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ISSR analysis of genetic diversity of Coptis deltoidea

药用三角叶黄连遗传多样性的ISSR分析



全 文 :·研究论文·
药用三角叶黄连遗传多样性的 ISSR分析
张春平1,何平1,胡世俊2,袁凤刚3,王瑞波1,高姗1
(1西南大学 生命科学学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室 重庆市三峡库区
植物生态与资源重点实验室,重庆 400715;
2中国科学院 昆明植物研究所,云南 昆明 650204;
3徐州医学院 生物化学与分子生物学研究中心,江苏 徐州 221002)
[摘要] 目的:对野生三角叶黄连进行遗传多样性研究。方法:通过ISSR技术对8个野生三角叶黄连居群共90个个体
进行遗传多样性分析。结果:用 12个随机引物共扩增出 128条清晰条带,其中 94条具多态性,平均多态性位点比率为
7344%,Nei’s基因多样性指数H=01925,Shannon’s多样性指数I=03028,遗传分化指数Gst=07212,遗传距离和遗传
一致度分别为00858~02314,08046~09425。结论:三角叶黄连种水平上具有较高的遗传多样性,遗传变异主要存在于
居群间,遗传多样性与地理关系表现出明显的相关性,ISSR可以作为研究遗传多样性及遗传分化的有效标记。
[关键词] 三角叶黄连;遗传多样性;ISSR;聚类分析;遗传分化
[收稿日期] 20090730
[基金项目] 国家自然科学基金项目(30070080)
[通信作者] 何平,Tel:(023)68254122,Email:heping196373@
126.com
  三角叶黄连 CoptisdeltoideaCYChenget
Hsiao为毛茛科黄连属多年生草本植物,主要分布在
四川西部的洪雅与雅安地区海拔1600~2200m的
山地林下[1]。三角叶黄连根茎入药,干品称为“雅
连”,内含小檗碱、黄连碱等多种生物碱,具有清热、
解毒、泻火、燥湿和良好的抗菌作用[2]。目前,三角
叶黄连主要是以人工栽培的方式生产,种内遗传多
样性较低。野生三角叶黄连居群数量及个体数濒危
稀少,野生资源相当匮乏,为了从野生三角叶黄连中
筛选出性状优良的品种,研究野生三角叶黄连的遗
传多样性极有必要。目前,对其药理、药化方面的研
究相对较多[34],但遗传多样性研究则未见报道。
  本研究运用 ISSRPCR技术对8个野生三角叶
黄连居群的90个个体进行分析,旨在揭示三角叶黄
连的遗传多样性及其遗传结构,了解其种内变异,为
三角叶黄连这一重要药用资源的保护和育种奠定理
论基础。
1 材料和方法
11 材料 实验所用材料采自野生三角叶黄连的
主要分布区(四川雅安、洪雅和都江堰)的8个居群
的高山岩石和竹林下。各居群随机选取10~12个
样本,收集当年生嫩叶,低温条件下带回实验室洗
净、晾干,冻于 -80℃的超低温冰箱中备用。居群
的产地、样本数、编号及居群生长状况见表1。
表1 用于ISSR分析的不同居群的三角叶黄连
No. 产地 样本数 居群状况 No. 产地 样本数 居群状况
YAWA 雅安望鱼1 10 野生 HYBL 洪雅炳灵 12 野生
YAWB 雅安望鱼2 12 野生 HYGM 洪雅高庙 10 野生
YAZH 雅安周河 10 野生 HYWJ 洪雅瓦居山 12 野生
YAYC 雅安晏场 12 野生 SCDJ 都江堰 12 野生
12 仪器与试剂 扩增仪(BioRad公司),核酸
蛋白分析仪(BioRad公司),电泳仪(BioRad公
司),凝胶成像系统(BioRad公司),引物(上海
生工生物工程技术服务有限公司),dNTP(Pro
mega公司),TaqDNA聚合酶(Promega),Mg2+
(上海生工生物工程技术服务有限公司),Bufer
(上海生工),DNAMarker(Takara),PVP(Sig
ma),β巯基乙醇(Sigma),CTAB(Sigma),其余
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均为国产分析纯试剂。
13 基因组DNA的提取 本实验中采用改良后的
CTAB法[5]提取三角叶黄连的基因组 DNA,所提
DNA先用10%的琼脂糖凝胶进行电泳,染色后拍
照,选择带型清晰、无拖尾的作为备用,然后再在核
