全 文 :广 西 植 物 Guihaia Jan.2013,33(1):30-34 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2013.01.004
汪琼,姚青菊,徐增莱,等.基于ISSR和RAPD标记的4个夏蜡梅种群的遗传多样性研究[J].广西植物,2013,33(1):30-34
Wang Q,Yao QJ,Xu ZL,et al.Genetic diversity of four populations of Calycanthus chinensis based on ISSR and RAPD markers[J].Guihaia,2013,33
(1):30-34
基于ISSR和RAPD标记的四个夏蜡梅
种群的遗传多样性研究
汪 琼1,姚青菊1,徐增莱1*,胡建国2,杨传书2
(1.江苏省中国科学院 植物研究所(南京中山植物园),南京210014;2.连云港市新浦区国营南云台林场,连云港222062)
摘 要:利用ISSR和RAPD技术对4个夏蜡梅种群25个单株的遗传多样性进行研究。从60条简单重复序
列引物中筛选出了10条引物在25个个体中共检测到62个可重复的位点,其中多态位点为41个,总的多态
位点百分率为65.60%;从60条寡居核苷酸引物中筛选出了10条引物共扩增出52个位点,其中多态性位点
31个,多态性位点的百分率为57.50%。Shannon指数估算的夏蜡梅群体总遗传多样性为0.3737,各群体平
均遗传多样性为0.1645。Nei’s指数估算的夏蜡梅群体总遗传多样性为0.2528,各群体平均遗传多样性为
0.1117;物种水平的有效等位基因数为1.4473,平均值为1.1972。4个自然群体的基因分化系数Gst=
0.5297,即总的变异中有52.97%的变异存在于群体间,而群体内的遗传变异占总变异的47.03%,群体间遗
传距离平均值0.2187。也表明了夏蜡梅4个群体间出现了遗传分化。夏蜡梅群体间的基因流较低,Nm=
0.4450。聚类分析将4个种群聚为2支,且聚类结果表现出明显的地域性特征。作为狭域分布种,夏蜡梅各
群体间存在遗传分化和多样性程度不高,对夏蜡梅种群多样性的就地和迁地保护势在必行。
关键词:夏蜡梅;ISSR;RAPD;遗传多样性
中图分类号:Q949.67 文献标识码:A 文章编号:1000-3142(2013)01-0030-05
* Genetic diversityof four populations of Calycanthus
chinensis based on ISSR and RAPD markers
WANG Qiong1,YAO Qing-Ju1,XU Zeng-Lai 1*,
HU Jian-Guo2,YANG Chuang-Shu2
(1.Institute of Botany,Jiangsu Province &Chinese Academy of Sciences,Nanjing Botanical Garden Mem.Sun
Yat-sen,Nanjing 210014,China;2.Sat-owned South Yuntaishan Mountain Forestry Farm,Lianyungang 222062,China)
Abstract:Genetic diversities of 4populations 25individuals of Calycanthus chinensis were studied by ISSR and RAPD
marker.62loci were identified with 10simple sequence repeat primers screened from 60primers,out of which 41loci
were polymorphic and the percentage of polymorphic bands was 65.60%;52loci were identified with 10oligonucleotide
primers screened from 60primers,out of which 31loci were polymorphic and the percentage of polymorphic bands was
57.50%.Shannon’s indices of diversity(I)were 0.3737among the species level with the average of 0.1645among pop-
ulations.Nei’s gene diversity(h)was 0.2528among the species with the average of 0.1117among populations;and the
efective number of aleles(ne)was 1.4473among the species with the average of 1.1972among populations.Genetic
* 收稿日期:2012-05-28 修回日期:2012-08-09
基金项目:江苏省科技支撑计划项目(BE2008338);连云港市科技计划项目(CN0712)
作者简介:汪琼(1971-),女,安徽桐城人,硕士,研究方向为植物资源学,(E-mail)wqjan2002@yahoo.com.cn。
*通讯作者:徐增莱,博士,研究员,从事药用植物资源研究,(E-mail)xuzl5194@sohu.com。
variance analysis showed the coeficient of gene diferentiation(Gst)was 0.5297at species level,and the gene flow(Nm)
was 0.4450.Cluster analysis indicated that 4populations could be divided into 2groups and consistent with their geo-
graphical distribution.As a highly restricted geographical distribution species,the genetic diversity level of C.chinensis
was not high.It is necessary to take measures to protect in situ or ex situ endangered species.
