基于SSR标记的小麦族St、H、Y基因组六倍体物种遗传变异及种间亲缘关系研究

小麦族含有St、H、Y基因组的物种是禾本科小麦族最大的一个类群,它们不仅包含许多优良的牧草资源,还含有许多优异的抗逆基因资源,是牧草和麦类作物育种重要的基因库,具有重要的经济和生态价值。然而该类群物种的种属界限及系统关系一直存在争议,特别是六倍体物种间的亲缘关系争议较大,相关的研究还较少,其限制了该类群物种种质资源的进一步开发利用。研究小麦族St、H、Y基因组六倍体物种种间亲缘关系可为该类群物种的遗传多样性、种属关系及系统演化关系等提供重要参考。系统收集具有StHY、StStY、StStH、StHH基因组组成的六倍体物种25个,选用具有高通用性的SSR分子标记对其种间遗传变异、分化及亲缘关系进行分析。研究结果表明:1)27对SSR引物在46份供试材料中扩增出条带共229条,其中多态性条带213条,比率为93.01%;2)Dice遗传相似系数表明供试材料间的系数变异为0.479~0.981,平均值为0.670;StHY、StStY、StStH和StHH不同基因组组成物种内的相似系数变化分别为0.544~0.981、0.509~0.899、0.530~0.843和0.550~0.827,平均值分别为0.722、0.700、0.663、0.677;其揭示了供试物种之间存在丰富的遗传变异和不同程度的种间分化;3)聚类分析结果表明,不同基因组组成的物种间亲缘关系相对较远,相同基因组组成物种基本上能聚在一起且表现出不同程度的分化类型,其中StHY物种间分化最为显著,并与其形态特征表现出一定的一致性;4)进一步明确了国产的披碱草属六倍体物种均为StHY基因组组成。研究结果揭示了供试的不同基因组组成的六倍体物种之间具有丰富的遗传多样性和明显的种间分化,其中StHY物种可明显分化成3种类型;相同或相似基因组组成的物种间表现出了较近的亲缘关系,研究结果支持基于基因组组成的分类体系对该类群物种分类地位的划分。     

不同来源SSR和EST-SSR在披碱草属和鹅观草属物种中的通用性分析

披碱草属和鹅观草属是禾本科小麦族两个重要的多年生属,其种属界限及系统关系一直存在争议,是其种质资源利用的难点。本研究基于小麦族中不同来源的已开发的SSR标记,筛选出在披碱草属和鹅观草属中高通用性的SSR标记,为其生物系统关系研究提供重要参考。试验选用了来自小麦族小麦、大麦、披碱草属、拟鹅观草属及赖草属5个属的230个SSR和EST-SSR标记对小麦族St、H、Y基因组的23个物种进行了SSR扩增及通用性分析。结果表明,1)在筛选的230个标记中,163个(70.87%)SSR和EST-SSR标记能在所有的供试物种中扩增出清晰的条带,在披碱草属和鹅观草属等物种中表现出了较高的通用性;2)在扩增出的163个标记中,EST-SSR(87.60%)比基因组SSR(49.50%)标记在种属间表现出了较高的通用性,而基因组SSR标记(85.98%)则比EST-SSR(79.37%)标记表现出更高的多态性;3)163个标记在供试物种中共扩增出579个清晰条带,其中多态性条带为533个,多态性比率为92.05%;每个标记扩增的条带数变化为111条,平均扩增条带数为3.55条;4)基于UPGMA聚类结果与供试物种的基因组之间表现出了较高的相关性,相同或相似基因组物种间表现出较近的亲缘关系,其中H基因组与St基因组的亲缘关系较远,H基因组二倍体物种与其他物种也表现出了较远的亲缘关系。本研究选用的5个属的SSR和EST-SSR标记均能在披碱草属和鹅观草属物种中扩增,最后共筛选出了163个高通用性的SSR和EST-SSR分子标记,揭示了供试物种及不同基因组间的亲缘关系,为下一步披碱草属和鹅观草属的种属关系及系统学研究提供了重要参考。     

用nrDNA ITS序列探讨小麦族含StH基因组物种的系统发育

小麦族中具StH基因组的物种被包含在广义披碱草属中。本研究利用nrDNA ITS序列,采用最大简约法、最大似然法和基于MJ算法的网状结构分析,对16个不同地理分布和形态特征的具StH基因组组成的物种及8个含St和H基因组的拟鹅观草属和大麦属的二倍体物种进行了系统发育分析。结果表明,1)过去归属于裂颖草属和猬草属的物种大松鼠尾巴草、瓶刷草和猬草与披碱草属物种关系较近,应当划入披碱草属中;2)北美的StH基因组物种聚类在一起,其亲缘关系较近,它们与欧亚大陆的StH基因组物种存在较大变异和分化;3)具StH基因组物种较大程度的变异和分化与物种的地理分布有关;4)St基因组和H基因组的二倍体物种分别存在较大的分化。同时本研究还讨论了造成小麦族StH基因组物种变异和分化的可能原因。     

