閆林 黃麗芳 王曉陽 孫燕 林興軍 董云萍 龍宇宙
摘要:【目的】對(duì)我國收集保存的咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析,為咖啡種質(zhì)資源的收集、保存、鑒定、創(chuàng)新及有效利用提供理論參考?!痉椒ā繌母鐐惐葋喆髮W(xué)(UBC Primer Set #9)公布的100個(gè)ISSR引物序列中篩選出多態(tài)性好、擴(kuò)增條帶清晰且重復(fù)性好的引物,利用其對(duì)72份咖啡種質(zhì)材料進(jìn)行擴(kuò)增,對(duì)電泳圖譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并利用NTSYSpc 2.1計(jì)算遺傳相似系數(shù)和遺傳距離。根據(jù)非加權(quán)算術(shù)平均法(UPGMA)進(jìn)行聚類分析,并進(jìn)行主坐標(biāo)分析?!窘Y(jié)果】篩選出的19條引物共擴(kuò)增出153條條帶,其中多態(tài)性條帶數(shù)為128條,占總條帶數(shù)的83.7%;72份咖啡種質(zhì)材料間的遺傳相似系數(shù)為0.4531~0.9609,平均為0.6567;遺傳距離為0.0351~1.0951,平均為0.4081。其中,大粒種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)最大(0.9297~0.9531),遺傳距離最?。?.0445~0.0669);中粒種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)最?。?.5781~0.8750),遺傳距離最大(0.1210~0.5363)。主坐標(biāo)分析與聚類分析結(jié)果一致,均顯示72份咖啡種質(zhì)材料可分為三大類,其中3份大粒種、3份查理種及1份中粒種巴布亞新幾內(nèi)亞-2聚為Ⅰ類群;32份小粒種聚為聚為Ⅱ類群;除巴布亞新幾內(nèi)亞-2外的其他31份中粒種及1份中小粒雜交種Arabusta和1份福建咖啡共33份聚為Ⅲ類群。聚類分析結(jié)果與種質(zhì)地理來源無明顯相關(guān)性?!窘Y(jié)論】咖啡種質(zhì)資源各種間存在較大的遺傳差異,以中粒種種內(nèi)遺傳多樣性較豐富,以大粒種種內(nèi)遺傳多樣性較低。利用ISSR分子標(biāo)記可準(zhǔn)確分析咖啡資源遺傳多樣性。
關(guān)鍵詞: 咖啡;ISSR;遺傳多樣性;聚類分析;主坐標(biāo)分析
中圖分類號(hào): S571.202.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):2095-1191(2019)03-0491-09
0 引言
【研究意義】咖啡(Coffea spp.)主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū),約有124種(Davis et al.,2006;Ceja-Navarro et al.,2015)。商業(yè)栽培主要有小粒種咖啡(C. arabica Linné)和中粒種咖啡(C. canephora Pierre)。小粒種咖啡為四倍體物種(2n=4x=44),由中粒種咖啡和C. eugenoedes或其他生態(tài)型相近的二倍體自然雜交而成(Anthony et al.,2002;Silvestrini et al.,2007;Cenci et al.,2012)。除小粒種咖啡外,其余咖啡屬物種均為二倍體(Stoffelen et al.,2009;Nowak et al.,2011)。我國云南和海南等省收集保存了大量咖啡種質(zhì)資源,并對(duì)其進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià),但主要集中于形態(tài)學(xué)和抗銹性鑒定評(píng)價(jià)研究(周華等,2015;武瑞瑞等,2017),不利于后續(xù)的資源創(chuàng)新利用和優(yōu)良品種選育研究。