基于SSR的鐵皮石斛實生群體遺傳多樣性研究

韓曉霞++章靜鋼++張鵬博++宗宇++陳文榮++郭衛(wèi)東

摘要：鐵皮石斛屬于傳統(tǒng)名貴中藥，由于人們的過度采挖，其野生資源日益減少，遺傳多樣性遭到嚴(yán)重破壞，人工栽培是對石斛資源進行保護的有效措施之一。本研究采用15對SSR引物對5個實生群體的100株鐵皮石斛進行了遺傳多樣性分析，以期檢測群體之間和群體內(nèi)部的遺傳分化，確定純化株系，為后期優(yōu)良品種選育提供理論參考。結(jié)果表明，15個位點共檢測到185個等位基因，群體B6的等位基因數(shù)目最大，為7.14個；群體B11等位基因數(shù)最少，為 5.42個；觀察雜合度（Ho）最大的種群為B6（0.376），群體B10最?。?.286）。近交系數(shù)（Fis）最大值出現(xiàn)在群體B10中，為0.241；群體B6近交指數(shù)最小，僅為0.091。STRUCTURE遺傳結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)5個石斛實生群體可能來自2個同源基因庫。實生群體B10遺傳背景單一，可以用于后續(xù)的鐵皮石斛純化育種，群體B6具有較高的雜合度，可以用作種間雜交的良好材料，有利于種間差異性狀的整合。

關(guān)鍵詞：鐵皮石斛；SSR；實生群體；遺傳多樣性

中圖分類號： S567.23+9.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0090-04

收稿日期：2015-05-02

基金項目：浙江省金華市科學(xué)技術(shù)局農(nóng)業(yè)類重點項目（編號：2012-2-018）。

作者簡介：韓曉霞（1993—），女，山西朔州人，碩士研究生，主要從事特色經(jīng)濟植物研究。E-mail：15268636679@163.com。

通信作者：宗宇，博士，講師，研究方向為植物種質(zhì)資源與遺傳。E-mail：yzong@zjnu.cn。鐵皮石斛（Dendrobium officinale Kimura et Migo）是蘭科（Orchidaceae）石斛屬植物，屬于傳統(tǒng)名貴中藥，由于人們的過度采挖，鐵皮石斛野生資源日益減少，已近枯竭，遺傳多樣性遭到嚴(yán)重破壞。1987年鐵皮石斛因數(shù)量銳減，被列入《國家重點保護野生藥材物種名錄》[1-2]。鐵皮石斛的人工栽培是對石斛資源進行保護的有效措施之一，雖然近幾年人工栽培鐵皮石斛取得了較大的進展，但由于種質(zhì)混雜、盲目引種等原因，致使鐵皮石斛質(zhì)量和產(chǎn)量差異較大，擾亂了消費市場，阻礙鐵皮石斛產(chǎn)業(yè)的正常、有序發(fā)展[3-8]。因此，開展鐵皮石斛種質(zhì)資源和遺傳多樣性研究，對鐵皮石斛優(yōu)良品種的選育具有重要意義。

遺傳多樣性是生物多樣性的基本組成元素，豐富的遺傳多樣性可以維持種群動態(tài)平衡，為物種的進化提供基本保障；評價一個物種的遺傳多樣性也是制定該物種科學(xué)保護策略的重要前提。前人在鐵皮石斛遺傳多樣性研究方面取得了一定進展，沈潔等利用RAMP標(biāo)記對9個野生居群的112株鐵皮石斛進行了檢測，結(jié)果表明，不同居群間存在豐富的遺傳多樣性，而且居群之間存在一定地域相關(guān)性[9]。丁鴿等采用RAPD技術(shù)對8個鐵皮石斛野生居群的遺傳多樣性和親緣關(guān)系進行研究，發(fā)現(xiàn)引物S412可以有效鑒別8個野生居群；同樣發(fā)現(xiàn)居群的地理分布與居群間的遺傳關(guān)系呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性[10]。Li等利用AFLP標(biāo)記對12個鐵皮石斛居群的遺傳多樣性進行研究，發(fā)現(xiàn)居群間分化系數(shù)變幅為0.047～0.578，居群間的遺傳變異平均值為26.97%[11]，研究結(jié)果支持將這12個鐵皮石斛居群分為3大類群。Ding等利用SRAP標(biāo)記對鐵皮石斛的9個野生種的84個植株進行研究，發(fā)現(xiàn)在物種水平上遺傳多樣性較高，而在居群水平上差異性較低[12]。Shen等利用ISSR標(biāo)記技術(shù)將 8個野生鐵皮石斛居群區(qū)分開來，發(fā)現(xiàn)了16個具有特異性標(biāo)記的DNA片段[13]。謝明璐等利用開發(fā)的SSR標(biāo)記成功對鐵皮石斛種質(zhì)進行了純度鑒定[14]。但是基于SSR的鐵皮石斛遺傳多樣性研究仍鮮有報道，更缺乏對人工栽培鐵皮石斛實生群體的遺傳多樣性分析，相關(guān)研究缺失不利于鐵皮石斛優(yōu)良品種的選育，會造成雜交親本的盲目選擇。

