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Genetic diversity at chloroplast microsatellites(cpSSR)in Abies fanjingshanensis and A. yuanbaoshanensis

梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体微卫星遗传多样性分析



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Sept.2014,34(5):596-600           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.3969/j.issn.1000G3142.2014.05.004
韦范,张广荣,覃永贤,等.梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体微卫星遗传多样性分析[J].广西植物,2014,34(5):596-600
WeiF,ZhangGR,QinYX,etal.Geneticdiversityatchloroplastmicrosatelites(cpSSR)inAbiesfanjingshanensisandA.yuanbaoshanensis[J].Guihaia,
2014,34(5):596-600
梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体
微卫星遗传多样性分析
韦 范1,2,张广荣1,覃永贤1,刘付永清1,唐绍清1∗
(1.广西师范大学 生命科学学院,珍稀濒危动植物生态与环境保护省部共建教育部重点实验室,
广西 桂林541004;2.广西壮族自治区药用植物园,南宁530023)
摘 要:梵净山冷杉和元宝山冷杉是极度濒危的国家一级重点保护植物.应用叶绿体微卫星标记(cpSSR)研
究它们的遗传多样性,并与同属的广布种岷江冷杉的一个种群进行比较.结果表明:3对cpSSR 引物
(Pt63718、Pt30204和Pt71936)在这3种冷杉的249个个体中共检测到21个等位基因,组成35种单倍型;它
们的单倍型数和有效单倍型数分别为梵净山冷杉(No=12,Ne=3.92),元宝山冷杉(No=9,Ne=3.28),两者
均低于广布种岷江冷杉(No=14,Ne=11.57);梵净山冷杉和元宝山冷杉的稀有单倍型较少,其频率最高的单
倍型分别出现在该种群的46.0%和44.1%的个体中;梵净山冷杉(He=0.75)和元宝山冷杉(He=0.70)的单
倍型多样性也低于岷江冷杉(He=0.97).梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体微卫星遗传多样性水平低.
关键词:梵净山冷杉;元宝山冷杉;叶绿体微卫星;遗传多样性
中图分类号:Q948.12;Q16  文献标识码:A  文章编号:1000G3142(2014)05G0596G05
Geneticdiversityatchloroplastmicrosatelites(cpSSR)
inAbiesfanjingshanensisandA.yuanbaoshanensis
WEIFan1,2,ZHANGGuangGRong1,QINYongGXian1,
LIUFUYongGQing1,TANGShaoGQing1∗
(1.KeyLaboratoryforEcologyofRareandEndangeredSpeciesandEnvironmentalProtectionCoGestablishedbyGuangxi
andtheMinistryofEducation,CollegeofLifeSciences,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,
China;2.GuangxiBotanicalGardenofMedicinalPlants,Nanning530023,China)
Abstract:AbiesfanjingshanensisandA.yuanbaoshanensisarecriticalyendangeredplants.WeusedchloroplastmicG
rosatelitemarkertocomparethegeneticdiversityofA.yuanbaoshanensisandA.fanjingshanensiswithawidely
distributedspeciesA.fargesivar.faxoniana.Atotalof21alelesand35haplotypeswasdetectedin249individuals
from3pairsofprimer(Pt63718,Pt30204andPt71936).Thenumberofhaplotypes(No),efectivenumberofhaploG
types(Ne)ofA.fanjingshanensis(No=12,Ne=3.92)andA.yuanbaoshanensis(No=9,Ne=3.28)werelowerthan
A.fargesivar.faxoniana.A.fanjingshanensisandA.yuanbaoshanensishadlessrarehaplotypes.Thehaplotype
diversity(He)ofA.fanjingshanensis(He=0.75)andA.yuanbaoshanensis(He=0.70)werealsolowerthanA.
fargesiivar.faxoniana(He=0.97).A.fanjingshanensisandA.yuanbaoshanensishadarelativelylowlevelofgeG
neticdiversityatchloroplastmicrosatelite.
