全 文 :广 西 植 物 Guihaia Jan.2013,33(1):35-41 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2013.01.005
王洁,杨旭,杨志玲.不同产区厚朴nrDNA ITS序列分析及亲缘关系鉴定[J].广西植物,2013,33(1):35-41
Wang J,Yang X,Yang ZL.NrDNA ITS sequences analysis and genetic relationship identification of Magnolia officinalis from different geographical
regions[J].Guihaia,2013,33(1):35-41
不同产区厚朴nrDNA ITS序列
分析及亲缘关系鉴定
王 洁,杨 旭,杨志玲*
(中国林业科学研究院 亚热带林业研究所,浙江 富阳311400)
摘 要:以陕西、四川、浙江、重庆、福建、广西主产区的11个种源厚朴为材料,采用PCR直接测序法,测定不
同产区厚朴的核糖体DNA ITS区序列,并结合GeneBank中相关植物的ITS序列(以同属近缘物种辛夷为外
类群),应用Kimura-2遗传距离与NJ系统树分析法对不同产区厚朴的亲缘关系进行分析。结果表明:11个
产区厚朴的ITS全序列长度介于593~600bp,其中,ITS1长度为214~217bp,G+C含量为54.42%~
55.35%,ITS2长度为215~219bp,G+C含量为59.82%~60.95%;ITS序列共有36个变异位点,均出现在
ITS1(7个)和ITS2(29个)序列中,虽然位点变异与部分叶形变化出现吻合,但无必然联系;序列间遗传分化
距离为0.000~0.02792,11个产区厚朴构成3个分支,显示出产区间厚朴的亲缘关系,其中陕西洋县
(SXYX)、陕西西乡(SXXX)、福建武夷山(FJWYS)及四川彭州(SCPZ)四个产区ITS序列完全一致。nrDNA
ITS序列分析可作为厚朴不同产区亲缘关系鉴定的手段。
关键词:nrDNA ITS序列;厚朴;系统聚类;亲缘关系
中图分类号:Q789 文献标识码:A 文章编号:1000-3142(2013)01-0035-07
* NrDNA ITS sequences analysis and genetic rela-
tionshipidentification of Magnolia oficinalis
from different geographical regions
WANG Jie,YANG Xu,YANG Zhi-Ling*
(Research Institute of Subtropical Forestry,Chinese Academy of Forestry,Fuyang 311400,China)
Abstract:Magnolia officinalis of 11main locality of growth(sach as Shanxi,Sichuan,Zhejiang,Chongqing,Fujian
and Guangxi and so on)were used in this paper to find the divergence of nrDNA ITS(internal transcribed spacer)se-
quences for M.officinalis distributed in different areas and to provide references for the identification of the genetic
relationship between different geographical regions.Their ITS sequences with direct sequencing were determined and
their relationship was analyzed using Kimura-2genetic distance and NJ(neighbor-joining)phylogenetic tree.Mean-
while,M.liliiflora was used as the out-group.The results showed that the whole length of ITS sequences of M.
officinalis was 593-600bp,in which the length of ITS1and ITS2were 214-217bp and 215-219bp,respective-
ly.The contents of G+C were 54.42%-55.35%and 59.82%-60.95%,respectively.The length of 5.8Swas
164bp.A total of 36variable sites(ITS1,7;ITS2,29)were examined in ITS sequences,and 5.8Ssequence was high-
ly conserved.The sites of variation consistent with changes of partial leaf shape,but they had not necessary linkage.
* 收稿日期:2012-05-31 修回日期:2012-07-02
基金项目:国家科技部公益性林业专项(200704022)
作者简介:王洁(1986-),女,山东桓台人,硕士,主要从事药用植物,(E-mail)wo153215@126.com。
*通讯作者:杨志玲,博士,(E-mail)zlyang0002@126.com。
The genetic differentiation distance between sequences ranged from 0.000to 0.02792.M.officinalis of 11main
producing regions constituted three branches,which indicated the genetic relationship of M.officinalis between dif-
ferent producing areas,in which,Yangxian(SXYX),Xixiang(SXXX),Wuyishan(FJWYS)and Pengzhou(SCPZ)ITS
sequences were the same.Therefore,nrDNA ITS sequence analysis could be applied to the identification of genetic re-
lationship for M.officinalisin different producing areas.