利用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià),明確其親緣關(guān)系,對(duì)咖啡種質(zhì)資源利用和優(yōu)良品種選育具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】ISSR分子標(biāo)記兼具RAPD和SSR分子標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生物的品種鑒定(Culley and Wolfe,2001)、遺傳圖譜構(gòu)建(易克等,2003)、遺傳多樣性分析(朱巖芳等,2010;張盾等,2018)、基因定位(李冬梅,2016)等研究方面,其中在咖啡種質(zhì)資源遺傳多樣性評(píng)價(jià)方面也有廣泛應(yīng)用(Masumbuko and Bryngelsson,2006;Kassahun et al.,2014)。利用ISSR分子標(biāo)記不僅可評(píng)價(jià)小粒種咖啡種內(nèi)的遺傳差異,還能有效揭示來自剛果基因庫的中粒種咖啡存在遺傳變異(Masumbuko and Bryngelsson,2006;Tshilenge et al.,2009)。Ruas等(2003)研究表明不同產(chǎn)地的8種咖啡的遺傳多樣性豐富,遺傳相似系數(shù)為0.25~0.86。Aga等(2005)利用11個(gè)為ISSR分子標(biāo)記分析來自埃塞俄比亞4個(gè)地區(qū)的咖啡種質(zhì)遺傳變異,結(jié)果表明不同地區(qū)群體間遺傳差異較同一地區(qū)群體內(nèi)遺傳差異大。Kumar等(2008)利用RAPD和ISSR分子標(biāo)記分析咖啡屬與光花咖啡屬間的基因組相似性,結(jié)果表明二者存在明顯差異,且基因組相似性與地理分布存在緊密的關(guān)聯(lián)性。Kassahun等(2014)利用9個(gè)ISSR引物分析埃塞俄比亞125份咖啡野生種和地方品種的遺傳結(jié)構(gòu),結(jié)果表明,地方品種起源于埃塞俄比亞的不同地理區(qū)域,且以Yayu和Bonga群體遺傳多樣性最高,其次是Berhane Kontir群體。Motta等(2014)應(yīng)用SSR和ISSR分子標(biāo)記分析10個(gè)小粒種和7個(gè)中粒種咖啡的基因型特征,結(jié)果表明在種間和種內(nèi)均存在明顯的基因型差異。黃麗芳等(2014,2017)利用RAPD分子標(biāo)記分析我國咖啡種質(zhì)資源的遺傳多樣性和親緣關(guān)系,結(jié)果表明種間和種內(nèi)均存在明顯的遺傳差異,遺傳多樣性豐富。【本研究切入點(diǎn)】目前,鮮見有關(guān)利用ISSR分子標(biāo)記對(duì)我國咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析的研究報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】利用ISSR分子標(biāo)記對(duì)我國收集保存的72份咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析,為咖啡種質(zhì)資源的分類鑒定、有效利用及新品種選育提供理論參考。
1 材料與方法
1. 1 供試材料
72份供試咖啡種質(zhì)資源基本信息見表1,其中中粒種(C. canephora Pierre)資源32份(編號(hào)7~35、58、66、67),小粒種(C. arabica. Linné)資源32份(編號(hào)36~57、60~65、69~72),查理種(C. excelsa Chevalier)資源3份(編號(hào)4~6),大粒種(C. liberica Bull ex Hiern)資源3份(編號(hào)1~3),中小粒雜交種(C. canephora Pierre×C. arabica Linné)1份(編號(hào)59),來自福建的分類不明確資源1份(編號(hào)68,下文簡稱福建咖啡)。編號(hào)1~67由中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所提供,編號(hào)68~72采自海南省澄邁縣農(nóng)戶種植基地。ISSR引物由英濰捷基(上海)貿(mào)易有限公司合成。Taq DNA聚合酶、dNTPs、MgCl2、10×PCR Buffer和DNA Marker購自天根生化科技(北京)有限公司,其他試劑均為國產(chǎn)分析純。主要儀器設(shè)備:PCR擴(kuò)增儀(Bio-Rad,美國)、冷凍離心機(jī)(Hettich,德國)、超微量分光光度計(jì)(Nanodrop,美國)和全自動(dòng)數(shù)碼凝膠成像系統(tǒng)(Tanon,中國)等。
