我国西北地区赖草的遗传多样性及赖草属8个物种基因组来源的分子进化分析

论文摘要

赖草属（Leymus Hochst.）是禾本科（Poaceae）小麦族（Triticeae）的一个重要多年生属，该属植物广泛分布于北半球寒温带，在我国主要分布于西北地区。该属植物普遍具有抗寒、抗旱、耐盐碱、抗病虫等特点，是小麦改良的理想基因源。本研究对该属在我国分布最广的物种之一的赖草（Leymus secalinus）资源进行考察与收集，对从青海收集的19个居群的穗部形态学和结实率性状进行了鉴定与评价，并利用Genomic-SSR和EST-SSR两种类型的SSR标记研究了我国西北地区的28个赖草居群的遗传多样性。针对赖草属物种中来自新麦草属Ns基因组的供体物种以及Ns基因组以外另一个基因组的来源问题，本文分别利用两个叶绿体基因和两个核基因对窄颖赖草（L．angustus）、羊草（L．chinensis）、毛穗赖草（L．paboanus）、大赖草（L．racemosus）、卡瑞赖草（L．karelinii）、黑海赖草（L．sabulosus）、滨麦（L．mollis）和赖草（L．secalinus）等赖草属8个物种进行了基因组来源分析。获得的主要结果如下：1、赖草在青海省的整体分布是不均匀的，东部共和至兴海河卡地区以及中部都兰以南地区分布居群数目较多；赖草的生长状况受到人为因素的干扰，也与水分条件密切相关；在调查的形态学指标中穗轴节间长变异系数最大，达26.2％，其次为芒长，变异系数达23.1％，变异系数最小的是颖长，为8.7％；从整体上看，形态学聚类结果与地理距离的关系不明显，而与生境密切相关，生境相似的居群首先聚在一起；总体上赖草的自然结实率比较低，平均结实率仅22.5％，但Z2618居群结实率高达63.7％。结实率高低似与居群大小成正相关。2、在筛选的总共384对来自小麦、大麦、黑麦等公布的Genomic-SSR及EST-SSR引物中，能在赖草基因组中扩增出清晰条带（包括多态及单态）的引物共76对，向赖草基因组的可转移率为19.8％；选用的21对SSR引物在28个赖草居群（每居群30个单株）中共扩增出327个等位变异，平均每个引物可扩增山15.6个等位变异；其中10个Genomic-SSR引物共扩增出232个等位变异，平均每个引物扩增等位变异数目为23.2，而11个EST-SSR引物共扩增出95个等位变异，平均每个引物扩增等位变异数目为8.6；所有居群总体的遗传多样性指数为0.760，其中居群内平均多样性指数为0.647，居群间为0.112，居群间遗传分化系数（Gst）为0.148，表明14.8％的遗传变异或遗传多样性存在于居群间，而85.2％的遗传多样性存在于居群内。各居群平均等位变异数变化于3.4～7.7；多态性位点比率变化于90.5％～100％，共有22个居群在所有引物位点表现出100％的多态性；多样性指数变化于0.530～0.718。采自青海高原的18个居群平均等位变异数（6.5）、多态性位点比率（99.7％）和平均遗传多样性指数（0.672）高于黄土高原的7个居群（5.3，96.6，0.618）及新疆地区的三个居群（4.7，93.7，0.567）。Genomic-SSR和EST-SSR两类引物在检测多样性时的效率明显不同，一般情况下，Genomic-SSR比EST-SSR明显检测到更多的遗传变异；并非Genomic-SSR检测到多样性最高或最低的居群，EST-SSR也会检测到最高或最低的多样性，反之亦然。但整体上看，Genomic-SSR和EST-SSR检测到的遗传变异有一定的相关性：对于赖草居群来说，随着Genomic-SSR检测出变异的增高，EST-SSR变异也有增高的趋势。结实率低于20％的居群其平均多样性指标明显小于结实率20％以上的居群，表明居群遗传变异的缺乏是影响其结实率的重要因素。发现采自新疆结实率最高（76.6％）的Z2428居群其遗传多样性在所有居群中是比较低的，该居群可能具有不同的繁育系统。结合野外调查的赖草居群群体大小的资料，可以发现为优势种或生长密集的居群大多表现出比较高的遗传变异，而这些居群往往具有比较高的结实率。3、两个叶绿体基因（rpoA和rbcL）序列分析显示，所研究的赖草属8个物种的叶绿体基因组均来自新麦草属物种，但不可能来自脆轴新麦草（Psathyrostachys fragilis）、Ps.caduca、Ps.rupestris、和Ps.huashanica这几个物种，而是由新麦草（Ps．juncea）或与新麦草系统关系密切的Ps.stoloniformis、Ps.lanuginosa等其它几个物种中至少一个物种所提供。核基因DMCI序列分析显示，大赖草、滨麦、卡瑞赖草和黑海赖草四个物种中的一个基因组来自Ps.fragilis，前三者中的另一个基因组和窄颖赖草中的一个基因组来自新麦草属以外的物种，waxy基因序列显示，大赖草中的另一个基因组与St基因组密切相关。赖草、毛穗赖草的两个核基因组及羊草中的一个基因组与大赖草等物种的基因组来源不同，很有可能来自两个与Ps．fragilis和Ps．