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节瓜及近缘葫芦科作物种质资源rDNA-ITS序列分析与系统进化研究



全 文 :植物遗传资源学报 2014,15(5) :1096-1106
Journal of Plant Genetic Resources DOI:10. 13430 / j. cnki. jpgr. 2014. 05. 026
收稿日期:2013-11-17 修回日期:2014-03-17 网络出版日期:2014-08-07
URL:
基金项目:国家自然科学青年基金(31311643) ;广东省自然科学博士启动基金(10451064001006063) ;广东省农业科学院院长基金(201007)
第一作者研究方向为蔬菜遗传育种与分子生物学技术。E-mail:zhaoqin0802@ 126. com
节瓜及近缘葫芦科作物种质资源
rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
赵 芹1,谢大森1,何晓明1,陈仁芳2,彭庆务1,罗少波1
(1广东省农业科学院蔬菜研究所,广州 510640;2西南大学生物技术学院 /农业部蚕桑学重点开放实验室,重庆 400715)
摘要:通过 PCR扩增获得了 56 份节瓜种质资源及 7 份相关瓜类种质资源的 rDNA-ITS序列,测序后结合 GenBank中 34
份葫芦科作物的 ITS序列,利用生物信息学软件分析序列长度、变异位点、G + C 含量、遗传分歧、同源性百分比差异、系统
进化关系。节瓜种质资源 ITS基本序列全长 612 ~ 617 bp,G + C 含量 59. 97%~ 61. 07%,供试材料间共 96 个变异位点,其
中一些变异位点有明显的种性特征,可作为特异 DNA指纹鉴别位点。基于 ITS序列差异,56 份节瓜材料聚为 5 大类,其中
12 - 2 - 3 材料为单独一个分支,黑毛节瓜 H2251 为第二分支,H5FA为第三分支,剩余节瓜材料聚为第四、五分支。节瓜材
料 12 - 2 - 3 与其他材料遗传分歧最大,农艺性状与抗性也差异较大,可用作节瓜杂交育种的亲本以扩大选择范围。节瓜
的系统位置排列在 Indomelothria blumei ( GU799496) 与 Dactyliandra welwitschii ( HQ201973 ) 之间,与 Indomelothria blumei 亲
缘关系最近; Mrbayes软件分析表明,葫芦科作物 Zehneria thwaitesii ( AM981145 ) 、Ctenolepis cerasiformis ( AM981142 ) 、Cucu-
mis melo( AM36377) 、Dactyliandra welwitschii ( HQ201973) 、Trochomeria macrocarpa( AM981141) 最原始,系统进化顺序为甜瓜
→南瓜、栝楼、苦瓜、丝瓜、西瓜、蒲瓜→冬瓜、节瓜→黄瓜。本研究通过分析节瓜及近缘葫芦科作物种质资源的 ITS 序列,
为其系统进化、DNA指纹鉴别、育种亲本选择及比较组学分析等提供了分子生物学依据。
关键词:节瓜;葫芦科作物;种质资源; rDNA-ITS;序列分析;系统进化
Analysis on the Internal Transcribed Spacers(ITS)Sequences and
Phylogenetics of Chieh-qua and its Affinis Cucurbitaceae
Germplasm Resources
ZHAO Qin1,XIE Da-sen1,HE Xiao-ming1,CHEN Ren-fang2,PENG Qing-wu1,LUO Shao-bo1
(1Vegetable Research Institute,Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510640;
2Key Sericultural Laboratory of Ministry of Agriculture /College of Biotechnology,Southwest University,Chongqing 400715)
Abstract:56 chieh-qua and 7 other cucurbits germplasm resources were collected from south China,subse-
quently rDNA-ITS amplication and sequencing were performed. Combining ITS sequences of several cucurbita-
ceous plants downloaded from GenBank,the lengths,variable sites,G + C content,genetic divergences,homolo-
gies,phylogenetics,and system position were analyzed by bioinformatic softwares. ITS complete sequences of
chieh-qua and its affinis cucurbitaceae germplasm resources were obtained. The full-length of chieh-qua ITS was
612 - 617 bp,G + C content were 59. 97%- 61. 07% . The sequence alignment results showed that there were 94
variable sites(ITS1:47,ITS2:40,5. 8S:7)among chieh-qua germplasm resources,some of which had significant
species-specific characteristics and could be used as DNA fingerprint marker. 56 chieh-qua germplasm materials
were clustered into 3 groups based on ITS sequences variance,12-2-3 was ranked into the first branch,Heimaojiegua
H2251 and H5FA were classified into the second and third branch respectively,and the rest materials were
grouped into the fourth and fifth group. Compared with the other cultivated species,the genetic divergence of chieh-
5 期 赵 芹等:节瓜及近缘葫芦科作物种质资源 rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
qua material 12-2-3 was the biggest ranging from 3. 3 to 4. 6,and there are large differences on agronomic traits and
resistance between 12-2-3 and others,leading to be used as crossbreeding parent. The system position of chieh-qua
was between Indomelothria blumei (GU799496)and Dactyliandra welwitschii (HQ201973) ,and had the closest re-
lationship with Indomelothria blumei. Mrbayes software analysis showed that Zehneria thwaitesii(AM981145) ,
Ctenolepis cerasiformis (AM981142) ,Cucumis melo (AM36377) ,Dactyliandra welwitschii (HQ20 1973) ,
Trochomeria macrocarpa (AM981141)were the most primordial species,the system evolution order was Cucu-
mis melo(AM36377)→ Cucurbita moschata,Trichosanthes yunnanensis,Momordica charantia,Luffa aegyptia-
ca,Citrullus lanatus (FJ915098) ,Lagenaria siceraria → Benincasa hispida,Benincasa hispida var. chieh-qua
→ Cucumis sativus. The phylogeny of chieh-qua and its affinis cucurbitaceae germplasm resources was investiga-
ted by using ITS sequences and it would provide useful information for their breeding,germplasm DNA fingerprint i-
dentification,classification and evolution and comparative analysis,etc.