核基因SSR標(biāo)記在真核生物基因組中分布非常普遍，由于其豐富的多態(tài)性和共顯性遺傳等特征，被廣泛應(yīng)用于種內(nèi)和種群間遺傳變異的分析。本研究利用15對SSR引物對鐵皮石斛不同實生群體的遺傳多樣性進行了分析，主要目的在于：（1）評估石斛實生群體的近交系數(shù)，確定純化株系；（2）檢測石斛實生群體之間和群體內(nèi)部的遺傳分化；（3）為后期人工雜交育種提供理論參考。

1材料與方法

在鐵皮石斛實生苗群體中選取表觀性狀優(yōu)良的5個群體，分別標(biāo)記為B4、B6、B10、B11、B12，每個群體隨機選擇長勢較為一致的鐵皮石斛20株，單株編號分別為1～20，共100株用于遺傳多樣性分析。分別從100個單株上取健康幼嫩的葉片，帶回實驗室，置于-80 ℃的超低溫冰箱中備用。

1.1DNA提取

利用優(yōu)化后的CTAB法[15]進行DNA提取。從葉片中提取基因組總DNA（圖1），每份樣品使用1 g葉片。DNA提取后使用TE緩沖液溶解，置于-20 ℃的冰箱中備用。

1.2PCR擴增及測序

使用15對前人報道的、在石斛中擴增穩(wěn)定、多態(tài)性好的SSR引物進行PCR反應(yīng)（表1）。引物由Invitrogen（上海）公司合成，并合成5′端經(jīng)過熒光修飾（FAM和HEX 2種熒光）的M13-Tail通用引物（序列為：TGTAAAACGACGGCCAGT）[19]。PCR體系為20 μL，各組分體積見表2。

PCR反應(yīng)步驟及條件：94 ℃預(yù)變性5 min；隨后是94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，30個循環(huán)后反應(yīng)條件設(shè)置為94 ℃變性30 s，52 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，12個循環(huán)；最終72 ℃延伸6 min。

PCR反應(yīng)結(jié)束后，取4 μL擴增產(chǎn)物用1.5%的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測（圖2），確認(rèn)得到單一且長度正確的片段后，將PCR產(chǎn)物送至生工（上海）生物工程有限公司進行基因分型（圖3）。

1.3數(shù)據(jù)處理

為盡可能避免基因分型過程中的偏差，確定等位基因大小后進行了2次人工校對。對于每個種群和SSR位點，使用GenAlEx 6.501[20]計算等位基因個數(shù)（Na）、有效等位基因個數(shù)（Ne）、觀察雜合度（Ho）、期望雜合度（He）和近交系數(shù)（Fis）。利用FSTAT 2.9.3[21]計算經(jīng)過香農(nóng)多樣性指數(shù)（I）。

利用STRUCTURE 2.3.4軟件[22]計算同源基因庫的數(shù)

目，該方法利用貝葉斯概率統(tǒng)計將鐵皮石斛個體或預(yù)定義的群體劃分到K個支系中來解釋其遺傳結(jié)構(gòu)。本研究中，STRUCTURE 2.3.4的運行選擇混合模型和關(guān)聯(lián)等位基因頻率等參數(shù)配置，將同源基因庫個數(shù)的賦值為1～8（N+3），每個K值進行10次重復(fù)計算來推測最佳的K值。每一次運行使用200 000個循環(huán)的馬爾科夫鏈-蒙特卡洛模擬（MCMC），初始收斂周期為100 000；其他參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。運行后結(jié)果上傳到STRUCTURE HARVESTER（http：//taylor0.biology.ucla.edu/structureHarvester/）確定最佳K值，運行結(jié)束后利用CLUMPP軟件處理對10次獨立運行得到的分配系數(shù)進行均一化處理，然后使用DISTRUCT軟件繪制計算結(jié)果。