酸蛋白分析仪上测其原始质量浓度,最后统一稀释
至40mg·L-1,供ISSRPCR实验所用。
14 ISSR引物的筛选 ISSRPCR反应所用的引
物由上海生工公司合成,共从65个随机引物(17~
18bp)中筛选出12个扩增条带清晰、多态性明显、
反应稳定的引物用于8个居群的90个个体的扩增,
每个选定的引物至少重复扩增2次。每条引物退火
温度都进行单独摸索,实际退火温度一般在其 Tm值
1~3℃附近变动,见表2。
表2 实验中所用12个引物的序列
No 序列 实际退火温度/℃ No 序列 实际退火温度/℃
UBC810 (GA)8T 54.0 UBC835 (AG)8YC 54.5
UBC811 (GA)8C 53.5 UBC840 (GA)8YT 53.5
UBC823 (TG)8C 54.5 UBC842 (GA)8YG 56.0
UBC824 (TC)8G 54.5 UBC847 (CA)8RC 57.5
UBC826 (AC)8C 54.0 UBC855 (CA)8YT 57.0
UBC834 (AG)8YT 55.0 UBC857 (AC)8YG 58.5
15 PCR扩增及产物检测 ISSRPCR反应在25
μL的 PCR反应体系中进行,内含1×PCRBufer,
15mmol·L-1Mg2+,200μmol·L-1 dNTP,03
μmol·L-1引物,40ng模板,10UTaqDNA聚合
酶。扩增程序为94℃预变性5min,然后进行35个
循环:94℃变性30s,(据不同引物退火温度)复性
60s,72℃延伸90s,循环结束后72℃延伸7min,4
℃保存。扩增产物在含goldview(1%)的15%的琼
脂糖凝胶中电泳分离 15h,电压 5V·cm1。用
DL2000的DNAmarker(100~2000bp)作为标记,
电泳结束后在 BioRadGelDoc2000凝胶成像系统
下观察并拍照纪录。
16 统计分析与数据处理 每个引物均经过重复
扩增、电泳2次,选取稳定清晰的条带进行统计分
析。电泳图谱的每条带(DNA片段),均为1个分子
标记,代表1个引物的结合位点。根据分子标记的
迁移率及有无来统计所有的二元数据,有带(显性)
记为1,无带(隐性)记为0,强带和弱带的赋值均为
1。采用 POPGEN32软件,计算各居群的多态位点
百分率 (PPL),Nei′s基因多样性指数 (H),
Shannon′s多态性信息指数(I),基因分化系数(Gst),
居群总基因多样性(Ht),居群内基因多样性(Hs),
Nei′s遗传一致度(I)和遗传距离(D),并根据Nei’s
遗传距离进行 UPGMA聚类分析,构建系统树状
图[6]。
2 结果与分析
21 三角叶黄连的遗传多样性 通过12个引物对
三角叶黄连8个居群的90个个体进行了ISSR分析,
共检测到128个位点,相对分子质量均在100~2000
bp,见图1,其中多态性位点94个,多态性位点比率为
7344%。每条引物平均扩出条带107条,其中多态
性条带为 78条。Nei′s基因多样性指数 H=
01925,Shannon′s多态性信息指数 I=03028。三
角叶黄连不同居群的多态性位点百分率在5263%~
6486%,其中最高的是雅安周河居群(YAZH),为
6486%,四川都江堰居群(SCDJ)次之,为6024%,
最低的是雅安望鱼 1居群(YAWA),为 5263%。
Nei′s基因多样性指数(H)为01695~02316,Shan
non′s多态性信息指数(I)为02706~03427,见表
3。Nei′s基因多样性指数和Shannon′s多态性指数的
大小与各居群多态位点百分率的高低趋势基本一致,
各项系数均是雅安周河居群(YAZH)最高,雅安望鱼
1居群(YAWA)最低。
图1 引物UBC855对洪雅炳灵居群(HYBL)
12个个体的扩增
22 三角叶黄连不同居群的遗传分化分析 根据
总的基因多样性(Ht)和居群内遗传多样性(Hs)来
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   表3 三角叶黄连的遗传多样性
居群 个体数
多态位
点数
多态位点
百分率/%
H I
YAWA 10 40 52.63 0.16950.2706
YAWB 12 43 53.82 0.1712 0.2728
YAZH 10 68 64.86 0.23160.3427
