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芸薹属蔬菜Chs基因序列多态性



全 文 :研究报告
Research Report
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
陈发波 姚启伦 * 方平 董二飞 陈春
长江师范学院生命科学与技术学院,重庆, 408100
*通讯作者, yql641@aliyun.com
摘 要 为探讨我国芸薹属蔬菜的起源及遗传多样性,克隆、测序芸薹属不同种的 Chs基因序列。A基因组
二倍体、A基因组多倍体、B基因组多倍体和 C基因组二倍体的 Chs基因突变位点数分别为 120、172、194
和 25个,Chs基因多态性表现为:B基因组多倍体>A基因组二倍体>A基因组多倍体>C基因组多倍体。
TajimaD、Fu and LiD和 Fu and LiF检验表明 A基因组二倍体、C基因组二倍体 Chs基因是中性进化基因。
HKA平衡检验及误配分析表明 A基因组多倍体和 B基因组多倍体 Chs基因进化中存在选择作用。A基因
组和 B基因组间存在较低的共有差异和较高的共有多态性,C基因组与 A、B基因组存在较高的共有差异
和较低的共有多态性。系统发育树将芸薹属 Chs基因序列分成 4个亚支、10个支系。网状分析表明,白菜可
能是四倍体 A基因组的供体,黑芥可能是四倍体 B基因组的供体,甘蓝可能是四倍体 C基因组的供体。中
国芸薹属蔬菜在 Chs基因位点有较高的遗传多态性,不同基因组间分化程度不一样,B基因组分化较大,A
和 C基因组分化较小。A和 B基因组的亲缘关系较 A和 C基因组以及 B和 C基因组更为接近。建议根据基
因组的不同将中国芸薹蔬菜分成白菜组、芥菜组和甘蓝组,研究结果支持芸薹属进化的禹式三角模型。
关键词 芸薹属,蔬菜, Chs基因,序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables
Chen Fabo Yao Qilun * Fang Ping Dong Erfei Chen Chun
Life Science and Technology Institute, Yangtze Normal University, Chongqing, 408100
* Corresponding author, yql641@aliyun.com
DOI: 10.13417/j.gab.034.002702
Abstract To explore the DNA polymorphism and evolution of Chs genes in Brassica vegetables from China, the
Chs DNA sequences from Brassica accessions were cloned and sequenced. By aligning these sequences and
analyzing DNA variations in Chs loci, we found 120, 172, 194 and 25 polymorphism sites in Brassica A-diploid,
A-polyploid, B-polyploid, and C-diploid, respectively. On the basis of estimates of π per base pair and θ per base
pair, the highest level of sequence variation was found in B-polyploid, followed in turn by A-diploid, A-polyploid,
and C-diploid. The estimates of Tajimas and Fu and Lis D statistic for Chs gene were negative in the A-diploid
and C-diploid, suggesting that neutrality cannot be rejected. HKA test and mis-alignment analysis indicated that
both natural selection and artificial selection effect the evolution of A-polyploid and B-polyploid. In comparison,
more fixed differences than shared polymorphisms between A genome and C genome, B genome, as well as C
genome were found. As illustrated in the phylogenetic tree, the sequences from all Brassica taxa were separated
into four well supported clades and ten sub-clades. Median-joining (MJ) network analysis showed that Brassica
pekinensis, Brassica nigra and Brassica oleracea were the parental donors of A genome, B genome, and C genome
in allotetraploid, respectively. A high level of genetic diversity of Chinese Brassica vegetables was found.
Additionally, the results indicated that the degrees of differentiation were different in A, B and C genomes of
Brassica vegetables, which revealed that the relationship between A and B genome was more closer than that of A
基金项目:本研究由教育部科技司资助项目(Z2011143)、重庆市教委资助项目(KJ121304)和重庆市涪陵区科委计划资助项目(FLKJ,
2012ABB1085)共同资助
基因组学与应用生物学,2015年,第 34卷,第 12期,第 2702-2715页
Genomics and Applied Biology, 2015, Vol.34, No.12, 2702-2715
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
and C, B and C genome. It is suggested that Chinese Brassica vegetables could be divided in to three sections including
Sect. Pekinensis, Sect. Juncea and Sect.Oleracea. This supports the Us tirangle evolutionmodel ofBrassica.