Keywords:Abiesfanjingshanensis;A.yuanbaoshanensis;chloroplastmicrosatelite;geneticdiversity
收稿日期:2013G11G30  修回日期:2013G12G25
基金项目:国家自然科学基金(31060034,30760029)
作者简介:韦范(1984G),女,广西南宁人,硕士,助理研究员,研究方向为植物种群遗传,(EGmail)fanfanmeister@gmail.com.
∗通讯作者:唐绍清,博士,教授,主要从事植物学教学和研究,(EGmail)shaoqing@mailbox.gxnu.edu.cn.
  冷杉属是松科(Pinaceae)的第二大属,冷杉属
植物是北半球阴暗针叶林的优势种和建群种,第三
纪时在中国有着广阔的分布范围.第四纪冰期过
后,随着全球气候变暖,冷杉属植物形成了现在的南
北间断分布,集中分布在横断山地区的现代分布格
局(向小果等,2006).梵净山冷杉(AbiesfanjingsG
hanensis)分布于贵州省的梵净山,呈小面积的斑
块,种群数量在不断减少(黄威廉,2001).元宝山冷
杉(A.yuanbaoshanensis)分布于广西融水县的元宝
山(傅立国等,1980),分布区域极其狭小,种群数量
不足 900 株 (李先琨等,2002).岷江冷杉 (A.
fargesiivar.faxoniana 为我国特有树种,分布于
甘肃南部洮河流域及白龙江流域、四川岷江流域上
游及大、小金川流域以及康定折多山等高山地带(郑
万均等,1978),是典型的广布种.梵净山冷杉和元
宝山冷杉属珍稀濒危孑遗植物,在系统演化、植物地
理、全球气候变化等研究领域中有重要意义,它们均
被收录在«中国植物红皮书»第一卷中(傅立国,
1992);并且在1998年IUCN拟订的“针叶树行动计
划”中被列为全球重点保护的针叶树种(向巧萍等,
2001);在国务院1999年批准公布的与«野生植物保
护条例»配套的«国家重点保护野生植物名录(第一
批)»中,这2种冷杉被列为一级重点保护植物(于永
福,1999);在中国环境与发展国际合作委员会生物
多样性工作组编写的«中国物种红色名录»中,被定
为极危种(CR)(汪松等,2004).
叶绿体微卫星标记(ChloroplastmicrosatelG
lite,cpSSR)是一种高效的分子标记,它既有SSR的
优点,又有叶绿体独立的进化特点.在叶绿体SSR
分析中,单倍型具有重要意义,可揭示群体叶绿体遗
传多态性(张新叶等,2004).叶绿体微卫星标记已
被应用于多种植物的研究工作,其中包括冷杉属植
物的研究(代文娟等,2006;Hansenetal.,2005).
本研究采用cpSSR标记对梵净山冷杉和元宝山冷
杉的遗传多样性进行了分析,并与广布种岷江冷杉
一个种群进行了比较分析,以期为梵净山冷杉和元
宝山冷杉保护提供理论依据.
1 材料与方法
1.1取样
本研究采集分析了梵净山冷杉113个个体、元
宝山冷杉118个个体及岷江冷杉的1个种群18个
个体,其来源及样本数见表1.每株植物采集幼嫩
叶片约0.1g,置于含变色硅胶的封口袋中,带回实
验室后置于G20℃保存待用.
表1 采样的地理位置和样本量
Table1 Geographicalparametersandindividualnumberssampled
物种Species 采样地Locality
样本量
Samples
海拔
Altitude
(m)
经度
Latitude
(N)
纬度
Longitude
(E)
梵净山冷杉Abiesfanjingshanensis 贵州梵净山Fanjingshan,Guizhou 113 2250 27°55′ 108°42
元宝山冷杉A.yuanbaoshanensis 广西融水县元宝山 Yuanbaoshan,Guangxi 118 1970 25°25′ 109°10′
岷江冷杉A.fargesiivar.faxoniana 四川理县米亚罗镇 Miyaluozhen,Sichuan 18 3300 31°34′ 102°38′
总计 Total 249
1.2DNA的提取及纯化
采用改良的CTAB法(Doyle,1987)提取叶片
的总DNA,用DNA快速纯化试剂盒纯化总DNA
(鼎国生物技术有限公司,北京).
