全 文 ：　遗 传 学 报　Acta Genetica Sinica , February 2003 , 30 (2):183～ 188 ISSN 0379-4172
收稿日期:2002-08-12;修回日期:2002-10-10
基金项目:国家自然科学基金资助项目(39800089)[ Supported in part by National Natural Science Foundation in China(39800089)]
①　通讯作者。 E-mail:cotton@njau.edu.cn
A and D Genome Evolution in Gossypium Revealed
Using SSR Molecular Markers
GUO Wang-Zhen , WANG Kai , ZHANG Tian-Zhen①
(National Key Laboratory of Crop Genetics &Germplasm Enhancement , Cotton Research Institute ,
Nanjing Agricultural University , Nanjing　210095 , China)
Abstract:Genetic diversity analysis of diploid and allotetraploid cotton species was carried out using SSR molecular markers by
selecting representative species having A and(or)D genome in Gossypium .Ten diploid cotton species in A and D genomes had
high polymorphism and the molecular cluster was consistent with Gossypium classification previously reported by Fryxell.From mo-
lecular level ,G.gossypioides belonging to D genome had low similarity matrix compared with other diploid D genome species.Dip-
loid cotton species separately having A or D genome had their high similarity matrix.The research supported that G.gossypioides
was the most original cotton species among all D genome species , different genomes in Gossypium had common origin and made ev-
olution separately.To better understand genetic events that accompany allopolyploid formation , we add 2 cultivated allotetraploid
cotton species in our research materials.However , the results showed that it was not appropriate to study evolution of A and D ge-
nome in Gossypium using cultivated allotetraploid cotton species.In order to solve the question , original arboreum , herbaceum and
wild types of allotetraploid cotton species should be adopted.Further evolution research on cotton species based on the transcription
level of cotton genome is being carried on.
Key words:Gossypium;A and D genome;evolution;SSR
利用 SSR标记技术研究棉属 A 、D染色体组的进化
郭旺珍 , 王 　凯 , 张天真①
(南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 , 南京　210095)
摘　要:利用 SSR分子标记技术 ,对棉属 A、D染色体组二倍体及四倍体代表棉种进行了遗传多样性分析。供试的
10 个二倍体代表棉种间遗传多态性丰富 , 分子聚类结果与 Fryxell棉属分类结果相同 。分子水平上进一步揭示出属
于 D染色体组的拟似棉与其他 D染色体组棉种的相似系数最低 , A、D染色体组间相似系数很高。该结果支持拟似
棉是 D染色体组最原始棉种 ,棉属不同染色体组是共同起源 、单元进化的理论。 利用栽培的异源四倍体棉种不太
适于研究棉属A 、D染色体组的进化。
关键词:棉属;A、D 染色体组;进化;SSR
中图分类号:Q75　　　文献标识码:A　　　文章编号:0379-4172(2003)02-0183-06
　　棉花是世界性重要的经济作物 。棉属植物的分
类研究已有近百年的历史 。最初的棉属分类是基于
形态特征 ,继而应用细胞遗传学知识并结合地理生
态特点来进行。最有权威的棉属分类结果是美国植
物学家Fryxell在 1992 年提出的 。他将棉属分为 4
个亚属 ,8 个组 , 9个亚组 ,50个种。它们分别原产
于非洲 、中美洲 、南美洲 、亚洲 、澳洲 、Galapagos岛和
夏威夷地区 ,共包括 45个二倍体种和 5个异源四倍
体种 。人们普遍认为 ,异源四倍体种由 A 、D复合染
色体组组成 ,分别来源于 Gossypium 棉亚属的二倍体
棉种G.herbaceum 中 A1 染色体组和 houzingenia fryx.
亚属的 G.raimondii 中 D5 染色体组 ,但也有一些不
同看法[ 1 ～ 4] 。而A和 D染色体组的二倍体种大约在
600 ～ 1100 万年前是由共同的祖先分化而来(Wen-
del ,1989)。为此 ,研究棉属 A 、D染色体组的亲缘关
系 ,进而揭示其在异源四倍体棉种中的分布特征具
有重要意义。
本研究选用棉属 2 个 A 染色体组的代表种 、8
个D染色体组的代表种以及 2个 AD复合染色体组
的异源四倍体栽培棉种 , 利用 SSR(single sequence
repeats)分子标记技术 ,进行了供试材料的遗传多样
性研究 ,以从分子水平上探讨 A 、D染色体组的进
化。
1　材料和方法
1.1　材料
材料 1 ～ 10 源于海南棉花野生植物种植园 ,
11 ～ 12源于南京农业大学江浦试验站(表1)。
表 1　供试材料及所属染色体组(亚组)
Table 1　Species and their belonging genome(subgenome)
序号
No.
