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Genetic diversity evaluation of ex-situ conservation population of Phellodendron amurense detected by AFLP markers

迁地保护黄檗群体的遗传多样性评价



全 文 :迁地保护黄檗群体的遗传多样性评价
闫志峰,张本刚,张 昭
(中国医学科学院 中国协和医科大学 药用植物研究所,北京100094)
[摘要] 目的:评价迁地保护黄檗群体的遗传多样性水平。方法:利用8对荧光引物,对10个迁地保护黄檗群
体共计67株个体进行AFLP分析。结果:共扩增1574条谱带,其中多态带1354条;黄檗物种水平的遗传多样性高于
迁地保护群体水平,多态位点百分率PPL分别是8602,4155,有效等位基因数Ne分别为14275,12376,Nei基因
多样性指数H分别是02312,01400,Shannon信息指数I分别是03973,02113。结论:初步评价了黄檗迁地保护
效果。
[关键词] 珍稀濒危药用植物;黄檗;迁地保护;AFLP;遗传多样性;
[中图分类号]R282.5 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)10112106
[收稿日期] 20070310
[基金项目] 国家中医药管理局科学技术研究专项(04-
05ZP07);北京市教委重点学科共建项目(XK100230448)
[通讯作者] 张昭,Tel:(010)62899773,Email:zhangzhao1962@
tom.com
  黄檗PhelodendronamurenseRupr.为芸香科黄檗
属植物,系第三纪古热带植物区系的孑遗植物[1],为
常用中药材关黄柏的基源植物[2],是我国珍贵的药用
和用材树种。曾广泛分布于我国东北的吉林、黑龙
江、辽宁等地,由于长期过量的林木采伐和不合理药
材采收,资源量越来越少,野生黄檗的生存状况十分
严峻,极易陷入濒危的状态,在《中国植物红皮书———
稀有濒危植物》第1册中[3],黄檗被列为渐危种,国家
2级保护植物。根据作者多年野外调研发现,野生黄
檗多散生分布,且成年树下很少有实生苗出现,分布
区持续缩小,因此开展黄檗保护研究已是势在必行。
DNA分子标记技术已广泛用于濒危植物遗传
多样性研究[4,5],目前在评价迁地保护群体遗传多
样性上也有利用[6]。扩增的限制性片段长度多态
性(amplifiedfagmentlengthpolymorphisms,AFLP)[7]
是一种高效的显性遗传标记,结合了 RFLP的专一
性和 RAPD技术的随机性、高效性,是新一代的分
子标记技术,本实验采用荧光标记引物扩增产物在
自动测序仪上扫描鉴定[8],分析和评价了迁地保护
黄檗群体的遗传多样性和保护效果。
1 材料与方法
1.1 材料
在以往迁地保护以及调查研究的基础上[9,10],
选取来自10个地区的黄檗迁地保护群体个体进行
实验(表1)。中国医学科学院北京药用植物园所保
护的7个迁地保护群体(THA,THB,JH,Q,W,F,
BJ)及中国科学院植物研究所植物园(南)(X)和北
京植物园(北)(Y)所保护的2个迁地保护群体的样
品采幼嫩叶片放入自封袋中,-20℃迅速冷冻保
存;哈尔滨国家森林植物园(H)的样品采用10倍量
的变色硅胶(青岛海洋化工有限公司)12h内快速
干燥。实验采用北京鼎国生物技术有限公司的
FISHAFLP试剂盒。
表1 黄檗迁地保护群体的取样情况
种源地 群体编号 采集地 取样数/株
通化 THA 中国医学科学院药用植物园  10
通化 THB 中国医学科学院药用植物园  9
抚松 F 中国医学科学院药用植物园  10
蛟河 JH 中国医学科学院药用植物园  6
泉阳 Q 中国医学科学院药用植物园  3
湾沟 W 中国医学科学院药用植物园  5
不详 BJ 中国医学科学院药用植物园  9
不详 Y 北京植物园         6
不详 X 中国科学院北京植物所植物园 4
不详 H 哈尔滨国家森林植物园    5
1.2 总DNA制备
本实验称取材料02g,采用CTAB法[11,12]提取
DNA,08%琼脂糖电泳检测DNA纯度、完整性及产
量,DNA质量浓度大约为50ng·μL-1。
1.3 AFLP实验
AFLP方法参照VOS等[7]的方法,其中酶切和连
接采用一步法进行,预扩增反应参考北京鼎国生物技
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术有限公司FISHAFLP试剂盒说明。利用2组DNA
样品从64对AFLP引物中(PstⅠ/MseⅠ)(表2)筛选出
扩增图谱清晰的8对引物对进行选择性扩增反应,分
别是PGAA/MCTG,PGAA/MCTT,PGAC/MCTT,
PGAC/MCAC,PGTT/MCAA,PGTT/MCAC,P
GTT/MCTG,PGTT/MCTT。
表2 AFLP接头和引物序列
DNA接头和引物 核苷酸序列 备注