Key words:chieh-qua;cucurbitaceous crops;germplasm resources;rDNA-ITS;sequence analysis;phyletic
evolution
节瓜(Benincasa hispida Cogn. var. chieh-qua
How)又名毛瓜,为冬瓜属变种,是华南重要的特色
蔬菜,主要分布于广东、广西、海南等地,类型品种丰
富。节瓜隶属的葫芦科(Cucurbitaceae)是世界上最
重要的食用植物科之一,包括 113 个属 800 个种,大
部分分布于热带地区,我国有 32 属 154 种 35 变种,
主要分布于西南部和南部。我国对节瓜种质资源研
究甚少,基于分子水平的遗传多样性分析鲜有报道。
李文嘉 [1]对 27 份节瓜种质资源的成熟期、丰产性、
瓜形、抗病性和单瓜重等农艺性状进行了分析,筛选
出 6 份优良种质并培育出新品种;宋世威等[2]利
用 RAPD标记对 41 份冬瓜和节瓜种质资源进行了
遗传多样性分析,将供试材料分为 6 大类群 10 个
亚类。由于节瓜种质同名异物或同物异名现象非
常普遍,仅利用生物学性状进行区分和鉴定有较
大难度;利用 RAPD 标记进行节瓜遗传多样性分
析,重复性较差,且多态性水平较低,限制了该标
记的有效利用,且研究材料类型与数量不足,代表
面较窄,研究结论具有一定局限性。葫芦科瓜类
品种资源十分丰富,在形态性状等[3]传统分类基
础上,采用 RAPD、ISSR、SRAP、SSR 等分子标记方
法对甜瓜[4]、黄瓜[5]、西瓜[6]等作物进行了分类鉴
定和系统学研究,而利用核糖体内转录间隔区序
列(ITS,internal transcribed spacer)分析种质资源
多样性,为葫芦科植物分子鉴定研究提供了新的
方法。目前黄瓜、西瓜及甜瓜全基因组测序工作
已经基本完成,且可利用高密度饱和遗传连锁图
谱将基因组序列锚定到染色体具体位置并确定其
在染色体上的方向[7];而节瓜作为冬瓜一个变种,
与其他葫芦科作物的亲缘关系及系统进化顺序尚
未确定,进一步远缘杂交应用与比较组学分析尚
待研究。
ITS具有进化速率快、片段长度小、片段在不同
重复单元间一致性高[8]等优点,近年来被广泛应用
于分析较低分类单元层次上的植物系统发育问
题[9-10],包括近缘属间与属下种间的关系[11-12]甚至
种下居群间的关系[13]。本研究室通过 20 多年节瓜
资源的考察积累,收集了上百份种质,针对其中 56
份国内不同来源、不同类型种质资源及 7 份其他瓜
类材料,进行 PCR扩增及 ITS 序列测序分析,并结
合从 GenBank下载的 34 份葫芦科作物 ITS 序列,
分析序列长度、G + C 含量及其变异、同源性和遗
传分歧,探讨节瓜及其他葫芦科作物种质资源的
系统进化关系,对于节瓜种质的指纹鉴别、亲缘关
系分析、育种亲本选择及比较组学分析均具有重
要意义。
1 材料与方法
1. 1 材料
56 份供试节瓜材料收集于广东、广西等地,部
分材料为本研究室杂交转育或离体筛选所得,其他
葫芦科材料(黄瓜、南瓜、苦瓜、丝瓜、瓠瓜、冬瓜与
栝楼)有 7 份为本研究室收集所得(表 1) ;材料种子
均于 2011 年 3 月在广东省农科院蔬菜所温室内播
种,待幼苗长至 2 ~ 3 片真叶时,采集叶片保存于
- 70 ℃冰箱备用。克隆宿主菌为大肠杆菌 DH5α,
克隆载体为 pMD 18-T Vector(购自 TaKaRa 公司) ,
纯化试剂盒、Taq DNA聚合酶和 DNA marker均购自
中晶生物工程技术有限公司。
7901
植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷
表 1 节瓜与其他葫芦科种质材料的来源
Table 1 Sources of chieh-qua and other cucurbit materials
编号
Code
材料类型
Materialtype
种质名称
Specimen name
采集地
Source
拉丁名
Latin name
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
节瓜 chieh-qua A133-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A147-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A102-1 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A39-CK 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A09FA-2 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
H2251 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A82-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A111-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
P15-1-1 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A90-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A144-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A39FA 广东 B hispida var. chieh-qua How.
