苧麻種質資源遺傳多樣性分析研究進展

王昕慧，全芮萍，劉婕儀，劉皖慧，周倩文，崔國賢

（湖南農業(yè)大學苧麻研究所，長沙 410128）

全世界蕁麻科（Urticaceae）植物有47屬，約1 300種，分布于熱帶與溫帶，其中苧麻屬（Boehmeria）約有120種，30種左右分布于美洲，75種分布于亞洲，少量分布于非洲和大洋洲，我國已發(fā)現(xiàn)有32種11變種［1-3］。苧麻是我國四大纖維作物之一，被稱作“中國草”和“南京草”［4］。我國苧麻種植面積和產量占全世界的90%以上，在國際市場上占主導地位［5］。

種質資源遺傳多樣性是生物多樣性的核心，是育種和資源保護的基礎。在雜交中，遺傳多樣性非常重要；對植物進行遺傳多樣性評估是鑒定、保存遺傳資源和設計育種方案的第一步［6］。研究苧麻種質資源的遺傳多樣性，有助于分析苧麻種質資源間的遺傳關系，對于拓展苧麻種質資源的遺傳基礎，探索優(yōu)質基因，開發(fā)新品種，促進苧麻種質資源的可持續(xù)利用具有重要意義。本文從細胞學、形態(tài)學、生物化學和分子水平對苧麻種質資源的遺傳多樣性進行綜述。

1 表型性狀

表型性狀是植物的外在表現(xiàn)，是通過形態(tài)標記進行研究。形態(tài)標記是指肉眼可見的或儀器測量的植物在生長發(fā)育過程中的外部特征。形態(tài)標記可對質量性狀和數量性狀進行標記。因此，形態(tài)標記在育種中有重要作用［7-9］。不同種質的表型存在差異，它是苧麻品種分類的依據。苧麻是我國傳統(tǒng)經濟作物，栽培歷史悠久，長期的自然選擇和人工選擇以及頻繁種質交流，產生了豐富的表型性狀。我國苧麻屬植物分為5個組31種，21個變種［10］。目前，我國建成了世界上保存種類最豐富的國家苧麻種質資源圃，收集了近3 000份苧麻種質。苧麻種質的表型性狀主要包括苧麻的蔸型、株型、葉型、葉色、葉氈毛、根型等。

苧麻種質資源較豐富，不同的苧麻資源表型性狀差異較大。林敏榮等［11］通過對27個苧麻地方品種的葉形、葉色、葉緣鋸齒、葉柄著生角度、葉面皺紋、莖毛、莖形、莖型、根型、根系類型、雌蕾色和蔸型等12個形態(tài)特征的調查，采用DPS進行聚類分析，在遺傳距離5.21處將27個品種分為4類，在遺傳距離為3.65時，則為10個類群，對選育優(yōu)良苧麻品種具有重要的指導意義。白玉超等［12］通過株高、莖粗、鮮皮厚度、分株數、有效株率、地上部生物量6個農藝性狀對94份苧麻種質資源進行關聯(lián)分析，得出鮮皮厚對地上生物量的影響最大，株高和莖粗次之，并篩選出一些優(yōu)良的種質。李林林等［13］通過對94份苧麻種質的株高、莖粗、皮厚、有效株率、有效株、單蔸分株數和單蔸生物量等7個農藝性狀進行聚類分析，得到3個聚類群，為苧麻優(yōu)質高產育種的親本選配提供參考價值。在作物育種中形態(tài)標記雖簡單易懂，但受環(huán)境的影響，種群間的遺傳變異無法準確掌握。

2 細胞學標記

細胞學標記主要指染色體核型和帶型，是作物細胞遺傳標記之一［14］。染色體是遺傳物質的載體，染色體數量、結構變化會導致遺傳物質變化。目前，許多苧麻研究者將細胞學標記應用于苧麻研究中。臧鞏固［15］研究苧麻屬3個分類學組中5個種核型，其中2組4種為首次報道；序葉苧麻（B.clidemioides）的核型為：2n=28=6t+22T+1B，苧麻的核型為：2n=28=4st+2t+20T+2st（SAT），大葉苧麻（B.longispica）的核型為：2n=42=6t+36T，懸鈴木葉苧麻（B.platanifolia）的核型為：2n=42=8t+32T+2st（SAT），長葉苧麻（B.macrophylla）的核型為：2n=42=1m+8t+33T。通過核型比較，討論苧麻屬植物的染色體基數及進化趨勢，首次提出苧麻屬的染色體基數可能是7，異源多倍化是苧麻屬植物的主要進化途徑之一。張波等［16］對幾種野生苧麻染色體研究，發(fā)現(xiàn)染色體倍性較高，并根據多倍化和核型分析，提出苧麻染色體的演化趨勢：2n=28→2n=42或56。楊瑞芳等［17］對7份野生苧麻材料進行Giemsa C-帶帶型及染色體核型分析，結果顯示7份材料均為近端著絲點型，核型公式分別為2n=28=28st，2n=42=42st和2n=56=56st。

