药用植物核心种质研究进展.pdf

山 东 农 业 科 学():./.收稿日期:基金项目:山东省重大科技创新工程项目()国家重点研发计划项目()国家自然科学基金项目()山东省重点研发计划项目()作者简介:赵慧()女山东泗水人硕士研究生研究方向:中药资源与中药质量控制:.通信作者:张永清()男山东平邑人教授博士生导师研究方向:中药资源与中药质量控制:.药用植物核心种质研究进展赵慧马芹刘振华蒲高斌张芳李佳张永清(山东中医药大学药学院山东 济南)摘要:构建核心种质已成为药用植物种质资源研究的重点和热点对药用植物种质保存、优良品种选育等意义重大 本文分别从种质数据收集、数据分析、取样方法、取样比例、核心种质检验与评价等方面综述药用植物核心种质构建的基本程序并对药用植物核心种质构建进展情况进行归纳总结旨在为实现中药资源高质量可持续利用提供参考关键词:药用植物种质资源核心种质构建中图分类号:.文献标识号:文章编号:()().种质资源是重要的战略资源是衡量综合国力的指标之一 我国植物种质资源极为丰富这不仅是选育优良品种的物质基础也是生物多样性不可或缺的组成部分对生态文明建设和经济可持续发展具有重要支撑作用 保存利用好植物种质资源意义重大但因其数量巨大对每份植物种质资源都开展保存、评价和利用工作比较困难 基于植物种质资源调查及遗传多样性研究通过建立核心种质资源库来保存和管理种质资源已经成为该领域研究的热点 由于核心种质以最少数量种质最大限度地代表了整个种质资源的遗传多样性因此它很好地解决了上述难题 目前开展核心种质研究的植物多是粮食作物和经济作物 如水稻、玉米、茄子、番茄、陆地棉等 而关于药用植物核心种质的研究则相对滞后但随着通过生产种植才能满足需要的药材种类越来越多加强其核心种质研究、做好种质保存工作、推进优良品种选育成为药材生产中保证质量、提高产量需要解决的关键技术问题 因此本文对已有药用植物核心种质及其构建研究进行系统归纳总结旨在为深化药用植物核心种质研究、推进中药资源高质量可持续利用提供参考 核心种质概述 年 首次提出核心种质概念后来 对其进一步完善认为核心种质是以最少数量的种质最大程度地保存整个种质资源丰富的遗传变异 该概念是相对的种质数量和遗传变异都是相对于所收集到的种质而言同时它也是动态变化的可以通过后续补充收集新的种质可对已有的核心种质进行调整 年李自超等提出了核心种质动态四级结构即保留种质、初级核心种质、核心种质和核心应用种质其中保留种质是指筛选出核心种质后剩余的所有种质资源为核心种质的补充初级核心种质包含原始种质 以上的遗传多样性是核心种质的基础核心种质包含 的遗传多样性占原始种质数量的 核心应用种质包含种质数量更少是应用所需的优异种质对生产和研究利用更具价值和指导意义 年王建成等又提出了合成核心种质、分级核心种质、微型核心种质新概念 其中合成核心种质是指由不同国家或地区通过合作共同构建而成的核心种质分级核心种质是根据不同数据分层来依次构建的核心种质微型核心种质是为适应很大数量规模的种群而构建的核心种质库约占原始种质数量的 药用植物核心种质组成相对其它植物具有一定特殊性不仅要包含主要变异类型、避免遗传重复 还要包括药效成分及其调控基因 药用植物核心种质代表着该物种的性状特征、地理分布和遗传多样性具有代表性、异质性、动态性和有效性 药用植物核心种质构建我国药用植物种质资源数量庞大保护、管理工作投入大 核心种质去除了一定的遗传冗余更加关注与质量、产量及农艺性状相关的遗传变异依此进行优良品种筛选将有助于提高选育效率 因此核心种质构建是有效保护利用药用植物种质资源的关键 构建核心种质的基本步骤有数据收集、数据分析、种质筛选、核心种质有效性检验等.