燕麦属种质资源遗传多样性及遗传演化关系ISSR分析

为了研究燕麦属（Avena）物种遗传多样性及遗传演化关系,利用ISSR分子标记对燕麦属16个种共47份种质资源进行分析。结果表明：燕麦属种间存在丰富的遗传多样性,种间遗传相似性系数（GS）在0.5092～0.9544之间,种内平均遗传相似性系数（GS）最高的A. sativa为0.9512,最低的A. lusitanica为0.7119,说明燕麦属物种间存在较大的遗传变异,而物种内的遗传变异会因物种的不同存在差异。聚类结果显示,47份种质资源根据基因组组成聚成4大类群,AC基因组燕麦与ACD基因组燕麦聚成一大类,说明2组亲缘较近;由AB基因组燕麦聚成的第Ⅱ大类和由As和Ad基因组燕麦聚成的第Ⅲ大类在一分枝上,说明As和Ad基因组燕麦与AB基因组燕麦亲缘关系较AC基因组燕麦更近;Cp基因组燕麦单独构成一类群,且与其他燕麦相似数较低,说明该基因组燕麦与其他燕麦亲缘关系较远。所试燕麦种质资源种内的遗传差异性和遗传关系与地理来源密切相关。     

基于叶绿体trnL-F序列对广义披碱草属物种的系统进化研究

广义披碱草属包括了披碱草属、鹅观草属、猬草属、裂颖草属和仲彬草属。为深入研究这5个小麦族多年生属的系统地位、母本来源及St染色体组的来源和分化等问题,本研究根据叶绿体DNA trnL-F序列构建了系统树和网状结构图。结果表明,1)广义披碱草属物种的母本不完全来源于拟鹅观草属的St染色体组,其中黑药仲彬草和梭罗仲彬草的母本染色体组为P染色体组,Hystrix duthiei及长芒猬草的母本染色体组为Ns染色体组;2)系统树中反映了P、W和St染色体组之间具有较近的亲缘关系,它们与H和Ns染色体组的关系较远;3)仲彬草属中黑药仲彬草和梭罗仲彬草与冰草属的二倍体物种聚类在一起,表明黑药仲彬草和梭罗仲彬草与冰草属的关系较近;猬草属中猬草聚在St支中,而H. duthiei和长芒猬草包括在Ns支中,表明它们具有不同的染色体组组成;4)5个不同地理分布的具有St染色体组的拟鹅观草属二倍体物种没有形成一个单系组,表明St染色体组在二倍体物种中存在一定程度的分化;在异源多倍体物种中,其St染色体组的质体序列构成了不同的分支,表明St染色体组在多倍体物种中也具有分化;5)亚洲分布的拟鹅观草属二倍体物种可能参与了大部分欧亚物种的起源,北美分布物种的St染色体组可能来源于北美的拟鹅观草属物种;有些物种在多倍化起源过程中可能发生了重复杂交过程。     

柱花草种间亲缘关系SSR分析

为研究柱花草(Stylosanthes spp.)种间的亲缘关系,本研究利用23个SSR标记对柱花草属14个种的33份材料的遗传关系进行了研究。结果表明,23个SSR标记在不同柱花草种间均具有多态性,共检测到等位基因138个,每个标记可检测到4~10个等位基因,平均6个;每个标记的多态性信息含量在0.501~0.830,平均为0.700。聚类分析和主成分分析结果表明,33份供试柱花草种质可分为5类,根据包含的基因组类型分别命名为AB类、AC类、J类、DE类、G类。毛叶柱花草(S.subsericea)和有钩柱花草(S.hamata)(I)的亲缘关系最近,有钩柱花草(I)与头状柱花草(S.capitata)的遗传关系较远。     