雖然細胞學標記不受環(huán)境因素的影響，但仍存在很多問題，對染色體切片的制作技術要求較高，標記數量較少；且同一物種個體間染色體的數目不同。因此，研究苧麻種質資源遺傳多樣性，不能僅靠細胞學標記來定位。

3 生化標記

生化標記的特征是以基因表達產物（蛋白質）的遺傳標記，包括兩種標記手段，一是同工酶標記，另一種是貯藏蛋白標記，結構多樣性可反應作物DNA組成和作物遺傳多樣性。酶譜相似度可預測種間親緣關系，相似度越高，親緣關系則越近［18］。胡能書等［19］對233個苧麻品種進行酯酶同工酶標記分析其親緣關系，初步構建苧麻演化樹。胡能書等［20］對213個苧麻栽培品種進行過氧化物酶同工酶分析，將其歸納為41種生態(tài)型。蒙祖慶［21］運用同工酶技術對38份苧麻種質（其中8份為栽培種）進行分析，共檢測到146條酯酶同工酶譜帶，統(tǒng)計表明：野生種產生酶帶數1～5條不等，栽培種產生酶帶數7～9條不等，共21個類型，通過聚類分析得到5個聚類群。

同工酶標記應用于苧麻種質資源的分類研究中，存在著同工酶的含量和酶活性在作物不同生長階段存在差異［22］，且同工酶基因的表達受不良環(huán)境的影響等［23-25］。因此，需結合其他標記技術來開展研究。

4 分子標記

分子標記是基于個體間遺傳物質核苷酸序列差異的標記，直接反應DNA水平單核苷酸多態(tài)性。遺傳多樣性評估對有效組配育種材料和改良作物性狀至關重要［26-28］。分子標記具有快速、準確、多態(tài)性好等特點，通過分子標記的多態(tài)性分析可準確評價苧麻遺傳多樣性。目前，主要有RAPD、SSR、ISSR和SRAP等分子標記用于苧麻遺傳多樣性的研究。

4.1 RAPD標記

RAPD（隨機擴增多態(tài)性DNA標記）技術是建立在PCR基礎上對基因進行多態(tài)性分析的分子技術。該技術在苧麻遺傳多樣性研究中發(fā)揮重要作用。

揭雨成等［29］利用RAPD技術對抗旱性較弱和較強的基因型材料各6個品種進行親緣關系分析，將其聚成兩類三組，直觀地反應材料間的親緣關系，為苧麻抗旱育種親本選擇及親緣關系研究提供理論依據。邱財生等［30］利用RAPD分析13份苧麻材料，確立了它們之間的親緣關系。陳荷泉［31］用RAPD分子標記分析44份苧栽培品種的遺傳變異，用23個RAPD引物擴增出112個條帶，多態(tài)性帶103條，多態(tài)性比率91.7%。研究表明，RAPD技術在親緣關系分析和遺傳多樣性檢測上具有較大的潛力。

4.2 SSR標記

SSR標記技術通過分析遺傳物質的多態(tài)性來鑒別植物核苷酸排布及規(guī)律。陳建華［32］采用SSR分子標記分析了158份苧麻核心種質的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)核心種質資源遺傳變異廣泛，根據引物檢測到的種質遺傳多樣性圖譜可以將158份種質分成10類。Kim等［33］開發(fā)了苧麻的SSR標記，選擇了17個SSR標記，分析了90份苧麻種質資源的遺傳多樣性，共檢測到140個等位基因，每個序列3到17個等位基因，平均遺傳多樣性值為0.61，范圍為0.37～0.84，平均多態(tài)信息含量為0.56，范圍為0.34～0.82，基于SSR數據的遺傳聚類分為4類。Ni等［34］利用23個SSR標記和3個表型標記分析了13個地區(qū)（中國、巴西、印度、古巴等）的1 151個苧麻種質資源的遺傳多樣性和種群結構，結果確定了117 個位點，Shannon 多樣性指數范圍為0.320 1～1.677 3（平均值0.827 2），多態(tài)信息含量為0.157 8～0.760 3（平均值0.501 7），預期雜合度為0.169 4～0.781 5（平均值0.528 2），遺傳多樣性為0.172 2～0.788 4（平均值0.522 8）；四川、云南和貴州的遺傳多樣性高于其他地區(qū)?；诜羌訖鄬M方法的算法均值和遺傳距離的聚類分析揭示了國內外種質資源存在明顯差異。種群結構分析也證明野生種質遺傳多樣性高于馴化種質。Luan等［35］使用95對SSR引物和107份苧麻種質，研究了與苧麻纖維產量性狀相關的SSR位點，并進行關聯(lián)分析，結果表明107份種質可分為兩亞群，關聯(lián)分析檢測到16個與苧麻產量性狀相關的穩(wěn)定分子標記。鐘新月［36］篩選出39對SSR引物，逐一對19個耐低磷差異基因型苧麻DAN進行擴增，結果均有多態(tài)性，對引物的擴增條帶進行聚類分析，可以將19份材料聚為四類。許岳軍等［37］利用SSR標記技術對8份苧麻種質進行遺傳分析，結果表明8份苧麻材料的遺傳相似系數為0.669～0.859，在相似系數0.72處可將其分為3類。上述研究表明，SSR標記技術對苧麻基因間的遺傳關系能進行有效分析。

