全 文 ：2006年第11期 总第132期2006年第11期 总第132期CAOYEYUXUMU 草业与畜牧 CAOYEYUXUMU草业与畜牧
李淑娟 1,周青平 2,颜红波 2
(1.青海大学农牧学院,青海 西宁 810003;2.青海畜牧兽医科学院草原所,青海 西宁 810003)
摘 要:综述了近年来国内外关于披碱草属 (ElymusL.) 植物遗传多样性的研究现状和存在的问题,同时讨论了
其作为重要种质资源的应用前景。
关键词:披碱草属;遗传多样性;种质资源
中图分类号:S543+.9 文献标识码:A 文章编号:1673-8403(2006)11-0001-05
收稿日期:2006-05-10
作者简介:李淑娟 (1967- ),女,青海贵德人,现为青海
大学在读硕士研究生。
披碱草属 (ElymusL.) 是禾本科小麦族重要的
多年生属,广泛分布于温带地区,特别是北半球的
温带地区。按照 L!ve[1]和 Dewey[2]的分类定义 (即广
义的披碱草属分类方法),披碱草属包括了鹅观草属
(RoegneriaC.Koch) 和猬草属 (HystrixMoench)
等,是小麦族 (TritriceaeDumort) 中最大的属,全
世界共有150余种,我国约有80多种。我国的禾草
分类学家将 Elymus和 Roegneria作为独立的属来处
理 [3],即国内披碱草属大约有12种 (不包括鹅观草
属),广泛分布于我国西北、华北、东北及青藏高原
等地区,西北部地区是披碱草的重要分布区和多样
性分化中心。
披碱草属植物的多数物种为草原、草甸和荒漠
的重要组成成分,许多种类是优良的牧草,具有适
应性广、抗寒抗旱性强、经济价值高的特点[3,4],并
且有麦类作物所缺乏的病虫害抗性、抗逆等优良
基因,可以通过转基因等生物技术转移到麦类作物
中[5,6],尤其是有的种类如原产于澳洲的六倍体
Elymusscabsus含有无融合生殖基因型[7],如果能将
该性状导入麦类作物,将在固定杂种优势及改良麦
类作物的现代育种中有着特殊的意义。因此,作为
麦类作物野生近缘种的基因资源库,披碱草属植物
具有潜在的经济价值。对披碱草属植物的系统学、
细胞学及遗传多样性方面的研究,无论在理论上和
经济上都具有十分重要的意义。
迄今为止,国内外许多学者对披碱草属植物的
地理分布、生物学特性、生理生化、种子生产、抗
逆性方面进行了研究,近年来对披碱草属遗传多样
性的研究在不同的水平上相继展开,尤其是随着遗
传学和分子生物学的发展,其研究方法从形态学标
记、细胞学标记、生化标记逐渐发展到分子标记。
现就目前国内外学者在此方面的研究进行论述,以
期为我国披碱草属种质资源的保存利用、开发选育
提供理论依据。
披碱草属植物遗传多样性研究进展
综 述
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2006年第11期 总第132期2006年第11期 总第132期CAOYEYUXUMU 草业与畜牧 CAOYEYUXUMU草业与畜牧综 述
1 研究现状
1.1 形态学方面的研究
形态多样性是遗传多样性研究中最传统的方法。
对披碱草属形态学水平的遗传多样性研究最常用的
方法就是对植物的某些性状如株高、穗长、穗宽、
粒色、千粒重等进行田间测定,从其形态学特征研
究遗传变异及其规律性。这种利用表现型来开展遗
传分析的研究具有简便直观的特点,长期以来被用
于植物种质资源鉴定及育种材料的选择,但因其形
态标记少,多态性易受环境条件的影响,用表现型
性状差异来研究披碱草属植物遗传多样性显然有一
定的局限性。
相对于传统的生物学研究来说,居群生物学因
能通过生物学原理及方法探讨居群内与居群间在不
同遗传组织水平上的遗传多样性及其分布格局,研
究导致居群进化和影响其遗传变异的各种因素的作
用机制而受到学者的青睐。其中的系统聚类法因具
有一定的聚类空间浓缩性和扩张性,可以从宏观上
对各个居群的总变异特征进行描述来揭示植物群体
遗传结构的变异,其应用日益广泛。袁庆华等以国
内 34份披碱草和老芒麦野生居群为材料,运用聚类
分析中的欧氏距离对其13个田间农业生物学性状进
行了分析,表明披碱草和老芒麦野生居群间表型差
