尹一卜 李吉祥 郭櫻杰 蘆子廷 肖 英 劉華領 詹亞光 曾凡鎖*
(1. 東北林業(yè)大學生命科學學院,哈爾濱 150040;2. 黑龍江省山河屯林業(yè)局,哈爾濱 150232)
木質(zhì)素是高等陸地植物細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分,它增強細胞的機械支持力和抗壓強度,促進了水的運輸,并成為抵抗病原體的物理屏障。木質(zhì)素的含量和組成在植物物種間以及植物體內(nèi)部有很大差異,并受發(fā)育和環(huán)境因素的影響。木質(zhì)素單體(S-,G-和H-木質(zhì)素的單體)生物合成途徑中大多數(shù)酶及其功能已被確定。目前,可以利用木質(zhì)素生物合成途徑中關鍵基因(等)的特定突變、遺傳修飾及差異表達來改變木材品質(zhì)性狀。苯丙氨酸途徑受到干擾后,途徑中間體可能會成功整合到木質(zhì)素聚合物中,從而影響其理化性質(zhì)。苯丙氨酸氨解酶(PAL)和酪氨酸氨解酶(TAL)催化苯丙氨酸向反式肉桂酸的轉(zhuǎn)化,并將碳流從莽草酸途徑引入苯丙烷代謝的各個分支,這是苯丙烷代謝途徑的第一步,也是初級和次級代謝交叉的重要調(diào)節(jié)點。研究表明,同一植物中不同的基因表達模式及調(diào)控機制具有顯著的差異性。在擬南芥()中具有4個不同的基因,其表達具有組織特異性,其中和表達模式較為相似,均在擬南芥的根、花、莖中表達水平較高,而在上述部位中幾乎沒有表達,獲得的、、、四突變體中木質(zhì)素的含量降低,并且大大減少莖中木質(zhì)素和其他酚類化合物的含量,這些突變體在生長、繁殖力和對環(huán)境壓力的耐受性方面都受到損害。白梨()基因在木質(zhì)化組織(根和莖)中的的轉(zhuǎn)錄水平高于木質(zhì)度較低的組織(葉、芽和花),在過表達擬南芥中增加了木質(zhì)素含量和細胞壁厚度,參與木質(zhì)素生物合成。本文的前期研究克隆了水曲柳()基因,其與梨樹()中參與木質(zhì)素合成的PAL基因具有極高同源性?;蛟谀举|(zhì)化程度較高的水曲柳枝中表達量最高,具有組織特異性。表達模式在水曲柳的不同部位顯示出與木質(zhì)素含量相似的變化趨勢,初步說明可能參與水曲柳中木質(zhì)素的生物合成。在非生物脅迫下,的表達量顯著上升。植物的苯丙烷類代謝途徑能夠被非生物脅迫激活,從而增加基因的活性,提高植物抗逆境能力,起到保護和調(diào)節(jié)的作用。轉(zhuǎn)錄水平隨環(huán)境因素變化,例如高光/紫外線、病原體攻擊、低氮、低磷酸鹽、低溫和傷害都可以改變基因的轉(zhuǎn)錄水平。
水曲柳為木犀科(Oleaceae)白蠟屬(又稱為梣屬)落葉喬木,是東北珍貴的闊葉用材樹種之一。該樹種是中國木材生產(chǎn)的主要商業(yè)樹木之一,在東北的生態(tài)和環(huán)境保護中發(fā)揮著重要作用。前期研究中,本團隊已經(jīng)獲得水曲柳與大葉白蠟()、小葉白蠟()和絨毛白蠟()的雜種F1,并營建了對比試驗林。苯丙氨酸解氨酶(PAL)是苯丙烷類代謝中的關鍵酶和限速酶,解析的等位基因變異對水曲柳生長和木材品質(zhì)性狀的影響機制具有重要意義。分析各雜交組合F1 木質(zhì)素含量,并與其母本自由授粉子代進行比較,可揭示水曲柳各雜交組合木質(zhì)素含量的變異規(guī)律。通過序列測定,篩選F1 代各無性系中的SNP 位點,與木質(zhì)素含量進行關聯(lián)性分析,探究基因內(nèi)部堿基變化對水曲柳木質(zhì)素含量的影響,為從分子水平對水曲柳的雜交子代的選育和木材改良研究奠定堅實的基礎。
1.1.1 試驗材料