材料名称
Materials
染色体组(亚组)
Genome(subgenome)
1 三裂棉 G.trilobum(Mocino &Sesse)Skov. D8D8
2 旱地棉 G.aridum(Rose Standley)Skov. D4D4
3 雷蒙德氏棉 G.raimondii Ulbrich D5D5
4 戴维逊氏棉 G.davidsonii Hutch. D3-dD3-d
5 哈克尼西棉 G.harknessii Brand D2-2D2-2
6 辣根棉 G.armourianum Kearney D2-1D2-1
7 亚洲棉(石细亚品种)G.arboreum L.var.
Shixiya
A2A2
8 瑟伯氏棉 G.thurberi Tod. D1D1
9 拟似棉 G.gossypioides(Ulbrich)Standley D6D6
10 非洲棉(红心棉品种)G.herbaceum L.
var.Hongxianmian
A1A1
11 海岛棉(海 7124)G.barbadense L.var.
Hai7124
(AD)2
12 陆地棉(TM-1)G.hirsutum L.var.TM-1 (AD)1
SSR引物一部分来源于美国的 Research Genetics
公司开发的棉花微卫星引物 ,另一部分是美国农业
部南方平原农业研究中心的 John Yu博士惠赠。
1.2　方法
DNA提取方法参照 Paterson 等[ 5] 。SSR标记分
析方法见张军等[ 6] 。数据的统计分析采用 NTSYS-
1.8版软件进行 ,利用遗传相似系数进行 UPGMA聚
类 。
2　结果与分析
2.1　A、D染色体组二倍体种的分子聚类
利用 52对棉花 SSR引物对供试材料进行遗传
多样性分析。每对引物均表现较大的多态性。其
中 ,90%的引物在 A 、D基因组中均有扩增产物 ,且
扩增带型相同 ,差异表现在扩增产物的分子量(如
S1414 ,S1878 , S3556 , S3474)。个别引物(如 S1597 ,
S830),在 A 、D基因组中均有扩增产物 ,但扩增带型
不同 。部分引物(如S3558)仅在 D基因组中有扩增
产物 ,A基因组中没有。52对引物在 10个二倍体棉
种中共检测到 276 个等位基因差异 ,每对引物可检
测出2 ～ 8个等位基因 ,平均为 5.3个(图 1)。
利用276个SSR多态性位点计算了 2个 A染色
体组棉种和 8个 D染色体组棉种的遗传相似系数。
并以此遗传相似系数为原始数据 ,利用 NTSYS分析
软件按照 UPGMA 方法进行了聚类分析(图 2)。从
遗传相似系数看 ,A 、D染色体组间同源程度很高 ,相
似系数达 0.679。在相似系数为 0.70处 ,可将供试
的 10个二倍体材料分成两大类 ,正好将A染色体组
棉种归为一类 ,D 染色体组棉种归为另一类。分子
检测结果表明 ,A染色体组棉种的亚洲棉和非洲棉
之间 DNA 水平上的相似程度很高 , 相似系数达
0.840。这与细胞学鉴定结果相吻合 ,这两个栽培种
间的差异仅是一个相互易位 。考察供试的 8个 D染
色体组材料 ,拟似棉与其他种的亲缘关系最远 ,瑟伯
氏棉次之。而源于同一亚组的哈克尼西棉和辣根棉
亲缘关系最近 , 其相似系数高达 0.906。从遗传相
似性的角度讲 ,三裂棉 、戴威逊氏棉和雷蒙德氏棉具
有较高的遗传相似性 ,相似系数在 0.730以上;旱地
棉 、哈克尼西棉和辣根棉也具有较高的遗传相似性 ,
相似系数在 0.742以上;而这两组间的相似系数也
达 0.724。
2.2　A、D染色体组与 AD复合染色体组代表种间
关系
　　本研究选用栽培的 AD复合染色体组代表种海
岛棉海 7124和陆地棉遗传标准系 TM-1为研究材
184 遗　传　学　报 30 卷　
图 1　部分 SSR 引物扩增 A、D染色体组二倍体及四倍体棉种的结果
Fig.1　The amplification result of using partial SSR primer pairs
M:molecular marker;No.1～ 12 represents the same meaning as Table 1.