42份紫花苜蓿种质资源遗传多样性的SSR分析

为了补充现有苜蓿(Medicago sativa)种质资源的遗传多样性信息,采用SSR分子标记技术对1份野生紫花苜蓿种质和41份栽培紫花苜蓿品种的遗传多样性进行了研究。15对引物在供试苜蓿材料中共获得231条扩增带,其中163条具有多态性。引物的多态位点百分率、Nei’s基因多样性指数和Shannon信息指数的平均值分别为71.55%、0.210 0和0.326 3。供试材料间的相似系数介于0.641~0.913,平均为0.791,栽培品种间的平均相似系数相对较大,野生种质资源与栽培品种间的平均相似系数相对较小。聚类分析表明,供试材料在相似系数0.778处可聚为五大类,单独聚为类的陇东野生紫花苜蓿、CW 200和CW 787都表现出了与其他材料间较远的亲缘关系。基于主成分分析图,可把供试材料分为四大类,其中第Ⅰ、Ⅱ类与第Ⅲ、Ⅳ类材料间的亲缘关系较远。综上,供试苜蓿种质资源具有较丰富的遗传多样性,部分种质资源表现出了相对独立的遗传特性。     

基于ISSR分子标记分析云南蚕区44份家蚕品种资源的亲缘关系

应用ISSR分子标记技术分析云南蚕区保存的44份家蚕品种资源的亲缘关系,为家蚕种质资源的合理保存、利用及育种亲本选择提供依据。以筛选的13条ISSR引物从44个家蚕品种的蛹基因组DNA中扩增得到116个条带,其中多态性条带98条,多态性比率为84.5%,表明44个家蚕品种间具有丰富的遗传多样性。44个家蚕品种间的遗传相似系数为0.517 2~0.905 2,平均遗传相似系数为0.711 2。基于品种间ISSR分子标记的遗传相似系数,采用UPGMA法进行聚类分析,供试品种首先按中系和日系形成2大类群,在遗传相似系数0.69处,2大类群又各自再分成2个组群。4个组群中,均是育种材料亲缘关系较近的品种聚在同一组群内。ISSR分子标记结果较好地揭示了云南蚕区44份家蚕品种资源之间的遗传差异和亲缘关系。     

仲彬草属物种细胞质基因组PCR-RFLP分析

应用PCR-RFLP技术对32份仲彬草属和2份外类群共34份材料细胞质基因组DNA进行遗传变异分析。选用的16个引物中4个叶绿体引物和5个线粒体引物可扩增出稳定而明显的PCR产物,其扩增产物用15种限制性内切酶进行酶切。结果发现,所有的135种引物/酶组合中,得到清晰稳定的83种引物/酶组合,其中在32份仲彬草属材料中有40种引物/酶组合(占48.2%)能检测到多态性,但多态性水平较低。32份仲彬草属物种间的遗传相似系数在0.833以上,平均值为0.903。聚类分析表明,细胞质基因组PCR-RFLP标记能将全部供试材料区分开,32份仲彬草属材料聚为4类。同种不同居群细胞质间的遗传变异很小,分别聚在一起;种间的细胞质遗传差异大于种内不同居群间的遗传差异;而形态相似、地理分布一致的物种有聚类在一起的倾向。因此,利用细胞质基因组PCR-RFLP标记不仅可检测到仲彬草属种间多态性,也可检测到种内多态性。细胞质基因组PCR-RFLP标记能为仲彬草属物种系统学研究提供有价值的资料。     

拟鹅观草属与鹅观草属和披碱草属属间及种间杂种的细胞学研究

为探讨在二倍体拟鹅观草属物种中St基因组的分化及其系统关系,本试验通过对3个二倍体拟鹅观草的种间杂种及黎巴嫩拟鹅观草和托瑞拟鹅观草与4个四倍体鹅观草属物种(StY)和3个披碱草属(StH,StYW)物种的属间杂种F₁花粉母细胞减数分裂中期I染色体配对行为及繁育特性进行分析。结果表明,1)中东的拟鹅观草二倍体物种(黎巴嫩拟鹅观草和托瑞拟鹅观草)中St染色体组与来自北美的物种(穗状拟鹅观草)可能存在差异;2)St染色体组在鹅观草属物种中(StY)和在披碱草属物种中(StH,StYW)均存在一定程度的变异,具有一定程度的分化;3)St染色体组与Y染色体组具有一定程度的同源性,亲缘关系较近,而与H染色体组的关系较远。     

