全 文 :川产贝母种质资源遗传多样性的 ISSR分析
黎开强1,吴卫1,郑有良1,代勇2,向丽2,廖凯1
(1.四川农业大学 农学院,四川 雅安 625014;
2.成都恩威集团公司,四川 成都 610041)
[摘要] 目的:为阐明川产贝母资源间亲缘关系提供更多证据。方法:利用ISSR分子标记技术对川产10个种1变种共
19份材料进行分析,采用NTSYS软件计算材料间相似系数,并用 UPGMA法构建了系统树。结果:从35个 ISSR引物中共筛
选出11个多态性明显、反应稳定的引物,在19份供试材料DNA中共扩增出179条谱带,其中多态性条带163条,占868%。
材料间ISSR标记遗传相似性系数(GS)在0569~0855。聚类分析结果显示,所有供试材料均可区分开,并聚为4组。第 I
组包括川贝母、甘肃贝母、长腺贝母和短丝贝母,第Ⅱ组由暗紫贝母和浓蜜贝母组成,槽鳞贝母、浙贝母、瓦布贝母和梭砂贝母
聚为第Ⅲ组,湖北贝母单独为第Ⅳ组。试验结果还表明,来源于同一地区的多数川产贝母材料可分别聚在一起。结论:ISSR
标记适用于川产贝母资源的遗传多样性研究,但药典收载的川贝母药材的4种基原植物种间及其与其他川产贝母属各物种间
尚不能仅通过采用ISSR标记技术进行分子鉴定。此外,ISSR聚类结果同川产贝母资源的地理分布有一定关系。
[关键词] 贝母属;聚类分析;遗传多样性;ISSR;分子鉴定
[收稿日期] 20090108
[基金项目] 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAI06A131)
[通信作者] 吴卫,Tel:(0835)2882108,Email:ewuwei@sicau.
edu.cn
贝母属FritilariaL.隶属于百合科 Liliaceae,为
多年生草本植物。中药川贝母为川贝母 Fritilaria
cirhosaD.Don、暗紫贝母 F.unibracteataHsiao&
K.C.Hsia、甘肃贝母 F.przewalskiMaxim.&
Batal.及梭砂贝母 F.delavayiFranch.的干燥鳞茎,
具有清热润肺、止咳化痰之功效,为常用中药材之
一[1]。贝母属全世界约有130种,主要分布在北半
球南温带地区,尤以地中海地区、亚洲东部至中部
和北美洲的种类为多。据 《中国植物志》记载,
我国产20种和2个变种,其中四川 (8种)和新
疆 (6种)种类最丰富[2]。《四川植物志》记载我
国产43种和 19个变种,其中四川 15种 4变种,
是我国贝母种类集中分布的地区[3],而且该地区
还具有一些保持较多原始性状的种类[4]。有关贝
母属的研究主要集中在群落生态[56]、形态解剖
学[78]、有效成分[9]和药理[1011]等方面。关于其遗
传多样性研究,曾有李玉锋等利用RPAD技术对贝
母种质资源遗传多样性进行了分析[12]。Nina等采
用ITS,matK,rpl6基因对来源于地中海和北美洲
的37种贝母进行了系统发育关系的研究[13]。但尚
未见利用ISSR分子标记技术对贝母属进行种间遗
传多样性的报道。简单序列重复区间 ISSR(inter
simplesequencerepeat)是一种基于微卫星系列的
分子标记技术,具有重复性好、稳定性高、多态性
丰富等优点,已广泛地用于种质资源鉴定、物种亲
缘关系、植物分类、进化和遗传多样性研究。川贝
母生长地海拔高,生境独特,人烟稀少,截至目前
川贝母药材绝大多数仍依靠采挖野生资源。由于生
长缓慢、过量采集和生境恶化等原因,其蕴藏量急
剧下降,因此对川产贝母种质资源的有效保护已刻
不容缓。以往人们对川贝母属植物的分类认识主要
依据形态解剖的差别,但川贝母植物形态特征随环
境变化较大,尤其是花的颜色,在不同生长环境及
不同的生长时期,往往表现出不同的颜色。同时,
川产贝母属植物引种栽培后,不同种间可能出现异
花授粉结实,并以营养繁殖的方式保存下来,导致
众多变异个体的出现,这种种间杂种的出现更加增
加了物种划分的困难。因此,很有必要进行 DNA
水平上的遗传多样性的研究。
为此,本研究采用 ISSR分子标记技术,对川产
贝母10种1变种共19份材料进行分析,旨在揭示
川产贝母属植物的遗传多样性、种群间和种群内的
遗传分化程度,为阐明川产贝母属资源的亲缘关系
和遗传演化奠定基础,这对川贝母物种划分、生物多
样性的保护及其资源的可持续利用具有重要意义。
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1 材料和方法
1.1 材料 供试材料主要来源于四川省甘孜州折多
山恩威贝母基地和阿坝州茂县,由四川农业大学植物
