摘要: 草種業(yè)作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)之一,在提高養(yǎng)殖效益、增加農(nóng)牧民收入、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。種質(zhì)資源收集、保存、鑒定評(píng)價(jià)和創(chuàng)新利用及新品種(系)選育已是當(dāng)前草種業(yè)研究的熱點(diǎn)話題。因此,本文主要從草種質(zhì)資源形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞學(xué)及分子水平4個(gè)方面對(duì)其遺傳多樣性進(jìn)行總結(jié)和展望,旨在為草種質(zhì)資源的創(chuàng)制及育種利用提供參考。
關(guān)鍵詞: 草;種質(zhì);遺傳多樣性
中圖分類號(hào):S813.9 """文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A """"文章編號(hào): 1007-0435(2024)02-0349-09
Research Advances on Genetic Diversity of Grass Germplasm
CHEN Cai-jin1,2,3, WANG Xue-min2*, LIU Wen-hui1*, ZENG Yan-xia3, BAO Ming-fang3,
SHANG Ji-hong3, ZHANG Shang-pei3, ZHU Xin-zhong3, GAO Ting4, CUI Jun-ling5,
ZHANG Guo-hui3, CHEN Zhi-long3, SHA Xiao-di3
(1.Academy of Animal Science and Veterinary Medicine of Qinghai University, Xining, Qinghai Province 810016, China; 2.Institute
of Animal Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 3.Guyuan Branch, Ningxia Academy of Agricultural
and Forestry Sciences, Guyuan, Ningxia 756000, China; 4.Institute of Animal Science, Ningxia Academy of Agricultural and
Forestry Sciences, Yinchuan, Ningxia 750002, China; 5.Zhongshan Park of Yinchuan, Yinchuan, Ningxia 750001, China)
Abstract: As one of the important industries in the field of agriculture,the grass seed industry is playing an increasingly important role in improving the efficiency of farming,increasing the income of farmers and herdsmen,and promoting high-quality economic and social development. The collection,preservation,identification,evaluation and innovative utilization of germplasm resources and the breeding of new varieties (lines) have become hot topics in the current research of grass seed industry. This paper mainly summarized and prospected the genetic diversity of grass germplasm resources from four aspects:morphology,biochemistry,cytology and molecular level,aiming to provide reference for the creation and breeding utilization of grass germplasm resources.
Key words: Grass;Germplasm;Genetic Diversity
草產(chǎn)業(yè)是草食畜牧業(yè)發(fā)展最主要的物質(zhì)基礎(chǔ),是調(diào)整糧經(jīng)飼三元結(jié)構(gòu)的重要內(nèi)容,也是農(nóng)業(yè)的重要組成部分。因此,加快建設(shè)適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)需求的現(xiàn)代草產(chǎn)業(yè)十分必要。然而,現(xiàn)階段我國(guó)草產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在短板弱項(xiàng),遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求,尤其是草種業(yè),已是掣肘國(guó)家種業(yè)發(fā)展的短板,已成為國(guó)家實(shí)施重大戰(zhàn)略的“卡脖子”關(guān)鍵問(wèn)題[1]。為此,開(kāi)展草種業(yè)的研究工作意義重大。
