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山西省酸枣遗传多样性及遗传结构分析

胡晓艳 杜淑辉 王兆山 韩有志

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山西省酸枣遗传多样性及遗传结构分析

    通讯作者: 韩有志, hyouz606@sohu.com

Genetic Diversity and Genetic Structure of Ziziphus jujuba var. spinosa in Shanxi

    Corresponding author: HAN You-zhi, hyouz606@sohu.com
  • 摘要: 目的 山西省是我国酸枣集中分布区之一,开展山西省酸枣遗传多样性研究,为酸枣种质资源保护及可持续利用奠定基础。 方法 本研究利用生物信息学方法筛选酸枣中单拷贝核基因标记,对山西省14个酸枣居群的遗传多样性、遗传结构及居群动态进行分析。 结果 本研究筛选得到6个单拷贝核基因标记用于开展山西省酸枣种质资源相关研究。单拷贝核基因标记的长度为199~846 bp,分离位点数目和单倍型多样性平均值分别为37和0.857,表明单拷贝核基因标记多样性较高。中性检验表明:所有单拷贝核基因标记均符合中性进化假设。山西省酸枣表现出产高的遗传多样性(π=0.007 20,θw=0.009 25),这与高度异交及居群历史动态有关。失配分布分析表明:山西省酸枣在进化历史上经历过居群持续扩张,这与黄土高原地区受第四纪冰期循环影响小有关。STRUCTURE分析表明:山西酸枣居群没有形成明显的遗传结构。AMOVA分析显示:居群间遗传分化水平较高(Fst=0.145),居群内变异是总变异的主要来源(85.48%)。Mantel test表明:遗传距离和地理距离之间没有相关性(r=0.177 5,P=0.216.)。 结论 单拷贝核基因标记可以应用于酸枣种质资源遗传学研究。山西省酸枣种质资源遗传多样性水平较高,居群间遗传分化较明显。
  • 图 1  采样点分布图

    Figure 1.  Distribution of sample sites in Shanxi

    图 2  STRUCTURE运行结果图

    Figure 2.  Result of STRUCTURE

    图 3  失配分布分析结果

    Figure 3.  Result of mismatch distribution analysis

    表 1  酸枣居群采样信息

    Table 1.  Sampled populations of Z. jujuba var. spinosa in this study

    采样地点 Population居群编号 Population code地理信息 Geographical information样品个数 No. of samples
    太原市万柏林区 Wanbolin District,Taiyuan TYWB 37.86° N 112.52° E 11
    运城市芮城县 Ruicheng County,Yuncheng YCRC 34.69° N 110.69° E 19
    临汾市古县 Gu County,Linfen LFGX 36.27° N 111.91° E 16
    临汾市汾西县 Fenxi County,Linfen LFFX 36.65° N 111.56° E 8
    临汾市霍州县 Huozhou County,Linfen LFHZ 36.56° N 111.34° E 7
    忻州市代县 Dai County,Xinzhou XZDX 38.57° N 112.76° E 20
    大同市云岗区 Yungang District,Datong DTYG 39.61° N 112.86° E 18
    长治市长子县 Changzi County,Changzhi CZCZ 35.35° N 112.56° E 20
    长治市沁县 Qin County,Changzhi CZQX 36.26° N 112.45° E 20
    晋城市泽州县 Zezhou County,Jincheng JCZZ 34.85° N 112.83° E 10
    吕梁市交口县 Jiaokou County,Lvliang LLJK 36.58° N 111.18° E 13
    吕梁市孝义市 Xiaoyi County,Lvliang LLXY 36.65° N 111.78° E 21
    阳泉市盂县 Yu County,Yangquan YQYX 37.85° N 113.09° E 10
    晋中市太谷区 Taigu District,Jinzhong JZTG 36.91° N 112.42° E 20
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    表 2  本研究使用的单拷贝核基因标记信息