本研究材料取自東北林業(yè)大學帽兒山林場,71 個白蠟屬種間雜交組合子代及16 個母本自由授粉子代。其中,親本為水曲柳×大葉白蠟的雜交組合共有25 個、親本為水曲柳×小葉白蠟的雜交組合共有18 個、親本為水曲柳×絨毛白蠟的雜交組合共有28 個、母本水曲柳的對照組合共有16 個。每個雜交組合取2~3 株,共176 個無性系,平均每棵樹上取3~4 個當年新生枝條。將水曲柳枝用固體粉碎機攪碎呈粉末狀,裝入信封,標明其對應的水曲柳無性系,放于干燥通風處以備后續(xù)試驗使用。另一部分取每株新生枝剝?nèi)淦?,放?80 ℃冰箱保存,用于總DNA提取。
1.1.2 水曲柳新生枝木質(zhì)素含量測定
取一定量烘干的水曲柳粉末(80 目),將樣品放在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量。取0.05 g 樣品溶于1 mL溴乙酰冰醋酸溶液(25%)中,70 ℃水浴30 min,冷卻后加入0.4 mL(2 mol·L)NaOH 終止反應,再加入1 mL 冰醋酸和0.04 mL(0.5 mol·L)羥氨鹽酸,離心收集上清液,加入蒸餾水稀釋50 倍,測量280 nm處OD值A,以計算木質(zhì)素的含量。
1.1.3 水曲柳總DNA的提取及克隆
將水曲柳新生枝樹皮材料加入液氮研磨成細粉末狀后加入到已預熱(65 ℃)的CTAB 緩沖液中,放入金屬浴儀器(65 ℃)中保溫30 min,每5 min 搖動離心管,后把樣品管插到冰上冷卻2 min,加入700μL 氯仿,離心取上清液再次加入氯仿離心,此過程重復2次。取上清液加入等體積的異丙醇,輕輕搖勻后插到冰上,沉淀至少30 min。離心取沉淀用70%的乙醇洗滌2次,最后加入50μL的ddHO進行溶解,溶解后離心1 min,進行電泳。設計基 因 全 長 引 物 序 列(F:5′CTGCCA‐CATTCAACAACAAGAG3′,R:5′GTTTTAGTCCCAAAGTCTTGTTACA3′)并以提取水曲柳DNA 為模板進行擴增。電泳檢測利用1%的瓊脂糖凝膠檢測擴增產(chǎn)物,選擇特異性條帶且大小在1 800 左右的擴增產(chǎn)物進行測序。
采用SPASS19.0 軟件對所測得的木質(zhì)素含量進行統(tǒng)計分析。根據(jù)木質(zhì)素含量進行差異顯著性分析。
所需應用的變異系數(shù)的計算公式:
式中:代表所測含量或性狀的平均值,代表代表所測含量或性狀的對應于平均值的標準差。
對遺傳力進行計算研究所需公式:
式中:值代表遺傳力,代表樣本進行放長分析時的輸出項。
將序列比對結(jié)果進行統(tǒng)計,篩選出SNP 位點,對突變頻率極低(<3%)的位點進行排除,計算SNP 頻率及發(fā)生突變過程中轉(zhuǎn)換和顛換的數(shù)量。利用DnaSP5.0 軟件分析基因核苷酸多樣性并進行中性檢測;利用MEGA 軟件對不同無性系間基因的遺傳距離進行分析;再利用DnaSP5.0軟件對基因的SNP位點進行連鎖不平衡分析;最后結(jié)合其對應無性系的木質(zhì)素含量,利用SPSS 軟件進行差異檢測及關聯(lián)性分析。
測量分析不同雜交組合子代木質(zhì)素的含量(見表1),在水曲柳×大葉白蠟組中70 號雜交組合木質(zhì)素含量最高為(32.96±5.25)%。水曲柳×小葉白蠟組和水曲柳×絨毛白蠟組中129號和7號雜交組合的木質(zhì)素含量為(35.29±1.71)%,(39.79±7.15)%達到組合內(nèi)最高水平。而母本自由授粉子代中135 號木質(zhì)素含量達到了最高值為(37.20±3.73)%,但是其中大多數(shù)雜交組合水曲柳的木質(zhì)素含量是高于母本對照水曲柳組的平均含量。70號、129 號,7 號雜交組合木質(zhì)素遺傳增益分別13.59%,25.57%,36.33%。
表1 白蠟屬種間雜交組合木質(zhì)素含量均值統(tǒng)計Table 1 Mean statistics of lignin content in Fraxinus spp.hybrid combinations