数据收集收集整理种质资源相关数据是构建核心种质的首要工作包括基本数据、特征数据、评价鉴定数据 基本数据包括种质采集地的生态地理特征、繁殖与培育、分类体系等数据特征数据包括表型、分子标记、生理生化等数据评价鉴定数据是指质量、产量及抗性等数据 其中以表型、分子标记数据最为常用 表型数据是构建核心种质的传统数据分为数量性状和质量性状能直观地反映物种的遗传多样性可为核心种质构建提供直接依据 例如李秀诗、彭锐等根据数量性状和质量性状构建的薏苡(.)与青蒿(.)的核心种质由于植物形态特征易受环境影响不能直接反映种质遗传多样性而分子标记数据不受季节和环境等因素影响能在 序列水平上直接反映物种遗传变异信息和种群间的遗传关系因此备受重视 目前常用的分子标记有限制性片段长度多态性()、随机扩增多态性()、扩增片段长度多态性()、简单重复序列(、)、相关序列扩增多态性()、单核苷酸多态性()等 在构建药用植物核心种质过程中应用较多的分子标记为 和 其次是 例如、耿雅萍、林丹等利用 分子标记构建了降香(.)、黄芪蒙古黄芪()和膜荚黄芪(.)、紫苏(.)等核心种质林丹、白成科、杨孟莉、刘向宇等利用 分子标记构建了白木香 (.).、黄芩()、山茱萸(.)、山药(.)等核心种质整合利用表型与分子标记数据将宏观性状与微观分子结合构建的核心种质将更具有代表性 例如程江波根据表型性状和 分子标记数据构建了海巴戟(.)的核心种质 另外药用植物与一般植物不同在构建核心种质时除应考虑种质表型性状和分子标记数据外还应考虑活性成分含量 例如廖山 东 农 业 科 学 第 卷丹根据生物学性状(包括多糖、维生素、总黄酮和香豆素含量)及 分子标记构建了海巴戟核心种质刘曼依据蛇床子素、二氢欧山芹醇、当归酸酯含量及 分子标记构建了独活(.)核心种质 又如李嘉惠在构建何首乌 (.).核心种质、刘秀容在构建黄芩核心种质时均将活性成分含量纳入分析数据中.数据分析收集种质并获得一定信息数据后需通过数据分析才能明确种质遗传多样性及其亲缘关系据此将所有种质分组并选取代表性样品构建核心种质 数据分析常用方法为主成分分析和聚类分析 主成分分析多用于大量表型性状数据目的是筛选出与变异相关的主要性状 孙亚强采用主成分分析法对酸枣 个数量性状进行分析后得到 个主成分因子包含果实色光值、单核重、果核横径、叶片长、叶片宽等 个性状 聚类分析是目前使用最广泛的分析方法可用于分析各种类型数据 包括最长距离法()、最短距离法()、中间距离法()、类平均法()、重心法()、非加权配对平均法()和离差平方和法()等 构建核心种质时以 法应用最多绝大多数药用植物核心种质都是依据 法进行聚类分组包括白木香、山茱萸、黄芩、山药、独活、青蒿、降 香、紫 苏、大 枣(.)、三叶木通(.).等 也有学者采用类平均法进行聚类分析如海巴戟、酸枣.().等核心种质 系统发育树邻接法()和群体结构法()也被用于种质分组但使用较少聚类分析常用的遗传距离为欧式距离和马氏距离 欧式距离易受性状间不同量纲影响马氏距离与性状间测量单位无关、不受量纲影响基于表型数据构建核心种质时可通过数量性状标准化来解决不同量纲影响问题 除上述两种遗传距离外还有 系数、系数、遗传距离等它们都能代表原始种质的遗传多样性但以 系数得出的各项参数值最大为最佳遗传距离.