全 文 :果 树 学 报 2014,31(3): 486~496
Journal of Fruit Science
柿属植物 DNA分子标记研究进展
裴 忺,张青林,郭大勇,刘继红,罗正荣 *
(华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室,武汉 430070)
摘 要: 经过近 20 a 的发展,DNA 分子标记已经在柿属植物中得到较为广泛的应用。 以基于核酸杂交、PCR、逆转座
子及胞质基因组等不同类型的分子标记技术为线索,从种质鉴定、遗传多样性检测、亲缘关系重建,以及特殊种质的
起源和重要经济性状的连锁分析等方面,扼要总结了 DNA 分子标记在柿属植物上的应用研究进展。 同时对该领域
的研究前景和尚需解决的问题进行了讨论, 认为柿属植物 DNA 分子标记的开发应侧重于功能型分子标记、DNA 条
形码片段和品种标准 DNA 指纹图谱。
关键词: 柿属植物; 分子标记; 种质鉴定; 遗传多样性检测; 芽变鉴定
中图分类号:S665.2 文献标志码:A 文章编号:1009-9980(2014)03-0486-11
Development of DNA molecular marker in Diospyros (Ebenaceae)
PEI Xian, ZHANG Qing-lin, GUO Da-yong, LIU Ji-hong, LUO Zheng-rong*
(Key Laboratory of Horticultural Plant Biology Affiliate to Ministry of Education,Huazhong Agricultural University, Wuhan,Hubei 430070
China)
Abstract: After near 20 years of development, DNA molecular markers were widely used in Diospuros
Linn. In this paper, Based on nucleotide hybridization, PCR, retrotransposons and cytoplasmic genomes,
the progresses and achievements of different types of molecular marker have been reviewed on germplasm
identification, genetic diversity and phylogenetic relationship, origin of specific germplasm and linkage
analysis of important economic trait in Diospyros Linn.. Meanwhile, the problems and prospect presented
in Diospyros were discussed. Functional molecular marker, DNA barcoding and standard DNA finger-
printing of cultivar were considered as the important technology in the future.
Key words: Diospyros Linn.; Molecular marker; Germplasm identification; Genetic diversity; Bud mu-
tation identification
柿属植物(Diospyros L.)属柿科(Ebenaceae),全
世界约 500种,主要分布在热带、亚热带地区[1],原产
我国的有近 70 种和变种 [2]。 柿(D. kaki Thunb)是该
属植物作为果树栽培的代表种,主要分布在中国、日
本和朝鲜半岛等东亚地区。 此外, 君迁子 (D. lotus
L.)、老鸦柿(D. rhombifolia Herosl.)、油柿(D. oleifera
Cheng.)和浙江柿(D. glaucifolia Metc.)等均起源于我
国,主要用作砧木和庭园观赏植物。柿属染色体倍性
复杂,天然存在 2倍体、4倍体、6倍体和 9 倍体。 绝
大多数柿品种为 6倍体, 少数为 9倍体且生长发育
正常, 但其一般仅着生雌花, 因而遗传改良比较困
难,其起源和基因组进化途径也不甚清楚。
DNA 分子标记是 DNA 分子水平上遗传变异的
直接反映, 其多态性主要来源于碱基突变,DNA 片
段缺失、插入、易位、到位、重排,重复序列拷贝数差
异,及基因组分布和排列方式不同等。与其他类型遗
传标记如形态特征、 细胞学标记和同工酶等相比,
DNA 分子标记具有遗传稳定、信息量大、不受内外
环境影响、试材获得容易、检测速度快和操作简便等
突出优点。 目前,柿属植物中已报道的 DNA 分子标
记分为 5大类 13种(表 1)。 我们拟对其应用研究现
状和进展进行扼要总结, 以期为柿属种质的快速挖
掘和有效利用提供参考。
1 基于核酸杂交的 DNA分子标记
RFLP已被广泛用于遗传图谱构建、基因定位以
收稿日期: 2013-08-22 接受日期: 2014-01-21
基金项目: 公益性行业(农业)科研专项(201203047)
作者简介: 裴忺,男,博士,现在武汉市林业果树研究所工作,研究方向为果树生物技术与种质创新。 E-mail: peixian@webmail.hzau.edu.cn
觹 通信作者 Author for correspondence. Tel: 027-87282677,E-mail:luozhr@mail.hzau.edu.cn
DOI:10.13925/j.cnki.gsxb.2014.03.009
表 1 主要分子标记技术特点[3-14]