1.3引物、PCR反应条件及DNA测序
参照 Vendraminetal.(1996)报道的20对
cpSSR引物,共筛选到3对具有多态性的引物,用这
3对多态性引物对全部DNA样品进行扩增,引物序
列、退火温度见表2.PCR反应体系及反应程序参
照Vendraminetal.(1996)的方法.扩增产物检测
依照代文娟等(2006)的方法.为确定这3个多态性
位点在梵净山冷杉种群和元宝山冷杉种群中是否存
在具有同等长度但属于不同谱系现象(homoplaG
sy),先对这3个种各取10个个体,3个位点的PCR
产物连接到pMDG18T质粒载体上进行克隆测序.
结果(GenBankNo.GU564547GGU564563)表明,位
点Pt71936在梵净山冷杉叶绿体微星外存在1个突
变点.因此,我们对其余梵净山冷杉全部个体
Pt71936的PCR产物进行直接测序.
1.4数据统计分析
用10bpDNAladder确定各等位基因的分子
量大小,记录各个体在各引物的PCR产物长度.用
Arlequinver3.01软件(Excoffieretal.,2005)计算
各物种的单倍型的频率(frequencyofhaplotypes)、
7955期         韦范等:梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体微卫星遗传多样性分析
表2 引物序列和退火温度
Table2 Sequenceandannealingtemperatureoftheprimers
引物名称
Primer
引物序列(5′G3′)
Sequence(5′G3′)
退火温度 (℃)
Annealing
temperature
Pt63718
Pt30204
Pt71936
F:CACAAAAGGATTTTTTTTCAGTG
R:CGACGTGAGTAAGAATGGTTG
F:TCATAGCGGAAGATCCTCTTT
R:CGAATTGATCCTAACCATACC
F:TTCATTGGAAATACACTAGCCC
R:AAAACCGTACATGAGATTCCC
55
55
55
单倍型数量No(numberofhaplotypes),有效单倍
型数量Ne(effectivenumberofhaplotypes)和单倍
型多样性He(haplotypicdiversity)(Nei,1978).
2 结果与分析
2.1单倍型的种类
采用3对具有多态性的cpSSR引物分别对所
有样品的总DNA进行扩增,梵净山冷杉、元宝山冷
杉和岷江冷杉在3个位点上的等位基因片段大小范
围和数量见表3.3个位点分别有6个、8个和7个
等位基因.
表3 三种冷杉在3个位点上的等位
基因片段大小范围和数量
Table3 AlelesizerangeandNo.ofalele
atthethreelociin3Abiesspecies
等位基因大小 Alelesize(bp)
位点
Locus
梵净山冷杉
A.fanjingsG
hanensis
元宝山冷杉
A.yuanbaoG
shanensis
岷江冷杉
A.fargesii
var.faxoniana
等位基因
数量
No.of
aleles
Pt63718 95~96 93~95 96~99 6
Pt30204 139~142 137~140 136~147 8
Pt71936 147~149 145~148 146~152 7
  在梵净山冷杉113个植株中,Pt71936的扩增
产物有45个个体在重复序列的一端外侧存在1个
点突变即碱基 A突变为C.根据测序结果和分子
量大小,共定义了35种单倍型,各种群的单倍型数
量及频率见表4.在35种单倍型中,各单倍型为各
物种所特有,没有种间共享的单倍型;梵净山冷杉和
元宝山冷杉的稀有单倍型较少,其频率最高的两种
单倍型分别出现在该种群的46.0%和44.1%的个体
中;岷江冷杉的单倍型以稀有单倍型为主,只出现在
1个个体的单倍型占总样品的61.1%.
