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      基于RAPD標(biāo)記對(duì)71個(gè)柞蠶品種的聚類(lèi)分析

      2019-07-22 01:32:45劉丹梅李文利王丹丹
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年11期
      關(guān)鍵詞:親緣關(guān)系柞蠶聚類(lèi)分析

      劉丹梅 李文利 王丹丹

      摘要:采用隨機(jī)引物擴(kuò)增多態(tài)性DNA(RAPD)的方法,在DNA分子水平上對(duì)我國(guó)不同地區(qū)、不同化性的71個(gè)柞蠶品種進(jìn)行聚類(lèi)分析。從140條RAPD隨機(jī)引物中篩選出28條可穩(wěn)定擴(kuò)增條帶的多態(tài)性引物,共擴(kuò)增出92條多態(tài)性條帶,占總擴(kuò)增帶數(shù)的29%;采用非加權(quán)組平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means,簡(jiǎn)稱(chēng)UPGMA)聚類(lèi)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,構(gòu)建了71個(gè)柞蠶品種的親緣關(guān)系,結(jié)果顯示,各個(gè)地區(qū)與不同化性的柞蠶品種之間親緣關(guān)系沒(méi)有明顯區(qū)別,遺傳類(lèi)型相互混雜。

      關(guān)鍵詞:RAPD標(biāo)記;柞蠶;UPGMA;聚類(lèi)分析;親緣關(guān)系

      中圖分類(lèi)號(hào): S885.1? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號(hào):1002-1302(2019)11-0061-05

      柞蠶屬于鱗翅目(Lepidoptera)天蠶蛾科(Saturniidae)的絹絲類(lèi)昆蟲(chóng),我國(guó)境內(nèi)的柞蠶在分類(lèi)學(xué)上屬于柞蠶(Antheraea pernyi),主要分布在10余個(gè)省份。目前保存著上百個(gè)地理種群或生態(tài)類(lèi)型,如山東的客嶺莊種、河南的魯山種、遼寧的璦陽(yáng)種、貴州的湄潭種以及用顏色命名的青皮蠶、黃皮蠶、青黃蠶、銀白蠶、藍(lán)靛蠶等[1]。這些品種都是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的人工選擇培育以及自然突變逐漸形成的具有不同生理、遺傳特性和區(qū)域適應(yīng)性的柞蠶品種,其經(jīng)濟(jì)性狀各具特征[2]。

      隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展,可以通過(guò)DNA大分子本身來(lái)分析遺傳差異,為物種的起源、親緣關(guān)系和進(jìn)化研究開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑。這些研究所提供的大量客觀(guān)的分子水平上的信息,非常有力地推動(dòng)了物種起源、親緣關(guān)系和進(jìn)化的研究。20世紀(jì)90年代發(fā)明的分子標(biāo)記技術(shù),特別是隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA,簡(jiǎn)稱(chēng)RAPD)、選擇性擴(kuò)增DNA片段(selective amplification DNA fragments,簡(jiǎn)稱(chēng)SADF)等技術(shù)[3-7],以其快速方便的特點(diǎn),在核酸分子水平上為物種的多態(tài)性提供了豐富的信息,從而被廣泛應(yīng)用于物種遺傳變異、進(jìn)化和親緣關(guān)系等研究領(lǐng)域。這些技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)揭示了許多物種種內(nèi)或種間的遺傳進(jìn)化與親緣關(guān)系,如亞洲玉米螟地理種群分化的研究[8]、蚱屬種間親緣關(guān)系研究[9]、我國(guó)野桑蠶和家蠶的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究等[10]。目前已利用這些標(biāo)記技術(shù)成功地構(gòu)建了家蠶的連鎖圖[11-14]。在柞蠶上,此方面的研究也已經(jīng)開(kāi)展起來(lái)[15],劉彥群等利用RAPD標(biāo)記分析4種體色柞蠶品種的遺傳關(guān)系,表明品種的遺傳聚類(lèi)劃分與體色之間的相關(guān)性不大,柞蠶體色并不能真實(shí)反映品種間的遺傳關(guān)系[16];靳向東等作了廣適性大型多絲量柞蠶新品種選育報(bào)告,將柞蠶品種資源研究運(yùn)用于新品種選育中,育成2個(gè)多絲量柞蠶新品種[17]。在技術(shù)上,RAPD技術(shù)已被應(yīng)用在多種動(dòng)植物上,如農(nóng)志歡等在十大功勞屬6個(gè)種上[18]、李言等在海帶上[19]、石洪玥等在中華絨螯蟹上[20]、陳德西等在蝗蟲(chóng)上[21]都利用RAPD技術(shù)開(kāi)展了種質(zhì)資源的研究。目前,國(guó)內(nèi)的研究主要集中在家蠶、玉米、水稻等生物的種質(zhì)資源方面,有關(guān)柞蠶種質(zhì)資源遺傳進(jìn)化、分類(lèi)以及親緣關(guān)系的研究在深度和廣度上有待完善。因此,本研究采用RAPD技術(shù)對(duì)71個(gè)柞蠶品種的分類(lèi)和親緣關(guān)系進(jìn)行了聚類(lèi)分析,以確立品種間的親緣關(guān)系,以期對(duì)我國(guó)這一特有生物資源開(kāi)展進(jìn)一步的分子生物學(xué)研究。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料