料。最初的目的是希望通过全基因组的分子检测 ,
从异源四倍体棉种起源 、进化的角度揭示A 、D染色
体组的供体来源。但研究结果不能回答这一问题 。
与A 、D染色体组的多态性带型相比 ,栽培异源四倍
体棉种的 SSR检测产物被分为多类。 Ⅰ类为 A 、D
染色体组均有该多态位点 ,但呈现的分子量不一样。
供试验的 AD复合染色体组材料也表现多态性 ,但
有多种多态性表现型 ,(1)仅有一种扩增产物带型 ,
185　2 期 郭旺珍等:利用 SSR标记技术研究棉属A 、D染色体组的进化
图 2　A、D 染色体组二倍体棉种的分子聚类图
Fig.2　Dendrogram of 10 diploid cotton materials based on UPGMA analysis
Using the similarity matrix generated by the Nei and Li coeff icient after amplifi cation with 52 pairs of microsatellite primers.
但分子量与A 、D染色体组的二倍体种均呈多态 ,有
的比A 、D染色体组揭示的位点分子量均高 ,有的介
于二者中间(如 S3556);(2)扩增产物表现为多条
带。可能的原因是 A 、D染色体组棉种相遇形成复
合染色体组后 ,SSR序列发生重排或形成多个串联
重复的结果(如 S3474);(3)有 2 个扩增位点 ,但非
A 、D染色体组棉种扩增位点的共显性表达 ,其分子
量变化很大(如 S1414 ,S1878);(4)仅有A 染色体组
带型 ,这可能是 A染色体组的专化位点 。但其分子
量与A染色体组揭示的分子量不一样(如 S1597)。
Ⅱ类为仅 D染色体组棉种扩增出 DNA条带 ,A染色
体组无扩增产物 ,这种特征带是 D染色体组的专化
带。此时AD复合染色体组也扩增出与 D染色体组
相同带型 ,但分子量仍与 D染色体组中揭示的不同
(如S3558)。Ⅲ类为除 A2A2 棉种外 ,其余二倍体及
四倍体棉种均扩增出一条单态的 SSR带。这可表
明AD复合染色体组中的A染色体组的供体不是亚
洲棉 。
从52个引物的 SSR分析结果来看 ,很难确定
AD复合染色体组的栽培四倍体棉种与 A 、D染色体
组的二倍体棉种间的相似性。这表明经过多年的栽
培驯化 ,尽管简单重复序列两端的 DNA序列是保守
的 ,但其间的重复序列的次数或完整性已发生变化 ,
反映出较大的多态性 。这一研究结果也与所选用的
研究材料有关 ,若利用陆地棉及海岛棉的野生种系
和草棉及亚洲棉的原始类型进行 A 、D染色体组的
起源及进化研究 ,结果可能会更明确。
3　讨　论
美国植物学家 Fryxell利用细胞遗传学 ,形态学
及生态地理学知识 ,对棉属相关种进行了系统研究 ,
形成了当代分类学中所公认的棉属分类系统。考察
A 、D染色体组二倍体种的系统分类 ,源于美洲种的
D染色体棉种归于 Houzingenia Fryx 亚属 ,源于亚洲 、
非洲种的 A 染色体棉种归于 Gossypium 棉亚属 ,进
一步将 13个 D染色体二倍体种划分为 2 个不同的
组及5个不同的亚组(图 3)。
棉属二倍体的染色体组目前公认的有 A 、B 、C 、
D 、E 、F 、G 、K 8个。关于它们的系统演化关系 ,许多
学者从不同的角度进行了探讨。聂汝芝等(1993)根
据其棉属植物的细胞学核型研究结果 ,提出 B染色
体组是最原始的 ,除G 、F 组外 ,其余染色体组是由 B
组衍生而来的 。而且 ,各组之间由于地理隔离 ,它们
并没有直接的顺序演化关系 ,基本上是各自独立演
化的 。至于A 、D染色体组本身 , D组的拟似棉进化
最原始 ,A组的亚洲棉和非洲棉之间的差异仅在于
一个相互易位的发生。D组的瑟伯氏棉是最后归入
棉属的 ,以前一直被化归为木槿组(Fryxell ,1992)。
与形态 、细胞学 、地理生态等研究手段相比 ,分
子水平的棉种多态性检测具有更大的优越性。理论
上讲 ,物种中的微卫星序列是起源于同一 DNA 序
列 ,在长期的演化过程中 ,产生了不同程度的长度多
态性 。鉴于此 ,微卫星用于遗传指纹图谱研究显示
186 遗　传　学　报 30 卷　
图 3　A、D染色体组二倍体棉种的系统分类
＊:棉种未被包括在本实验中。
Fig.3　The systematic classification of diploid cotton species having A or D genome
Notes:some cotton species having
＊symbol aren t included in the study.