Key words:nrDNA ITS sequences;Magnolia officinalis;hierarchical clustering;genetic relationship
厚朴(Magnolia officinalis)属木兰科(Mag-
noliaceae)木兰属(Magnolia)落叶乔木,为国家二级
濒危保护植物(傅立国,1991)。其树皮、根皮、花、果
均可入药,具有温中理气,燥湿健脾,消痰化食之功
效(Forrest,1995),是我国著名中药材。以往,厚朴
药材多来源于野生资源,受其濒危现状的影响,目前
所用厚朴药材几乎都来源于栽培(黄文华等,2005)。
栽培厚朴不但缓解了厚朴药材匮乏局面,也为其现
代化生产提供了来源保障,从根本上促进了厚朴资
源的持续利用。随着中药生产体系的建立和 GAP
认证的进行,栽培厚朴的现实问题亦凸显,如盲目引
种、种源来源不明等,但却少有此类问题的研究报
道。对栽培厚朴来源及引种关系进行鉴定和区分,
已成为现在亟待解决的问题。
核糖体DNA内部转录间隔区(Internal tran-
scribed spacer,ITS)序列进化较快,且与植物生活
型成相关性,ITS标记技术从诞生之初就备受人们
的关注和推崇(Ainounce et al.,1997),在植物资源
鉴定(Yang et al.,2007;林珊等,2007)、系统发育
(Yamaji et al.,2007)、遗传多样性检测(Baraket et
al.,2009)等研究领域发挥了重要作用。近年来,已
广泛用于种间或种内遗传多样性和系统发育关系分
析,如严寒静等(2008)便测定了10个种源何首乌
(Fallopia multiflor)的核糖体DNA ITS区序列,
结果支持将田阳何首乌作为何首乌的一个变种———
棱枝何首乌;王晓玲等(2008)对海南7个主要普通
野生稻(Oryza rufipogon)核糖体基因(nrDNA)的
内转录间隔区(ITS)全序列信息进行比较分析,为
鉴别不同居群的普通野生稻提供了分子依据;林珊
等(2007)则通过分析不同来源莲(Nelumbo nuci-
fer)的ITS序列,为莲的分子鉴别提供依据。而对
于厚朴却少有此类问题的研究报道。郭宝林等
(2000)和苏应娟等(2002)曾分别对厚朴的道地性及
伪品、混淆品进行了鉴定分析,但均未涉及产区间
(或种源间)厚朴差异鉴别,也未涉及厚朴ITS序列
分析。本研究对不同产区的11个厚朴材料进行
nrDNA ITS序列测定与分析,从分子水平比较不同
产区厚朴的差异,为产区间厚朴的亲缘关系及种质
资源道地性的鉴定提供相关参考。
1 材料和方法
1.1供试材料
用于厚朴ITS序列分析的11组样品来自四
川、陕西和浙江等6省、直辖市主要产区(表1)栽培
种群。于2011年5~6月,从树龄20~40a,生长状
况较一致的厚朴植株上采集,每个种群中分别选择
5个单株进行采集,保证样本个体间距大于50m,
以最大限度排除亲缘性。各样品均以新鲜叶片作为
材料,采集后立即用硅胶干燥,带回实验室置于-70
℃低温冰箱保存备用。凭证标本存于中国林业科学
研究院亚热带林业研究所国家林业局重点实验室。
1.2DNA的提取
采用改进的SDS-CTAB结合法,提取基因组
DNA。利用紫外可见分光光度计检测DNA的纯度
和浓度,1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量,-4℃
保存备用。
1.3nrDNA ITS序列扩增及纯化测序
ITS片段采用整段扩增(包括ITS1、5.8S、
ITS2),扩增引物为 Wendel et al.(1995)设计的通
用 引 物 Pa (5′ GGAAGTAAAAGTCGTAA-
CAAGG-3′)和 Pb(5′TCCTCCTCCGCTTATT-
GATATGC-3′),由上海生工生物工程技术服务有
限公司合成。为保证序列的准确性,进行了双向测
序。ITS扩增反应体系为50μL,包括1.5mmol·