Keywords Brassica, Vegetable, Chs gene, Sequence polymorphism
芸薹属(Brassica)是十字花科植物(Brassicaceae)
一个重要属,包含了许多经济上有重要价值的蔬菜,
如白菜、芜菁、芥菜、甘蓝和花椰菜等(周灿等, 2014)。
中国是芸薹属植物起源及分化中心之一,如何更好
的保护和利用我国丰富的芸薹属资源,选育优良的
蔬菜品种,成为科研工作者关注的热点。从分子水平
探究中国芸薹属植物的起源、进化及遗传多样性,不
仅可以为芸薹属蔬菜的保护与利用提供依据,还可
以为芸薹属蔬菜间远缘杂交创制新材料提供指导。
前人对中国芸薹属蔬菜进行了大量基础性研究
(Chen et al., 2013; Guo et al., 2014;隋光磊等, 2014),
在分类上周太炎等(1987)主编的《中国植物志》载,中
国芸薹属植物有 15种,11变种及 1变型。王建林等
(2006)将中国芸薹属植物划分为白菜组、芥菜组和甘
蓝组 3个类群,其中白菜组最原始,芥菜组较进化,
甘蓝组进化程度最高。基于分子标记技术及 DNA测
序技术,孙德岭等(2001)、Zhao等(2005)、Liu和Meng
(2006)、Cui等(2008)、Cheng等(2009)、Yao等(2012)、
Fang等(2013)、刘冬媛等(2014)和 Xu 等(2014)先后
在 DNA分子水平对中国芸薹属才能进行了遗传多
样性研究,结果均表明中国芸薹属蔬菜在分子水平
上有丰富的遗传变异和较高的育种利用潜势。但尚
未见中国芸薹属蔬菜起源进化的分子系统学研究。
近年来,利用 DNA序列变异研究生物群体演化
已成为遗传学研究的一大热点。查尔酮合成酶
(chalcone synthase, Chs)基因是单拷贝核基因,编码
植物类黄酮物质合成途径中的第一个酶,在植物中
普遍存在(Ferrer et al., 1999)。Lanz等(1991)指出 Chs
在植物不同类群中是很保守的,Chs 基因是一个较
大的基因家族,其编码区比较保守,长约 1.2 kb,不
同科之间的氨基酸同源性在 70~90。Niesbach-Kl觟s-
gen等(1987)首次尝试用 Chs基因编码区的 DNA序
列来研究物种的进化关系。王金玲等(2000)共分析
了 19个科植物的 83个 Chs基因序列。Yang等(2003)
的研究表明山茶属 Chs基因家族在进化过程中已分
化为 A、B 和 C 3 个家族,包括 A1、A2、A3、B1、B2
和 C等 6类不同的基因成员。Zhao等(2010)利用 Chs
基因分析了十字花科 60个属间的系统关系,认为
Chs基因序列可作为十字花科不同属间系统关系分
析的候选基因。
芸薹属蔬菜作为我国重要的作物资源,有 3种
类型的基因组,存在多种类型的异源四倍体,且在进
化过程中形成了丰富的种及变种,其较多种及变种
间的起源进化关系尚无定论,在较小时间与空间尺
度上主效基因位点的变异形式及种群演化过程均未
见相关报道。单拷贝核基因是分子系统学中一种极
有价值的分子标记,在植物分子系统学研究中可作
为理想的载体来演示多倍体物种的形成过程、供体
来源和分析种或种内变异等(Zhao et al., 2010)。Chs
在植物中普遍存在,是单拷贝基因,已应用于植物起
源进化和多倍体物种起源进化的研究。但未见利用
单拷贝核基因研究芸薹属蔬菜起源进化的报道。
本研究通过对中国芸薹属植物 Chs 基因部分
DNA测序,分析 Chs基因的遗传多态性,研究芸薹
属植物的分子系统发育关系,演示芸薹属多倍体物
种不同基因组的形成过程,为芸薹属蔬菜的起源进
化提供更有利的分子证据,为芸薹属蔬菜远缘杂交
及种质扩增提供依据。
1结果与分析
1.1 Chs基因序列多态位点分析
从 72份芸薹属植物(包括外类群,标准序列)中
获得 117个 Chs基因序列,其中从异源四倍体中获
得了 2个拷贝的 Chs基因序列,其他二倍体供试材
料都只获得 1个拷贝序列。Chs基因序列长度变异为
1 178~1 264 bp,多数序列长度集中在 1 254 bp左右。
Chs基因序列排序后,共得到 1 268个排列位点(total
site),其中保守位点(coserved sites) 996个,占 78.55%,
可变位点(variable sites) 272个,占 21.45%,简约信息
位点(parsimony information) 166个,占 61.03%。序列
外显子、内含子长度变异和多态性位点(表 1),在 5个
基因组类群中,B基因组多倍体的 Chs基因突变位
点数最多,为 194,其外显子中有 154个核苷酸同义
替换、40个非同义替换;A基因组二倍体、A基因组
多倍体和 C基因组二倍体 Chs基因的突变位点数分
别为 120个、172个和 25个,以 C基因组二倍体最
低。外显子平均长度为 1 180 bp,变幅 1 177~1 237 bp,
表明 Chs基因编码区长度较为保守。
1.2 不同基因组 Chs 基因的遗传多样性及基因进化
平衡检验
比较各基因组 Chs基因遗传多态性指数 θw(表 2),
2703
表 1 5个种群内 Chs基因多态位点
Table 1 Polymorphic sites of Chs genes in the five taxa
种类
Species
A基因组二倍体
A-diploid
A基因组多倍体
A-polyploid
B基因组多倍体
B-polyploid
C基因组二倍体
C-diploid
萝卜属
Radish
样本数
Sample number
12
29
40
13
6
Syn
105
141
154
6
30
Rep
15
31
40
19
9
AL
1 177
1 183
1 177
1 177
1 237
Subs
429
393
431
531
543
AL
128
87
128
228
242
外显子
Exon
内含子
Intron
注: Syn:同义替代; Rep:非同义替代; AL:平均长度; Subs:碱
基取代位点数
Note: Syn: The number of synonymous polymorphisms in exon;
Rep: The number of replacement or nonsynonymous polymor-
phisms in exons; AL: The average sequence length of the taxa;
Subs: The number of base substitutions in intron
表 2 5个基因组 Chs基因序列多样性和中性进化检验
Table 2 Sequence polymorphism and neutral evolution test of Chs genes in the five taxa
A基因组二倍体
A-diploid
A基因组多倍体
A-polyploid
B基因组多倍体
B-polyploid
C基因组二倍体
C-diploid
萝卜属
Radish
N
12
29
40
13
6
H
12
27
36
13
6
S
121
56
156
69
43
π (bp)