草種質(zhì)資源是優(yōu)異基因庫(kù),是生物多樣性的核心,是草種業(yè)創(chuàng)新利用、資源保護(hù)和育種工作的基礎(chǔ)。草種質(zhì)資源屬國(guó)家戰(zhàn)略性資源,對(duì)于保障國(guó)家糧食、生態(tài)和社會(huì)安全,促進(jìn)畜牧業(yè)健康發(fā)展,優(yōu)化生態(tài)環(huán)境,加速農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義[2-4]。在草種質(zhì)資源創(chuàng)新開(kāi)發(fā)利用中,遺傳多樣性研究不僅有助于揭示植物的遺傳背景、結(jié)構(gòu)、品種(資源)間遺傳關(guān)系及進(jìn)化等相關(guān)特點(diǎn),還能確定出遺傳多樣性與環(huán)境、氣候、地理位置之間的關(guān)系。因此,草種質(zhì)資源遺傳多樣性研究能為將來(lái)草優(yōu)異種質(zhì)資源的創(chuàng)新發(fā)展利用和育種提供理論依據(jù)[5],也能為改良及培育新品種提供遺傳基礎(chǔ)[6]。基于此,本文將歸納整理草種質(zhì)資源形態(tài)、生物化學(xué)、細(xì)胞及DNA分子水平遺傳多樣性研究進(jìn)展,以及對(duì)草種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行展望,以期為草種質(zhì)資源創(chuàng)制和育種利用提供參考。
1 基于形態(tài)水平的遺傳多樣性分析
形態(tài)學(xué)主要是通過(guò)直接觀察或利用科學(xué)儀器對(duì)葉型、株高、分枝(分蘗)、穗形及種子等的相關(guān)性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析研究[7-8]。形態(tài)學(xué)性狀一般分為兩類,一類是質(zhì)量性狀,一類是數(shù)量性狀。其中,數(shù)量性狀包括二元、定性多態(tài)和數(shù)量多態(tài)性狀。二元性狀是以“有”或“無(wú)”為評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn),有易于記錄的優(yōu)點(diǎn),但只能用來(lái)描述部分簡(jiǎn)單性狀。定性多態(tài)性狀有容易采集和區(qū)分統(tǒng)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)量多態(tài)性狀有受環(huán)境影響呈連續(xù)變化,因而在遺傳表達(dá)中有穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性低等缺點(diǎn)[9-10]。但是,因表型和基因型之間存在著基因調(diào)控、表達(dá)和個(gè)體發(fā)育等環(huán)節(jié),所以一定程度上植物形態(tài)學(xué)性狀的遺傳變異能夠反應(yīng)出基因型的差異[11]?;谛螒B(tài)學(xué)特征的種質(zhì)資源遺傳多樣性研究在草種質(zhì)資源(品種)中被廣泛應(yīng)用。Harlen等[12]將狗牙根(Cynodon spp.)材料按照葉色、地下莖生長(zhǎng)習(xí)性、株型等指標(biāo)為劃分為6個(gè)變種。Casler[13]發(fā)現(xiàn)了以表型和生態(tài)型劃分的多年生黑麥草(Lolium perenne)種質(zhì)資源居群和品種在幼苗活力、葉片寬度、根腐病發(fā)生率和產(chǎn)量上都存在相似性。Finne等[14]對(duì)挪威11 個(gè)地方的白三葉(Trifolium repens)居群之間和居群內(nèi)部重要農(nóng)藝性狀的基因型變異在2個(gè)不同的地點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)估,發(fā)現(xiàn)耐寒性、春季生長(zhǎng)情況、株高、干物質(zhì)產(chǎn)量等8個(gè)性狀的基因型差異顯著,并且檢測(cè)到高度的基因型和地點(diǎn)互作效應(yīng)顯著。李雪[15]對(duì)96 份苜蓿(Medicago sativa L.)材料的株高、葉長(zhǎng)、葉寬、莖粗等16 個(gè)性狀進(jìn)行了分析研究,得出株高、根頸直徑、莖粗、葉面積、一級(jí)分枝數(shù)和根頸入土深度是苜蓿遺傳多樣性和變異的主要影響因子,并將材料聚為5類,其中,有9份材料生長(zhǎng)旺盛、長(zhǎng)勢(shì)好、可作為育種優(yōu)異材料進(jìn)行利用。劉新亮[16]對(duì)我國(guó)11 個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū))38 個(gè)縣市的19 份垂穗披堿草(Elymus nutans Griseb.)和31 份老芒麥(Elymus sibiricus L.)的株高、莖被白粉、旗葉長(zhǎng)、寬及種子的24 個(gè)性狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)材料差異性是種間大于種內(nèi),主成分分析結(jié)果是株高、穗寬、旗葉寬等9個(gè)性狀對(duì)垂穗披堿草和老芒麥的表型分化作用相同且最大,在歐式距離為11 時(shí)垂穗披堿草和老芒麥分別被聚為2類和3類,且形態(tài)相似材料聚在一起,地理來(lái)源相似或相同材料聚在一起。