粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的ISSR分析.pdf

.():/.:./.魏飒 张海惠 王玉泉 等.粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的 分析.广西植物():.():.粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的 分析魏 飒 张海惠 王玉泉 吴晓军 胡喜贵 茹振钢(.河南科技学院 河南 新乡 .新乡工程学院 河南 新乡 )摘 要:粗山羊草分布范围广遗传变异丰富被认为是改良普通小麦的重要基因源 为深入了解不同来源粗山羊草种质的遗传多样性和群体结构该研究利用 分子标记对 份粗山羊草种质进行了遗传多样性和群体结构分析 结果表明:()个 引物共检测 条多态性位点每个 引物多态性位点为 条平均为.条多态性信息()变异范围为.平均为.()粗山羊草 个群体的遗传多样性比较显示中亚粗山羊草的群体遗传多样性水平最高(.)群体间的基因流较低(.)()聚类结果在遗传相似系数约.处来源于塔吉克斯坦 份和土库曼斯坦 份粗山羊草种质材料聚成一类()其他 份种质材料形成一大类()其中 可进一步分成 个 亚类呈现出来源相同的粗山羊草种质材料倾向聚在一起()群体结构分析将 份粗山羊草种质分为 个群体其中来源于西亚伊朗 群体种质材料遗传背景比较一致混杂程度相对较低进一步分析各群体 值发现 群体种质材料亲缘关系的来源相对复杂遗传多样最为丰富 该研究结果可为粗山羊草种质亲缘关系解析、种质多样性保护提供重要参考依据为其科学利用以及进化研究奠定基础关键词:粗山羊草 遗传多样性 聚类分析 群体结构 分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:().().()收稿日期:基金项目:河南省重大公益专项()河南省高校重点科研项目()第一作者:魏飒()硕士研究生研究方向为种质资源创新与利用().通信作者:胡喜贵博士副教授研究方向为作物种质资源挖掘与利用().(.)(.).().().:粗山羊草()别称为节节麦属于禾本科小麦族()山羊草属()被 认 为 是 普 通 小 麦()基因组祖先的供 体 种(.)粗山羊草主要分布在欧亚大陆中部其起源中心位于里海南部海岸和阿塞拜疆而后分别向东越过土库曼斯坦的科彼特山脉扩散到中国的新疆和黄河中部地区向西穿越土耳其东南的山谷传播至叙利亚中部地区(.)已有研究表明粗山羊草 基因组具有丰富遗传变异性如抗逆性(.)、抗病性(.)、优异品质基因(.)等已被作为改良普通小麦的重要种质资源之一(.赵昕鹏等 郜晓峰等)核心种质的收集和评价是种质的应用、创新及作物新品种选育的基础尤其对供体物种遗传多样性和群体结构的研究不仅能了解物种亲缘关系还可以为其合理高效的保护和利用提供理论基础(.)粗山羊草的遗传多样性已从形态学、生理学、种子储藏蛋白、同工酶、分子标记 等 进 行 广 泛 研 究(.)其中因为分子标记不受表型条件局限可早期完成所以被公认为是研究遗传多样性和群体结构高 效、灵 活 的 方 法(.)等()对不同来源 份粗山羊草 个位点的 分析发现来自里海的粗山羊草变异最大阿富汗次之而土耳其和巴基斯坦的变异最小并进一步支持粗山羊草起源于里海南部海岸 孔令让等()利用 标记分析粗山羊草两个亚种的基因组 多态性表明 .多态性明显高于.等()利用 标记分析 份粗山羊草遗传多样性发现来自高加索地区的粗山羊草多样性比中亚地区的丰富同时将其划分为两大类且与地理分布一致基于内部简单重复序列()是一种显性分子标记具有较高的多态性、重复性、稳定性且操作简便等诸多优点已广泛 应 用 在 埃 及 小 麦()()、硬 粒 小 麦()(.)