0.019 9
0.017 3
0.022 5
0.021 4
0.014 3
Θw (bp)
0.030 0
0.027 3
0.031 3
0.015 8
0.013 5
D
-2.246 5
(p>0.05)
-2.3631
(p<0.01)
-0.927 5
(p<0.05)
1.609 5
(p>0.05)
0.352 7
(p>0.05)
FD
-2.246 5
(p>0.05)
-4.3648
(0.01-1.890 6
(p>0.05)
0.489 8
(p>0.05)
0.609 9
(p>0.05)
Ffl
-2.397 88
(p>0.05)
-4.373 3
(0.01-1.841 2
(p>0.05)
0.905 9
(p>0.05)
0.608 1
(p>0.05)
Rm
8
11
16
1
1
注: N:样本数; S:分离位点数; H:单体型数; D: TajimaD; FD: Fu and LiD; Ffl: Fu and LiF; Rm最小重组值
Note: N: Sample numbers; S: The number of segregating sites; H: Haploid numbers; D: TajimaD; FD: Fu and LiD; Ffl: Fu and LiF;
Rm: The minimum recombination number
B基因组多倍体的遗传多态性最高(0.031 3),外类群
萝卜的最低(0.013 5)。A基因组二倍体、A基因组多
倍体和 C 基因组二倍体的遗传多态性指数分别为
0.030 0、0.027 3和 0.015 8,均高于外类群萝卜。由不
同基因组类群内基因平衡进化检验结果(表 2)可知,
A基因组二倍体、B基因组多倍体、C基因组二倍体
和萝卜 Chs基因 TajimaD、Fu and LiD和 Fu and LiF
均不显著,表明 Chs基因在这几个基因组中是中性
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables
进化基因位点,不存在选择作用。A基因组多倍体
Chs基因 TajimaD、Fu and LiD和 Fu and LiF均显著
或极显著。为了进一步验证影响 A基因组多倍体
Chs基因进化的因素,运用 HKA方法进行群体间基
因进化平衡检验,结果卡方值等于 6.086,概率为
0.013 6,达到显著水平,说明在A基因组多倍体 Chs基
因进化中存在选择作用。
1.3不同基因组 Chs基因种群间的遗传相关性
共有多态性(shared polymorphisms)是未被遗传
漂变消除的多态性,与群间分歧年代负相关,而与奠
基群体大小正相关,共有差异(fixed differences)代表
种群在独立演化过程中不同的遗传漂变(Zhao et al.,
2010)。通过比较基因组 DNA序列的共有多态性和
共有差异,可分析其遗传相关性。芸薹属不同基因组
Chs基因序列间具有较高的共有多态性,存在不同程
度的共有差异,芸薹属不同基因组与萝卜属 Chs基
因间均存在较高的共有差异,存在不同程度的共有
多态性(表 3)。其中 A基因组二倍体与 A基因组多
倍体、B基因组多倍体、C基因组二倍体间的共有多
态数分别为 63、54和 8,共有差异数分为 0、3和 7;B
基因组多倍体与 A基因组多倍体、C基因组二倍体
间的共有多态数分别为 61和 6,共有差异数分为 10
和 19。C基因组二倍体与 A基因组多倍体间的共有
多态数为 7,共有差异数为 4。这在 Chs序列上反映
了芸薹属不同基因组间有较密切的遗传关系,A和
B基因组之间的亲缘关系较 A和 C基因组及 B和
C基因组之间更为接近。
2704
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
表 3不同基因组 Chs基因间的共有多态数和共有差异数
Table 3 The numbers of shared polymorphisms and fixed differences between Chs gene in taxa
A基因组多倍体
A-polyploid
B基因组多倍体
B-polyploid
C基因组二倍体
C-diploid
萝卜属
Radish
A基因组二倍体
A-diploid
63
(0)
54
(3)
8
(7)
9
(22)
A基因组多倍体
A-polyploid
61
(10)
7
(4)
10
(26)
B基因组多倍体
B-polyploid
6
(19)
10
(26)
C基因组二倍体
C-diploid
0
(54)
1.4芸薹属 Chs基因的系统进化关系分析
基于 Chs基因序列的“外显子+内含子”区,采用
最大似然法(ML)构建系统发育树(图 1),似然值为
-5 816.393,4种核苷酸的理论频率为 A:0.243 4、G:
0.263 9、T:0.227 3、C:0.265 4,A=24.34%,T/U=22.73%,
C=26.54%,G=26.39%,γ形值(gamma shape parameter)
为 0.304 1。系统发育关系树显示出芸薹属和萝卜属
两大分支,芸薹属分为 A、B、C和 D四个亚支(图 1)。
A亚支包括支系 A1、A2和 A3,都为 A基因组 Chs基
因序列。支系 A1包括 60-4、52-5、40-3、44-3、57-3、
42-2、50-3、31-4、45-2、46-1、58-5、43-2、48-3、65-2、
61-5、41-6、3-3、59-1、4-3、63-1、37-4、51-1、55-2、27-
5和 26-2,该支系除 3-3和 4-3为二倍体外,其余都
为异源四倍体材料。A2支系包括 11-5、6-5、7-4、8-3
和 9-2,该支系都为二倍体材料。A3支系包括 EF40-
8922、2-1、41-5、5-4、1-1、49-5、64-7、39-4、36-2、35-
6、49-4和 37-24,该支系除 1-1、2-1、5-4为二倍体
外,其余都为四倍体材料;B亚支包括支系 B1、B2、
B3、B4、B5和 B6,都为 B基因组 Chs基因序列,其中
12-1为二倍体材料,其余都为四倍体材料。B1支系
包括 30-5、56-8、33-2、64-6、34-2、63-2、62-4、47-5、
51-3和 62-3。B2支系包括 61-4和 56-1。B3支系包
括 62-5和 12-1。B4支系包括 42-4、54-5、45-1、64-9、
53-2和 32-3。B5支系包括 33-5、64-10和 41-3。B6
分支包括 37-3、39-5和 53-3;C亚支包括支系 C1和
C2,都为 C基因组 Chs基因序列。C1支系包括 17-3、
18-1、19-2、22-2、66-5、23-1、20-2、EF408921,C2 支
系包括 15-2、26-5、13-2、25-3、21-1、24-2、27-1 和
14-2;D亚支包括支系 D1和 D2,除 16-2为 C基因
组 Chs序列外,都为 B基因组 Chs基因序列。D1支
系包括 64-8、56-3、52-1、57-5、38-2、28-4、59-4、31-2、
