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苹果属山荆子遗传多样性的RAPD分析



全 文 :西北植物学报 , 2008 , 28(10):1954-1959
Acta Bot.Boreal.-Occident .Sin.
  文章编号:1000-4025(2008)10-1954-06 *
苹果属山荆子遗传多样性的 RAPD分析
陈 曦1 ,汤庚国1* ,郑玉红2 ,王雷宏1
(1 南京林业大学森林资源与环境学院 ,南京 210037;2 江苏省中国科学院植物研究所 南京中山植物园 ,南京 210014)
摘 要:采用 RAPD 分子标记对东北 、华北地区山荆子8 个天然居群的 137 株个体进行了遗传多样性研究 , 10 个引
物共得到 72 个扩增位点 , 其中多态性位点 63 个。多态位点百分率为 87.50%, 有效等位基因数(Ne)为 1.602 1 ,
Nei s 基因多样性(H)为 0.338 6 , Shannon 信息指数(I)为 0.496 1 , 表明山荆子遗传多样性水平较高。基因流
(Nm)为 1.735 3 , 说明山荆子各居群间存在一定的基因交流。居群间基因分化系数(Gst)值为 0.223 7 , 说明虽然山
荆子居群的遗传变异主要存在于居群内 ,但各居群间也存在着较高的遗传分化。
关键词:山荆子;RAPD;遗传多样性
中图分类号:Q789 文献标识码:A
RAPD Analysis of Genetic Diversity of Malus baccata (L.)Borkh.
CHEN Xi1 , TANG Geng-guo1* ,ZHENG Yu-hong2 ,WANG Lei-hong1
(1 College of Forest Resou rces and Environment , Nanjing Forest University , Nanjing 210037 , China;2 In sti tu te of Botany , Jiangsu
Province &Chinese Academy of S ciences , Nan jing Botanical Garden(Mem.Sun Yat-s en), Nanjing 210014 , China)
Abstract:The random ly amplif ied polymorphic DNA(RAPD)technique w as adopted to examine genetic di-
ve rsity and structure of 8 populations o f Malus baccata in No rth China area wi th 137 individual plants and
72 amplif ication sites f rom 10 primers , which included 63 po lymo rphic si tes.The results show ed that per-
centage o f polymo rphic loci(PPB)was 87.50%, effective number of alleles(N e)was 1.602 1 , Nei s g ene
diversi ty (H)was 0.338 6 ,Shannon s info rmation index (I)was 0.496 1 , which indicated that M.baccata
had high genetic div ersity .Gene f low among populations (Nm)was 1.735 3 ,which pro ved that there w as
some intercommunion among M.baccata populations.The coef ficient of gene dif ferentiation (Gst)was
0.223 7.The resul ts showed that although mostly genetic variability w as att ributed to the differentiation
wi thin populations , there w ere high gene dif fe rentiat ions among populat ions simultanei ty .
