凌 晨,趙 洪,顏 軍,馬瑩雪,馮艷芳, 張靖立,李 波,鄧 超,徐振江
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,廣東 廣州 510642;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心,北京 100122; 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測(cè)試(上海)分中心,上海 201415;4.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 與檢測(cè)技術(shù)研究所,上海 201403;5.衡陽市蔬菜研究所,湖南 衡陽 421001;6.北京市農(nóng)林科學(xué)院,北京 100097)
萵苣(LactucasativaL.)是菊科萵苣屬植物,染色體數(shù)為2n=18。栽培萵苣按產(chǎn)品器官分為葉用萵苣和莖用萵苣。葉用萵苣在世界范圍內(nèi)廣泛種植,按葉的生長(zhǎng)形態(tài)可分為散葉萵苣、半結(jié)球萵苣和結(jié)球萵苣[1]。莖用萵苣是葉用萵苣傳入我國(guó)后經(jīng)過多年選擇培育逐漸演變而來的特色萵苣類型[2],主要在我國(guó)種植。我國(guó)是萵苣主產(chǎn)國(guó)之一,近10 a萵苣產(chǎn)量占全球產(chǎn)量1/2以上[3]。我國(guó)莖用萵苣種質(zhì)資源較豐富,多為地方品種,葉用萵苣種質(zhì)資源多從國(guó)外引進(jìn),早期育種家多以表型特征對(duì)萵苣命名,不同科研單位或公司可能重復(fù)從國(guó)外引種并加以不同命名,加上國(guó)內(nèi)各地區(qū)頻繁引種,導(dǎo)致萵苣種質(zhì)資源混雜和親緣關(guān)系混亂[4],存在“一品多名”和“同名異種”情況,給萵苣種質(zhì)資源收集鑒定、品種選育和市場(chǎng)監(jiān)管等帶來困難,有必要建立萵苣品種快速精準(zhǔn)的鑒定技術(shù)體系。
目前,常用的品種鑒定方法包括形態(tài)學(xué)標(biāo)記法(表型)和DNA分子標(biāo)記法[5]。相比形態(tài)學(xué)標(biāo)記,分子標(biāo)記耗時(shí)短、成本低,不受環(huán)境、地域和季節(jié)影響,是品種快速鑒定常用方法之一。SSR標(biāo)記具有多態(tài)性好、共顯性遺傳、平臺(tái)通用性好、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)較簡(jiǎn)單、易于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn),是我國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《植物品種鑒定 DNA分子標(biāo)記法 總則》(NY/T 2594—2016)品種分子鑒定的主要推薦標(biāo)記之一[6]。
SSR分子標(biāo)記技術(shù)在萵苣種質(zhì)資源評(píng)價(jià)和品種鑒定中已有廣泛應(yīng)用。梁照文等[7]開發(fā)出了9個(gè)SSR標(biāo)記,用于對(duì)野生萵苣及其近似種的分類鑒定及遺傳多樣性分析;Hong等[8]利用58個(gè)SSR標(biāo)記對(duì)葉用萵苣品種和野生萵苣進(jìn)行鑒定和分類;魏仕偉等[5]利用22個(gè)SSR標(biāo)記對(duì)27個(gè)葉用萵苣進(jìn)行品種鑒定。此外,SSR標(biāo)記在親緣關(guān)系分析和起源探究[9]、遺傳圖譜構(gòu)建[10]、基因定位和分子標(biāo)記輔助選擇[11]等也有應(yīng)用。前人研究報(bào)道大多針對(duì)葉用萵苣,將SSR分子標(biāo)記同時(shí)應(yīng)用于葉用萵苣和莖用萵苣的研究鮮有報(bào)道,亦未見建立基于SSR標(biāo)記的萵苣品種鑒定體系的報(bào)道?;诟咄繖z測(cè)平臺(tái)的品種鑒定體系要求核心引物具有多態(tài)性高,等位變異易于區(qū)分,數(shù)據(jù)易于統(tǒng)計(jì),重復(fù)性好,染色體分布情況清楚,在基因組上均勻分布等特點(diǎn)[6];為大批量樣品檢測(cè),提高檢測(cè)效率,最好具有多重?cái)U(kuò)增或多重電泳的潛力。
