王夢(mèng)圓, 韓海斌, 王惠萍, 岳方正, 叢靖宇,劉愛萍*
(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010010;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,呼和浩特 010010;3. 錫林郭勒盟太仆寺旗草原站,內(nèi)蒙古寶昌 027000)
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傘裙追寄蠅不同地理種群遺傳多樣性的ISSR分析
王夢(mèng)圓1,2, 韓海斌2, 王惠萍3, 岳方正2, 叢靖宇1*,劉愛萍2*
(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010010;2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所,呼和浩特 010010;3. 錫林郭勒盟太仆寺旗草原站,內(nèi)蒙古寶昌 027000)
為從分子水平探索不同地區(qū)傘裙追寄蠅種群間的內(nèi)在聯(lián)系,本文利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)8個(gè)不同地區(qū)傘裙追寄蠅自然種群進(jìn)行遺傳多樣性、種群間分化程度以及聚類分析等研究。結(jié)果表明:篩選出11對(duì)多態(tài)性穩(wěn)定的ISSR引物,對(duì)8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅群體的80個(gè)個(gè)體進(jìn)行PCR擴(kuò)增,共獲得166個(gè)重復(fù)性好且清晰可辨的ISSR條帶,平均每條引物擴(kuò)增出15.0909個(gè)片段,且均為多態(tài)性條帶,多態(tài)信息含量(PIC)為0.8441-0.8653;香農(nóng)信息指數(shù)(I)為0.1240-0.3455;Nei’s遺傳多樣性指數(shù)(H)為0.0841-0.2285;基因分化率(Gst)為28.78%,基因流(Nm)的均值為1.5702,即遺傳變異主要存在于個(gè)體之間,不同種群間基因交流處于中等水平;8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅種群被劃分為4個(gè)類群,種群間的遺傳分化與地理距離呈正相關(guān)關(guān)系。
傘裙追寄蠅;地理種群;ISSR;遺傳多樣性;遺傳分化
傘裙追寄蠅Exoristacivilis屬雙翅目Diptera寄蠅科 Tachinidae,是多主寄生性天敵昆蟲(相紅燕等,2012)。近年來,因其對(duì)多種草地害蟲,如小地老虎Agrotisypsilon、棉鈴蟲Helicoverpaarmigera、粘蟲Mythimnaseparata和銀紋夜蛾Argyrogrammaagnata等有控制作用而逐漸引起重視,尤其是對(duì)草地螟LoxostegesticticalisL.等間歇性大發(fā)生的害蟲有很好的防控作用(王建梅等,2013)。由于傘裙追寄蠅的控害作用近幾年才被人們發(fā)現(xiàn),故對(duì)傘裙追寄蠅的研究主要集中在其生物學(xué)特性等方面(相紅燕等,2013),對(duì)不同地理種群傘裙追寄蠅基因水平的研究國內(nèi)外尚無報(bào)道。
簡單重復(fù)序列間區(qū)(inter-simple sequence repeat, ISSR),被認(rèn)為是目前最簡便有效的分子標(biāo)記技術(shù)之一,是基于SSR標(biāo)記開發(fā)的一種分子標(biāo)記方法(Ziekienlczetal.,1994)。因其操作簡單、多態(tài)性豐富、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)(Guietal.,2008),被廣泛的應(yīng)用到遺傳多樣性(梁紅蕾等,2012;宋忠魁等,2012;朱勛等,2012)、親緣關(guān)系(賀學(xué)勤等,2005)、種質(zhì)資源鑒定(Ammirajuetal.,2001;侯永翠等,2005;盧家仕等,2013)等研究當(dāng)中。