60-3、50-5、55-3、51-2、32-5、35-7、42-1、36-1、47-4、
44-1、34-4、43-3、34-1、28-1和 16-2,支系 D2包括
66-2、29-5和 30-17。由系统发育树(图 1)可见,不同
基因组 Chs序列能较好聚在一起,但同一基因组内
较多种和变种间有相近的遗传关系,多数变种聚居
在同一支系。
1.5 Chs基因序列网状(network)进化关系分析
1.5.1 A基因组 Chs基因直系同源比较
A基因组同源序列网状结构(图 2)显示了 4 个
主要的星状结构。第 1个星状结构包括 1-1、41-5、
5-4、2-1、37-24、49-5、49-5、35-6、49-4、36-2、39-4 和
64-7,其中 36-2、39-4和 64-7处于星状结构交接点
处,1-1、2-1和 5-4为二倍体材料,其它都为四倍体
材料。第 2个星状结构包括 3-3、65-2、50-3、44-3、
58-5、57-3、60-4、40-3、52-5、59-1、48-3、45-2、61-5、
42-2、31-4、43-2和 46-1,其中 42-2、31-4、43-2 和
46-1处于星状结构交接点处,3-3为二倍体材料,其
它都为四倍体材料。第 3 个星状结构包括 27-5、
26-2、51-1、37-4和 55-2,都为四倍体材料。第 4个
星状结构包括 9-2、7-4、8-3、6-5和 11-5,都为二倍
体材料。表明二倍体白菜可能是四倍体 A基因组亲
本的供体。4个星状结构包括了大多数的 A基因组
同源序列,说明 A基因组 Chs基因分化相对较小。
1.5.2 B基因组 Chs基因直系同源比较
B基因组同源序列网状结构图(图 3)只显示了
1个主要的星状结构,该星状结构包括 64-9、57-5、
51-2、53-2、31-2、50-5、45-1、42-1、39-5、42-4、36-1、
56-3、32-3、52-1、54-5、34-4、62-5、41-3、28-1、59-4、
60-3、64-8、64-10、38-2、55-3、43-3、44-1、47-4、28-4、
32-5、33-5、34-1、35-7和 12-1,其中 28-1、59-4、60-3、
64-8、64-10、38-2、55-3、43-3、44-1、47-4、28-4、32-
5、33-5、34-1、35-7和 12-1处于星状结构交接点处,
2705
图 1芸薹属 Chs基因系统发育树
注:各材料后的数字表示来源于同一材料不同 Chs基因序列
Figure 1 Phylogenetic tree of Chs genes in the Brassica taxa
Note: The numbers after accession number stand for different Chs sequences from the same material
12-1 (黑芥)为二倍体材料,其他都为四倍体材料,说
明黑芥可能是四倍体 B 基因组亲本供体。在这个
星状结构处分布如此多的材料,且除 12-1 外这些
材料包括芥菜的不同变种,推测在某个历史时期
中国芥菜可能发生了突发式的群体大扩张。通过
对该星状结构材料 Chs基因序列的误配分析(图 4),
发现星状结构材料 Chs 基因序列遗传多样性显著
下降。除一个星状结构外,Chs基因的 B基因组直
系同源系列还存在许多分支,说明 B基因组 Chs基
因分化相对较大。
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables 2706
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
1.5.3 C基因组 Chs基因直系同源比较
C基因组同源序列网状结构可以看出,网状结
构图(图 5)显示了 2个主要的星状结构。第一个星状
结构包括 66-5、18-1、17-3、19-2和 22-2,其中 18-1、
17-3、19-2和 22-2为二倍体材料,66-5为四倍体材
料。第二个星状结构包括 15-2、26-5、13-2、14-2、
27-1、24-2、21-1和 25-3,其中 21-1和 25-3处于星
图 2基于 A基因组 Chs基因序列构建的MJ网状支系
注:各节点间的数字表示突变位点数, mv后的数字表示分析
中假定缺失的单体模本
Figure 2 Median-joining (MJ) network derived from the A genome
sequences of Chs gene
Note: The numbers between points indicate the number of muta-
tion steps; The numbers after mv depict missing intermediate
haplotypes that were not found in the analyzed individuals
图 3基于 Chs基因 B基因组序列构建的MJ网状支系
Figure 3 Median-joining (MJ) network derived from the B genome sequences of Chs gene
图 4 B基因组星状结构 Chs基因序列误配分析
Figure 4 The Mis-alignment analysis in B gene of Chs sequence
in the asteroidal structure
状结构交接点处,13-2、14-2、15-2、21-1、24-2和 25-
3为二倍体材料,26-5和 27-1为四倍体材料,说明
二倍体甘蓝可能是四倍体甘蓝型油菜 C基因组的亲
本供体。两个星状结构包括了大多数的 C基因组同
源序列,说明 C基因组Chs基因分化相对较小。
2讨论
2.1中国芸薹属植物 Chs基因序列多态性
基因序列多态性是生物种群演化的基础,而序
列多态性和基因进化是物种在同一演化过程中的两
个不同层次(Zhao et al., 2010)。分析单拷贝核基因序
列的遗传多态性可以了解基因在不同种群中的演化
进程。已有大量的研究报道表明中国芸薹属蔬菜间
存在丰富遗传多样性,如韩建明等(2007)对不结球白
菜种质资源的研究表明国内的基因多样性指数和遗
传丰富度分别高于国外。不结球白菜遗传分化系数
2707
图 5基于 Chs基因 C基因组序列构建的MJ网状支系
Figure 5 Median-joining (MJ) network derived from the C genome
sequences of Chs gene
为 58.22%,大部分变异存在于种群间,基因流为
0.403 1,说明群体间基因流动较少,遗传分化程度较
高。Zhao等(2009)分析了我国及欧洲不同育种时期
白菜型油菜的遗传多样性,结果表明中国白菜型油
菜的遗传多样性高于欧洲的,对品质的选择并没有
显著降低中国白菜型油菜的遗传多样性。Yao 等
(2012)利用 SSR分子标记分析了我国 16个芥菜变种
的遗传多样性,发现中国芥菜不同变种间存在丰富