教研室杨光辉教授鉴定,材料编号、学名及来源见表1。
表1 供试材料编号及来源
No. 种名 学名 采集地
1 川贝母 Fritilariacirhosa 四川省甘孜州金汤
2 川贝母 F.cirhosa 四川省甘孜州理塘
3 川贝母 F.cirhosa 四川省甘孜州理塘
4 长腺贝母 F.unibracteatavar.longinectarea 四川省甘孜州折多山
5 川贝母 F.cirhosa 四川省甘孜州折多山
6 川贝母 F.cirhosa 四川省甘孜州道孚
7 川贝母 F.cirhosa 四川省甘孜州道孚
8 暗紫贝母 F.unibracteata 四川省甘孜州折多山(原产地不详)
9 暗紫贝母 F.unibracteata 四川省阿坝州茂县
10 长腺贝母 F.unibracteatavar.longinectarea 四川省甘孜州折多山
11 梭砂贝母 F.delavayi 四川省阿坝州茂县
12 甘肃贝母 F.przewalski 四川省甘孜州折多山
13 瓦布贝母 F.wabunesis 四川省阿坝州茂县
14 湖北贝母 F.hupehensis 四川省甘孜州折多山(原产地不详)
15 浓蜜贝母 F.melea 四川省阿坝州茂县(野生)
16 浓蜜贝母 F.melea 四川省阿坝州茂县(家种)
17 短丝贝母 F.dajinensis 四川省甘孜州折多山
18 槽鳞贝母 F.sulcisquamosa 四川省阿坝州茂县
19 浙贝母 F.thunbergi 四川省阿坝州茂县
1.2 DNA提取 采用 CTAB法。取鲜叶约3g在
液氮冷冻下研磨成粉末,置于50mL离心管中,加入
15mL预热至 65℃的 2×CTAB提取缓冲液(100
mmol·L-1,TrisHClpH80,10mmol·L-1EDTA),
65℃水浴保温1~2h,其间倒转离心管数次,取出
离心管冷至室温。加入等体积氯仿异戊醇(24∶1),
混匀。冰浴 30min后,3500r·min-1(离心 15
min)。取上清液加等体积无水乙醇沉淀 DNA。勾
出DNA,70%乙醇冲洗2~3次,95%乙醇清洗1次,
无水乙醇清洗1次,晾干,溶于TE置于-20℃冰箱
保存。DNA质量用10%琼脂糖电泳检测,DNA纯
度和浓度通过紫外吸收法测定。
1.3 引物设计 引物序列设计参考 Fang等[14]、
Nagaoka等[15]的文献,由上海Sangon公司合成。
1.4 反应体系和扩增程序 PCR扩增参照 Nagao
ka等[15]的程序。反应总体积 25μL,其中含 1U
TaqDNA聚合酶(上海 Promega),10×PCRbufer,
15mmol·L-1MgCl2,02mmol·L
-1dNTPs,2×
10-4mmol·L-1引物和30ng模板DNA。扩增前在
94℃预变性2min,之后进行45个循环,每循环94
℃变性1min,50℃退火1min,72℃延伸2min,完
成最后一个循环后,在72℃保温10min,4℃保存。
在MJResearchIncPTC220型热循环仪上进行。
1.5 扩增产物的检测 用琼脂糖凝胶电泳直接分
辨出明显且清晰扩增带的引物,其扩增产物用2%
琼脂糖凝胶电泳分离。溴化乙锭染色,凝胶成像仪
上观察照相、记录。
用琼脂糖电泳不能分辨出明显清晰谱带的引
物,其扩增产物采用银染方法进行检测。扩增产物
经4%的变性聚丙烯酰胺凝胶电泳后银染检测。银
染程序主要参见 Sanguinelti[16]的程序并经改进简
化,凝胶在含05%醋酸的10%乙醇中固定6min,
蒸馏水漂洗6min,用02% AgNO3,溶液中染色
12min,蒸馏水快速冲洗,在含 04%甲醛的
15% NaOH溶液中显色 3~5min,用 075%
Na2CO3终止显影3min,最后用清水冲洗后在空气
中形成干胶保存、拍照。
1.6 数据处理 每份材料电泳条带按有或无记录,
电泳条带清晰存在时赋值为 1,否则赋值为 0。用
NTSYSPC(version210)软件系统计算材料间遗传
相似系数(GS)。根据GS值按不加权成对群算术平
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均法(UPGMA,unweightedpairgroupmethodwith
arithmeticmeansclusteranalysis)进行遗传相似性聚
类,绘制树状聚类图。
2 结果与分析
2.1 扩增产物的多态性 采用35个 ISSR引物对
随机选择的2份贝母材料进行PCR扩增,从中筛选
出11个稳定性强、重复性好、多态性丰富的引物对
所有贝母材料进行扩增。扩增结果见表2。从ISSR
