荞麦种质资源遗传多样性研究

论文摘要

荞麦（Buckwheat）是蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum Mill.）作物,广泛分布于亚洲和欧洲,仅甜荞（Fagopyrum esculentum）和苦荞（Fagopyrum tartaricum）两个栽培种。荞麦营养成分全面,籽粒富含黄酮、类黄酮、固醇和硫胺类结合蛋白,对一些慢性疾病具有潜在的疗效。荞麦中80%的类黄酮物质是芦丁,芦丁能降低血压和血管的通透性,防止动脉硬化和毛细管脆性增加引起的出血症,并具有抗浮肿和抗氧化活性。与其它作物相比,荞麦具有较高的营养价值和独特的药用价值。本文对荞麦种质资源遗传多样性进行了研究,主要结果如下:1.基于叶绿体基因组中的matk、rbcL及trnL-F序列分别对国产荞麦属24份材料进行克隆和测序,并与已经发表的荞麦属植物相关序列进行了分子系统发育关系研究。结果表明,荞麦属中trnL-F的进化速率比matK快,而matK进化速率又比rbcL的进化速率快。荞麦属大粒组和小粒组组间遗传差异较大,小粒组内遗传多样性比大粒组内的高。用最大简约法和贝叶斯分析方法建构的系统树基本一致,由matK和trnL-F序列构建的树比rbcL构建的树有更好的拓扑结构。除个别材料外,荞麦属各材料形成大粒组和小粒组两个单系分支。苦荞、甜荞及细柄野荞（变）种内各居群间亲缘关系较近;金荞和硬枝野荞的遗传多样性较高,亲缘关系较远。苦荞与金荞的亲缘关系较甜荞近。基于matK和rbcL分析表明,花叶野荞和金荞、甜荞及其野生近缘种等大粒组材料亲缘关系较近;基于trnL-F分析表明,花叶野荞和疏穗野荞、硬枝野荞等小粒组材料亲缘关系较近,而和金荞、甜荞及其野生近缘种亲缘关系较远。2.对国产荞麦属24份材料核基因组内转录间隔区（ITS）进行克隆和测序,并与已经发表的荞麦属植物的相应序列进行系统发育关系研究。结果表明,所有材料的整个ITS区长度变化范围为578～660bp。其中5.8SrDNA为163～164bp,ITS1和ITS2长度变幅分别为195～265bp、216～228bp。序列间的遗传分化距离为0～0.128,平均为0.093;ITS1和ITS2的进化速率为5.8 S的3～9倍。荞麦属大粒组和小粒组组间遗传差异较大,小粒组内遗传多样性比大粒组内的高。用最大简约法和贝叶斯分析方法建构的系统树基本一致。除个别材料外,荞麦属各材料形成大粒组和小粒组两个单系分支。苦荞与金荞的亲缘关系较甜荞近。线叶野荞和长柄野荞、小野荞均在ITS1有68bp的缺失,但线叶野荞和硬枝野荞亲缘关系较近,和长柄野荞、小野荞的亲缘关系较远。F.pleioramosum和F.capillatum为细柄野荞的姊妹群。花叶野荞麦和甜荞及其野生近缘种的亲缘关系较近。3.利用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳（A-PAGE）和十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）技术对76份栽培荞麦（苦荞54份,甜荞22份）的贮藏蛋白遗传多样性进行了评价。A-PAGE结果表明,栽培荞麦存在一定程度的醇溶蛋白等位变异,共分离出18条迁移率不同的醇溶蛋白谱带（多态性带占88.89%）。利用SDS-PAGE共检测到15条清蛋白条带,主要由分子量29～97.2 KDa的大分子寡聚蛋白组成。基于A-PAGE和SDS-PAGE得到材料间平均遗传相似系数（GS）分别为0.784（苦荞、甜荞分别为0.892、0.681）、0.732（苦荞、甜荞分别为0.864、0.633）。栽培荞麦种间存在较大遗传差异,甜荞贮藏蛋白遗传多样性比苦荞丰富。聚类分析可将供试材料分为3大类,相同地理来源的材料能够部分地聚成一类或亚类,表明贮藏蛋白所揭示的遗传关系与地理来源有一定相关性。4.对76份栽培荞麦（苦荞54份,甜荞22份）9个主要农艺性状及蛋白质含量进行了统计分析。结果表明,苦荞和甜荞主要农艺性状存在丰富的遗传变异。供试材料具有中、矮秆,主茎节数、花簇数、蛋白质含量适中,一级分枝数偏多、总分枝数偏少,千粒重、单株粒重偏低等特点。多元回归分析表明,主茎节数、一级分枝数、总分枝数、花簇数、千粒重是影响苦荞单株粒重的主要因素,而影响甜荞单株粒重的主要因素为株高、花簇数、生育期。通径分析表明,花簇数对苦荞、甜荞单株籽粒产量的直接效应最大。主成分分析将苦荞、甜荞9个主要农艺性状分别简化为5个和4个综合指标,其累积贡献率分别为87.77%和92.09%。基于性状表现,供试苦荞可分为低产晚熟型、多分枝高蛋白型和早熟粒重型等三种类型,供试甜荞可分为早熟矮秆粒重型和高产优质型等两种类型。聚类结果与其地理来源并不完全一致。据以上分析,筛选出一批综合性状较好或具有一个以上突出优良性状的材料,可供育种利用。5.采用原子吸收、原子荧光光谱法测定了59份栽培荞麦（苦荞38份,甜荞21份）种子中Ca、Fe、Mg、Mn、Zn、Cr、Cu、Pb、Cd、As及Hg等11种无机元素的含量,并根据各元素含量对供试材料进行聚类分析。结果表明,荞麦富含Ca、Mg、Cu、Cr等元素,Fe、Mn、Zn等含量也颇高。不同材料同一元素含量均达到（极）显著差异。苦荞中除Fe、Cr含量高于甜荞、Pb含量与之相当外,其他元素含量均低于甜荞。聚类分析将供试材料归为6类,聚类结果与材料地理来源并不完全一致。