Key words:Malus baccata (L .)Bo rkh.;RAPD;gene tic diversi ty
  山荆子[ Malus baccata (L .)Borkh.] ,又名山
定子 、山丁子 、林荆子等 ,是蔷薇科(Rosaceae)苹果
属(Malus)多年生木本植物 ,产于中国辽宁 、吉林 、
黑龙江 、内蒙古 、河北 、山西 、山东 、陕西 、甘肃等省
区 , 生于山坡杂木林中及山谷阴坡灌木丛中[ 1] 。山
荆子生长茂盛 、繁殖容易 ,与苹果嫁接后亲和力强 ,
而且有很强耐寒性 ,因而成为东北 、华北山区和西北
部分山区苹果繁殖的主要砧木材料[ 2] 。山荆子不仅
花果美丽 ,具较高的观赏性 ,而且果实 、种子 、嫩叶 、
木材等均有很高的经济利用价值 ,是苹果属中比较
珍贵的资源 。目前对山荆子的研究主要集中在其作
为苹果砧木的抗性生理[ 3-5] 等各方面 ,对其遗传多样
性的研究还未见报道。本研究选取了东北 、华北地
区的 8个山荆子居群 ,首次应用 RA PD分子标记技
*收稿日期:2008-06-03;修改稿收到日期:2008-09-27
作者简介:陈 曦(1980-),女(汉族),博士研究生,主要从事植物系统与进化研究。 E-mai l:jilinchen xi@163.com
*通讯作者:汤庚国 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事树木学和植物分类学研究。 E-mai l:ggtang1950@yahoo.com.cn
术对其遗传多样性进行了研究 ,试图从 DNA 水平
上探讨山荆子居群的遗传变异 ,以增进对山荆子遗
传资源的进一步了解 ,为今后更合理地利用和保护
山荆子种质资源提供一定的理论依据。
1 材料和方法
1.1 材 料
2007年 4 ~ 5月份 ,选取黑龙江 、吉林 、河北 、山
西等地的 8个山荆子居群(表 1),在每个居群中随
机选取 20 ~ 30株生长状况良好的植株(居群总株数
不足 20的则全部选用 ,共计 137株),采摘其健康幼
嫩叶片 ,用变色硅胶迅速干燥 ,带回实验室 ,常温保
存备用。
1.2 DNA的提取与检测
参照 Paterson 等[ 6] CTAB 法 , 提取总 DNA 。
DNA 溶解于灭菌双蒸水中 ,用 1%的琼脂糖凝胶电
泳检测 , 以 λDNA 确定各样品的 DNA 浓度 , 于
-20℃贮藏 ,备用。
1.3 PCR扩增及产物检测
PCR扩增反应在PE-9700 PCR仪上进行 ,反应
条件参照刘孟军等[ 7] 、周爱琴等[ 8] 的方法并略做改
动 ,20μL 的反应体系包括 1×Taq DNA 酶缓冲液
(10 mmol/ L Tris-HCl ,50 mmo l/L KCl , pH 8.4),
2.5 mmol/ L M gCl2 , 1 U Taq酶 ,50 ng 模板 DNA ,
0.4μmol/ L 引物 ,各0.4 mmol/ L 的dATP 、dG TP 、
dCTP 和 dT TP。PCR扩增程序为 94℃预变性 3
min;94℃变性 40 s ,38℃退火 30 s ,72℃延伸 1 min ,
35个循环 ,最后 72℃保温 5 min , 4℃保存 。PCR产
物在 1.5%的琼脂糖胶中电泳 1 h ,溴化乙锭(EB)染
色 ,在紫外透射仪上成像 ,拍照保存 。RAPD引物由
上海生物工程技术有限公司生产合成。
1.4 数据分析
按电泳图谱中 DNA 条带的有无 ,将 RAPD扩
增结果转化为二元数据(有带的量化为 1 ,无带的量
化为0),统计各居群多态位点百分率(Pe rcentage of
polymorphic loci , PPB)。应用 POPGENE 1.32软
件计算有效等位基因数(N e)、Nei s 基因多样性
(H)、Shannon信息指数(I)等遗传多样性参数以及
基因分化系数(Gs t)和基因流(Nm)等遗传分化参
数 。用 Mega3.1 软件根据 Nei s 遗传距离进行
UPGMA 聚类 。
2 结果与分析
2.1 RAPD的扩增结果
本实验共筛选了 55个 RAPD 引物 ,选取其中
扩增条带丰富 、信号强的 10个进行 RAPD扩增(引
物序列见表 2),10个引物共扩增出 72个位点 ,其中
63个为多态性位点 ,平均每个引物扩增出 7.20个
位点 ,多态百分率(PPB)为 87.50%(表 2)。扩增
产物大小多集中在 300 ~ 1 500 bp之间。引物 R16
和 V17扩增出的位点全部为多态性位点。图 1显
示了引物 D03对山西五台山(WTS)居群和北京东
灵山(DLS)居群共 20个样本的扩增结果。
2.2 居群的遗传多样性分析
山荆子居群的遗传多样性各指数见表 3 。根据
