燕麗萍 ,吳德軍 ,王因花 ,劉翠蘭 ,王開芳 ,吳 紅 ,任 飛 ,李慶華
(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250014;2.山東省林木遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250014;3.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇 泰州 225300)
白蠟屬Fraxinus為木樨亞科Oleceae,全世界70余種,我國(guó)30多種,種質(zhì)資源非常豐富,無(wú)論是實(shí)生苗還是栽培種質(zhì),均具有豐富的遺傳多樣性,這可能與其異化授粉的生物學(xué)特性有關(guān),對(duì)其種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)是育種研究工作的重要環(huán)節(jié)之一,但其種或品種的植物學(xué)分類存在爭(zhēng)議[1-3]。傳統(tǒng)的白蠟分類鑒別主要依靠翅果、花、芽、葉及花粉粒等形態(tài)學(xué)標(biāo)記,以翅果和花性狀的差異最為明顯,其次是芽、葉緣鋸齒和果實(shí)缺刻被作為分類的依據(jù)[4]。雖然形態(tài)表型標(biāo)記研究簡(jiǎn)單直觀且較適用,但有些不同種或品種間的形態(tài)表型特征極為相似,在種間交互難以區(qū)分,造成了白蠟屬植物分類混淆問題,常出現(xiàn)同種多名稱以及同名多品種的現(xiàn)象,導(dǎo)致白蠟命名上存在一些爭(zhēng)議[5]。在白蠟種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)中,僅依靠單一的形態(tài)表型特征性狀,通常不能準(zhǔn)確的說(shuō)明不同種或品系間的遺傳差別和親緣關(guān)系,因?yàn)樾螒B(tài)表型性狀極易受到環(huán)境氣候的影響而發(fā)生變化,且同一樹種隨著地理位置的不同,產(chǎn)生連續(xù)性變異或高度可塑性,有些形態(tài)表型指標(biāo)甚至受個(gè)體發(fā)育階段的影響[6-7],這給種源間親緣關(guān)系的確定帶來(lái)困難。
隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的迅速發(fā)展,分子標(biāo)記技術(shù)能從DNA水平更能有效、準(zhǔn)確的反映種質(zhì)資源間的遺傳變異及親緣關(guān)系[8-9]。分子標(biāo)記技術(shù)不受氣候環(huán)境、發(fā)育階段和植物組織的限制,僅用一個(gè)葉片、嫩芽或其它少量植物組織就可以從DNA水平上檢測(cè)基因組的變異,獲得精確的DNA指紋圖譜,快速、有效地進(jìn)行鑒定大量種或品種[10]。目前,已有十多種分子標(biāo)記技術(shù),其中,AFLP(擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性 amplified fragment length polymorphism)分子標(biāo)記技術(shù)結(jié)合了 RFLP和 RAPD 技術(shù)的特點(diǎn),具有高效性、重復(fù)性好、多態(tài)性效率高和穩(wěn)定性高等特點(diǎn),已應(yīng)用于基因定位、品種鑒定、遺傳圖譜、基因庫(kù)構(gòu)建、基因克隆等方面的研究[11-14]。在白蠟屬植物僅對(duì)歐洲白蠟F.excelsior的核 DNA SSR、葉綠體 SSR、EST-SST 標(biāo)記篩選分離,以及SSR標(biāo)記在種群遺傳分析與系統(tǒng)發(fā)生地理學(xué)方面進(jìn)行了研究[15-17]。目前,尚未見到從分子水平上對(duì)白蠟屬植物進(jìn)行標(biāo)記鑒定的報(bào)道。