的遗传多样性,种间的遗传多样性大于种内的遗传
多样性。Wang等(2007)利用 SLG基因对中国芸薹属
蔬菜进行分析,结果表明 SLG基因在芸薹属蔬菜间
表现出较丰富的遗传多样性,但部分地区种质多样
性相对较差,在育种中应加强种质资源的交换。本研
究在 Chs 基因序列中检测到 272 个可变位点,占
21.45%,简约信息位点 166个,占 61.03%,不同基因
组 Chs基因遗传多态性指数 θw均高于外类群萝卜
的多态性指数;系统发育树分析表明,可将中国芸薹
属植物 Chs 基因序列分成 4 个亚支、10 个支系;此
外,Chs基因序列的网状支系分析发现,117个 Chs基
因序列有 109个单体型。由此表明中国芸薹属蔬菜
在 Chs基因位点有较高的遗传多态性,在今后芸薹
蔬菜育种中可以充分利用种间远缘杂交,创制新的
材料。另外从系统进化聚类图可以看出,部分材料间
差异较小,这可能与选取了较多的变种材料有关,其
间难免有血缘的交叉,这一问题应在今后芸薹蔬菜
种质资源收集、保存中引起育种者的高度重视。
2.2中国芸薹属植物的系统进化关系
芸薹属植物二倍体物种主要有 3种基本染色体
组,即 A基因组(芸薹)、B基因组(黑芥)和 C基因组
(甘蓝),异源四倍体物种主要有 3种类型染色体,即
AB (芥菜)、AC (甘蓝型油菜)和 BC (埃塞俄比亚芥)
(刘佩英, 1996)。中国芸薹属内的种群分类一直存在争
议,据《中国植物志》载,中国有芸薹属植物有 15种,
11变种及 1变型(周太炎等, 1987)。王建林等(2006)
通过芸薹属与其外类群白花菜科(Capparaceae)形态
特征的比较,将中国芸薹属植物划分为白菜组(Sect
pekinensis)、芥菜组(Sect juncea)、甘蓝组(Sect olera-
cea) 3个类群。Chs基因序列的系统进化关系发现,
中国芸薹属蔬菜异源四倍体中,单拷贝核基因 Chs
有 2个拷贝,整个芸薹属植物异源四倍体有 3种类
型拷贝的 Chs基因,并且 3种类型拷贝与二倍体的
基因序列形成直系同源。系统发育树将芸薹属蔬菜
Chs基因序列分成 4个亚支、10个支系。A基因组序
列在 A分支,B基因组序列在 B和 D亚支,C 基因
组序列主要在 C分支,这与王建林等(2006)的研究结
果基本一致,建议根据基因组的不同将中国芸薹蔬菜
分为白菜组(AA基因组植物)、芥菜组(BB和 AABB
基因组植物)和甘蓝组(CC 和 AACC 基因组植物)。
但同一基因组间许多种和变种间有较近的遗传关
系,对一些四倍体的种及变种分类还需要进一步的
探讨,基于系统树的建树分析对芸薹属植物的系统
与演化分析可能存在以下问题:一是对多倍体材料
另一个基因组的来源未能提供参考,不能很好的区
分不同来源基因组的 Chs序列;二是系统树中有较
多节点间的自展支持值较低,说明很多分支可信度
较低,如将 16-2 (羽衣甘蓝)和 28-2 (野生芥菜)、34-1
(抱子芥)等分在一个分支上;三是出现较多的零支长
分支,如 D1支系中出现多个材料同处于一个支长为
零的分支上;四是同一物种未形成单系组。网状分析
表明,白菜可能是四倍体 A基因组的供体,黑芥可能
是四倍体 B基因组的供体,甘蓝可能是四倍体 C基
因组的供体,这与 Song等(1988)和 Truco等(1996)的
研究相一致,研究结果支持芸薹属植物进化的禹式
三角模型(Song et al., 1995)。
2.3中国芸薹属不同基因组之间的亲缘关系
芸薹属 A、B和 C基因组之间的亲缘关系一直
是科学研究的热点问题。从共有多态性和共有差异
看,芸薹属不同基因组 Chs基因间存在较密切的遗
传关系,A和 B基因组之间的亲缘关系较 A和 C基
因组以及 B和 C基因组之间更为接近,这与 Song
等(1995)和 Ge和 Li (2007)的研究结果基本一致。但
与 Li 等 (2005)、Cheung 等 (1998)、刘爱华等 (2003)、
Cui等(2008)和 Attia 和 R觟bbelen (2011)的研究结果
不一致,他们都认为 A和 C基因组之间的亲缘关系
较 A和 B基因组以及 B和 C基因组之间更为接近。
Chs基因多态性表现为:B基因组多倍体>A基因组
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables 2708
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
二倍体>A基因组多倍体>C基因组多倍体。B基因
组多倍体多态性高于 A基因组多倍体和 A基因组
二倍体,说明 B基因组比 A基因组多倍体和 C基因
组二倍体分化程度高。从系统发育分析可以看出,芸
薹属植物不同基因组间分化程度不一样,A和 C基
因组都只包括一个分支,分化较小,B基因组包括 8个
分支,分化较大。网状结构分析也表明 A基因和 C基
因组分化相对较小,B基因组分化相对较大。刘爱华
等(2003)研究表明 A和 C基因组变大,B基因组变
化较小,本研究结果与刘爱华等研究结果不一致。这
可能跟研究中选取的材料、方法不同有关,也可能与
选用的基因不同有关,在植物中不同基因可能有不
同的分化程度。而 A基因组多倍体多态性低于 A基
因组二倍体多态性,可能跟驯化中人工选择有关,人
工选择使多态性降低。TajimaD和 Fu and LiD检验
及 HKA平衡检验结果说明在 A基因组多倍体进化
中存在选择作用。B基因组网状分析也表明星状结
构材料 Chs基因序列遗传多样性显著下降,这可能
与中国芸薹属植物主要作为蔬菜作物在中国广泛栽
培有关,在芸薹植物栽培与传播过程中存在大量的
人工驯化选择。中国芸薹蔬菜 BB、BBCC和 AACC
基因组植物相对较少,本研究未能比较 B基因组二
倍体、C基因组多倍体间的亲缘及分化关系。
3材料与方法
3.1试验材料
供试材料为芸薹属不同种、变种及外类群萝卜
属的不同栽培种,材料编号、来源及序列 GenBank号
(表 4),材料分类及拉丁名主要参考周太炎等(1987)
编辑的《中国植物志(33卷)》、王建林等(2006)对中国
芸薹属植物的分类研究及刘佩瑛(1996,农业出版社,
pp.1-328)主编的《中国芥菜》。
3.2 DNA提取
在培养箱中发芽供试材料种子,各材料取黄化
幼苗叶片约 3 g在液氮中研磨,采用 2×CTAB法抽
提并纯化基因 DNA (Doyle and Doyle, 1987)。
3.3 PCR扩增及 DNA测序
PCR 扩增片段为 Chs 基因第 1 和 2 外显子约
1 200 bp 序列,扩增通用引物序列为:CHS-F:
5-CTTCATCTGCCCGTCCATCATACC-3,CHS-R:
5-GGAACGCTGTGCAAGAC-3 (Zhao et al., 2010),
引物由上海英俊生物技术有限公司合成。PCR反应
体系(25 μL)为:12.5 μL 2×Taq MasterMix,上、下引
物(10 nmol/mL)各 2 μL,DNA 1 μL (含 50 ng DNA),
RNase Free Water 7.5 μL。2×TaqMasterMix由北京康
为世纪生物科技有限公司提供。PCR反应程序为:
95℃变性 5 min,1 个循环;95℃变性 1 min,55℃退
火 1 min,72℃延伸 2 min,共设 35 个循环;最后
72℃延伸 10 min。用 AxyPrep DNA凝胶回收试剂盒
进行目的 DNA回收、纯化,AxyPrep DNA凝胶回收
试剂盒由爱思进生物技术(杭州)有限公司提供。将回
收、纯化后的扩增产物连接到质粒载体 PMD18-T
(TaKaRa)后,再转染感受态大肠杆菌菌株 DH5α,在
含有氨苄青霉素培养基上培养感受态菌株,挑取 3~
5个阳性克隆,DNA测序由上海英俊生物技术有限
公司完成。
用 DNAman6.0进行序列比对,分析异源四倍体
得到的拷贝类型,设计不同基因组 Chs基因的特异
引物。筛选到 A基因组特异引物为 PA-R:5-GCA
TTGATCAACCTCTTGTAACT-3,PA-F:5-GGAAC
GCTGTGCAAGAC-3,B 基因组特异引物为 PB-R:
5-TTGCATAAAGTCACACATCC-3,PB-F:5-GGA
ACGCTGTGCAAGAC-3。
3.4数据分析
将获得的 Chs基因序列用 ClustalX (2.0)进行多
重排定,序列排好后辅以手工校正(Thompson et al.,
1997)。使用 DNAMAN软件包(version 6.0; Lynnon
Biosoft)进行序比对分析。用 DAMBE软件进行序列
格式转换,用 MEAGA 6软件计算突变位点、多态位
点数、简约信息位点数和单显突变数,用 DnaSP软件
计算 Chs基因同义替代位点数、非同义替代位点数、
碱基替代位点数、遗传多态性指数和以及共有多态
数和共有差异数(Rozas et al., 2003),种群内基因平衡
进化检验采用 Tajima (1989)、Fu和 Li (1993)的方法。
系统发育分析采用最大似然法(maximum likeli-
hood, ML),ML分析采用 PAUP4.0b10 (Swofford D L,
Sinauer Associates, http://www.sinauer.com)软件, 贝
叶斯推断采用MrBayes3.1.2软件分析进行模型和参
数估计(Huelsenbeck and Ronquist, 2001),基于 hLRT
标准选择的最适碱基替代模型是 TIM+I+G。ML分
析采用启发式搜索(heuristic searches)和树二等分再
连接(tree-bisectionreconnection, TBR)进行系统树构
建,并采用自展值分析(bootstraps, BS)进行检验,自
展分析进行 500次。
采用系统网状重建法(the phylogenetic network
2709
表 4芸薹属植物来源及 Chs基因序列登录号
Table 4 Geographical origin of Brassica accessions and Genebank number of Chs sequences
编号
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
材料名称
Name
雅安白菜(白菜)
Yaan cabbage
山东白菜(白菜)
Shandong cabbage
重庆白菜(白菜)
Chongqing cabbage
紫菜苔(菜薹)
Purple caitai
塌棵菜
Takecai
青菜
Qingcai
广西菜心
Guangxi caixin
芜菁
Wuqing
雅安黄油菜(白菜型油菜)
Yaan huangyoucai
伊犁野生油菜
Yili yeyoucai
涪陵野生油菜(芸薹)
Fuling wild rape
黑芥
Heijie
山东甘蓝(甘蓝)
Shandong ganlan
西园 4号(结球甘蓝)
Xiyuan4
白色羽衣甘蓝
Yuyiganlan
紫色羽衣甘蓝
Purple ganlan
雅安花椰菜
Yaan Cauliflower
中青 8号(花椰菜)
Zhongqing8 cauliflower
一代台美(花椰菜)
Yidaitaimei cauliflower
FrankLin (抱子甘蓝)
FrankLin brussels sprout
西昌抚青甘蓝
Xichang wuqing ganlan
攀枝花芥蓝
Panzhihua jielan
染色体倍型
Chromosome
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
AA
BB
CC
CC
CC
CC
CC
CC
CC
CC
CC
CC
拉丁名
Latin name
B. rapa var. pekinensis
B. rapa var. pekinensis
B. rapa var. pekinensis
B. rapa var. purpuraria
B. rapa var. narinosa
B. rapa var. chinensis
B. rapa var. parachinensis
B. rapa var. rapa
B. rapa var. oleifera
B. rapa var. sinapis arvensis
B. rapa var. oleifera
B. nigra
B. oleracea var. capitata
B. oleracea var. capitata
B. oleracea var. acephala
B. oleracea var. acephala
B. oleracea var. botrytis
B. oleracea var. botrytis
B. oleracea var. botrytis
B. oleracea var. gemmifera
B. oleracea var.napobrassica
B. oleracea var. alboglabra
材料来源
Source
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
山东省济南市
Jinan, Shandong
重庆市渝北区
Yubei, Chongqing
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
四川省西昌市
Xichang, Sichuan
广西省桂林市
Guilin, Guangxi
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
新疆省伊犁市
Yili, Xinjiang
重庆市涪陵区
Fuling, Chongqing
新疆省伊犁市
Yili, Xinjiang
山东省济南市
Jinan, Shandong
重庆市北碚区
Beibei, Chongqing
北京市
Beijing
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
中国农科院蔬菜所
Beijing
重庆市
Chongqing
荷兰
Holland
四川省西昌市
Xichang, Sichuan
四川省攀枝花市
Panzhihua, Sichuan
GenBank登录号
Accession No.