2.2遗传多样性
梵净山冷杉、元宝山冷杉和岷江冷杉在3个多
表4 cpSSR单倍型定义和频率分布情况
Table4 Definationanddistributionofhaplotypes
类型
Type
单倍型(bp)
Haplotype
(Pt63718Pt30204Pt71936)
数量Counts(频率Frequency)
梵净山冷杉
A.fanjingG
shanensis
元宝山冷杉
A.yuanbaoG
shanensis
岷江冷杉
A.fargesii
var.faxoniana
h1 96\142\149a 52(0.4600)
h2 96\142\149c 4(0.0354)
h3 95\142\149a 6(0.0531)
h4 95\142\147a 2(0.0177)
h5 95\142\147c 4(0.0354)
h6 96\140\149a 7(0.0619)
h7 96\140\149c 1(0.0089)
h8 95\140\149c 5(0.0442)
h9 95\140\147a 1(0.0089)
h10 95\140\147c 15(0.1330)
h11 95\139\149c 13(0.1150)
h12 95\139\147c 3(0.0265)
h13 95\140\148 1(0.0085)
h14 95\140\146 2(0.0169)
h15 95\140\145 13(0.1100)
h16 95\138\148 52(0.4410)
h17 95\138\146 1(0.0085)
h18 95\137\148 35(0.2970)
h19 93\140\148 1(0.0085)
h20 93\140\146 12(0.1020)
h21 93\138\148 1(0.0085)
h22 96/136/149 1(0.0556)
h23 96/136/148 1(0.0556)
h24 96/137/150 2(0.1112)
h25 96/139/147 1(0.0556)
h26 96/138/150 3(0.1670)
h27 96/141/152 2(0.1112)
h28 98/142/149 1(0.0556)
h29 96/139/148 1(0.0556)
h30 98/147/149 1(0.0556)
h31 97/139/148 1(0.0556)
h32 96/137/146 1(0.0556)
h33 96/138/146 1(0.0556)
h34 99/140/147 1(0.0556)
h35 96/139/149 1(0.0556)
总计 Total 12 9 14
态位点的遗传多样性参数见表5.梵净山冷杉和元
宝山冷杉的单倍型数和有效单倍型数量分别为梵净
山冷杉(No=12,Ne=3.92)和元宝山冷杉(No=9,
Ne=3.28),两者均低于广布种岷江冷杉(No=14,
Ne=11.57);梵净山冷杉(He=0.75)和元宝山冷杉
(He=0.70)的单倍型多样性也低于岷江冷杉(He
=0.97).梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体遗传
895 广 西 植 物                  34卷
多样性低于广布种岷江冷杉.
表5 三种冷杉的遗传多样性参数
Table5 Haplotypesgeneticparametersin3Abiesspecies
种Species
单倍型
数量
No
有效单倍
型数量
Ne
单倍型
多样性
He
梵净山冷杉
Abiesfanjingshanensis
12 3.92 0.75
(0.0364)
元宝山冷杉
A.yuanbaoshanensis
9 3.28 0.70
(0.0271)
岷江冷杉
A.fargesivar.faxoniana
14 11.57 0.97
(0.0298)
 注:括号中数值为标准差
 Note:Standarddeviationsinparenthesis
3 讨论
基于叶绿体微卫星标记,梵净山冷杉和元宝山
冷杉与其他冷杉属物种的遗传多样性比较见表6.
与广布种相比,梵净山冷杉和元宝山冷杉的单倍型
数和单倍型多样性明显低于岷江冷杉、树脂冷杉
(A.cephalonica)(Clarketal.,2000)、欧洲冷杉
(A.alba)和希腊冷杉(A.cephalonica)(Parduccil
etal.,2001).与同是狭域分布的其他冷杉属物种
相比较,梵净山冷杉和元宝山冷杉与西西里冷杉
(A.nebrodensis)等其他冷杉的种群平均单倍型数
相近(Terrabetal.,2007;JaramiloGCorreaetal.,
2008),但梵净山冷杉和元宝山冷杉略低于其他狭域
分布冷杉的种群平均有效单倍型数和单倍型多样性
(表6).梵净山冷杉和元宝山冷杉的单倍型数低于
资源冷杉(A.ziyuanensis)总单倍型数(18种),但
资源冷杉有三个地理分布点(代文娟等,2006).可
见,梵净山冷杉和元宝冷杉具有较低的叶绿体单倍
型多样性.
