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基于ITS条形码技术分析北京云蒙山杜鹃花属遗传多样性



全 文 :基于 ITS条形码技术分析北京云蒙山杜鹃花属遗传多样性
陈建梅,王钊宇,张立娜,徐 曼,袁 园,张克中,王 杰,崔金腾
(北京农学院园林学院,北京 102206)
摘 要:为从分子生物学角度综合评价国内外杜鹃花属物种系统发育关系,采用北京云蒙山地区4个迎
红杜鹃亚属的迎红杜鹃和1个杜鹃亚属的照白杜鹃为供试材料进行 ITS序列测定,并与从Genbank数据
库中得到杜鹃花属17种不同种源的 ITS序列,对22种杜鹃花亚属供试材料 ITS序列在选用K2模型,采
用邻接法(neighbor-joining method)和最大似然法(maximum likelihood method)构建系统进化树,分析杜
鹃花亚属中各种源的系统位置,将供试杜鹃花亚属分为2大类5小类。22种供试材料均按照所属亚属
被分到了不同分支,分类结果与传统的形态学分类结果较为一致。通过 ITS序列比对发现,杜鹃花属的
22份供试材料序列的一致性为95.29%,说明杜鹃花属 ITS序列具有较高的保守性。同时,杜鹃花属的
22份供试材料 ITS序列均有不同程度的变异,共有80个有效变异位点,这些变异位点可以作为杜鹃花
属种源的DNA指纹特异识别位点。为探讨北京云蒙山杜鹃花属种源的分类地位提供分子证据,对系统
分析云蒙山杜鹃花属野生杜鹃群落的遗传多样性以及特异种质的保护、利用和开发具有重要意义。
关键词:杜鹃花属;条形码技术;ITS基因序列;系统进化树
中图分类号:S718.54+2 文献标志码:A 论文编号:2014-0530
Explored Genetic Diversity of Beijing Yunmeng Mountain Rhododendron
Based on ITS Barcode Technology
Chen Jianmei, Wang Zhaoyu, Zhang Lina, Xu Man, Yuan Yuan, Zhang Kezhong, Wang Jie, Cui Jinteng
(College of Landscape, Beijing University of Agricultural, Beijing 102206)
Abstract: For comprehensive evaluation of domestic and foreign Rhododendron phylogenetic relationships
from the perspective of molecular biology, we sequenced ITS of 4 R. mucronulatum of Rhodorastrum and 1 R.
micranthum of Rhododendron which planted in Yunmeng Mountain of Beijing, and got 17 ITS different
sequences of Rhododendron by Genebank. Using K2 model, we constructed a phylogenetic tree of 22 ITS
sequences of Rhododendron by neighbor- joining method and maximum likelihood method. We classified
Rhododendron into 2 categories and 5 small classes by analyzing system locations of every provenance of
Rhododendron. 22 plant materials were classified into different branches and the classification result was in
line with traditional morphological classification result. We found that the consistency of the 22 plant materials
of Rhododendron was 95.29% compared with the ITS sequences, which illustrated that the conservatism of ITS
sequences of Rhododendron was higher, but the 22 plant materials had different variation with each other, and
there were 80 variation sites. The variation sites can be the fingerprint specificity recognition sites of
provenance DNA of Rhododendron. What we did could provide molecules proof for classifying the provenance
of Rhododendron growing in Yunmeng mountain of Beijing and played an important role for analyzing genetic
基金项目:北京市教委科技创新平台项目“农业综合服务基地建设”(PXM2013-014207-000051);北京市教委科技提升计划项目“延庆四季花海景观植
物新品种创制与产业化”(PXM2013-014207-000079)。
第一作者简介:陈建梅,女,1991年出生,北京平谷人,在读硕士研究生,研究方向:园林植物与观赏园艺。Tel:010-80797210,E-mail:chenjianmei29@
163.com。
通讯作者:崔金腾,男,1982年出生,河北河间人,实验师,硕士,研究方向:园林植物与观赏园艺。通信地址:102206北京市昌平区回龙观镇北农路7
号北京农学院园林学院,Tel:010-80797210,E-mail:cuijinteng@163.com。
收稿日期:2014-03-03,修回日期:2014-05-13。
中国农学通报 2014,30(25):43-48
Chinese Agricultural Science Bulletin
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
diversity and protecting, utilizing and developing of wild rhododendron community of Rhododendron.