共筛选出PI 427235、PI 481653和PI 600909等9份Fe、Zn、Cr含量均很高的材料。6.研究荞麦初花期不同器官总黄酮含量的日变化趋势,探讨了药用荞麦最佳取样时间及取样部位。采用正交试验对荞麦总黄酮提取工艺条件进行筛选,得到了最佳提取条件:75%乙醇,物料比1∶25,65℃振荡提取2h。据此条件对4份来自不同地区的甜荞和苦荞不同器官总黄酮含量进行了日变化研究。结果表明,一天中同一品种不同器官黄酮含量均表现为花＞叶＞茎＞根,且花、叶中的含量显著大于茎和根。不同品种各器官中总黄酮含量的日变化差异较大。其中,花和叶中总黄酮含量以13:00和16:00时为最高。药用甜荞和苦荞宜在下午13:00时到19:00时采收花和叶为佳。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述与立题依据
• 1.1 荞麦属的系统学研究概况
• 1.1.1 荞麦属分类
• 1.1.2 荞麦的起源和演化
• 1.2 荞麦种质资源遗传多样性研究进展
• 1.2.1 形态学研究
• 1.2.2 细胞学研究
• 1.2.3 生化标记
• 1.2.4 分子标记
• 1.3 中国荞麦育种现状
• 1.4 荞麦的实用价值及综合利用
• 1.4.1 营养价值
• 1.4.2 药用价值
• 1.4.3 荞麦的综合利用
• 1.5 立题依据
• 第2章 荞麦属叶绿素基因组的matK、rbcL及trnL-F序列分析
• 2.1 前言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.2 方法
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 matK、rbcL及trnL-F的PCR扩增结果
• 2.3.2 matK、rbcL及trnL-F序列分析
• 2.3.3 系统发育分析
• 2.4 讨论
• 2.4.1 matK、rbcL及trnL-F序列分析比较
• 2.4.2 matK、rbcL及trnL-F序列探讨荞麦属系统发育关系比较
• 2.4.3 多倍体野荞与其它野荞的种间亲缘关系
• 2.4.4 简约法和贝叶斯方法的比较
• 第3章 荞麦属核基因组rDNA 的ITS序列分析
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料
• 3.2.2 方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 ITS的PCR扩增结果
• 3.3.2 ITS序列分析
• 3.3.3 系统发育分析
• 3.4 讨论
• 3.4.1 栽培荞麦的祖先
• 3.4.2 荞麦属大粒组的系统发育关系
• 3.4.3 荞麦属小粒组的系统发育关系
• 第4章 栽培荞麦贮藏蛋白的遗传多样性研究
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料
• 4.2.2 方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 醇溶蛋白多样性分析
• 4.3.2 醇溶蛋白遗传相似系数
• 4.3.3 清蛋白位点变异
• 4.3.4 聚类分析
• 4.4 讨论
• 4.4.1 贮藏蛋白在荞麦遗传多样性评价中的有效性
• 4.4.2 荞麦贮藏蛋白的 SDS-PAGE比较
• 4.4.3 甜荞和苦荞贮藏蛋白遗传多样性比较
• 4.4.5 荞麦贮藏蛋白遗传多样性与地理来源的相关性
• 第5章 栽培荞麦主要农艺性状及蛋白质含量分析
• 5.1 前言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 材料
• 5.2.2 方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 农艺性状主要表现及方差分析
• 5.3.2 苦荞单株籽粒产量与主要农艺性状分析
• 5.3.3 甜荞单株籽粒产量与主要农艺性状分析
• 5.4 讨论
• 第6章 栽培荞麦种子无机元素含量分析
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 材料
• 6.2.2 仪器与试剂
• 6.2.3 方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 不同材料无机元素的主要表现及方差分析
• 6.3.2 不同材料无机元素平均含量间的相关分析
• 6.3.3 不同材料无机元素平均含量的聚类分析
• 6.3.4 荞麦和其他粮食作物中无机元素含量比较
• 6.4 讨论
• 第7章 荞麦不同器官总黄酮含量的日变化研究
• 7.1 前言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 材料
• 7.2.2 仪器与试剂
• 7.2.3 方法
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 荞麦茎叶中总黄酮乙醇提取最佳条件的确定
• 7.3.2 同一材料不同器官总黄酮含量的日变化
• 7.3.3 不同材料同一器官总黄酮含量的日变化
• 7.3.4 甜荞和苦荞不同器官中总黄酮含量日变化趋势比较
• 7.4 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文