我国９种披碱草属植物的系统学关系

 采用单一遗传标记研究不同分类群之间的亲缘关系,由此可产生不同系统发育关系,对正确解释不同类群之间的亲缘关系带来很多困难。本试验采用形态学、等位酶和微卫星３种遗传标记对我国９种披碱草属植物的亲缘关系进行分析,结果表明,形态学标记把９ 种披碱草分为披碱草组（Ｓｅｃｔ．犜狌狉犮狕犪狀犻狀狅狏犻犪（Ｎｅｖｓｋｉ）Ｔｚｖｅｌ．）和老芒麦组（Ｓｅｃｔ．犈犾狔犿狌狊）两大类;等位酶标记虽然没有严格按照穗子的形状分为２组（披碱草组和老芒麦组）,但同一组内或相同的基因组构成具有较近的亲缘关系;微卫星标记没有把９种披碱草分成几个明显的组,且各种间表现出较远的亲缘关系。３种遗传标记之间均表现出显著的相关关系,不同标记反映的亲缘关系与种本身之间,形态学标记的遗传关系支持基于形态特征分类系统而与种本身的亲缘关系更加相符（R＝０．３２７６,P＜０．０１）,其次是等位酶标记（R＝０．３００６,P＜０．０１）,微卫星偏离相对较远（R＝０．１３５０,P＜０．０５）。因此认为形态学是最直接、最能反映披碱草属植物本身特点的标记方法,但要考虑指标之间的线性化,并非越多越好;等位酶分析是一种研究种群内部遗传结构和变异比较好的方法,也是种、种群间遗传关系有价值的预测者;尽管ＳＳＲ 在属或种间分析不是最适用的,但由于ＳＳＲ 是最多态的标记,对种内分析非常适合。     

光穗鹅观草的染色体组组成

为了研究小麦族鹅观草属光穗鹅观草 (2n=4x=28)的染色体组组成,本研究成功地获得了它与斯皮卡他草 (2n=2x=14, St)、长芒鹅观草(2n=4x=28, StY)和鹅观草(2n=6x=42, StYH)的属、种间杂种,对亲本和杂种F1花粉母细胞减数分裂中期I染色体配对行为进行了分析.结果表明:光穗鹅观草是严格的异源四倍体,拥有St和Y两组完全不同的染色体组;与长芒鹅观草的染色体组同源,有较近的亲缘关系;是鹅观草属有效的物种.     

不同放牧强度下垂穗披碱草遗传多样性分析

放牧对草地植物种群遗传与进化产生重要影响,本研究利用SSR分子标记对4个不同放牧强度下垂穗披碱草种群遗传多样性进行研究,试验地选择在甘肃省甘南自治州玛曲县的阿孜试验站,利用8对多态性强的SSR引物对不同放牧压力下4个居群的800个个体基因组进行检测,每个位点的有效等位基因数在1.2267~1.9976之间。利用popgene分析发现不放牧垂穗披碱草种群遗传多样性最高,在3种不同放牧地,中等放牧强度的遗传多样性指数较高,其次为重牧,最后为轻度放牧。在不同放牧干扰下的4个垂穗披碱草种群的遗传分化系数为0.5168,基因流N_m=0.2337,说明4个种群的遗传变异主要发生在种群之间。从种质资源保护角度来讲,不放牧对于垂穗披碱草种质资源的保护是有利的;从草地利用角度,中等放牧强度比较合理。     

干旱胁迫下老芒麦遗传多样性分析

对干旱胁迫处理的20份不同居群的老芒麦10对多态性引物进行SSR分析,研究干旱胁迫处理对老芒麦遗传多样性的影响。结果显示:10对引物总扩增带数115条,平均每个引物对扩增11.5条,多态性带数为103条,占总条带数的89.57%,每对引物扩增7~15条,平均为10.3条,多态性信息含量(PIC)为0.255~0.473,平均为0.368,SSR标记效率(MI)为3.87;通过POPGENE软件得出供试材料的Nei’s遗传多样性指数(He)为0.332 4,Shannon指数(Ho)为0.492 6。NTSYSpc 2.1软件和POPGENE 32软件聚类结果均表明,胁迫处理材料与同批材料胁迫前的聚类结果差异较大。意味着干旱胁迫处理造成非编码区的微卫星序列的遗传变异和分化,致使其重复次数发生相应改变;而胁迫前后UPGMA聚类都表明产地相同的材料大多聚为一类,但不完全一致,其中,内蒙古的材料胁迫前后差异较大。分析结果表明,供试老芒麦材料间差异明显,遗传多样性丰富,应加快其开发和合理利用。     