取样方法和取样比例取样方法、比例对种质筛选效果都有影响良好的取样方法不仅能去除原种质遗传冗余而且能最大限度地保留其遗传多样性因此选择最优的取样方法是构建核心种质的重中之重 取样方法包括随机取样法和系统取样法 其中系统取样法又包括比例取样法(策略)、平方根比例法(策略)、对数取样法(策略)、遗传多样性比例法(策略)、等位基因最大化法(策略)等随机取样法虽然可得到无偏样本但得到的核心种质遗传结构和多样性与原始种质往往相差较大因此很少单独应用多结合聚类分析采用逐步聚类随机取样法()系统取样法要根据方法和材料的特点来选择 组内取样方法有优先取样、偏离度取样、最小距离逐步取样()等 构建药用植物核心种质应用最多的首先是最小距离逐步取样该法通过逐步聚类删除遗传距离接近的冗余样品得到的核心种质能很好地保留原始种质的遗传变异且不受聚类方法的影响其次是等位基因最大化法(策略)该法依据物种多样性自动生成抽样比例广泛应用的是进阶等位基因最大化法包括拉斯维加斯式随机算法、启发式算法和模拟退火算法各算法在构建药用植物核心种质时均有应用优先取样也较常用是通过逐步聚类优先选择性状极值或稀有等位基因(位点优先取样)而组成核心种质也能很好保留原始群体的遗传多样性 李嘉惠提出的 分类比例取样法是根据组间遗传多样性的比值确定取样数量从而避免了取样不均得到的核心种质同样具有良好代表性与最小距离逐步聚类法相比操作简便 当然取样方法间没有绝对的优劣之分在构建核心种质时应考虑药用植物遗传特征等实际情况对各种取样方法进行评估以找到最适方法保证构建出最佳核心种质关于取样比例提出 的取样比例可代表总样品 以上的遗传变异 等则认为最佳取样比例为 第 期 赵慧等:药用植物核心种质研究进展也有学者提出取样比例应随原始种质数量的增加而减小 药用植物核心种质的取样比例绝大部分在 之间 构建核心种质时往往根据总体种质资源规模大小和遗传多样性、遗传结构来调整取样比例 刘曼在构建独活核心种质时因种质数量多且遗传多样性水平高而选择 的取样比例目的是为保存更完整的遗传变异 此外优异特殊种质、性状极值种质数量少且利于生产和选出性状突出的品种应直接选入核心种质.核心种质检验及评价核心种质构建完成后要进行有效性检验明确它们对原始种质遗传变异的代表性及在生产实践中的实用性 对基于表型数据构建的核心种质要以核心种质和原始种质各性状均值和方差作为评价参数进行 检验或 检验看是否具有显著性差异再通过比较均值、变异系数、方差差异百分率、极差符合率对核心种质进行评价 等指出核心种质均值和方差与原始种质存在显著差异的性状不大于 且变异幅度不低于原始群体的 就可认为该核心种质对原始种质遗传变异具有良好代表性 对基于分子标记数据构建的核心种质 要以等位基因数量()、有效等位基因数量()、观察杂合度()、信息指数()、遗传多样性指数()、多态性信息含量()作为评价参数利用 检验确定其差异显著性同时计算各参数保留率来评价核心种质有效性 耿雅萍在检验评价黄芪核心种质时得到其观测杂合度的保留率为.其余各评价参数保留率均大于 表明该核心种质有效保留了原始种质的遗传多样性且由于种质数量减少而使核心种质整体遗传变异升高 良好的核心种质还应去除一定的遗传冗余:李荣荣利用主成分分析比较核心种质与原始种质各株系相互重叠的分布程度发现核心种质遗传冗余明显降低从而验证了初级核心种质的有效性此外还利用主坐标分析对比核心种质与原始种质的遗传结构几何分布验证了核心种质的代表性和全面性 目前实用性检验只出现在农作物核心种质构建中药用植物尚未见报道该评价指标有待于发展和补充 药用植物核心种质构建进展李秀诗等根据株高、茎粗、叶长、叶宽、总分蘖数、主茎分枝数、主茎节数、粒长、粒宽、百粒重共 个数量性状和果壳颜色、总苞形状、总苞光泽、总苞条纹这 个质量性状从 份薏苡种质中构建了 份初级核心种质 彭锐等收集到 份青蒿种质并根据株高、冠幅、分枝数、地上部鲜重、叶鲜重、叶鲜重占地上部鲜重比率、节间距和青蒿素含量共 个数量性状构建了 份核心种质 等利用 分子标记从 份野生降香、份栽培降香种质中构建了 份核心种质 耿雅萍采用 分子标记从 份蒙古黄芪和膜荚黄芪种质中构建了 份核心种质 等利用 个 分子标记从韩国 份紫苏种质中检测到 个等位基因每个位点的等位基因数为(平均值.)共筛选出 份核心种质占整个紫苏种质的.