扩增条带统计结果来看,11个引物共得到179条扩
增带,其相对分子质量在200~2000bp,其中多态
性带163条,多态性条带百分率为868%,不同引
物扩增出的清晰条带数在5~40,平均每个引物扩
增出的片段条数为163条,扩增的多态性条带数范
围为3~37,每个引物的多态性百分率为 60% ~
100%,平均每个ISSR引物扩增出的多态性条带的
数目为148。各扩增图谱中,没有发现明显的物种
特征性条带。引物827的扩增结果见图1,引物826
的扩增结果见图2。
表2 多态性ISSR引物扩增结果
引物 序列
扩增
带数
多态性
条带数
多态性带
百分率/%
4 5′HVH(TCC)53′ 40 37 925
808 5′(AG)8C3′ 5 4 800
810 5′(AG)8T3′ 36 34 944
811 5′(GA)8C3′ 8 8 1000
815 5′(CT)8G3′ 6 4 666
823 5′(TC)8C3′ 5 4 800
826 5′(AC)8C3′ 31 30 967
827 5′(AC)8G3′ 8 8 1000
845 5′(CT)8RG3′ 5 3 600
849 5′(GT)8YA3′ 9 9 1000
859 5′(GT)8RC3′ 26 22 846
注:R=A/T,Y=G/C,H=A/T/C,V=3A/G/C。
M.TIANGENTMDNAMarkerⅢ;1~19.同表1中的
试验材料编号一致。
图1 ISSR引物827的扩增图谱(琼脂糖电泳)
2.2 遗传相似系数 所有贝母材料间的 GS平均
M.pUC19DNA/MspⅠ(HpaⅡ)marker;1~19.同表1中
的试验材料编号一致。
图2 ISSR引物826的扩增图谱(银染)
值为0713,变化范围为0569~0855。本试验收集
了不同居群的川贝母、暗紫贝母、长腺贝母和浓蜜贝
母,分析其各自种内平均遗传相似系数,见表3,发现
浓蜜贝母的种内平均GS(0784)最大。其次是川贝
母,其种内 GS平均值为0769。暗紫贝母和长腺贝
母类内GS平均值相对较小,分别为0748,0743。
比较川产贝母资源各物种间遗传相似系数,见
表3,甘肃贝母和浓蜜贝母间的遗传差异最大,GS
平均值 0569。瓦布贝母和浙贝母间相似程度最
高,GS平均值为0855。
进一步比较川产贝母属资源种内和种间 GS
值,不难发现川贝母和浓蜜贝母种间 GS平均值小
于川贝母和浓蜜贝母各自种内平均 GS值。尽管暗
紫贝母与多数其他种的种间 GS平均值均小于其种
内平均GS值,但浓蜜贝母与暗紫贝母种间 GS值高
于暗紫贝母种内平均 GS值。此外,尽管长腺贝母
与多数其他种的种间GS平均值均小于其种内平均
GS值,而甘肃贝母、川贝母与长腺贝母种间 GS值
却高于长腺贝母种内平均GS值。
2.3 ISSR标记揭示的贝母种质资源间的聚类分析
基于遗传相似系数矩阵,利用 UPGMA法进行聚
类分析。获得10个种1变种19个居群的亲缘关系
树状聚类图,见图3。从图中可以看出,以所有供试
材料的平均遗传相似系数072为阈值,可将这些材
料聚为4组,第 I组包括川贝母、甘肃贝母、长腺贝
母和短丝贝母,第 I组由暗紫贝母和浓蜜贝母组
成,槽鳞贝母、浙贝母、瓦布贝母和梭砂贝母聚为第
II组,湖北贝母单独为第 IV组。从聚类图中可以
看出,不同居群的川贝母、暗紫贝母、长腺贝母和浓
蜜贝母均分别划分在同一组中。
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表3 川产贝母资源种间和种内基与ISSR标记的平均遗传相似系数
种间 川贝母 暗紫贝母 长腺贝母 梭砂贝母 甘肃贝母 瓦布贝母 湖北贝母 浓蜜贝母 短丝贝母 槽鳞贝母
川贝母 0769
暗紫贝母 0718 0748
长腺贝母 0766 0700 0743
梭砂贝母 0708 0732 0736 -
甘肃贝母 0727 0606 0756 0624 -
瓦布贝母 0718 0713 0701 0847 0658 -
湖北贝母 0667 0684 0645 0686 0613 0675 -
浓蜜贝母 0687 0752 0674 0742 0597 0744 0734 0784
短丝贝母 0734 0642 0694 0692 0675 0695 0667 0638 -
槽鳞贝母 0707 0672 0693 0733 0667 0764 0645 0701 0753 -
浙贝母 0736 0694 0714 0759 0697 0855 0623 0706 0646 0766
注:“-”表示该物种仅有1份供试材料,无种内GS值。
