苧麻種質(zhì)資源遺傳多樣性分析研究進(jìn)展

王昕慧，全芮萍，劉婕儀，劉皖慧，周倩文，崔國(guó)賢

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)苧麻研究所，長(zhǎng)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(guó)已發(fā)現(xiàn)有32種11變種［1-3］。苧麻是我國(guó)四大纖維作物之一，被稱作“中國(guó)草”和“南京草”［4］。我國(guó)苧麻種植面積和產(chǎn)量占全世界的90%以上，在國(guó)際市場(chǎng)上占主導(dǎo)地位［5］。

種質(zhì)資源遺傳多樣性是生物多樣性的核心，是育種和資源保護(hù)的基礎(chǔ)。在雜交中，遺傳多樣性非常重要；對(duì)植物進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)估是鑒定、保存遺傳資源和設(shè)計(jì)育種方案的第一步［6］。研究苧麻種質(zhì)資源的遺傳多樣性，有助于分析苧麻種質(zhì)資源間的遺傳關(guān)系，對(duì)于拓展苧麻種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)，探索優(yōu)質(zhì)基因，開(kāi)發(fā)新品種，促進(jìn)苧麻種質(zhì)資源的可持續(xù)利用具有重要意義。本文從細(xì)胞學(xué)、形態(tài)學(xué)、生物化學(xué)和分子水平對(duì)苧麻種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行綜述。

1 表型性狀

表型性狀是植物的外在表現(xiàn)，是通過(guò)形態(tài)標(biāo)記進(jìn)行研究。形態(tài)標(biāo)記是指肉眼可見(jiàn)的或儀器測(cè)量的植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的外部特征。形態(tài)標(biāo)記可對(duì)質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀進(jìn)行標(biāo)記。因此，形態(tài)標(biāo)記在育種中有重要作用［7-9］。不同種質(zhì)的表型存在差異，它是苧麻品種分類的依據(jù)。苧麻是我國(guó)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)作物，栽培歷史悠久，長(zhǎng)期的自然選擇和人工選擇以及頻繁種質(zhì)交流，產(chǎn)生了豐富的表型性狀。我國(guó)苧麻屬植物分為5個(gè)組31種，21個(gè)變種［10］。目前，我國(guó)建成了世界上保存種類最豐富的國(guó)家苧麻種質(zhì)資源圃，收集了近3 000份苧麻種質(zhì)。苧麻種質(zhì)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(zhì)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(guò)對(duì)27個(gè)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(gè)形態(tài)特征的調(diào)查，采用DPS進(jìn)行聚類分析，在遺傳距離5.21處將27個(gè)品種分為4類，在遺傳距離為3.65時(shí)，則為10個(gè)類群，對(duì)選育優(yōu)良苧麻品種具有重要的指導(dǎo)意義。白玉超等［12］通過(guò)株高、莖粗、鮮皮厚度、分株數(shù)、有效株率、地上部生物量6個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)94份苧麻種質(zhì)資源進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得出鮮皮厚對(duì)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(zhì)。李林林等［13］通過(guò)對(duì)94份苧麻種質(zhì)的株高、莖粗、皮厚、有效株率、有效株、單蔸分株數(shù)和單蔸生物量等7個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，得到3個(gè)聚類群，為苧麻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)育種的親本選配提供參考價(jià)值。在作物育種中形態(tài)標(biāo)記雖簡(jiǎn)單易懂，但受環(huán)境的影響，種群間的遺傳變異無(wú)法準(zhǔn)確掌握。

2 細(xì)胞學(xué)標(biāo)記

細(xì)胞學(xué)標(biāo)記主要指染色體核型和帶型，是作物細(xì)胞遺傳標(biāo)記之一［14］。染色體是遺傳物質(zhì)的載體，染色體數(shù)量、結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致遺傳物質(zhì)變化。目前，許多苧麻研究者將細(xì)胞學(xué)標(biāo)記應(yīng)用于苧麻研究中。臧鞏固［15］研究苧麻屬3個(gè)分類學(xué)組中5個(gè)種核型，其中2組4種為首次報(bào)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(zhǎng)葉苧麻（B.macrophylla）的核型為：2n=42=1m+8t+33T。通過(guò)核型比較，討論苧麻屬植物的染色體基數(shù)及進(jìn)化趨勢(shì)，首次提出苧麻屬的染色體基數(shù)可能是7，異源多倍化是苧麻屬植物的主要進(jìn)化途徑之一。張波等［16］對(duì)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(jù)多倍化和核型分析，提出苧麻染色體的演化趨勢(shì)：2n=28→2n=42或56。楊瑞芳等［17］對(duì)7份野生苧麻材料進(jìn)行Giemsa C-帶帶型及染色體核型分析，結(jié)果顯示7份材料均為近端著絲點(diǎn)型，核型公式分別為2n=28=28st，2n=42=42st和2n=56=56st。

