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份甘蔗種質的遺傳多樣性分析及DNA指紋圖譜構建

2019-09-10 07:22:44龐新華檀小輝韋麗君梁芳張繼呂平程琴黃秋偉周全光
南方農業學報 2019年6期

龐新華 檀小輝 韋麗君 梁芳 張繼 呂平 程琴 黃秋偉 周全光

摘要:【目的】利用SRAP分子標記分析35份甘蔗種質的遺傳多樣性,并構建其DNA指紋圖譜,為甘蔗種質資源的分子鑒定提供技術支持。【方法】以涼蔗系列(26份)為主的35個甘蔗品種(系)為供試材料,利用SRAP分子標記的8條正向引物和14條反向引物隨機組成112對引物組合,從中篩選出核心引物對35份甘蔗材料進行遺傳多樣性分析,并利用POPGENE 1.32計算各材料間的Nei’s遺傳相似系數,使用Ntsyspc 2.1 UPGMA方法進行聚類分析,并構建DNA指紋圖譜。【結果】從112對引物組合中篩選出4對核心引物組合(Me3/Em8、Me4/Em8、Me5/Em8和Me6/Em2),利用其從35份甘蔗材料中共擴增出102條條帶,平均每對引物的擴增條帶數、多態性條帶數和多態性比率分別為25.5條、21條和81.20%,各引物組合擴增的條帶數為21~30條,多態性比率為61.90%~96.55%。根據Nei’s遺傳相似系數,在遺傳相似系數為0.751時,可將35份甘蔗材料分為五大類,26個涼蔗系列品種(系)(除涼蔗07-54外)均歸在I類和II類,說明涼蔗系列的親緣關系較近;桂糖73-167和農墾2號分別被單獨歸為一類,說明這兩個品種(系)間及與其他品種(系)間的親緣關系較遠;I類中除涼蔗系列之外,還包括粵糖91-976和ROC16,說明這兩個品種(系)有可能是I類中涼蔗系列的雜交親本或存在血緣關系;II類中除涼蔗系列外,還包括B8、ROC22、ROC24和ROC10,說明這4個品種(系)的親緣關系較近,ROC系列可能存在II類中涼蔗系列的親本。利用這4對核心引物組合構建的DNA指紋圖譜均可將35份甘蔗材料鑒別開。【結論】35份甘蔗材料的遺傳多樣性豐富,構建的DNA指紋圖譜可用于甘蔗品種(系)鑒定。

關鍵詞: 甘蔗;SRAP分子標記;遺傳多樣性;DNA指紋圖譜

中圖分類號: S566.102.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼: A 文章編號:2095-1191(2019)06-1157-08

Abstract:【Objective】The genetic diversity of 35 sugarcane germplasm resources was analyzed by SRAP molecular marker, and 35 fingerprints of sugarcane germplasm were constructed to provide technical support for molecular identification of sugarcane germplasm resources. 【Method】The 35 sugarcane varieties(lines) from Liangzhe series(26 varieties) were used as materials. A total of 112 primer pairs which were randomly formed by 8 forward primers and 14 reverse pri-mers of SRAP molecular markers were obtained. Core primers were selected from the above primers to? analyze the genetic diversity of 35 sugarcane materials, and POPGENE 1.32 was used to calculate the Nei’s genetic similarity coefficient between the tested varieties. Cluster analysis was performed using Ntsyspc 2.1 UPGMA method, and DNA fingerprint map was constructed. 【Result】A total of 102 bands were amplified from 35 tested sugarcane materials by the four pairs of core primer combinations(Me3/Em8, Me4/Em8, Me5/Em8 and Me6/Em2) selected from 112 pairs of primers. The average amplified bands per pair of primers was 25.5, polymorphic bands were 21 and average percentage of polymorphic bands per pair of primers was 81.20%. The bands amplified of each combination ranged from 21 to 30, percentage of polymorphism was 61.90%-96.55%. According to Nei’s genetic similarity coefficient, when the genetic similarity coefficient was 0.751, the sugarcane germplasms could be divided into five categories. Among the 26 Liangzhe series varieties(lines), apart from Liangzhe 07-54, the rest materials were in category I or category II. It indicated that the genetic relationship of Liangzhe series were close. Guitang 73-167 and Nongken 2 were in each category by their own, indicating these two varie-ties(lines) had far genetic relationship with others. In category I, besides Liangzhe series, there were Yuetang 91-976 and ROC16, which showed that the two varieties might be hybrid parents of Liangzhe series in this category or had gene-tic relationship. In category II, besides Liangzhe series, there were B8, ROC22, ROC24 and ROC10, indicating the four varieties(lines) had close relationship,? and there might be parents of Liangzhe series in ROC series. The DNA fingerprint map by the four core primer combinations could identified the 35 sugarcane materials. 【Conclusion】The genetic diversity of 35 sugarcane germplasms is rich, and the construction of DNA fingerprint map provides a theoretical basis for the identification of sugarcane varieties(lines).