草種質(zhì)資源在形態(tài)學(xué)方面的遺傳變異分析方法是最傳統(tǒng)、直接、簡(jiǎn)便易行的方法,在草育種利用和生產(chǎn)中也發(fā)揮了重要作用,是常用重要的標(biāo)記手段之一[17-18],但形態(tài)學(xué)標(biāo)記也存在一定的缺陷,因?yàn)槌R?jiàn)的表型性狀是單基因性狀和多基因性狀,但一般情況下自然界中單基因性狀很少,利用形態(tài)學(xué)標(biāo)記的位點(diǎn)只能代表少數(shù)的基因位點(diǎn),不能代表整個(gè)基因組的變異[17],同時(shí),形態(tài)學(xué)受遺傳物質(zhì)和環(huán)境的共同調(diào)控,有些表型標(biāo)記的多態(tài)性差, 在利用中存在一定的局限[19],因此,需跟分子標(biāo)記等多種遺傳多樣性分析方法協(xié)同使用和互相印證,以此來(lái)保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)需對(duì)突出資源進(jìn)行進(jìn)一步多年多點(diǎn)的表型鑒定與觀測(cè),以此來(lái)確定出具體資源的優(yōu)異性狀,以便創(chuàng)制利用。
2 "基于生物化學(xué)水平的遺傳多樣性分析
生物化學(xué)標(biāo)記主要在植物中是以同工酶和種子貯藏蛋白標(biāo)記為主。同工酶是基因表達(dá)的產(chǎn)物,與植物的遺傳代謝調(diào)節(jié)、生長(zhǎng)發(fā)育及抗性等有很大關(guān)系,其差異能夠反映出生物體遺傳基礎(chǔ)的差異[20]。李小雷等[21]對(duì)老芒麥與紫芒披堿草(Elymus purpuraristatus C.P.Wang et H.L.Yang)正、反交F1代植株的過(guò)氧化物同工酶進(jìn)行研究,結(jié)果表明其正、反交F1代植株過(guò)氧化物同工酶繼承了雙親的3條基帶和母本或父本的互補(bǔ)帶,具有穩(wěn)定的遺傳特性,但酶帶數(shù)、酶帶位置有差異。韓天文等[22]對(duì)5個(gè)蘇丹草(Sorghum sudanense)品種的酯酶同工酶進(jìn)行了比較分析,得出利用酯酶同工酶電泳圖譜能夠有效、快速區(qū)分蘇丹草品種,此方法可鑒定、區(qū)分蘇丹草材料。陳立強(qiáng)等[23]對(duì)43 份引進(jìn)苜蓿品種、新疆大葉和拜城紫花苜蓿等材料的過(guò)氧化物酶、淀粉酶、過(guò)氧化氫酶和酯酶利用電泳技術(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明43 份苜蓿具有一定水平的遺傳差異。李淑娟等[24]對(duì)青海鵝觀草屬(Roegneria C.Koch.)的10 個(gè)野生種質(zhì)資源的酯酶同工酶進(jìn)行聚丙烯酰胺凝膠垂直平板電泳技術(shù)檢測(cè)及研究,認(rèn)為不同居群在遺傳本質(zhì)上是有區(qū)別的,聚類分析結(jié)果表明鵝觀草屬植物的聚類與海拔、種源地、生境等有一定的關(guān)系,海拔差異小的居群遺傳距離也較小。陳立強(qiáng)等[25]就2份野生紫花苜蓿和27 份栽培苜蓿品種的過(guò)氧化物酶、淀粉酶和過(guò)氧化氫酶采用電泳技術(shù)進(jìn)行了分析研究,結(jié)果顯示出野生種質(zhì)資源之間,以及野生種質(zhì)資源與栽培品種之間的親緣關(guān)系都較遠(yuǎn),對(duì)于具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的野生種質(zhì)資源可通過(guò)鑒定篩選、馴化、選擇、改良等技術(shù)手段轉(zhuǎn)化成野生栽培品種或栽培品種進(jìn)行利用,以此來(lái)解決苜蓿栽培種遺傳基礎(chǔ)狹窄等問(wèn)題。何俊等[26]利用電泳技術(shù)對(duì)16 份白三葉草種質(zhì)資源的酯酶、過(guò)氧化物酶同工酶進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示16 份種質(zhì)材料在相似系數(shù)為0.71的水平上聚為3大類,其中,地理位置近的資源大部分聚為一類,且等位基因指紋在試驗(yàn)材料中存在分布不均衡的問(wèn)題,表明供試資源具有較高的遺傳多樣性。劉江等[27]對(duì)采集于四川省和重慶市內(nèi)的23 個(gè)地區(qū)的25 份不同產(chǎn)地麥冬(Ophiopogon japonicus)的過(guò)氧化物同工酶進(jìn)行酶譜類型、特征、外觀性狀及其種內(nèi)親緣關(guān)系分析,結(jié)果表明四川盆地麥冬種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性,其遺傳差異與形態(tài)特征關(guān)系緊密,但與地理分布關(guān)系不緊密,以及過(guò)氧化物同工酶的檢測(cè)分析可用于判斷四川產(chǎn)地麥冬種質(zhì)資源遺傳差異和親緣關(guān)系。種子貯藏蛋白是一種組成由遺傳物質(zhì)決定、表達(dá)率高、在種子中能大量積累、不易受環(huán)境影響和降解的蛋白質(zhì),其組分的差異能反映出基因的不同,可用來(lái)進(jìn)行植物品種鑒定、生化標(biāo)記、種群(居群)遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳變異研究,被稱為是區(qū)分品種的生化“指紋”,也是研究植物親緣關(guān)系的重要手段[28-29]。Krochko等[30]對(duì)27 個(gè)苜蓿品種的種子貯藏蛋白進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)種子的遺傳學(xué)和生理學(xué)具有高度的一致性,可利用種子貯藏蛋白研究品種間的差異性。王照蘭等[31]對(duì)胡枝子屬(Lespedeza)的13 份種質(zhì)材料進(jìn)行分析,說(shuō)明應(yīng)用種子儲(chǔ)藏蛋白電泳技術(shù)可以對(duì)胡枝子屬的植物進(jìn)行分類學(xué)鑒定。