2結(jié)果與分析

2.1SSR引物多樣性

15對SSR引物共檢測到185個等位基因，每個位點的等位基因數(shù)目從2.3個（DNeSSR86）到22.6個（DOeSSR41）不等，平均每個位點有12.3個等位基因。有效等位基因數(shù)從1.3個（DNeSSR86）到9.2個（DOeSSR41），平均值為5.5個。香農(nóng)多樣性指數(shù)最大值是2.61（DOeSSR41），最小值是0.31（DNeSSR86），平均值為1.82。觀察雜合度最大值是0.756（DOeSSR44），最小值是0114（DNeSSR86），平均值為0.604。期望雜合度最大值為0.786（DNeSSR37），最小值為0.169（DNeSSR86），平均值為0.654。表明本研究中使用的SSR引物大部分多態(tài)性良好，可用于后續(xù)的群體遺傳信息分析；其中引物DOeSSR33、DNeSSR86、DOeSSR117多態(tài)性顯著低于其他引物（表3）。

2.2鐵皮石斛群體的遺傳多樣性

對5個石斛實生群體進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)群體B6的等位基因數(shù)目最多，為7.14個，其次是群體B12，為6.50個；群體B4和B10等位基因數(shù)均為5.64個；群體B11等位基因數(shù)最少，為5.42個；5個實生群體的有效等位基因數(shù)存在一定的差異，以群體B6的有效等位基因數(shù)目最大，為6.57

個，最小值雖然出現(xiàn)在群體B11中，但是與群體B4幾乎沒有差異（表4）。觀察雜合度最大的種群是B6，為0.376，群體B12略低于B6，為 0.361；群體B4、B11沒有顯著差別，觀察雜合度分別為 0.309、0.329；群體B10最小，僅為0.286。期望雜合度表現(xiàn)出的趨勢與觀察雜合度相似，最大值和最小值分別出現(xiàn)在群體B6和群體B11，群體B6為0.654，群體B11為0.514。分別對5個石斛種群的近交系數(shù)進行了計算。近交系數(shù)最大值出現(xiàn)在群體B10中，為0.241；其次為群體B4，為0.168；群體B6近交指數(shù)最小，僅為0.091。

2.3鐵皮石斛群體的遺傳結(jié)構(gòu)

為了進一步檢驗群體的遺傳多樣性信息，基于貝葉斯統(tǒng)計法對5個鐵皮石斛實生群體進行了遺傳結(jié)構(gòu)分析。STRUCTURE結(jié)果顯示，對5個群體的K值范圍設(shè)為1～8，運行10次重復(fù)后，將STRUCTURE的運行結(jié)果上傳到STRUCTURE HARVESTER并通過前人描述的方法確定最佳的K值，在K=2處觀察到ΔK的最大值（圖4），結(jié)果表明，5個石斛實生群體可能來自2個同源基因庫（圖5）。

從STRUCTURE結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，除群體B6中的一些個體表現(xiàn)出較為明顯的多源遺傳背景外，其他4個群體種質(zhì)純度較高，以群體B10遺傳背景最為單一，與之前的雜合度、近交系數(shù)等遺傳多樣性參數(shù)保持一致。

3結(jié)論與討論

本研究采用15對微衛(wèi)星引物對5個石斛實生群體共100個個體進行了PCR擴增，15個位點共檢測到185個等位基因，群體B6的等位基因數(shù)目最多，群體B11等位基因數(shù)最少，5個石斛實生群體可能來自2個同源基因庫。雜合度水平可以在很大程度上反映植物的遺傳多樣性[23-24]。雜合度較低與石斛的繁育系統(tǒng)有關(guān)，鐵皮石斛自交和雜交均可育，試驗使用的實生種群來自于自交群體，但人工授粉失敗或隔離措施不完善可能造成一些個體是開放式授粉形成的實生苗，這可能是導(dǎo)致B6群體雜合度高于其他群體的原因。

近交系數(shù)的取值為[-1，1]，負(fù)值表示群體種雜合個體較多，群體的形成可能受到了外源基因流的影響，并非自交育種過程中成功構(gòu)建的群體。正值表明群體間的近交繁殖有所增加，對于自然群體來講可能是因為群體大小的減小或人為的干預(yù)[20]。本研究石斛實生群體為近親或自交形成的種系，有較高的近交系數(shù)是正常現(xiàn)象，而且群體B10近交系數(shù)最大，表明其遺傳背景較為單一，種質(zhì)比其他實生群體更加純化，這一點也能通過B10具有最小的觀察雜合度得到佐證。

基于種質(zhì)雜合背景，因遺傳背景單一，實生群體B10可以用于后續(xù)的純化選擇，但是否屬于石斛特征性狀（石斛多糖、石斛堿含量等）還需進一步研究。與其他實生群體相比，群體B6具有較高的雜合度，可以用作石斛種間雜交的良好材料，有利于種間差異性狀的整合。

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