Key words: sugarcane; SRAP molecular marker; genetic diversity; DNA fingerprint map

0 引言

【研究意義】我國甘蔗育種工作始于20世紀50年代,目前已選育出大量高產、高糖等品質優良的新品種(系)(鄧海華和張瓊,2006;王澤平等,2012)。甘蔗種質遺傳多樣性越來越豐富,僅靠表型性狀對品種進行準確鑒定,難度很大。已有研究發現,利用分子標記技術可有效分析甘蔗種質的遺傳多樣性及快速準確地鑒定品種特性,從而對甘蔗種質資源進行有效保護(劉新龍等,2010;朱專為,2018)。其中,SRAP分子標記具有重復性好、多態性高、操作簡單等優點,已廣泛用于遺傳多樣性分析、遺傳圖譜構建、親緣關系鑒定等(Li and Quiros,2001;廖詩童等,2012;石悅等,2018;石秀蘭等,2018;周兆禧等,2018)。因此,利用SRAP分子標記進行甘蔗品種(品系)的遺傳多樣性分析及其指紋數據圖譜構建,對甘蔗種質的保存保護、鑒定和創新利用具有重要意義。【前人研究進展】目前,利用SRAP分子標記進行植物遺傳多樣性分析的研究已有大量報道。班騫等(2018)利用SSR和SRAP分子標記構建14個苦荬菜品種(系)的DNA指紋圖譜,結果表明,苦荬菜的遺傳多樣性較豐富,構建的DNA指紋圖譜可區分供試各品種(系)。陳倩倩等(2018)利用SRAP和EST-SSR分子標記對10份香椿種質進行遺傳多樣性分析,結果表明,在遺傳相似系數0.85774時10份香椿分為三大類,遺傳多樣性較豐富。李永平等(2018)利用SRAP分子標記對44個芥菜品種進行遺傳多樣性分析,結果表明,在遺傳相似系數為0.67時可將其分為四大類,聚類結果與形態學分類結果相吻合。王曉燚等(2018)利用SRAP和SSR分子標記構建了2個杏扁品種龍王帽和優一的分子連鎖圖,獲得132個SRAP分子標記和17個SSR分子標記,構建了兩個親本的遺傳連鎖圖譜。王少銘等(2018)利用SRAP和ISSR分子標記進行48份薄荷種質的遺傳多樣性及親緣關系分析,結果表明,薄荷種質的遺傳多樣性豐富,但種內遺傳變異較小;在遺傳相似系數為0.73處,48份薄荷種質分為五大類,主要由品種差異決定,受地域影響較小,與形態標記分類相吻合。曾紹貴等(2018)將形態指標和SRAP分子標記相結合對地理來源不同的100份朝天椒種質進行遺傳多樣性分析,結果表明,SRAP聚類結果與品種地理來源相吻合,地理來源相鄰的品種遺傳多樣性相似。