H5FA 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A142-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
H2252 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
SY3 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
P9-2 广东 B hispida var. chieh-qua How.
g1-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
D25-6 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
4-3-1A × 25 广东 B hispida var. chieh-qua How.
5-1-1-3 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
7-26-2 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
D003 × 25 广东 B hispida var. chieh-qua How.
3-2 3-d-1-3 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
冠华 5 号 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
3-01-1-2 广东 B hispida var. chieh-qua How.
12-2-3 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
5-b-3 × g1-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
L小-2-1 广东 B hispida var. chieh-qua How.
P15-1-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
大籽 6-2 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
g1-3-2 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A124-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
H7-1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A134 ×其他 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A125-2 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A154 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A160 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A115-3 广西 B. hispida var. chieh-qua How.
5H-1 × 17-2 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A95-1 广东 B hispida var. chieh-qua How.
3(3) 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
绿 3 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
大 × 6 广东 B hispida var. chieh-qua How.
天 1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
青 1 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A06-12P 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A123 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
612FA 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A143 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A161 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A157 广东 B. hispida var. chieh-qua How.
A97-1 广东 B hispida var. chieh-qua How.
A10FA 广西 B. hispida var. chieh-qua How.
LT3 广西 B. hispida var. chieh-qua How.
A06 广东 B hispida var. chieh-qua How.
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5 期 赵 芹等:节瓜及近缘葫芦科作物种质资源 rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
表 1(续)
编号
Code
材料类型
Materialtype
种质名称
Specimen name
采集地
Source
拉丁名
Latin name
57 西瓜 watermelon FJ915098 福建 Citrullus lanatus
58 AM981142 马里 Ctenolepis cerasiformis
59 甜瓜 muskmelon M36377 爱尔兰 Cucumis melo
60 Z48807 西班牙 Cucumis myriocarpus
61 冬瓜 wax gourd B214 广东 Benincasa hispida
62 HQ201973 纳米比亚 Dactyliandra welwitschii
63# 薯蓣 yam DQ267930 江苏 Dioscorea nipponica
64 GQ183041 印度 Diplocyclos palmatus
65 JN560183 墨西哥 Echinopepon paniculatus
66 JN560187 哥斯达黎加 Frantzia talamancensis
67 黄瓜 cucumber P19 广东 Cucumis sativus
68 GU799496 泰国 Indomelothria. blumei
69 苦瓜 bitter gourd LCP90 广东 Momordica charantia
70 GU799500 哥斯达黎加 Melothria scabra
71 EF174484 中国 Mukia javanica