Key words: Rhododendron; barcode technology; ITS gene sequence; phylogenetic tree
0 引言
杜鹃(Rhododendron)是杜鹃花科杜鹃花属木本植
物的统称。杜鹃花属很大,种类极富变化,约含800种[1]。
国外对杜鹃花的研究,无论在宏观领域还是微观领域
(DNA分子水平)都比较深入[2-3]。目前国内研究最多
的是杜鹃花的资源考察、形态学分类(包括新种与变种
的发现)、生态与分布及植物化学、孢粉学等领域;有关
保护、组织培养等方面研究较少,分子系统学研究尚属
起步[4-7]。
当前,杜鹃花属植物的系统发育研究绝大部分是
基于 nrDNA ITS序列分析。 ITS(internal transcribed
spacer)是核糖体DNA中介于18S和5.8S之间(ITS1)以
及 5.8S和 26S之间(ITS2)的非编码转录间隔区,在不
同物种间存在丰富变异,核苷酸序列变化大,可提供详
尽的遗传学信息,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
和 ITS2序列的间隔区极为保守,能够用通用引物进行
扩增及直接测序[8-9],适合进行各种分子操作在物种群
体遗传多样性、亲缘关系、物种真伪鉴别[17-18]。近年来,
基于DNA条形码技术分析种源遗传关系,物种系统分
类等已成为研究热点[19-21]。如高连明等[21-23]通过 ITS序
列分析,对杜鹃花属14种进行系统分类和遗传关系分
析,结果表明不支持映山红亚属归为映山红组,而支持
其并入轮生叶组;陈仁芳等 [24-25]报道了蒙桑的 ITS序
列,并分析了亲缘关系,发现地理分布间接反映桑属系
统进化关系,ITS长度、G+C含量和变异位点均可作为
桑种质资源DNA特异指纹鉴别的依据。
笔者旨采用 ITS序列分析,从分子生物学角度综
合评价国内外杜鹃花属物种系统发育关系;探讨北京
云蒙山杜鹃花属野生杜鹃种源的分类地位,为该种质
的界定提供分子证据。研究对系统分析云蒙山杜鹃花
属野生杜鹃群落的遗传多样性以及特异种质的保护、
利用和开发具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验时间、地点
本研究室外采样试验于 2013年 4—6月在北京市
密云县云蒙山地区进行。室内试验在北京农学院园林
学院研究生实验室进行。
1.2 试验材料
试验所采用的试验材料均来自北京市密云县云
蒙山地区,共发现并记录 11个杜鹃花属野生杜鹃种
群地点的坐标,具体见表 1。其中 8个野生种群为迎
红杜鹃(R. mucronulatum),主要表型为花大,紫色,叶
长 3~7 cm,叶被有褐色垢鳞且较少;3个野生种群为
照白杜鹃(R. micranthum),主要表型为花小,白色,叶
长 2~3.5 cm,叶被有褐色垢鳞且较多。选取其中 5个
种群幼株,4个迎红杜鹃种群幼株,1个照白杜鹃种群
幼株,栽植于北京农学院东区田间温室中,以便后期
试验取材。
1.3 基因组DNA提取
取供试材料的幼嫩叶片,用CTAB法提取基因组
总DNA[19-20]。
编号
1*
2*
3
4*
5*
6
7
8
9
10
11*
种名
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
迎红杜鹃R. mucronulatum
照白杜鹃R. micranthum
照白杜鹃R. micranthum
照白杜鹃R. micranthum
海拔/m
684