    Table 2.  Primers for the single-copy nuclear gene markers in this study

    位点
    Locus
    引物序列(5ꞌ-3)    
    Primer sequences(5ꞌ-3ꞌ)    
    功能注释   
    Gene annotation   
    退火温度
    Ta/℃
    SZ2 F:TGGTACAGGATCTACAATTC
    R:CCTGACTTTCTAATTGCTTC
    类MYB蛋白X
    Myb-like protein X
    52
    SZ11 F:ATGGCTTTTGCTTGCCTCTC
    R:GTGCATTCGGGTCATCAATG
    UDPNLD连接酶MurE同族体
    UDP-N-acetylmuramoyl-L-alanyl-D-glutamate--2,6-diaminopimelate ligase MurE homolog
    53
    SZX2 F:GCTACTCGCTCTGGTTTCCAT
    R:GAAGAATCCTTGCCGGTTCAG
    毛透明蛋白
    Trichohyalin
    54
    SZX5 F:CAAATGGAAGCGGCCTAGTG
    R:GCATATGCCAAATGGGGTCC
    DNA核酸内切酶UVH1
    DNA repair endonuclease UVH1
    56
    SZX12 F:GCCCTTTCGCAAAGCTTTCTT
    R:CCCAACACTGAGATTACTGGAG
    转录修正因子MTEF18
    Transcription termination factor MTEF18
    54
    SZX13 F:AAATGGAAGCGGCCTAGTGA
    R:TCCAGGAGTTTCCTCAGAGTC
    DNA修复内切酶
    DNA repair endonuclease
    54
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    表 3  6个单拷贝核基因标记多样性

    Table 3.  Nucleotide variation of single-copy nuclear gene markers

    位点
    Locus
    长度
    L/bp
    分离位点数
    S
    单倍型多样性
    Hd
    核苷酸多样性
    π
    核苷酸多样性
    θw
    Tajima’D
    检验D
    重组
    Rm
    基因流
    Nm
    SZ2 320 18 0.663 0.006 57 0.008 48 −0.656 79 3 1.28
    SZ11 846 49 0.979 0.007 54 0.008 74 −1.028 97 11 1.44
    SZX2 199 7 0.705 0.007 78 0.005 33 0.559 29 2 0.95
    SZX5 679 27 0.925 0.007 06 0.006 00 0.156 92 10 1.20
    SZX12 662 59 0.944 0.006 87 0.013 75 −1.625 63 11 1.60
    SZX13 732 64 0.923 0.007 36 0.013 20 −1.408 79 8 1.53
    平均值 Mean 573 37 0.857 0.007 20 0.009 25 8 1.33
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    表 4  14个山西省酸枣居群遗传多样性水平

    Table 4.  Nucleotide variation of 14 Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

    居群 Population分离位点数 S单倍型多样性 Hd核苷酸多样性 π核苷酸多样性 θw
    TYWB510.9910.006 460.005 17
    YCRC680.9920.007 310.005 99
    LFGX720.9940.008 300.006 66
    LFFX470.9950.006 220.005 24
    LFHZ370.9960.005 480.004 30
    XZDX400.9950.005 020.003 48
    DTYG450.9940.005 560.004 03
    CZCZ640.9970.006 660.005 56
    CZQX740.9950.007 410.006 43
    JCZZ560.9910.006 660.005 84
    LLJK570.9920.006 640.005 52
    LLXY610.9130.004 690.005 24
    YQYX690.9950.007 890.007 19
    JZTG630.9940.006 820.005 48
    平均值Mean570.9860.006 500.005 43
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    表 5  山西酸枣居群遗传结构分析

    Table 5.  AMOVA and Fst analysis of Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

    位点 LocusSZ2SZ11SZX2SZX5SZX12SZX13平均值 Mean
    居群间 Among populations16.3712.9319.1515.7010.8112.1714.52
    居群内 Within populations83.6387.0780.8584.3089.1987.8385.48
    Fst0.1630.1290.1910.1570.1080.1210.145
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    表 6  山西酸枣居群间遗传距离