分析71 個雜交組合和16 個母本自由授粉子代間木質(zhì)素的含量差異(見表2),根據(jù)SPSS 統(tǒng)計學分析表明,各雜交組合間木質(zhì)素含量差異極顯著(<0.01)。水曲柳×大葉白蠟組、水曲柳×小葉白蠟組、水曲柳×小葉白蠟組及母本自由授粉子代的木質(zhì)素含量的變化范圍分別為17.28%~36.07%、11.98%~35.29%、11.80%~39.79%和11.59%~37.20%(見表2)。各組合內(nèi)木質(zhì)素含量差異顯著,其各組間的均值范圍為25.53%~27.38%,各雜交組合內(nèi)木質(zhì)素含量的均值分別為:水曲柳×大葉白蠟(27.31±4.72)%;水曲柳×小葉白蠟(26.50±6.47)%;水曲柳×絨毛白蠟(27.38±5.20)%;母本自由授粉子代水曲柳(25.53±7.16)%。各雜交組的木質(zhì)素含量均與母本自由授粉子代水曲柳差異顯著,遺傳力范圍為0.657~0.895。
表2 白蠟屬各組合木質(zhì)素的方差分析及含量變異參數(shù)分析Table 2 Variance analysis and content variation parameter analysis of lignin in various combinations of Fraxinus spp.
對176 個無性系木質(zhì)素含量進行分析(見表3),其中親本為水曲柳×大葉白蠟母本水曲柳雜交子代無性系53 個;水曲柳×小葉白蠟雜交子代無性系28 個;水曲柳×絨毛白蠟雜交子代無性系66個;母本自由授粉子代水曲柳無性系28 個。根據(jù)統(tǒng)計學分析,水曲柳雜交組合內(nèi)各無性系木質(zhì)素含量差異顯著,具有進一步研究價值。
表3 各組合內(nèi)無性系木質(zhì)素含量方差顯著性分析Table 3 Significance analysis of variance of lignin con‐tent in clones of different combinations
對176 個無性系木質(zhì)素含量變異情況進行分析,發(fā)現(xiàn)水曲柳×大葉白蠟組、水曲柳×小葉白蠟組、水曲柳×小葉白蠟組,母本自由授粉子代組內(nèi)各無性系間遺傳力(h)分別為0.863、0.955、0.917、0.961。
對各雜交組合無性系進行統(tǒng)計分析,其中三個不同雜交組合中水曲柳木質(zhì)素含量最高的無性系分別為:水曲柳×大葉白蠟組Ⅱ-100-3(36.07±0.86)%,水曲柳×小葉白蠟Ⅱ-129-6(35.29±1.71)%,水曲柳×絨毛白蠟Ⅱ-7-10(39.79±7.15)%。母本自由授粉子代水曲柳中木質(zhì)素含量最高的為I-135-8(37.20±3.73)%。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對其中前5%優(yōu)良生長性狀無性系進行篩選,結(jié)果為水曲柳×大葉白蠟組I-86-5 和Ⅱ-100-3 的木質(zhì)素遺傳增益分別為24.38%和27.69%;水曲柳×小葉白蠟Ⅱ-129-6的木質(zhì)素遺傳增益為31.67%;水曲柳×絨毛白蠟Ⅱ-7-10、I-48-4 和I-55-1 的木質(zhì)素遺傳增益分別為41.59%、34.64%和29.17%。
分別對176 株不同無性系水曲柳總DNA 進行提取,電泳有清晰DNA 條帶,且OD值約為1.8,樣品質(zhì)量較高,能夠滿足后續(xù)對基因的擴增?;虻娜蛄泄灿? 893個堿基,其中編碼區(qū)長度為1 674 bp,設定擴增片段長度為1 810 個堿基,其設計的引物序列范圍為13~34,1 799~1 823。對基因進行擴增對其擴增產(chǎn)物進行檢驗,其產(chǎn)物長度約為1 810 bp(見圖1)。