柳茜等[32]對(duì)5個(gè)不同居群光葉紫花苕(Vicia villosa var.glabresens)種子的貯藏蛋白進(jìn)行比較分析,結(jié)果顯示光葉紫花苕在不同生態(tài)區(qū)域具有較高的遺傳一致性。因此,基于同工酶和種子貯藏蛋白的生物化學(xué)標(biāo)記是草種質(zhì)資源遺傳多樣性研究的最重要遺傳標(biāo)記,其在草種質(zhì)的遺傳特性、資源的鑒定與區(qū)分、遺傳差異與親緣關(guān)系的判斷、及草屬的分類學(xué)鑒定等方面優(yōu)勢(shì)突出。但是,有研究表明在植物生長(zhǎng)的不同階段,同工酶的酶活性及含量存在差異[33],同時(shí),同工酶的表達(dá)還受到干旱、鹽堿及高溫等非生物脅迫的影響,所以利用單一同工酶進(jìn)行標(biāo)記也存在較大的問(wèn)題[34-35]。因此,在草種質(zhì)資源遺傳多樣性鑒定評(píng)價(jià)中,多個(gè)同工酶的相互佐證鑒定及使用其它多種方法聯(lián)合標(biāo)記是確定種質(zhì)資源遺傳性狀最為可行的方法。
3 基于細(xì)胞學(xué)水平的遺傳多樣性分析
細(xì)胞學(xué)的標(biāo)記主要是從染色體的角度來(lái)開(kāi)展的[36],因?yàn)槿旧w是基因攜帶者和遺傳物質(zhì)載體,能直接參與植物的遺傳、變異、繁殖、進(jìn)化、發(fā)育等過(guò)程,其的畸變必然會(huì)導(dǎo)致遺傳變異。染色體的變異主要包括染色體結(jié)構(gòu)(帶型和核型)和數(shù)量變異(非整倍性和整倍性)[37]。染色體作為細(xì)胞的遺傳物質(zhì),其標(biāo)記和應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一方面是應(yīng)用到植物細(xì)胞的分類,主要是研究植物種群的起源、進(jìn)化、地理分布及其種群間關(guān)系;另外一方面是作為基因資源進(jìn)行培育和改良植物新品種[17]。在染色體結(jié)構(gòu)變異中,核型(染色體臂指數(shù)、相對(duì)長(zhǎng)度、著絲粒結(jié)構(gòu)、指數(shù))分析研究被廣泛應(yīng)用于草種質(zhì)(品種)的遺傳背景、多態(tài)性分析及基因組進(jìn)化等方面[38]。賈納提等[39]對(duì)新疆4種天然豆科牧草伊犁苜蓿(Medicago subdicyda)、黃花苜蓿(M.falcata)、扭果苜蓿(M.schishkinii)和百脈根(Lotus corniculatus)進(jìn)行核型分析,確定出了不同品種的核型公式,但沒(méi)有對(duì)植物種間的進(jìn)化程度和親緣關(guān)系進(jìn)行闡述;詹秋文等[40]對(duì)不同蘇丹草和高粱(S.bicolo)品種進(jìn)行了核型比較分析,確定出蘇丹草和高粱之間存在遺傳差異不在染色體長(zhǎng)度上;張素貞等[41]通過(guò)比較鵝觀草屬和披堿草屬(Elymus)的核型,兩者在染色體倍性水平和形態(tài)上被分為兩個(gè)屬類。因此,在基于細(xì)胞學(xué)的草種質(zhì)資源的遺傳和變異研究中,核型分析是最常用的方法。同時(shí),利用細(xì)胞學(xué)進(jìn)行遺傳多樣性的分析雖不涉及到環(huán)境因素,但染色體切片制作難度較大且標(biāo)記的數(shù)量還有點(diǎn)少,結(jié)果也不具可靠性。
4 基于分子水平的遺傳多樣性分析
形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、生物化學(xué)標(biāo)記是基于基因表達(dá)的結(jié)果,而分子標(biāo)記(Molecular marker)是DNA水平的直接反映[42]。分子標(biāo)記具有涉及整個(gè)基因組、共顯性遺傳、多態(tài)性高,不受環(huán)境條件和發(fā)育時(shí)期限制等特點(diǎn)[43],能夠揭示出植物品種和群體間的相關(guān)性、差異性,因而在植物種質(zhì)資源分類與鑒定、種子真實(shí)性與純度鑒定、重要農(nóng)藝性狀QTL定位等方面均被廣泛應(yīng)用[44],其中具體的標(biāo)記技術(shù)有限制性酶切片段長(zhǎng)度多態(tài)性(Restriction fragment length polymorphism,RFLP)、快速擴(kuò)增多態(tài)性DNA (Random amplified polymorphic DNA,RAPD)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列多樣性(Simple sequence repeat,SSR)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列間擴(kuò)增(Inter-simple sequence repeat,ISSR)、相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性(Sequence-related amplified polymorphism,SRAP)、單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotidepolymorphism,SNP)、DNA條形碼(DNA barcode)、插入與缺失(Insertion/deletion,InDel)標(biāo)記等。
4.1 RFLP分子標(biāo)記