近年來ISSR技術(shù)主要應(yīng)用于植物領(lǐng)域(Bornetetal.,2004;Li Hetal.,2009;Christopoulosetal.,2010;李娜,2014;周蘭英,2014),在動(dòng)物、昆蟲遺傳結(jié)構(gòu)研究方面也已有一些報(bào)道(余德億等,2011;林杰君等,2012)。本文首次采用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)不同地區(qū)傘裙追寄蠅種群遺傳多樣性進(jìn)行了研究,以期從分子水平探索8個(gè)不同地區(qū)自然種群傘裙追寄蠅的基因交流程度、遺傳分化及內(nèi)在聯(lián)系,為今后利用傘裙追寄蠅防控害蟲提供理論依據(jù)。
1.1供試蟲源
本實(shí)驗(yàn)所用傘裙追寄蠅成蟲個(gè)體采自錫林郭勒盟太仆寺旗(TQ)、新疆哈巴河縣(XJ)、河北康??h(KB)、呼和浩特第七牧場(HH)、四子王旗(SQ)、土默特左旗(TZ)、興安盟代欽塔拉蘇木(DS)、興安盟義和道卜蘇木(YS)8個(gè)地區(qū)的自然種群(表1),采集后的樣本經(jīng)100%乙醇浸泡后放置于-80℃冰箱中保存?zhèn)溆?。每個(gè)種群分別取10-15頭個(gè)體進(jìn)行DNA的提取。
表1 供試傘裙追寄蠅采集信息
注:種群代碼全文同。 Note:Population code all same in this paper.
1.2基因組DNA的提取與檢測(cè)
傘裙追寄蠅蟲體用無菌雙蒸水沖洗2-3次,晾干。單頭傘裙追寄蠅,去頭、足、翅于1.5 mL離心管中,加液氮研磨成粉(每個(gè)個(gè)體單獨(dú)研磨,不要混用研磨棒)。使用天根dp304動(dòng)物基因組DNA提取試劑盒對(duì)樣本進(jìn)行DNA提取。提取出的基因組DNA用1%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),然后置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆?。每個(gè)種群選取10個(gè)DNA樣品進(jìn)行ISSR遺傳多樣性分析。
1.3ISSR引物的合成與篩選
從加拿大哥倫比亞大學(xué)設(shè)計(jì)并公布的100條通用引物中篩選出擴(kuò)增條帶明亮、清晰、重復(fù)性好的引物,用于傘裙追寄蠅遺傳多樣性的ISSR-PCR擴(kuò)增反應(yīng),引物由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)行合成。
1.4ISSR-PCR擴(kuò)增體系的優(yōu)化及產(chǎn)物檢測(cè)
經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn),對(duì)DNA模板、Mg2+、dNTPs、引物和Taq聚合酶用量進(jìn)行篩選,得到最適反應(yīng)體系(20 μL)為:10×PCR Buffer 2.0 μL,DNA模板1.0 μL,Mg2+1.8 μL,dNTPs 1.8 μL,引物1.0 μL,Taq聚合酶0.4 μL,ddH2O補(bǔ)足。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)得到最佳的擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性10 min;94℃變性45 s,54℃退火45 s,72℃延伸2 min,40個(gè)循環(huán);72℃補(bǔ)充延伸10 min;最后4℃保存?zhèn)溆谩?/p>
擴(kuò)增出的ISSR-PCR產(chǎn)物用1.5%的瓊脂糖凝膠在100 V恒壓條件下電泳1 h,對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。電泳完成后,在紫外凝膠成像儀上對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)并拍照保存。
1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