图3 19份川产贝母供试材料基于ISSR遗传相似系数的聚类图
进一步分析以上结果,可以看出许多来源于同
一地区的材料聚在一起。如第 I组中的川贝母、甘
肃贝母、长腺贝母和短丝贝母均来自甘孜州不同地
区,第I组的暗紫贝母、栽培和野生浓蜜贝母全部
来源于阿坝州茂县,划分为第 II组的梭砂贝母、瓦
布贝母、浙贝母和槽鳞贝母也均来源于阿坝州茂县。
说明川产贝母种质资源根据 ISSR分子标记划分的
类群同地理分布有一定的关系。
3 讨论
在本试验中,供试材料经过适合的引物扩增,
DNA多态性好,条带清晰,且聚类结果可以将所有
材料区分开,可见ISSR标记可以用于川产贝母资源
的遗传关系研究。从 ISSR标记扩增结果来看,19
份川产贝母种质的遗传多样性为868%,各种质间
遗传相似系数均在0569~0855,表明川产贝母资
源间存在比较丰富的遗传多样性。且川产贝母资源
不仅在种间存在遗传差异,种内也存在遗传多样性。
如不同居群的川贝母、暗紫贝母、长腺贝母和浓蜜贝
母均各自存在不同程度的遗传差异。
从形态特征来看,瓦布贝母、浙贝母和湖北贝母
叶多轮生,叶状苞片多枚,梭砂贝母叶片肥厚宽大,
一般认为是比较原始的种类。试验表明,浙贝母、瓦
布贝母和梭砂贝母亲缘关系较近,湖北贝母和其他
种间亲缘关系最远。与李玉锋应用RPAD分子标记
技术分析发现浙贝母、梭砂贝母和瓦布贝母亲缘关
系较近的结果一致[12]。而其余具叶互生、对生特征
的供试材料,除槽鳞贝母外,分别聚在Ⅰ和Ⅱ组中。
可见UPGMA法聚类的结果与《四川植物志》中的形
态分类结果有一致性。又如,短丝贝母除雄蕊花丝
短于花药这个特征外,其余性状和甘肃贝母几乎无
差异[17],本试验结果发现二者聚在一个大类中,也
说明了二者亲缘关系的确比较近。此外,罗毅波等
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对横断山及其邻近地区的贝母属的研究中,发现甘
肃贝母与暗紫贝母不仅在地理分布上几乎完全重
叠,且这2个种在花被片的颜色上也不能截然分开。
典型的甘肃贝母花被片为黄色,有深紫色斑点,川贝
母花被片外面为深紫色,内面多为黄绿色,具紫色或
紫褐斑点或斑带,但中间还存在一些过渡类型,花被
片特征极为相似。认为二者在未弄清这种颜色差异
的遗传背景之前,仍应将其作为独立的种处理[17]。
本试验将甘肃贝母与暗紫贝母聚在不同类中,从某
种程度上支持了将二者划分为不同种的观点。
当然,本试验结果与形态分类结果也存在不尽
一致之处。按照传统形态分类,长腺贝母是暗紫贝
母的变种。但本试验结果却表明,长腺贝母和川贝
母亲缘关系较近。分析其原因,按照《四川植物
志》,长腺贝母其余特征均与暗紫贝母一致,仅蜜腺
较长[3]。但此次收集的长腺贝母材料的植物特征
更类似于川贝母,仅蜜腺很长,是一般川贝母的3~
5以上倍。前期曾对长腺贝母、暗紫贝母以及川贝
母的核型进行过分析,发现川贝母的核型为3A型,
暗紫贝母中不同居群既有3A也有3B型,长腺贝母
核型为3B型,且长腺贝母和暗紫贝母均有随体,而
川贝母中无随体。所以,至于浓蜜贝母与川贝母和
暗紫贝母间真实亲缘关系,以及三者不同居群中是
否存在一些过渡类型还有待进一步探讨。为此,作
者将收集更多川产贝母资源进行比较。
本试验结果还表明,川产贝母种质资源根据
ISSR分子标记划分的类群同地理分布有一定的关
系。即来自相同或相近区域的川产贝母资源有聚在
一起的趋势。分析其原因,因贝母为异花传粉植物,
兼以种子和鳞茎繁殖方式,同一地区的不同川产贝
母资源间可能出现异花授粉结实,并以营养繁殖的
方式保存下来[18],这种基因交流弱化了物种间的遗
传差异,导致了其后代遗传相似性增加。
尽管所有材料均可利用 ISSR标记技术全部区
分开,但该技术并不能将所有不同物种完全区分在
不同类中。从聚类结果来看,《中国药典》收载的4
种川贝母药材原植物种中,暗紫贝母和梭砂贝母分
别聚在I和 II组中,但川贝母和甘肃贝母聚为一
大类。即采用ISSR分子标记能将药典收载的具有
典型形态特征的梭砂贝母和暗紫贝母区别开来,但
对川贝母与甘肃贝母间的鉴定还存在一定困难。同
时,试验还发现浓蜜贝母与暗紫贝母种间 GS平均
值大于暗紫贝母种内平均 GS值,甘肃贝母和川贝
母与长腺贝母种间GS平均值大于长腺贝母种内GS
平均值。也就是说,《中国药典》收载的川贝母药材
原植物种与其他四川产贝母属资源也无法完全通过
ISSR标记技术进行鉴定。
近年来,种间鉴定分类、亲缘关系与系统发育研
究除用核基因组分子标记和和核糖体 ITS序列外,
还用叶绿体基因组rbcL,trnLF,matK序列来进行研
究[19],不同基因组的进化速度不一,综合形态性状、