    Table 6.  Genetic differentiation between Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

    居群
    Population
    CZCZCZQXDTYGJZTGJCZZLFFXLFGXLFHZLLJKLLXYTYWBXZDXYCRC
    CZQX0.050
    DTYG0.1950.145
    JZTG0.0620.0360.160
    JCZZ0.0910.0520.2200.120
    LFFX0.1060.0650.2400.0900.064
    LFGX0.0750.0280.1700.0700.0580.045
    LFHZ0.1170.0710.2400.0800.0580.0470.059
    LLJK0.1670.1300.2700.1500.1330.0590.1260.144
    LLXY0.1770.1500.2500.1700.1820.2540.1550.1660.334
    TYWB0.0410.0640.1900.0800.1190.1340.0950.1430.1570.199
    XZDX0.2000.1460.3600.1900.2330.3070.2040.3220.2950.2960.202
    YCRC0.0640.0250.1900.0600.0400.0870.0430.0730.1430.1200.0850.165
    YQYX0.1270.0490.1900.0400.1030.0900.0600.1070.1430.2000.1360.1830.056
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    [20] 王天翼徐悦王罗云张建国曾艳飞 . 中国沙棘和云南沙棘的遗传分化及遗传多样性. 林业科学研究, 2021, 34(4): 13-21. doi: 10.13275/j.cnki.lykxyj.2021.04.002
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-17
  • 录用日期:  2020-05-23
  • 网络出版日期:  2020-07-23
  • 刊出日期:  2020-08-01

山西省酸枣遗传多样性及遗传结构分析

    通讯作者: 韩有志, hyouz606@sohu.com
  • 1. 山西农业大学林学院,北方功能油料树种培育与研发山西省重点实验室,山西 太谷 030800
  • 2. 中国林业科学研究院林业研究所,北京 100091

摘要:  目的 山西省是我国酸枣集中分布区之一,开展山西省酸枣遗传多样性研究,为酸枣种质资源保护及可持续利用奠定基础。 方法 本研究利用生物信息学方法筛选酸枣中单拷贝核基因标记,对山西省14个酸枣居群的遗传多样性、遗传结构及居群动态进行分析。 结果 本研究筛选得到6个单拷贝核基因标记用于开展山西省酸枣种质资源相关研究。单拷贝核基因标记的长度为199~846 bp,分离位点数目和单倍型多样性平均值分别为37和0.857,表明单拷贝核基因标记多样性较高。中性检验表明:所有单拷贝核基因标记均符合中性进化假设。山西省酸枣表现出产高的遗传多样性(π=0.007 20,θw=0.009 25),这与高度异交及居群历史动态有关。失配分布分析表明:山西省酸枣在进化历史上经历过居群持续扩张,这与黄土高原地区受第四纪冰期循环影响小有关。STRUCTURE分析表明:山西酸枣居群没有形成明显的遗传结构。AMOVA分析显示:居群间遗传分化水平较高(Fst=0.145),居群内变异是总变异的主要来源(85.48%)。Mantel test表明:遗传距离和地理距离之间没有相关性(r=0.177 5,P=0.216.)。 结论 单拷贝核基因标记可以应用于酸枣种质资源遗传学研究。山西省酸枣种质资源遗传多样性水平较高,居群间遗传分化较明显。

English Abstract

  • 野生种质资源具有丰富的遗传变异,能抵御各类生物或非生物胁迫的影响,其蕴含的有益基因对于栽培植物遗传改良至关重要。然而,由于生境破坏以及全球气候变化等对野生居群存续和自然进化的影响,其保护甚为迫切[1]。开展野生种质资源遗传多样性研究有助于制定其保护策略。酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa (Bunge) Hu ex H.F. Chow)是栽培枣的近缘野生种质,在我国分布范围广泛,华北、西北、东北和华东等地区均有分布,集中分布在山西、陕西、河北、山东等地[2]。酸枣适应能力强,抗旱耐寒、耐贫瘠,树势强健,根系深广发达,具有很强的水土保持作用。由于人为活动的影响和资源的不合理开发利用,酸枣的分布正日益缩减[3]。开展酸枣种质资源遗传多样性研究,将为其有效保护和可持续利用提供科学依据,同时推动枣相关育种研究进程[4]。山西省是我国红枣主要产区之一,也是酸枣主要分布区之一,但是目前酸枣资源面积逐年减少,开发利用严重不足[3]

