全 文 :书北方园艺2015(13):1~5 ·试验研究·
第一作者简介:梁婷婷(1989-),女,硕士研究生,研究方向为园林
植物种质资源及遗传育种。E-mail:liangting20092108@126.com.
责任作者:臧德奎(1966-),男,博士,教授,现主要从事植物分类和
种质资源等研究工作。E-mail:zangdk@sdau.edu.cn.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30972406);山东省农业良
种工程重大课题资助项目(鲁农良字[2010]6号)。
收稿日期:2015-01-19
DOI:10.11937/bfyy.201513001
梨属野生资源遗传多样性的SRAP分析
梁 婷 婷,马 燕,臧 德 奎
(山东农业大学 林学院,山东 泰安271018)
摘 要:以不同地区的梨属6个野生种和1份西洋梨对照种质为试材,运用SRAP技术研究
了梨属部分野生种的遗传多样性。结果表明:用14对SRAP引物共检测到位点199个,其中194
个多态性位点,多态位点百分率(PPL)为97.29%,Nei’s基因多样性指数(H)为0.296 1,
Shannon’s信息指数(I)为0.451 9,表明梨属野生种质具有较高的遗传多样性水平。种间遗传分
化系数(Gst)为0.646 2,种间遗传一致度(GS)和遗传距离(GD)分别为0.512 6~0.920 1和
0.083 2~0.668 3,其中河北梨、秋子梨和褐梨两两间的遗传距离均小于与其它种间的遗传距离,
表明三者间亲缘关系密切;崂山梨与褐梨近缘,杜梨与褐梨近缘,而豆梨与国产其它物种的亲缘
关系较远。主坐标分析与聚类分析结果相吻合,且所显示的种质间关系更加直观。
关键词:梨属;遗传多样性;河北梨;崂山梨;SRAP
中图分类号:S 661.2 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2015)13-0001-05
我国是梨属(Pyrus)植物的分布中心,丰富的野生
种质资源是重要的育种材料,对品种改良具有特殊价
值[1]。在野生种中,河北梨(P.hopeiensis)被列为我国
120种极小种群物种之一,俞德浚[2]根据外部形态推测它
可能起源于秋子梨(P.ussuriensis)和褐梨(P.phaeocarpa)
的自然杂交;崂山梨(P.trilocularis)也是一个狭域分布
的濒危物种,仅见于山东崂山[3-4],在生物多样性保护领
域具有重要价值。在该属植物的遗传多样性研究方面,
蒲富慎等[5]根据核型分析过5个种的进化关系,黄礼森
等[6]观察了部分种类的花粉形态,李秀根等[7]根据花粉
性状研究了7个野生种的亲缘关系,Teng等[8]利用
RAPD技术对东亚梨属原产种的亲缘关系进行了研究,
范太伟等[9]对甘肃中部部分梨资源进行了SSR分析,杨
军[10]分析了豆梨(P.caleryana)和杜梨(P.betulaefolia)
及其杂交后代的遗传多样性,刘晶[11]结合cpDNA单倍
型和nSSR分析方法,对野生豆梨和川梨(P.pashia)的
群体遗传多样性和遗传结构进行过评价。但至今尚鲜
见基于分子标记的河北梨和崂山梨等遗传多样性研究。
作为一种成熟的标记手段,SRAP分子标记[12]在野生或
珍稀植物资源遗传多样性评价方面已获得广泛应用,如
张安世等[13]对濒危物种太行菊的遗传多样性研究,彭方
仁等[14]对油茶种质的遗传多样性分析,郭大勇等[15]对
湖北海棠种内遗传变异的研究。该研究采用SRAP技
术对包括河北梨和崂山梨在内的6个野生种30份种质
和1份西洋梨(P.communis)对照种质的遗传多样性进
行了分析,以期了解河北梨和崂山梨的遗传多样性特点
及其与近缘种的亲缘关系。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试梨属样品涵盖7个种,即河北梨、崂山梨、秋子
梨、褐梨、豆梨、杜梨、西洋梨,于2013—2014年采自山东
崂山、蒙山、大珠山以及河北昌黎(表1)。凭证标本存山
东农业大学标本室(SDAU)。采样间距在100m以上,
采集新鲜幼嫩叶片放入密封袋中,用变色硅胶干燥,同
时记录所采样品的地点、海拔、经纬度并编号。
1.2 试验方法
1.2.1 DNA提取 基因组DNA提取采用改良CTAB
法[16]。DNA质量检测采用琼脂糖凝胶电泳法和核酸蛋
白分析仪分析法[17-18]。
1.2.2 SRAP-PCR反应体系 SRAP引物设计参照Li
等[12]方法,从247对引物组合中筛选出了14对可用于
后续扩增的引物(表2),所选引物均能扩增出数量稳定、
清晰的条带。经正交实验优化,最终反应体系定为25μL,
其中含有10×PCR bufer 2.5μL,2.0mmol/L Mg2+,
200μmol/L dNTPs,0.4μmol/L引物,1.5UTaq酶,60ng
模板DNA,用ddH2O调整使终体积为25μL。PCR扩
增程序为:94℃预变性5min;94℃变性1min,35℃退火
1
·试验研究· 北方园艺2015(13):1~5
表1 供试梨属样品概况
Table 1 General situation of Pyrus samples
编号
No.