异明显,种内遗传变异大,生物多样性丰富。采自
同一地区的不同生境的各居群之间以及采自不同地
区的相似生境的居群之间表现型均存在一定的差异。
严学兵等[8]对我国 9种披碱草的 40个居群中的 28个
形态特征进行系统聚类分析,其结果把 40个披碱草
居群分为两大类,分别为垂穗披碱草种类和穗直立
披碱草种类。披碱草属 9个种的各居群基本能够聚
在一起,并和地理条件有一定关系,较好地反映了
居群和种间的遗传差异。在 28个形态指标中其中有
17个特征向量可反映总变异 85%以上的信息,它们
与生产应用及分类功能联系密切,是披碱草形态分
化的主要指标 (主成分),可以作为分类和育种驯化
的选择指数。
1.2 细胞学方面的研究
目前细胞学水平上的植物遗传多样性研究的主
要方法有核型分析 (染色体数目、大小、随体及着
丝点位置等)、带型分析 (C带、N带和 G带等) 和
原位杂交。细胞学研究结果表明,披碱草属植物均
为多倍体,是由 5个含不同染色体组的二倍体物种
经天然杂交、染色体加倍和进一步分化而形成。这
些染色体组分别是 StH、StY、StYH、StYP、StYW。
L!ve[1]认为 Elymus含 StH染色体组,而 Dewey[2]认为
Elymus含 StY、StYH、StYP、StYW等染色体组,其
中Y染色体组的来源和组成尚不清楚。王克平[9]、刘
玉红[10]、阎贵兴[11]等分别对我国一些披碱草属物种进
行染色体核型研究,发现披碱草属植物的染色体数
目 存 在 明 显 的 差 异 , 其 倍 性 变 化 范 围 从
2n=4x=28,2n=6x=42到 2n=8x=56。蔡联炳等[12]通过
研究认为青藏高原 3种披碱草属植物短芒披碱草、
无芒披碱草和硕穗披碱草的核型均为2n=6x=42。
卢宝荣等[13]对采集于新疆、青海等地的小麦族植
物的细胞学观察发现,在披碱草属的少数种内存在
着染色体倍性的变化,老芒麦具有四倍体和六倍体
这两种倍性的材料。卢宝荣[14]又通过对来自亚洲不同
地理分布的 26种披碱草属植物的种间杂交和杂种 F1
减数分裂染色体配对行为的分析 ,揭示了含 StY基
因组的四倍体物种在基因组同源性水平上的分化规
律和系统演化关系,认为各物种之间有不同程度的
杂交亲合力,但各物种之间杂种 F1完全不育,说明
各物种之间形成了明显的生殖隔离,而这正是新物
种形成的关键,其结果进一步表明,来自不同分布
区的各披碱草物种之间相同的StY基因组同源关系具
有显著的分化,表现出较大的变异,而且这种分化
与这些物种的地理分布有明显的相关性,即相同或
相邻地理分布区的披碱草属物种之间的基因组有较
多的同源性;而地理分布区相距较远的物种,其基
因组的同源性较低。
杨瑞武等[15]对披碱草属、鹅观草属和猬草属模式
种进行了GiemsaC带研究,发现C带带纹主要分布
在染色体的末端和着丝粒附近,而中间带相对较少,
其染色体在 C带带型上存在明显的差异,显示了这
3个属模式种的物种特异性。
对披碱草属细胞学方面的研究以核型、带型分
析较多,而原位杂交的报道很少。而且细胞标记主
要集中于披碱草属与鹅观草属等的分属界线、系统
地位及亲缘关系的界定方面。
1.3 生化方面的研究
生化层次上遗传多样性检测是从蛋白质水平揭
示种群的遗传变异和遗传结构,主要方法有同工酶
电泳和种子贮藏蛋白电泳两种。同工酶是一组化学
反应性质相同而分子结构有差异的酶蛋白分子,它
是基因的直接产物,因而可作为遗传标记。许多研
究工作表明,同工酶有较丰富的变异类型。
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李造哲等[16,17]通过对披碱草和野大麦及其杂种
F1、BC1进行过氧化物酶同工酶比较分析,从酶蛋白
分子水平鉴定出两亲本具有较近的亲缘关系,POD
同工酶具有丰富的多态性,可作为遗传标记用于杂
种的鉴定和回交。杨瑞武等[18]进行了披碱草属、鹅观
草属和猬草属模式种的酯酶同工酶分析,结果 3个
模式种间存在酯酶同工酶变异,其变异表现在酶带
的数目、酶带的迁移率及着色强度等方面,从而认
为披碱草属模式种具有明显的遗传多样性。从其酶
谱来看,同具 StH染色体组的猬草属模式种 H.