核基因组和叶绿体基因组的信息,可以得出更为科
学的鉴定、分类和系统进化结论。因此,针对川产贝
母种质资源种间亲缘关系与分子鉴定问题,将进一
步开展其ITS和matK序列分析和比较。
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GeneticdiversityofFritilariafromSichuanprovincebasedonISSR
LIKaiqiang1,WUWei1,ZHENGYouliang1,DAIYong2,XIANGLi2,LIAOKai2
(1.ColegeofAgronomySichuanAgriculturalUniversty,Ya'an625014,China;
2.ChengduEnweiGroupCo.,Chengdu610041,China)
[Abstract] Objective:Toprovidemoreproofsforexpoundingthegeneticrelationshipsamongthe(varietal)speciesingenus
FritilariafromSichuanprovince.Method:TheISSRmarkertechniquewasusedtostudyrelationshipsandgeneticpolymorphismof
nineteenpopulationsintenspeciesandonevarietalspeciesofgenusFritilaria.GeneticsimilaritieswerecalculatedbyusingNTSYS
softwareandthedendrogramwasconstructedbyusingUPGMAmethod.Result:Elevenprimerswereselectedfrom35ISSRprimers,
and179DNAfragmentswereamplifiedfrom19populations.Ofwhich,179fragmentswerepolymorphic(percentageofpolymorphic
bandswas86.8%).Thegeneticsimilarityamongalaccessionsrangedfrom0.569to0.855.Clusteringanalysisshowedthatthe19
populationsofFritilariacouldbedistinctivelyclassifiedinto4groups.F.cirhosa,F.przewalski,F.cirhosavar.longinectareaand
F.dajinensiswereinthefirstgroup;ThesecondgroupwastheclusterofF.cirhosaandF.melea(wildandcultivatedspecies);
ThethirdgroupwasF.sulcisquamosa,F.thunbergi,wabunesisandF.delavayi;F.hupehensisaloneformedthefourthgroup.Con
clusion:ISSRmarkertechniqueissuitableforthegeneticdiversityofFritilariafromSichuanprovince.Interspecificidentifications
amongthefouroriginalspeciesofBulbusFritilariaeCirhosaerecordedbypharmacopoeiaofChina,andbetweenthemandtheother
speciesofgenusFritilariafromSichuanprovincecouldnotbegainedbyusingISSRmarkerstechnique.Inaddition,theclusterresult
ofgenusFritilariahadsomerelationshipswiththegeographicaldistribution.
[Keywords] Fritilaria;clusteranalysis;geneticpolymorphism;ISSR;molecularidentification
[责任编辑 吕冬梅]
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第34卷第17期
2009年9月
Vol.34,Issue 17
September,2009