72 南瓜 pumpkin 81 广东 Cucurbita moschata
73 葫芦 bottle gourd 绿-1-2-新 广东 Lagenaria siceraria
74# 露兜树 thatch pandanus EU816709 比利时 Pandanus tectorius
75 AM981090 贝宁 Peponium vogelii
76 GU799502 哥伦比亚 Posadaea sphaerocarpa
77 GU799504 塞隆 Ruthalicia eglandulosa
78 丝瓜 luffa 05502 广东 Luffa aegyptiaca
79 JN560261 美国 Sicyos pachycarpus
80 JN560276 墨西哥 Sicyosperma. gracile
81 AM981141 布基纳法索 Trochomeria. macrocarpa
82 栝楼 gualou GL 云南 Trichosanthesyunnanensis
83 AM981145 布基纳法索 Zehneria. thwaitesii
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
冬瓜 wax gourd JX073041 广东 B. hispida
JX073045 广东 B. hispida
JX073049 广东 B. hispida
JX073052 广东 B. hispida
JX073055 广东 B. hispida
JX073058 广东 B. hispida
JX073062 广东 B. hispida
JX073066 广东 B. hispida
JX073070 广东 B. hispida
JX073073 广东 B. hispida
JX073075 广东 B. hispida
JX073078 广东 B. hispida
JX073081 广东 B. hispida
GQ183037 印度 B. hispida
FJ980302 北京 B. hispida
#设置为外类群材料;20、23、28、35、40、44 为杂交节瓜材料,5、12、13、49、54、55 为节瓜离体筛选材料;61、67、69、72、73、78、82 为采集的 7 份其
他葫芦科材料;标示有登录号的为 GenBank下载序列材料
# designed as outgroup materials. 20、23、28、35、40、44 were hybrid chieh-qua materials,5、12、13、49、54、55 were screened chieh-qua materials in vivo
with Fusaric acid 61、67、69、72、73、78、82 were 7 other curcurbit plants collected;sequences of materials with GenBank accession numbers were loaded
from GenBank
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植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷
1. 2 DNA提取及质量检测
取冷冻保存的植物叶片 0. 1 g,采用改良 CTAB
法[14]提取叶片总 DNA,并利用 1%琼脂糖凝胶电泳
及紫外分光光度计(GENEQUANT,Eppendorf,Ger-
many)检测 DNA浓度与纯度,- 20 ℃保存备用。
1. 3 ITS区的 PCR扩增
根据 GenBank提供的序列设计扩增引物,由广
州英骏生物工程技术有限公司合成扩增 ITS 序列的
通用引物 ITS4:5-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3和
ITS5:5-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3[15]。以
56 份节瓜及 7 份其他瓜类材料(黄瓜、冬瓜、苦瓜、
丝瓜、南瓜、蒲瓜及栝楼)总 DNA 为模板进行 PCR
扩增,反应体系为 25 μL,包括 2. 5 μL 10 × Exbuffer
(含 MgCl2)、1 U ExTaqDNA 聚合酶(购自 TaKaRa
公司)、0. 16 mmol /L dNTPs、0. 4 μmol /L 引物和
40 ng模板 DNA。反应程序为 94 ℃预变性 3 min;
94 ℃变性 30 s,50 ℃退火 30 s,72 ℃延伸 60 s,共
35 个循环,最后于 72 ℃延伸 10 min。采用 1%的琼
脂糖凝胶电泳检测 PCR产物,并利用 GeneGeniusBio
Imaging System(Bio-Rad)凝胶成像系统观察和拍照
记录。
1. 4 PCR产物的纯化、克隆与测序
PCR产物经凝胶回收试剂盒纯化回收后,连接
pMD18-T载体并转化至 DH5α 感受态细胞内,涂布
在固体 LB(含 Amp)培养基上,37 ℃倒置培养过夜,
挑菌斑进行 PCR检测,鉴定正确后取 1 mL 菌液送
至广州英骏生物技术有限公司进行测序。
1. 5 目的片段序列测定及序列同源性分析
测序结果用 Bioedit 软件分析 ITS 序列范围,除
去两端非 ITS序列部分,用 NCBI BLAST方法进行同
源比对。利用 DNAstar 软件分析各序列长度、G + C
含量、变异位点、同源性及遗传分歧,构建遗传进化
树。根据克隆获得的瓜类 ITS 序列及 GenBank 下载
的部分葫芦科作物 ITS 序列,用 PAUP Version 4. 0
b10软件进行 MP 分析,确定以节瓜为代表的冬瓜属
系统位置。用Modeltest Version 3. 06[16]和 PAUP Ver-
sion 4. 0 b10 软件进行碱基替换模型计算,用 PAUP
Version 4. 0 b10和 Mrbayes软件分析系统进化关系。
2 结果与分析
2. 1 ITS区 PCR扩增及测序
由引物 ITS4 和 ITS5 对 56 份节瓜样品及 7 份其
他瓜类作物 rDNA-ITS 区(包括部分 18S rDNA、
ITS1、5. 8S rDNA、ITS2 和部分 26S rDNA)进行 PCR
扩增,获得单一明亮特异条带,略小于 750 bp(图
1) ,与预期片段大小符合。PCR 产物回收后测序,
获得 63 份样品 ITS序列。
M:DNA marker;1 ~ 12:节瓜样品
M:DNA marker,1 - 12:Chieh-qua samples
图 1 部分节瓜样品 ITS区 PCR扩增结果
Fig. 1 PCR amplification result of ITS region
from some chieh-qua samples
2. 2 节瓜 ITS序列长度、G +C含量及其变异
所有样品序列包括部分 18S rDNA、ITS1、5. 8S
rDNA、ITS2 和部分 26S rDNA。根据 GenBank 公布
的冬瓜(Benincasa hispida,JX073079)18S rRNA基因
3端、26S rRNA 基因 5端、5. 8S rRNA 基因碱基序
列,确定各材料 ITS 序列范围(包括 ITS1、5. 8S 和