對(duì)電泳圖譜中清晰可見的擴(kuò)增條帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì),一些亮度較低、較模糊的條帶視為無效的雜帶。在同一遷移位置上有清晰可辨的條帶時(shí),被認(rèn)為是同一DNA片段產(chǎn)物,計(jì)為“1”,無帶的則計(jì)為“0”,建立“01”二元數(shù)據(jù)矩陣,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
采用群體遺傳學(xué)分析軟件Popgene 32 (Version 1.31)、Excel軟件對(duì)多態(tài)位點(diǎn)百分率(P)、Nei’s遺傳多樣性指數(shù)(H)、香農(nóng)信息指數(shù)(I)、基因分化系數(shù)(Gst)、基因流(Nm)、Nei’s遺傳相似度(S)、遺傳距離(D)和多態(tài)信息含量(PIC)進(jìn)行計(jì)算(孫潔茹等,2011)。應(yīng)用MEGA 4.0軟件,通過UPGMA(unweighted pair-group method with arithmetic averages)聚類法構(gòu)建聚類圖。選用TFPGA軟件對(duì)遺傳距離和地理聚類進(jìn)行mantel測(cè)定,其中地理距離由Distance 3.2軟件根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得出。
2.18個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅的ISSR-PCR擴(kuò)增結(jié)果
8個(gè)地區(qū)自然種群傘裙追寄蠅的ISSR-PCR產(chǎn)物部分電泳結(jié)果如圖1和圖2。11對(duì)ISSR引物共擴(kuò)增出166個(gè)色彩明亮、清晰可辨的條帶,11對(duì)引物擴(kuò)增出的條帶數(shù)在11-18條,平均為15.0909,其中引物841和809擴(kuò)增出的條帶數(shù)最多為18條,引物848擴(kuò)增出的條帶數(shù)最少為11條。本實(shí)驗(yàn)中11對(duì)引物擴(kuò)增出的166個(gè)條帶均為多態(tài)性條帶,平均多態(tài)信息含量(PIC)為0.8591,大于0.5,均呈現(xiàn)高度多態(tài)性(表2)。
表2 11對(duì)ISSR引物對(duì)8個(gè)傘裙追寄蠅種群擴(kuò)增信息
圖1 引物827對(duì)傘裙追寄蠅的ISSR擴(kuò)增結(jié)果
注:M, DNA分子量標(biāo)準(zhǔn)物。圖2同。Note:M,DNA molecular weight marker.Some to Pig.2.
圖2 引物823對(duì)傘裙追寄蠅的ISSR擴(kuò)增結(jié)果
2.2傘裙追寄蠅種群的遺傳多樣性分析
由表3可知,傘裙追寄蠅8個(gè)不同地理種群擴(kuò)增出的條帶范圍為75-127條,其中土默特左旗種群(TZ)最多,新疆種群(XJ)最少,均值為107.1250。8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅種群擴(kuò)增條帶的多態(tài)比例(P)平均為79.85%,其中新疆種群最低為49.33%,多態(tài)性條帶37條,錫林郭勒盟太仆寺旗種群(TQ)最高為88.39%,多態(tài)性條帶有99條。8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅的香農(nóng)信息指數(shù)(I)為0.1240-0.3455,平均值0.2736。新疆種群最低,土默特左旗種群最高。Nei’s遺傳多樣性指數(shù)(H)在0.0841-0.2285,平均值為0.1814。新疆種群最低,土默特左旗種群最高。以上結(jié)果表明:錫林郭勒盟太仆寺旗種群和土默特左旗種群的遺傳多樣性程度最豐富,而新疆種群的遺傳多樣性較差。
表3 傘裙追寄蠅8個(gè)種群的種群內(nèi)遺傳變異統(tǒng)計(jì)
注:N,擴(kuò)增總條帶數(shù);Q,多態(tài)性條帶數(shù);P,多態(tài)比例;H,Nei’s遺傳多樣性;I,香農(nóng)信息指數(shù);SD,標(biāo)準(zhǔn)差。Note:N, Number of bands;P, Percentage of polymorphism;H,Nei’sgene diversity;I, Shannon’s information index; SD, Standard deviation.