Table 1 The characteristic of main molecular markers
分子标记
类型
Molecular
markers
主要原理
Main principle
探针或引物来源
Probe or primer
基因组中丰度
Abundance in
genome
多态性水平
Polymorphic
level
检测基因组区域
Scan region
可靠性
Reliability
遗传特性
Hereditary
character
是否需要
序列信息
Need
sequence
or not
实验周期
Experimental
period
RFLP
RAPD
ISSR
SSR
AFLP
SRAP
TRAP
SCoT
IRAP
REMAP
SSAP
ISTR
PCR-RFLP
限制性酶切
及 southern 杂交
Restricted digestion
and southern blot
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
限制性酶切
结合 PCR 扩增
Restricted
digestion and PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
限制性酶切
结合 PCR 扩增
Restricted digestion
and PCR
PCR 扩增
PCR
PCR 扩增
PCR
特定序列
DNA 探针
Specific DNA
probe
10 bp随机引物
10 bp random
primer
以核苷酸为基
元的不同重复
次数为引物
Different number
of repeat motif
特异引物
Specific primer
由核心序列,
酶切位点及
选择性碱基组
成的特定引物
Specific primer
composed by core
sequence,digestion
site and selective
base pair
通用引物
Universal primer
引异引物
Specific primer
通用引物
Universal primer
特异引物
Specific primer
特异引物
Specific primer
由核心序列,
酶切位点及
选择性碱基组
成的特定引物
Specific primer
composed by core
sequence, digestion
site and selective
base pair
通用引物
Universal primer
特异引物
Specific primer
中等
Medium
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
中等
Medium
中等
Medium
高
High
高
High
高
High
非常高
Very high
高
High
非常高
Very high
高
High
高
High
高
High
非常高
Very high
高
High
中等
Medium
单/低拷贝区
Single or low
copy number region
整个基因组
Whole genome
重复序列间隔区
Spacer repeat
sequences region
重复序列
Repeat region
整个基因组
Whole genome
基因编码区
Coding region
整个基因组
Whole genome
整个基因组
Whole genome
逆转座子插入
位点间区域
Inter-retrotransposon
region
逆转座子和重复
序列间区域
Retrotransposon
-microsatellite region
整个基因组
Whole genome
逆转座子插入
位点间区域
Inter-retrotransposon
region
胞质基因组的
部分片段
Fragment of
cytoplasm
高
High
中
Medium
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
高
High
共显性
Co-dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
共显性
Co-dominance
共显性/显性
Co-dominance
/dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
显性
Dominance
共显性
Co-dominance
否
No
否
No
否
No
是
Yes
否
No
否
No
否
No
否
No
是
Yes
是
Yes
是
Yes
否
No
否
No
很长
Very long
短
Short
短
Short
短
Short
长
Long
短
Short
短
Short
短
Short
短
Short
短
Short
长
Long
短
Short
短
Short
裴 忺等: 柿属植物 DNA 分子标记研究进展3 期 487
果 树 学 报 31 卷
及生物进化和分类研究。 Nakamura 等 [15]以 11 个柿
品种和 5 个柿近缘种为材料, 经 7种限制性内切酶
消化后,利用芸薹线粒体 DNA 片段(mtDNA)和烟草
叶绿体 DNA 片段(cpDNA)为探针进行 RFLP 分析。
结果表明:(1)供试品种间 mtDNA 和 cpDNA 指纹图
谱无多态性,而柿(D. kaki Thunb.)与油柿(D. oleifera
Cheng.)、D. kuroiwai Nakai、美洲柿(D. virginiana L.)、
君迁子(D. lotus L.)、老鸦柿(D. rhombifolia Hemsl.)
等柿属植物种间存在差异, 其中 mtDNA RFLP指纹
图谱可区分 6 个种;(2)柿、油柿、D. kuroiwai Nakai、