RFLP標(biāo)記技術(shù)是一種共顯性標(biāo)記技術(shù),由Bostein等[45]發(fā)現(xiàn)。RFLP標(biāo)記原理是用限制性內(nèi)切酶切割DNA,通過(guò)電泳和southern印跡將切割出的大小不等的DNA片段轉(zhuǎn)移至膜(硝酸纖維素膜或尼龍膜)上,并利用同位素或非同位素標(biāo)記的某一片段DNA作為探針,使之與酶切片段雜交,最終顯示出與探針有同源順序的酶切片段在長(zhǎng)度上的差異。RFLP標(biāo)記具有穩(wěn)定性高和共顯性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),早期在草種質(zhì)資源遺傳多樣性研究中發(fā)揮了重要的作用。Kidwell等[46]利用RFLP標(biāo)記確定出了9個(gè)引進(jìn)苜蓿品種的遺傳差異不明顯。Pupilli等[47]對(duì)利用紫花苜蓿四倍體和二倍體的原生質(zhì)體融合產(chǎn)生的體細(xì)胞進(jìn)行RFLP指紋圖譜確定其核組成,得出紫花苜蓿的種間體細(xì)胞雜交種由于其親本基因組幾乎完全傳遞給后代,減數(shù)分裂改變頻率低,有性后代染色體穩(wěn)定性好,形態(tài)性狀與四倍體親本相似或優(yōu)于四倍體親本。RFLP標(biāo)記在檢測(cè)群體間或群體內(nèi)序列差異、繪制遺傳圖譜等方面具有一定的潛力[48],但隨著分子標(biāo)記技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,該技術(shù)的問(wèn)題也逐漸呈現(xiàn),如檢測(cè)靈敏度不高、所需樣品量大、連鎖圖譜上間隔區(qū)較大、檢測(cè)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、操作繁瑣、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[49]。目前,草種質(zhì)資源方面的RFLP標(biāo)記研究應(yīng)用很少。
4.2 RAPD分子標(biāo)記
RAPD分子標(biāo)記技術(shù)是最早基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的標(biāo)記技術(shù)。由Willimas和Welsh等[50-51]研究組于1990年分別提出。RAPD標(biāo)記是以隨機(jī)寡聚脫氧核苷酸為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲得長(zhǎng)度不同的多態(tài)性DNA片段來(lái)確定生物體內(nèi)基因排布與外在性狀表現(xiàn),具有檢測(cè)靈敏度高、樣品量少、多態(tài)性豐富、覆蓋率高、成本低、操作簡(jiǎn)便容易等優(yōu)點(diǎn)[52],不足之處是無(wú)法區(qū)分后代中的雜合體和純合體,擴(kuò)增結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性差,靈敏度不高等[53]。姜健等[54]利用RAPD技術(shù)分析了25 個(gè)紫花苜蓿耐鹽品種的遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu),結(jié)果表明紫花苜蓿單株DNA樣品比混合DNA樣品能更好地反映種內(nèi)或種間的遺傳變異水平,且群體的遺傳結(jié)構(gòu)與繁殖體系關(guān)系緊密。劉偉民等[55]對(duì)狼尾草(Pennisetum Rich.)10 個(gè)品種(品系)間的遺傳關(guān)系利用8條RAPD引物進(jìn)行分析,表明狼尾草屬的草種質(zhì)遺傳多態(tài)性很豐富,但品系之間的基因交流有限。寧婷婷等[56]利用RAPD分析了16 份黑麥草品種的遺傳多樣性,結(jié)果表明供試材料的遺傳多樣性較低,且形態(tài)特征與RAPD分子標(biāo)記結(jié)果不一致。因此,此標(biāo)記方法能有效評(píng)價(jià)草種質(zhì)資源遺傳多樣性和結(jié)構(gòu)關(guān)系、遺傳變異的水平、群體遺傳結(jié)構(gòu)與繁殖體關(guān)系、遺傳多態(tài)性等。
4.3 SSR分子標(biāo)記
SSR標(biāo)記是一種遵循孟德?tīng)栆?guī)律的共顯性遺傳模式的標(biāo)記技術(shù)[57]。SSR標(biāo)記具有多態(tài)性豐富、重復(fù)性高、穩(wěn)定性可靠、可鑒定純合子和雜合子、所需DNA樣品數(shù)量少、對(duì)DNA樣品質(zhì)量要求不高、技術(shù)難度低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。Honing等[58]對(duì)247 份草地早熟禾(Poa pratensis L.)資源進(jìn)行SSR標(biāo)記,發(fā)現(xiàn)在草地早熟禾分類系統(tǒng)上,利用SSR標(biāo)記結(jié)果同利用田間表型評(píng)價(jià)結(jié)果高度相關(guān)。蒙宇等[59]對(duì)來(lái)自24 個(gè)不同國(guó)家的45 份多年生黑麥草資源利用SSR標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明23 對(duì)引物擴(kuò)增出多態(tài)性條帶占比達(dá)到了69.2%,多態(tài)性比較豐富,聚類分析結(jié)果也證實(shí)了參試材料的遺傳關(guān)系與地理來(lái)源相關(guān)。陳堅(jiān)等[60]利用生物素作為探針對(duì)9個(gè)紫云英(Astragalus sinicus L.)品種進(jìn)行研究,得出用6對(duì)引物可將參試品種完全區(qū)分開(kāi),發(fā)現(xiàn)SSR位點(diǎn)可用于鑒別紫云英品種。利用SSR位點(diǎn)的相似性系數(shù)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果顯示SSR分子標(biāo)記的結(jié)果與利用生育期劃分紫云英品種無(wú)關(guān)聯(lián)。因此,SSR標(biāo)記技術(shù)可對(duì)草種質(zhì)資源系統(tǒng)分類、遺傳多態(tài)性、遺傳關(guān)系與來(lái)源、品種鑒定等進(jìn)行有效分析。