PPB 值的各居群遗传变异和根据 Shannon 信息指
数(I)的各居群遗传多样性所得结果比较一致 ,均为
山西灵空山(LKS)最高 ,山西五台山(WTS)最低。
I 值变化范围为 0.270 1 ~ 0.452 6 ,物种水平多样性
为 0.496 1;Nei s 基因多样性(H)在 0.181 8 ~
0.310 5之间 ,物种水平为 0.338 6。有效等位基因
数(N e)的变异范围为1.3134 ~ 1.5585 ,物种水平
表 1 RAPD分析的 8 个山荆子天然居群
Table 1 RAPD analyses on 8 natural popula tions of Malus baccata
居群编号
Code of
popula tion
采集地
L ocality
经度
L ongitude(°E)
纬度
Latit ude(°N)
海拔
A ltitude/ m
样本数
Sample
size
坡向
A spect
坡度
Slope
土壤
Soil
SHB 河北塞罕坝 Saihanba ,Hebei 117.51 42.30 1 400 21 NW 20 森林棕壤Brown fo rest soil
XXAL
黑龙江小兴安岭
Xiaoxing anling , Heilongjiang 129.39 47.73 296 12 NW 5 森林暗棕壤 Dark brown f orest soil
CBS 吉林长白山 Mt.Changbai , Jilin 127.49 42.24 1 190 18 WS 10 森林暗棕壤 Dark brown f orest soil
LKS 山西灵空山 Mt.Lingkong , Shanx i 112.09 36.65 1 550 33 SW 12 森林棕壤Brown fo rest soil
GCS 山西管涔山 M t.Guancen , Shanxi 111.98 38.67 1 545 10 SW 12 森林棕壤Brown fo rest soil
WTS 山西五台山 Mt.Wut ai , Shanxi 113.77 38.76 1 600 10 SW 15 森林棕壤Brown fo rest soil
Z TS 山西中条山 M t.Zhong tiao , Shanxi 111.69 35.42 1 200 23 SW 15 森林棕壤Brown fo rest soil
DLS 北京东灵山M t.Dong ling ,Beijing 115.48 40.01 1 300 10 SW 15 森林棕壤Brown fo rest soil
195510 期              陈 曦 , 等:苹果属山荆子遗传多样性的 RAPD分析
表 2 RAPD的引物序列及扩增结果
Table 2 Sequences of prime rs and
RAPD am plification results
引物
P rime r
序列(5′-3′)
Sequence
总位点数
T ot al
of loci
多态性位点数
N o.of
polymo rphic
lo ci
多态位点百分率
Pe rcentag e o f
polymo rphic
loci/ %
AU03 ACGAAACGGG 10 9 90.00
AR08 G TGAA TGCGG 8 6 75.00
D03 GTCGCCGTCA 8 7 87.50
X03 TGGCGCAG TG 9 8 88.89
R16 CTCTGCGCG T 7 7 100
N13 AGCG TCACTC 6 5 83.33
G17 ACGACCGA CA 5 4 80.00
V17 ACCGGCTTGT 6 6 100
B01 G TTTCGCTCC 8 7 87.50
B02 TG ATCCCTGG 5 4 80.00
平均值 Ave rage 7.20 6.30 87.50
的有效等位基因数为 1.602 1。
2.3 居群的遗传距离和聚类分析
基于 RAPD标记的 8 个山荆子居群的遗传距
离和遗传相似系数见表 4 。从表 4 可以看出 ,居群
CBS 与 LKS 的遗传距离最近 ,仅为 0.035 3;CBS
与WTS 居群间的遗传距离最远 ,为 0.224 9;所有
居群遗传距离的平均值为 0.112 7。各居群间的遗
传相似系数在0.798 6 ~ 0.965 3范围内 ,平均值为
0.894 5 ,说明山荆子各居群间的相似程度较高 。
基于遗传相似系数和遗传距离 ,用 UPGMA 法
聚类分析 ,得到了 8个山荆子居群的聚类图(图 2)。
8个居群明显聚为 2类:吉林长白山(CBS)、山西灵
空山(LKS)、黑龙江小兴安岭(XXA L)、河北塞罕坝
(SHB)、山西管涔山(GCS)聚为一类 , 北京东灵山
(DLS)、山西中条山(ZTS)、山西五台山(WTS)聚为