美洲柿、君迁子亲缘关系较近,而老鸦柿与其他种的
遗传关系较远;(3)mtDNA 和 cpDNA RFLP 技术不
适于品种鉴别。
Maki 等 [16]以 1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶(1-
aminocyclopropane-1-carboxylate oxidase,ACCO-1)
基因和多聚半乳糖醛酸酶(PG-9)基因为探针,对 16
个日本原产品种和 17 个‘西条’(‘Saijo’)衍生品系
进行 RFLP分析。 结果显示 ACCO-1可完全区别 16
个品种但不能有效分辨‘西条’衍生品系,而 PG-9
则能有效区分早熟 B 类型和晚熟 Iwami、Izumo 及
M-2品系。
2 基于 PCR的随机性 DNA分子标记
目前广泛使用的基于 PCR 的分子标记 ,如
RAPD、SSR、ISSR、AFLP 等,或是在基因组中随机扩
增,或是扩增非编码区域,由于其扩增片段的功能尚
不明确,亦称为“匿名标记”。
2.1 RAPD技术
RAPD 主要用于柿属植物种下遗传多样性研
究,尤其是种质鉴定和遗传多样性检测,也可用于与
近缘野生种的遗传关系研究。 1995 年,Luo等[17]首先
建立适于柿属植物的 RAPD技术体系,从 20个引物
(OPA-01 至 OPA-20)中筛选出 2 条引物(OPA-06
和 OPA-08) 可将供试 15 个品种区分, 且 OPA-06
可鉴别‘平核无’(Hiratane-nashi)2 个芽变品种‘刀
根早生’(Tonewase)和‘杉田早生’(Sugita-wase);此
外, 利用引物 OPA-10 对柿属 11 个种间材料进行
RAPD 分析,发现柿(D. kaki)和君迁子(D. lotus)存
在种内多态性。
罗正荣等[18]基于 6 个引物的 RAPD 技术对原产
中国、日本和韩国的 15 个柿品种间的亲缘关系进行
了初步探讨, 研究结果显示引物 OPA-06、OPA-08
和 OPA-19 在供试品种间谱带类型各不相同; 对 6
个引物扩增出的谱带类型和相似指数的分析结果认
为,‘富有’和‘次郎’,‘平核无’和‘仓光’,‘磨盘柿’
和‘杵头柿’间亲缘关系较近;供试 15 个柿品种中,
原产于中、日、韩 3国的品种间谱带类型差异较大而
相似指数较小, 可能说明这些品种群各自相对独立
分化。
罗正荣等[19]利用 25 个引物对中、日两国原产的
完全甜柿进行了 RAPD 分析,研究发现:(1)供试中
国甜柿和日本甜柿是相对独立分化的居群且中国甜
柿遗传多样性更为丰富;(2)供试中国甜柿中,‘罗田
甜柿’5 个单株间的遗传组成差异较小,但与其他湖
北原产甜柿种质和‘湘西甜柿’差异较大;(3)‘铜盆
柿’与湖北原产甜柿间相似指数较高,说明 2 者亲缘
关系较近;(4)‘湘西甜柿’与供试日本甜柿亲缘关系
较近, 说明其可能来自日本或是与日本甜柿起源有
关;(5)‘小果甜柿’、‘四方甜柿’和‘阴阳甜柿’与‘罗
田甜柿’的相似指数低于‘罗田甜柿’各单株间的相
似指数,但高于‘罗田甜柿’与日本甜柿间的相似指
数,可能是罗田甜柿的近缘类型。
Badenes 等 [20] 从 28 个引物中筛选出 8 个并对
40 个柿品种进行 RAPD 分析, 共获得 19 个标记位
点,平均每个引物产生 2.4 个标记位点,高于其他木
本果树;除‘Hana Fuyu’和‘Ichikikei’外,其余日本原
产品种均能完全区分, 而原产西班牙的部分品种则
不能被所选 RAPD引物区分,且表型相同,说明其可
能是同物异名; 聚类结果发现不同分布地的品种并
不单独聚类, 说明西班牙和意大利的部分品种与日
本品种间存在紧密的遗传关系。此外,在西班牙品种
中存在许多同名异物现象, 说明柿传入欧洲后只产
生了少量的新种质。
Yamagishi 等 [21]发现长随机引物(15 和 20 个碱
基)可增加 RAPD引物的分辨力。 作者以 25 个品种
和 5 个近缘种为材料, 包括 16 个日本品种、5 个中
国品种、4个韩国品种、2个君迁子类型,以及台湾柿
(D. taitoensis Odahima)、油柿和老鸦柿,进行 21 个
15 碱基引物和 13个 20碱基引物的 RAPD分析。 结
果表明,15 个 15 碱基引物和 10 个 20 碱基引物存
在多态性, 在 25 个品种中共获得 444 个多态性谱
带, 供试材料可完全区分, 平均多态性百分率为
74%;6 个种共获得 133 个标记位点,聚类结果表明
柿与君迁子关系最近, 推测台湾柿为君迁子的一个
亚种;此外,该研究还表明长引物所需要的较高退火
温度,有利于克服 RAPD重复性较差的缺陷。
Y譭ld譭z等[22]收集土耳其哈塔伊省 18份柿种质,
从 50 个引物中筛选出 10 个重复性好且清晰的 10
488
3 期 裴 忺等: 柿属植物 DNA 分子标记研究进展
碱基引物,RAPD 分析共获得 126 条多态性谱带,平
均多态性百分率 81.3%,UPGMA 和主坐标分析聚类
结果表明,供试材料的形态差异主要受遗传影响,而
受生态环境影响较少。
Akbulut 等[23]对从黑海农业研究所收集 31 份柿
种质进行 RAPD分析,从 60个引物中筛选出 9个重
复性好的引物,共获得 74 条多态性谱带,多态性百
分率为 97.36%; 聚类分析表明 31 份种质可分为 3
大类,部分种质起源存在多样性趋势,可能说明其在
长期驯化过程中受微环境影响导致遗传物质发生改
变。
Zhang 等 [24]以 29 份柿属植物为材料,包括 2 个
近缘种君迁子和浙江柿、8 份完全雄性种质、8 份中
国柿品种和 11份日本柿品种,从 118条引物中筛选
出 32 条对其进行 RAPD 分析, 将获得的数据进行
UPGMA (unweighted pair -group method with arith-