林丹等利用 分子标记对 份白木香种质进行核心种质初建最终获得 份核心种质保留原始种质 以上的遗传多样性 白成科等以 个主产区的 份黄芩种质为研究对象采用改良的 法提取基因组利用筛选出的 条 引物进行分子标记共获得 条清晰条带其中多态性条带 条多态性百分率.表明收集的黄芩种质资源在分子水平上有较高的遗传多样性构建的 份核心种质既能代表原有群体的遗传变异又有广泛的地域代表性 杨孟莉以 个省(市)份山茱萸种质为研究对象利用 分子标记研究其遗传多样性筛选出多态性好、条带清晰的引物 条共扩增到 条条带多态性条带总数为 条多态性比例达 构建的 份核心种质能够代表原种质的遗传多样性 白成科等利用 分子标记从 份山茱萸种质中构建了 份核心种质后来 进行更新并构建了 份核心种质刘向宇等利用 分子标记对 份山药种质进行遗传多样性分析筛选出 条有效引物共扩增出 个位点多态性比率为.构建了 份核心种质多态位点率达到.目前已构建的药用植物核心种质情况如表 所示山 东 农 业 科 学 第 卷 表 药用植物核心种质构建情况植物种类数据类型原始群体核心种质取样比例()参考文献西伯利亚杏 (.).表型白木香 (.).海巴戟 .表型海巴戟 .表型.何首乌 (.).成分黄芩 黄芩 表型成分山茱萸 .山茱萸 .山茱萸 .金铁锁.关键酶基因芝麻 .表型.杜仲 .山药 .黄芪 (.)独活 .成分青蒿 .表型.薏苡 .表型降香 .紫苏 .大枣 .酸枣 .().表型.苎麻 (.).三叶木通 (.).甘草 .第 期 赵慧等:药用植物核心种质研究进展 小结我国药用植物资源丰富据统计有 科 属 个种及种下类群但已构建核心种质的药用植物仅是其中极少一部分 随着市场需求变化通过生产种植才能满足需要的药用植物种类越来越多栽培面积越来越大 一些道地药材由于长期种植其种质发生明显分化形成数量众多的种质成为其道地性的重要体现对这些种质进行收集、整理、保存对于保证药材质量意义重大 由于核心种质最大限度地保留了遗传多样性从中选育优良品种可以大幅度提高选育效率是提高药材产量与质量的有效途径但目前药用植物核心种质构建研究尚处于起步阶段已构建核心种质的药用植物还很少需要加大研究力度尽快构建一批道地药材核心种质将优质药材基因保存下来构建药用植物核心种质的最终目的还是为了更好地挖掘利用为发展中医药产业服务 质量是药材的生命药用植物核心种质要体现出药材优质性这与一般植物不同 因此构建药用植物核心种质应注意吸收先进科学技术将与药材质量有关的基因挖掘出来加以利用 基因测序技术在挖掘药用植物抗逆性、药材产量质量相关优异基因等方面发挥着重要作用例如构建陆地棉核心种质时重测序技术就被用于影响纤维质量和产量基因的挖掘 总之核心种质构建可为优良品种选育提供优质材料是中医药产业可持续高质量发展的物质基础必须予以足够重视参 考 文 献:崔艳华邱丽娟常汝镇等.植物核心种质研究进展.植物遗传资源学报():.:.:.王永康吴国良李登科等.果树核心种质研究进展.植物遗传资源学报():.陈学军雷刚周坤华等.蔬菜核心种质研究进展.江西农业大学学报():./.:.:.(.).:.李锐尚霄尚春树等.基于 标记的山西玉米自交系的核心种质构建.种子():.(.).():.郑福顺王晓敏李国花等.基于表型性状的宁夏番茄种质资源核心种质构建.浙江大学学报(农业与生命科学版)():.代攀虹孙君灵贾银华等.利用表型数据构建陆地棉核心种质.植物遗传资源学报():.马小军肖培根.种质资源遗传多样性在药用植物开发中的重要意义.中国中药杂志():.楚桐丽丁平.药用植物种质资源研究进展.广州中医药大学学报():.陈士林吴问广王彩霞等.药用植物分子遗传学研究.中国中药杂志():.:.:.李自超张洪亮孙传清等.植物遗传资源核心种质研究现状与展望.中国农业大学学报():.