Key words:Calycanthus chinensis;ISSR;RAPD;genetic diversity
夏蜡梅(Calycanthus chinensis)是蜡梅科(Ca-
lycanthaceae)夏蜡梅属(Calycanthus)多年生落叶
直立灌木,夏蜡梅属在我国为唯一分布种(蒋英和李
秉滔,1979)。为第三纪孑遗物种,我国二级保护的
珍稀濒危植物,仅分布于浙江省临安市和天台县的
狭小范围内,野生资源十分有限(章绍尧等,1995)。
夏蜡梅20世纪60年代初在我国浙江省首次被发
现,由我国植物学家郑万钧等(1963)作为新种发表。
当时将其置于美国蜡梅属下,命名为Calycanthus
chinensis W.C.Cheng et S.Y.Chang。后来基于花
部特征与美国蜡梅属存在显著差异,郑万钧先生主
张将成立夏蜡梅属(Sinocalycanthus W.C.Cheng
et S.Y.Chang),并将其定名为Sinocalycanthus
chinensis(Cheng et S.Y.Chang)W.C.Cheng et S.
Y.Chang。蒋英等(1976)则认为将夏蜡梅置于美国
蜡梅属是合理,应仍沿用最初的种名Calycanthus
chinensis Cheng et S.Y.Chang。2008年出版的
Flora of China对夏蜡梅的种名进行了修订,正式
命名为Calycanthus chinensis(W.C.Cheng &S.
Y.Chang)W.C.Cheng &S.Y.Chang ex P.T.Li
(Li &Bartholomew,2008)。
半个多世纪以来,一些学者就夏蜡梅的细胞学
和孢粉学(李林初,1986,1989)、生态学(徐耀良等,
1997;张宏伟等,1997)、遗传多样性(Fang et al.,
2008;Li et al.,2006)及保护生物学(张文标等,
2007)进行了研究。近年来,由于人类对自然资源不
合理利用日益加剧和环境变化,夏蜡梅对逆境的抗
性也引起了人们的关注(刘文莉等,2007,2008;柯世
省等,2007)。作为狭域分布种,夏蜡梅种群数量小,
野生植株的天然蕴藏量十分有限,其遗传多样性评
价是就地保护和迁地保护的基础,夏腊梅种群的遗
传多样性和遗传分化一直是其研究的核心内容。Li
等(2006)采用RAPD标记研究了夏腊梅种群的遗
传分化,12个引物共扩增出165个位点,种水平和
种群水平的多态位点百分率、Nei’s基因多样性指
数、Shannon信息指数分别为68.84%、0.2421、
0.3615和14.89%、0.0578、0.0843,遗传分化系数
和基因流分别0.7613和0.1568。Fan et al.(2008)
也采用RAPD标记研究了夏腊梅种群的遗传结构
和保护策略。22条引物共扩增出257个位点,种水
平和种群水平的多态位点百分率、Nei’s基因多样
性和 Shannon信息指数分别为40.9%、0.1641、
0.2386 和 59.1%、0.2097、0.3123,基 因 流 为
0.8944。以上结果表明夏腊梅种群的遗传多样性较
低。等位酶分析结果也表明夏腊梅种群内的遗传多
样性极低。本研究以大明山等4个夏蜡梅种群为材
料,采用ISSR标记和RAPD标记对夏蜡梅种群的
遗传多样性进行研究,为夏蜡梅资源的保护提供分
子生物学证据。
1 材料与方法
1.1实验材料
在夏蜡梅分布区浙江天台、大明山、双石和西天
目山采集4个夏蜡梅种群(表1),采摘其健康幼嫩
叶片,用变色硅胶迅速干燥,带回实验室,常温保存
备用。
表1 用于ISSR和RAPD标记夏蜡梅种群概况
Table 1 Status of 4populations of Calycanthus
chinensis used in ISSR and RAPD maker
编号
No.