658
655
660
1091
1250
1087
1080
1091
1088
908
纬度/°N
40.552743
40.553074
40.553381
40.553328
40.559617
40.564194
40.561127
40.560899
40.560821
40.560798
40.557890
经度/°E
116.679163
116.680337
116.682431
116.682453
116.698828
116.714782
116.717152
116.716662
116.716329
116.715802
116.708261
花色
紫色
紫色
紫色
紫色
紫色
紫色
紫色
紫色
白色
白色
白色
表1 杜鹃花属物种采集信息记录表
注:*表示进行 ITS序列测序的样本。
··44
1.4 引物设计及PCR扩增
根据Genbank数据库中已知 ITS序列设计引物,
引 物 序 列 分 别 为 ITS- F(5-
GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG- 3) 和 ITS- R
(5TCCTCCGCTTATTGATATGC-3),引物合成工作由
上海英骏公司完成,扩增体系具体见表 2。PCR反应
为 95℃预变性 5 min,95℃变性 1 min,55℃退火
0.5 min,72℃延伸 1 min,36个循环,72℃最终延伸
10 min,4℃保存。PCR产物进行 2.0%琼脂糖凝胶电
泳,并用凝胶成像系统拍照观察,见图1。
成分
模板
脱氧核糖核苷三磷酸
扩增缓冲液
引物

去离子水
DNA 10 ng/µL
dNTP 1 mmol/L
PCR(10×TB)buffer 200 mmol/L Tris-HCl pH 8.3,500 mmol/L KCl,15 mmol/L MgCl2
Primer Forward 5 µmol/L, Primer Reverse 5 µmol/L
Taq polymerase 4 U/µL
H2O
加入量/µL
5.0
2.0
2.0
1.5
0.5
9.0
表2 PCR扩增体系
1.5 ITS扩增片段的克隆及测序
将扩增产物切胶回收后连接到pMD19-T载体中,
并转入大肠杆菌感受态TOP 10中进行克隆。蓝白斑
筛选挑取阳性克隆,进行菌液PCR检测,电泳检测产
物,确定插入片段为目的片段的送菌液至上海英骏生
物技术有限公司进行测序。
1.6 序列分析及系统树构建
利用软件DNAMAN对 ITS的序列进行相似性比
较;利用NCBI的在线BLAST程序进行同源检索;并
利用Clustal X和Mega 5.2对所测序列和已知序列进
行多重比较,选用K2模型,Bootstrap为 1000,以邻接
法(neighbor- joining method)和最大似然法(maximum
likelihood method)构建系统进化树[26]。
2 结果与分析
2.1 ITS序列长度信息结果与分析
从Genbank数据库中得到的来源于杜鹃花属 17
种不同种源的 ITS序列与北京云蒙山地区杜鹃花属的
5个样本 ITS序列进行比较分析(表 3)。22种杜鹃花
属种源的 ITS 序列长度在 643~669 bp,其中,R.
breviperulatum、 R. lasiostylum、 R. oldhamii、 R.
longiperulatum、R. simsii和R. mariesii的 ITS序列长度
为 643 bp,且均为来自映山红亚属种源,R. molle、R.