种类
Species
学名
Scientific names
采集地
Origin
地理位置
Geographical location/(°)
海拔
Altitude/m
1 褐梨 P.phaeocarpa 山东大珠山 北纬35.776 18、东经119.993 90 150
2 杜梨 P.betulaefolia 山东大珠山 北纬35.976 26、东经120.068 49 224
3 褐梨 P.phaeocarpa 山东大珠山 北纬35.780 42、东经119.994 43 106
4 褐梨 P.phaeocarpa 山东大珠山 北纬35.775 63、东经120.006 25 50
5 西洋梨 P.communis 山东蒙山 北纬35.544 40、东经117.877 01 438
6 褐梨 P.phaeocarpa 山东蒙山 北纬35.544 39、东经117.848 50 712
7 豆梨 P.calleryana 山东蒙山 北纬35.548 01、东经117.851 92 982
8 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.204 92、东经120.105 07 429
9 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.172 90、东经120.626 42 1 013
10 褐梨 P.phaeocarpa 山东崂山 北纬36.206 53、东经120.672 22 181
11 河北梨 P.hopeiensis 山东崂山 北纬36.181 32、东经120.628 25 940
12 崂山梨 P.trilocularis 山东崂山 北纬36.159 71、东经120.662 60 520
13 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.187 90、东经120.101 67 732
14 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.204 92、东经120.635 80 844
15 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.147 45、东经120.672 55 293
16 褐梨 P.phaeocarpa 山东崂山 北纬36.158 00、东经120.664 50 224
17 褐梨 P.phaeocarpa 山东崂山 北纬36.206 53、东经120.672 22 181
18 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.186 39、东经120.612 50 802
19 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.151 50、东经120.667 37 358
20 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.157 07、东经120.663 57 453
21 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.174 81、东经120.622 63 956
22 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.198 51、东经120.654 01 606
23 河北梨 P.hopeiensis 山东崂山 北纬36.181 45、东经120.625 70 946
24 崂山梨 P.trilocularis 山东崂山 北纬36.143 12、东经120.659 31 163
25 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.186 27、东经120.614 56 794
26 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.205 03、东经120.642 94 799
27 河北梨 P.hopeiensis 山东崂山 北纬36.181 01、东经120.628 14 953
28 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.141 79、东经120.660 45 223
29 秋子梨 P.ussuriensis 山东崂山 北纬36.169 55、东经120.624 16 809
30 河北梨 P.hopeiensis 河北昌黎 北纬39.764 21、东经119.169 52 152
31 河北梨 P.hopeiensis 河北昌黎 北纬39.695 74、东经119.169 43 161
表2 SRAP扩增引物组合序列
Table 2 Sequences of primer combinations used for SRAP analysis
引物组合
Primer combination
引物组合序列Sequences of primer combinations
正向引物Forward primer 反向引物Reverse primer
ME1-EM3 5′-TGAGTCCAAACCGGATA -3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCCA -3′