ITS2)。软件分析表明,节瓜材料 ITS 基本序列全长
612 ~ 617 bp,G + C 含量 59. 97% ~ 61. 07%(ITS1:
218 ~ 219 bp,G + C 含量 59. 17% ~ 60. 09%;ITS2:
230 ~ 232bp,G + C 含量 61. 30% ~ 64. 22%;5. 8S:
163bp,G + C 含量 58. 28% ~ 59. 51%) ,与 GenBank
上登录的冬瓜 ITS序列同源性达 91% ~100%。
节瓜材料中有 39 份材料 ITS 序列有不同程度
变异(表 2) ,其中 A125-2 材料 ITS 最长(617 bp) ,
A82-1 最短(612 bp) ;H2251 与 g1-3-2 的 G + C 含
量最高(61. 24%) ,A82-1 最低(59. 97%) ;节瓜
ITS2 G + C 含量略高于 ITS1;部分材料如 A147-1、
A39-CK、A111-1、P15-1-1、A144-1、A39FA、A142-1、
SY3、g1-1、3-01-1-2、A129-1、A124-1、H7-1、5H-7 ×
17-2、A97-1、A161 和 A157 共 17 份材料,ITS 序列
完全相同,同源性高达 100%,遗传分歧 0。
ITS长度、G + C 含量发生变异,预示碱基位点
发生了某种程度的变化。用 DNAstar 软件查看各序
列变异位点,分析结果表明,供试的节瓜种质材料间
有 96 个变异位点,其中 ITS1 有 47 个变异位点,
ITS2 有 42 个变异位点,5. 8S有 7 个变异位点,其中
12-2-3 材料有 22 个,占 22. 92%,其次是 A125-2 有
9 个,占 9. 38%,A82-1 有 8 个,占 8. 33%,其他材料
碱基变异有 57 个。大多数材料变异比较分散,无一
定规律。
0011
5 期 赵 芹等:节瓜及近缘葫芦科作物种质资源 rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
表 2 节瓜及 7 份其他瓜类材料 ITS 长度及 G +C 含量变异
Table 2 ITS sequence lengths and G + C contents of chieh-qua and 7 other cucurbit plants
编号
Code
材料名称
Material name
ITS1(bp)/G + C(%) 5. 8S(bp)/G + C(%) ITS2(bp)/G + C(%) ITS(bp)/G + C(%)
1 A133-1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 36 613 /60. 85
2 A147-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
3 A102-1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
4 A39-CK 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
5 A09FA-2 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 36 614 /60. 91
6 H2251 219 /59. 36 163 /59. 51 232 /64. 22 614 /61. 24
7 A82-1 219 /59. 36 163 /58. 90 230 /61. 30 612 /59. 97
8 A111-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
9 P15-1-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
10 A90-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 03
11 A144-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
12 A39FA 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
13 H5FA 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
14 A142-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
15 H2252 219 /59. 82 163 /58. 28 232 /63. 79 614 /60. 91
16 SY3 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
17 P9-2 219 /59. 36 163 /58. 28 232 /63. 79 614 /60. 91
18 g1-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
19 D25-6 218 /60. 09 163 /58. 90 232 /63. 36 613 /61. 01
20 4-3-1A × 25 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
21 5-1-1-3 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
22 7-26-2 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
23 D003 × 25 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 36 614 /60. 75
24 3-2 3-d-1-3 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
25 冠华 5 号 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
26 3-01-1-2 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
27 12-2-3 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /62. 50 613 /60. 52
28 5-b-3 × g1-1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
29 L小-2-1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 36 613 /60. 85
30 P15-1-1 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
31 大籽 6-2 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