雖然細(xì)胞學(xué)標(biāo)記不受環(huán)境因素的影響，但仍存在很多問(wèn)題，對(duì)染色體切片的制作技術(shù)要求較高，標(biāo)記數(shù)量較少；且同一物種個(gè)體間染色體的數(shù)目不同。因此，研究苧麻種質(zhì)資源遺傳多樣性，不能僅靠細(xì)胞學(xué)標(biāo)記來(lái)定位。

3 生化標(biāo)記

生化標(biāo)記的特征是以基因表達(dá)產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）的遺傳標(biāo)記，包括兩種標(biāo)記手段，一是同工酶標(biāo)記，另一種是貯藏蛋白標(biāo)記，結(jié)構(gòu)多樣性可反應(yīng)作物DNA組成和作物遺傳多樣性。酶譜相似度可預(yù)測(cè)種間親緣關(guān)系，相似度越高，親緣關(guān)系則越近［18］。胡能書(shū)等［19］對(duì)233個(gè)苧麻品種進(jìn)行酯酶同工酶標(biāo)記分析其親緣關(guān)系，初步構(gòu)建苧麻演化樹(shù)。胡能書(shū)等［20］對(duì)213個(gè)苧麻栽培品種進(jìn)行過(guò)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(yùn)用同工酶技術(shù)對(duì)38份苧麻種質(zhì)（其中8份為栽培種）進(jìn)行分析，共檢測(cè)到146條酯酶同工酶譜帶，統(tǒng)計(jì)表明：野生種產(chǎn)生酶帶數(shù)1～5條不等，栽培種產(chǎn)生酶帶數(shù)7～9條不等，共21個(gè)類型，通過(guò)聚類分析得到5個(gè)聚類群。

同工酶標(biāo)記應(yīng)用于苧麻種質(zhì)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(zhǎng)階段存在差異［22］，且同工酶基因的表達(dá)受不良環(huán)境的影響等［23-25］。因此，需結(jié)合其他標(biāo)記技術(shù)來(lái)開(kāi)展研究。

4 分子標(biāo)記

分子標(biāo)記是基于個(gè)體間遺傳物質(zhì)核苷酸序列差異的標(biāo)記，直接反應(yīng)DNA水平單核苷酸多態(tài)性。遺傳多樣性評(píng)估對(duì)有效組配育種材料和改良作物性狀至關(guān)重要［26-28］。分子標(biāo)記具有快速、準(zhǔn)確、多態(tài)性好等特點(diǎn)，通過(guò)分子標(biāo)記的多態(tài)性分析可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)苧麻遺傳多樣性。目前，主要有RAPD、SSR、ISSR和SRAP等分子標(biāo)記用于苧麻遺傳多樣性的研究。

4.1 RAPD標(biāo)記

RAPD（隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA標(biāo)記）技術(shù)是建立在PCR基礎(chǔ)上對(duì)基因進(jìn)行多態(tài)性分析的分子技術(shù)。該技術(shù)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(shù)對(duì)抗旱性較弱和較強(qiáng)的基因型材料各6個(gè)品種進(jìn)行親緣關(guān)系分析，將其聚成兩類三組，直觀地反應(yīng)材料間的親緣關(guān)系，為苧麻抗旱育種親本選擇及親緣關(guān)系研究提供理論依據(jù)。邱財(cái)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(guān)系。陳荷泉［31］用RAPD分子標(biāo)記分析44份苧栽培品種的遺傳變異，用23個(gè)RAPD引物擴(kuò)增出112個(gè)條帶，多態(tài)性帶103條，多態(tài)性比率91.7%。研究表明，RAPD技術(shù)在親緣關(guān)系分析和遺傳多樣性檢測(cè)上具有較大的潛力。

4.2 SSR標(biāo)記

SSR標(biāo)記技術(shù)通過(guò)分析遺傳物質(zhì)的多態(tài)性來(lái)鑒別植物核苷酸排布及規(guī)律。陳建華［32］采用SSR分子標(biāo)記分析了158份苧麻核心種質(zhì)的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)核心種質(zhì)資源遺傳變異廣泛，根據(jù)引物檢測(cè)到的種質(zhì)遺傳多樣性圖譜可以將158份種質(zhì)分成10類。Kim等［33］開(kāi)發(fā)了苧麻的SSR標(biāo)記，選擇了17個(gè)SSR標(biāo)記，分析了90份苧麻種質(zhì)資源的遺傳多樣性，共檢測(cè)到140個(gè)等位基因，每個(gè)序列3到17個(gè)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(shù)據(jù)的遺傳聚類分為4類。Ni等［34］利用23個(gè)SSR標(biāo)記和3個(gè)表型標(biāo)記分析了13個(gè)地區(qū)（中國(guó)、巴西、印度、古巴等）的1 151個(gè)苧麻種質(zhì)資源的遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu)，結(jié)果確定了117 個(gè)位點(diǎn)，Shannon 多樣性指數(shù)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(yù)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?quán)對(duì)組方法的算法均值和遺傳距離的聚類分析揭示了國(guó)內(nèi)外種質(zhì)資源存在明顯差異。種群結(jié)構(gòu)分析也證明野生種質(zhì)遺傳多樣性高于馴化種質(zhì)。Luan等［35］使用95對(duì)SSR引物和107份苧麻種質(zhì)，研究了與苧麻纖維產(chǎn)量性狀相關(guān)的SSR位點(diǎn)，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果表明107份種質(zhì)可分為兩亞群，關(guān)聯(lián)分析檢測(cè)到16個(gè)與苧麻產(chǎn)量性狀相關(guān)的穩(wěn)定分子標(biāo)記。鐘新月［36］篩選出39對(duì)SSR引物，逐一對(duì)19個(gè)耐低磷差異基因型苧麻DAN進(jìn)行擴(kuò)增，結(jié)果均有多態(tài)性，對(duì)引物的擴(kuò)增條帶進(jìn)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(biāo)記技術(shù)對(duì)8份苧麻種質(zhì)進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明8份苧麻材料的遺傳相似系數(shù)為0.669～0.859，在相似系數(shù)0.72處可將其分為3類。上述研究表明，SSR標(biāo)記技術(shù)對(duì)苧麻基因間的遺傳關(guān)系能進(jìn)行有效分析。