本試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上,利用熒光毛細(xì)管電泳平臺(tái)篩選出一套符合品種鑒定體系要求,可通用于葉用萵苣和莖用萵苣的SSR引物,并以此構(gòu)建萵苣品種的指紋數(shù)據(jù)庫,旨在為萵苣品種的快速鑒定、遺傳多樣性分析及萵苣品種DUS測(cè)試輔助篩選近似品種提供技術(shù)支持。
233個(gè)供試萵苣品種詳見表1,其中1~85號(hào)由北京市農(nóng)林科學(xué)院提供,86~149號(hào)由國(guó)家園藝種質(zhì)資源庫-北京蔬菜分庫(國(guó)家蔬菜種質(zhì)資源中期庫)提供,150~186號(hào)由上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心提供,187~219號(hào)由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種保藏中心提供,220~233號(hào)由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測(cè)試(上海)分中心提供。233個(gè)供試品種中同名品種共24個(gè)(8組),均為莖用萵苣。
表1 233個(gè)供試萵苣品種信息Tab.1 Information of 233 lettuce varieties used in this study
表1(續(xù))
從相關(guān)文獻(xiàn)[5,7-8,12-19]中挑選出245對(duì)SSR引物,用于高多態(tài)性引物的初步篩選,在初篩出的引物上游5′端按擴(kuò)增產(chǎn)物片段大小標(biāo)記熒光染料(6-FAM、HEX、ROX或TAMRA)。普通引物由英濰捷基(上海)貿(mào)易有限公司合成,熒光引物由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。
每個(gè)品種取15~20株幼苗嫩葉片,用改良CTAB法[20]提取DNA,用微量分光光度計(jì)和1.2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的濃度和質(zhì)量,原液-80 ℃保存,工作液-20 ℃保存。
PCR反應(yīng)體系20 μL,其中DNA(濃度50 ng/μL)2 μL,上下游引物(濃度0.25 μmol/L)各0.5 μL,2×Taq Plus Master Mix 10 μL,超純水7 μL。PCR反應(yīng)程序:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,共35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。
聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測(cè):PCR產(chǎn)物用8% PAGE,80 W電泳1.0~1.5 h,銀染、拍照保存。熒光毛細(xì)管電泳檢測(cè):PCR產(chǎn)物視不同熒光染料稀釋50~100倍,毛細(xì)管電泳體系為10 μL,其中稀釋過的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物1 μL,分子內(nèi)標(biāo)(LIZ 500)0.1 μL,去離子甲酰胺8.9 μL,振蕩混勻、離心,95 ℃變性5 min,冷卻后瞬時(shí)離心,DNA分析儀(ABI3730)分型,依據(jù)分子內(nèi)標(biāo)在SSR指紋分析器中校準(zhǔn),讀取數(shù)據(jù)。
在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測(cè)試(上海)分中心測(cè)試基地對(duì)分子上未能區(qū)分的品種進(jìn)行1個(gè)生長(zhǎng)周期的田間種植對(duì)比鑒定。試驗(yàn)設(shè)計(jì):2020年11月初發(fā)芽箱恒溫恒濕催芽,穴盆育苗,大棚栽培,栽培地前茬種植辣椒。每個(gè)品種種植小區(qū)面積12 m2,小區(qū)寬畦高壟平行種植,畦面帶溝寬1.45 m,每個(gè)畦面種植3行,株行距35 cm×40 cm,設(shè)2個(gè)重復(fù),每個(gè)品種種植不少于60株。視植株生長(zhǎng)情況定時(shí)定量滴灌澆水,田間管理參照大田生產(chǎn)。萵苣生長(zhǎng)過程中底肥施復(fù)合肥,追肥施尿素和復(fù)合肥。