海拔高度对披碱草属植物形态特征的可塑性

海拔是影响植物生物进化和亲缘关系的重要因素,为了探明海拔对披碱草属植物表型特征的影响,本试验对不同海拔(3098~4203 m)的3种披碱草属植物:六倍体垂穗披碱草(Elymus nutans)、四倍体的昆仑披碱草(Elymus burchan-buddae)和老芒麦(E. sibiricus),27个种群810个体的13个表型性状进行测定,结果表明,垂穗披碱草的变异系数范围为8.8%~59.1%,昆仑披碱草为8.2%~53.7%,老芒麦为7.6%~56.7%,外稃长是3种披碱草变异系数最小的表型性状。聚类分析可以看出形态上相似的种群海拔来源基本相同,而且聚为一类的多数种群具有相似的生境。相关分析表明:海拔和供试材料的多个表型性状之间存在着明显的相关性(P<0.01)。本研究表明,海拔对披碱草属植物形态特征具有较强的可塑性,不同披碱草属植物的形态特征对海拔变化的反应不同,四倍体披碱草属植物对海拔的变化反应更加敏感。因此,部分形态特征可以用于披碱草属植物在海拔梯度上的演化规律的分析。     

老芒麦种质的醇溶蛋白遗传多样性研究

利用A-PAGE的醇溶蛋白标记,对来自亚洲和北美的86份老芒麦种质的遗传多样性和遗传关系进行了分析。电泳共检测到52条醇溶蛋白条带,其中47条为多态性条带,多态性带百分比达90.4%。种质间遗传相似系数的变幅为0.108~0.952,平均值为0.373。利用Shannon多样性指数反映了类似的结果,即供试种质间的多样性指数达到0.460的较高水平。基于多样性指数计算了老芒麦种质地理类群遗传分化程度,地理类群内和类群间的遗传变异分别占总变异的55.8%和44.2%,这表明种质间存在较高水平的遗传多样性。对供试种质和地理类群的聚类分析结果均显示,来源于青藏高原的种质与其他地理来源的种质具有较大的差异,可以分成明显的2支。这种聚类结果可能与老芒麦种质的地理来源和生态适应性有关。本研究结果可为老芒麦种质的收集保护及核心种质构建提供有益信息。     

青藏高原东南缘老芒麦自然居群遗传多样性的SRAP和SSR分析

基于SRAP和SSR分子标记分析了青藏高原东南缘8个老芒麦自然居群遗传变异及群体遗传结构,获得下述结果:1)16对SRAP引物在90个单株中共扩增出384条可统计条带,其中多态性条带334条,占86.98%;16个SSR位点共检测出等位变异221个,平均每个位点13.8个,其中具有多态性的位点数192个,占86.88%。2)2种分子标记检测到老芒麦居群水平的基因多样性(H_e)分别为0.1092和0.1296,而物种水平的基因多样性达0.2434和0.3732。3)基于2种标记的Nei氏遗传分化指数G_st(0.5525和0.5158)表明老芒麦居群出现了较大程度的遗传分化,居群间的基因流非常有限,分别为0.4050和0.4694,老芒麦的遗传变异主要分布在居群间,居群内变异相对较小,Shannon多样性指数和分子方差变异(AMOVA)分析显示了相似的结果。4)基于聚类分析结果表明各居群间存在较为明显的地理分化,8个居群分化为采集地范围内的南、北和中部3个分支。通过对老芒麦遗传多样性和遗传结构的分析提出了对该物种遗传多样性的保护策略。     

披碱草属植物抗逆性研究现状和存在的问题

披碱草属是禾本科小麦族重要的经济属,主要分布在海拔2000～5200 m的地区。属内绝大多数种是优良牧草,饲用价值极高,该属部分种具有耐盐、抗旱、耐寒等优良抗性,适应性广,遗传多样性丰富,因此不仅是生态恢复的重要物种,也能为其他牧草和麦类作物提供优异的基因资源。按照狭义上的分类标准,该属在全世界共有30余种,我国有13种,主要有老芒麦、披碱草、垂穗披碱草、短芒披碱草、圆柱披碱草等。近年来,由于全球变化和人类活动引起非生物胁迫的加剧,越来越多的研究开始关注披碱草属非生物胁迫抗性,包括耐盐性、抗旱性、低温胁迫抗性、重金属胁迫及复合胁迫抗性,其中大多数研究来自中国学者。目前绝大多数关于披碱草属抗逆性的研究主要集中在通过电解质外渗率、叶绿素、脯氨酸等渗透调节物质和抗氧化酶活性等生理指标评价属内不同种,和/或不同品种/种质的抗性方面,然而这些研究采用了不同的分析方法和评价体系,导致得出的结果不尽相同。此外,除了冷胁迫外,目前关于该属植物的抗逆机制却极少涉及。因此,综述了近年来在披碱草属植物抗逆性方面的研究进展,并提出存在的问题及今后研究的方向,旨在为进一步挖掘和利用其优良遗传资源奠定基础。