4.3 ISSR標(biāo)記

ISSR標(biāo)記是簡(jiǎn)單可靠的DNA 分子標(biāo)記技術(shù)［38，39］。丁明忠等［40］用21條ISSR引物對(duì)8份四川苧麻品種的DNA進(jìn)行擴(kuò)增，共擴(kuò)增出86條帶，多態(tài)性位點(diǎn)71個(gè)，聚類分析結(jié)果顯示，供試品種與母本的遺傳距離較遠(yuǎn)，表現(xiàn)特有的偏父本遺傳現(xiàn)象?？刀悾?1］利用ISSR標(biāo)記技術(shù)研究了56個(gè)苧麻品種的遺傳差異，用15個(gè)ISSR引物共擴(kuò)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(jié)果顯示，在遺傳距離0.635處可將其分為5類：來(lái)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(gè)品種聚成一類，表明品種（系）間的親緣關(guān)系與地理位置密切相關(guān)。劉立軍等［42］利用ISSR標(biāo)記技術(shù)對(duì)苧麻自交無(wú)性繁殖系遺傳關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明ISSR標(biāo)記技術(shù)可準(zhǔn)確地分析苧麻自交無(wú)性繁殖系的親緣關(guān)系和遺傳多樣性。蒙祖慶等［43］研究發(fā)現(xiàn)，ISSR標(biāo)記技術(shù)比RAPD標(biāo)記技術(shù)更適合野生苧麻種質(zhì)親緣關(guān)系的分析。

4.4 SRAP標(biāo)記

SRAP是基于PCR技術(shù)的標(biāo)記方法，目前在苧麻遺傳多樣性研究、檢測(cè)親緣關(guān)系和遺傳圖譜的構(gòu)建等方面得到廣泛應(yīng)用［44-48］。

Liu等［49］首次在苧麻自交系中應(yīng)用SRAP標(biāo)記，研究33個(gè)自交系和2個(gè)野生種間的遺傳關(guān)系。用33個(gè)引物獲得332個(gè)多態(tài)性條帶，UPCMA聚類分析顯示，來(lái)自中國(guó)和巴西的近交系成一類，表明巴西品種可能是從中國(guó)引進(jìn)發(fā)展而來(lái)。在苧麻自交系分組中發(fā)現(xiàn)品種間的遺傳關(guān)系與品種起源區(qū)域顯著相關(guān)。Luan等［50］利用SRAP和SSR標(biāo)記研究108個(gè)苧麻品種的遺傳多樣性和親緣關(guān)系，顯示108個(gè)苧麻種質(zhì)的遺傳相似系數(shù)在0.22～0.89之間。利用PCA（主成分分析）和UPGMA（未加權(quán)的成對(duì)組方法和算術(shù)手段）將108個(gè)種質(zhì)分為兩類；Shanon多樣性指數(shù)為1.1，Nei’s的基因多樣性指數(shù)為0.58。同時(shí)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(zhì)資源保存、開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)。近年來(lái)苧麻在種質(zhì)資源遺傳多樣性研究上取得了一定進(jìn)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(jìn)和提升。隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展，育種家保存的種質(zhì)資源主要是具有優(yōu)良性狀和綜合性狀好的苧麻材料，導(dǎo)致種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)逐漸變窄，研究工作有局限性。此外，不同研究方法的研究結(jié)果也不一致。

今后的苧麻遺傳多樣性研究應(yīng)加強(qiáng)品種收集鑒定與保存，避免種質(zhì)流失；深入了解苧麻種質(zhì)資源的現(xiàn)狀，提高苧麻種質(zhì)資源的遺傳多樣性，加強(qiáng)野生苧麻種質(zhì)的研究和利用，拓寬遺傳基礎(chǔ)；結(jié)合常規(guī)手段與分子技術(shù)，開(kāi)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(guān)系，對(duì)遺傳育種潛力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)；對(duì)重要的性狀進(jìn)行基因定位，發(fā)現(xiàn)優(yōu)良基因，為苧麻的保護(hù)和合理利用提供材料。