ME2-EM3 5′-TGAGTCCAAACCGGAGC-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCCA -3′
ME2-EM10 5′-TGAGTCCAAACCGGAGC-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAA -3′
ME3-EM10 5′-TGAGTCCAAACCGGACC-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAA -3′
ME4-EM1 5′-TGAGTCCAAACCGGAAT-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTTGC -3′
ME5-EM10 5′-TGAGTCCAAACCGGTAA-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAA -3′
ME5-EM11 5′-TGAGTCCAAACCGGTAA-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTGAC -3′
ME6-EM10 5′-TGAGTCCAAACCGGTCA-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAA -3′
ME6-EM13 5′-TGAGTCCAAACCGGTCA-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTGCC -3′
ME6-EM16 5′-TGAGTCCAAACCGGTCA-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTTCA -3′
ME7-EM3 5′-TGAGTCCAAACCGGAAG-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCCA -3′
ME7-EM10 5′-TGAGTCCAAACCGGAAG-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAA -3′
ME9-EM14 5′-TGAGTCCAAACCGGTGC-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTGAG -3′
ME13-EM6 5′-TGAGTCCAAACCGGCGT-3′ 5′-GACTGCGTACGAATTCAG -3′
2
北方园艺2015(13):1~5 ·试验研究·
1min,72℃延伸1min,进行5个循环;94℃变性1min,
50℃退火1min,72℃延伸1min,进行30个循环;72℃延
伸7min,4℃保存。
1.3 数据分析
根据扩增条带结果,在相同迁移率位置上,有记为
1,无记为0,得到原始数据矩阵。采用POPGENE 1.32
软件统计:NPL、PPL、Na、Ne、H、I、GS、GD、Ht、Hs等信
息指数;采用Nei’s基因多度法计算种间遗传分化系数
Gst=Dst/Ht,其中Ht=Hs+Dst,Dst为种间遗传多样性。
采用NTSYS pc version 2.10e软件,利用UPGMA
方法进行样品遗传相似性聚类,并绘聚类图,利用
Dcenter程序进行Nei’s标准遗传距离的矩阵转换,并用
Eigen程序和3Dplot生成主坐标[19]。
2 结果与分析
2.1 SRAP引物扩增多态性分析
经筛选出的14对引物扩增,31份样品共扩增出199
个位点,其中多态性位点194个,多态性位点百分率
(PPL)97.29%(表3),表明梨属野生种质资源的遗传多
样性较高。每对引物扩增的位点数最小为8,最大为16;
平均每对引物可扩增14.21个位点,其中多态性位点
13.86个。共有10对引物的PPL为100%,其Nei’s基
因多样性指数H和Shannon’s信息指数I均较高。
表3 14对SRAP引物组合的扩增结果
Table 3 Amplification results by 14pairs of SRAP primer combinations
引物组合
Primer combination
总位点Total
number of loci
多态位点数(NPL)
Number of polymorphic loci
多态比率(PPL)
Percentage of polymorphic/%
Nei’s基因多样性指数(H)
Nei’s gene diversity
Shannon’s信息指数(I)
Shannon’s information index
ME1-EM3 13 13 100.00 0.350 2 0.523 2
ME2-EM3 10 9 90.00 0.302 2 0.455 8
ME2-EM10 16 16 100.00 0.319 4 0.483 9
ME3-EM10 16 15 93.75 0.289 0 0.443 9
ME4-EM1 18 18 100.00 0.284 4 0.443 3
ME5-EM10 8 8 100.00 0.308 9 0.478 4
ME5-EM11 14 14 100.00 0.252 5 0.402 9