4.4 ISSR分子標(biāo)記
ISSR標(biāo)記技術(shù)是1994 年Zietkiewicz等在微衛(wèi)星基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一種簡(jiǎn)單重復(fù)序列間擴(kuò)增多態(tài)性的分子標(biāo)記技術(shù)。ISSR標(biāo)記結(jié)合了RAPD和SSR標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn),具有隨機(jī)引物擴(kuò)增,在基因組信息未知情況下就可標(biāo)記,擴(kuò)增條帶明亮清晰,重復(fù)性和穩(wěn)定性高,多態(tài)性豐富,操作簡(jiǎn)單,產(chǎn)物特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[61]。因此,ISSR標(biāo)記是目前牧草領(lǐng)域常用的一個(gè)分子標(biāo)記方法。馬彪等[62]為分析紅豆草(Onobrychis viciaefolia)種質(zhì)資源的親緣關(guān)系,利用ISSR技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)外22 份紅豆草種質(zhì)資源進(jìn)行多樣性分析,得出紅豆草遺傳多樣性豐富,且大部分材料的遺傳關(guān)系與地理來(lái)源有關(guān)。張夢(mèng)等[63]通過(guò)對(duì)77 份紫云英種質(zhì)資源進(jìn)行ISSR標(biāo)記,結(jié)果顯示紫云英種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富,且資源有地理區(qū)劃特征和明顯的分化。魏小星等[64]對(duì)收集于西藏和青海20 個(gè)不同地理區(qū)域的60 份早熟禾(Poa annua L.)資源進(jìn)行ISSR標(biāo)記的遺傳多樣性分析,發(fā)現(xiàn)早熟禾種質(zhì)資源之間的遺傳信息和遺傳關(guān)系豐富,且不同區(qū)域之間的種質(zhì)存在交叉現(xiàn)象。馬金星等[65]用梯度PCR儀對(duì)新疆20 份野生紫花苜蓿資源進(jìn)行RAPD和ISSR標(biāo)記,得出參試種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富,種群之間發(fā)生了較高的遺傳轉(zhuǎn)化,但兩種分子標(biāo)記的結(jié)果存在區(qū)別,主要是種質(zhì)遺傳多樣性大小和種質(zhì)資源的親緣關(guān)系不同,這有待進(jìn)一步利用其余的標(biāo)記方式進(jìn)行驗(yàn)證。綜上所述,ISSR標(biāo)記在草種質(zhì)的親緣關(guān)系、遺傳多樣性、遺傳關(guān)系與來(lái)源等方面的研究效果顯著。
4.5 SRAP分子標(biāo)記
SRAP分子標(biāo)記技術(shù)是2001 年由Li等[66]創(chuàng)建的一種多態(tài)性高、重復(fù)性高、可靠性強(qiáng)、操作便捷、樣品信息量高及較多廣泛檢測(cè)位點(diǎn)的分子標(biāo)記方法。此方法由于優(yōu)點(diǎn)突出,在牧草遺傳多樣性研究中迅速普及。洪佳琦等[67]對(duì)49 份來(lái)自不同國(guó)家海雀稗(Paspalum vaginatum)種質(zhì)資源進(jìn)行SRAP分析,結(jié)果表明種質(zhì)間存在較大遺傳差異,種質(zhì)親緣關(guān)系穩(wěn)定,可在育種中應(yīng)用。陳永霞等[68]利用SRAP標(biāo)記和表型性狀的遺傳多樣性分析方法對(duì)采集于我國(guó)西南地區(qū)的40 份野生扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa)無(wú)性系材料的遺傳變異和親緣關(guān)系進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)我國(guó)西南地區(qū)野生扁穗牛鞭草遺傳多樣性較豐富。張銳等[69]采用SRAP標(biāo)記技術(shù)對(duì)26 份披堿草(Elymus)種質(zhì)遺傳多樣性分析,結(jié)果表明參試材料遺傳多樣性豐富,SRAP可用作披堿草的遺傳多樣性分析、種質(zhì)鑒別等方面。因此,SRAP標(biāo)記在草遺傳多樣性和親緣關(guān)系的確定研究中作用突出。
4.6 SNP分子標(biāo)記