juncea系统关系较远的新麦草属物种。根据以上研究结果，本文获得以下主要结论：1、赖草的穗部形态学表现与生境密切相关，环境条件如水分状况严重影响赖草的生长繁殖，其生存也受人为因素的干扰。从整体上看，应该加大对赖草资源的保护力度。2、赖草居群的大小与遗传多样性及结实率大小成正相关。3、青海高原赖草居群的遗传多样性程度高于新疆南部地区的三个居群及黄土高原地区的居群。保护赖草资源时，可在多样性最丰富的青海中部地区几个居群如Z2618、Z2664以及黄土高原地区的Z2167、Z2115取样保护或者在这些居群所在地建原位保护点进行保护。4、本文所研究的赖草属8个物种的叶绿体基因组来自新麦草属，但不是来自Ps.fragilis、Ps.caduca、Ps.rupestris、和Ps.huashanica等物种，而是由新麦草（Ps.juncea）或与新麦草系统关系密切的Ps．stoloniformis、Ps.lanuginosa等其它几个物种中至少一个物种所提供；大赖草、滨麦、卡瑞赖草和黑海赖草的一个核基因组来自Ps.fragilis，前三者的另一个基因组不是新麦草属的Ns基因，其中大赖草的另一个基因组与St基因组相关。赖草、毛穗赖草含两个Ns基因组，与Ps.fragilis和Ps.juncea的Ns基因组关系较远。因此，赖草属物种具有多重起源，不仅每一物种的起源具有多个亲本来源，而且不同物种的叶绿体及核基因组具有不同来源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述——赖草属植物研究进展
• 1.1 赖草属的分类历史
• 1.2 赖草属物种基因组组成的研究
• 1.3 赖草属植物的细胞学研究
• 1.4 赖草属物种遗传图谱的绘制
• 1.5 基因组特异分子标记及重复序列对赖草属物种基因组的识别
• 1.6 赖草属物种系统演化的研究
• 1.7 赖草属物种遗传多样性的研究
• 1.8 赖草属物种的优良特性及利用
• 第二章 研究内容、意义与实验设计
• 2.1 研究内容
• 2.1.1 我国青海地区赖草的穗部形态学与结实率鉴定与评价
• 2.1.2 我国西北地区赖草的遗传多样性研究
• 2.1.3 赖草属8个物种的遗传多样性研究
• 2.2 实验材料
• 2.3 研究意义
• 2.4 总体设计
• 第三章 分布于青海省的赖草（Leymus secalinus Hochst.）穗部形态学特征与自然结实性评价
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 赖草在青海的分布特点
• 3.2.2 穗部植物学性状表现
• 3.2.3 穗部性状聚类分析
• 3.2.4 自然结实率
• 3.3 讨论
• 3.3.1 影响赖草资源在青海省分布的因素
• 3.3.2 青海产赖草材料穗部形态学表现与地理分布的关系
• 3.3.3 赖草结实率问题
• 3.3.4 青海产赖草资源的保护建议
• 第四章 我国西北地区28个赖草居群的遗传多样性研究
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 研究材料
• 4.1.2 实验方法
• 4.1.3 数据处理与分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 引物筛选情况
• 4.2.2 28个赖草居群总体的遗传多样性及遗传结构
• 4.2.3 居群内及地区内、地区间的遗传多样性
• 4.2.4 居群或地区特异的等位变异
• 4.2.5 赖草居群间的遗传分化与地理距离的关系
• 4.2.6 赖草居群的遗传多样性与结实率的关系
• 4.2.7 不同赖草居群的聚类分析
• 4.3 讨论
• 4.3.1 小麦族其它物种SSR引物在赖草基因组中的可转移性
• 4.3.2 赖草的遗传多样性
• 4.3.3 赖草居群的遗传分化
• 4.3.4 赖草居群的结实率与遗传多样性的关系
• 4.3.5 保护赖草资源的建议
• 第五章 赖草属8个物种基因组来源的分子进化分析
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 研究材料
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 rpoA基因序列的比对与进化分析
• 5.2.2 rbcL基因序列的比对与进化分析
• 5.2.3 DMC1基因序列的比对与进化分析
• 5.2.4 waxy基因序列的比对与进化分析
• 5.3 讨论与结论
• 5.3.1 赖草属物种基因组组成及来源
• 5.3.2 研究赖草属物种基因组组成中存在问题的思考
• 5.3.3 本章结论
• 第六章 结论
• 6.1 需要加大对赖草资源的保护力度
• 6.2 赖草的自然结实率与赖草居群的大小及遗传多样性成正相关关系
• 6.3 赖草资源的保护策略
• 6.4 赖草属物种具有多重起源
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介