第二类 。河北塞罕坝(SHB)位于河北省北端 ,更接
图 1 引物 D03 对居群WTS 和 DLS 样本扩增的 RAPD图谱
1~ 10.WTS居群个体;11~ 20.DLS居群个体;M.DNA marker
F ig.1 RAPD pattern amplified by primer D03 fo rm samples of population WTS and DLS
1~ 10.S am ples of p opu lation WTS;11~ 20.Samples of populat ion DLS;M .DNA marker
表 3 基于 RAPD标记山荆子居群的遗传多样性
Table 3 Genetic dive rsity among 8 popula tions of Malus baccata based on RAPD markers
居群编号
Code o f popula tion
多态性条带数量
N o.of po lymo robic
bands
多态性条带百分率
Pe rcentag e o f
po lymo robic bands/ % Ne H I
SHB 56 77.78 1.558 5 0.310 5 0.451 4
XXAL 54 75.00 1.489 3 0.277 5 0.408 9
CBS 57 79.17 1.475 8 0.273 6 0.408 2
LKS 61 84.72 1.528 8 0.304 5 0.452 6
GCS 50 69.44 1.462 5 0.266 5 0.393 4
WTS 36 50.00 1.313 4 0.181 8 0.270 1
ZTS 51 70.83 1.420 2 0.240 8 0.359 4
DL S 52 72.22 1.461 3 0.261 7 0.387 3
种内平均值A verage among species 63 87.50 1.602 1 0.338 6 0.496 1
种内标准误差St.Dev among species - - 0.333 0 0.173 1 0.233 2
  注:居群编号同表 1。 Ne.有效等位基因数;H.Nei s(1973)基因多样性指数;I.Shannon 信息指数。.
Not e:Populations 1 ~ 8 are the same as tho se in T able 1;Ne.Effectiv e number o f alleles;H.Nei s(1973)gene diversity;I.Shannon s inf ormat ion index.
1956 西 北 植 物 学 报                   28 卷
表 4 基于 RAPD标记的 8 个山荆子居群的遗传相似系数和遗传距离
Table 4 Nei s g ene tic identity and gene tic distance of 8 popula tions of Malus baccata based on RAPD markers
SHB XXAL CBS LKS GCS WTS ZT S DLS
SH B **** 0.947 1 0.924 3 0.944 5 0.892 6 0.827 5 0.891 4 0.893 3
XXAL 0.054 3 **** 0.910 2 0.962 2 0.944 0 0.834 1 0.876 2 0.887 7
CBS 0.079 7 0.094 1 **** 0.965 3 0.872 0 0.798 6 0.922 0 0.880 5
LKS 0.057 1 0.038 5 0.035 3 **** 0.934 0 0.840 1 0.914 4 0.898 0
GCS 0.113 6 0.057 6 0.136 9 0.068 2 **** 0.826 3 0.855 1 0.871 4
WTS 0.189 4 0.181 4 0.224 9 0.174 2 0.190 8 **** 0.906 2 0.898 2
ZTS 0.115 0 0.132 2 0.081 2 0.089 5 0.156 5 0.098 5 **** 0.928 9
DLS 0.112 9 0.119 1 0.127 3 0.107 6 0.137 7 0.107 3 0.073 8 ****
  注:居群编号同表 1;****号上方为遗传相似系数 ,下方为遗传距离。
Note:Codes of populat ion are th e sam e as those in Table 1 , Nei s genetic identi ty (ab ove diagonal)and genetic dis tance(below diagonal).