2.3傘裙追寄蠅種群間的遺傳分化分析
11對(duì)ISSR引物對(duì)8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅自然種群的擴(kuò)增中(表2),基因分化系數(shù)(Gst)在0.1291-0.5955,均值為0.2878,其中引物827最大,引物809最小。基因流(Nm)平均值為1.5702,引物809最大,為3.3743,引物827最小,為0.3396。對(duì)于整個(gè)群體而言,平均遺傳分化率為28.78%,說明有71.22%的變異來源于個(gè)體之間,群體內(nèi)的變異遠(yuǎn)高于群體間的變異;根據(jù)基因流的大小,種群間基因交流較大(Nm<1)的位點(diǎn)有827、836、847、848,種群間基因交流較小(Nm>4)的位點(diǎn)沒有,其余位點(diǎn)在各種群間存在中等程度的分化。
根據(jù)11對(duì)引物擴(kuò)增片段大小的統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算出傘裙追寄蠅8個(gè)種群間遺傳距離(D)和Nei’s遺傳相似度(S),進(jìn)一步分析了種群間的遺傳分化程度(表4)。四子王旗種群(SQ)與土默特左旗種群(TZ)之間的遺傳距離最小,為0.0734,新疆種群(XJ)與四子王旗種群之間的遺傳距離最大,為0.3556;Nei’s遺傳相似度的范圍在0.7008-0.9292,其中新疆種群與四子王旗種群之間最小,S為0.7008,四子王旗種群與土默特左旗種群之間最大,S為0.9292。
表4 傘裙追寄蠅8個(gè)地理種群間的遺傳距離和遺傳相似度系數(shù)
注:對(duì)角線上方為遺傳相似度系數(shù),對(duì)角線下方為遺傳距離。Note:Genetic similarity index is above the diagonal, while the genetic distance is below the diagonal.
圖3 傘裙追寄蠅8個(gè)種群間基于Nei’s遺傳距離的UPGMA聚類圖Fig.3 UPGMA cluster analysis of the 8 Exorista civilis populations generated from the Nei’s genetic distance
2.4傘裙追寄蠅種群間的聚類分析
采用UPGMA方法聚類,對(duì)供試的8個(gè)不同地理種群傘裙追寄蠅進(jìn)行聚類分析,得到聚類圖(圖3)。11對(duì)引物對(duì)8個(gè)地區(qū)傘裙追寄蠅種群的聚類分析結(jié)果如下:興安盟代欽塔拉蘇木種群、興安盟義和道卜蘇木種群以及錫林郭勒盟太仆寺旗種群聚為第1支;呼和浩特第七牧場種群、四子王旗種群及土默特左旗種群聚為第2支;河北康??h種群單獨(dú)聚為第3支;新疆哈巴河縣種群單獨(dú)聚為第4支。傘裙追寄蠅8個(gè)種群的聚類結(jié)果與其自然地理分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,說明地理距離較近的種群聚為同一組或相鄰組,傘裙追寄蠅種群間的遺傳距離與其地理距離呈正相關(guān)關(guān)系。
2.5遺傳距離與地理距離的相關(guān)性分析
利用TFPGA軟件對(duì)傘裙追寄蠅8個(gè)種群間的遺傳距離與相應(yīng)的地理距離進(jìn)行Mantel測(cè)定(圖4),回歸方程為y=7410.8x-625.60,相關(guān)系數(shù)r=0.6292(P=0.0130)。由此可見,傘裙追寄蠅種群間的遺傳距離與其地理距離呈顯著正相關(guān)關(guān)系。
圖4 傘裙追寄蠅8個(gè)種群的遺傳距離與地理距離間的回歸分析Fig.4 Regression analysis between genetic distance and geographical distance of the 8 Exorista civilis populations
ISSR分子標(biāo)記技術(shù)在遺傳學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,在昆蟲上的應(yīng)用多數(shù)以農(nóng)業(yè)、蔬菜、瓜果類害蟲為主(朱振華等,2005;張長禹,2007;王帥宇,2010;張敏哲等,2013;韓海斌等,2013;陳英才,2014;高立志,2014),但應(yīng)用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)天敵昆蟲遺傳多樣性研究卻少有報(bào)道。本研究首次選用ISSR標(biāo)記的方法對(duì)傘裙追寄蠅種群的遺傳多樣性進(jìn)行研究,從分子水平上探討了傘裙追寄蠅不同地理區(qū)域自然種群的內(nèi)在聯(lián)系,為進(jìn)一步研究天敵昆蟲傘裙追寄蠅提供了理論依據(jù)。