YAYC 12 56 57.25 0.18940.2941
HYBL 12 48 55.38 0.17830.2823
HYGM 10 53 56.23 0.18040.2895
HYWJ 12 59 58.47 0.20110.3004
SCDJ 12 65 60.24 0.22070.3144
总计 90 94 73.44 0.19250.3028
计算居群间遗传差异在总遗传变异中所占的比例
(Gst)。三角叶黄连各居群的总基因多样度(Ht)为
03247,居群内遗传多样度(Hs)为01025,居群间
的遗传分化指数(Gst)为 07212。这表明有
7212%的变异是存在于居群间的,而2788%的变
异是存在于居群内的。居群的遗传分化表明,三角
叶黄连居群内部具有较低的遗传分化,绝大部分的
遗传分化存在于居群间。
三角叶黄连居群间的遗传距离和聚类分析 三
角叶黄连 8个居群的 Nei′s遗传一致度(I)为
08046~09425,遗传距离(D)为 00858~
02314。其中四川都江堰居群(SCDJ)与洪雅炳灵
居群(HYBL)之间的遗传距离最大,为02314,这
也表明两者之间的遗传差异性最大。同样,两者的
遗传一致度也是最低的,为 08046。雅安望鱼 1
(YAWA)和雅安望鱼2(YAWB)2个居群之间的遗
传距离最小,为00858。同样,两者的遗传一致度
是最高的,为09425。
三角叶黄连的UPGMA聚类图显示8个野生居
群中雅安望鱼的2个居群(YAWA和 YAWB)首先
聚在一起,这也正说明了2个居群之间的遗传距离
最近,遗传相似度最大。随后进行聚类的是洪雅炳
灵居群(HYBL)和洪雅瓦居山居群(HYWJ),这说
明炳灵居群与瓦居山居群的遗传距离较近,相似性
较高,亲缘关系较近。2次聚类时,雅安的晏场居群
(YAYC)又与雅安本地的已经聚在一起的2个居群
(YAWA和YAWB)聚在一起。而洪雅的高庙居群
(HYGM)也与已经聚类过的 2个本地居群(HYBL
和HYWJ)聚在一起。最后进行聚类的是雅安的周
河居群(YAZH)和四川都江堰居群(SCDJ),见图2。
上述的聚类结果很明显的显示出了不同居群间的亲
缘关系,亲缘关系相近的居群首先进行聚类,亲缘关
系远的居群最后进行聚类。总的看来,地理分布相
近的居群都聚在了一起,聚类结果显示出与地理分
布较明显的一致性。
图2 三角叶黄连8个居群的UPGMA聚类图
3 讨论
31 三角叶黄连的遗传多样性 三角叶黄连物种
水平的多态位点百分率为7344%,这表明三角叶
黄连具有较高的遗传多样性,并且各居群间的遗传
多样性明显低于种水平上的遗传多样性,最低的为
5263%,最高的为 6486%。野生三角叶黄连
(PPB=7344%,H=01925)比其他野生的多年生
草本植物如延龄草[7](PPB=3407%,H=00337)
的遗传多样性要高得多。另外,陈大霞[8]对栽培黄
连进行的SRAPPCR进行了研究,结果表明栽培种
黄连的 PPB为 4348%,这明显低于本研究结果
7344%,其遗传相似性系数为08770~09519,
而本研究的遗传相似性系数08046~09425,这
说明三角叶黄连比栽培黄连具有更大的遗传距离。
由于三角叶黄连喜阴凉湿润的环境,常分布在海拔
1200~1700m的高山林下,居群之间有不适生境
的阻隔,野外所见的三角叶黄连居群基本上都是成
岛屿状分布,这就使得基因之间的交流变得困难,造
成近交程度加深。此外,近交或自交都可以导致杂
合度的降低从而影响个体的适合度,进而导致遗传
多样性的丧失,从而使得居群内的遗传多样性降低,
而且三角叶黄连很大程度上采用无性克隆的繁殖方
式生长,这都造成了居群内遗传多样性的降低。
32 三角叶黄连的遗传分化 根据 Nei′s遗传分
化指数估算的 8个居群间的遗传分化系数为
07212,说明居群间的遗传变异占总的基因多样性
的7212%,居群内只占2788%。遗传分化的分析
结果显示大量的变异主要存在于居群之间,只有少
量的变异存在于居群内部。居群遗传结构在很大程
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度上依赖于生存环境空间上的异质性,三角叶黄连
居群较为严格的按照空间距离之间的联系聚在了一
起,这可能与生境有关。地理距离近的居群生境相
似,地理距离远的居群生境差异相对较大。在环境
选择压力的作用下,不同居群之间的分子变异可能
与地理位置联系比较大。四川都江堰居群独特的地
