人为过度采挖,加上
人类活动对自然生境的破坏,导致羌活生境的破
碎化,阻断了居群间的基因交流,进一步加剧了
居群的遗传分化。
3.3 羌活的保护
探讨物种濒危机制是当前生物多样性研究的热
点之一,也是保护生物学的核心工作。本研究表明,
尽管羌活物种和种群都维持中等水平的遗传变异,
但由于残存的羌活野生种群很小、片段化分布、种
群内个体散生等种群特征,会产生遗传漂变和近交
衰退的遗传后果,将可能导致遗传多样性降低、有
害等位基因积累和适合度降低,最终使物种面临更
高的灭绝风险,因此,开展羌活遗传资源保护工作
迫在眉睫。基于本研究结果,羌活物种水平上具较
中等的遗传多样性,且主要存在于居群间,居群分
化明显,提出以下 4 点保护策略:(1)保护好其赖
以生存的生境;(2)保护尽可能多的居群和个体;
(3)可以在 9 月中下旬人工采集部分成熟种子撒播
到其他居群中,以便加强居群间的基因流动;(4)
在迁地保护采样过程中,在各个居群内可以少取样,
但要在尽可能多的居群中取样,以便提高栽培居群
的遗传多样性。
本研究是基于叶绿体 DNA(cpDNA)trnT-trnL
序列来研究羌活种群遗传多样性与遗传结构,以期
探讨其濒危机制。虽然叶绿体基因能反映基因多态
性及基因流动大小等种群遗传学参数,也能反映羌
活种群叶绿体的变异模式,但由于单基因片段所能
反映的遗传多样性有限,因此,建议进一步开展多
基因联合和核基因组 ISSR、RAPD、AFLP 等标记
来检测羌活的遗传多样性和遗传结构,并结合生殖
生态学、生殖解剖学研究,以期获得更多、更可靠
的羌活种群遗传多样性及其濒危信息,为科学制定
羌活遗传资源保护策略提供更全面的理论依据。
参考文献
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