PstⅠ接头1 5′CTCGTAGACTGCGTACATGCA3′ 连接接头 
PstⅠ接头2 5′TGTACGCAGTCTAC3′ 连接接头 
MseⅠ接头1 5′GACGATGAGTCCTGAG3′ 连接接头 
MseⅠ接头2 5′TACTCAGGACTCAT3′ 连接接头 
PstⅠ引物、PstI预扩引物 5′GACTGCGTACATGCAG3′ 预扩增  
PGAA PrimerpGACTGCGTACATGCAGAA 选择性扩增
PGAC PrimerpGACTGCGTACATGCAGAC
PGAG PrimerpGACTGCGTACATGCAGAG
PGAT PrimerpGACTGCGTACATGCAGAT
PGTA PrimerpGACTGCGTACATGCAGTA
PGTC PrimerpGACTGCGTACATGCAGTC
PGTT PrimerpGACTGCGTACATGCAGTT
PGTG PrimerpGACTGCGTACATGCAGTG
MseⅠ(蓝色荧光)、MseⅠ预扩引物 5′GATGAGTCCTGAGTAAC3′ 预扩增  
MCAA FAM标记MseⅠ1∶5′GATGAGTCCTGAGTAACAA 选择性扩增
MCAC FAM标记MseⅠ2∶5′GATGAGTCCTGAGTAACAC
MCAG FAM标记MseⅠ3∶5′GATGAGTCCTGAGTAACAG
MCAT FAM标记MseⅠ4∶5′GATGAGTCCTGAGTAACAT
MCTA FAM标记MseⅠ5∶5′GATGAGTCCTGAGTAACTA
MCTC FAM标记MseⅠ6∶5′GATGAGTCCTGAGTAACTC
MCTG FAM标记MseⅠ7∶5′GATGAGTCCTGAGTAACTG
MCTT FAM标记MseⅠ8∶5′GATGAGTCCTGAGTAACTT
1.3.1 酶切和连接 在05mL离心管中加入(反
应体系总体积为 20μL)4μLDNA,25μL10×
bufer,25μLATP(10mmol·L-1),1μL接头,2
μLPstI/MseⅠ内切酶对,1μLT4DNA连接酶,7
μLAFLPWater。混匀离心数秒,37℃保温5h,8℃
保温4h,4℃过夜。
1.3.2 预扩增和选择性扩增 预扩增参考 AFLP
试剂盒说明。选择性扩增体系(反应体系总体积为
25μL)2μL预扩模板,25μL10×PCRBufer,05
μLdNTPs(10mmol·L-1),1μLPstIprimer(50ng
·μL-1),1μLMseⅠ primer(50ng·μL-1),05
μLTaq(5U·μL-1),补足175μLddH2O。按下列
参数在 GeneAmpPCRSystem9600(PerkinElmer,
USA)进行 PCR循环,第1个循环扩增参数:94℃
30s,65℃ 30s,72℃ 80s;以后每轮循环温度递减
07℃,扩增12轮;最后按下列参数扩增23轮:94
℃ 30s,55℃ 30s,72℃ 80s。
1.3.3 扩增产物的凝胶电泳分析 取1μLPCR产
物+1μL内标(GENEMARK500,红色),在4%的
变性聚烯酰胺凝胶条件下,利用377DNA自动测序
仪电泳24h,得到清晰的 AFLP指纹图谱,在 Gene
Scan软件下自动采集电泳凝胶图(图1)。
1.4 数据分析
利用GeneScanR31软件将67个个体,8对引物产
生的电泳凝胶图转化为0,1数据矩阵,采用NTSYSpc
version211f软件包进行结果分析,根据内标确定片段
大小,计算样品间的 Nei和 Li相似性系数 DICE
[DICE=2a/(2a+b+c)][13],并进行聚类分析。
利用POPEGENEversion132软件[14]计算如下
遗传多样性参数:①多态位点百分率PPL,②等位基
因平均数Na,③有效等位基因数 Ne,④Nei基因多
样性指数H,Shonnon信息指数 I,Nei的遗传距离 D
和遗传一致度 I,并采用 MEGA30软件[15]对遗传
距离D进行非加权算术平均聚类分析(UPGMA)。
2 结果
2.1 个体遗传相似性系数及其聚类分析
利用NTSYSpcversion211分析软件对0,1数
据计算出DICE相似系数,进行 UPGMA聚类分析。
其中,W4与THA8相似系数最小,为03267,遗传距
离最大。W2与 W5相似系数最大为08437。从聚
类图上可以看出,来自同一地区进行迁地保护的个
体聚为一类,如来自抚松(F)、湾沟(W)、蛟河
(JH)、泉阳(Q)、通化(THA,THB)、哈尔滨森林植
物园(H)地区的已知群体聚在一起,遗传距离较近。
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图1 引物对PGAC/MCTT对的扩增结果
群体编号同表1,下标为个体编号
2.2 物种和群体水平的遗传多样性
扩增片段长度为50~500bp,67个黄檗个体经
过8对荧光引物扩增共得到1574条清晰的谱带,
其中多态带1354条,多态位点百分率为8602。每
对引物扩增出144~193条多态带,平均19675条,