      收集我國(guó)遼寧、河南、吉林、山東與內(nèi)蒙古等地的不同地理種群和不同化性的柞蠶品種(表1)[22-26]。本研究在大連理工大學(xué)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

      參照美國(guó)Operon公司設(shè)計(jì)的含有10個(gè)寡核苷酸隨機(jī)引物,由寶生物工程(大連)有限公司合成。RAPD反應(yīng)系統(tǒng)購(gòu)自北京鼎國(guó)生物工程有限公司。Protease K(蛋白酶K)、RNaseA購(gòu)自美國(guó)Promega公司,瓊脂糖為西班牙產(chǎn),其他常用試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

      1.2 方法

      1.2.1 柞蠶基因組DNA的提取 取液氮中冷凍的單個(gè)柞蠶蛹組織0.5 g研磨[27],加入2 mL提取緩沖液[10 mmol/L 三(羥甲基)氨基甲烷(Tris)-HCl pH值8.0,0.1 mmol/L 乙二胺四乙酸(EDTA),0.5% 十二烷基硫酸鈉(SDS),50 μg/mL 蛋白酶K],在50~60 ℃保溫3 h[28-31]。加入等體積的酚混勻,4 ℃、12 000 r/min離心10 min;取上層液加入等體積的酚/三氯甲烷抽提1次。最后用2/3體積的異丙醇沉淀,用75%乙醇洗沉淀1次。溶于400 μL TE中,加RNase于37 ℃消化30 min,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

      1.2.2 RAPD反應(yīng)體系及擴(kuò)增程序 參照Williams等的方法[3]對(duì)隨機(jī)擴(kuò)增具有影響的反應(yīng)參數(shù), 如鎂離子、引物、模板濃度、dNTP和Taq酶用量等進(jìn)行優(yōu)化[32-34]。25 μL反應(yīng)液中,含2 U Taq酶、2.5 μL 10×緩沖液(1.5 mmol/L MgCl2+10 mmol/L Tris-HCl+50 mmol/L KCl+0.01%明膠)、dNTP(各200 umol/L)和Primer(10 pmol/L)各1.0 μL、DNA模板1.0 μL(100 ng)。反應(yīng)程序如下:94 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s,37 ℃退火40 s,72 ℃延伸2 min,35個(gè)循環(huán); 72 ℃延伸10 min。

      1.2.3 RAPD多態(tài)性分析 每個(gè)柞蠶品種取6個(gè)個(gè)體,分別提取DNA后混合作為模板進(jìn)行PCR反應(yīng)。將RAPD擴(kuò)增產(chǎn)物在1.4%瓊脂糖凝膠中恒壓電泳2 h,經(jīng)溴化乙錠(EB)染色后在紫外分析儀下觀(guān)察拍照,選取重復(fù)性好且亮度較強(qiáng)的條帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[35]。在電泳圖譜上同一RAPD位點(diǎn)上有電泳帶者記為1,無(wú)電泳帶者記為0。根據(jù)Nei的公式:I=2NXY/(NX+NY)[36],計(jì)算出任意2個(gè)個(gè)體(群體或物種)間的遺傳距離D和遺傳相似系數(shù)I。式中:NXY為兩者共同擁有譜帶(RAPD標(biāo)記)的數(shù)目;NX和NY分別為X和Y個(gè)體(或群體、物種)各自擁有的全部譜帶數(shù)。遺傳距離的計(jì)算和系統(tǒng)聚類(lèi)采用NTSYS-PC 2.10e[37]。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 引物篩選及PCR擴(kuò)增