tsusicphyllum、R. mucronulatum1、R. mucronulatum3和
R. mucronulatum4的 ITS序列长度为669 bp,分别来自
羊踯躅亚属、映山红亚属和迎红杜鹃亚属。
图1 云蒙山杜鹃 ITS序列琼脂糖凝胶电泳图
R. kiusianum
R. kaempferi
R. breviperulatum
R. lasiostylum
R. oldhamii
R. longiperulatum
R. simsii
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
667
667
643
643
643
643
643
1~253
1~253
1~253
1~253
1~253
1~253
1~253
64+66
65+65
64+66
62+65
64+66
64+66
64+66
51.38
51.38
51.38
50.20
51.38
51.38
51.38
418~643
418~643
418~643
418~643
418~643
418~643
418~643
70+62
71+62
70+63
70+63
69+63
70+63
70+62
58.57
59.11
59.11
59.11
58.67
59.11
58.67
种名 亚属名 组名 长度/bp
ITS-1
范围/bp C+G C+G/%
ITS-2
范围/bp C+G C+G/%
表3 样本 ITS-1和 ITS-2成分比较
陈建梅等:基于 ITS条形码技术分析北京云蒙山杜鹃花属遗传多样性 ··45
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
ITS-1区段长度在252~256 bp,其中来源于叶状苞
亚属的R. redowskianum的ITS-1序列长度为256 bp,来源
于迎红杜鹃亚属的R. mucronulatum1、R. mucronulatum2、
R. mucronulatum3和R. mucronulatum4的 ITS-1序列长
度为252 bp,此区段C+G含量在49.61%~52.94%,其中
来源于羊踯躅亚属的R. molle C+G含量为 52.94%,来
源于迎红杜鹃亚属的 R. mucronulatum2 C+G含量为
49.61%,并且在 ITS-1区段中的C碱基的数量大于G
碱基的数量的种源为来源于叶状苞亚属的
R. redowskianum和来源于羊踯躅亚属的 R.luteum、
R. molle、R. canadense。
ITS-2区段长度在224~227 bp,其中来源于映山红
亚 属 的 R. tashiori、R. mariesii、R. reticulatum、
R. wadanum、R. schlippenbachii,羊 踯 躅 亚 属
R. canadense,叶状苞亚属的R. redowskianum,杜鹃亚
属的R. micranthum的 ITS-2序列长度为 224 bp,来源
于 迎 红 杜 鹃 亚 属 的 R. mucronulatum1、R.
mucronulatum2、R. mucronulatum3和R. mucronulatum4
的 ITS- 2序列长度为 227 bp,此区段 C + G含量在
56.00% ~60.71%,其中来源于映山红亚属的 R.
schlippenbachii C+G含量为 60.71%,来源于杜鹃亚属
的R. micranthum C+G含量为56.00%,并且在 ITS-2区
段中全部 22个种源的C碱基的数量均大于G碱基的
数量。
2.2 构建样本杜鹃系统进化树及分析
对云蒙山杜鹃花属的 5个样本 ITS序列与从
Genbank数据库中得到杜鹃花属17种不同种源的 ITS
序列构建系统进化树(图 2)。在构建系统进化树后,
发现ML最大似然法和NJ法邻接法得到的结果基本
一致,所有样本被分为A和B 2个大区域,A区域包括
18个样本,B区域包括4个样本,其中A区域又可细分
为3个区域分别命名为A-1、A-2和A-3,其中A-1包括
12个样本,A-2包括1个样本,A-3包括5个样本。A-1
区域中样本组成为 12种映山红亚属种源,A-2区域样
本组成为1种映山红亚属种源,A-3区域样本组成为1
种杜鹃亚属和 4种迎红杜鹃亚属种源,均为北京云蒙
山地区种源;其中B区域又可细分为 2个区域分别命
名为B-1和B-2,B-1区域样本组成为 1种叶状苞亚属
种源,B-2区域样本组成为3种羊踯躅亚属种源。
在A区域中大字杜鹃(R. schlippenbachii)单独分
到了A-2区域中,没有与其他映山红亚属种源在同一
分支,支持率为 61/63,可能由于大字杜鹃与其他映山
红亚属种源亲缘关系较远有关。A-1区域中来源于映
山红亚属的 12种源被分到一支的支持率为 89/90,可
信度较高。A-3区域中种源均来自与北京云蒙山地区
且支持率高达 99/100,其中包括照白杜鹃 (R.