王建成胡晋黄歆贤等.植物遗传资源核心种质新概念与应用进展.种子():.黄璐琦吕冬梅杨滨等.药用植物种质资源研究的发展 核心种质的构建.中国中药杂志():.董静洲易自力蒋建雄.我国药用植物种质资源研究现状.西部林业科学():.王玲娜张永清.金银花新品种华金 号的特征特性及栽培技术要点.安徽农业科学():./.:.彭枫李阳戴雨柔等.基于表型性状的菠菜核心种质构建.上海师范大学学报(自然科学版)():.孙永强陈建华张剑等.基于表型性状的西伯利亚杏核心种质构建.沈阳农业大学学报():.李秀诗付瑜华周祥等.基于表型性状的薏苡初级核心种质库构建.热带作物学报():.彭锐钟国跃李隆云等.我国青蒿初选核心种质的构建山 东 农 业 科 学 第 卷.中国中药杂志():.陈俊百张林赵卫国等.分子标记及在核心种质中的应用进展.安徽农业科学():.():.():.王刚曹佩韦学敏等.分子标记技术在药用植物种质资源研究中的应用.中国现代中药():.():.耿雅萍.药用黄芪核心种质的初步构建及遗传多样性分析.太原:山西农业大学.():.林丹.白木香遗传多样性分析及核心种质的初步构建.广州:广东药科大学.白成科文苗苗于凤等.基于 分子标记技术构建黄芩核心种质的方法研究.中药材():.白成科俞君如于凤等.山茱萸种质资源的 遗传多样性分析与初级核心种质库的构建.西北植物学报():.杨孟莉.基于 分子标记的山茱萸种质资源评价与核心种质构建.郑州:河南农业大学.:.():.刘向宇霍秀文杨明等.山药种质资源的 分析及初级核心种质库的构建.西北植物学报():.程江波.海巴戟()核心种质构建方法的研究及初步构建.海口:海南大学.廖丹.基于 分子标记技术构建海巴戟()核心种质.海口:海南大学.刘曼.资丘独活的核心种质库构建.武汉:湖北中医药大学.李嘉惠.何首乌种质研究及核心种质初步构建.广州:广东药科大学.刘容秀.黄芩核心种质构建与优良种质筛选研究.北京:北京中医药大学.余萍李自超张洪亮等.中国普通野生稻初级核心种质取样策略.中国农业大学学报():.孙亚强.酸枣种质资源遗传多样性分析及其核心种质的构建.阿拉尔:塔里木大学.张桂寅王省芬刘素娟等.低酚棉品种资源聚类分析及核心品种抽取方法的探讨.棉花学报():.徐海明邱英雄胡晋等.不同遗传距离聚类和抽样方法构建作物核心种质的比较.作物学报():.:.:.(.).():.李嘉惠欧晓华邓文静等.基于 分子标记构建何首乌核心种质库.广西植物():.徐海明李晓玲李金泉等.整合质量数量性状构建作物核心种质的策略研究.浙江大学学报(农业与生命科学版)():.:().():.田郎方家林黄华孙.作物种质资源核心种质研究及其应用.江西农业大学学报():.詹世雄曾宪威.植物核心种质构建方法的研究进展.中国农学通报():.():.刘宁宁.植物资源核心种质构建与评价新方法的研究.杭州:浙江大学.王建成.构建植物遗传资源核心种质新方法的研究.杭州:浙江大学.姜丽媛.濒危植物野生玫瑰种质资源评价与核心种质构建.泰安:山东农业大学.第 期 赵慧等:药用植物核心种质研究进展 /.():.杨汉波张蕊王帮顺等.基于 标记的木荷核心种质构建.林业科学():.李辛雷李纪元范正琪.植物遗传资源核心种质研究进展.食品安全质量检测学报():.():.李荣荣.西藏芜菁遗传多样性分析与初级核心种质的构建.杭州:浙江大学.吴利玲高亚芳钱子刚等.基于 基因多态性的金铁锁核心种质构建.中国中药杂志():.刘艳阳梅鸿献杜振伟等.基于表型和 分子标记构建芝麻核心种质.中国农业科学():.李洪果许基煌杜红岩等.基于等位基因最大化法初步构建杜仲核心种质.林业科学():.():.():.张惠源赵润怀袁昌齐等.我国的中药资源种类.中国中药杂志():.():.山 东 农 业 科 学 第 卷