L-1 MgCl2,0.2μmol·L-
1引物,0.05U·μL-
1 Taq
酶,0.2mmol·L-1 dNTP,3ng·μL-
1模板DNA,1
×Buffer;扩增程序:95℃预变性5min,94℃变性
60s,64℃退火30s,72℃延伸60s,共38个循环,
然后72℃延伸8min。PCR产物经纯化试剂盒(美
国Axygen)纯化后直接用于测序(测序反应由上海
生工生物工程技术服务有限公司完成,测序仪器为
ABI 3730DNA测序仪)。
63 广 西 植 物 33卷
1.4序列分析
通过序列拼接软件CExpress对正反测序序列
进行拼接,并手工校对错误碱基;以Clustal X软件
(Thompson et al.,1997)完成拼接后DNA 序列比
对和排序;使用分子软件 Mega(version 4.0)
(Tamura et al.,2007)分析碱基组成、GC含量及
DNA序列差异百分率和转换(或颠换)数,并以
Kimura-2参数计算不同产区厚朴ITS序列差异,
NJ法构建系统发生树,系统树各分支的置信度用
自举检验法(bootstrap test)检验,共进行1 000
次循环,以评价各分支的系统学意义与可靠性。
以辛夷(M.liliiflora)为外类群(GeneBank注
册号:EU593548),分析和确定厚朴nr DNA ITS序
列中ITS1、ITS2及5.8SrDNA范围。每个产地厚
表1 供试厚朴样品来源及产地特征
Table 1 Characteristics on each location and the samples of Magnolia officinalis
样品编号
Code
产地
Location
叶形
Shape of leaf
纬度
Latitude(N)
经度
Longitude(E)
海拔 (m)
Altitude
凭证
Voucher
SCDY 四川大邑 凹叶 30°38′ 103°34′ 567 DY-1
SCPZ 四川彭州 尖叶 30°59′ 103°55′ 614 PZ-2
CQFJ 重庆奉节 尖叶 31°01′ 109°27′ 282 FY-2
GXLS 广西龙胜 凹叶 24°47′ 110°00′ 338 LS-4
FJWYS 福建武夷山 尖叶 27°45′ 118°02′ 322 WYS-3
FJPC 福建浦城 中间型 27°54′ 118°33′ 270 PC-2
ZJSC 浙江遂昌 中间型 28°35′ 119°15′ 397 SC-1
ZJJN 浙江景宁 凹叶 27°57′ 119°33′ 315 JN-2
SXXX 陕西西乡 尖叶 32°57′ 107°42′ 506 XX-3
SXYX 陕西洋县 尖叶 33°11′ 107°36′ 466 YX-1
SXCG 陕西城固 中间型 33°06′ 107°22′ 568 CG-3
表2 ITS1和ITS2片段长度及GC含量
Table 2 Lengths and GC content of
ITS1and ITS2sequences
样品编号
Code
ITS1 ITS2
Length GC content(%)Length GC content(%)
SCDY 215 54.42 217 59.91
SCPZ 214 55.14 215 60.47
CQFJ 214 55.14 218 60.09
GXLS 215 54.88 215 60.47
FJWYS 214 55.14 215 60.47
FJPC 214 55.14 216 60.65
ZJSC 217 55.30 219 59.82
ZJJN 215 54.88 216 60.65
SXXX 214 55.14 215 60.47
SXYX 214 55.14 215 60.47
SXCG 215 55.35 219 61.19
注:样品编号同表1。
Note:Codes of samples are the same to Table 1.