32 g1-3-2 219 /59. 82 163 /59. 51 232 /63. 79 614 /61. 24
33 A124-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
34 H7-1 218 /59. 17 163 /59. 51 232 /63. 79 613 /61. 01
35 A134 ×其他 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
36 A125-2 222 /59. 91 163 /58. 90 232 /62. 93 617 /60. 78
37 A154 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /64. 22 614 /61. 07
38 A160 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
39 A115-3 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
40 5H-1 × 17-2 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
41 A95-1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
42 3(3) 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
43 绿 3 218 /60. 09 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 17
44 大 × 6 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
45 天 1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
46 青 1 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
47 A06-12P 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 36 614 /60. 91
48 A123 219 /59. 36 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /60. 91
49 612FA 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
50 A143 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 79 613 /61. 01
51 A161 219 /59. 36 163 /58. 28 232 /63. 79 614 /60. 75
52 A157 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /64. 22 613 /61. 17
53 A97-1 218 /59. 63 163 /58. 90 232 /63. 36 613 /60. 85
54 A10FA 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
55 LT3 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
56 A06 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
61 D1 219 /59. 82 163 /58. 90 232 /63. 79 614 /61. 07
67 H1 232 /59. 91 163 /58. 28 254 /66. 54 649 /62. 10
69 K1 235 /64. 68 163 /59. 51 276 /68. 12 674 /64. 84
72 N1 190 /52. 11 163 /58. 90 258 /54. 26 611 /54. 83
73 P1 217 /61. 29 163 /58. 90 245 /67. 35 625 /63. 04
78 S1 202 /61. 88 163 /58. 90 257 /66. 15 622 /62. 86
82 YD 201 /60. 70 163 /58. 90 258 /66. 67 622 /62. 70
2. 3 ITS序列遗传分歧及同源性分析
用 DNAStar软件计算遗传分歧及同源性百分比
差异,结果表明,节瓜材料间 ITS 序列同源性为
95. 6% ~100. 0%,遗传分歧为 0 ~ 4. 6。节瓜 12-2-3
与其他材料遗传分歧较大,为 3. 3 ~ 4. 6,与 A82-1 的
遗传分歧最大,达 4. 6;A82-1 与其他材料的遗传分
1011
植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷
歧次之,为 1. 0 ~ 4. 6,与 12-2-3 的遗传分歧最大,为
4. 6,再次为 A125-2 与其他材料的遗传分歧仅为
1. 0 ~ 4. 5,与 12-2-3 的遗传分歧最大,为 4. 5。节瓜
与冬瓜材料 ITS序列同源性为91. 0% ~ 100%,与冬
瓜 FJ980302 遗传分歧最大,为 8. 6 ~ 12. 3,其次与冬
瓜 JX073045 遗传分歧为 0 ~ 4. 0,节瓜 12-2-3 与冬
瓜 FJ980302 遗传分歧最高达到 12. 3,其次与 A82-1
的遗传分歧最高达到 9. 7。对 56 份节瓜材料同源
比对构建进化树分析发现,节瓜 12-2-3 单独为分支
I,H2251 为分支 II,H5FA 为分支 III,剩余材料为分
支 IV,后又分为 9 个亚类(图 2)。将 56 份节瓜与
15 份冬瓜材料(B214 及 GenBank下载的冬瓜序列)
ITS序列构建遗传进化树,分析发现分为 5 个分支,
冬瓜与节瓜材料相互交叉在一起。分支图首先将冬
图 2 基于 rDNA ITS 序列构建的 56份
节瓜种质资源系统进化树
Fig. 2 The phylogenetic tree of 56 chieh-qua
germplasm resources based on the rDNA
瓜材料(FJ980302)单独分为一支(分支 I) ,节瓜
A157 为分支 II,冬瓜材料(JX073045)与节瓜材料
A97-1、L 小-2-1、A133-1 与 D25-6 为分支 III,分支
IV包括 A125-2、JX073075、D003 × 25、A82-1、A147-1、
JX073062、JX073058、JX073055、JX073052、JX073049、
JX073041、A123、青 1、大 × 6、A115-3、A161、P15-1-
1、5H-1 × 17-2、大籽 6-2、3-23-d-1-3、5-1-1-3、4-3-
1A ×25、A154、H7-1、P9-2、H5FA、12-2-3、H2251,剩
余 37 份冬瓜节瓜材料为分支 V(图 3)。
