中国小麦条锈菌分子群体遗传结构研究

论文摘要

小麦条锈病是我国小麦安全生产最严重的威胁之一，引起该病害的小麦条锈病菌（Puccinia striiformis f．sp．tritici）是一种远程气流传播的病原真菌，从而致使病害具有大区流行的特点，因此明确认识条锈菌在我国小麦主产区群体遗传结构对病害的有效控制至关重要。五十多年来锈病工作者对病原菌群体的持续研究获得了宝贵的理论成果，对控制病害的流行起到了重要作用，然而利用传统的病原菌毒性鉴定及病害调查方法对我国条锈菌大区流行体系的推断需要分子群体遗传学研究的证实和完善，而且对有些重要地区间的菌源传播关系还需要深入的研究。本研究旨在构建小麦条锈菌微卫星分子标记体系，并利用该体系对我国病害主要发生区域的病原菌进行群体遗传分析，以期明确我国小麦条锈菌不同地理群体遗传多样性情况，确定遗传多样性的中心，同时了解大区范围内群体遗传结构及群体间分化程度，并结合群体间基因流强度及个体共享指纹的统计结果推断地区间病原菌的传播关系。本研究获得了以下结果：1．本研究首次对小麦条锈菌cDNA文库蕴含的EST-SSR进行了的分析，明确了小麦条锈菌EST-SSR的基本特征。在1307条无冗余EST序列中，发现了135序列包含着170个SSR，平均长度为16．48 bp，相对较短，平均分布频率是1／3．69 kb，小麦条锈菌EST-SSR以三核苷酸重复最多，重复基元类型较为丰富，出现最多的重复基序是GTT／CAA类型。小麦条锈菌EST中SSR信息的明确为进一步建立和应用EST-SSR标记奠定了基础。2．对本研究开发的小麦条锈菌EST-SSR和已报道的适合条锈菌研究的SSR进行了多态性筛选，并结合TP-M13-SSR技术建立了适合中国小麦条锈菌群体遗传研究的微卫星分子标记体系，具有多态性丰富、灵敏度高、重复性好、高效简捷等优点，为进行大规模高通量的群体遗传研究奠定了基础。3．利用微卫星分子标记体系对17个小麦条锈菌模式生理小种和致病类型的遗传多样性分析显示，微卫星分子标记对中国小麦条锈菌生理小种的分析揭示出较高的遗传多样性水平，可为群体遗传研究提供宝贵的标记资源，研究证明两种标记特征相关性不显著。4．本研究首次利用微卫星分子标记对中国9个省市的20个种群共980份小麦条锈菌个体进行了大规模、大范围的群体遗传分析，获得了以下结论：（1）从分子水平上明确了中国小麦条锈菌保持着较高的遗传多样性水平，各种群间存在着差异，其中天水种群是中国小麦条锈菌遗传多样性水平最高的种群，襄樊种群最低。（2）中国小麦条锈菌群体间和群体内都存在着一定的遗传分化（Gst=0．2335，Fst=0．2215），遗传变异主要存在于群体内部，不同种群间分化水平有所差异，个别种群间分化水平相对较大。研究发现种群间遗传距离与地理距离极显著相关（P＜0．001），符合隔离分化模型。20个种群间基因流（Nm）为0．8787，说明种群间的基因流相对较弱，基因流的阻断可能是导致遗传分化的主要原因。（3）基于微卫星分子标记进行的UPGMA聚类分析结果呈现一定的地理区域性，20个种群被分为5个类群，最大的一个中心类群聚集了12（60%）个种群，其中除昭通种群外，包括了我国最主要的小麦条锈菌越夏区一西北和川西北2个越夏区，以及与两个越夏区相邻的3个盆地一关中盆地、陕西南部和四川盆地的所有种群。其余8个种群较为分散，被分为4个类群，主要来源于四川盆地以南区域和东部地区。（4）根据聚类结果及种群所在区域的地理分布特点，将20个种群分为6个不同地理区域的群体，分别为西北-川西北越夏区群体、关中盆地群体、陕南盆地群体、四川盆地群体、四川盆地以南群体和东部地区群体。明确了西北—川西北越夏区是中国小麦条锈菌遗传多样性最为丰富的地区，即为病原菌遗传多样性的中心区域，东部地区最低。各区域群体内种群间遗传分化程度最大是东部地区群体，最小的为陕南盆地群体。（5）证明了西北越夏区和川西北越夏区存在着一定的基因交流，种群间的遗传关系与其所属的地理区划并不完全相关，同时明确了西北-川西北越夏区种群与3个相邻盆地的群体遗传关系，其中关中盆地与平凉和天水，四川盆地与阿坝、陕南盆地与陇南的小麦条锈菌群体遗传关系最近。（6）获得了中国小麦条锈菌部分种群间个体共享分子指纹的结果，提供了中国小麦条锈菌远距离传播的分子证据，并结合群体基因流强度参数和种群间遗传分化关系，在分子水平上为传统流行学对一些地区间存在菌源关系的推断提供了证据，如平凉与关中盆地间、汉中与安康间等；同时也发现了目前尚未报道过的一些地区间存在菌源交流的可能，如西北越夏区种群与四川盆地以南种群之间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 小麦条锈菌群体遗传研究