朴样品至少进行3次测序,并将3次结果进行相互
验证。
2 结果与分析
2.1nrDNA ITS序列长度及碱基频率
厚朴nrDNA ITS全序列长度为593~600bp
(不考虑Gap),其中5.8SrDNA编码区极为保守,
所测11个产区样品均无变异位点,片段长度为164
bp;而ITS1和ITS2序列表现出产地差异,长度为
214~217bp和215~219bp。
不同序列中碱基频率及含量见表2。由表2可
以看出,不同产地厚朴ITS1和ITS2碱基含量呈现
差别,ITS1中GC含量为54.42%~55.35%,ITS2
中GC含量为59.82%~60.95%。与之相比,5.8S
rDNA 编 码 区 碱 基 组 成 无 差 异,GC 含 量 均
为46.95%。
2.2ITS序列变异位点
对11个产区厚朴ITS序列进行排列比对(图
1),Gap做缺失处理,发现11组厚朴样本ITS序列
共有36个变异位点,并出现 A-T、G-A、G-T、G-C
碱基替换和碱基插入等几种变异类型。所有的变异
位点和变异类型均发生在ITS1和ITS2序列。其
中,ITS1序列变异位点为7个,简约信息位点1个,
分别占ITS1序列长度的(排序长度为219bp)
3.20%和0.46%;ITS2变异位点29个,5个为信息
位点,分别占ITS2序列长度的(排序长度为226
bp)12.83%和2.21%。总体来看,ITS2序列所包
含的信息含量明显高于ITS1序列。
2.3不同产区厚朴ITS序列异同
统计 分 析 表 明,厚 朴 ITS 全 序 列 除 洋 县
(SXYX)、西乡(SXXX)、武夷山(FJWYS)以及彭州
(SCPZ)四个产区样本完全一致外,其它样本ITS1
731期 王洁等:不同产区厚朴nrDNA ITS序列分析及亲缘关系鉴定
图1 11个产区厚朴ITS序列排列
Fig.1 ITS sequences of 11 M.officinalis samples
和ITS2序列都存在差别(图1)。ITS1序列中,遂
昌(ZJSC)厚朴与其它厚朴差异最大,不但出现GCT
三个碱基的插入(1~3bp,Gap做缺失处理,下同),
而且还有一个 A-T碱基(14bp)的替换;大邑厚朴
(SCDY)则有一个A碱基(15bp)的插入和一个G-
A(16bp)碱基的替换;景宁(ZJJN)和龙胜(GXLS)
厚朴均在15bp处存在1个A碱基的插入,而城固
(SXCG)厚朴在58bp处存在一个 G碱基的插入,
其余样本ITS1序列无差异。除 A碱基插入外,其
它碱基变异均可作为差异组的识别特征。ITS2序
列中,各厚朴样本差异较大,具体见表3。
2.4ITS序列与叶形的关系
以厚朴采集时叶片的形状作为外观形态变异指
标,发现SXXX,SXYX,FJWYS,SCPZ四个厚朴样
本叶形也完全一致,均为尖叶;而在15bp处具A碱
基插入的厚朴样本(SCDY,GXLS,ZJJN)叶形也相
似,为凹叶。
2.5不同产地厚朴遗传距离及系统树构建
通过序列对比,利用 MEGA4.0 软件基于
Kimura-2参数分析不同产地厚朴间的遗传距离(表
4),可看出SXXX,SXYX,FJWYS,SCPZ这4个厚
朴材料间的遗传距离为零,暗示其存在亲缘关系,可
83 广 西 植 物 33卷
以说这4个产地间存在引种关系或来源相同;遂昌
厚朴(ZJSC)与其它材料间的遗传距离都较远,介于
2.096%~2.792%;除此之外,剩余材料间的遗传距
离介于0~2.792%之间,且不表现同一省份材料具
有较近遗传距离,也反映出厚朴全国引种栽培的现
状。不同产区间厚朴ITS序列的相似性变化趋势
表3 不同产地厚朴ITS序列变异
Table 3 Variation of ITS sequences in different M.officinalis samples
位点Locus
样本编号Code
SCDY CQFJ GXLS FJPC ZJSC ZJJN CP SXCG
变异类型/信息位点
Type/parsimony-
informative site
ITS1 1 - - - - G - - - IN/SN
2 - - - - T - - - IN/SN
3 - - - - C - - - IN/SN
14 A A A A T A A A RE/SN
15 A - A - - A - - RE/IL
16 A G G G G G G G RE/SN
58 - - - - - - - G IN/SN
ITS2 531 T C T T T T T T RE/SN
532 C A C C C C C C RE/SN
534 A G A A A A A A RE/SN
536 G - G G G G G G MI/SN
537 T - T T T T T T MI/SN
546 G - G G G G G G MI/SN
554 - - - - - G - - IN/SN
557 G A G G G G G G RE/SN
560 T A T T T T T T RE/SN
561 - - - - - - - C IN/SN
562 - - - - - - - C IN/SN
563 - - - - - - - C IN/SN
566 C A C C C C C C RE/SN
576 - - - C - - - - IN/SN
593 G C C C C C C C RE/SN
596 A A A A A A A G RE/SN
597 A G G G G G G A RE/IL
598 A G G G G G G G RE/SN
599 G A A A A A A G RE/IL
600 G G G G G G G A RE/SN
601 A G G G G G G G RE/SN
602 G A A A A A A G RE/IL
603 G A A A A A A A RE/SN
604 A G - - G - - A RE,MI/IL
605 A G - - T - - - RE,MI/SN
606 - A - - A - - - IN/IL
607 - G - - T - - - IN/SN
608 - G - - - - - - IN/SN
609 - A - - - - - - IN/SN
注:CP,ITS序列完全相同的样本并为一组(包括SXXX,SXYX,FJWYS,SCPZ);IN,碱基插入;RE,碱基替换;MI,碱基缺失;SN,单碱基变
异,非信息位点;IL,简约信息位点。
Note:CP,the identical sequences of ITS for a group(combine SXXX,SXYX,FJWYS,SCPZ);IN,insert base;RE,replace base;MI,missing
base;SN,the variation of single base,no information site;IL,parsimony-informative site.