patula与披碱草属模式种 E.sibiricus之间的关系较
近,而 H.patula与具有 StY染色体组的鹅观草属
模式种 R.caucasica之间的关系较远。
种子贮藏蛋白电泳是近年来应用较广泛的一种
生化标记。麦类植物种子胚乳中的主要贮藏蛋白是
醇溶蛋白。研究表明,醇溶蛋白在麦类近缘植物种
间、种内不同居群间存在明显的差异,其电泳图谱
的带纹多少及组合方式完全受基因型控制,几乎不
受环境的影响,可以构成品种的指纹[19,20],因此这项
技术也用于披碱草属植物多样性的检测。杨瑞武等[21]
应用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳 (PAGE) 对披碱草属
的 12个物种进行了醇溶蛋白电泳分析,结果表明,
披碱草属植物具有明显的醇溶蛋白多态性,六倍体
物种醇溶蛋白带纹明显多于四倍体的物种,并且基
本包含了四倍体物种所具有的带纹,表明 12个披碱
草属物种之间存在明显的遗传变异,具有丰富的遗
传多样性。而且种间电泳图谱差异的大小可作为其
亲缘关系远近的一项指标,有些物种如E.excelsus、
E.submuticus含有丰富的醇溶蛋白亚基,可以作为
麦类作物品质改良的理想种质资源。
1.4 DNA分子标记方面的研究
从分子水平上对遗传多样性进行检测是目前最
为活跃的一个领域。从分子水平量化种质资源遗传
多样性的方法主要有限制性片段长度多态性
(RestrictionFragmentLengthPolymorphism,RFLP)、
随机扩增多态性DNA(RandomAmplifiedPolymorphic
DNA,RAPD)、扩增片断长度多态性 (Amplified
Fragmentlengthpolymorphism,AFLP) 及 微 卫 星
DNA(SimpleSequenceRepeat,SSR) 技术。4种方
法各有其优缺点,在许多研究中取得了一致的结果。
其中基于聚合酶链式反应 (PCR) 的 RAPD技术由
于其具有众多分子生物学分析方法无法比拟的特点,
而一度成为居群内和居群间遗传多样性研究的重要
手段。
杨瑞武等[22]应用 RAPD技术对披碱草属模式种
的亲缘关系进行研究,结果 42个引物产生的 290条
谱带中,257条 (88.6%) 表现出多态性,说明披碱
草属、鹅观草属和猬草属 3个属的模式种间具有丰
富的遗传多样性。聚类分析结果表明,3个属的模式
种的种间遗传差异明显,而老芒麦种内不同居群间
的遗传差异较小。周永红等[23]利用 RAPD技术分析
了披碱草属、鹅观草属、猬草属和仲彬草属 4个属
的 15种植物并进行了聚类分析,结果 16个引物共
产生 213条 RAPD扩增带,同具 StH基因组的猬草
属模式种和披碱草属模式种存在较大的 RAPD变异,
而鹅观草与披碱草的亲缘关系较近。这与形态学和
细胞学上的研究相一致。张颖等[24]为探讨披碱草属、
鹅观草属、猬草属和仲彬草属物种的属间关系进行
了 随 机 扩 增 微 卫 星 多 态 性 (RandomAmplified
MicrosatelitePolymorphicDNA,RAMP) 分析,结果
为 31个引物组合产生的 324条 DNA扩增带均具有
多态性,表明各属物种间存在明显的遗传差异。从
而认为 RAMP标记可作为评价小麦族披碱草属等物
种遗传多样性和亲缘关系的一种分子标记技术。王
树彦等[25]采用 RAPD技术,筛选了 16个随机引物对
加拿大披碱草、老芒麦及其杂种 F1代进行遗传多态
性检测。在获得的 186个位点中,114个 (61.29%)
为多态性位点。说明这两个种及其 F1具有较高的遗
传变异性。从种群内的遗传多态性来看,加拿大披
碱草的多态性位点远高于老芒麦及其杂种 F1。从种
群间的遗传关系来看,F1与母本加拿大披碱草的遗
传距离较近,而与父本老芒麦的遗传距离相对较远。
近几年来人们又发展了一种新型分子标记技术,
即 简 单 重 复 序 列 (Inter-simpleSequenceRepeat,
ISSR) 标记。该技术以其操作简单、成本低、快速
灵敏、结果稳定可靠、检测多态性能力强而倍受青
睐,已成功运用于物种亲缘关系分析、遗传多样性
检测、DNA指纹库的建立以及植物育种等方面。但
将 ISSR技术应用在披碱草属遗传多样性的研究仅见
于李永祥等[26]的报道。李永祥等以包含四倍体、六倍
体两种倍性水平的披碱草属 12个物种为材料,对
ISSR和 SSR标记在披碱草属植物研究的可应用性进
行了探讨。其结果筛选出的 18个 ISSR引物和 14对
SSR引物的多态性位点百分率分别为 84%和 91%,
均表现出较高的多态性,所用两种标记的种间聚类
状况与物种的倍性水平和形态学相似程度存在较高
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的一致性。两种标记均可有效应用于该属植物物种
的遗传多样性分析。
国外对披碱草属植物遗传多样性的研究广泛而