metic means,非加权配对算术平均法)、ME(minimum
evolution,最小进化距离)和 WP(wagner parsimony,
wagner简约法)聚类分析。该研究共获得多态性片段
434 条,平均多态性比率为 87.17%;3 种聚类结果表
明中国柿与日本柿种质各自聚为一组, 但甜柿与涩
柿不能完全区别;完全雄性种质与‘罗田甜柿’亲缘
关系最近,可能拥有共同祖先;‘宝盖甜柿’与‘磨盘
柿’,‘湘西甜柿’与‘前川次郎’亲缘关系密切。
2.2 ISSR技术
张青林等[25]以 12 份柿属植物为材料,对反应体
系中 Mg2+、dNTPs、引物、模板和 Taq DNA 聚合酶浓
度,退火温度及扩增循环次数等进行了探讨,确立了
适合柿属植物 ISSR分析技术体系。徐象华等[26]以 17
份柿属植物为材料 , 包括浙江柿 (D. glaucifolia
Meta.)、君迁子(D. lotus L.)和柿(D. kaki Thunb.)11
份和 6份金枣柿的单株,对其进行 ISSR 分析并利用
UPGMA 法构建系统进化树。 结果表明 17份样品分
为两组,其中 6个金枣柿的单株单独聚为一组,而其
他柿品种、浙江柿和君迁子聚为另一组;结合前人形
态学观察结果, 作者认为金枣柿可能为柿属一个新
种。
2.3 SSR技术
郭大龙等[27]利用公共数据库中已登录的柿属植
物核苷酸序列,利用 Sputnik查找 SSR 并设计引物 7
对; 并以 12 份柿属植物为材料, 对反应体系中的
Mg2+、dNTPs、引物和 Taq DNA 聚合酶浓度,退火温
度等进行了探讨,确立了适合柿属植物 SSR 分析的
技术体系。
Soriano 等 [28]利用富集 CT/AG 的基因组文库开
发出 37 对 SSR 引物,在 12 个品种扩增后发现其中
22 对具有多态性,平均表观杂合度(Ho)为 0.57。 该
研究认为这些引物可用于遗传资源评价和保护、品
种鉴定及育种研究。
Guo 等 [29]利用 ISSR 技术结合抑制 PCR 技术分
离获得 8 个 SSR 位点,并设计柿 SSR 引物 12 对,其
中 9对表现为多态性,认为其可用于品种鉴定、遗传
多样性研究。 此外,他们[30]还利用磁珠杂交富集法获
得 6 条 SSR 序列,利用 Primer Premier 5.0 针对 6 个
SSR位点设计引物并在 12 份柿属植物中扩增。结果
表明 SSR 引物可在柿属植物中扩增,具有较高的多
态性水平,平均表观杂合度(Ho)为 0.46,利用不同
SSR探针理论上可筛选出 gDNA所有 SSR位点。
Zhang 等[31]以柿初级核心种质为材料(包括 117
个品种),从 24 对 SSR 引物中筛选出 11 对引物,利
用 Nei&Li遗传距离取样法, 构建了 24 个柿核心种
质。 其中,当遗传距离为 0.17 时构建的核心种质包
含 15 份材料,此时等位基因的数量和多态性位点百
分率都与初选核心种质相同, 而且 Shannon 多样性
指数和 Nei’s 基因多样性指数均为 24 个核心种质
最高。
Naval 等[32]以意大利和西班牙收集的 71 份柿品
种(包括日本品种 46 份,西班牙品种 14 份,意大利
品种 11 份)和外类群君迁子、美洲柿为材料,利用
19 对引物进行 SSR 分析, 共扩增出 206 个等位基
因, 平均每对引物产生 10.8个等位基因, 平均 PIC
(Polymorphic information content, 多态信息含量)为
0.827,其中 15 对引物 PIC 较高(PIC≥0.78),共存在
稀有等位基因 74 个,独有等位基因 9 个,可作为品
种鉴定的分子标记; 不同脱涩类型间的遗传多样性
小于组内, 说明脱涩类型不是决定遗传多样性的主
要因素; 不同地理起源的品种间遗传多样性小于组
内的,说明柿品种是近期才传入欧洲的。此外,NJ法
聚类结果表明, 相同地理起源和相同脱涩类型的品
种各自聚为一组, 主坐标聚类分析结果与之大致相
同;其中,日本甜柿独自聚为一组,说明其为独立进
化;欧洲品种聚类组中存在若干日本品种,说明它们
之间亲缘关系很近, 推测这些欧洲品种是由日本种
质近期发展而来。 该研究还发现 19 对 SSR 可区分
芽变和母株, 可望解决同名异物或同物异名的鉴定
问题。
耿攀等[33]利用柿属 48份材料,包括浙江柿 1份、
美洲柿 5 份、君迁子 5 份、野柿 3份、油柿 1 份、金枣
489
果 树 学 报 31 卷
柿 3 份及柿品种 30 份, 选择 17 个 SSR 位点进行
PCR扩增,对所获得的数据进行 UPGMA 聚类分析。
结果表明,(1) 在相似系数为 0.66 时供试材料可分
为 4 组,浙江柿和 5 个美洲柿聚为第 1 组,油柿和 1
份野柿聚为第 2 组,27 份柿品种聚为第 3 组, 第 4
组包括 5 份君迁子、2 份野柿、3 份金枣柿及 2 个柿
品种;(2)除 2个金枣柿不能区分外,其余供试 46 份
材料均能完全区别,‘次郎’ 及其 4个芽变品种也能
很好区分,说明 SSR 可能用于芽变品种的鉴别;(3)
3 份金枣柿在第 4 组中独立聚为一个小组, 说明其
可能与柿的遗传关系较远。
Guo 等 [34]以 30 份柿属植物为试材,包括 14 个
日本品种、10 个中国品种和 6 个柿属近缘种, 利用
18对 SSR引物对其进行分析。 结果表明,(1) 所有
SSR引物均能在供试材料中清晰重复扩增且均具多
态性, 共有多态性谱带 194 条, 多态性百分率为
74.2%, 平均 PIC 值为 0.66;(2)NJ 法和主坐标分析
结果显示日本品种、 中国品种和近缘种各自聚为一
组, 且其聚类结果与已知亲缘关系的试材一致;(3)
‘湘西甜柿’可能是‘前川次郎’的突变,而‘金枣柿’
应为柿属下的新物种。
陈方永等 [35]利用柿属 46 份材料,包括浙江柿 2