    单拷贝核基因标记(single-copy nuclear gene markers)具有易于扩增测序、含有大量SNPs、不存在谱系分选等优点,目前在植物遗传多样性及谱系地理研究中得到广泛应用[5- 6]。栽培枣基因组序列的公布[7- 8],使得利用生物信息学方法挖掘枣属物种中通用的单拷贝核基因标记成为可能。本研究筛选酸枣中的单拷贝核基因标记并分析山西省酸枣居群的遗传多样性和遗传结构,为后续酸枣资源的保护及可持续利用奠定基础。

    • 本研究采集了山西省14个野生酸枣居群213个单株的叶样。采样地点、居群编号、样品个数等具体信息见图1表1。选取居群内生长势良好、无病虫害的单株,且相邻单株间距至少100 m,采集新鲜叶片置于变色硅胶中带回实验室用于总DNA的提取。

      图  1  采样点分布图

      Figure 1.  Distribution of sample sites in Shanxi

      表 1  酸枣居群采样信息

      Table 1.  Sampled populations of Z. jujuba var. spinosa in this study

      采样地点 Population居群编号 Population code地理信息 Geographical information样品个数 No. of samples
      太原市万柏林区 Wanbolin District,Taiyuan TYWB 37.86° N 112.52° E 11
      运城市芮城县 Ruicheng County,Yuncheng YCRC 34.69° N 110.69° E 19
      临汾市古县 Gu County,Linfen LFGX 36.27° N 111.91° E 16
      临汾市汾西县 Fenxi County,Linfen LFFX 36.65° N 111.56° E 8
      临汾市霍州县 Huozhou County,Linfen LFHZ 36.56° N 111.34° E 7
      忻州市代县 Dai County,Xinzhou XZDX 38.57° N 112.76° E 20
      大同市云岗区 Yungang District,Datong DTYG 39.61° N 112.86° E 18
      长治市长子县 Changzi County,Changzhi CZCZ 35.35° N 112.56° E 20
      长治市沁县 Qin County,Changzhi CZQX 36.26° N 112.45° E 20
      晋城市泽州县 Zezhou County,Jincheng JCZZ 34.85° N 112.83° E 10
      吕梁市交口县 Jiaokou County,Lvliang LLJK 36.58° N 111.18° E 13
      吕梁市孝义市 Xiaoyi County,Lvliang LLXY 36.65° N 111.78° E 21
      阳泉市盂县 Yu County,Yangquan YQYX 37.85° N 113.09° E 10
      晋中市太谷区 Taigu District,Jinzhong JZTG 36.91° N 112.42° E 20
    • 使用改良的CTAB法提取总DNA。所提DNA经1.0%琼脂糖凝胶电泳检测后于−20℃储存备用。采用以下方法筛选酸枣中的单拷贝核基因标记:(1)利用Duarte等[9]提供的单拷贝核基因标签在GENE(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene)中检索,获得相应的核苷酸序列;(2)将核苷酸序列在枣基因组中进行BLAST检索(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PAGE_TYPE=BlastSearch&PROG_DEF=blastn&BLAST_PROG_DEF=megaBlast&BLAST_SPEC=OGP__326968__182558),以确定枣基因组中与其同源的序列,将此同源序列确定为参考序列;(3)利用参考序列进行核苷酸BLAST(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)以确定所选基因在枣基因组中为单拷贝;(4)根据选定的参考序列,利用Primer Premier 5.0软件设计引物。通过检索分析初步筛选了50个单拷贝核基因标记并设计了相应引物。选取3个居群总共15个样品(DTYG、JZTG、YCRC各5个样品)对筛选出的单拷贝核基因标记的变异情况进行检测。PCR扩增采用25 μL体系:50 ng DNA,dNTP 0.24 mmol·L−1,Mg2+ 2.0 mmol·L−1,Taq酶1.5 U,引物0.24 μmol·L−1(所有试剂均为北京擎科生物科技有限公司生产)。PCR扩增程序为:94℃预变性5 min;94℃变性30 s,退火90 s(退火温度随引物而定),72℃延伸90 s,30个循环;72℃延伸5 min;10℃保存。扩增产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳检测后采用DNA纯化试剂盒(Amersham Pharmacia Biotech, Piscataway, USA)纯化后,利用ABI3730 DNA analyzer (Applied Biosystems, Foster City, Califonia, USA)直接测序。扩增和测序采用相同引物。在标记筛选时未选用含有poly-结构的参考序列,因此,不存在需要使用克隆测序的情况。当所选标记在15个样品中扩增或测序结果差,或不包含变异信息时,弃用该标记。最终确定6个单拷贝核基因标记对所有样品进行扩增测序(表2),PCR扩增和测序步骤与标记筛选时一致。经过扩增测序得到了所有酸枣样品在6个单拷贝核基因标记的序列数据。