采集地
Locality
样株数
No.of
individuals
TT 浙江天台 Tiantai,Zhejiang 12
DM 浙江大明山 Mountain Daming,Zhejiang 8
SS 浙江双石Shuangshi,Zhejiang 3
XTM 浙江西天目山 Mountain Xitianmu,Zhejiang 2
1.2实验方法
1.2.1总DNA的提取 采用北京百泰克生物技术
有限公司出品的新型快速植物基因组DNA提取试
剂盒(离心柱型)提取 DNA,并溶解于灭菌双蒸水
中,低温(-20℃)贮藏,备用。
1.2.2PCR扩增与检测
1.2.2.1ISSR的PCR扩增与检测 PE-9700PCR
仪上进行PCR,反应条件参照金则新等(2007)的方
法加以改进,20μL的反应体系包括1×Tag DNA
酶缓冲液(10mmol/L Tris-HCl,50mmol/L KCl,
131期 汪琼等:基于ISSR和RAPD标记的4个夏蜡梅种群的遗传多样性研究
0.1%Trion x-100,pH 8.4),2.5mmol/L MgCl2,1U
Tag酶,50ng模板,0.4μmol/L引物,各0.4mmol/L
的dATP,dGTP,dCTP和dTTP。PCR程序:首先95
℃预变性3min,95℃变性30s,然后58℃退火40s,
72℃延伸1min,35个循环,最后72℃保温7min,4
℃保存。PCR产物在1.2%的琼脂糖胶中电泳1h,
溴化乙锭(EB)染色,凝胶成像系统拍照。
1.2.2.2RAPD 的 PCR 扩增与检测 PE-9700
PCR仪上进行PCR,反应条件参照改进的张文标等
(2007)方法,20μL的反应体系包括1×Tag DNA
酶缓冲液(10mmol/L Tris-HCl,50mmol/L KCl,
0.1% Trion x-100,pH8.4),2.5mmol/L MgCl2,1
UTag酶,50ng模板,0.4μmol/L 引物,各0.4
mmol/L的dATP,dGTP,dCTP和dTTP。PCR程
序:95℃预变性3min,95℃变性30s,38℃退火40
s,72℃延伸1min,35个循环,72℃保温7min,4
℃保存。PCR产物在0.8%的琼脂糖胶中电泳1h,
溴化乙锭(EB)染色,凝胶成像系统拍照。
1.2.3引物筛选 筛选上海生物工程技术有限公司
设计生产的ISSR引物和RAPD引物各60个,选取
其中扩增条带丰富、信号强的10个引物简单重复序
列引物和10个寡聚核苷酸引物进行RAPD扩增。
1.3数据分析
根据电泳图谱中DNA条带的有无,将ISSR和
RAPD扩增结果转化为二元数据(有带的量化为1,
无带的量化为0),计算多态性。应用POPGENE软
件采用UPGMA法计算品种的遗传相似系数,并对
种群间的亲缘关系进行聚类分析。
2 结果与分析
2.1ISSR-PCR扩增结果
10条ISSR引物共扩增出62个位点,平均每条
引物扩增出6.2个位点,其中多态性位点41个,多
态位点百分率(Percentage of polymorphic sites,
PPS)为65.60%(表2)。扩增条带大小集中在1 500
~500bp之间,其中引物ISSR-35扩增出的位点和多
态性位点均最多,分别为8个和6个;ISSR-35扩增出
的多态性位点百分率最高,达80.00%。ISSR62和
UBC-815扩增出多态性位点的百分率最低,仅
50.00%。图1显示了引物ISSR-62的扩增结果。
2.2RAPD-PCR扩增结果
10条ISSR引物共扩增出52个位点,平均每条
图1 ISSR-62(上)和RAPD-41(下)的夏蜡梅种群扩
增结果 1-12.天台种群;13-20.大明山种群;21-23.双石种
群;24-25.西天目山种群。种群编号下同。
Fig.1 Products generated by ISSR-62 (up)and
RAPD-41(down) 1-12.Individuals of population of Tian-
tai;13-20.Individuals of population of Mountain Daming;21-
23.Individuals of population of Shuangshi;23-24.Individuals of
population of Mountain Xitianmu.The same below.