图 3 基于 rDNA ITS 序列构建的 71份
节瓜冬瓜种质资源系统进化树
Fig. 3 The phylogenetic tree of chieh-qua and wax gourd
germplasm resources based on the rDNA ITS sequences
2011
5 期 赵 芹等:节瓜及近缘葫芦科作物种质资源 rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
2. 4 节瓜系统位置及外类群确定
将节瓜材料通过预分析,删除同种内 ITS 无变
异材料,仅保留一个作为种的代表,加上测定的其他
瓜类包括丝瓜、冬瓜(B214 为代表)、苦瓜、蒲瓜、黄
瓜、南瓜、栝楼的 ITS 序列,结合 GenBank 公布的西
瓜(Citrullus lanatus,AM981110)、甜瓜(Cucumis me-
lo,M36377)、Ctenolepis cerasiformis(AM981142)、
Dactyliandra welwitschii(HQ201973)、Diplocyclos pal-
matus(GQ183041)、Cucumis myriocarpus(Z48807)、
Echinopepon paniculatus(JN560183)、Frantzia talaman-
censis(JN560187)、Indomelothria blumei(GU799496)、
Melothria scabra(GU799500 )、 Mukia javanica
(EF174484)、Peponium vogelii(AM981090)、Posa-
daea sphaerocarpa(GU799502)、Ruthalicia eglandulo-
sa(GU799504)、Sicyos pachycarpus(JN56 0261)、Sicy-
osperma gracile (JN560276 )、Zehneria thwaitesii
(AM981145)、Trochomeria macrocarpa(AM981141) ,
18 份葫芦科作物与薯蓣 (Dioscorea nipponica,
DQ267930)、露兜树(Pandanus tectorius,EU816709)
的 ITS序列,以薯蓣与露兜树作外类群,MP 法分析
结果显示,分支图树长为 865,一致性指数(CI,con-
sistency index)为 0. 5399,保持性指数(RI,retention
index)为 0. 6711,调整后的一致性指数(RC,rescaled
consistency index)为 0. 3623,比对序列共 697 个位
点,其中包含 377 个不变位点、125 个变异非信息位
点、195 个信息位点。分支图以 58% 靴带(boot-
strap)支持率将节瓜分为一支。系统位置排列在 In-
domelothria blumei(GU799496)与 Dactyliandra wel-
witschii(HQ201973)之间,与 Indomelothria blumei 亲
缘关系最近(图 4)。用 NJ 法、ML 法、Bayesian 法也
得到类似结果。
图 4 基于 ITS序列Mrbayes软件确定节瓜在葫芦科中的系统位置
Fig. 4 The systematic position of chieh-qua in Cucurbitaceae based on ITS by Mrbayes software
2. 5 节瓜及其他葫芦科作物系统进化关系
为确定节瓜在葫芦科的系统位置,利用 Gen-
bank下载的其他葫芦科作物序列,通过预分析,用
有变异的材料,加上即使无变异、但前人已经命名为
种的材料,用薯蓣(DQ267930)、露兜树(EU816709)
作外类群,用 Modeltest V3. 06 软件计算碱基替换模
型为 GTR + G。基于此模型进行 Mrbayes分析,并用
MP法计算分支图的一致性指数、信息位点等。分
析结果表明,分支图显示树长为 866,一致性指数
(CI)为 0. 5323,保持性指数(RI)为 0. 6723,调整后
一致性指数(RC)为 0. 3579,比对序列共 697 个位
点,375 个不变位点,127 个变异非信息位点,195 个
3011
植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷
信息位点。
分支图首先将 Zehneria thwaitesii(AM981145)、
Ctenolepis cerasiformis(AM981142)、Cucumis melo (AM3
6377)、Dactyliandra welwitschii (HQ201973)、Trochomeria
macrocarpa(AM981141)分出;第Ⅰ支包括西瓜(Citrullus
lanatus,FJ915098)、Dioscorea nipponica (DQ267930)、
Pandanu tectorius (EU816709)、蒲瓜、Peponium vogelii
(AM981090)、Diplocyclos palmatus(GQ183041)、Echi-
nopepon paniculatus(JN560183)、Sicyos pachycarpus(JN56
0261)、Sicyosperma gracile (JN560276)、Frantzia ta-
lamancensis(JN560187)、苦瓜、丝瓜、栝楼、南瓜及
Ruthalicia eglandulosa(GU799504),靴带支持率为
54%;所有节瓜及冬瓜序列与 Indomelothria blumei
(GU799496)、Melothria scabra (GU799500)、Posadaea
sphaerocarpa (GU799502)聚为分支 II,靴带支持率为
52%;黄瓜与Mukia javanica(EF174484)亲缘关系较近,
聚为分支 III,靴带支持率为 97%(图 5)。
图 5 基于 ITS序列构建的节瓜及其他葫芦科种质资源的 Mrbayes分支图
Fig. 5 The Mrbayes branch map of chieh-qua and other germplasm materials based on ITS sequences
由此可见,Zehneria thwaitesii(AM981145)、Ctenole-
pis cerasiformis(AM981142)、Cucumis melo(AM36377)、
Dactyliandra welwitschii (HQ201973)、Trochomeria mac-
rocarpa(AM981141)最原始,系统进化顺序依次为:
Zehneria thwaitesii (AM981145)、Ctenolepis cerasifor-
mis (AM981142)、Cucumis melo (AM36377)、Dactyli-
andra welwitschii (HQ201973)、Trochomeria macrocar-
pa(AM981141)→ Diplocyclos palmatus (GQ183041)、