      采用已經(jīng)確定的反應(yīng)體系和條件,以小黃皮、魯黃、寬青和抗病2號(hào)的DNA作為模板,對(duì)7組共140條隨機(jī)引物進(jìn)行隨機(jī)擴(kuò)增,結(jié)果共篩選出有效引物60條,再?gòu)闹泻Y選出較好的引物28條(表2)。對(duì)71個(gè)柞蠶品種的DNA進(jìn)行擴(kuò)增,共得到92條清晰的具有多態(tài)性的譜帶,占總帶數(shù)的29%,片段大小介于500~3 000 bp間,平均每條引物可擴(kuò)增3條具有多態(tài)性的譜帶。多態(tài)性譜帶最多的引物為OPM10(5條),最少的為OPG3(2條)??梢?jiàn)不同引物的擴(kuò)增產(chǎn)物均有顯著差異,其中引物OPH19的擴(kuò)增結(jié)果見(jiàn)圖1。此外,不同品種擴(kuò)增的具有多態(tài)性的帶數(shù)亦不相同,其中多態(tài)性譜帶最多的品種為印度柞蠶,共有35條,最少的為青6號(hào),只獲得16條。

      2.2 柞蠶品種間的親緣關(guān)系分析

      將每個(gè)DNA片段看作1個(gè)可區(qū)分的RAPD標(biāo)記,根據(jù)Nei的公式[36]計(jì)算出71份柞蠶品種間的遺傳相似系數(shù)(I)和遺傳距離(D)。結(jié)果顯示:2個(gè)河南一化性品種731與云白的相似系數(shù)最高,達(dá)到0.886 7,可見(jiàn)兩者間的遺傳背景比較接近;二化品種黃安東與一化品種豫5號(hào)的相似系數(shù)為 0.867 1,表明兩者之間也有較近的親緣關(guān)系。一化性品種河41同白一化、豫早1號(hào)同201、豫早2號(hào)同魯松、魯黃同松黃等4對(duì)品種的相似系數(shù)都在0.785 7以上,表明這些品種間的親緣關(guān)系較近。而河41、白一化與其他河南一化性品種的相似系數(shù)均低于0.486 2,表明這2個(gè)品種與其他一化性品種的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

      用非加權(quán)組平均法(UPGMA)對(duì)不同化性和不同地理區(qū)域的71個(gè)柞蠶品種根據(jù)遺傳距離(D)進(jìn)行聚類(lèi)分析。由圖2可以看出,大部分的河南一化品種分布在不同的類(lèi)群中,并且在各個(gè)類(lèi)群中首先聚到一起。但是,也有不同地區(qū)與化性的品種能夠較早地聚在一起,如黃安東與豫5號(hào),它們僅次于河南一化性品種731與云白,第2次就聚在一起。圖2還說(shuō)明,各個(gè)地區(qū)與不同化性的柞蠶品種之間親緣關(guān)系沒(méi)有明顯區(qū)別,遺傳類(lèi)型相互混雜。

      2.3 不同地區(qū)柞蠶種群的DNA多態(tài)性聚類(lèi)分析

      為了進(jìn)一步揭示不同地理區(qū)域間柞蠶品種的遺傳進(jìn)化關(guān)系,根據(jù)每個(gè)柞蠶品種的最初來(lái)源,選擇具有代表性的、背景清楚的品種作為該地區(qū)的代表性品種(表3)。

      將表2中來(lái)自同一個(gè)地區(qū)的所有代表性品種的標(biāo)記作為該地區(qū)種群的RAPD標(biāo)記,進(jìn)行不同地區(qū)柞蠶種群的遺傳距

      離(D)分析(表4)。

      利用表3數(shù)據(jù),用UPGMA法構(gòu)建聚類(lèi)樹(shù)狀圖。從圖3可以看出,來(lái)自河南地區(qū)的種群與遼寧地區(qū)的種群首先聚類(lèi)到一起, 兩者之間的遺傳距離只有0.066 3。山東與遼寧、山東與河南種群的遺傳距離分別為0.104 2、0.126 1。除了四川與湖北、四川與印度的遺傳距離分別為0.693 1、0.665 0(>0.5)外,其他地區(qū)之間的遺傳距離都<0.5。

      3 結(jié)論與討論

      柞蠶為鱗翅目(Lepidoptera)天蠶蛾科(Saturniidae)的絹絲類(lèi)昆蟲(chóng),已記載的共有35個(gè)種,其中31個(gè)種分布在印沃區(qū),3個(gè)在古北區(qū),1個(gè)在北美區(qū)。為人們所熟知并用于商業(yè)性生產(chǎn)的有中國(guó)柞蠶(Antheraea pernyi)、2種印度柞蠶(Antheraea assamensis和Antheraea mylitta)和日本天蠶(Antheraea yamamai)。