出其特有的优势 ,如多态性水平高;共显性遗传 ,检
测方法简单 ,检测谱广 ,包括编码及非编码区的整个
基因组 ,以及检测程序的自动化等特点。利用该技
术 ,已有许多物种的遗传多样性被阐明[ 7 ～ 12] 。
本研究支持棉属不同染色体组是共同起源 、单
元进化的理论。从 SSR分子检测的结果知 ,A 、D染
色体组的相似系数很高 ,且 90%以上的 SSR引物在
A 、D染色体组棉种中均有扩增产物 。基于 SSR引
物设计特点 ,说明A 、D染色体组棉种在 SSR引物保
守序列的高同源性。其扩增产物的高多态性正是反
映了它们的 SSR序列的高变异性 。推测这一原因
导致了 A 、D染色体组不同的进化水平。A 、D染色
体组同源性高带来的问题是具有 AD复合染色体组
的异源四倍体棉种中为何在其减数分裂期没有看到
A 、D染色体组间的部分同源配对;在 A 、D染色体组
二倍体棉种均有扩增产物 ,理论上 AD复合染色体
组中应该是它们的共显性表达 ,但一些 SSR引物的
扩增产物表明在AD复合染色体组棉种中也仅有一
条扩增产物 。可从小麦的分子进化研究结果解释这
些问题。普通小麦的分子进化研究表明;多倍体的
二倍体化是其进化的主要动力 ,它可影响多倍体基
因组的大小和基因拷贝数[ 13] 。新合成的异源四倍
体小麦在最初的几个世代中由于染色体的配对和分
离不正常 ,其育性会下降。随着其二倍体化进程 ,多
倍体中会发生基因的缺失 ,沉默和逆转座子的转录
激活。其主要机制包括:(1)多倍体非编码区基因组
DNA的染色体重排及一些 DNA序列的迅速减少 ,这
种减少发生在组成异源多倍体的某一基因组的一对
同源染色体组间或同一基因组的几对同源染色体组
间;(2)异源多倍体中不同基因组在同一细胞核中之
187　2 期 郭旺珍等:利用 SSR标记技术研究棉属A 、D染色体组的进化
所以能共存是由于基因组间发生了互作 ,进而调节
基因表达 ,如其中一个基因组的 rRNA 基因由于胞
嘧啶甲基化导致转录沉默[ 14 ～ 16] 。这种机制就解释
了一些分子标记在其二倍体祖先中均有扩增产物 ,
而在其异源多倍体中却非它们共显性表达或仅为某
一基因组带型。异源四倍体棉花的进化也应该是这
样。一般认为 ,早在大约 110 ～ 190万年前 , A 染色
体组的非洲棉与 D染色体组的雷蒙德氏棉相遇 ,进
而加倍形成多倍体。原始的异源四倍体棉种中染色
体分化不明显。随着不断进化 ,异源四倍体的基因
及基因组间发生修饰作用 ,该作用抑制了A 、D染色
体组部分同源染色体的配对 ,使得异源四倍体棉种
在减数分裂时不会出现染色体联会的紊乱[ 8] ,这一
作用与四倍体棉花基因组中基因的缺失 ,沉默等作
用相关 。至于第二个问题 ,应该与 AD复合染色体
组中的染色体重排 ,特别是某一染色体组相关基因
的缺失有关。探讨进一步的原因应选用具有代表性
的棉花二倍体及异源四倍体原始类型 ,从二倍体及
相应四倍体棉花基因组的转录水平上得到证实。
A 、D二倍体棉种 SSR分子水平的检测结果支
持Fryxell棉属的分类 。
参考文献(References):
[ 1 ] 　Pan J J.Cotton Breeding.Beijing:Chinese Agricultural Press ,1998.
　潘家驹主编.棉花育种学.北京:中国农业出版社, 1998.
