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桂花Osmanthus fragrans属木犀科Oleaceae木犀属Osmanthus,是中国十大传统名花之一,具有非常高的经济价值和观赏价值。目前,桂花在中国南岭以北至秦岭以南的广大亚热带地区均有大量应用,其栽培面积和栽植数量是中国园林苗木中最大的种类之一。随着2004年中国取得了桂花国际登录权,进一步拓展了桂花生产和销售的国际和国内市场,这就要求我们必须进行桂花种质的改良和创新,培育花大、芳香、色艳、抗性强的桂花新品种。野生桂花具丰富的性状变异和遗传变异,是栽培桂花的重要育种资源,然而野生资源开发过度,破坏严重,适生生境散失,分布范围急剧缩小,种群规模和数量锐减;而现存的野生桂花种群仅在湖南[1-3]、福建[4]、浙江[3, 5]、江西[6]等地被零星发现。目前,野生桂花资源的研究主要集中在野生资源的调查[3, 6]、种群动态[1, 4]、繁育系统[2, 5]等方面,而遗传多样性等方面的研究报道较少。江西全南和福建长汀的2个桂花自然种群保存较好,隔离分布,具有代表性。本研究利用扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism,AFLP)分子标记技术对2个不同类型(衰退型和稳定型)野生桂花种群遗传多样性进行分析,从而明确这2个种群的遗传结构,为桂花野生资源的科学保护和有效利用提供理论依据。
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研究对象为江西全南和福建长汀的2个桂花自然种群。前者位于江西省赣州市全南县,地理位置24.728°N,114.427°E,海拔约为342 m,为南岭北端,属中亚热带季风型气候,年平均气温为18.8 ℃;此处为一风水林,面积较小,仅有23株成龄桂花组成,地径大小为8~45 cm;林下无种子幼苗和天然压条形成的小苗,无自然更新能力,属于衰退型种群。后者位于福建省龙岩市长汀县,地理位置25.543°N,116.533°E,海拔约479 m,为武夷山脉南段,属中亚热带海洋性季风气候,年均气温18.7 ℃;此处为一孤岛,主要由石灰岩构成,面积较大,以灌木型和小乔木型桂花组成;灌木型桂花主要位于较低海拔区且土层较薄,小乔木型桂花处于地势较平坦处且土层相对较厚;林下存在较多天然更新幼苗,属于稳定型种群。江西全南共有23份样本,全部采集,所有材料地径均大于8 cm;福建长汀共采集73份样本,采集的材料地径均大于3 cm,相互间隔大于2 m。将采集的新鲜叶片放入硅胶干燥后带回实验室,置于-20 ℃冰箱中备用。
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本实验采用改进的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)法提取桂花基因组DNA,并用NanoDrop微量分光光度计(ND-1000)和8.0 g·L-1琼脂糖凝胶电泳(六一电泳仪)检测总DNA的浓度与纯度,于-70 ℃保存备用。采用EcoRΙ和MseΙ双酶切组合以及从生工生物工程(上海)股份有限公司合成的64对引物中筛选出的7对引物组合进行AFLP分析。基本步骤如下:①酶切:300 ng DNA模板,50 nkat Eco RΙ,50 nkat MseΙ,1×NEB 缓冲液4,3 μg 牛血清白蛋白(BSA),补足双蒸水至30 μL。37 ℃恒温4 h,反应结束后75 ℃水浴15 min使酶失活。②连接:66.7 nkat T4 DNA ligast,1×T4 DNA 缓冲液,20 pmol E1-E2接头,20 pmol M1-M2接头,酶切产物10 μL,补足双蒸水至20 μL。16 ℃恒温10 h以上。③预扩增:1 μL连接产物,16.7 nkat Taq,1×缓冲液,4 nmol 三磷酸碱基脱氧核苷酸(dNTP),6 pmol EcoRⅠ预扩增引物,6 pmol MseⅠ预扩增引物,补足双蒸水至20 μL。反应条件为94 ℃,5 min;94 ℃,30 s,56 ℃,1 min,72 ℃,1 min,共25个循环;72 ℃ 10 min。预扩增产物稀释30倍,作为选择性扩增模板。④选择性扩增:预扩增释稀产物4 μL,16.7 nkat Taq,1×缓冲液,4 nmol dNTP,6 pmol EcoRⅠ选择性引物,6 pmol MseⅠ选择性引物,补足双蒸水至20 μL。反应条件为:94 ℃,5 min;94 ℃,30 s,65 ℃,30 s,72 ℃,1 min,共13循环(每循环降0.7 ℃);94 ℃,30 s,56 ℃,30 s ,72 ℃,1 min,共25循环;72 ℃,7 min。扩增在Bio-RAD S1000TM Thermal Cycler PCR仪中进行。选择性扩增产物用60.0 g·L-1变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测(Sequi-GenGT核酸测序电泳系统)。60 W恒功率预电泳30 min;6 μL选择性扩增产物与1 μL上样缓冲液[体积分数为98%甲酰胺,10 mmol·L-1乙二胺四乙酸(EDTA),质量分数为0.25%二甲苯青FF,质量分数为0.25%溴酚蓝]混合,94 ℃变性5 min,结束后迅速置于冰上直到点样;加样7 μL·泳道-1,70 W恒功率电泳,至二甲苯青FF至玻璃板2/3处,结束电泳;弱碱法银染显影,用Canon D60拍照保存图像。