R. tsusicphyllum
R. tashiori
R. mariesii
R. reticulatum
R. wadanum
R. schlippenbachii
R. luteum
R. molle
R. canadense
R. redowskianum
R. mucronulatum 1
R. mucronulatum 2
R. mucronulatum 3
R. mucronulatum 4
R. micranthum
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Tsutsusi
Pentanthera
Pentanthera
Pentanthera
Therorhodion
Rhodorastrum
Rhodorastrum
Rhodorastrum
Rhodorastrum
Rhododendron
Tsutsusi
Tsutsusi
Brachycalyx
Brachycalyx
Brachycalyx
Brachycalyx
Pentanthera
Pentanthera
Rhodora





Rhododendron
669
651
643
667
667
667
667
669
666
653
669
668
669
669
665
1~255
1~254
1~254
1~254
1~254
1~254
1~253
1~255
1~253
1~256
1~252
1~252
1~252
1~252
1~256
65+66
65+68
64+68
65+68
66+68
63+66
67+65
70+65
68+63
71+64
60+66
61+66
60+66
60+66
61+67
51.37
52.36
51.97
52.36
52.76
50.79
52.17
52.94
51.78
52.73
50.00
50.40
50.00
50.00
50.00
420~645
419~643
419~643
419~643
419~643
419~643
418~643
420~645
418~642
421~645
420~647
419~646
420~647
420~647
419~643
68+62
72+59
69+59
73+59
73+59
67+59
73+59
72+59
68+62
68+63
71+58
70+58
71+58
71+57
68+58
57.78
58.48
57.14
58.93
58.93
60.71
58.67
58.22
58.04
58.48
56.58
56.39
56.58
56.14
56.00
种名 亚属名 组名 长度/bp
ITS-1
范围/bp C+G C+G/%
ITS-2
范围/bp C+G C+G/%
续表3
注:表中R. mucronulatum 1、R. mucronulatum 2、R. mucronulatum 3、R. mucronulatum 4和R. micranthum分别为表1中样本序号为1、2、4、5和11所
对应的材料。“—”表示此亚属分类中没有组的分类。
··46
micranthum)和迎红杜鹃(R. mucronulatum),2种亚属亲
缘关系相对其他亚属较近,也有可能是受其所处地域
分布和小气候的影响。在B区域中为来源于叶状苞亚
属物种的云间杜鹃(R. redowskianum)和 3种来源于羊
踯躅亚属种源,且在2个不同分支,支持率为58/54,其
中羊踯躅亚属所在分支支持率为95/97,可以推断叶状
苞亚属和羊踯躅亚属亲缘关系相对于其他亚属较近。
3 结论与讨论
3.1 供试杜鹃花属物种系统关系及其 ITS序列特征
ITS条形码技术是通过使用一个短的DNA基因
片段作为条形码来对物种进行快速、准确识别的技术,
目前已经广泛应用于动物、植物和真菌物种的快速鉴
定,物种分类学研究和物种遗传多样性分析[17-20]。在分
类学研究中,传统的形态学鉴别特征会因趋同和变异
导致物种的鉴定误差,而条形码技术可以有效避免这
种误差[29]。用 ITS序列分析种群的系统进化关系,在
多种物种上已有报道。本研究采用北京云蒙山地区4