表2 ISSR的引物序列及扩增结果
Table 2 ISSR primers and their amplification results
引物
Primer
序列
(5′-3′)
Sequence
(5′-3′)
总位点数
Total
sites
多态性
位点数
Polymorphic
sites
多态位点
百分率
Percentage
of polymorphic
sites(%)
ISSR-1 (AC)8T 7 5 71.43
ISSR-26 (AC)8CC 8 6 75.00
ISSR-35 (AG)8TA 5 4 80.00
ISSR-42 (AC)8CG 5 3 60.00
ISSR-45 (AC)8GC 6 4 66.67
ISSR-47 (AC)8GT 5 3 60.00
ISSR-62 (AG)8CA 6 3 50.00
UBC-807 (AC)8T 7 5 71.43
UBC-810 (GA)8T 7 5 71.43
UBC-815 (CT)8G 6 3 50.00
平均Average 6.2 4.1 65.60
引物扩增出5.2个位点,其中多态性位点31个,多
态百分率为57.50%(表3)。扩增条带大小集中在
2 000~500bp之间。其中引物RAPD-39扩增出的
位点和多态性位点均最多,分别为8个和6个;多态
性位点的百分率也最高,达75.00%。RAPD-41扩
增出多态性位点的百分率最低,仅40.00%。图1
显示了引物RAPD-41的扩增结果。
2.3夏蜡梅种群遗传多样性分析
基于ISSR和RAPD标记的夏蜡梅各种群的遗
传多样性和分化指数见表4。根据PPB值,各种群
遗传多样性高低排列为:西天目山<双石<天台<
23 广 西 植 物 33卷
大明山。而根据Shannon多样性指数(I)值各种群
遗传多样性高低排列与按PPB 值的排序相同。4
个夏蜡梅种群 Shannon多样性指数变化范围为
0.0736~0.2989,物种水平多样性为0.3737;Nei’s
基因多样性为 0.0504~0.2012,物种水平为
0.1117;有效等位基因数的变异范围为1.0861~
1.3536,物种水平的有效等位基因数为1.4473;观
察等位基因数为1.1217~1.5652,种水平为1.7043。
表3 RAPD的引物序列及扩增结果
Table 3 RAPD primers and their amplification results
引物
Primer
序列 (5′-3′)
Sequence(5′-3′)
总位点数
Total sites
多态性位点数
Polymorphic sites
多态位点百分率 (%)
Percentage of polymorphic sites
RAPD-35 AGGTGACCGT 4 2 50.00
RAPD-36 CCACAGCAGT 4 2 50.00
RAPD-39 GTTGCGATCC 8 6 75.00
RAPD-41 ACCGCGAAGG 5 2 40.00
RAPD-42 ACCGCGAAGG 6 4 66.67
RAPD-43 GTGAGGCGTC 4 2 50.00
RAPD-46 GTCGCCGTCA 5 3 60.00
RAPD-48 TCTGGTGAGG 4 2 50.00
RAPD-49 GATGACCGCC 6 4 66.67
RAPD-50 TGAGCGGACA 6 4 66.67
平均Average 5.2 3.1 57.50
表4 基于ISSR标记和RAPD标记的夏蜡梅种群的遗传多样性
Table 4 Genetic diversity in C.chinensis populations based on ISSR and RAPD marker
种群编号
No.
多态位点数
PPL
多态位点百分数
PPS(%)
观察等位基因数
Na
有效等位基因数
Ne
Nei’s基因多样性
H
Shannon信息指数
I
TT 38 33.04 1.3304 1.2069 0.1174 0.1735
DM 65 56.02 1.5652 1.3536 0.2012 0.2989
SS 21 18.26 1.1826 1.1421 0.0777 0.1119
XTM 14 12.17 1.1217 1.0861 0.0504 0.0736
平均值Average value 34.5 29.87 1.3000 1.1972 0.1117 0.1645
物种水平Species level 81 70.43 1.7043 1.4473 0.2528 0.3737
表5 四个夏蜡梅种群的遗传相似系数和遗传距离
Table 5 Nei’s genetic identity and genetic
distance of 4populations of C.chinensis
TT DM SS XTM
TT **** 0.8040 0.6792 0.6825
DM 0.2181 **** 0.9229 0.8862
SS 0.3868 0.0802 **** 0.9077
XTM 0.3820 0.1208 0.0968 ****
****号上方为遗传相似系数,下方为遗传距离。
Populations 1-4are the same as those in Table 1;Nei’s genetic i-
dentity(above diagonal)and genetic distance(below diagonal).