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记录长度在500 bp以下清晰、稳定的扩增带,用“1-0”系统记录谱带,有条带的记为1,无条带的记为0,构成表型数据矩阵。AFLP分子标记为显性标记,因此假设分析的各位点都处于Hardy-Weinberg平衡。应用Popgen version 1.32软件[7]分别为多态条带百分率(PPB),观测等位基因数(Na)和有效等位基因数(Ne),Nei’s基因多样性指数(He),Shannon 多态性信息指数(I),物种的基因多样性(Ht),种群内的基因多样性(Hs)和种群间的遗传分化系数(Gst),基因流[Nm=0.5(1-Gst)/Gst]等遗传多样性参数。用GenAlex 6.5 软件[8]进行分子方差分析(AMOVA)进行,计算物种的遗传变异以及遗传分化系数(PhiPT)以揭示群体遗传分量;用NTSYS-pc 2.10e软件[9]对个体进行非加权配对算术平均法(UPGMA)聚类分析,估测群体遗传结构。
1.1. 材料
1.2. 方法
1.2.1. DNA提取和AFLP分析
1.2.2. 数据统计与分析
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从64对引物组合中筛选出了7对扩增产物稳定、重复性好、多态性高且分辨能力强的引物组合,对2个种群96份样品基因组DNA进行AFLP分析。结果表明:7对引物共获得了330条清晰的条带,其中276条为多态性条带;每对引物组合扩增条带数为29~59条;每对引物的多态性条带百分率为70.73%~100.00%(图 1和表 1)。
引物组合 总扩增条带数 多态性条带数 多态性条带百分率/% E-AGC/M-CTG 47 47 100.00 E-AGC/M-CTA 50 43 86.00 E-AGG/M-CTG 41 29 70.73 E-AGG/M-CTA 48 43 89.58 E-ACC/M-CAT 29 23 79.31 E-AAC/M-CTT 59 51 86.44 E-AAG/M-CTA 56 40 71.43 合计 330 276 平均 47.14 39.42 83.64 Table 1. Amplification results of different AFLP primer combinations
此外,除引物组合E-ACC/M-CAT外其他引物组合都扩增出一定数量的特异性条带(表 2),福建长汀种群扩增的特异性条带数明显多于江西全南种群。
引物组合 全南 长汀 特异性条带数 特异性条带百分率/% 特异性条带数 特异性条带百分率/% E-AGC/M-CTG 6 12.77 13 27.66 E-AGC/M-CTA 0 0 21 42 E-AGG/M-CTG 1 2.44 5 12.2 E-AGG/M-CTA 2 4.17 20 41.67 E-ACC/M-CAT 0 0 0 0 E-AAC/M-CTT 0 0 5 8.47 E-AAG/M-CTA 3 5.36 8 14.29 合计 12 3.64 72 21.82 平均 1.71 10.29 Table 2. Amplification of private bands
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多态位点百分率(PPL)、Shannon 多态性信息指数(I)、Nei’s 基因多样性(He)都是广泛运用的衡量物种遗传多样性的指标。从表 3可以看出,在物种水平,桂花的多态位点百分率(PPL)为83.64%,Shannon 多态性信息指数(I)为0.428 3,Nei’s 基因多样性(He)为0.285 6;在种群水平,江西全南种群和福建长汀种群的多态位点百分率(PPL)分别为48.48%和79.09%,平均为63.79%,Shannon 多态性信息指数(I)分别为0.263 1和0.414 8,平均为0.339 0,Nei’s 基因多样性(He)多态性指数分别为0.177 8和0.277 6,平均为0.227 7。江西全南和福建长汀的观测等位基因数和有效等位基因数分别为1.484 8和1.790 9,1.309 0和1.471 4。