多態(tài)信息含量(PIC)是衡量遺傳多樣性較好的指標(biāo),其值大小反映基因豐富程度(楊建寶等,2012)。Botstein等(1980)提出,當(dāng)PIC>0.5時(shí),該基因位點(diǎn)為高度多態(tài)性位點(diǎn)。本文檢測(cè)到11對(duì)ISSR引物的PIC值均大于0.5,呈現(xiàn)高度多態(tài)性,能為本研究的遺傳多樣性分析提供充足信息。其中引物841的多態(tài)信息含量最高,為0.8653,引物848的多態(tài)信息含量最低,為0.8441。說明不同引物對(duì)傘裙追寄蠅種群的多態(tài)性表現(xiàn)不同,故對(duì)不同種群的傘裙追寄蠅群體,選擇合適的引物十分重要。
多態(tài)位點(diǎn)比例(P)、香農(nóng)信息指數(shù)(I)和Nei’s遺傳多樣性指數(shù)(H)是衡量種群多樣性最常用的指標(biāo)。綜合以上3個(gè)反映群體遺傳多樣性的重要參數(shù)指標(biāo)表明,錫林郭勒盟太仆寺旗種群和土默特左旗種群的遺傳多樣性程度最豐富,而新疆種群的遺傳多樣性較差。這可能是由于太仆寺旗、土默特左旗兩地地勢(shì)平坦,無高山河流的阻隔,自然種群基因交流頻繁,從而導(dǎo)致遺傳多樣性比較豐富,而新疆哈巴河縣的傘裙追寄蠅自然種群由于與其他采集地區(qū)相隔較遠(yuǎn),基因交流受阻,其遺傳多樣性較差。
基因分化系數(shù)(Gst)是反映群體間遺傳分化的重要指標(biāo)。根據(jù)Wright(1978)提出的標(biāo)準(zhǔn),本研究中Gst平均值為0.2878(Gst>0.15),說明傘裙追寄蠅8個(gè)種群的遺傳分化較大,群體中有28.78%的變異來自種群間,71.22%的變異來源于群體內(nèi),即群體間的變異遠(yuǎn)低于群體內(nèi)的變異?;蛄?Nm)的基本作用是消弱種群間的遺傳差異,故其存在是影響種群間遺傳分化的重要因素。本研究中,11對(duì)ISSR引物檢測(cè)到基因流的均值為1.5702(1 群體間的遺傳距離揭示了群體遺傳分化的程度。本研究中8個(gè)種群傘裙追寄蠅的UPGMA聚類分析結(jié)果表明,8個(gè)地理種群共聚為4支。興安盟的代欽塔拉蘇木種群、義和道卜蘇木種群以及錫林郭勒盟太仆寺旗種群聚為第1支;呼和浩特第七牧場種群、四子王旗種群、土默特左旗種群聚為第2支;河北康??h種群、新疆哈巴河縣種群分別單獨(dú)聚為第3支和第4支。其中興安盟代欽塔拉蘇木與義和道卜蘇木相鄰,為傘裙追寄蠅種群之間的交流提供了便利條件,且相似的生活習(xí)慣也使得基因交流變得容易。錫林郭勒盟太仆寺旗種群與以上兩地區(qū)種群共同聚為一支,可能是農(nóng)作物在收割過程中夾帶被傘裙追寄蠅寄生過的害蟲,由于交通貿(mào)易與當(dāng)?shù)氐膫闳棺芳南壏N群進(jìn)行基因交流,造成錫林郭勒盟太仆寺旗與興安盟兩地傘裙追寄蠅種群遺傳距離較近而共同聚為一類;呼和浩特第七牧場、四子王旗、土默特左旗三地地理距離較近,故三地傘裙追寄蠅種群在基因交流上受到的阻礙較小,基因交流頻繁;而新疆地區(qū)種群單獨(dú)聚為一支可能是因?yàn)榈乩砭嚯x較遠(yuǎn),與其他種群形成較大的地理隔離造成的,并且新疆哈巴河縣種群樣本采集于賀蘭山以西,由于賀蘭山的阻隔,在某種程度上起著天然屏障的作用,地理隔離較大,在生物資源方面有一定的差異,總體與其它種群差距較大,故而新疆哈巴河縣種群單獨(dú)聚為一支;河北康保縣種群單獨(dú)聚為一支可能是由于康??h位于陰山山脈以東,內(nèi)蒙古高原南緣的壩上草原地區(qū),同其他種群的基因交流較少引起的。地形的差異可能是傘裙追寄蠅種群遺傳變異的重要因素。Mantel檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),種群間遺傳分化與地理距離呈正相關(guān)。地理距離和地形差異是限制其種群間基因交流,導(dǎo)致遺傳分化較高的主要原因。說明傘裙追寄蠅不同群體間的地理距離通過影響基因流而形成了現(xiàn)有的遺傳結(jié)構(gòu)。綜上所述,傘裙追寄蠅8個(gè)種群的遺傳分化較大,不同種群間基因交流處于中等水平。 由于ISSR分子標(biāo)記技術(shù)不能區(qū)分顯性純合基因型和雜合基因型(張民照和康樂,2002),為傘裙追寄蠅種群遺傳結(jié)構(gòu)分析所提供的信息量比較有限,加之本文所涉及傘裙追寄蠅的個(gè)體數(shù)量和種群還不足以覆蓋全國,故本文雖為傘裙追寄蠅不同地理種群的遺傳多樣性提供了有價(jià)值的分子生物學(xué)依據(jù),但由于技術(shù)和采集數(shù)量的局限,很難全面反映全國各地傘裙追寄蠅的整體情況,尚需進(jìn)一步研究。 