利用BioEdit 軟件將基因測序結(jié)果進行拼接,發(fā)生突變位點中,有一些位點的突變頻率極低(<3%),為防止測量誤差造成的影響,這些位點不算作SNP 位點。篩選出的SNP 位點共有33個,根據(jù)比對結(jié)果部分序列篩選SNP位點如圖2所示,其中C-T突變的位點有12個(90位,174位,306位,334 位,432 位,654 位,718 位,744 位,783 位,837 位,1 167 位,1 182 位);A-C 突變位點1 個(604位);G-A 突變位點12 個(204 位,348 位,435 位,603 位,623 位,657 位,796 位,829 位,1206 位,1 272 位,1 412 位,1 638 位);T-G 突變位點2 個(753 位,1 165 位);C-G 突變位點5 個(91 位,140位,387 位,828 位,1 421 位);A-T 突變位點1 個(589 位)均出現(xiàn)在編碼區(qū)?;蛑袑偻x突變16 個,屬非同義突變17 個。進行SNPs 位點篩選的基因總長度為1 674 bp,故基因內(nèi)部SNP 位點出現(xiàn)的概率為1/51。
圖2 FmPAL基因序列比對結(jié)果Fig.2 Comparison of FmPAL gene sequences
SNP 多態(tài)性指的是DNA 序列中單個堿基突變而引起的多種排列方式。這種突變的產(chǎn)生,主要由轉(zhuǎn)換(C-T、G-A)和顛換(C-A、C-G、G-T、A-T)引起,本研究篩選出的33個SNP位點中,轉(zhuǎn)換突變位點24 個,顛換突變位點9 個。為了更深刻理解水曲柳群體的遺傳多樣性,利用DnaSP5.0 軟件對于比對序列的核苷酸多樣性()進行分析,值反應了基因的相似性及多樣性,結(jié)果顯示所研究的基因中,多態(tài)位點數(shù)為93,經(jīng)篩選去除突變頻率極低(<3%)位點后的有意義SNP 位點數(shù)為33 個,核苷酸多樣性值為0.007 45,單倍型數(shù)是131,單倍型多樣性值為0.999 7,核苷酸平均差異數(shù):12.423。其中,單倍體多樣性反應了群體總體的遺傳多樣性,越高則遺傳資源水平越豐富,抽取樣本時不同的概率越大。本研究中的水曲柳群體的基因單倍體多樣性值達到了0.999 7,屬高水平,證實了基因具有較高的變異,遺傳資源多樣。
遺傳距離是用于衡量不同基因序列的綜合遺傳差異大小的指標。分析基因的遺傳多樣性,對水曲柳不同無性系的基因測序結(jié)果進行比對后,利用MEGA 生物學分析軟件,計算不同無性系之間的遺傳距離。結(jié)果表明基因總體平均遺傳距離為0.010,各無性系間遺傳距離的分布范圍是0.000~0.030。對比發(fā)現(xiàn),無性系Ⅰ-33-3、Ⅱ-3-5-2 和Ⅰ-3-3-9 與其它大部分無性系的基因之間遺傳距離都大于0.020 cM,其中最大的遺傳距離達到0.030 cM(Ⅱ-3-5-2 與Ⅱ-91-3、Ⅰ-33-3 與Ⅱ-91-3、Ⅱ-3-5-2 與Ⅱ-66-8),其次的遺傳距離達到0.029 cM(Ⅱ-3-5-2與Ⅰ-28-1、Ⅱ-3-5-2與Ⅰ-105-2、Ⅰ-73-6 與Ⅰ-33-3、Ⅰ-73-6 與Ⅱ-3-5-2、Ⅰ-73-6 與Ⅰ-3-3-9、Ⅱ-66-8 與Ⅰ-33-3、Ⅱ-66-8 與Ⅱ-3-5-2、Ⅱ-66-8 與Ⅰ-3-3-9)。這說明Ⅰ-33-3、Ⅱ-3-5-2 和Ⅰ-3-3-9 號無性系的變異程度高,遺傳差異最明顯。而遺傳距離最小的為0.000 cM,多對序列間的距離呈現(xiàn)最小值,包括Ⅱ-72-9 與Ⅱ-38-2、Ⅰ-44-8 與Ⅱ-72-2、Ⅱ-38-2 與Ⅱ-70-1。參考BioEdit 軟件的比對結(jié)果,這些遺傳距離小的無性系之間基因序列基本是一致的,而遺傳距離較大的兩個無性系之間,基因序列上的堿基差異較大,故遺傳距離的計算對于不同無性系基因變異及差異性的描述具有顯著意義,為表型數(shù)據(jù)的分析提供重要參考。