朱靜嫻等(2018)利用SRAP分子標記對國內外的大球蓋菇菌株進行遺傳多樣性分析,結果表明,在遺傳相似系數為0.84處,23株菌株可分為三大類群,遺傳多樣性豐富,利用SRAP分子標記能鑒別區分各菌株,并得出菌株間親緣關系。周兆禧等(2018)研究發現,只有通過SRAP和ISSR分子標記才能鑒別區分69份紅毛丹種質,并利用篩選出的引物成功構建樂紅毛丹種質的DNA指紋圖譜。但利用SRAP分子標記對甘蔗種質遺傳多樣性分析的研究較少,廖詩童等(2012)利用SRAP分子標記對35個不同耐寒甘蔗品種的的遺傳多樣性進行分析,結果發現SRAP分子標記對耐寒性較差的甘蔗品種(系)聚類效果較好。呂平等(2016)將巴西甘蔗DNA導入桂熱甘蔗03-75品系,利用SRAP分子標記分析發現受體甘蔗03-75中帶有供體甘蔗的特異條帶。【本研究切入點】至今,鮮見基于SRAP分子標記進行甘蔗遺傳多樣性分析、DNA指紋圖譜構建及種質鑒定等方面的研究報道。【擬解決的關鍵問題】以涼蔗系列品種(系)為主的35份甘蔗種質為材料,采用SRAP分子標記探討其遺傳多樣性及親緣關系,并構建DNA指紋圖譜,為參試甘蔗品種(系)的鑒定、保護及開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試材料為35個甘蔗品種(系),包括26個涼蔗系列品種(系),4個新臺糖系列品種(系),5個其他品種(系)(表1),均由廣西亞熱帶作物研究所廣西農墾甘蔗研究所甘蔗種質圃保存提供。正、反向引物(Li and Quiros,2001)(表2)委托生工生物工程(上海)股份有限公司合成。主要試劑:SDS、氯仿、異戊醇等生化試劑及DNA Marker、MIX酶等分子試劑均購自生工生物工程(上海)股份有限公司。主要儀器設備:GEL DOCXR全自動凝膠成像系統(BIO-RAD,美國)、PCR儀(BIO-RAD,美國)、Smart SpecTM Plus核酸蛋白含量測定儀(BIO-RAD,美國)和DYY-6C雙穩定定時電泳儀(北京六一儀器廠)。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 樣品采集 在甘蔗生長旺盛期分別剪取植株頂端的心葉放入自封袋,置入液氮浸泡5 min后取出,迅速放入-80 ℃保存備用。