2.4夏蜡梅种群的聚类分析
基于ISSR和RAPD标记的4个夏蜡梅种群遗
传距离和遗传相似系数见表4。大明山种群和双石
种群的遗传距离最近,仅为0.0802;天台种群和双
石种群的遗传距离最远,为0.3868;遗传距离平均
值为0.2141。
基于遗传相似系数和遗传距离,UPGMA法聚
类分析,得到了4个夏蜡梅种群的聚类图(图2)。
大明山种群和双石种群首先聚为一支,然后与西天
目山种群聚到一起;天台种群与其他种群的亲缘关
系较远,单独聚为一支。
2.5夏蜡梅种群的基因分化
用POPGENE软件在假设遗传平衡条件下对4
个夏蜡梅种群进行分析,计算出种水平基因多样性
(Ht,gene diversity among populations)和种群内基
因多样性(Hs,gene diversity within populations)分别
为0.2371和0.1117。种群间基因分化系数(Gst)为
0.5291,即在总的遗传变异中有52.91%存在于群体
间,而47.09%的变异都存在于种群的内部。基因流
(Nm)为0.4450,说明种群间的遗传交换较少。
3 讨论
3.1夏蜡梅种群的遗传多样性
遗传多样性分析显示4个夏蜡梅种群ISSR和
RAPD标记多态性条带百分率为70.43.%,但各种
331期 汪琼等:基于ISSR和RAPD标记的4个夏蜡梅种群的遗传多样性研究
图2 4个夏蜡梅种群基于遗传相似系数的聚类图
Fig.2 Dendrogram based on the genetic similarity
coefficients of 4populations of C.chinensis
群内多态性条带百分率的平均值仅为29.87%,其
中西天目山种群内PPB值仅12.17%,大明山种群
的PPB值最高,也仅为56.02%;Nei’s基因多样性
(H)和Shannon信息指数(I)仅0.1117和0.1645,
这表明夏蜡梅的遗传变异主要存在于种群间。其种
群内部基因分化系数仅为0.5291,也表明了这一
点。4个种群遗传距离的平均值仅为0.2141;天台
种群和双石种群的遗传距离最远,为0.3868,大明
山种群和双石种群的遗传距离最近,仅为0.0802。
与Fan et al.(2008)的RAPD研究结果(种群水平
PPB、H、I分别为40.9%、0.1644和0.2386)基本
一致,但Li et al.(2006)的RAPD实验结果高(种群
水平 PPB、H、I 分 别 为 14.49%、0.0578 和
0.0843);也比周世良等(2002)通过14个等位酶检
测到的种群水平多态位点百分率为0~13%。作为
一种狭域分布的树种,夏蜡梅种群基因水平的遗传
多样性不高已是公认的事实。但陈香波等(2010)通
过对夏蜡梅自然分布区8个群体花部、叶部、果部和
种子的22个性状系统调查与分析发现,夏蜡梅天然
群体存在丰富的表型变异,20个表型性状在群体间
与群体内差异均达到极显著水平。可能是因为形态
变异更多的是环境饰变而非遗传物质的改变。
4个夏蜡梅种群的基因流为0.4450。比Fan
(2008)的研究结果(Nm=0.8898)低。种群间基因
分化系数(Gst)为0.5291,表明种群间和种群内遗
传变异相近。夏蜡梅是以异交为主、自交亲合、混合
交配自然繁育系统。异交主要依赖昆虫传粉,这种
传粉方式不利于花粉的长距离传播和远距离种群的
基因交流,并有可能导致种群对局部生态环境的适
应,进而促使种群间的遗传隔离(李均敏等,2004),
从而使分布地域狭窄、生境片段化的夏蜡梅种群的
濒危程度加剧。
3.2夏蜡梅种群的保护策略
本研究及众多研究结果均表明夏蜡梅种群的遗
传多样性不高。作为第三纪孑遗植物,狭域分布的
珍稀濒危物种,对夏蜡梅种质资源的保护势在必行。
张文标等(2007)的研究发现不同生境的夏蜡梅具有
不同的遗传多样性,且在各生境间发生了明显的遗
传分化。因此,选择种群密度大,生境丰富的地区建
立保护区是夏蜡梅种群保护的有效方式。同时,迁
地保护也不能忽视,对于一个基因流比较小,Gst值
为0.60的物种,至少要取样6个种群才能保存其
95%的遗传多样性;而对Gst值为0.20的物种,要
达到同样的效果只需要取样2个种群就足够(Ham-
rik et al.,1991)。根据夏蜡梅的Gst值,我们认为
必须保存所有分布地的种群才可以保存其种质的多
样性。此外,夏蜡梅叶大而色翠,晚春初夏开花,花
大,花被片螺旋状着生于杯状或坛状的花托上,外花
被片白色,倒卵形或倒卵状匙型,边缘紫红色,有脉
纹;内层花被片中部以上淡黄色,中部以下白色。且
其果很像一只精美的花瓶,春夏可赏花,秋天能观
果,观赏价值高(蒋英等,1979)。因此,加快夏蜡梅
作为园林观赏植物的推广引用和种质创新进程,对
于夏蜡梅资源的保护同样具有重要而深远的意义。
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