通過對所研究的DNA 序列進行基礎檢測分析,判定此物種群體的DNA 是否可以遵循中性進化模式。我們利用DnaSP5.0 軟件對基因在進化過程中的自然選擇的作用情況進行中性檢驗,結(jié)果顯示,基因的Tajimas D 值為-0.957 39,F(xiàn)u 和Li值為-1.563 74,均為負值,推測群體序列的進化方式為負向選擇。關聯(lián)作圖,也稱為LD 作圖或全基因組關聯(lián)研究(GWAS),是連鎖分析的一種映射選擇,應用DnaSP 5.0 軟件中的LD 程序進行對176 個不同水曲柳無性系基因連鎖不平衡進行估算。由圖3 可見隨著基因中核苷酸序列長度增加,基因無明顯衰退趨勢,其不平衡水平緩慢上升。值由0.1 緩慢上升至0.2。說明基因中SNP 位點的連鎖不平衡水平無明顯衰退。
圖3 FmPAL基因的LD連鎖不平衡圖譜R2值是衡量兩個位點連鎖不平衡程度的重要指標;R2表示兩個位點在等位基因中出現(xiàn)的頻率;當R2=1,表示連鎖完全不平衡,沒有重組;當R2=0,表示連鎖完全平衡,隨機組合Fig.3 LD linkage disequilibrium map of FmPAL geneR2 value is an important index to measure the degree of linkage dis‐equilibrium between two loci;R2 represents the frequency of the two loci appearing in the alleles;R2=1,indicates complete linkage disequi‐librium,no recombination;R2=0,indicates complete linkage balance,random combination
結(jié)合水曲柳無性系的木質(zhì)素含量,對所有33個位于基因編碼區(qū)的單個SNP位點與木質(zhì)素含量進行關聯(lián)分析。關聯(lián)分析中具有顯著差異的 位 點 分 別 是SNP140(G-C)、SNP796(G-A)、SNP654(T-C)。在SNP140 和SNP796 中突變型純合體木質(zhì)素含量顯著高于野生型純合體木質(zhì)素含量,但在SNP654 中突變型純合體木質(zhì)素含量顯著低于野生型純合體木質(zhì)素含量。SNP140的CC突變純合基因型水曲柳木質(zhì)素含量為(29.03±3.53)%,GG 野生純合型木質(zhì)素含量為(26.86±5.39)%,兩種基因型之間具有顯著差異(=0.044);SNP654的野生純合TT 基因型水曲柳木質(zhì)素含量為(28.49±4.72)%,CC 突變純合型木質(zhì)素含量為(25.67±5.95)%,兩種基因型之間具有顯著差異(=0.003);SNP796的GG野生純合基因型水曲柳木質(zhì)素含量為(26.91±5.47)%,AA 突變純合基因型木質(zhì)素含量為(29.03±4.74)%,兩種基因型之間差異顯著(=0.039)。其余30 個SNP 位點其突變純合基因型水曲柳木質(zhì)素含量與野生純合型基因木質(zhì)素含量兩種基因型之間差異不顯著,說明這30 個SNP位點單一突變對木質(zhì)素含量影響不明顯。