[ 2 ] 　Wang K B, Li M X.The karyotype variation and evolut ion of D ge-
nome in Gossypium.Acta Agronomica Sinica , 1990, (3):200～ 207.
　王坤波 ,李懋学.棉属 D染色体组核型的变异和进化.作物学
报 , 1990 ,(3):200～ 207.
[ 3 ] 　Zhou B L , Chen S , Shen X L.Relations among Gossypium species
based on superoxide dismutase i sozyme zymogram.Jiangsu J Agric
Sci , 1995 , 11(1):11～ 15.
　周宝良 ,陈　松 ,沈新莲.棉属种子 SOD 酶的凝胶电泳图谱与
种间关系.江苏农业学报 , 1995 , 11(1):11～ 15.
[ 4 ] 　Nie R Z , Li M X.Karyotype Analysis in Gossypium.Bei jing:S cience
Press ,1993.
　聂汝芝 ,李懋学.棉属植物核型研究.北京:科学出版社 , 1993.
[ 5 ] 　Paterson A H , Lander E S , Hewitt J D , Peterson S , Lincoln S E ,
Tanksley S D.A rapid method for extraction of cotton (Gossypium
spp.)genomic DNA sutable for RFLP or PCR analysis.Plant Molec-
ular Biology Report , 1993 , 11(2):122～ 127.
[ 6 ] 　Zhang J ,Wu Y T ,GuoW Z , Zhang T Z.Fast screening of microsatel-
lit e markers in cotton with PAGE silver staining.Acta Gossypii Sini-
ca , 2000 ,12(5):267～ 269.
　张　军 ,武耀廷 ,郭旺珍 ,张天真.棉花微卫星标记的PAGE 银
染快速检测.棉花学报 , 2000 ,12(5):267～ 269.
[ 7 ] 　Cipriani G ,Marrazzo M T ,Marconi R , Cimato A ,Testolin R.Microsat-
ellite Mmarkers isolated in olive(Olea europaea L.)are sui table for
individual fingerprinting and reveal polymorphism within ancient culti-
vars.Theor Appl Genet , 2002 ,104:223～ 228.
[ 8 ] 　Endrizzi J E.The diploid-like cytological behavior tetraploid cotton.
Evolut ion , 1962 ,16:325～ 329.
[ 9 ] 　Fahima T , Roder M S ,Wendehake K , Kirzhner V M , Nevo E.Micro-
satellite polymorphism in natural populations of wi ld emmer wheat ,
Triticum dicoccoides , in Israel.Theor Appl Genet , 2002 , 104:17～ 29.
[ 10] 　Rossetto M , Mcnally J , Henry R J.Evaluating the potential of SSR
flanking regions for examining taxonomic relationships in the Vitace-
ae.Theor Appl Genet , 2002 ,104:61～ 66.
[ 11] 　Hormaza J I.Molecular characterization and similarity relationships
among apricot (Prunus armeniaca L.)genotypes using simple se-
quence repeats.Theor Appl Genet , 2002 ,104:321～ 328.
[ 12] 　Davila J A , Loarce Y , Ramsay L ,Waugh R, Ferrer E.Comparision of
RAMP and SSR markers for the study of wild barley genetic diversity.
Hereditas , 1999 , 131:5～ 13.
[ 13] 　Kashkush K , Feldman M , Levy A A.Gene loss , silencing and activa-
tion in a newly synthesized wheat allotetraploid.Genetics , 2002 , 160:
1651～ 1659.
[ 14] 　Feldman M , Liu B, Segal G , Abbo S , Levy A A , Vega J M.Rapid
elimination of low-copy DNA sequences in polyploidwheat:a possible
mechanism for differentiation of homoeologous chromosomes.Genet ics ,
1997 , 147:1381～ 1387.
[ 15] 　Ozkan H , Levy A A , Feldman M.Allopolyploid-induced rapid genome
evolution in the wheat(Aegilops-Trit icum)group.Plant Cell , 2001 ,
13:1735～ 1747.
[ 16] 　Shaked H , Kashkush K , Ozkan H , Feldman M , Levy A A.Sequence
elimination and cytosine methylation are rapid and reproducible re-
sponse of the genome to wide hybridization and allopolyploid in
wheat.Plant Cell , 2001 , 13:1749～ 1759.
(责任编辑:周　素)
188 遗　传　学　报 30 卷