与遗传距离变化趋势相符(表4)。
基于遗传距离构建11组厚朴样本的系统发生
树(图2),从图2可见,11个厚朴样本被分为3支。
其中,遂昌厚朴(ZJSC)分化最明显,单独聚为一支
(Ⅰ);龙胜(GXLS)和景宁(ZJJN)厚朴先聚在一起
(其自展支持率为 76%),然后与大邑 (SCDY)
(100%)、城固(SXCG)(100%)厚朴聚在一起组成
分支Ⅱ;剩余样本组成分支Ⅲ(100%)。从支持率来
931期 王洁等:不同产区厚朴nrDNA ITS序列分析及亲缘关系鉴定
表4 基于Kimura-2参数不同产区厚朴ITS序列间差异性和相似性 (%)
Table 4 ITS sequence genetic distance and similarity of M.officinalis estimated with Kimura-2-parameter methods
编号No. SXCG SCDY CQFJ ZJJN GXLS SCPZ FJPC ZJSC SXXX SXCG SCDY
SXCG 99.891 98.554 99.885 99.893 98.632 98.639 97.408 98.632 98.632 98.632
SCDY 0.109 98.123 99.946 99.988 98.241 98.401 97.442 98.241 98.241 98.241
CQFJ 1.446 1.877 98.129 98.168 99.914 99.909 97.904 99.914 99.914 99.914
ZJJN 0.115 0.054 1.871 99.944 98.169 98.204 97.386 98.169 98.169 98.169
GXLS 0.107 0.012 1.832 0.056 98.206 98.48 97.208 98.206 98.206 98.206
SCPZ 1.368 1.759 0.086 1.831 1.794 99.965 97.703 100.00 100.00 100.00
FJPC 1.361 1.599 0.091 1.796 1.521 0.035 97.601 99.965 99.965 99.965
ZJSC 2.592 2.558 2.096 2.614 2.792 2.297 2.399 97.703 97.703 97.703
FJWYS 1.368 1.759 0.086 1.831 1.794 0.000 0.035 2.297 100.00 100.00
SXXX 1.368 1.759 0.086 1.831 1.794 0.000 0.035 2.297 0.000 100.00
SXYX 1.368 1.759 0.086 1.831 1.794 0.000 0.035 2.297 0.000 0.000
注:样品编号同表1。 Note:Codes of samples are the same to Table 1.