份、金枣柿 1份、柿品种 41份及 3份未知材料,选择
11 个 SSR 位点进行 PCR 扩增, 并对所获得的数据
进行 UPGMA聚类分析。结果表明:(1)除‘新昌牛心
柿’和‘夕红’,‘铜盆柿’和‘缙云大柿 2号’,‘缙云大
柿 1 号’和‘松阳水柿’,‘苍南咸柿’和‘嵊州沙皮
柿’,‘宁波高方柿’、‘槽箕柿’ 和 ‘诸暨小牛心柿’5
组 11 份材料不能区分外, 其余均可完全鉴别;(2)
‘永康方柿’和‘兰溪大红柿’曾被认为是同物异名,
该研究可将两份材料区分开来,应为不同基因型。此
外, 作者还认为原产日本与浙江的柿品种聚在一起
而不是单独成组, 说明日本与浙江柿品种之间可能
存在亲缘关系。
艾呈祥等 [36]利用 SSR 标记构建了 32 个柿主栽
品种的指纹图谱并对其进行遗传多样性分析。 结果
表明,(1) 从 78对候选引物中筛选出 20 对引物,在
32 份材料中共获得多态性条带 138 个,平均多态性
比率为 81.3%;(2)12 个品种具有特异谱带模式,利
用 ssrdk01、ssrdk14、ssrdk26、ssrdk30 和 ssrdk37 等 5
对引物即可将全部供试材料完全区分, 将每对引物
产生的不同谱带模式进行编号, 构建成柿品种标准
指纹图谱;(3)聚类分析表明,中国与日本柿各自聚
为一组,说明其可能为独立起源,而中国柿品种间的
亲缘关系与其地理分布存在一定程度相关性。
2.4 AFLP技术
Kanzaki 等[37]以 19 份完全甜柿(PCNA)和 14 份
非完全甜柿(non-PCNA)为材料进行 AFLP 分析,基
于相似指数的 NJ法聚类表明,日本原产 PCNA间亲
缘关系较近且遗传多样性狭窄, 原产于岐阜地区的
品种更为显著;中国原产 PCNA‘罗田甜柿’与 non-
PCNA 聚为一组,与日本原产 PCNA 亲缘关系较远,
与罗正荣等[7]推测中、日两国原产 PCNA为独立起源
的观点一致;‘御所’、‘花御所’、‘大御所’和‘大和御
所’与 4个 non-PCNA聚为一组而没有与其他 14 个
PCNA聚为一组,说明它们与岐阜地区起源的 PCNA
遗传背景存在差异。
Yonemori 等 [38]选取 61 份材料,分别来自意大
利、西班牙、日本、韩国、中国和以色列,利用 AFLP
数据并通过 UPGMA、NJ 法和多维标度法评估其亲
缘关系。研究表明,意大利和西班牙品种共享一个基
因池,而日本、韩国和中国品种各自聚为一组;同一
组内品种遗传多样性显著高于组间的, 作者认为可
能是由于从多样性种质中高水平的人工选择和(或)
多态性片段统计误差造成的;‘Kaki Tipo’ 是一个品
种群而非单一品种, 可能是从多个亲本品种选育或
发展形成;‘甘百目’、‘黑熊’和‘禅寺丸’等与欧洲品
种聚为一组, 说明欧洲品种可能是由这些日本品种
近期发展而来。
Kanzaki 等[39]以完全甜柿×(完全甜柿×非完全甜
柿) 的 BC1 代为试材, 利用集群分离分析(bulked
segregant analysis,BSA)和 AFLP 鉴定了一个与非完
全甜柿甜涩性状连锁的分子标记 EACC/MCTA-
400,并将该标记转换成 RFLP 标记,发现与非完全
甜柿后代相比,完全甜柿后代均缺失 8.0 kb和 6.5 kb
两条片段,据此可从杂交后代中选出完全甜柿种质,
但该标记却不能鉴别 ‘罗田甜柿’ 等中国甜柿。
Ikegami 等 [40]利用 BSA 结合 AFLP 技术鉴定出一个
与 ‘罗田甜柿 ’ 自然脱涩性状连锁的分子标记
EGGC/MCTC-309, 并将该标记转化成 SCAR 标记
RO2,可以鉴别中国甜柿‘罗田甜柿’和‘宝盖甜柿’,
而日本甜柿和非完全甜柿中均不存在该标记; 将该
标记用于筛选以‘罗田甜柿’为母本的杂交 F1代中
的完全甜柿种质,发现 RO2 可成功鉴别约 94%的 F1
代单株, 因此他们认为该标记与中国甜柿自然脱涩
性状连锁。
3 基于 PCR的功能性 DNA分子标记
490
3 期 裴 忺等: 柿属植物 DNA 分子标记研究进展
随着高等植物核酸序列的大量释放, 分子标记
技术的开发开始从随机性分子标记向功能性分子标
记转变[41-43]。 利用保守序列、保守基序或保守调控核
心序列,或是利用真核生物中基因序列的特点,或是
利用表达序列标签(EST),一个位点代表一个特定
的基因,甚至可与某种性状联系起来,通过对某个分
子标记的筛选即可能对目标性状进行筛选。近年来,
SRAP、SCoT 和 TRAP 等功能型分子标记技术在柿
属植物上被陆续建立和应用。
3.1 SRAP技术
SRAP标记(Sequence-related amplified polymor-
phism, 相关序列扩增多态性) 是由加州大学 Davis
分校蔬菜作物系的 Li 与 Quiros 针对基因外显子中
富含 GC而启动子、内含子区富含 AT 的特点提出该
项技术[3]。 进行 PCR 扩增时,正向引物由 17 个碱基
组成,其中的 CCGG序列瞄准外显子;而反向引物由
18 个碱基组成,其中的 AATT 序列瞄准启动子和内
含子。 SRAP技术扩增区域瞄准基因组中的编码区,
具有简便、稳定、在基因组中分布均匀的特点。
郭大龙等 [44]以‘罗田甜柿’、‘前川次郎’和君迁
子材料, 对反应体系中的 Mg2+、dNTPs、 引物和 Taq
DNA 聚合酶浓度进行了探讨,确立了适合柿属植物
SRAP 分析技术体系并在柿属植物 7 个种共 29 份
种质中较好的扩增。 Guo 等[45]以柿属植物 7 个种共
27 份种质为材料对其进行 SRAP 分析。 结果表明,
(1)72 个引物组合中有 20 个可得到高清晰、高重复
性扩增, 其中只有一个引物组合可完全区分所有供
试材料;(2)获得多态性谱带 110 条,多态性百分率
为 80.88%;(3)UPGMA 和主坐标分析结果显示日本
原产种质聚为一组,中国原产种质分为 2 组,近缘种