本研究采用AFLP分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)白蠟屬部分種質(zhì)資源進(jìn)行研究,并探索種質(zhì)間的遺傳差異及其親緣關(guān)系,為白蠟屬植物鑒別分類、早期鑒定、資源保護(hù)提供分子證據(jù),也為雜交育種的親本選擇及品種改良提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)材料為2013年在新疆、黑龍江、湖南、陜西、甘肅、北京、山東等8個(gè)省市自治區(qū)收集的資源,于2014年春天嫁接保存山東省林業(yè)科學(xué)研究院壽光試驗(yàn)站,絨毛白蠟Fraxinus velutina38份(包括新品種魯蠟1號(hào)-魯蠟4號(hào)),歐洲白蠟Fraxinus excelsior8份(包括5個(gè)新品種),美國(guó)白蠟Fraxinus americana7份(包括新品種紅葉白蠟、秋紫白蠟、秋火白蠟和秋歡白蠟),美國(guó)紅梣Fraxinus pennsylvanica6份(包括新品種魯蠟5號(hào)和魯蠟6號(hào)),中國(guó)白蠟Fraxinus chinensis6份,2個(gè)未確定種質(zhì)等, 15個(gè)樹種共計(jì)90份,樣品名稱及來(lái)源見表1。每份種質(zhì)取2~3片嫩葉裝入做好標(biāo)記的自封袋,用硅膠干燥后保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.1 總DNA制備
參照Murray和Thompson的CTAB法從試驗(yàn)材料幼葉中提取總DNA,并略作修改[18]。
1.2.2 AFLP分析
利用北京鼎國(guó)生物技術(shù)公司生產(chǎn)的AFLP試劑盒(PstI /Mse I 型)及其操作指南進(jìn)行,分析90份白蠟屬種質(zhì)間的親緣關(guān)系。。
(1)限制性酶切及連接反應(yīng)。反應(yīng)體系為20 μL,在0.2 mL的離心管中依次加入DNA模板4 μL (50 ng/μL),Adapter 1 μL,PstI /Mse I 2 μL,10×Reaction buffer 2.5 μL,ATP (10 mmol/L)2.5 μL,T4 Ligase 1 μL,ddH2O 7 μL。將上述混合液混勻離心數(shù)秒,37 ℃酶切5 h,之后8 ℃酶切4 h,4 ℃連接過夜,連接產(chǎn)物稀釋20倍進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增反應(yīng)。
(2)預(yù)擴(kuò)增反應(yīng)。反應(yīng)體系為25 μL,在0.2 mL的離心管中依次加入(DNA 2 μL,Preampmix 1 μL,dNTPs 0.5 μL,10XPCR buffer 2.5 μL,Taq DNA polymerase 0.5 μL,ddH2O 18.5 μL)進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增。預(yù)擴(kuò)增反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃變性2 min;94 ℃變性 30 s,56 ℃復(fù)性 30 s,72 ℃延伸 80 s,30個(gè)循環(huán);72 ℃延伸5 min。
(3)選擇性擴(kuò)增反應(yīng)。將預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋20倍作為選擇性擴(kuò)增模版,挑選9個(gè)帶型清晰且多態(tài)性帶好的選擇性核苷酸PstI /Mse IⅠ引物進(jìn)行選擇性擴(kuò)增(引物序列見表2)。PCR反應(yīng)程序?yàn)榈谝惠啍U(kuò)增參數(shù):94 ℃ 30 s,65 ℃ 30 s,72 ℃ 80 s,以后每輪循環(huán)溫度遞減0.7 ℃,擴(kuò)增12輪。接著
按下列參數(shù)擴(kuò)增23輪,94 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 80 s,最后延伸 5 min。
表1 供試材料及來(lái)源Table 1 Experiment materials and their origin
1.2.3 電泳分離檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理
取0.4 μL擴(kuò)增產(chǎn)物采用ABI377型自動(dòng)測(cè)序儀上樣檢測(cè),Marker為熒光分子量標(biāo)準(zhǔn)(即GeneScan 500 Size Standard,ROX-500), 電泳結(jié)束后,DNA測(cè)序儀將自動(dòng)保存膠圖。運(yùn)用GENESCAN 3.1分析軟件,提取原始膠圖中的數(shù)據(jù)。運(yùn)用NTSYSpc 2.1軟件,將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)?,1,有帶的記為1,無(wú)帶的記為0。按照趙麗華等的方法[15],使用POPGEN 32軟件計(jì)算標(biāo)記位點(diǎn)的多態(tài)性條帶比率(percentage of polymorphic bands,PPB),標(biāo)記位點(diǎn)的多態(tài)信息量(polymorphism informationcontent,PIC)和有效等位基因數(shù)(effective number of allele,Ne)。使用NTSYSpc-V.2.1計(jì)算遺傳相似系數(shù),并根據(jù)相似性系數(shù)對(duì)90份種質(zhì)采kai用非加權(quán)配對(duì)類平均法(UPGMA)進(jìn)行聚類分析。