• 1.1.1 小麦条锈菌种群分化与鉴定
• 1.1.2 小麦条锈菌群体演化
• 1.2 影响群体遗传结构的因素
• 1.2.1 群体大小
• 1.2.2 生殖方式
• 1.2.3 自然选择
• 1.2.4 基因流
• 1.2.5 基因漂变
• 1.3 小麦条锈病的流行规律和流行区系
• 1.4 小麦条锈菌群体遗传学研究方法及其进展
• 1.4.1 可溶性蛋白和同工酶表型分析在小麦条锈菌研究中的应用
• 1.4.2 揭示DNA多态性方法在小麦条锈菌研究中的应用
• 1.5 微卫星分子标记
• 1.5.1 微卫星分子标记概述
• 1.5.2 微卫星的突变机制
• 1.5.3 微卫星突变的理论模型
• 1.5.4 微卫星 DNA的突变模式和机制对种群遗传分析的意义
• 1.5.5 EST-SSR分子标记
• 1.6 TP-M13-SSR技术
• 1.6.1 TP-M13-SSR检测技术的产生
• 1.6.2 TP-M13-SSR体系的反应原理
• 1.6.3 TP-M13-SSR应用的技术环节
• 1.6.4 TP-M13-SSR检测技术与几种常用的扩增产物检测方法的比较
• 1.7 选题的依据和意义
• 第二章 小麦条锈菌 EST-SSR的分析
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 小麦条锈菌 EST的来源
• 2.1.2 小麦条锈菌 EST-SSR的发掘
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 小麦条锈菌 EST-SSRs的特征
• 2.3 讨论
• 第三章 小麦条锈菌微卫星标记的建立
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 供试材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 小麦条锈菌微卫星引物的筛选
• 3.2.2 小麦条锈菌微卫星多态性引物的筛选
• 3.2.3 EST功能分析结果
• 3.2.4 小麦条锈菌微卫星荧光标记体系的建立
• 3.3 讨论
• 3.3.1 EST-SSR引物扩增效率及无义位点
• 3.3.2 引物扩增的多态性
• 3.3.3 TP-M13-SSR检测技术
• 3.3.4 EST-SSR的功能分析
• 第四章 基于微卫星标记的中国小麦条锈菌生理小种分析
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 供试菌种的准备
• 4.1.2 微卫星分子标记
• 4.1.3 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 小麦条锈菌供试菌系毒性特征的聚类分析
• 4.2.2 小麦条锈菌供试菌系微卫星标记的聚类分析
• 4.2.3 微卫星分析与毒性分析结果的比较
• 4.3 讨论
• 第五章 中国小麦条锈菌分子群体遗传学研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 材料的准备
• 5.1.2 基因组 DNA提取方法
• 5.1.3 微卫星分子标记
• 5.1.4 统计分析
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 中国小麦条锈菌遗传多样性和遗传分化分析
• 5.2.2 不同地理区域种群的群体遗传分析
• 5.2.3 中国小麦条锈菌不同地理种群间传播的证据
• 5.3 讨论
• 5.3.1 中国小麦条锈菌自然种群的遗传多样性水平
• 5.3.2 群体遗传结构及分化
• 5.3.3 群体遗传结构
• 5.3.4 中国小麦条锈菌不同地理种群间传播的证据
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录一 SSR标记试验所需药品、试剂及检测流程
• 附录二 中国小麦条锈菌分子群体遗传研究TP-M13-SSR标记结果
• 致谢
• 个人简介