KP301145
KP301146
KP301147
KP301148
KP301149
KP301150
KP301151
KP301152
KP301153
KP301155
KP301156
KP301157
KP301158
KP301159
KP301160
KP301161
KP301162
KP301163
KP301164
KP301165
KP301166
KP301167
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables 2710
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
材料名称
Name
白花芥兰
Baihua jielan
擘蓝
Peilan
紫色擘蓝
Purple peilan
中油 1号(甘蓝型油菜)
Zhongyou1 rape
Du06 (甘蓝型油菜)
Du06 rape
Y8(野生芥菜)
Y8 wild rape
自贡大头菜(大头芥)
Zigong datoucai
圆叶大头菜(大头芥)
Wanyuan datoucai
内江棒菜(笋子芥)
Neijiang bangcai
白甲菜苔(笋子芥)
Baijia caitai
川农 1号(抱子芥)
Chuannong1
垫江抱儿菜(抱子芥)
Dianjiang baoercai
郫县榨菜(茎瘤芥)
Pixian zhacai
蔺市草腰子(茎瘤芥)
Linshi caoyaozi
矮禾棱青菜(茎瘤芥)
Aiheling qingcai
永安小叶(茎瘤芥)
Yongan xiaoye
黄种籽榨菜(茎瘤芥)
Huangzhongzi zhacai
浙桐 1号(茎瘤芥)
Zhetong yihao
冬菜(大叶芥)
Dongcai
弥渡绿杆(大叶芥)
Midu lvgan
白杆青菜(小叶芥)
Baigan qingcai
窄叶天青菜(小叶芥)
Zhayetian qingcai
编号
No.
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
染色体倍型
Chromosome
CC
CC
CC
AACC
AACC
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
拉丁名
Latin name
B. oleracea var.alboglabra
B. oleracea var. gongylodes
B. oleracea var. gongylodes
B. napus
B. napus
B. juncea var. juncea
B. juncea var. megarrhiza
B. juncea var. megarrhiza
B. juncea var. carassicaulis
B. juncea var. carassicaulis
B. juncea var. gemmifera
B. juncea var. gemmifera
B. juncea var. tumida
B. juncea var. tumida
B. juncea var. tumida
B. juncea var. tumida
B. juncea var. tumida
B. juncea var. tumida
B. juncea var. rugosa
B. juncea var. rugosa
B. juncea var. foliosa
B. juncea var. foliosa
材料来源
Source
广东省广州市
Guangzhou, Guangdong
河北邢台市
Xingtai, Hebei
河北邢台市
Xingtai, Hebei
北京市
Beijing
德国
German
甘肃省酒泉市
Jiuquan, Ganshu
四川省自贡市
Zigong, Sichuan
四川省万源县
Wanyuan, Sichuan
四川省内江市
Niejiang, Sichuan
四川省自贡市
Zigong, Sichuan
四川省雅安市
Yaan, Sichuan
重庆市垫江县
Dianjiang, Chongqing
四川省郫县
Pixian, Sichuan
重庆市涪陵区
Fuling, Chongqing
四川省巴中市
Bazhong, Sichuan
重庆市涪陵区
Fuling, Chongqing
重庆市涪陵区
Fuling, Chongqing
浙江省余姚市
Yuyao, Zhejiang
重庆市大足县
Dazhu, Chongqing
云南省弥渡县
Midu, Yunnan
四川省泸州市
Luzhou, Sichuan
四川省马边县
Mabian, Sichuan
GenBank登录号
Accession No.
KP301168
KP301169
KP301170
KP301171; KP301172
KP301173; KP301174
KP301175; KP301242
KP301176; KP301243
KP301177; KP301244
KP301178; KP301179
KP301180; KP301245
KP301181; KP301247
KP301182; KP301246
KP301183; KP301184
KP301185; KP301186
KP301187; KP301188
KP301189; KP301248
KP301190; KP301191
KP301192; KP301249
KP301193; KP301194
KP301195; KP301196
KP301197; KP301198
KP301199; KP301200
续表 4
Continuing table 4
2711
编号
No.
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
材料名称
Name
白花菜(白花芥)
Baihuacai
白花青菜(白花芥)
Baihua qingcai
花叶芥菜(花叶芥)
Huaye jiecai
青梗花叶芥菜(花叶芥)
Qinggeng huayejiecai
梁平香菜(长柄芥)
Liangping xiangcai
丰都香菜(长柄芥)
Fengdu xiangcai
阉鸡尾辣菜(凤尾芥)
Yanjiwei lacai
宽叶风尾菜(宽叶凤尾芥)
Kuanye fengweicai
宽板青帮奶奶菜(叶瘤芥)
Kuanbanqingbang nainaicai
大耳朵青菜(叶瘤芥)
Daerduo qingcai
大片片青菜(宽柄芥)
Dapianpian qingcai
白叶青菜(宽柄芥)
Baiye qingcai
青叶包包菜(卷心芥)
Qingye baobaocai
包心青菜(卷心芥)
Baoxin qingcai
鸡心芥菜(结球芥)
Jixin jiecai
短叶鸡心芥菜(结球芥)
Duanyejixin jiecai
独棵雪里蕻(分蘖芥)
Dukexue lihong
黑叶雪里蕻(分蘖芥)
Heiyexue lihong
贵州蜡菜(苔芥)
Guizhou lacai
小叶葱菜(苔芥)
Xiaoyechonglacai
马尾丝(芥菜型油菜)