由圖1瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)結(jié)果顯示,提取的白蠟基因組DNA主帶清晰,無(wú)RNA條帶;核酸蛋白儀檢測(cè)結(jié)果A260/A280比值1.796~1.868之間。表明采用改進(jìn)CTAB法所提取白蠟基因組DNA結(jié)構(gòu)完整,符合AFLP分子標(biāo)記分析的要求。
圖1 部分樣品基因組DNA 電泳圖像Fig.1 Electrophoresis pattern of leaves DNA from part of samples
采用PstI/MseI對(duì)白蠟植物基因組DNA進(jìn)行雙酶切,0.8%的瓊脂糖凝膠電泳結(jié)果如圖2所示,酶切后,基因組DNA呈現(xiàn)連續(xù)均勻的彌散現(xiàn)象,表明DNA樣品完全酶切。酶切時(shí)間在酶切反應(yīng)中對(duì)酶切效果有重要的影響,酶切結(jié)果直接影響人工接頭的連接反應(yīng)和預(yù)擴(kuò)增反應(yīng)體系。為了進(jìn)一步探討適合白蠟屬植物的酶切時(shí)間,本研究設(shè)置了7個(gè)不同時(shí)間酶切的梯度,圖2對(duì)比結(jié)果顯示,1~5 h酶切的帶型相近,基因組DNA呈顯連續(xù)均勻彌散狀;6~7 h后,基因組DNA條帶明顯減弱,因此圖2可以判斷出1 h即可將DNA樣品酶切充分,PstI/MseI酶切組合適合白蠟基因組DNA的AFLP標(biāo)記分析。
圖2 雙酶切時(shí)間梯度對(duì)比效果M: DL 2 000 Marker;1~7 :1、2、3、4、6、8 、10 h 時(shí)間梯度Fig.2 Effect of double enzyme time gradient.M: DL 2 000 Marker; 1-7 :1、2、3、4、6、8 、10 h time gradient
PstI和MseI接頭與PstI/MseI雙酶切片段連接后,利用預(yù)擴(kuò)增引物進(jìn)行預(yù)擴(kuò)增,圖3擴(kuò)增結(jié)果顯示,預(yù)擴(kuò)增片段主要集中在100~2 000 bp范圍內(nèi),預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物呈連續(xù)彌散均勻亮帶,不同白蠟樣品間預(yù)擴(kuò)增帶型比較一致,表明PstI和MseI接頭與PstI/MseI雙酶切片段已連接上,預(yù)擴(kuò)增結(jié)果較好,可為選擇性擴(kuò)增提供較好地的模板,應(yīng)用于AFLP選擇性擴(kuò)增分析。
圖3 預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳圖像Fig.3 Electrophoresis pattern of pre-amplified product
從64對(duì)PstI/MseⅠ引物組合中篩選出8對(duì)穩(wěn)定性好、多態(tài)性高且?guī)颓逦腁FLP引物組合,對(duì)供試90份白蠟種質(zhì)基因組DNA進(jìn)行擴(kuò)增與分析,結(jié)果見圖1和表2。8對(duì)引物組合擴(kuò)增出1630帶條,其中多態(tài)性條帶為1399條,平均多態(tài)位點(diǎn)百分率為85.8%。8對(duì)不同引物組合擴(kuò)增效率存在一定的差異,其中引物組合GAG/CAG 效率最高,多態(tài)位點(diǎn)百分率達(dá)95.8%,引物組合GTG/CTC 最低,多態(tài)位點(diǎn)百分率為72.1%;平均每對(duì)引物擴(kuò)增條帶203.8條,其中多態(tài)性條帶174.9條。結(jié)果表明,供試絨毛白蠟種質(zhì)間的AFLP變異大,多態(tài)性高。