      我國(guó)現(xiàn)存130多個(gè)品種都是中國(guó)柞蠶的變種和地理種或生態(tài)型。各個(gè)品種之間的血緣關(guān)系非常復(fù)雜,各個(gè)品種之間既有高度變異的一面,又有親緣很近的一面。劉彥群等通過(guò)對(duì)河41、四青、青黃1號(hào)和杏黃4個(gè)品種的研究發(fā)現(xiàn),在DNA水平上的分類(lèi)并沒(méi)有按體色進(jìn)行[38],對(duì)現(xiàn)行的體色分類(lèi)系統(tǒng)提出了質(zhì)疑。

      本研究表明,不同的品種,即使分布相距很遠(yuǎn),有的竟表現(xiàn)出驚人的相似性和緊密的親緣關(guān)系;而同一個(gè)品種的不同生態(tài)型,有的卻相差懸殊。如在對(duì)71個(gè)柞蠶品種進(jìn)行RAPD多態(tài)性聚類(lèi)分析時(shí)發(fā)現(xiàn),整個(gè)系統(tǒng)聚類(lèi)圖分為2支,每個(gè)分支中各地區(qū)的品種相互摻雜。但是在第一集團(tuán)的40個(gè)品種中,一化性品種有15個(gè),占37.5%;在第二集團(tuán)31個(gè)品種中,一化性品種只有8個(gè),占25.8%。從整個(gè)系統(tǒng)聚類(lèi)圖上可以看出,大部分的一化品種分布在不同的類(lèi)群中,并且在各個(gè)類(lèi)群中首先分別聚到一起。河南的一化性品種731與云白的相似系數(shù)最高,達(dá)到了0.886 7,可見(jiàn)兩者間的遺傳背景非常接近;一化性品種河41同白一化、豫早1號(hào)同201、豫早2號(hào)同魯

      松、魯黃同松黃4對(duì)品種的相似系數(shù)也都在0.785 7以上,表明這些品種間的親緣關(guān)系較近。但是,也有不同地區(qū)與化性的品種能夠較早地聚在一起,如黃安東與豫5號(hào),它們僅次于2個(gè)河南一化性品種731與云白,相似系數(shù)為0.867 1。

      有關(guān)柞蠶的分布與分化,印度學(xué)者喬利認(rèn)為,生長(zhǎng)在熱帶的印度柞蠶(A.assamensis)是柞蠶的原始類(lèi)型,其他品種都起源于它,我國(guó)境內(nèi)的柞蠶是由印度東北向我國(guó)南部傳播的[39]。本研究結(jié)果表明,遼寧地區(qū)的品種首先與河南地區(qū)的品種聚在一起,然后又與山東地區(qū)的品種聚在一起。以0.728 1為分界,除了貴州以外,包括朝鮮在內(nèi)的長(zhǎng)江以北的地區(qū)品種首先聚類(lèi)在一起,這一集團(tuán)中包括我國(guó)2個(gè)古代柞蠶傳播中心——山東和河南與現(xiàn)代柞蠶的傳播中心遼寧。印度柞蠶最早從整個(gè)系統(tǒng)中分離出來(lái),然后是四川、湖北。雖然在古文獻(xiàn)中沒(méi)有找到有關(guān)這些地區(qū)柞蠶品種起源的記載,但是從系統(tǒng)聚類(lèi)圖中可以推測(cè),在遠(yuǎn)古的時(shí)候柞蠶由印度傳到我國(guó)后,由四川經(jīng)湖北向長(zhǎng)江以北地區(qū)傳播,到達(dá)我國(guó)古代柞蠶傳播中心山東、河南與現(xiàn)代柞蠶的傳播中心遼寧。然后又從這些地區(qū)向吉林、貴州以及朝鮮等地傳播,所以發(fā)現(xiàn)吉林、貴州以及朝鮮的品種又從這些品種中分化出來(lái)。在最后剩下的遼寧、河南、山東的品種中,遼寧與河南分化得最晚;長(zhǎng)江以北的地區(qū)品種的分化情況基本上與歷史資料的記載相吻合[1]。

      現(xiàn)代遺傳學(xué)的觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為物種的遺傳性狀是由基因決定的,各種外部形態(tài)及內(nèi)部性狀的變異都是由于基因中DNA分子堿基序列發(fā)生改變。本研究在分子水平上對(duì)我國(guó)柞蠶品種資源的遺傳分化和親緣關(guān)系進(jìn)行了探討,可能與已有的研究不完全相符,期望有助于對(duì)我國(guó)這一特有生物資源的保護(hù)和深入研究。

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