图2 11个厚朴样本ITS序列的NJ系统树
Fig.2 NJ system tree based on ITS sequences
for 11 M.officinalis samples
看,Ⅱ和Ⅲ均为高度稳定分支,支持率为100%。
3 结论与讨论
3.1nrDNAITS序列对于不同产区厚朴的鉴别
rDNA在不同物种间存在丰富变异,核苷酸序
列变化大,可以提供详尽的遗传学信息(Schmidt,
2000),相对于mtDNA(线粒体DNA),其受到细胞
核保护机制的保护,进化过程稳定,且其ITS1、ITS2
序列的间隔区(18S、5.85、26SrDNA)极为保守,能
够用通用引物进行扩增及直接测序(Ainounce &
Bayer,1998;Baraket et al.,2009)。因此,非常适用
于种以上水平的系统发育和分类鉴定研究,如珠母
贝属(Pinctada)、紫苏属(Perill)、冬青属(Ilex)等
(罗玉明等,2006;Gottlieb et al.,2005)。但在鉴别
种内差异方面,其应用价值则因种而异(Ainounce
et al.,1997;Francisco-Oetegaet al.,1997)。本文
中厚朴nrDNAITS序列变异位点较多(ITS1变异
位点7个,ITS2变异位点29个),并且变异类型多
样(包括A-T、G-A、G-T、G-C等碱基替换和碱基插
入等),极大地方便了碱基序列多态信息的判读,即
多数被检测的厚朴样本ITS序列相对于其它产区
厚朴具有丰富的碱基变异,并且大部分变异碱基可
作为其识别特征。如城固(SXCG)厚朴便有10个
变异位点,其中6个可作为识别特征;遂昌(ZJSC)
厚朴也有6个变异位点,并且全部可以作为其识别
标志。可见,nrDNAITS序列分析对于不同产地厚
朴的鉴定具有一定指导意义,可用于其鉴定研究。
3.2ITS序列与表型的关系
厚朴具有丰富的遗传变异,不同地区品种间差
异较大,如根据叶子的形态便可分为凹叶、尖叶及中
间型。本研究所采用的厚朴样本也包含这几种叶
形,但各叶形间没有ITS序列上的相关性,且根据
Kimura-2参数计算的不同产地厚朴间的遗传距离
也未因叶形形态而表现较近遗传距离(即同样表现
中间型的遂昌厚朴、城固厚朴、浦城厚朴间具有相对
较远的遗传距离)。现在有研究发现,厚朴叶形的表
现具有时间特征,一年生厚朴并未有叶形上的表现,
而是随生长时间的增长逐渐表现出差异,并最终成
为种源间及家系间的重要生理性状指标(斯金平等,
2001)。同时也有研究指出叶片性状还受地理位置、
生境条件和气候特性等综合环境影响而表现出差异
性(徐德聪等,2005)。因此,本文推测,受不同地区
气候条件的限制,加之所采不同产区的厚朴,苗木还
处在生长期,部分叶片形态特征还未表现完全,现在
所识别的叶形性状只是其叶形变化过程中的不完全
性状表现。这也指出仅依靠材料的叶形判断其归属
地及质量存在不合理性,厚朴种内叶形的变化并不
04 广 西 植 物 33卷
足以成为其产区分类的主要区别特征,而应从其内
部分子结构分析,特别是碱基序列差异入手,合理准
确地对不同产区厚朴做出评价。
3.3ITS序列的聚类及亲缘关系分析
通过NJ系统聚类分析发现,11个产区被大体
聚为3类(图2),但并未表现出地理距离上的相关
性,这与产地间厚朴的引种种植有关(斯金平等,
2001)。以安康为例,其是陕西厚朴的道地产区,包
括城固(SXCG)、洋县(SXYX)、西乡(SXXX)厚朴,
但从聚类分析发现,城固厚朴明显区别于西乡和洋
县厚朴,相反道地产区浦城(FJPC)、四川部分产区
厚朴(SCPZ)却与西乡、洋县聚为一类,表明其与安
康厚朴间的引种关系,因此,可将城固厚朴从安康厚
朴中去除,将其与景宁厚朴(ZJJN)归为一类(即温
朴),以纯化安康厚朴道地性来源。同时,浦城厚朴
与安康厚朴的聚类表现,也肯定了两者的亲缘关系。
至于遂昌厚朴(ZJSC),其亲缘关系上与其它产区厚
朴都相距较远,推测其来源偏向野生厚朴。由于厚
朴在自然条件下存在生殖障碍,而不同的生长阶段
和环境条件对厚朴形态影响很大,因此,完全依据形
态特征很难对其亲缘关系做出准确鉴定,而 DNA
分子标记在物种的不同发育阶段、不同的环境条件
之间保持均一稳定,现在可被用于厚朴的亲缘关系
及种质资源道地性的鉴定。本文特以洋县厚朴为安
康厚朴的代表,将其ITS序列提交至GeneBank,获
得安康厚朴ITS序列注册号(HM049633),为不同
产地厚朴的选择及其来源鉴别提供参考佐证。
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