1. 2 試驗(yàn)方法
1. 2. 1 基因組DNA提取 采摘健康植株上的無病蟲害成熟葉片,液氮速凍后-80 ℃保存。利用CTAB改良法提取葉片總DNA(黃麗芳等,2011),并用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測其質(zhì)量、微量分光光度計(jì)檢測其濃度,用ddH2O稀釋至20 ng/μL,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1. 2. 2 ISSR-PCR擴(kuò)增 參照閆林等(2012)的方法建立最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系及擴(kuò)增程序。反應(yīng)體系20.00 μL:10×PCR Buffer 2.00 μL,5 ng/μL DNA模板4.00 μL,10 mmol/L dNTPs 0.60 μL,5 U/μL Taq DNA聚合酶0.25 μL,25 mmol/L MgCl2 1.20 μL,10 μmol/L引物1.20 μL,ddH2O補(bǔ)足至20.00 μL。ISSR擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃ 15 s,35~50 ℃ 1 min,72 ℃ 78 s,進(jìn)行40個(gè)循環(huán);72 ℃延伸7 min,4 ℃保存。PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測,在凝膠成像系統(tǒng)上觀察拍照。
1. 2. 3 引物篩選 按照優(yōu)化后的最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系及擴(kuò)增程序,以4份遺傳背景差異較大的咖啡種質(zhì)(27號(hào)、臺(tái)灣小粒種、大粒種1和M10)基因組DNA為模板,利用哥倫比亞大學(xué)(UBC Primer Set #9)公布的100個(gè)ISSR引物,從中篩選出多態(tài)性好且擴(kuò)增條帶清晰的引物用于后續(xù)咖啡種質(zhì)資源遺傳多樣性分析。
1. 3 統(tǒng)計(jì)分析
根據(jù)擴(kuò)增條帶在瓊脂糖凝膠中遷移率的不同,統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的擴(kuò)增電泳譜帶。在同一遷移位置上,有條帶賦值“1”,無條帶賦值“0”。采用NTSYSpc 2.1計(jì)算遺傳相似系數(shù)和遺傳距離,根據(jù)非加權(quán)算術(shù)平均法進(jìn)行聚類分析,最后基于遺傳相似系數(shù)進(jìn)行主坐標(biāo)分析。
2 結(jié)果與分析
2. 1 多態(tài)性分析結(jié)果
從哥倫比亞大學(xué)公布的100條ISSR引物中篩選出19條擴(kuò)增條帶清晰、重復(fù)性高的引物,部分引物的PCR擴(kuò)增結(jié)果。利用其對(duì)72份咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行ISSR多態(tài)性分析,結(jié)果(表2)顯示,共擴(kuò)增出153條條帶,大小為170~2100 bp,不同引物的擴(kuò)增帶數(shù)為3~14條,平均每條引物擴(kuò)增8.0條條帶,其中多態(tài)性條帶128條,占總條帶數(shù)的83.7%。
2. 2 遺傳相似系數(shù)分析結(jié)果
應(yīng)用NTSYSpc 2.1計(jì)算咖啡種質(zhì)材料間的遺傳相似系數(shù),得到相似性矩陣。72份咖啡種質(zhì)材料間的遺傳相似系數(shù)為0.4531~0.9609,平均為0.6567。由表3可知,所有種質(zhì)間均有不同程度的遺傳差異,其中綠頂M11與福建咖啡品種遺傳相似系數(shù)最小,為0.4531,表明二者遺傳差異最大;CTM3(CIFC7962)與CTM19遺傳相似系數(shù)最大,為0.9609,遺傳差異最小,二者在形態(tài)上較相近。