Ruthalicia eglandulosa (GU799 504)、南瓜、Frantzia
talamancensis(JN560187)、Echinopepon paniculatus
(JN560183)、Sicyos pachycarpus (JN56 0261)、Sicyo-
sperma gracile (JN560276)、栝楼、苦瓜、丝瓜→ 西瓜
(Citrullus lanatus)、Dioscorea nipponica (DQ267930)、
Pandanus tectorius (EU816709)、蒲瓜、Peponium vogelii
(AM981090)→ Indomelothria blumei (GU799496)、Melo-
thria scabra (GU799500 )、 Posadaea sphaerocarpa
(GU799502)、冬瓜、节瓜→ 黄瓜、Mukia javanica
(GU799502)。MP 法、NJ 法、ML 法均得到基本相同
结果。
3 讨论
3. 1 节瓜 ITS序列分析及遗传进化关系
用 ITS序列分析种群的系统进化关系,已有不
少报道,但节瓜的遗传进化关系分析尚未见报道。
4011
5 期 赵 芹等:节瓜及近缘葫芦科作物种质资源 rDNA-ITS序列分析与系统进化研究
G. B. Bruce等[17]研究表明,有花植物 ITS 序列大小
通常比其他生物短,在 187 ~ 298 bp之间,5. 8S 亚基
长度几乎不变,整个 ITS 区似乎均少于 700 bp。大
多数被子植物 ITS1 和 ITS2 序列 G + C 含量基本一
致,反映出协同进化现象。G + C 含量太高或太低
的序列说明置换概率具倾向性,与置换率平均的序
列相比,其同源性的可检测性有所降低[18]。大多数
被子植物基因组 ITS 区 G + C 含量约占 50%,禾本
科为 77%,槲寄生科为 31%[19],而本研究中 56 个
节瓜样品 ITS1 和 ITS2 序列变幅为 218 ~ 232 bp,整
个 ITS序列为 612 ~ 614 bp,均在有花植物 ITS 序列
长度变化范围内。G + C含量平均 60. 97%,ITS1 和
ITS2 之间有差异;节瓜 5. 8S rDNA G + C 含量平均
57. 85%,低于 ITS区 G + C含量,这与 ITS区选择压
力小、进化速率快特征一致。
71 份节瓜冬瓜材料构建遗传进化树发现,节瓜
与冬瓜互有穿插分散到 2 大分支中,并没有聚成 2
大类,这表明冬瓜和节瓜亲缘关系很近,从分子水平
上进一步证明节瓜冬瓜属于同一个种的不同变种,
与宋世威等[2]的研究结果一致;另外通过 ITS 序列
分析未能反映出地域分布特性,需结合其他方法进
一步研究。
节瓜主要分布在华南地区,遗传背景狭窄。遗传
进化树中 12-2-3与黑毛节瓜 H2251、H5FA各为一分
支,与其主要农艺形状基本对应,其中12-2-3材料颜
色浅绿,果实长圆柱形,星点大而多,分布密集,籽小,
肉质致密,分布于广东各地。H2251 黑毛节瓜颜色深
绿,果实长粗圆柱形,果形指数大,星点中而少,分布
于瓜底部,主要分布于广东鹤山、清远等地;H5FA为
黑毛节瓜类型,经镰刀菌酸离体筛选得到的抗枯萎病
突变体;A160、A161、A157采自广西地区,与广东材料
相互交叉,分布于第Ⅳ分支,未发现存在明显的地域
分布特性,进一步说明节瓜遗传背景狭窄。
本研究中有 17 份节瓜材料的 ITS 序列完全相
同,同源性高达 100%,说明节瓜 ITS 序列具有一定
保守性。此外,节瓜材料 A39CK、A111-1、P15-1-1、
A144-1、A39FA、A142-1 等颜色深绿,籽大,星点较
少,果实近圆柱形,瓜型指数为中长,而材料 SY3 为
颜色青绿或浅绿,籽小,星点较多较大,分布浓密,果
实长棒形,两类材料在农艺性状方面存在较大差异,
但其 ITS序列却完全相同,且未发现 ITS 种内地理
迁移的变化规律,这说明节瓜 ITS 序列具有一定的
保守性,种性比较稳定,为非近期分化类群,其形态
差异可能与适生环境不同有关;因此如需进一步对
节瓜进行系谱地理分析,需另择片段或与其他片段、
分子标记方法联合分析,但本研究方法对节瓜种质
的系统进化分析是适合的。
3. 2 ITS 变异位点与遗传分歧对节瓜种质指纹鉴
别及杂交育种亲本选择的启示
本研究报道了节瓜种质材料间的变异位点、遗
传分歧,序列比对显示,56 份节瓜种质材料间共有
96 个变异位点,其中一些变异位点有明显的种性变
异规律,如 A125-2 材料 91 位插入 TGC,12-2-3 材
料 95 位 C 缺失、140 位 A 变 C、220 位 A 变 G、299
位 A变 G、338 位 G变 T、415 与 417-418 位 G变 C、
A82-1 材料 460 位 C变 T、501 位 C变 T、530 位 C变
T、552 位 CG 缺失等。这些变异位点,通过重复测
序发现重现性好,可作为节瓜种质 DNA指纹特异鉴
别位点。第 2 位 C 变 T、90 位 C 缺失、447 位 C 变
T,每个位点均使大多数节瓜种质分为 2 类,说明这
些位点可能是节瓜种质 DNA指纹鉴别的关键位点。
通过 ITS序列同源比对研究发现,材料 12-2-3、
A82-1、H225 及 H5FA与其他栽培种在农艺性状及
抗性能力方面差异较大。因此认为选择这些种质作
为节瓜杂交育种亲本,可以扩大选择范围,便于杂交
优势的利用。另外本研究证实节瓜与冬瓜亲缘关系
较近,但又存在一定的遗传分歧,节瓜作为冬瓜一变
种,完全可以进行冬瓜节瓜间的杂交,整合冬瓜与节
瓜各方面优势,扩大选择范围,进行育种改良及遗传
机理等各方面的研究。
3. 3 节瓜与其他葫芦科作物的分子系统进化分析
本研究对节瓜 ITS 序列采用 MP 法分析其系统
位置,分支图以 58%靴带支持率将节瓜分为一支,系
统位置排列在 Indomelothria blumei(GU799496)与
Dactyliandra _welwitschii(HQ201973)之间,与 Indo-
melothria blumei 亲缘关系最近。节瓜、冬瓜与 Indo-
melothria blumei、Melothria scabra、Posadaea sphaerocar-
pa聚为第一类,较黄瓜原始,但比西瓜、蒲瓜、苦瓜、
南瓜等进化较早;其他葫芦科作物中,甜瓜最原始,依
次为南瓜、栝楼、苦瓜、丝瓜、西瓜、蒲瓜→冬瓜、节瓜
→黄瓜,与这些作物在葫芦科中的系统进化顺序基本
一致。截止目前,西瓜、黄瓜与甜瓜的全基因组测序
工作已经基本完成,南瓜[20]、西葫芦[21]、西瓜[22]、黄
瓜[23]及甜瓜[24]等瓜类作物遗传连锁图谱的构建工
作取得了较大进展,利用高密度饱和遗传连锁图谱将
基因组序列锚定到染色体的具体位置并确定其在染
色体上的方向,这为进一步开展葫芦科植物基因组分
析研究奠定了基础[14]。节瓜作为冬瓜的一个变种,
5011
植 物 遗 传 资 源 学 报 15 卷
其代表的冬瓜属与其他葫芦科作物亲缘关系及系统
进化顺序的确定,为进一步研究这些作物的远缘杂交
应用、比较组学分析及系统分类等奠定基础。
参考文献
[1] 李文嘉.广西节瓜种质资源研究及评价[J]. 长江蔬菜,2003
(9) :42-43
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