1. 2. 2 甘蔗基因組DNA提取 采取改良的SDS法提取樣品基因組總DNA,用分光光度計測定DNA的濃度和純度,然后用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的完整性,-80 ℃保存備用。

1. 2. 2 SRAP-PCR擴增及引物篩選 利用正、反向引物隨機組成112對引物組合(表2)。反應體系:2×Taq Mix 12.5 μL,10 ng/μL DNA模板2.0 μL,10 μmol/L正、反向引物各0.5 μL,ddH2O補足至25.0 μL。擴增程序:94 ℃預變性5 min;94 ℃ 1 min,35 ℃ 1 min,72 ℃ 1 min,進行5個循環;94 ℃ 1 min,50 ℃ 1 min,72 ℃ 1 min,進行30個循環;72 ℃延伸10 min。PCR產物用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(120 V恒壓電泳30 min),EB染色后觀察電泳圖譜,從112對引物組合中篩選出多態性較高、條帶清晰且穩定的引物組合,再用6%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測(180 V恒壓電泳55 min),銀染后拍照進一步篩選核心引物組合。

1. 3 統計分析

觀察電泳圖譜,在同一遷移位置上,有擴增條帶記為“1”,無條帶記為“0”,從而構成“0,1”矩陣。利用POPGENE 1.32計算甘蔗種質間的Nei’s遺傳相似系數,利用Ntsyspc 2.1的UPGMA方法構建聚類圖。根據聚類結果,篩選出可鑒別甘蔗品種(系)的引物組合,再根據該引物組合的“0,1”矩陣,手動構建DNA指紋圖譜。

2 結果與分析

2. 1 SRAP引物的多態性分析結果

對PCR產物進行瓊脂糖凝膠電泳檢測,結果從112對引物組合中篩選出多態性高、條帶清晰且穩定的引物組合13對。圖1為部分引物組合PCR產物的瓊脂糖凝膠電泳結果。再經非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測從13對引物組合中篩選出多態性、條帶數、穩定性等綜合表現均較好的核心引物組合4對,分別為Me3/Em8、Me4/Em8、Me5/Em8和Me6/Em2,用于遺傳多樣性分析及DNA指紋圖譜構建。圖2為核心引物組合Me4/Em8 PCR產物的非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳結果。

由表3可知,4對核心引物組合從35份供試甘蔗材料中共擴增出102條條帶,平均每對引物的擴增條帶數、多態性條帶數和多態性比率分別為25.5條、21條和81.20%,表明甘蔗種質的遺傳多樣性較豐富、多態性較高。各引物組合擴增的條帶數為21~30條,其中Me4/Em8引物組合擴增的條帶數最多,為30條,Me3/Em8引物組合擴增的條帶最少,為21條。各引物組合擴增出的多態性條帶數為13~28條,其中Me5/Em8引物組合擴增的多態性條帶數最多,為28條,Me3/Em8引物組合擴增的多態性條帶數最少,為13條。各引物組合擴增的多態性比率為61.90%~96.55%,其中Me5/Em8引物組合的多態性比率最高,為96.55%,Me3/Em8引物組合的多態性比率最低,為61.90%。

2. 2 聚類分析結果

根據Nei’s遺傳相似系數,采用UPGMA方法對35份供試甘蔗材料進行聚類分析,結果如圖3所示。從圖3可看出,在遺傳相似系數為0.751時,可將35份甘蔗材料分為五大類:I類包含18份甘蔗材料,分別為涼蔗01-96、涼蔗01-123、涼蔗02-7、涼蔗02-188、涼蔗01-190、粵糖91-976、涼蔗03-7、涼蔗03-31、涼蔗03-81、涼蔗03-83、涼蔗01-204、ROC16、涼蔗02-6、涼蔗02-186、涼蔗03-23、涼蔗02-183、涼蔗05-4和涼蔗2號;II類包含13份甘蔗材料,分別為涼蔗03-75、涼蔗05-36、涼蔗07-34、涼蔗05-58、涼蔗07-48、涼蔗07-36、涼蔗07-53、B8、ROC22、ROC24、涼蔗07-45、涼蔗07-49和ROC10;III類包含2份甘蔗材料,分別為涼蔗07-54和福農39;IV類僅含1份甘蔗材料,為桂糖73-167;V類也僅含1份甘蔗材料,為農墾2號。可見,26份涼蔗系列甘蔗種質,除涼蔗07-54外,其余均歸在I類和II類,說明涼蔗系列的親緣關系較近;桂糖73-167和農墾2號分別被單獨歸為一類,說明這兩個品種(系)間及與其他品種(系)間的親緣關系較遠;I類中除涼蔗系列外,還包括粵糖91-976和ROC16,說明這兩個品種(系)有可能是I類中涼蔗系列的雜交親本或存在血緣關系;II類中除涼蔗系列外,還包括B8、ROC22、ROC24和ROC10,說明這4個品種(系)的親緣關系較近,ROC系列可能存在II類中涼蔗系列的親本。