不同的種內(nèi)遺傳相似系數(shù)差異也較大。中粒種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)為0.5781~0.8750,平均為0.7250;小粒種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)為0.5234~0.9609,平均為0.7961;大粒種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)為0.9297~0.9531,平均為0.9427;查理種種內(nèi)遺傳相似系數(shù)為0.7188~0.8672,平均為0.7813??梢?,中粒種遺傳多樣性較豐富,大粒種遺傳多樣性較低。
2. 3 遺傳距離分析結(jié)果
應(yīng)用NTSYSpc 2.1計(jì)算咖啡種質(zhì)材料間的遺傳距離。由表4可知,72份咖啡種質(zhì)材料的遺傳距離為0.0351~1.0951,平均為0.4081。其中,CTM3(CIFC7962)與CTM19的遺傳距離最小,為0.0351,興2與CTM19遺傳距離為0.0413,南頂與石壟坡遺傳距離為0.0445,表明二者間遺傳差異較小;綠頂M11與福建咖啡遺傳距離最大,為1.0951,表明二者間遺傳差異較大。
中粒種種內(nèi)遺傳距離為0.1210~0.5363,平均為0.3029;小粒種種內(nèi)遺傳距離為0.0351~0.8129,平均為0.2229;大粒種種內(nèi)遺傳距離為0.0445~0.0669,平均為0.0543;查理種種內(nèi)遺傳距離為0.1387~0.3345,平均為0.2543??梢?,中粒種種內(nèi)遺傳距離最大,遺傳多樣性最豐富;其次為查理種,遺傳多樣性也較豐富;大粒種種內(nèi)遺傳距離最小,遺傳多樣性最低。
2. 4 聚類分析結(jié)果
采用UPGMA對(duì)72份咖啡種質(zhì)材料進(jìn)行聚類分析。在遺傳相似系數(shù)0.5927處,72份材料可分為三大類,Ⅰ類群包括來自海南文昌和興隆的3份查理種和3份大粒種及1份中粒種巴布亞新幾內(nèi)亞-2,遺傳相似系數(shù)為0.6484~0.9531;Ⅱ類群包括32份小粒種咖啡,遺傳相似系數(shù)為0.5234~0.9609;Ⅲ類群包括31份中粒種及1份福建咖啡和1份中小粒種雜交種Arabusta,共33份資源,遺傳相似系數(shù)為0.6641~0.8750。
Ⅰ類群在遺傳相似系數(shù)0.7592處,南頂、石壟坡、查理小果、查理大果、大粒種1和查理中果聚為一分支,并在遺傳相似系數(shù)0.6700處與巴布亞新幾內(nèi)亞-2聚類為一類。
Ⅱ類群在遺傳相似系數(shù)0.5928處,分為2個(gè)分支,其中一支為綠頂M11,另一支為來自巴西、喀麥隆及我國臺(tái)灣、云南、廣西等地的32份種質(zhì)。
Ⅲ類群在遺傳相似系數(shù)0.6823處,越南-3種質(zhì)單獨(dú)成為一分支,其他32份種質(zhì)在遺傳相似系數(shù)0.6913外又分為兩個(gè)分支,中小粒雜交種Arabusta咖啡單獨(dú)為一個(gè)分支,其他來自我國海南興隆、越南、馬來西亞、泰國、印度尼西亞及巴布亞新幾內(nèi)亞等地的咖啡資源聚為一個(gè)分支。
綜上所述,72份咖啡材料間有較高的遺傳變異率,種間的差異比較明顯,說明ISSR分子標(biāo)記可為咖啡種質(zhì)的分類研究提供更多信息。
2. 5 主坐標(biāo)分析結(jié)果
基于72份咖啡種質(zhì)材料的遺傳相似系數(shù)矩陣進(jìn)行主坐標(biāo)分析。以排名前3位的矩陣特征值的貢獻(xiàn)指數(shù)分別占49.47%、19.38%和10.01%,占總貢獻(xiàn)的78.86%。72份咖啡種質(zhì)材料分為三大簇,其中3份大粒種、3份查理種及1份中粒種(巴布亞新幾內(nèi)亞-2)聚為一簇;32份小粒種聚為一簇;除巴布亞新幾內(nèi)亞-2外的其他31份中粒種及1份中小粒雜交種Arabusta和1份福建咖啡共33份聚為一簇。主坐標(biāo)分析與聚類分析結(jié)果一致,但主坐標(biāo)分析比聚類分析更直觀地反映各咖啡種質(zhì)間的親緣關(guān)系。