深入,特别是用分子标记技术研究多态性方面作了
大量工作。1998年,Diaz等[27]用凝胶电泳进行披碱
草属的多态性研究,并利用等位酶、RAPD和微卫星
标记法对起源于不同国家的披碱草属的 26个种的
128个品种进行研究,认为种群内多态性较低。1999
年,Diaz等[28]对E.alaskanus进行了等位酶分析。同
年Sun等[29]通过等位酶、RAPD和微卫星标记法对斯
堪第那维亚的本地种E.caninus进行了遗传多样性研
究,并对该种的天然居群的遗传结构和等位酶进行
分析[30],认为披碱草属植物的繁殖策略和交配方式影
响植物的遗传多样性和种群内部之间的遗传关系。
一般自交植物个体间的基因交流受到限制,其遗传
变异的分布呈斑块状,而异交植物个体间的基因交
流比较充分,遗传变异的分布比较均匀。Sun等又
对挪威的 E.alaskanus种群进行了微卫星多态性标
记[31]。MacRitchie等[32]通过微卫星技术,研究了披碱
草种群生物学多样性及种间进化,表明披碱草属植
物具有丰富的遗传多样性。
2 披碱草属植物遗传多样性研究中存在的问题
综上所述,披碱草属遗传多样性的研究由原来
仅限于植物学特征、生物学特性鉴定发展到了分子
水平;由对性状变异的一般性描述发展到对群体遗
传结构的分析。但是我国系统的披碱草属遗传多样
性研究相对匮乏和不足,对该属植物 DNA分子水平
上的研究尚处于初始阶段。而且对其无论在细胞学
上的研究还是DNA分子标记主要集中于披碱草属与
鹅观草属、猬草属等分属界线、系统地位、属内等
级划分及亲缘关系的界定上。对披碱草属遗传多样
性及其与生态环境的关系、种群生物学多样性、抗
逆性筛选的广度和深度还远远不够,特别是抗逆性
和遗传及其生理生化机理机制的研究还有待于深入
开展。RFLP、AFLP以及 SSR分子标记,虽然在许
多领域已经做了大量的基础理论和应用研究,但应
用于披碱草属种质资源的研究报道极少。因此,通
过借鉴国外的经验,拓展分子标记技术尤其是 ISSR
等新型标记技术在我国披碱草属遗传多样性中的应
用空间和应用深度,深化披碱草育种的理论研究,
优化其育种程序,是值得育种工作者考虑的问题。
近年来由于生态环境的恶化,一些披碱草属物种
已面临灭绝的危险。如原产于我国内蒙的多叶披碱草
已在原产地消失,有的物种如大披碱草仅分布于狭小
的范围而处于濒危状态。故对其制定合理而有效的策
略和保护措施显得尤为重要。应当通过就地保种或移
地保护等手段保护披碱草属植物及其环境,使其丰富
的物种、遗传和生态多样性不致丧失。
另外,对披碱草属物种的起源、演化及其归属
和小麦族中的分类系统的进一步研究,仍然是亟待
解决的课题。应该结合形态学、细胞学和分子生物
学等手段从多种水平上进行系统的研究,这样才能
得出更准确稳定而趋于自然的分类系统。
3 结语
遗传多样性是生物种内不同群体之间或一个群
体内不同个体之间的遗传变异。遗传多样性作为生
物多样性的重要组成成分,是生态系统多样性和物
种多样性的基础。对披碱草属植物遗传多样性进行
研究,是其基因库开发利用与保护的关键所在。披
碱草属植物作为麦类作物品质改良的理想种质资源,
将其优良基因通过生物技术导入麦类作物的遗传背
景是利用该属植物育种的一个热点。而又因披碱草
中的 Elymusscabsus是至今发现的小麦族中唯一的
无融合生殖类型,通过远缘杂交等手段将该基因型
转入麦类作物,是麦类作物改良育种的另一热门课
题。
总之,披碱草属植物丰富的种质资源为我国的
牧草育种改良提供了有利条件,其应用前景十分广
阔。
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2006年第11期 总第132期2006年第11期 总第132期CAOYEYUXUMU 草业与畜牧 CAOYEYUXUMU草业与畜牧
ResearchProgressonGeneticDiversityofElymusL.
LIShu-juan1,ZHOUQing-ping2,YANHong-bo2
(1.AgricultureandAnimalHusbandryColegeofQinghaiUniversity,Xining81003,China;
2.QinghaiAcademyofAnimalandVeterinaryScience,Xining810003,China)
Abstract:ThispapersummarizedthemainresearchprogressonthegeneticdiversityofElymusL.,anddiscussed
theapplicationofElymusL.asanimportantgermplasmresource.
Keywords:ElymusL.;Geneticdiversity;Germplasmresource
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