References) Ammiraju JSS, Dholakia BB, Santra DK. 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Taipusi Banner Grassland Station, Baochang 027000, Inner Mongolian Autonomous Region, China) In order to explore the genetic link of the different geographic populations ofExoristacivilisat the molecular level, the molecular marker technique based on inter-simple sequence repeat (ISSR) was used to assess the genetic diversity, population differentiation and cluster analysis in natural populations ofE.civilisfrom eight different regions. The results showed that eleven primers with stable polymorphic were sieved from primers of ISSR and a total of 166 clear ISSR bands with high repeatable were amplified from the 80 individuals, on average, each primer amplified segments were 15.0909, and these were all the polymorphic bands, Polymorphism Information Content(PIC)of per locus was 0.8441-0.8653; the Shannon’s Information Index(I)and theNei’sGene Diversities Index(H)were 0.1240-0.3455 and 0.0841-0.2285, respectively; Coefficient of Gene Differentiation (Gst) was 28.78%, the index of Gene Flow (Nm) an average of 1.5702, that is, genetic variability mainly exist in individual within population, and moderate gene flow among the different popilations;E.civilisindividuals from eight different habitats natural populations were divided into four groups and between the genetic differentiation of interspecific and geographical distance shows a positive correlation. Exoristacivilis; geographical population; ISSR; genetic diversity; genetic differentiation 公益性行業(yè)項(xiàng)目(201103002);“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD13B07);農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(2011-G4) 王夢(mèng)圓, 女,1989年生,內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人,碩士,研究方向?yàn)樯锘瘜W(xué)與分子生物學(xué),E-mail:wmy19891012@126.com Author for corresponding,E-mail:congjingyuwyh@163.com;E-mail:liuaiping806@sohu.com 2015-10-15; 接受日期 Accepted: 2015-11-12 Q968.1;S433.5 A 1674-0858(2016)04-0805-08