聚为一组;(3)中国甜柿和日本甜柿分别聚类说明其
遗传背景存在差异, 应为独立起源;(4)‘湘西甜柿’
与 ‘前川次郎’ 亲缘关系很近且与日本种质聚为一
组,说明其与日本甜柿遗传背景相似;(5)中国甜柿
和完全涩柿并未完全分开, 说明其可能由完全涩柿
直接突变产生。
3.2 SCoT技术
SCoT 标记(Start codon targeted polymorphism,目
标起始密码子区域多态性) 是由国际水稻研究中心
的 Collard 等[4]提出的一种基于 PCR 新型分子标记,
针对高等植物基因的翻译起始密码子 ATG 的侧翼
序列短小且保守的特点来设计引物。 该方法操作简
便,重复性好,而且针对编码区扩增,获得的片段与
经济性状直接相关。 邓立宝等[46]以广西西北部云贵
高原边缘地带 4 个县(广西百色的乐业、隆林、西林
和田林县)31 份柿属植物为试材, 在表型分析的基
础上还进行了 SCoT 分析。 结果表明,(1)广西西北
部种质资源的遗传多样性丰富,至少存在柿、油柿和
野柿 3 个种;(2)35 个相对独立的表型性状的 Q 型
系统聚类分析, 可在欧式距离 D=9.8 处将供试材料
分为 5 组;(3)13 条 SCoT 引物共获得 154 个多态性
位点,平均多态性比率为 95.65%,UPGMA 聚类分析
表明供试材料可完全区分, 在相似系数为 0.686 时
31 份种质可分为 5 组,与表型分析结果基本一致。
3.3 TRAP技术
TRAP 标记(Target region amplification polymor-
phism,目标区域扩增多态性)也是一种基于 PCR 的
新型分子标记技术, 由美国农业部北方作物科学实
验室 Hu 等 [5]开发。 其锚定引物的设计根据已有的
EST数据库,采用引物设计软件便可自动完成;随机
引物只需考虑具有富含 GC或 AT的核心区,其余均
为随机组合, 从而实现对目标候选基因序列区进行
扩增产生多态性。Luo等[47]从 110对引物组合中筛选
出扩增效果好、 条带清晰且多态性好的 36 对引物,
对 20 份柿属植物进行遗传多样性研究, 共检测出
2 184 条谱带,其中 94.87%具有多态性;单对引物扩
增可产生 33~110条清晰可辨的条带 (平均为 60.67
条),多态性条带比例为 85.71%~100%,解析强度平
均为 27.39。 作者计算出 TRAP 标记 DI(Diversity
Index,多样性指数)值为 0.33,EMR(Effective Multi-
plex Ratio,有效多重系数)值为 24.85,MI(Maker In-
dex,标记指数)值为 8.08;UPGMA 聚类结果显示,在
相似系数为 0.72 时柿组可分中国和日本原产种质 2
组。
4 基于逆转座子的 DNA分子标记
逆转座子,又称反转录转座子,广泛分布于真核
生物基因组中, 也是高等植物基因组的重要组成部
分,由于其转座过程中由 RNA介导而获其名。 由于
逆转座子具有发生转座而导致的基因突变、 基因组
扩增及重排等特点,从而可以开发成为分子标记。目
前在柿属植物已开发的基于逆转座子的分子标记有
IRAP (Inter-retrotransposon amplified polymorphism,
逆转座子内部变异多态性)、REMAP (Retrotranspo-
son-microsatellite amplified polymorphism,逆转座子-
微卫星扩增多态性)、SSAP(Sequence-specific ampli-
fied polymorphism, 序列特异扩增多态性) 和 ISTR
(Inverse sequence-tagged repeat, 反向序列标签重
491
果 树 学 报 31 卷
复)[6-8]。
杜晓云等 [48]以‘罗田甜柿’、‘磨盘柿’和君迁子
为试材,对反应体系中 Mg2+、dNTPs、引物、模板和
Taq DNA 聚合酶浓度及退火温度等进行了探讨,确
立了适合柿属植物 IRAP 分析的技术体系并在柿属
植物 7个种共 33份种质中扩增,每份种质均获得了
其独特的指纹图谱,并可用于芽变品种鉴定。
Guo 等[49]通过搜寻 NCBI 登录的柿属植物 Ty1-
copia 类逆转座子序列并利用 Clustal W 进行比对分
析获得其保守域, 然后针对保守域设计引物并开发
出适用于柿属植物的 IRAP 和 REMAP 标记; 利用
16 对引物对 27份柿属植物 (包括 21份柿品种和 6
份近缘种)进行遗传关系分析,共获得 101 条多态性
片段,多态性百分率为 86%,平均每对引物有 6 个
多态性片段; 对获得的分子数据进行 UPGMA 和
Wagner 简约聚类分析, 发现供试材料可分 3 组,分
别为日本原产品种、中国原产品种和柿属近缘种,说
明中国与日本原产柿种质为独立起源;‘宝盖甜柿’
与‘小宝盖甜柿’相似性极高,推测其可能为芽变关
系。
Du等[50]以‘罗田甜柿’为材料,利用抑制 PCR 方
法获得其逆转座子的长末端重复序列和多聚嘌呤序
列,开发出 IRAP、REMAP 和 SSAP 等 3 种分子标记
方法并用于柿属植物种质鉴定。该研究开发的 26 对
IRAP 引物中有 16 对可在供试 28 份试材中获得扩
增且多态性丰富,其中 2 对 IRAP 引物和 4 个 SSAP
引物组合均可将供试材料完全区分; 该研究发现
IRAP 和 SSAP 均可区分芽变品种及其母株。 此外,
该研究还显示逆转座子广泛存在于柿属植物中且引
物具有属间通用性; 柿属植物逆转座子存在高杂合
性和高拷贝数;芽变过程可能涉及逆转座子的作用,
而不仅仅涉及点突变或者小片段插入/缺失。
Du 等[51]以 28 份柿属植物为材料,包括 16 份中
国品种,6 份日本品种和 6 份柿近缘种, 对 IRAP、
REMAP、SSAP和 AFLP等 4 种分子标记在遗传关系