本研究利用POPGENE 3.2軟件對(duì)各位點(diǎn)的遺傳多樣性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明, 90份白蠟種質(zhì)用8對(duì)引物進(jìn)行遺傳多樣性分析,共檢測(cè)到16個(gè)等位基因,每對(duì)引物檢測(cè)到等位基因數(shù)目相等為2個(gè);平均有效等位基因數(shù)為1.258 8,引物GTG/CTT的有效等位基因數(shù)最小為1.236 0,而引物GAG/CAA的最大為1.275 9;Nei’s 遺傳多樣性指數(shù)為0.171 7;Shannon信息指數(shù)范圍為0.286 9(見表2),說(shuō)明90份白蠟種質(zhì)間存在遺傳變異。
表2 絨毛白蠟AFLP 分析結(jié)果?Table 2 Results of AFLP analysis of Fraxinus velutina
通過AFLP檢測(cè)結(jié)果分析,90份絨毛白蠟材料的遺傳相似系數(shù)的變異范圍為0.707 2~0.888 9。由相似系數(shù)矩陣可以看出,在供試的90份白蠟材料中,B75與B77的遺傳相似系數(shù)最大,為0.888 9,其遺傳距離最小為0.111 1,說(shuō)明其兩者間的親緣關(guān)系最近;而B24與B68之間的遺傳相似系數(shù)最小,為0.7072,其遺傳距離也最大為0.212 8。由遺傳相似系數(shù)分析可知,供試材料間的遺傳相似系數(shù)變化較大, 具有較為豐富的遺傳多樣性。
基于遺傳相似系數(shù),對(duì)90份白蠟種質(zhì)采用UPGMA聚類分析并繪制樹狀圖,結(jié)果見圖4。從聚類圖可以看出,以相似系數(shù)0.74 為標(biāo)準(zhǔn)可以將90個(gè)白蠟種質(zhì)分為如下兩大類。第1大類只有一個(gè)種質(zhì)B24,該種質(zhì)是課題組從陜西太白山收集的野生資源宿柱白蠟。第2大類包括89個(gè)種質(zhì),劃分為兩個(gè)亞類。第1亞類也僅有一個(gè)種質(zhì)B71,甘肅天水收集的野生資源,中國(guó)白蠟。第2亞類包括88個(gè)種質(zhì),以相似系數(shù)0.762 為標(biāo)準(zhǔn)可以將88個(gè)白蠟種質(zhì)分3組。
第1組由50個(gè)種質(zhì)組成,其中山東38個(gè)種質(zhì),包括絨毛白蠟、美國(guó)紅梣和美國(guó)白蠟的新品種(紅葉白蠟);北京7個(gè)種質(zhì),包括美國(guó)紅梣、絨毛白蠟和美國(guó)白蠟的新品種(秋紫白蠟、秋火白蠟和秋歡白蠟);陜西2個(gè)種質(zhì),絨毛白蠟和美國(guó)紅梣;新疆3個(gè)種質(zhì),包括美國(guó)白蠟和美國(guó)白蠟的新品種(紅葉白蠟、、秋紫白蠟、秋火白蠟和秋歡白蠟)。
第2組由21個(gè)種質(zhì)組成,其中山東6個(gè)種質(zhì),包括新疆小葉白蠟、水曲柳、狹葉白蠟和狹葉白蠟的新品種(冬紅白蠟)、歐洲白蠟;北京6個(gè)種質(zhì),包括歐洲白蠟的新品種(金葉白蠟、賈斯白蠟、地圖白蠟、垂枝白蠟、柱形白蠟)和水曲柳,陜西3個(gè)種質(zhì),包括歐洲白蠟和水曲柳;新疆2個(gè)種質(zhì)為新疆小葉白蠟;甘肅2個(gè)種質(zhì)為象蠟樹;湖南1個(gè)種質(zhì)為對(duì)節(jié)白蠟;黑龍江1個(gè)種質(zhì)為水曲柳。B3山東東營(yíng)的新疆小葉白蠟和B4新疆烏魯木齊的新疆小葉白蠟親緣關(guān)系較近,而與B7的較遠(yuǎn),B3的種質(zhì)可能來(lái)源于新疆烏魯木齊;象蠟樹與水曲柳的親緣關(guān)系較近,B2與其它三個(gè)水曲柳的關(guān)系較遠(yuǎn);歐洲白蠟與狹葉白蠟親緣關(guān)系較近,狹葉白蠟新品種冬紅白蠟與B85狹葉白蠟距離較遠(yuǎn),說(shuō)明新品種變異較大。B48對(duì)節(jié)白蠟單獨(dú)為一支。
第3組由17個(gè)種質(zhì)組成,其中山東4個(gè)種質(zhì)包括花曲柳和中國(guó)白蠟;北京2個(gè)種質(zhì)為中國(guó)白蠟;湖南1個(gè)種質(zhì)為中國(guó)白蠟;陜西10個(gè)種質(zhì),包括秦嶺梣、窄葉白蠟、廬山白蠟和2個(gè)未命名種質(zhì)分別為B1和B13。未命名種質(zhì)B1與B65、B66和B67秦嶺梣聚為一支;未命名種質(zhì)B13和B15中國(guó)白蠟聚為一支。廬山白蠟、花曲柳和窄葉白蠟聚為一支。