、钩 刺 山 羊()(.)、大麦()(张超等)等小麦及野生近缘属种的遗传多样性研究 目前利用 标记研究粗山羊草遗传多样性的研究报道较少仅李玉阁等()利用 个 标记研究了 份中国粗山羊草的遗传多样性结果将中国粗山羊草划分为黄河流域和新疆两大群体并筛选到 份具有独特变异的黄河流域类型进一步研究认为黄河流域种群是从伊朗或土库曼斯坦南部地区直接传播而来(.)普通小麦的 基因组来源于有限粗山羊草类群但多倍化和进化“瓶颈”导致其遗传基础日益狭窄与、基因组相比小麦 基因组的遗传多样性尤其匮乏 为了利用不同来源粗山羊草类群拓展小麦 基因组首先要解析粗山羊草种质遗传多样性 因此本研究利用 个 标记对不同来源的 份粗山羊草种质开展遗传多样性和群体结构研究旨在了解它们的遗传多样性和群体广 西 植 物 卷结构解析它们的亲缘关系以期为种质多样性保护和科学利用提供理论基础材料与方法.试验材料 份粗山羊草()种质材料(表)其中来源于西亚 份(伊朗 份、土耳其和阿塞拜疆各 份、格鲁吉亚 份)中亚 份(阿富汗 份、土库曼斯坦 份、塔吉克斯坦 份)南亚 份(巴基斯坦 份)东亚 份(中国 份)未知 份均由美国种质资源库()馈赠在河南科技学院小麦中心繁殖并保存.提取按照 等()的方法从 份粗山羊草种质材料的幼嫩叶片中提取基因组并经 (美国赛默飞世尔)检测 浓度和纯度.扩增分析参照 等()研究选用扩增清晰且重复性好的 个 引物(上海生物工程技术服务有限公司合成)对 份粗山羊草种质材料进行遗传多样性分析(表)扩增体系 :(北京康润诚业生物科技有限公司)、引物()、()其 扩增程序如下:预变性 变性 .(视不同引物而定)退化 延伸 共 个循环 再延伸 继续保存 扩增产物经.变性琼脂糖凝胶电泳分离 分子量标准(天根生化科技有限公司)作为对照观察结果照相并保存.数据分析依据 扩增电泳图分别读取数据相同迁移率处有带为 无带为 模糊不清楚为 并建立 二 元 数 据 矩 阵 利 用 .()软件分析多态性信息含量()应 用.(.)软件计算群体观察到的等位基因()和有效等位基因数()、基因多样性指数()和 信息指数()、不同群体间的总基因多样性()、群体内的基因多样性()、群体间的基因多样性()、遗传分化系数()和基因流()采用 .()软件基于简单匹配系数()进行非加权平均法()聚类分析将数据转换成 .(.)软件的格式进行群体遗传结构分析 将 值设为 基于模型每个 值进行 次分析再通过 ()确定最合适的 值构建遗传结构图 同时计算群体中种质材料变异源于该群体中的概率 值用于分析其遗传成分结果与分析.份粗山羊草种质 引物多态性 个 引物在 份粗山羊草种质材料中扩增出 条清晰稳定的条带其中 引物扩增条带最多(条)和 引物扩增带最少(条)平均为.条 各 引物的多态性条带数为 条平均为.条多态性位点百分率为.引物 在.().(和)之间平均为.其中 个 引物的 值高于平均值占(表)等()提出了衡量基因变异程度高低的 并将 分成 个程度:高度(.)、中度(.)和低度(西亚其他南亚 这说明中亚粗山羊草的群体遗传多样性水平最高西亚次之其他和南亚的相对较低 进一步分析群体基因的分化程度由表 可知 份粗山羊草种质材料的总基因多样性()为.个群体间发生一定的遗传分化(.)而群体内基因多样性比值为.(/)并存 期魏飒等:粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的 分析表 供试 份粗山羊草种质材料来源 种质材料数量来源 巴基斯坦 阿富汗 伊朗 土耳其 阿塞拜疆 格鲁吉亚 土库曼斯坦 塔吉克斯坦 中国 未知 表 份粗山羊草种质材料的 引物扩增结果 引物编号 引物序列()()扩增条带数 多态性条带数 多态性条带比例 ()多态性信息含量.