黄檗的迁地保护群体共有带占总带数的1419%。
黄檗物种水平Shannon信息指数I=03973,Nei基
因多样性指数 H=02312,有效等位基因数 Ne=
14275(表3),物种水平具有较高的遗传多样性。
PPL是应用很广泛的多样性指标,在参试群体
中,北京植物园的最高为5281%,泉阳群体的最低
为2625,平均多态位点百分率为 4155。Shannon
信息指数(I)分析结果显示,北京植物园的群体最
高为02748,泉阳群体最低为01424,平均 Shan
non信息指数 I=02113,有效等位基因数 Ne=
12376。
2.3 群体遗传分化
Nei基因多样性指数(H)是衡量群体遗传分化
最常用的指标之一,为总的遗传变异中群体间变异
表3 AFLP选择性扩增引物产生的条带多态性(群体编号同表1)
群体编号 样本数 PPL/% 观察等位基因数Na 有效等位基因数Ne Nei基因多样性H Shannon信息指数I
F 10 4717 14717 12544 01503 02283
BJ 9 4931 14931 12738 01616 02447
X 4 2828 12828 11707 01003 01507
THB 9 4782 14782 12683 01574 02377
W 5 4122 14122 12550 01476 02205
JH 6 3467 13467 12069 01209 01813
Y 6 5281 15281 13145 01831 02748
Q 3 2625 12625 11567 00946 01424
H 5 3882 13882 12280 01345 02026
THA 10 4919 14919 12482 01500 02305
群体水平 - 4155 14155 12376 01400 02113
物种水平 67 8602 18981 14275 0.2312 03973
所占的比例。10个迁地保护群体的 Nei基因多样
性指数为Y(01831)>BJ>THB>F>THA>W>
H>JH>X>Q(00946)。
2.4 群体间遗传一致度、遗传距离和 UPGMA聚类
分析
Nei的遗传一致度I和遗传距离 D反映了群体
间的遗传分化程度(表 4),群体的遗传一致度在
08223~09675,遗传距离在00331~01959,
说明群体间的相似程度较高,遗传距离较小,其中,
中国医学科学院北京药用植物园来自通化地区的迁
地保护群体与哈尔滨森林植物园迁地保护群体之间
的遗传距离最小为00331,相似性最高。北京植物
所与中国医学科学院药用植物园来自泉阳群体的遗
传距离最大为01959,遗传分化程度较大。根据
10个群体的遗传距离进行UPGMA聚类分析结果显
示(图2),10个迁地保护群体明显分为两类,其中
北京地区除 Q和 THA与 H聚为一类外,其他的群
体聚为一类。
3 讨论
3.1 遗传多样性水平
本实验利用8对荧光引物共扩增了1574条多
态带,多态位点百分率为8602,平均每对引物检测
到19675个,说明本实验选择的引物具有很高的多
态性[16],黄檗物种水平具有较高的遗传多样性,
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   表4 黄檗迁地保护群体的遗传距离
群体 F BJ X THB W JH Y Q H THA
F   09548 09410 09432 09242 09434 09415 08399 08499 08508
BJ 00463   09638 09596 09102 09261 09403 08443 08572 08619
X 00609 00369   09396 08816 09026 09156 08223 08351 08399
THB 00586 00413 00624   09214 09320 09408 08665 08733 08737
W 00789 00944 01264 00823   09614 09471 08289 08342 08373
JH 00583 00769 01027 00706 00394   09564 08255 08336 08417
Y 00603 00616 00883 00611 00545 00447   08507 08620 08726
Q 01747 01695 01959 01437 01912 01928 01624   09568 09466
H 01631 01548 01807 01362 01856 01838 01496 00442   09675
THA 01617 01488 01746 01352 01800 01733 01369 00550 00331  
  注:三角形上为遗传一致度,下为遗传距离
图2 10个迁地保护黄檗群体的UPGMA聚类分析图
但迁地保护黄檗比野生黄檗遗传多样性低(PPL=
9277,Shannon信息指数 I=04275,Nei基因多样
性指数H=02316,有效等位基因数 Ne=19749)
(另文报道),这可能与迁地保护个体数量较少有