SNP標(biāo)記是由Lander等提出的物種個(gè)體間單個(gè)核苷酸的顛換、缺失、轉(zhuǎn)換和插入等變異引起的基因組DNA水平的多樣性分子標(biāo)記手段[70]。此手段因具有位點(diǎn)多、分布廣、穩(wěn)定性高、易于檢測(cè)和基因分型等優(yōu)點(diǎn)[71],是目前世界范圍內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿?、使用價(jià)值和發(fā)展空間最大的第三代基因檢測(cè)技術(shù)和重要的分子輔助育種手段[72]。Turuspekov等[73]利用全基因組關(guān)聯(lián)性分析(GWAS)分析了來(lái)自哈薩克斯坦、俄羅斯、歐洲和CIMMYT的194份春小麥材料的表型和基因分型數(shù)據(jù),確定出了農(nóng)藝性狀的標(biāo)記與性狀的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí),在分析中利用3245個(gè)多態(tài)性SNP標(biāo)記進(jìn)一步核實(shí)了材料的遺傳變異。Nguyen等[74]用全基因組SNP標(biāo)記了223個(gè)栽培南瓜材料,得出種間雜交種之間存在著豐富的遺傳變異。Mulugeta等[75]利用SNP標(biāo)記確定出了埃塞俄比亞種植的蠶豆(Vicia faba L.)之間存在相對(duì)較高的遺傳多樣性。Liu等[76]對(duì)297 份多年生黑麥草利用多態(tài)性芯片技術(shù)(Diversity arrays technology,DArT)、SNP和SSR三種標(biāo)記方法分析了其遺傳多樣性,發(fā)現(xiàn)群體中存在著豐富的遺傳多樣性,3種標(biāo)記方法可用來(lái)進(jìn)行多年生黑麥草的多樣性分析,但DarT方法具有最高的重復(fù)性和一致性。綜上,SNP分子標(biāo)記在確定植物種質(zhì)資源多樣性方面潛力很大,但在草種質(zhì)資源方面的應(yīng)用較少。
4.7 DNA條形碼標(biāo)記
DNA條形碼標(biāo)記是根據(jù)物種種間多樣性和種內(nèi)特異性的特點(diǎn),利用標(biāo)準(zhǔn)的DNA片段構(gòu)建出的生物鑒別數(shù)據(jù)庫(kù)[77-78]。DNA條形碼標(biāo)記作為一種快速、高效的標(biāo)記手段在植物物種鑒定和保存利用、物種多樣性保護(hù)、系統(tǒng)發(fā)育等方面被大量的應(yīng)用[79]。在草方面,Saadullah等[80]使用葉綠體基因組片段rbcl+matK這兩種標(biāo)記組合作為植物DNA條形碼的核心條形碼來(lái)識(shí)別草科,構(gòu)建出了一個(gè)具有強(qiáng)引導(dǎo)閾值的單系樹(shù)。然而,由于它們的序列重疊,并且彼此之間的種間距離為零,作者無(wú)法識(shí)別同類物種。Wang等[81]對(duì)澳大利亞?wèn)|部引進(jìn)的29 種417 份禾草(包括26 種雜草)利用DNA條形碼進(jìn)行物種的鑒定,結(jié)果初步顯示三個(gè)葉綠體基因片段matK,ndhK和petL作為DNA條形碼具有區(qū)分和鑒定雜草物種的潛力。因此,DNA條形碼可以作為草的科屬種的鑒定利用。未來(lái)主要在草種質(zhì)資源方面,該技術(shù)會(huì)應(yīng)用在一些瀕危、野生及特有的草種質(zhì)資源的定向收集中,還可能在草種質(zhì)資源保存中,這主要是針對(duì)利用傳統(tǒng)方法無(wú)法準(zhǔn)確鑒定某些種類繁多且小的草類群種子的準(zhǔn)確性而將部分名不符實(shí)的種子存入種質(zhì)庫(kù),導(dǎo)致種質(zhì)庫(kù)種子重復(fù)等問(wèn)題的出現(xiàn)。再就是在草種質(zhì)資源的多樣性評(píng)價(jià)中,DNA條形碼能確定出不同區(qū)域的草種質(zhì)資源的多樣化分布中心,又能確定出不同種或不同科之間的親緣關(guān)系,可能為改良品種和挖掘優(yōu)良基因提供背景資料。
4.8 InDel標(biāo)記
Indel標(biāo)記作為一種基于基因組開(kāi)發(fā)的高通量分子標(biāo)記技術(shù),具有共顯性、帶型清晰、多態(tài)性高及穩(wěn)定性好等特點(diǎn),在作物中被廣泛應(yīng)用到種子純度和真實(shí)性檢測(cè)、遺傳多樣性分析、品種鑒定、指紋圖譜的構(gòu)建等方面。張輝等[82]利用從櫻桃番茄重測(cè)序中挖掘和篩選的48 對(duì)Indel標(biāo)記對(duì)122 份番茄材料進(jìn)行了DNA指紋圖譜構(gòu)建和遺傳多樣性分析,結(jié)果表明,48 對(duì)Indel標(biāo)記能構(gòu)建出12 個(gè)商業(yè)種和10 個(gè)組合親本的指紋圖譜,且這些標(biāo)記在櫻桃番茄中都具有多態(tài)性。Gull等[83]利用InDel標(biāo)記研究了qPE9~1,GW2,SLG7,GW5,GS3,GS7,GW8,GS5和GS2這9個(gè)主基因?qū)?04個(gè)水稻種質(zhì)的粒長(zhǎng)(GL)、粒寬(GW)、粒厚(GT)和千粒重(TGW) 4個(gè)與籽粒大小和重量相關(guān)性狀的調(diào)控作用。結(jié)果顯示,InDel標(biāo)記共鑒定出38個(gè)等位基因,其中主要等位基因27個(gè),分布在20多個(gè)基因型中,GL與4個(gè)基因(GS3,GS7,GW8和GS2)相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn),在這9個(gè)基因中,有4個(gè)不同的基因(GS3,GS7,GW8和GS2)對(duì)GT進(jìn)行調(diào)控。在研究種質(zhì)中,GW受GW5、GW8和GS2三個(gè)基因控制,而TGW受SLG7、GW5、GW8和GS5四個(gè)基因影響。此研究的結(jié)果證實(shí)了InDel標(biāo)記在水稻種質(zhì)多樣性、等位基因頻率、多基因等位基因貢獻(xiàn)、標(biāo)記與性狀關(guān)聯(lián)性分析以及遺傳變異等方面能有效應(yīng)用。王祥等[84]從177 個(gè)InDel標(biāo)記中分別篩選出大白菜‘農(nóng)大Q210’和‘農(nóng)大Q212’品種的父母本間差異的多態(tài)性標(biāo)記 32 個(gè),并隨機(jī)從以上多態(tài)性標(biāo)記中選取了3個(gè)多態(tài)性InDel標(biāo)記開(kāi)展其雜交一代的種子純度鑒定,得出以上兩個(gè)大白菜品種的雜交種純度分別是100%,97.9%,以上的結(jié)果同時(shí)也表明了InDel標(biāo)記的準(zhǔn)確性高于大田鑒定結(jié)果。