总计/平均/./.在中等程度的基因交流(.)这说明粗山羊草种质群体间的遗传分化水平较低大部分变异以群体内为主.份粗山羊草种质的聚类分析利用 .软件对 份粗山羊草种质材料的 遗传多样性结果进行聚类分析可将 份粗山羊草种质材料分开占.其种质材料 间 的 配 对 遗 传 相 似 系 数()变化范围为.(图)由聚类结果(图)可知在遗传相似系数约.处来源 于 塔 吉 克 斯 坦 份(、和)和土广 西 植 物 卷表 份粗山羊草种质群体的遗传多样性分析 群体观测等位基因数 ()有效等位基因数 ()基因多样性指数 ()信息指数 ()中亚.西亚.南亚.其他.总计.注:其他包括东亚和未知:.表 份粗山羊草种质基因多样性的 分析 指标总基因多样性()群体内基因多样性 ()群体间基因多样性 ()遗传分化系数()基因流()平均值.标准差.库曼斯坦 份(和)种质材料聚成一类()其他 份粗山羊草种质材料形成一大类()而在遗传相似系数约.处可进一步将 分成 个亚类:来源于 个国家的 份种质材料组成 亚类其中具 有 相 同 来 源 仍 聚 在 一 起 如 土 库 曼 斯 坦(、)、阿富汗(、)等除 份种质材料(土耳其 和未知、)外 亚类中种质材 料 主 要 来 源 于 伊 朗(、)亚类种质材料来源于阿塞拜疆(和)同时发现未知 与阿富汗 未知 和 与伊 朗 聚 在 一起可推测未知 来源于阿富汗而 未 知 和 来源于伊朗 本研究聚类分析结果将大部分粗山羊草种质材料可聚类分开说明供试粗山羊草种质之间具有一定的遗传差异也证明了 标记在粗山羊草种质分析方面具有较好的效果.份粗山羊草种质的遗传结构分析基于 数据利用 .软件分析 份粗山羊草种质群体的遗传结构绘制 与 的关系图(图)时 最大 因此可将 份粗山羊草种质材料分成 个群体 由图 可知 群体的种质材料主要来源于西亚的伊朗遗传背景比较一致其混杂程度相对较低而其他群体间混合程度相对偏高尤其 群体 从遗传结构整体分析也发现相同来源的种质材料倾向聚在一起这与聚类分析(图)的结果相似由 份粗山羊草种质材料在各群体中 值分布(表)可知 份种质材料 值小于.占.值大于.和.的种质材料分别占.和.这说明群体中大部分种质材料的亲缘关系比较单一 对各群体 值大于.的进 期魏飒等:粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的 分析图 基于 分析的 份粗山羊草种质聚类图.行对比发现 群体的 值最大为.而 最小仅为.这揭示了 群体种质材料亲缘关系的来源相对复杂遗传多样最为丰富讨论与结论.标记分析粗山羊草种质遗传多样性近年来分子标记在生物多样性和进化关系方面研究中发挥着重要的作用 分子标记是基于 技术发展起来的一种 多态性检测技术 本研究利用 个 标记对 份粗山羊草种质的遗传多样性进行分析结果表明多态性位点 百 分 率 为.观 测 等 位 基 因 数 为.有效等位基因数为.基因多样性 指 数 为.信 息 指 数 为.群体内基因遗传多样性为.李玉广 西 植 物 卷图 份粗山羊草种质的 值与 的关系.阁等()用 个 标记研究 份中国粗山羊草(新疆、河南和陕西)的遗传多样性多态性位点百分率、观测等位基因数、有效等位基因数、基因多样性指数、信息指数、群体内基因遗传多样性分别为.、.、.、.、.、.经比较同物种的两个群体本研究粗山羊草群体(主要来源西亚和中亚)除多态性位点百分率外各项指标均略低于中国粗山羊草群体表明粗山羊草种质从西亚和中亚向东传入中国的新疆和黄河中部地区后中国区域内群体种质发生部分变异进而提升了遗传多样性水平 另外利用 研究其他物种遗传多样性 如钩刺山羊引物多态性条带平均为.