      表 2  本研究使用的单拷贝核基因标记信息

      Table 2.  Primers for the single-copy nuclear gene markers in this study

      位点
      Locus
      引物序列(5ꞌ-3)    
      Primer sequences(5ꞌ-3ꞌ)    
      功能注释   
      Gene annotation   
      退火温度
      Ta/℃
      SZ2 F:TGGTACAGGATCTACAATTC
      R:CCTGACTTTCTAATTGCTTC
      类MYB蛋白X
      Myb-like protein X
      52
      SZ11 F:ATGGCTTTTGCTTGCCTCTC
      R:GTGCATTCGGGTCATCAATG
      UDPNLD连接酶MurE同族体
      UDP-N-acetylmuramoyl-L-alanyl-D-glutamate--2,6-diaminopimelate ligase MurE homolog
      53
      SZX2 F:GCTACTCGCTCTGGTTTCCAT
      R:GAAGAATCCTTGCCGGTTCAG
      毛透明蛋白
      Trichohyalin
      54
      SZX5 F:CAAATGGAAGCGGCCTAGTG
      R:GCATATGCCAAATGGGGTCC
      DNA核酸内切酶UVH1
      DNA repair endonuclease UVH1
      56
      SZX12 F:GCCCTTTCGCAAAGCTTTCTT
      R:CCCAACACTGAGATTACTGGAG
      转录修正因子MTEF18
      Transcription termination factor MTEF18
      54
      SZX13 F:AAATGGAAGCGGCCTAGTGA
      R:TCCAGGAGTTTCCTCAGAGTC
      DNA修复内切酶
      DNA repair endonuclease
      54
    • 测序结果处理时遵循简并碱基的原则。所有序列数据采用软件ClustalX[10]比对,并在BioEdit[11]中进行校正后输出用于后续分析的数据文件。利用DnaSp5.10[12]对每个单拷贝核基因标记计算如下参数:多态核苷酸位点数目(S)、单倍型多样性(Hd)[13]π(一对序列间每碱基平均差异值)[14]、基于多态核苷酸位点数目S的Watterson’s参数θw[15]、Tajima’D中性检验(显著性检验由999次联合模拟计算得到)[16]、重组事件(Rm)和居群间基因流Nm。利用DnaSp5.10计算居群水平的遗传多样性参数SHdπθw。同时利用DnaSp5.10中的失配分布分析(Mismatch distribution analysis)[17]检验居群历史动态,当居群大小保持相对稳定时,失配分布曲线会呈多峰分布;当居群经历扩张或持续增长时,失配分布曲线一般会呈现单峰。利用Arlequin 3.5.1.3[18]中的分子方差分析(AMOVA)计算在每个单拷贝核基因标记物种内居群间以及居群内差异对总变异的贡献率(显著性检验利用999次重复模拟得到)和居群间遗传分化指数Fst[19](显著性检验利用999次重复模拟得到),同时计算两两居群间遗传距离。使用GenAlEx 6.5[19]中的Mantel test检验遗传距离和地理距离之间的相关性。采用STRUCTURE 2.3.4[20]进行群体水平的遗传结构分析,参数设置如下:选用混合模型(admixture model)和群体间相关联的等位基因频率模型(correlated alleles frequencies),length of burn-in长度设置为500 000,马尔科夫链蒙特卡洛迭代次数(MCMC replicates after burn-in)设置为2 000 000,分类数目(K)值范围为1~10,每个K值重复计算10次。利用最大值ΔK对应的K值确定为最佳K[21]