目前,水曲柳作為珍貴闊葉用材樹種,種質(zhì)資源選擇和雜交育種是其遺傳改良的重要手段。林木遺傳變異是選擇的前提,前期研究發(fā)現(xiàn)白蠟屬的各雜交組合水曲柳×大葉白蠟組、水曲柳×小葉白蠟和水曲柳×絨毛白蠟組與母本自由授粉子代對照組相比其樹高、胸徑均存在顯著差異。本研究也發(fā)現(xiàn)各雜交組合的木質(zhì)素含量與母本也存在顯著差異,表明生長性狀和木材性狀存在豐富的變異基礎,這為優(yōu)良雜交種的選擇奠定了基礎。表型是在遺傳和環(huán)境的共同作用下形成的。李昌榮等研究9.5年生的大花序桉()胸徑、樹高、單株材積、生材密度等,明確了大花序桉生長性狀對材性性狀間接選擇效果不好,基本密度對其他材性性狀的間接選擇效果較好。多性狀綜合指數(shù)法可以選擇出部分生長和材質(zhì)兼優(yōu)的家系。本研究通過對白蠟屬種間雜交組合無性系木質(zhì)素含量進行研究,有利于篩選各雜交組合中優(yōu)于母本自由授粉子代的組合及無性系。通過分析木質(zhì)素含量水平的高低,有利于種間雜交子代的木材性狀評價及實際生產(chǎn)應用的深入研究。
1989 年日本學者Fumio Tajima 首次建立了中性檢測(Tajima Test),現(xiàn)在廣泛的應用于關聯(lián)性檢測前的基礎檢驗。通過對所研究的DNA序列進行基礎檢測分析,判定此物種群體的DNA 是否可以遵循中性進化模式。通過中性檢測推測群體序列的進化方式為負向選擇。連鎖不平衡(LD)為基礎的關聯(lián)映射已替代傳統(tǒng)的QTL 作圖,用于解析性狀的復雜性。這種新穎的方法易應用于自然或育種種群,以檢查自然等位基因變異與感興趣的性狀之間的關聯(lián),并提高標記/性狀關聯(lián)的分辨率。LD 的估計值從一個染色體區(qū)域到另一個染色體區(qū)域變化,并且在周圍區(qū)域中更高。通過分析發(fā)現(xiàn)基因中SNP位點的連鎖不平衡水平無明顯衰退。
SNP 由于其分子標記在基因組內(nèi)數(shù)量豐富,在編碼區(qū)和非編碼區(qū)皆廣泛分布,已成為鑒定樹木品種身份的輔助方法之一。在油橄欖()研究中,通過11 個核心SNP 位點對57 種油橄欖品種進行區(qū)分。SNP 位點的篩選分析還有助于對植物表型相關基因的研究。例如在水稻()氣孔性狀相關基因的研究中,分析EPF-TMM-SDD 途徑相關基因在粳稻(var.)和秈稻(subsp.)的SNP 位點的不同,為其性狀差異的機制解析奠定基礎。本研究通過對176 個水曲柳無性系基因進行測序,從總長度為1 674 bp 的序列中篩選出共33個SNP位點,其基因內(nèi)部SNP位點出現(xiàn)的概率為1/51,包含同義突變18 個,非同義突變15個。本文明確了等位基因變異與水曲柳的木質(zhì)素含量密切相關。單倍型多樣性值為0.999 7,核苷酸平均差異數(shù):12.423,說明基因具有較高的變異,遺傳資源豐富多樣。關聯(lián)分析確定了與木質(zhì)素含量顯著相關的3個SNP,分別為SNP140、SNP654、SNP796,而其余SNP位點并沒有對木質(zhì)素含量產(chǎn)生明顯影響,其原因可能為這些單一的非同義突變位點可能與其它SNP 位點連鎖共同發(fā)揮作用,而單一的SNP位點分析不能揭示其與木質(zhì)素合成的關系,所以具體作用機制有待于進一步的分析。這些發(fā)現(xiàn)表明了參與木質(zhì)素合成,并提供了與木質(zhì)素性狀相關的分子標記,在標記輔助育種中的有較好的應用潛力。由于大多數(shù)SNP 所解釋的性狀變異百分比很小,因此可能需要將這些重要標記組合在一起。通過結(jié)合水曲柳中高度保守的木質(zhì)部轉(zhuǎn)錄組來解析這種復雜的關系,這將有助于構(gòu)建次生生長和木材形成的調(diào)控模型,并設計出改善木材產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的策略,包括縮短育種周期和增加早期選擇準確性。