种群 多态位点百分率/% Shannon多态性信息指数 Nei’ s基因多样性 观测等位基因数 有效等位基因数 江西全南 48.48 0.263 1 ± 0.246 4 0.177 8 ± 0.179 7 1.484 8 ± 0.370 5 1.3090 ± 0.354 8 福建长汀 79.09 0.414 8 ± 0.257 1 0.277 6 ± 0.183 6 1.7909±0.4073 1.4714±0.3498 平均 63.79 0.339 0 ± 0.252 8 0.227 7 ± 0.181 7 1.637 9 ± 0.388 9 1.3902 ± 0.352 3 种水平 83.64 0.428 3 ± 0.293 3 0.285 6 ± 0.204 6 1.8364±0.5005 1.4873 ± 0.377 2 Table 3. Genetic diversity index of Osmanthus fragrans in populations
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分子方差分析(AMOVA)(表 4)表明:江西全南种群和福建长汀种群间的差异达极显著(P<0.001),种群内的遗传变异百分率为71%,种群间的变异百分率为29%,遗传变异主要来源于种群内部。这与Nei’s基因多样性(Gst=0.161 6)的结果一致。根据遗传分化系数,江西全南种群和福建长汀种群间的基因流(Nm)为2.594 9。
变异来源 自由度dj 总分差SSD 均方差MSE 方差成分 变异百分率/% P值 种群间 1 617.540 617.540 16.486 29 <0.001 种群内 94 3 842.064 40.873 40.873 71 <0.001 合计 95 4 459.604 57.359 100 Table 4. Analysis of molecular variation (AMOVA) for 96 individuals of Osmanthus fragrans
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Nei’s遗传一致度(0.888 2)和遗传距离(0.118 5)结果表明江西全南种群和福建长汀种群间相似程度较高。2个种群不同个体间的UPGMA聚类分析表明,2个种群的不同个体均先聚为一类(图 2),表明地理隔离使得2个种群间有一定的遗传分化。
2.1. AFLP选择性扩增结果
2.2. 遗传多样性
2.3. 遗传结构和遗传分化
2.4. 遗传一致度和聚类分析
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物种的遗传多样性水平与其繁育系统、种群结构和地理分布格局等密切相关。从Nei’s遗传多样性指数和Shannon信息指数来看,桂花的相关遗传参数(He=0.285 6)均高于通过随机扩增多态性DNA标记(RAPD),AFLP和简单重复间序列(ISSR)等3种显性标记统计的多种植物的遗传多样性平均水平(He=0.22或0.23)[10],且高于25种广布植物的平均水平(He=0.220 0)[10],但低于珙桐Davidia involucrata(He=0.333 6或0.342 9)[11-12],南方红豆杉Taxus chinensis var. mairei(He=0.419 2)[13]和光皮桦Betula luminifera(He=0.361 6)[14],表明在种水平具有较高的遗传多样性。
植物种群的遗传结构不仅取决于自身的遗传基础、交配系统等,还受到遗传漂变、基因流和自然选择等因素影响[15-17]。桂花遗传变异主要存在于种群内部,种群间的遗传分化系数(Gst)为0.161 6,低于基于AFLP标记的12个物种的平均水平(Gst=0.210 0)[10],也低于9个广布物种的平均水平(Gst=0.330 0)[10],而高于光皮桦(Gst=0.065 0)[14]及南方红豆杉(Gst=0.121 1)[13]。这表明桂花不同种群间遗传分化不显著,种群间存在一定的基因流,保证种群间遗传信息的交换,从而维持物种水平较高的遗传多样性。
福建长汀种群的遗传多样性程度明显高于江西全南种群,这与种群结构等有着密切的关系。福建长汀种群(稳定型)中存在世代更新现象,有利于种群内不同世代间遗传信息的传递以及遗传变异的产生、维持甚至增加;而缺少世代更新能力的江西全南种群(衰退型)只能维持原有的遗传多样性水平,甚至由于人为破坏造成种群结构和规模的变化,从而导致遗传多样性的下降。此外,不同的种群面积大小表现出不同的遗传差异[18],往往面积较小种群的遗传多样性程度比面积较大的种群低,而与样本的数量没有明显的关系[19-22]。本研究结果同样也支持这一观点。
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