2. 3 35份甘蔗材料的指紋圖譜構建

將篩選出的4對核心引物組合用于構建35份甘蔗材料的DNA指紋圖譜,結果發現這4對核心引物組合均可鑒別所有供試種質。Me5/Em8核心引物組合構建的DNA指紋圖譜如圖4所示。在品種鑒定時,利用這4對引物組合對待檢測的甘蔗材料進行PCR擴增,再經非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測,最后將該材料的多態性條帶與構建的DNA指紋圖譜進行對比,即可準確鑒定該材料為本研究供試35份甘蔗材料中的具體品種(系)。因此,構建的DNA指紋圖譜可對甘蔗種質發揮一定鑒定和保護作用。

3 討論

本研究從112對引物組合中篩選出多態性、條帶數、穩定性等綜合表現較好的4對核心引物組合,平均每對引物擴增的條帶數為25.5條,多態性比率為81.20%,與廖詩童等(2012)的研究結果相似,但高于賀爾奇等(2016)在果蔗中用毛細管電泳篩選出的引物多態性比率,其原因可能是瓊脂糖凝膠電泳和非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳雙重篩選出的引物多態性較毛細管電泳篩選得到的引物多態性更豐富,也高于苦荬菜(班騫,2018)、芥菜(李永平等,2018)、薄荷(王少銘等,2018)、酸豆(張永強等,2018)和紅毛丹(周兆禧等,2018)等物種SRAP分子標記引物的多態性比率,說明與其他物種相比,SRAP分子標記可能更適合于開展甘蔗的遺傳多樣性分析和DNA指紋數據圖譜構建等相關研究,但仍需進一步驗證。

本研究聚類分析結果顯示,在遺傳相似系數為0.751處可將35份甘蔗材料分為五大類,其中,除涼蔗07-54外,涼蔗系列甘蔗種質歸到I類和II類,表明涼蔗系列的親緣關系較近;除涼蔗系列外,I類中還有粵糖91-976和ROC16,II類中還包括B8、ROC22、ROC24和ROC10,經進一步調查發現,這些品種是部分涼蔗系列品種(系)的雜交親本,親緣關系較近,但第III類、第IV類和第V類的甘蔗材料間及與其他品種(系)間的親緣關系較遠。

長期以來,我國農作物種質資源生產尚不規范,主要以植物的外部性狀鑒別不同作物品種,盡管簡單直觀,但不同植物品種在不同環境甚至同一品種在同一環境均可能會表現不同性狀,在鑒別時易出現錯誤,加之一些作物品種間相似度很高,尤其是甘蔗品種(系),有時可能來源于同一雜交親本,依靠表型特征進行鑒定錯誤率較高,最終造成引種混亂或品種造假現象經常發生。隨著分子生物學的不斷發展,越來越多的研究者開始從分子水平研究品種鑒定的方法。從DNA水平上對品種進行鑒定具有快速準確、不受環境影響等諸多優點,DNA指紋圖譜技術也應運而生,在植物新品種(系)資源的鑒定上,將農藝性狀觀測與分子標記技術相結合,可得到更全面、更可靠的結果。SRAP分子標記在作物種質資源鑒定及DNA指紋圖譜構建中已得到廣泛應用。徐宗大等(2011)、劉君等(2012)、唐源江等(2015)、石秀蘭等(2018)、張安世等(2018)分別利用SRAP分子標記構建了玫瑰、狗牙根、國蘭、牧草、獼猴桃等植物的DNA指紋圖譜,均可對以上植物進行準確地品種鑒定。本研究利用Me4/Em8、Me5/Em8、Me6/Em2和Me3/Em8等4對核心引物組合構建的DNA指紋圖譜均可把35份甘蔗材料完全鑒別開,說明這4對核心引物是涼蔗系列鑒別的關鍵核心引物,可有效分析出其親緣關系,可用于甘蔗種質的知識產權保護。

4 結論

35份供試甘蔗材料的遺傳多樣性豐富,構建的DNA指紋圖譜可用于甘蔗品種(系)鑒定。

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(責任編輯 陳 燕)

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