ME6-EM10 16 15 93.75 0.369 3 0.539 4
ME6-EM13 14 14 100.00 0.365 3 0.536 6
ME6-EM16 19 19 100.00 0.311 4 0.477 4
ME7-EM3 12 12 100.00 0.220 4 0.354 7
ME7-EM10 14 14 100.00 0.285 2 0.441 3
ME9-EM14 16 16 100.00 0.273 9 0.417 5
ME13-EM6 13 11 84.62 0.194 9 0.304 1
Average 14.21 13.86 97.29 0.294 8 0.450 2
2.2 种间遗传距离与遗传一致度分析
遗传结构分析表明,总遗传多样性(Ht)高达
0.305 3,其中种内遗传多样性(Hs)0.108 0,种间遗传多
样性(Dst)0.197 3;种间遗传分化系数(Gst)0.646 2,即
种间遗传变异占64.62%。Nei’s遗传距离(GD)和遗传
一致度(GS)分析表明,种间遗传距离差异较大,GD最小
值0.083 2,最大值0.668 3,遗传一致度变化范围
0.512 6~0.920 1(表4),说明梨属野生种在分子水平上
遗传多样性丰富。
表4 种间遗传一致度和遗传距离
Table 4 Nei’s genetic identity and
genetic distance among diferent species of Pyrus
物种 秋子梨 褐梨 河北梨 崂山梨 杜梨 豆梨 西洋梨
秋子梨 - 0.918 0 0.920 1 0.857 2 0.702 7 0.689 4 0.807 7
褐梨 0.085 6 - 0.892 8 0.876 1 0.733 1 0.732 7 0.780 1
河北梨 0.083 2 0.113 4 - 0.854 9 0.699 0 0.681 0 0.775 8
崂山梨 0.154 0 0.132 3 0.156 7 - 0.618 1 0.674 7 0.817 7
杜梨 0.352 8 0.310 5 0.358 1 0.481 1 - 0.572 9 0.512 6
豆梨 0.372 0 0.311 0 0.384 2 0.393 5 0.557 1 - 0.688 4
西洋梨 0.213 5 0.248 3 0.253 9 0.201 3 0.668 3 0.373 3 -
注:对角线上方为遗传一致度,对角线下方为遗传距离。
Note:Nei’s genetic identity(above diagonal)and genetic distance(below diago-
nal).
河北梨与秋子梨的遗传距离最小,遗传一致度最
高,表明二者间亲缘关系最近;而西洋梨与杜梨的遗传
距离最大。同时,河北梨、秋子梨、褐梨3个野生种两两
间的遗传距离均较小,由小到大分别为0.083 2、
0.085 6、0.113 4,表明三者彼此间的亲缘关系最近。崂
山梨与褐梨和秋子梨的遗传距离亦较低,分别为0.132 3
和0.154 0,其中崂山梨与褐梨的遗传一致度略高于与秋
子梨的遗传一致度。豆梨与其它国产梨的遗传距离均
较大,亲缘关系较远。
2.3 聚类分析
为了阐明梨属野生种间的亲缘关系,采用 UPGMA
方法构建聚类图(图1)。以遗传相似系数0.59作为划
分类群的标准,31份种质可分为4类。第一类为崂山梨
和褐梨,第二类包括河北梨、杜梨以及大部分秋子梨和
褐梨,第三类为豆梨,第四类为西洋梨,表明豆梨、西洋
梨与其它种类亲缘关系均较疏远。第二类在遗传相似
系数0.67左右又可分为5个亚类。第1亚类全部为秋
子梨,以15号和8号遗传相似系数最高;第2亚类为5
个河北梨样品先后相聚,其中来自河北昌黎的2个样品
3
·试验研究· 北方园艺2015(13):1~5
并没有优先相聚,而是和崂山的样品交叉相聚;第3亚
类中5个褐梨样品优先相聚后与杜梨相聚;第4和第5
亚类分别为秋子梨和褐梨。
图1 31份梨属种质资源的Nei遗传相似
系数UPGMA聚类图
Fig.1 UPGMA dendrogram of 31samples of
Pyrus based on genetic similarity
2.4 主坐标分析
对原始矩阵的主坐标分析(图2)表明,所有样品可
被分为4类:A类为全部秋子梨和河北梨,部分褐梨、杜
梨样品;B类为全部崂山梨和2个褐梨样品;C类为豆
梨;D类为西洋梨。聚类图和主坐标分析结果一致,且
主坐标分析能从不同方向、不同层面更加直观地显示各
种质资源的关系。
3 讨论
SRAP分析表明,梨属野生资源遗传多样性较高,
而且整体上同一种类的不同种质优先相聚,表明该标记
能较好地揭示梨属植物的亲缘关系。因采样地点和物
种成年个体数量的限制(如河北梨仅在山东崂山和河北
昌黎分布,崂山梨仅在山东崂山发现2个分布点,植株
有限),不同种的采样数量并不统一,但样品数量并没有
影响亲缘关系的展现;同时西洋梨样品的扩增条带较少
可能与SRAP引物有关,但对遗传距离分析未产生影
响,西洋梨与杜梨和豆梨亲缘关系疏远的结果与传统观
点基本一致。
在所有供试种类中,河北梨与秋子梨和褐梨的遗传
一致度最高,因此俞德浚[2]对三者关系的推测获得了分
子水平的支持,且进一步明确河北梨与秋子梨的亲缘最
近。虽然蒲富慎等[20]根据染色体着丝点位置认为,河北
图2 梨属材料的主坐标分析图
Fig.2 Principle coordinate analysis of 31 Pyrus accessions