分析柿的信息量和效率进行了比较研究。结果发现,
(1)IRAP多态性水平最高,AFLP每对引物产生的多
态性带数量最多,SSAP 的 MI(Marker Index,标记指
数) 值虽然低于 AFLP 但多态性水平高于 IRAP 和
REMAP,且 4 种标记生成的 UPGMA 系统进化树均
十分相似;(2)IRAP 具有高水平的多态性和相对简
单的实验技术, 高水平遗传变异可能说明由逆转座
子导致的突变频率高于微卫星、单核苷酸突变,以及
插入/缺失等;(3)4 种标记中 REMAP 检测的种间多
态性显著高于种内多态性, 这说明其更适用于种间
遗传多样性检测。
杜晓云等[52]以柿属 7 个种为试材,包括君迁子、
浙江柿、油柿、金枣柿、老鸦柿、美洲柿和 26 个柿品
种。 ISTR分析结果表明,从 36 对引物中可筛选出 9
对引物,多态性谱带 54 个,平均多态性比率85.71%;
除‘富有’及其芽变品种‘松本早生’未能区分外,其
余 30份种质均能完全区别;聚类分析表明中国柿和
日本柿各自聚为一组, 且中国甜柿种质间的变异程
度更高。
杜晓云等[53]以柿属 7 个种为试材,包括君迁子、
浙江柿、油柿、金枣柿、老鸦柿、美洲柿和 22 份柿品
种,对其进行 SSAP分析。结果表明 25对引物组合共
扩增多态性位点 1 214个,平均多态性百分率 93.38%,
其中 rtdk14/Mse (CGG)、rtdk16 -r10/EcoR (ACG)和
rtdk4/Mse (CGG)3 对引物组合的种质鉴别率均为
100%,且具有高水平的多态性谱带检出率和平均遗
传距离(D值),为信息含量最高的引物对;聚类结果
表明中国原产品种、 日本原产品种和柿近缘种各自
聚为一组, 其中已知亲缘关系试材聚类结果与其遗
传关系十分吻合。
芽变鉴定是果树品种鉴定的难点。 杜晓云等 [54]
以北京市房山区‘磨盘柿’产区的部分变异单株为试
材,以已知亲缘关系柿品种、标准‘磨盘柿’品种和柿
近缘种为对照进行 IRAP分析。 结果表明 11份变异
单株可被完全区分, 其相似系数显著大于种间和品
种间相似系数, 与芽变品种及其母株间相似系数接
近;聚类分析表明变异单株与‘磨盘柿’紧密聚为一
组,与其他品种和近缘种明显分开。
Yuan 等[55]对从‘罗田甜柿’3 个主要产区收集到
的 43 份‘罗田甜柿’单株进行 ISSR 和 IRAP 分析。
结果表明,(1)2 种标记的多态性谱带分别为 135 和
142,多态性比率分别为 100%和 97.93%,ISSR 的平
均 SM 值 (simple mismatch coefficient, 简单匹配系
数)为 0.795,IRAP的为 0.734,说明供试单株间存在
明显遗传多样性;(2)UPGMA 聚类分析表明,ISSR
可将供试材料分为 2 组 (平均相似系数为 0.750
时), 而 IRAP 可分为 3 组 (平均相似系数为 0.745
时),主坐标分析结果与 UPGMA 一致。 这些结果表
明‘罗田甜柿’内部存在明显的遗传变异,应该将其
认定为一个品种群而非单一品种。
5 基于胞质基因组的 DNA分子标记
胞质基因组是线粒体基因组和叶绿体基因组的
492
3 期 裴 忺等: 柿属植物 DNA 分子标记研究进展
统称, 叶绿体基因组较多的应用于高等植物分子系
统学研究,而线粒体基因组在动物上的应用较多。在
高等植物有性生殖过程中, 胞质基因组具有独特的
非孟德尔遗传方式,称为核外遗传或胞质遗传,绝大
多数被子植物都表现为母性遗传, 广泛应用于物种
起源、进化及分子系统发育研究。
Yonemori 等 [56]以柿属 14 个种和柿(D. kaki)15
品种及 3 个君迁子类型为材料,PCR 扩增其 cpDNA
的 rbcL 和 ORF 106 基因片段(长度 3.2 kb)并利用
10 种限制性内切酶对扩增产物消化。 研究发现 15
个柿品种和 3 个君迁子类型的指纹图谱均为单态
性,说明种下不同单株间的 cpDNA 差异很小。 而种
间材料的 RFLP 指纹图谱存在多态性, 且不同的限
制性内切酶呈现出不同指纹图谱类型。柿(D. kaki)、
君迁子(D. lotus)、美洲柿(D. virginiana)、红枝柿(D.
ehretioides)的 10 个限制性内切酶指纹图谱一致,说
明其亲缘较近,与前人报道 [3]研究结果一致;只有 2
个限制性内切酶可区别柿与 D. glandulosa、油柿,推
测柿可能由这 2个物种演化而来; 起源于热带材料
的种间多样性高于温带。 Yonemori 等[57]认为该方法
适用于柿属植物种间系统发生与进化研究, 相比传
统 RFLP存在以下优点:(1) 无需特异提取 cpDNA,
简化 DNA提取程序,扩大取材范围,即使 cpDNA 含
量较低的材料也可用于分析;(2)扩增产物酶切后通
过溴化乙锭染色和紫外照相后就可直接检测, 免去
传统 Southern杂交繁琐步骤。
Yonemori 等 [57]还以柿属 24 种为材料(19 份来
自热带和亚热带地区包括取自泰国的 17 份,5 份来
自温带地区),采用与前人报道[50]相同的方法进行研
究, 只是限制性内切酶增加到 20 种。 结果表明,
cpDNA 中一个长度为 2.1 kb 的非编码片段被扩增,
并将扩增产物用 10种限制性内切酶消化;对获得的
分子数据通过简约法和 NJ 法进行系统发育分析显
示,柿(D. kaki)与 2 个温带种君迁子(D. lotus)、美洲
柿(D. virginiana)和一个亚热带种红枝柿(D. ehre-
tioides)聚为一组,而没有与 D. glandulosa(也称为 D.
roxburghii)聚为一组,说明前 4个种之间遗传关系较
近,同时也否定了 Ng[58]提出的 D. glandulosa 是柿的
祖先种的假说; 柿与美洲柿 cpDNA 同源且倍性一
致, 认为他们是由直接的共同祖先进化而来 ;D.