    • 6个单拷贝核基因标记的长度在199~846 bp之间,分离位点数目和单倍型多样性的变化区间为7~64和0.663~0.979;核苷酸多样性参数πθw的平均值分别为0.007 20和0.009 25;Rm的平均值为8,表明酸枣基因组内重组事件发生频率较高(表3)。在居群水平上,单倍型多样性平均值为0.986,πθw的平均值分别为0.006 50和0.005 43,多样性较高的居群如YQYX(π=0.007 89,θw=0.007 19),较低的如XZDX(π=0.005 02,θw=0.003 48)(表4)。

      表 3  6个单拷贝核基因标记多样性

      Table 3.  Nucleotide variation of single-copy nuclear gene markers

      位点
      Locus
      长度
      L/bp
      分离位点数
      S
      单倍型多样性
      Hd
      核苷酸多样性
      π
      核苷酸多样性
      θw
      Tajima’D
      检验D
      重组
      Rm
      基因流
      Nm
      SZ2 320 18 0.663 0.006 57 0.008 48 −0.656 79 3 1.28
      SZ11 846 49 0.979 0.007 54 0.008 74 −1.028 97 11 1.44
      SZX2 199 7 0.705 0.007 78 0.005 33 0.559 29 2 0.95
      SZX5 679 27 0.925 0.007 06 0.006 00 0.156 92 10 1.20
      SZX12 662 59 0.944 0.006 87 0.013 75 −1.625 63 11 1.60
      SZX13 732 64 0.923 0.007 36 0.013 20 −1.408 79 8 1.53
      平均值 Mean 573 37 0.857 0.007 20 0.009 25 8 1.33

      表 4  14个山西省酸枣居群遗传多样性水平

      Table 4.  Nucleotide variation of 14 Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

      居群 Population分离位点数 S单倍型多样性 Hd核苷酸多样性 π核苷酸多样性 θw
      TYWB510.9910.006 460.005 17
      YCRC680.9920.007 310.005 99
      LFGX720.9940.008 300.006 66
      LFFX470.9950.006 220.005 24
      LFHZ370.9960.005 480.004 30
      XZDX400.9950.005 020.003 48
      DTYG450.9940.005 560.004 03
      CZCZ640.9970.006 660.005 56
      CZQX740.9950.007 410.006 43
      JCZZ560.9910.006 660.005 84
      LLJK570.9920.006 640.005 52
      LLXY610.9130.004 690.005 24
      YQYX690.9950.007 890.007 19
      JZTG630.9940.006 820.005 48
      平均值Mean570.9860.006 500.005 43
    • AMOVA分析结果(表5)表明:居群内变异占总变异的85.48%,居群分化指数Fst平均值为0.145,表明山西省酸枣居群间基因交流平均水平较低,这与Nm分析结果基本一致(Nm平均值为1.33)。居群间遗传距离结果(表6)表明:XZDX和DTYG间遗传距离最大(0.360),YCRC和CZQX间最低(0.025)。Mantel test检验表明:居群间地理距离与遗传距离没有相关性(r=0.177 5,P=0.216)。STRUCTU分析显示:当K=2时,山西省酸枣居群有最佳聚类结果,并没有形成明显的遗传结构,部分居群间个体遗传组成差异较大(如DTYG和JZTG)(图2)。