图 份粗山羊草种质的群体结构分析.条、为.(.)硬粒小麦引物多态性条带平均为.条、为.(.)大麦引物多态性条带平均为.条(张超等)与以上不同物种比较粗山羊草 引物多态性及 较高这有可能与本研究粗山羊草种质材料的地理来源广有关.粗山羊草群体遗传结构 等()和 等()对不同地理分布的粗山羊草种质遗传结构进行分析将其分成两个亲缘谱系:(隶属于 .)和 (隶 属 于.)并表明少数 谱系的粗山羊草参与了普通小麦 基因组的起源而未参与起源的 谱系的粗山羊草具有丰富遗传变异 等()进一步按地理分布将两个亲缘谱系细划分成西()亚系和东()亚系其中 亚系位于土耳其东部、亚美尼亚、阿塞拜疆和伊朗西部 期魏飒等:粗山羊草种质遗传多样性及群体结构的 分析表 各群体 值分布 群体各群体种质数量 种质数量(比例)().(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)(.)合计(.)(.)(.)(.)亚系位于伊朗中部到中国西部 和 亚系分别位于亚美尼亚到阿塞拜疆区域和阿塞拜疆南部到伊朗北部的里海沿岸区域 等()利用 标记分析不同地理来源的 份粗山羊草遗传多样性发现高加索地区(格鲁吉亚、亚美尼亚和俄罗斯的达吉斯坦地区)的粗山羊草多样性最为丰富而中亚(乌兹别克斯坦和土库曼斯坦)粗山羊草多样性最低 本研究 份粗山羊草种质材料按 个群体的遗传多样性对比表明来自中亚(阿富汗、土库曼斯坦和塔吉克斯坦)的粗山羊草群体遗传多样性水平最高(.)这与 等()研究结果相反这可能归因于来自中亚阿富汗和塔吉克斯坦的粗山羊草种质变异较大 王亚娟等()基于 标记对 份粗山羊草进行聚类分析在遗传相似系数.处划分成 个主要类群而 等()基于 标记对 份粗山羊草进行聚类分析将其分成 大类(/)类主要来源伊朗 本研究聚类结果在遗传相似系数约.处份粗山羊草种质材料主要聚成 大类(和)其中 进一步分成 个 亚类群体结构将其分成 个群体 两种分析方法在分类数量上略有差异但均呈现出来源相同的粗山羊草种质材料倾向聚在一起本研究结果进一步支持种质材料间的亲缘关系与其地理来源有一定的相关性(王亚娟等 .)同时本研究 份粗山羊草种质材料中 值小于.的 份仅占.也进一步说明大部分种质材料的亲缘关系比较单一以群体内或地理区域变异为主因此粗山羊草种质在传播过程中群体内种质的基因交流或重组是造成不同群体粗山羊草差异的主要原因.粗山羊草保护生物学意义自然遗传变异是植物生物学最重要的基础资源之一(.)普通小麦是四倍体小麦和粗山羊草天然杂交后经过染色体加倍而形成的其起源、驯化及现代育种过程排斥了供体物 种 的 大 量 遗 传 变 异(.)模拟普通小麦起源过程而创制的人工合成小麦是重新引入供体物种遗传变异的重要桥梁在小麦育种中的应用潜力很大(.)但()研究发现许多粗山羊草物种的栖息地已经遭受破坏甚至面临危机尤其是在地中海东部沿岸地区 因此从遗传多样性保护来看了解粗山羊草种群结构十分重要 本研究对不同来源的 份粗山羊草种质进行遗传多样性和群体结构分析了解它们的亲缘关系对每个种群或地区选取代表性的种质保护可为今后粗山羊草自然遗传变异研究与利用提供基础参考文献:.():.():.():.(.)()().():.():.:.():.:.():.广 西 植 物 卷.():.郜晓峰 周仪 宋丹阳 等.基于穗形特征与分子标记进行中国节节麦核心种质的创建.植物遗传资源学报():.():.:.():.():.:.():.孔令让 董玉琛 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