rhodocalyx 和 D. confertiflora 与柿属其他种关系很
远,需要后续研究确认其是否为柿属植物。
Hu 等[59]以 6 个柿属近缘种和 20 个柿品种为材
料, 利用其他高等植物已开发的 34 对 mtDNA 引物
对其进行 PCR扩增。 结果表明,除 nad2/3-4和 rps3
2 对引物外,其余 32 对引物均获得稳定扩增,其中
存在多态性的引物 23 对, 共存在多态性位点 110
个,说明大量变异事件发生于 mtDNA 的序列进化和
基因组重组过程; 对获得的分子数据进行 UPGMA
聚类分析结果显示中国甜柿和日本甜柿各自聚为一
组,说明它们可能是独立起源;2 个中国甜柿‘宝盖
甜柿’和‘鄂柿 1号’存在相同特征谱带且聚在一起,
说明其可能由相同母本衍生而来。
Hu 等 [60]以 29 份柿属植物为试材,其中包括 23
个柿品种和 6 个柿近缘种, 对其 10 个 cpDNA 区域
进行扩增,并用 7 种限制性内切酶对扩增产物消化。
结果表明,29 个试材 10 个 cpDNA 区域均只出现 1
条谱带,说明柿属植物叶绿体基因组十分保守;经 7
种限制性内切酶消化后,29对特异引物/限制性内切
酶组合存在种间差异,可区分供试的柿属下 7 个种;
除 trnS-trnfM/RsaI 组合在雄株 9 号检测到特异谱带
外,其他供试柿品种之间均不存在差异,说明不同起
源、 倍性和脱涩类型的品种在 cpDNA 序列上保守;
聚类分析表明,柿与君迁子、浙江柿亲缘关系较近,
而与美洲柿和老鸦柿较远; 此外, 金枣柿 cpDNA
PCR-RFLP谱带模式与柿存在明显差异且与柿亲缘
关系较远,认为金枣柿应是一个柿属下的新种。
Yonemori 等[61]利用柿属 15 个种,包括 9 个在泰
国收集的原产于热带和亚热带种以及 6 个温带起源
种为材料,其中柿和君迁子均有 3个品种参与分析,
对核基因组 ITS 区和 cpDNA 的 matK 基因测序并比
对分析,构建基于最大简约法、最大似然法和 NJ 法
的系统进化树。 ITS 和 matK 序列比对结果表明,D.
glandulosa 和油柿(D. oleifera)与柿(D. kaki)遗传关
系密切相关,支持 Ng[58]的假说,认为 D. glandulosa 和
柿具有共同祖先;红枝柿与柿的关系并不十分紧密,
与以前报道[56]的出现分歧的原因可能是该研究只是
选择了 cpDNA中一个非常特异的片段,而以前报道[56]
则是利用整个 cpDNA 基因组。 该研究还显示利用
ITS 序列和 matK 构建的不同进化树存在差异,说明
柿种为温带起源而其他种则是通过杂交、 基因渗入
(introgression)和/或多倍体化等过程形成。
6 结 语
目前应用于柿属植物的 DNA 分子标记类型较
多,既有针对核基因组的又有针对胞质基因组的,既
有扩增编码区的也有扩增非编码区的, 既有匿名性
分子标记的也有功能性分子标记的。 它们在柿属植
493
果 树 学 报 31 卷
物种质鉴定、遗传多样性检测、亲缘关系重建以及特
殊种质的起源、演化等方面研究中起着各自的作用。
基于核酸杂交和基于胞质基因组的 DNA 分子标记
主要用于种上水平的分子系统学研究, 而不适于区
分种下种质;相关研究证明,在湖北罗田发现的完全
雄性种质均属于柿种。基于 PCR的随机性分子标记
主要用于种下亲缘关系分析、 同名异物或同物异名
鉴别和 DNA 指纹图谱构建;目前认为中、日两国原
产的完全甜柿种质为独立起源, 而欧洲分布的柿品
种大多从日本引种并在该地衍化成现有品种; 相对
于日本甜柿,中国甜柿的遗传多样性更加丰富;中国
原产完全雄性种质与‘罗田甜柿’亲缘关系较近。 基
于 PCR 的功能性分子标记多态性比随机性分子标
记更丰富,能更多的揭示供试种质间的差异。基于逆
转座子的 DNA 分子标记从逆转座子角度揭示基因
组变异, 其鉴别种质灵敏度甚高,IRAP 是芽变品种
鉴定的可选技术。 结合胞质基因组和核基因组分子
标记研究发现, 金枣柿应为柿属下的一个新种而非
以前认为的柿品种。
柿属植物倍性高且复杂, 绝大部分柿品种为 6
倍体。 在利用 DNA 分子标记对核基因组进行分析
时,由于缺乏合适的数学模型,许多遗传参数无法计
算,导致不能进行居群遗传分析。基于胞质基因组的
DNA 分子标记虽然避开了核基因组的复杂倍性对
遗传信息分析的影响, 但其编码区与经济性状的联
系并不密切,且胞质基因组变异不够丰富,只能满足
种间甚至更大的分类阶元的研究, 而对于种下或品
种间的遗传分析则不够灵敏。 SSR 技术是目前亲子
鉴定和品种鉴定的标准方法, 但柿的基因组信息较
少,可用于品种鉴定的 SSR 位点偏少,而且柿品种
为多倍体,用于亲子鉴定的统计学模型并不适用。因
此,柿属植物 DNA分子标记研究应侧重于以下几个
方面:(1)开发更多的功能性分子标记用于遗传图谱
构建、目的性状定位和亲缘关系重建等方面的研究;
(2)寻找 DNA条形码(DNA barcording)片段,与动物
相比较,高等植物基因组变异程度较大,寻找一个或
几个植物界通用的 DNA条形码并不现实,但有望在
种间甚至属间寻找 DNA条形码,为物种鉴定提供简
便可靠的技术手段;(3)建立种、品种/系、突变体或
杂种的标准 DNA 指纹图谱以保护品种和提高种苗
纯度。虽然 DNA分子标记技术在柿属植物的研究范
围较广泛, 但其系统性和应用价值尚有待进一步探
讨。随着功能基因组学、生物信息学和系统生物学的
发展,分子标记将在柿属植物起源演化、种质/品种
鉴定和经济性状早期筛选等方面具有广阔的应用前
景。
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