      表 5  山西酸枣居群遗传结构分析

      Table 5.  AMOVA and Fst analysis of Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

      位点 LocusSZ2SZ11SZX2SZX5SZX12SZX13平均值 Mean
      居群间 Among populations16.3712.9319.1515.7010.8112.1714.52
      居群内 Within populations83.6387.0780.8584.3089.1987.8385.48
      Fst0.1630.1290.1910.1570.1080.1210.145

      表 6  山西酸枣居群间遗传距离

      Table 6.  Genetic differentiation between Z. jujuba var. spinosa populations in Shanxi

      居群
      Population
      CZCZCZQXDTYGJZTGJCZZLFFXLFGXLFHZLLJKLLXYTYWBXZDXYCRC
      CZQX0.050
      DTYG0.1950.145
      JZTG0.0620.0360.160
      JCZZ0.0910.0520.2200.120
      LFFX0.1060.0650.2400.0900.064
      LFGX0.0750.0280.1700.0700.0580.045
      LFHZ0.1170.0710.2400.0800.0580.0470.059
      LLJK0.1670.1300.2700.1500.1330.0590.1260.144
      LLXY0.1770.1500.2500.1700.1820.2540.1550.1660.334
      TYWB0.0410.0640.1900.0800.1190.1340.0950.1430.1570.199
      XZDX0.2000.1460.3600.1900.2330.3070.2040.3220.2950.2960.202
      YCRC0.0640.0250.1900.0600.0400.0870.0430.0730.1430.1200.0850.165
      YQYX0.1270.0490.1900.0400.1030.0900.0600.1070.1430.2000.1360.1830.056

      图  2  STRUCTURE运行结果图

      Figure 2.  Result of STRUCTURE

    • Tajima’D检验结果均不显著且大部分为负值,表明所选用的单拷贝核基因标记符合中性进化假设,且山西酸枣居群在进化历史上可能经历过居群扩张(表3)。失配分析结果呈现明显的单峰,表明山西省酸枣自然野生居群历史上经历过扩张,这与Tajima’D检测结果一致(图3)。

      图  3  失配分布分析结果

      Figure 3.  Result of mismatch distribution analysis

    • 基因组复制事件和高水平的序列变异是导致单拷贝核基因标记筛选困难的主要原因[22]。例如在566个中国白栎组(section Quercus)单拷贝核基因标记中,仅有19个标记能够在本组不同物种间通用[5]。虽然枣近期没有发生过全基因组复制事件,但是枣染色体融合与片段复制事件发生频率很高[7],这在一定程度上导致单拷贝核基因标记筛选的困难。标记筛选过程中,在枣基因组中成功检索到50个单拷贝核基因序列并设计了特异引物,但仅有6个单拷贝核基因能够在所有样品中成功扩增并测序。据估计,在植物基因组中大约有10%的基因为单拷贝[9]。在枣基因组注释到的32 808个功能基因中[7],单拷贝基因的个数在3 000个左右,因此,未来能够挖掘更多的单拷贝基因标记应用于酸枣和枣居群遗传学和谱系地理学等相关研究中。