3 討論
遺傳多樣性是生物多樣性的基礎(chǔ),是重要的遺傳資源。生物遺傳變異均發(fā)生在分子水平,在不斷進(jìn)化過程中形成了豐富的遺傳多樣性(馬克平,1993;時(shí)圣明等,2016)。我國咖啡種質(zhì)大多數(shù)是從國外引進(jìn),亟需對(duì)其種質(zhì)資源進(jìn)行創(chuàng)新改良,從而選育出適合我國種植的優(yōu)良品種。雖然目前我國云南和海南等地對(duì)咖啡種質(zhì)資源進(jìn)行收集保存,但對(duì)種質(zhì)資源遺傳多樣性和親緣關(guān)系等方面的研究相對(duì)較少,嚴(yán)重阻礙了我國咖啡遺傳育種進(jìn)程,進(jìn)而限制咖啡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本研究利用ISSR分子標(biāo)記分析咖啡種質(zhì)資源的遺傳多樣性,結(jié)果表明72份咖啡種質(zhì)材料可分為三大類,遺傳相似系數(shù)0.4531~0.9609,說明這些材料遺傳背景相對(duì)較寬,存在較高的遺傳多樣性,與黃麗芳等(2014)的研究結(jié)果一致。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ類群親緣關(guān)系清晰,聚類分析結(jié)果與表型分類結(jié)果較一致,說明各種間存在較大的遺傳差異,其中Ⅲ類群主要為中粒種,遺傳相似系數(shù)0.6641~0.8750,說明種內(nèi)遺傳差異較大。這可能與中粒種咖啡是異花授粉有關(guān),在長期的繁殖過程中形成了大量遺傳變異。Hamrick和God(1990)也研究發(fā)現(xiàn),多年生異花授粉植物具有較高遺傳多樣性,尤其在種內(nèi)這種現(xiàn)象尤為明顯。本研究還發(fā)現(xiàn),Ⅱ類群的小粒種咖啡親緣關(guān)系較緊密,遺傳相似系數(shù)為0.5234~0.9609,遺傳多樣性較低,推測與小粒種咖啡為自花授粉有關(guān),還可能與我國現(xiàn)有小粒種咖啡種質(zhì)資源大多為國外引進(jìn)的栽培種,而野生種質(zhì)引進(jìn)較少有關(guān)。Anthony等(2002)利用AFLP和SSR分子標(biāo)記對(duì)26份栽培種和半野生小粒種進(jìn)行遺傳多樣性分析,結(jié)果表明兩種標(biāo)記的聚類結(jié)果相似,半野生小粒種的遺傳多態(tài)性比栽培種高,但總體遺傳差異較小??梢姡覈M(jìn)的小粒種咖啡育種親本范圍較狹窄,遺傳背景相似。
前人研究發(fā)現(xiàn),種質(zhì)資源的遺傳關(guān)系不僅與其地理來源有關(guān),還與植物分類學(xué)特性、生長環(huán)境、功能用途等具有一定的相關(guān)性(Rotondi et al.,2003;陳海云等,2013;席春奕等,2013)。本研究的聚類分析結(jié)果表明,部分咖啡種質(zhì)材料與地理來源相同或相近的種質(zhì)材料聚在一起,但也有部分咖啡種質(zhì)材料與地理來源不同的種質(zhì)材料聚在一起,如Ⅱ類群的小粒種中,來自墨西哥的綠頂M11單獨(dú)聚為一個(gè)分支,而其他來自墨西哥的小粒種材料與來自巴西、喀麥隆及我國臺(tái)灣、云南、廣西等小粒種材料聚為另一個(gè)分支,且該分支中臺(tái)灣中部和云南貢山-2聚為一個(gè)分支,而臺(tái)灣小粒種、臺(tái)灣南部和云南貢山-1聚為另一個(gè)分支,說明同一產(chǎn)地的種質(zhì)間也存在較大遺傳差異,導(dǎo)致聚類分析結(jié)果與來源地的相關(guān)性不明顯,推測是咖啡種質(zhì)起源廣泛、進(jìn)化過程漫長及人工選育栽培共同作用的結(jié)果(Martins et al.,2007)。
4 結(jié)論
咖啡種質(zhì)資源各種間存在較大的遺傳差異,以中粒種種內(nèi)遺傳多樣性較豐富,以小粒種種內(nèi)遺傳多樣性較低。利用ISSR分子標(biāo)記可準(zhǔn)確分析咖啡資源遺傳多樣性。
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(責(zé)任編輯 陳 燕)