个迎红杜鹃亚属的迎红杜鹃和1个杜鹃亚属的照白杜
鹃为供试材料进行 ITS序列测定,并与从Genbank数
据库中得到杜鹃花属17种不同种源的 ITS序列,对22
种杜鹃花亚属供试材料 ITS序列选用K2模型,采用邻
接法和最大似然法分析杜鹃花亚属中各种源的系统位
置。将杜鹃花亚属分为2大类5小类。供试材料均按
照所属亚属被分到了不同分支,分类结果与传统的形
态学分类结果较为一致。另外,从某些层面上来说可
以对传统的形态学分类做一个有力的补充。如大字杜
鹃在形态学分类上兼有映山红亚属轮生叶组和羊踯躅
亚属的某些特征[30],其系统分类学位置一直存在争议,
本研究从分子层面上进行系统分类将大字杜鹃分类到
映山红亚属一分支中。大字杜鹃所处分支的支持率为
61/63,低于其他映山红亚属所处分支89/90的支持率,
结果也支持了大字杜鹃在形态学分类上与映山红亚属
表型略有差异的结果,所以结合形态学分类特征将其
归于映山红亚属轮生叶组可能更为准确。因此,ITS
条形码技术可以为杜鹃花属植物的分类学研究提供重
要依据。
通过 ITS序列比对发现,杜鹃花属的 22份供试材
料序列的一致性为 95.29%,说明杜鹃花属 ITS序列具
有较高的保守性。同时,杜鹃花属的 22份供试材料
ITS序列均有不同程度的变异,共有 80个有效变异位
点(差异位点中GAP大于50%的认为无效),其中一些
位点有明显的种间变异规律。如迎红杜鹃亚属的迎红
杜鹃在47、176位为T,其他亚属均分别为A和C;羊踯
躅亚属 R. luteum、R. molle和 R. canadense在 207、548
位为A,其他亚属均为G等,这些变异位点可以作为杜
鹃花属种源的DNA指纹特异识别位点[28]。
3.2 北京云蒙山地区野生杜鹃的系统位置
北京云蒙山地区野生杜鹃中迎红杜鹃,先花后叶,
支持率低于50的用“-”表示,左边支持率为ML最大似然法得到的结果,右边支持率为NJ法邻接法得到的结果
图2 杜鹃花属物种系统进化树
陈建梅等:基于 ITS条形码技术分析北京云蒙山杜鹃花属遗传多样性 ··47
中国农学通报 http://www.casb.org.cn
主要分布于辽宁、河北、山东、江苏北部;国外在蒙古、
日本、朝鲜、俄罗斯(西伯利亚东南、阿穆尔)也有分
布。照白杜鹃,先叶后花,主要分布于辽宁、河北、山
东、河南、湖北、湖南、四川等省。北京云蒙山地区发现
的8个迎红杜鹃种群和3个照白杜鹃种群所在海拔高
度分别为 655~1250 m和 908~1091 m。北京云蒙山地
区杜鹃亚属的照白杜鹃与迎红杜鹃亚属的迎红杜鹃聚
在了一个分支,并且 2个亚属没有和映山红亚属在一
个分支,与刘旭颖[25]的研究结果一致。羊踯躅亚属中
的 R. luteum和 R. canadense分别原产于美国和加拿
大,在中国没有分布,黄花杜鹃R. molle原产于中国,
并且为著名的有毒植物之一。从系统分类结果可以发
现,R. luteum和 R. molle亲缘关系较 R. canadense更
近,这从R. luteum和R. molle表性特征也能得到支持,
R. luteum和R. molle花色均为黄色,而R. canadense花
色为玫瑰紫色。羊踯躅亚属供试材料分别来源于亚洲
和北美洲,并被分在一支,未发现 ITS序列随地理位置
迁移的变化规律,说明亚属内 ITS序列具有一定保守
型,比较稳定,非近期分化类群。
本研究对北京云蒙山地区野生杜鹃考察,对 8个
野生迎红杜鹃群落和3个野生照白杜鹃群落的分布和
形态差异进行了记录,据《北京植物志》记载,北京地区
仅分布有迎红杜鹃和照白杜鹃 2个野生杜鹃种质资
源,与本次调查发现一致。通过对迎红杜鹃和照白杜
鹃 ITS序列与Genbank收录的杜鹃种 ITS序列进行比
较并构建系统进化树,深入分析了北京云蒙山地区野
生迎红杜鹃和照白杜鹃与其他杜鹃种在 ITS基因序列
上的区别,在分子生物学层面,分析了迎红杜鹃和照白
杜鹃系统分类所处的位置。为北京地区野生杜鹃的保
护研究提供了理论依据和参考,使科研工作者能够更
加科学有效地对杜鹃种质资源进行开发、利用和创新。
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