关,因此要达到有效保护,还需要进一步增加保护样
本数量,丰富种质圃规模。
研究结果表明迁地保护群体内遗传多样性偏
低,黄檗迁地保护群体水平遗传多样性低于濒危植
物元宝山冷杉[5]的遗传多样性(PPL=5096,H=
01510,I=01735),说明濒危植物黄檗迁地保护
群体具有较低的遗传多样性。与迁地保护的金花
茶[6]相比(PPL=2414,I=01528)具有稍高的遗
传多样性,可见黄檗的迁地保护种质圃基本保存了
该种的遗传多样性,但为有效保护黄檗,还需要进一
步比较分析其野生群体的遗传结构,增加迁地保护
样本数量。
3.2 遗传结构
根据遗传距离的聚类分析结果,来自各个地区
的迁地保护群体分别聚为一类,说明地理因素对黄
檗影响很大。由此推测中国科学院北京植物所(X)
的群体可能来自抚松地区,北京植物园(Y)的群体
可能来自蛟河或湾沟地区,而中国医学科学院药用
植物园(BJ)的成年大树可能部分来自抚松,部分来
自通化,由于时间久远,目前没有资料可以查阅,因
此以后迁地保护应该更加重视相关的信息记录。
哈尔滨森林植物园(H)、中国医学科学院药用
植物园THA、中国医学科学院药用植物园 Q等聚为
一类,与其他类明显分开,可能与迁地保护时的采样
方式和数量有关。
3.3 遗传多样性保护
了解物种的遗传结构和遗传多样性,对探讨物
种濒危机制、指导迁地保护和引种栽培、自然保护区
的规划及评估特定群体的保护价值等有着重要价
值。根据本实验结果,黄檗在物种水平具有较高遗
传多样性,但群体间遗传分化较大,不同产地黄檗具
有不同的遗传特征。因此在进行黄檗的迁地保护
时,应根据地理和植被特点,在黄檗的自然分布范围
内,选择黄檗分布较集中,生境具有一定差异,并且
相距较远的长白山、完达山、大兴安岭、小兴安岭、千
山以及燕山山脉的云蒙山等不同生态环境的地区采
集样本。同时,充分考虑其遗传结构和道地性因子
及品质特征[17],进行合理取样,增大样本数量,加强
黄檗种质资源收集工作,丰富现有种质圃规模,对更
好地保护黄檗的珍贵种质将会起到很好的效果[18]。
为了使植物园在迁地保护时发挥应有的作用,应该
注重记录和信息管理,采集保育环境下植物物种、形
态、发育、分类、利用、引种、栽培、生态等实物信息,
整合植物园空间固有信息,以及原产地的生态环境
信息,建立濒危药用植物引种驯化与保护档案记录
系统,指导科研和保护工作的开展。
[参考文献]
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PhelodendronamurensedetectedbyAFLPmarkers
YANZhifeng,ZHANGBengang,ZHANGZhao
(InstituteofMedicinalPlantDevelopment,PekingUnionMedicalColegeandChineseAcademyofMedicalSciences,
Beijing100094,China)
[Abstract] Objective:ToevaluatethegeneticdiversityfromexsituconservationpopulationofPhelodendronamurense.
Method:Geneticdiversityin67individualsfromexsituconservationpopulationofP.amurensewereassessedusingAFLPtechnique
byeightfluorescentlabeledprimergroups.Result:Theeightprimercombinationsgeneratedatotalof1574bands,ofwhich1354
werepolymorphic.AsforP.amurenseatspecieslevel,thepercentageofpolymorphicloci(PPL)was8602,theefectivenumberof
alelesperlocus(Ne)was14275,theNei'sgenediversity(H)was02312,andtheShannon'sinformationindex(I)was03973.
Atthepopulationlevel,theestimatesPPL=4155,H=01400,Ne=02376andI=02113.Conclusion:Theefectofpresent
exsituconservationwaspreliminarilyassessed.
[Keywords] rareandendangeredmedicinalplant;Phelodendronamurense;exsituconservation;AFLP;geneticdiversity
[责任编辑 张宁宁
櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗


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