图 2 8 个山荆子居群基于遗传距离的 UPGMA 聚类图
居群编号同表 1
Fig.2 The UPGMA dendrog ram of 8 popula tions
of M.baccata based on genetic distance
C odes of population are the sam e as those in Table 1
表 5 基于 RAPD标记的 8 个山荆子居群基因分化系数
Table 5 Coefficients of g ene differentia tion of 8
populations o f M.baccata ba sed on RAPD marke rs
指标 Item 数值 Value
H t 0.340 9
Hs 0.264 6
Gs t 0.223 7
Nm 1.735 3
  注:H t.种水平的基因多样性;H s.居群内的基因多样性;Gs t.基
因分化系数;Nm .基因流。
Note:H t.Gene diver si ty of s pecies;Hs.Gene diversi ty w ithin
population s;Gst .Coeff icient of gene dif ferentiat ion;Nm .Est imate of
gene f low f rom Gs t.
近东北地区而与东北地区的居群聚为一类。总的趋
势为 ,河北北部的居群与吉林和黑龙江的居群聚在
一起 ,河北中部的居群与山西的居群聚在一起 。这
一结果与王雷宏等[ 9] 对山荆子腊叶标本表型形状变
异分析的结果较为一致。
2.4 居群的基因分化
在假设遗传平衡条件下对 8个山荆子居群进行
分析的结果见表 5。种水平基因多样性(H t)和居群
水平的基因多样性(H s)分别为0.340 9和 0.264 6 ,
居群间基因分化系数(Gs t)为 0.223 7 。表明 8个居
群总遗传多样性的 22.37%来自居群间遗传变异 ,
77.63%属于居群内的遗传变异。基因流(Nm)为
1.735 3 ,说明山荆子各居群间还是存在一定的基因
交流 ,但是处于较低水平。
3 讨 论
3.1 山荆子的遗传多样性
从试验结果中反映遗传多样性的各个参数来
看 ,山荆子在物种水平上 Shannon 信息指数(I)为
0.496 1 ,Nei s基因多样性(H)为 0.338 6 ,多态百
分率为(PPB)87.50%,均说明其具有较丰富的遗
传多样性。与苹果属其他植物如新疆野苹果[ 10]
[ Malus sieversi i (Ledeb.)Roem.:I =0.408 2;H
=0.261 9;PPB=100%] 、变叶海棠[ 11] [ Malus tor-
ingoides (Rehd.)Hughes:PPB =86.59%] 、湖北
海棠[ 12] [ Malus hupehensis (Pamp.)Rehd.:H =
0.376;PPB=74.927%]的遗传多样性相比较 ,山
荆子也同样具有较高的遗传多样性水平。这可能与
山荆子本身的生物学特性有关。山荆子为虫媒异交
植物 ,有这种交配系统的植物一般都具有较高水平
的遗传变异 。而且山荆子为长寿命多年生植物要比
其它类型的植物有更多的机会来累积生物突变 ,因
此能保持着较高的遗传变异[ 13] 。
3.2 山荆子居群的聚类分析
从总体上看 ,聚类图反映了一定的地理位置关
系 ,总的趋势是河北北部的居群与吉林和黑龙江的
居群聚在一起 ,河北中部的居群与山西的居群聚在
195710 期              陈 曦 , 等:苹果属山荆子遗传多样性的 RAPD分析
一起 。但聚类结果并不完全是地理距离近的居群就
聚为一类 ,也有地理距离较远的居群聚在了一起 ,如
吉林长白山(CBS)和山西灵空山(LKS)两个居群 。