4.3 ISSR標記

ISSR標記是簡單可靠的DNA 分子標記技術［38，39］。丁明忠等［40］用21條ISSR引物對8份四川苧麻品種的DNA進行擴增，共擴增出86條帶，多態(tài)性位點71個，聚類分析結果顯示，供試品種與母本的遺傳距離較遠，表現(xiàn)特有的偏父本遺傳現(xiàn)象。康冬麗［41］利用ISSR標記技術研究了56個苧麻品種的遺傳差異，用15個ISSR引物共擴增出258條帶，有247條多態(tài)性帶，多態(tài)性比率為95.8%，表明苧麻種間遺傳差異較大。聚類分析結果顯示，在遺傳距離0.635處可將其分為5類：來自四川的品種聚成一類，貴州的品種和江西的品種各聚成一類，湖北和湖南的51個品種聚成一類，表明品種（系）間的親緣關系與地理位置密切相關。劉立軍等［42］利用ISSR標記技術對苧麻自交無性繁殖系遺傳關系進行分析，結果表明ISSR標記技術可準確地分析苧麻自交無性繁殖系的親緣關系和遺傳多樣性。蒙祖慶等［43］研究發(fā)現(xiàn)，ISSR標記技術比RAPD標記技術更適合野生苧麻種質親緣關系的分析。

4.4 SRAP標記

SRAP是基于PCR技術的標記方法，目前在苧麻遺傳多樣性研究、檢測親緣關系和遺傳圖譜的構建等方面得到廣泛應用［44-48］。

Liu等［49］首次在苧麻自交系中應用SRAP標記，研究33個自交系和2個野生種間的遺傳關系。用33個引物獲得332個多態(tài)性條帶，UPCMA聚類分析顯示，來自中國和巴西的近交系成一類，表明巴西品種可能是從中國引進發(fā)展而來。在苧麻自交系分組中發(fā)現(xiàn)品種間的遺傳關系與品種起源區(qū)域顯著相關。Luan等［50］利用SRAP和SSR標記研究108個苧麻品種的遺傳多樣性和親緣關系，顯示108個苧麻種質的遺傳相似系數在0.22～0.89之間。利用PCA（主成分分析）和UPGMA（未加權的成對組方法和算術手段）將108個種質分為兩類；Shanon多樣性指數為1.1，Nei’s的基因多樣性指數為0.58。同時還比較了不同省份（四川、江西、湖北、湖南）的遺傳多樣性，貴州省遺傳多樣性最高，可能是苧麻的起源中心。

5 展望

遺傳多樣性是作物種質資源保存、開發(fā)利用的基礎。近年來苧麻在種質資源遺傳多樣性研究上取得了一定進展，從表型到分子，許多研究表明苧麻具有較高的遺傳變異水平，但仍需改進和提升。隨著農業(yè)發(fā)展，育種家保存的種質資源主要是具有優(yōu)良性狀和綜合性狀好的苧麻材料，導致種質資源遺傳基礎逐漸變窄，研究工作有局限性。此外，不同研究方法的研究結果也不一致。

今后的苧麻遺傳多樣性研究應加強品種收集鑒定與保存，避免種質流失；深入了解苧麻種質資源的現(xiàn)狀，提高苧麻種質資源的遺傳多樣性，加強野生苧麻種質的研究和利用，拓寬遺傳基礎；結合常規(guī)手段與分子技術，開展系統(tǒng)深入研究，揭示苧麻表型性狀的遺傳變異與分子水平上的遺傳多態(tài)性之間的關系，對遺傳育種潛力進行客觀評價；對重要的性狀進行基因定位，發(fā)現(xiàn)優(yōu)良基因，為苧麻的保護和合理利用提供材料。