梨与麻梨和新疆梨亲缘关系较近而与秋子梨相对较远,
但结合这些物种的地理分布及表型性状(叶形、果实等)
来看,河北梨与秋子梨近缘的结论更合理。聚类分析表
明,来自河北昌黎和山东崂山的河北梨样品相互交叉相
聚,表明河北梨居群间的遗传距离和地理位置无直接相
关性,亦表明河北梨居群间存在较频繁的基因交流。
从形态上看,崂山梨因果实花萼宿存、子房3室、叶
缘具有圆钝锯齿而与豆梨和木梨相近[4],但遗传多样性
分析表明本种与褐梨和秋子梨近缘,而与豆梨亲缘关系
疏远。杜梨与褐梨的遗传距离均小于与其它样品的遗
传距离,说明二者亲缘关系最近,与滕元文等[21]、蒲富慎
等[5]分别通过RAPD分子标记以及核型分析得出结论
一致。豆梨与其它国产种类的遗传距离较大,亲缘关系
较远,黄礼森等[6]通过花粉形态和蒲富慎等[5]根据核型
研究也得出相似的结论,且认为豆梨是国产种类中原始
的类型。西洋梨与其它供试种类最晚聚类,亲缘关系最
远,也与前人的研究结果一致[8,22-23]。
不同野生种的居群大小差别很大,物种多态性的丰
富度与此密切相关,居群较大的秋子梨和褐梨聚类并不
集中,推测部分样品可能为未知的自然杂交组合,但尚
有待于结合形态学标记等进行进一步研究。曹玉芬
等[24]根据SSR分析得出的结论也认为,梨属种类自然
演化过程中存在广泛的杂交现象。
遗传多样性是物种稳定生存的重要因素,也是物种
能维持繁殖活力、适应多变环境的根本原因。近年来由
于人类活动频繁,梨属野生资源被破坏殆尽,河北梨因
数量锐减已被列为极小种群野生物种,崂山梨生境也因
旅游开发受到了极大破坏。因此,基于分子水平的河北
4
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梨、崂山梨及其近缘种的遗传多样性分析为种质资源鉴
定、保护及亲缘关系研究提供了更丰富的理论依据。
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Genetic Diversity Analysis of Wild Germplasm Resource of Pyrus Based on SRAP Markers
LIANG Tingting,MA Yan,ZANG Dekui
(Forestry Colege,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018)
Abstract:Taking six wild species of Pyrus from diferent regions as materials and one P.communis as control,genetic
diversity of partial germplasm resource from wild species of Pyrus was studied by sequence-related amplified
polymorphism(SRAP).The results showed that,199loci were identified with 14SRAP primer combinations out of
which 194were polymorphic.The proportion of polymorphic loci(PPL)was 97.29%,Nei’s gene diversity(H)was
0.296 1,Shannon’s Information index(I)was 0.451 9,which showed the abundant genetic diversity in Pyrus.Coeficient
of genetic diferentiation(Gst)was 0.646 2,Nei’s genetic identity and genetic distance were 0.512 6-0.920 1and
0.083 2-0.668 3.The genetic distance between each pair of P.hopeihensis,P.ussuriensis,and P.phaeocarpawas
obviously smaler than any other pairs,showing the closer relationship of the three species.Also,genetic relationship of
P.trilocularis,P.phaeocarpa,and of P.betulaefolia,P.phaeocarpawere close,while P.caleryana was more distant
with other indigenous species.The analysis result of PCOA was similar with cluster analysis,and the former directly
showed the relationships between al groups.
Keywords:Pyrus;genetic diversity;Pyrus hopeiensis;Pyrus trilocularis;SRAP
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