    • 在位点水平上,分布于山西的酸枣表现出较高的遗传多样性水平(π=0.007 20,θw=0.009 25),比在我国分布的其他物种如中国山杨(Populus davidiana Dode)(π=0.004 40,θw=0.007 50)[23]、甘蒙柽柳(Tamarix austromongolica Nakai)(π=0.002 59)[24]、沙芥[Pugionium cornntum (L.) Gaertn](π=0.005 32)[25]的遗传多样性水平高。使用其他类型分子标记技术的研究(如SSR、RAPD等)也表明自然分布的酸枣具有较高的遗传多样性水平,积累了丰富的遗传变异[26-27]。物种遗传多样性水平受取样代表性、自然选择、繁育系统及居群历史等因素的影响[23]。本研究的取样范围覆盖山西省,因此,可以排除取样代表性对本研究结果的影响。Tajima’D中性检验结果表明,6个单拷贝核基因标记均符合中性进化假设,因此,可以排除自然选择的影响。酸枣为异交植物,异交可以增加物种的有效群体大小和有效重组率,从而提高遗传多样性水平[28],并且自然状态下酸枣居群内很少发生近交繁殖[27]。第四纪冰期循环对北半球物种的多样性与分布产生了重大的影响[29-30],但在我国黄土高原地区冰期循环对物种的影响非常小,冰盖也仅仅在黄土高原南部部分地区形成,持续时间非常短[31]。因此,分布于山西省的酸枣受第四纪冰期循环的影响非常小,可以保留大量的遗传变异。同时,本研究中失配分布分析表明,山西省酸枣居群经历过居群扩张,也支持了上述推论。

    • 本研究发现,分布于山西省的酸枣居群间遗传距离差异较大(0.025~0.360)(表6),表明酸枣居群之间的基因交流存在较大的变化,由于Mantel test表明地理距离与遗传距离之间没有相关性,因此,这可能与居群之间是否存在明显的地理隔离(如山脉、河流)或人类活动等因素相关。地理隔离可以阻碍居群之间的基因交流,而人类活动有时可以打破这种阻碍[32],因此,山西省酸枣居群间遗传距离差异是上述因素共同作用的结果。整体上居群间表现出较高水平的遗传分化(Fst=0.145)且基因流较小(Nm=1.33),但居群内的变异是总体变异的主要来源(表35)。张春梅等[27]研究了黄河流域3个酸枣居群的遗传分化水平,发现3个居群间分化水平非常低(Fst=0.017~0.039)且基因流较高,推测黄河水流携带种子传播是导致黄河流域3个酸枣居群出现低分化水平的主要原因。Zhang等[33]进一步对全国范围内酸枣居群的遗传分化水平进行研究,发现酸枣居群间遗传分化指数Fst为0.12。Zhang等[33]指出,河流在酸枣居群间基因交流中(种子传播)发挥着重要的作用;但本研究中,采样居群间无河流连接,因此,居群间种子传播的可能性非常小,同时酸枣花粉活力弱,扩散能力不强[34]。上述因素是导致山西省酸枣居群间表现出较高水平遗传分化的主要原因。随着人类活动的加剧,同时由于酸枣在枣培育过程中的使用及其种仁蕴含的药用价值,酸枣资源不合理开发利用的情况日益严重,使酸枣这一宝贵的野生果树资源得不到有效的保护与开发利用。本研究发现,分布于山西中部及南部的酸枣居群普遍表现出较高的遗传多样性水平,因此,在未来一方面应该加强保护,防止多样性丢失;另一方面应加强人工驯化栽培、就地抚育改造等工作,利用好这一宝贵的种质资源[3]

    • 本研究利用生物信息学方法筛选了酸枣中的6个单拷贝核基因标记并将其应用于山西酸枣居群遗传学相关研究,这为未来我国酸枣种质资源遗传学及谱系地理学等研究提供了重要的技术支持。通过对山西省酸枣居群遗传多样性、遗传结构及居群历史动态的初步分析,发现山西省酸枣表现出较高的遗传多样性水平,繁育系统及居群历史动态是影响遗传多样性的主要原因。山西省酸枣居群之间表现出较高水平的遗传分化,未来应对分布于山西中部及南部地区的酸枣居群加强保护与开发利用。本研究的开展为深入进行山西省及我国酸枣种质资源保护、可持续开发利用等奠定了基础。

参考文献 (34)

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