分析其可能的原因有:其一 ,居群未完全按空间距离
之间的联系聚在一起 ,可能和各个居群位于不同的
生态环境有关 ,地理距离远的居群可能生态环境极
为相似。有研究表明某些特定环境因子与等位基因
中部分位点相关性较大 ,表明环境因子对这些位点
具选择压力 ,它们的变化与环境因子有关 ,即环境因
子差异导致的选择差异可能在遗传分化中起重要作
用[ 14] 。这样的聚类结果有可能是两个居群的微生
境生态因子比较相似而形成的。其二 ,两居群均位
于山荆子分布的边缘分布区 ,由于边缘分布区的环
境条件特殊 ,容易产生比中心分布区高的遗传分化 ,
无论从多态位点百分率还是从 Shannon 信息指数
看这两个居群的遗传多样性均比较高 ,因而有可能
聚在一起 。其三 ,聚类图上聚在一起或距离较近的
居群通常存在两种遗传关系 ,一种是它们最早是由
相同来源的居群逐渐分化而形成的不同居群 ,另一
种是虽然是不同来源的居群但之间存在着遗传交
换[ 15] 。山西灵空山(LKS)居群很可能与另外 3 个
山西的居群有着不同的来源或迁移路线 ,而吉林长
白山(CBS)居群可能与山西灵空山(LKS)居群确
实存在着比较紧密的遗传关系。此外 ,试验结果还
与各居群的整体数量与分布 ,各居群所取样本数量
和采样的方法等多种因素有关 ,也有可能是由于个
别居群取样量少 ,样本数相对较少而造成的 ,还有待
于进一步深入的研究 。
3.3 山荆子居群的遗传分化和基因流
山荆子的遗传分化系数 Gst为 0.223 7 ,说明居
群总遗传多样性的 22.37%来自居群间遗传变异 ,
这个值明显比其它多年生木本植物高(Gst =
0.07 6),表明其居群间的遗传分化程度较高 。但
是 ,大部分的遗传变异(77.63%)还是发生在山荆子
居群内部 ,这一结果与宽分布区的种趋向于具有更
高的遗传多样性水平 ,长寿命的异交木本植物中存
在着丰富的遗传变异 ,其中大部分变异存在于居群
内部的结论[ 16] 是相符合的 。山荆子居群间也存在
较高的遗传分化 ,其原因可能有以下几点:第一 ,具
有有限基因流的物种一般比具有广泛基因流的物种
有较大的遗传分化 ,有限基因流是导致居群分化的
一个主要原因[ 17] 。本研究得到山荆子居群的基因
流(Nm)为 1.735 3 ,说明居群间存在一定的基因交
流 ,但该数值低于一般广布种植物的基因流(Nm =
1.881)[ 16] ,基因流还不足以完全抵制由遗传漂变而
引起的居群分化。第二 ,山荆子分布较广 ,本研究所
选取的各居群地理距离较大 ,而且居群间有高大山
脉的阻挡 ,影响了花粉或种子的有效传播 ,在某种程
度上减弱了基因流 ,加速了居群间的遗传分化。第
三 ,各居群分布的地理环境生态因子有所不同 ,在进
化发展中不同居群所承受的生境选择有一定差异 ,
为适应环境而发生的各种变异由于长期地理隔离而
逐渐被保留和固定下来 ,也导致了居群之间有较明
显的遗传分化。
基于以上分析结果 ,山荆子居群表现出较高的
遗传多样性 ,遗传变异的大部分存在于各居群内 ,少
部分存在于居群间 ,而且居群间也已产生了较为明
显的遗传分化。基因流能抵制一部分遗传漂变的作
用 ,但不能完全防止居群分化的发生 。对于山荆子 ,
笔者认为导致其居群间显著分化的主要原因是生境
选择压力和地理隔离。野生山荆子资源长久以来一
直没有被重视 ,常被随意砍伐或掠夺性地采摘果实 ,
人为干扰造成植被破坏严重 ,引起生境的破碎化 ,各
种群之间分布不连续 ,形成一定程度的隔离 。本研
究的各样地所处的地理位置不同 ,各项生态因子也
发生一定的变化 ,不同居群所承受的生境选择压力
不同 ,最终导致了居群的遗传分化。
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