理生态环境可能是导致了变异基因型个体的产生,
从而使得此居群与其他居群形成很大的差异。雅安
的3个居群聚在一起,洪雅的3个居群则聚在一起,
这充分反映了地理相关性。但是雅安周河居群却并
没有与本地的其他3个居群聚在一起,并且此居群
内的遗传多样性比较丰富,这可能是由于在地理分
布上的间隔太大,使周河居群形成与其他居群形成
明显的差异。
33 三角叶黄连的保护策略分析 基于三角叶黄
连本身的生物学习性,可对其实施就地保护和迁地
保护[9]。在就地保护时除了对所有种群进行必要
的保护外,应选择遗传多样性程度高的居群进行重
点保护,如雅安周河和四川都江堰居群。同时由于
三角叶黄连的遗传多样性主要保持在居群之间,在
迁地保护时应尽量在较多的居群中取样,而不是每
个居群取很多样品。综合这两方面,才能全面保护
三角叶黄连的遗传多样性。其次,三角叶黄连本身
对生长环境要求比较特殊,大多生长在海拔1600m
以上的低温潮湿环境,要求有林木庇荫的环境。保
护好生境,就能保证它正常生长、繁育,从而保护其
遗传多样性,为其适应自然选择打下基础。
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ISSRanalysisofgeneticdiversityofCoptisdeltoidea
ZHANGChunping1,HEPing1,HUShijun2,YUANFenggang3,WANGRuibo1,GAOShan1
(1SchoolofLifeSciences,SouthwestUniversity,KeyLaboratory(MinistryofEducation)ofEcoenvironmentsofThree
GorgesReservoirRegion,ChongqingKeyLaboratoryofPlantEcologyandResourcesResearchforThreeGorges
ReservoirRegion,Chongqing400715,China;
2KunmingInstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Kunming650204,China;
3ResearchCenterofBiochemistryandMolecularBiology,XuzhouMedicalColege,Xuzhou221002,China)
[Abstract] Objective:TostudythegeneticdiversityofCoptisdeltoidea.Method:Thegeneticdiversityof90individualsfrom
8populationswasanalyzedbyISSR.Result:TwelveprimerswereselectedtoproducehighlyreproducibleISSRbands.Among128
amplifiedbands,94showedpolymorphism,thepercentageofpolymorphicbandsreached73.44%.Nei'sgenediversityindex(H)was
0.1925,Shannon'sinformationindex(I)was0.3028,Gstwas0.7212.Thegeneticdistancecoeficientandsimilaritywere
0.08580.2314and0.80460.9425,respectively.Conclusion:C.deltoideaheldahighgeneticdiversityandthemajorityofge
neticvariationoccursamongpopulations.Byclusteranalysis,thegeographicaldistributionisveryobvious.TheISSRmarkercanbe
usedfortheanalysisofgeneticdiversityandgeneticvariationofC.deltoidea.
[Keywords] Coptisdeltoidea;geneticdiversity;ISSR;clusteranalysis;geneticvariation
[责任编辑 吕冬梅]
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