陶杰等[85]利用Indel標(biāo)記開(kāi)展了工業(yè)大麻性別的篩選與鑒定,篩選出了與工業(yè)大麻性別連鎖的兩組標(biāo)記物(Is-02 和Is-08),且這兩組標(biāo)記物能用于工業(yè)大麻花期已知性別,但幼苗期未知性別植株和品種的快速鑒定。綜上所述,InDel標(biāo)記在作物中應(yīng)用普遍,為作物種質(zhì)資源的進(jìn)一步利用提供了技術(shù)支撐,但在草種質(zhì)方面,InDel標(biāo)記的研究尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。
5 草種質(zhì)資源的研究展望
隨著居民生活水平的進(jìn)一步提高和國(guó)家的重大發(fā)展需求,草種業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展已成為國(guó)家發(fā)展所需、形式所迫及現(xiàn)實(shí)所需。因此,育種者給予了草種質(zhì)資源多樣性研究更多的關(guān)注。但是,相比較作物,草種質(zhì)資源研究的深度和開(kāi)發(fā)利用的廣度都有所欠缺。如種質(zhì)資源多樣性研究與實(shí)用價(jià)值的具體體現(xiàn)存在脫節(jié)問(wèn)題,據(jù)相關(guān)研究表明,多樣性豐富的草種質(zhì)資源材料的鑒定評(píng)價(jià)不足,其中截止2018年共完成農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)的草種質(zhì)只占到了20%,完成抗性評(píng)價(jià)的只占到了10%,這與我國(guó)收集的5.58萬(wàn)份草種質(zhì)資源數(shù)量之間的矛盾突出[86],尤其在資源重要功能基因挖掘等方面需待加強(qiáng)。同時(shí),針對(duì)篩選出的突出資源未進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定,草種質(zhì)資源大部分研究只是針對(duì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)和資源聚類劃分,初步篩選出了部分特征和特性明顯的材料,大部分草種質(zhì)資源的研究工作都停留于此層面,對(duì)篩選出的這些性狀明顯的材料未進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定,從而造成研究與應(yīng)用之間脫節(jié)問(wèn)題突出。因此,草種質(zhì)資源接下來(lái)的重點(diǎn)工作將是對(duì)資源進(jìn)行深度鑒定和利用研究。
其次,在草種質(zhì)資源的收集和保存中,存在資源登記不規(guī)范不完整的問(wèn)題。大部分資源僅是對(duì)部分農(nóng)藝性狀或單一性狀進(jìn)行了描述,部分抗性性狀鑒定及圖片資料不足,從而使得資源的特征特性不能全面的被反映,導(dǎo)致資源的利用價(jià)值消失,尤其是對(duì)于調(diào)查數(shù)據(jù)、基因型鑒定和圖片三者之間沒(méi)有被很好整合統(tǒng)一。因此,必須加強(qiáng)收集的草種質(zhì)資源數(shù)據(jù)信息的管理,確保數(shù)據(jù)信息的全面性、科學(xué)性、規(guī)范性及嚴(yán)謹(jǐn)性,以此為草種質(zhì)資源的進(jìn)一步共享使用提供強(qiáng)有力的支撐。
隨著測(cè)序技術(shù)日趨完善和成熟,在草種質(zhì)全基因組中能夠探尋出大量基因變異,以此實(shí)現(xiàn)遺傳進(jìn)化分析及重要性狀候選基因預(yù)測(cè),同時(shí)也能挖掘出草種質(zhì)資源中的有利等位基因和新基因,提出利用方案,這可為進(jìn)一步提高種質(zhì)的創(chuàng)制利用效率奠定基礎(chǔ)。同時(shí),可利用草種質(zhì)資源DNA指紋圖譜的識(shí)別功能判斷資源親緣關(guān)系和遺傳背景,并對(duì)資源進(jìn)行系譜分析,確定出遺傳距離,進(jìn)而指導(dǎo)雜交組合配制和雜種優(yōu)勢(shì)預(yù)測(cè)等[87]。因此,未來(lái)在草種質(zhì)資源研究中使用測(cè)序技術(shù)將有助于深入剖析資源,并為其分子輔助育種提供理論依據(jù)。
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(責(zé)任編輯 彭露茜)
收稿日期:2023-08-18;修回日期:2023-11-09
基金項(xiàng)目: "內(nèi)蒙古自治區(qū)種業(yè)科技創(chuàng)新重大示范工程“揭榜掛帥”項(xiàng)目(2022JBGS0014);寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2022BBF02029);寧夏回族自治區(qū)重大農(nóng)作物育種專項(xiàng)(2014NYYZ03);寧夏回族自治區(qū)自然基金項(xiàng)目(2023AAC03439);寧夏回族自治區(qū)自然基金項(xiàng)目(2023AAC03441)資助
作者簡(jiǎn)介:
陳彩錦(1982-),女,漢族,寧夏海原人,博士研究生,助理研究員,主要從事草種質(zhì)資源與育種研究,E-mail:ccj401224@126.com;*通信作者Author for correspondence,E-mail:qhliuwenhui@163.com;wangxuemin@caas.cn