Maweisi
埃塞俄比亚芥
Aisaiebiyajie
染色体倍型
Chromosome
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
AABB
BBCC
拉丁名
Latin name
B. juncea var. leucanthus
B. juncea var. leucanthus
B. juncea var. multisecta
B. juncea var. multisecta
B. juncea var. longepetiolata
B. juncea var. longepetiolata
B. juncea var. linearifolia
B. juncea var. linearifolia
B. juncea var. strumata
B. juncea var. strumata
B. juncea var. latipa
B. juncea var. latipa
B. juncea var. involuta
B. juncea var. involuta
B. juncea var. capitata
B. juncea var. capitata
B. juncea var. multiceps
B. juncea var. multiceps
B. juncea var. utilis
B. juncea var. utilis
B. juncea Czern. et Coss.
B. carinata
材料来源
Source
四川省泸县
Luxian, Sichuan
四川省泸县
Luxian, Sichuan
湖北省鄂州市
Ezhou, Hubei
江西省南昌市
Nanchang, Jiangxi
重庆市梁平县
Liangping, Chongqing
重庆市丰都县
Fengdu, Chongqing
四川省西昌市
Xichang, Sichuan
四川省自贡市
Zigong, Sichuan
四川省泸县
Luxian, Sichuan
湖南省沅江县
Yuanjiang, Hunan
四川省美姑县
Meigu, Sichuan
四川省自贡市
Zigong, Sichuan
重庆市垫江县
Dianjiang, Chongqing
四川省达州市
Dazhou, Sichuan
广东省潮州市
Chaozhou, Guangdong
广东省澄海县
Chenghai, Guangzhou
江苏省南通市
Nantong, Jiangsu
上海市
Shanghai
贵州省贵阳市
Guiyang, Guizhou
重庆市巴南区
Banan, Chongqing
四川省遂宁市
Suining, Sichuan
埃塞俄比亚
Ethiopia
GenBank登录号
Accession No.
KP301201; KP301202
KP301203; KP301250
KP301204; KP301252
KP301205; KP301251
KP301206; KP301253
KP301207; KP301208
KP301209; KP301210
KP301211; KP301212
KP301213; KP301214
KP301215; KP301254
KP301216; KP301217
KP301218; KP301255
KP301219; KP301220
KP301221; KP301256
KP301222; KP301223
KP301224; KP301225
KP301226; KP301227
KP301228; KP301257
KP301229; KP301230
KP301231; KP301232
KP301233; KP301258
KP301234; KP301235
续表 4
Continuing table 4
芸薹属蔬菜 Chs基因序列多态性
Sequence Polymorphism of Chs Genes in Chinese Brassica Vegetables 2712
基因组学与应用生物学
Genomics and Applied Biology
编号
No.
67
68
69
70
71
72
材料名称
Name
元某白萝卜
Yuanmou bailuobo
垫江白萝卜
Dianjiang bailuobo
绵阳红皮萝卜
Mianyang hongpiluobo
六盘水红皮萝卜
Liupanshui hongpiluobo
涪陵区红心萝卜
Fuling hongxinluobo
胭脂萝卜
Yanzhi luobo
染色体倍型
Chromosome
RR
RR
RR
RR
RR
RR
拉丁名
Latin name
Raphanus sativus
Raphanus sativus
Raphanus sativus
Raphanus sativus
Raphanus sativus
Raphanus sativus
材料来源
Source
云南省袁某市
Yuanmou, Yunnan
重庆市垫江县
Dianjiang, Chongqing
四川省绵阳市
Mianyang, Sichuan
贵州省六盘水市
Liupanshui, Guizhou
重庆市涪陵区
Fuling, Chongqing
重庆市丰都县
Fengdu, Chongqing
GenBank登录号
Accession No.
KP301236
KP301237
KP301238
KP301239
KP301240
KP301241
续表 4
Continuing table 4
reconstructionmethod)分析种群单体型的系谱关系。首
先利用 HyPhy软件中的 GARD方法分别检测 Chs基
因外显子、内含子及外显子 +内含子的重组信息,结
果表明 Chs 基因外显子为非重组 DNA 序列 (Log
Likelihood=-5 816.39, AIC=47 251.54),因此,利用外
显子序列数据资料构建网络支系图(Bandelt et al.,
1999; Pond et al., 2005)。采用 Network 5.4.4.0 软件
(Fluxus Technology Ltd, Clare, Suffoik, UK)中的中介
连接网络法(the median-joining network method)进行
网状支系分析。
作者贡献
陈发波是本研究的实验设计和实验研究的执行
人;方平完成数据分析,论文初稿的写作;董二飞和
陈春参与实验设计、实验结果分析;姚启伦是项目的
构思者及负责人,指导实验设计,数据分析,论文写
作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。
致谢
本研究由教育部科技司资助项目(Z2011143)、重
庆市教委资助项目(KJ121304)和重庆市涪陵区科委
计划资助项目(FLKJ, 2012ABB1085)共同资助。
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Tree Genetics and Molecular Breeding (TGMB)
Tree Genetics and Molecular Breeding (ISSN 1927-5781) is an international, open
access, peer reviewed journal, committed to serve for tree genetics and molecular
breeding, particularly publishing innovative research findings in the basic and applied
fields of tree molecular genetics and novel techniques for crop/
fruit/forest/ ornamental/horticultural trees improvement, as well as applications of
molecular enhanced products. TGMB publishes all the latest and outstanding research
articles, letters and reviews in all aspects of tree genetics and molecular breeding,
include studies in tree genetics and molecular breeding, include studies in
crop/fruit/forest/ornamental/horticultural trees genetic diversity, conservation genetics,
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biochemistry, transgene, genetic rule analysis, QTL analysis, vitro propagation;
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