在35种单倍型中,各单倍型为各物种所特有,
无种间共享的单倍型;梵净山冷杉和元宝山冷杉的
稀有单倍型较少,其频率最高的两种单倍型分别出
现在该种群46.0%和44.1%的个体中.Parduccil
etal.(2001)采用cpSSR标记对西西里冷杉的研究
表6 基于cpSSR标记的梵净山冷杉和元宝山冷杉与其他冷杉属的物种的遗传多样性比较
Table6 ComparisonofgeneticdiversityofA.fanjingshanensisandA.yuanbaoshanensis
withvaluesfromotherAbiesspeciesbasedoncpSSRmarker
物种Species
平均单倍
型数量
Average
numberof
haplotypes
平均有效单
倍型数量
Averageeffective
numberof
haplotypes
平均单倍
型多样性
Average
haplotypic
diverstiy
参考文献
Reference
广布种Pinaceaespecieswithbroaddistribution
岷江冷杉Abiesfargesiivar.faxoniana 14 11.57 0.97 本研究 Thisstudy
希腊冷杉A.cephalonica 18.3 17.93 0.99 Parduccietal.,2001
欧洲冷杉A.alba 15.5 13.5 0.96 Parduccietal.,2001
树脂冷杉A.balsamea 20 - 0.95 Clarketal.,2000
狭域分布种Pinaceaespecieswithnarrowdistribution
梵净山冷杉A.fanjingshanensis 12 3.92 0.75 本研究 Thisstudy
元宝山冷杉A.yuanbaoshanensis 9 3.28 0.70 本研究 Thisstudy
西西里冷杉A.nebrodensis 11 4.90 0.85 Parduccietal.,2001
南树脂冷杉A.fraseri 16 - 0.84 Clarketal.,2000
树脂冷杉的变种A.balsameavar.phanerolepis 9 - 0.78 Clarketal.,2000
西班牙冷杉A.pinsapo 9.7 6.00 0.83 Terrabetal.,2007
摩洛哥冷杉A.marocana 9 5.20 0.83 Terrabetal.,2007
危地马拉冷杉A.guatemalensis 11.2 - 0.93 JaramiloGCorreaetal.,2008
海克尔冷杉A.hickeli 10.7 - 0.94 JaramiloGCorreaetal.,2008
神圣冷杉A.religiosa 9.2 - 0.91 JaramiloGCorreaetal.,2008
A.flinckii 8 - 0.80 JaramiloGCorreaetal.,2008
中有类似发现,西西里冷杉种群41%个体拥有同一
种单倍型.从单倍型组成可推测,梵净山冷杉和元
宝山冷杉可能在近期经历了遗传瓶颈效应.通过比
较梵净山冷杉、元宝山冷杉、岷江冷杉和其他冷杉属
植物的叶绿体微卫星遗传多样性,结果显示梵净山
冷杉和元宝山冷杉的遗传多样性较低.梵净山冷杉
和元宝山冷杉曾繁盛一时,因气候变化不利于他们
的生长而只残存在特殊、局限的小生境中(向巧萍
9955期         韦范等:梵净山冷杉和元宝山冷杉的叶绿体微卫星遗传多样性分析
等,2001).小种群分布的物种会使遗传漂变加剧,
近亲繁殖增加,物种的遗传多样性降低,从而使物种
遗传多样性逐渐丧失,对环境的适应能力变差
(Youngetal.,1996).现存的梵净山冷杉和元宝山
冷杉均仅剩一个孤立种群,不存在种群间的基因流,
由于瓶颈效应、遗传漂变和近亲繁殖造成这两个物
种较低的多样性水平.遗传多样性降低,使种群的
适应能力变差,进化潜力衰弱,这必然导致种群生长
不良,使之处于极度濒危状态.因此,为了不丧失梵
净山冷杉和元宝山冷杉对环境的适应能力和进化潜
力,加强对这2种冷杉的保护十分迫切和重要.
参考文献:
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