多態(tài)帶百分率(P)、有效等位基因數(shù)(Ne)、Nei’s基因多樣性(H)與Shannon信息指數(shù)(I)是衡量植物遺傳多樣性常用指標(biāo)[19]。本試驗(yàn)中多態(tài)位點(diǎn)指數(shù)范圍為72.1%~95.8%,平均值為85.8%,位點(diǎn)多態(tài)性良好;有效等位基因數(shù)為1.258 8,Nei’s基因多樣性為 0.171 7,Shannon 信息指數(shù)為0.286 9,在分子水平上顯示了白蠟種質(zhì)資源具有較高的遺傳多樣性。這與胡春龍[20]用11對(duì)SSR引物對(duì)46 份白蠟種質(zhì)擴(kuò)增所得82.93%的多態(tài)性比率較接近,低于王建兵[21]用10 對(duì)SSR引物對(duì)12 份白蠟種質(zhì)親本擴(kuò)增所得100%的多態(tài)性比率。采用不同的分子標(biāo)記方法獲得多態(tài)性有明顯差異,遺傳多樣性越高,其遺傳背景越復(fù)雜,表明該物種存在的歷史越悠久[22]。
至今對(duì)白蠟品種資源的分類還沒有統(tǒng)一的方法,本試驗(yàn)根據(jù)樹狀分類圖和樣品間的遺傳相似系數(shù),將90個(gè)種質(zhì)分成2大類,第2大類包括89個(gè)種質(zhì),劃分為兩個(gè)亞類。第1亞類僅有一個(gè)種質(zhì)。第2亞類包括88個(gè)種質(zhì),以相似系數(shù)0.762 為標(biāo)準(zhǔn)可以將88個(gè)白蠟種質(zhì)分3組。從本研究的聚類圖中第1組可以看出,絨毛白蠟、美國(guó)紅梣和的美國(guó)白蠟聚為一類,這說(shuō)明3個(gè)種的親緣關(guān)系很近,有共同的系統(tǒng)來(lái)源,這與中國(guó)樹木志[23]、山東木本植物志[24]和山東木本植物精要[25]的分類一致。第2組象蠟樹、新疆小葉白蠟、歐洲白蠟、水曲柳、狹葉白蠟和對(duì)節(jié)白蠟6個(gè)種聚為一類;山東木本植物精要中將歐洲白蠟、水曲柳和狹葉白蠟聚為一組,對(duì)節(jié)白蠟單獨(dú)為一支;而中國(guó)樹木志中將象蠟樹、對(duì)節(jié)白蠟、新疆小葉白蠟和水曲柳聚為一類,花有花萼的對(duì)節(jié)白蠟和象蠟樹聚為一支,花無(wú)花萼的新疆小葉白蠟和水曲柳聚為一支,關(guān)于對(duì)節(jié)白蠟和象蠟樹的分類地位還需進(jìn)一步研究。第3組秦嶺梣、廬山白蠟、花曲柳、中國(guó)白蠟、和窄葉白蠟5個(gè)種聚為一類,這與中國(guó)植物志中分類一致,秦嶺梣和廬山白蠟親緣關(guān)系較近,花曲柳、中國(guó)白蠟、和窄葉白蠟親緣關(guān)系較近;其中未命名種質(zhì)B1與B65、B66和B67秦嶺梣親緣關(guān)系較近;未命名種質(zhì)B13和B15中國(guó)白蠟聚為一支,結(jié)合形態(tài)特征推測(cè)B1為秦嶺梣,B13為中國(guó)白蠟。
總體來(lái)看,本研究中聚類分析結(jié)果與植物形態(tài)學(xué)分類基本上一致,進(jìn)一步說(shuō)明了AFLP分子標(biāo)記的多態(tài)性與形態(tài)表型的多樣性一致;而在少數(shù)白蠟種上的差異,造成這種現(xiàn)象的原因,可能為同名異物,或是白蠟品種的起源和親緣關(guān)系較為復(fù)雜所致,也可能是因?yàn)榈貐^(qū)之間白蠟品種的廣泛交流導(dǎo)致了某些基因在不同地區(qū)種質(zhì)間的滲入,或者引種過程中對(duì)種質(zhì)的來(lái)源地沒有調(diào)查清楚,反映出不同分類或聚類指標(biāo)可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果[26-28]。而分子標(biāo)記能反映遺傳上的差異,本研究利用AFLP標(biāo)記技術(shù)初步揭示了白蠟種源的親緣關(guān)系和遺傳多樣性,為進(jìn)一步對(duì)白蠟種源進(jìn)行遺傳多樣性分析和白蠟育種奠定了基礎(chǔ),更適合為育種服務(wù)。
目前,針對(duì)可應(yīng)用于白蠟種質(zhì)分子方面研究較少,還有2個(gè)未命名的種質(zhì),需要進(jìn)一步通過表性特征和分子水平相結(jié)合進(jìn)行鑒定。因而還需加大開發(fā)白蠟其它分子標(biāo)記研究,因?yàn)榉肿訕?biāo)記技術(shù)具有擴(kuò)增條帶統(tǒng)計(jì)誤差較大等缺點(diǎn),不能真實(shí)地反映植物樣本遺傳多態(tài)性,所以在今后研究中,需繼續(xù)開展不同種質(zhì)間分子標(biāo)記技術(shù)比較,再結(jié)合其它鑒定方法,才能更加全面、準(zhǔn)確地反映白蠟遺傳多樣性。
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