定期施藥,包括聯(lián)苯肼酯、苯醚甲環(huán)唑、綠妃、吡蟲啉、噻菌銅、嘧霉異菌脲、嘧菌脂、烯酰晴霜唑、銀法利、滅蠅胺等防治蚜蟲、霜霉病、灰霉病、軟腐病、白粉病、枯萎病等病蟲害,不同時(shí)期視植株生長(zhǎng)情況及病蟲害發(fā)生情況混合不同藥液對(duì)植株進(jìn)行葉面噴施。測(cè)試性狀和測(cè)試方法:參照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 萵苣》(NY/T 2559—2014)(以下簡(jiǎn)稱萵苣測(cè)試指南)[21],根據(jù)不同性狀觀測(cè)要求,選取具有代表性的植株進(jìn)行測(cè)量記錄,按照分級(jí)范圍轉(zhuǎn)換成代碼進(jìn)行性狀分析。
利用Powermarker v3.25軟件[22]分析品種的遺傳多樣性,計(jì)算各引物的PIC值、等位基因數(shù);用MEGA 4.0軟件[23]構(gòu)建基于品種間Nei′s遺傳距離的UPGMA聚類圖。
從233個(gè)萵苣品中選出掛絲紅萵筍(No.87)、紫皮萵苣(No.90)、尖葉萵筍(No.89)、碧玉生菜(No.86)、庫斯托(No.216)、KNV000226(No.150)、綠珊瑚(No.224)和伊賽斯(No.193)等8個(gè)形態(tài)差異大、不同類型的萵苣品種用于引物初篩。245對(duì)引物通過PCR擴(kuò)增以及8% PAGE分析,初篩出81對(duì)擴(kuò)增穩(wěn)定、多態(tài)性較高、帶型較清晰的引物。圖1為引物a~c的電泳結(jié)果,引物c擴(kuò)增不穩(wěn)定;引物b多態(tài)性較低;引物a多態(tài)性較高,擴(kuò)增穩(wěn)定,帶型較清晰,選為初篩引物。按照此標(biāo)準(zhǔn),從245對(duì)引物中選出81對(duì)初篩引物,進(jìn)入復(fù)篩。
M.DNA分子量標(biāo)準(zhǔn);1—8.掛絲紅萵筍、紫皮萵苣、尖葉萵筍、 碧玉生菜、庫斯托、KNV000226、綠珊瑚、伊賽斯。 M.DNA Marker;1—8.Guasihongwosun,Zipiwoju,Jianyewosun, Biyushengcai,Kusituo,KNV000226,Lüshanhu,Yisaisi.
對(duì)81對(duì)初篩引物添加熒光標(biāo)記,對(duì)90個(gè)萵苣品種進(jìn)行PCR擴(kuò)增,毛細(xì)管電泳檢測(cè),復(fù)篩出41對(duì)多態(tài)性高、擴(kuò)增穩(wěn)定、峰形信息易讀取、重復(fù)性好的熒光引物。圖2為引物SML-015(No. WJS2)[21]和引物L(fēng)SSB48[6]在耐寒二白皮中檢測(cè)到的等位基因,前者檢測(cè)到的峰形信息容易讀取,后者檢測(cè)到的峰形信息較難讀取。依據(jù)峰型讀取難易程度,二者比較優(yōu)先選擇引物SML-015。根據(jù)各引物在染色體上分布情況、區(qū)分率等,從41對(duì)復(fù)篩引物中進(jìn)一步篩選出22對(duì)核心引物,22對(duì)核心引物較為均勻地分布在9條染色體上(表2)。22對(duì)核心引物為最優(yōu)核心引物數(shù)量,從剩余19對(duì)復(fù)篩引物中選擇增加引物,不能進(jìn)一步提高區(qū)分率。
圖2 引物SML-015(A)和LSSB48(B)在耐寒二白皮中檢測(cè)到的等位基因Fig.2 Alleles detected in Naihanerbaipi using primer SML-015(A)and LSSB48(B)
利用22對(duì)核心引物采集233個(gè)萵苣品種的指紋數(shù)據(jù),22對(duì)核心引物在233個(gè)萵苣品種中共檢測(cè)到269個(gè)等位基因,每對(duì)引物檢測(cè)到等位基因?yàn)?~22個(gè),平均為12.23個(gè),其中引物L(fēng)SE-79(No.WJS16)[17]、LSE-83(No.WJS17)[17]、LSSA28-1(No.WJS21)[19]檢測(cè)到等位基因數(shù)最多(均為22個(gè))。22對(duì)核心引物PIC值為0.37~0.89,平均為0.73,其中引物WSULs153(No.WJS4)[13]、LSE-79(No.WJS16)[17]、LSSA28-1(No.WJS21)[19]的PIC值最高(均為0.89)。統(tǒng)計(jì)22對(duì)核心引物等位基因,為不同引物的不同等位基因命名并選擇相應(yīng)的參照樣品(表2),用于矯正或消除系統(tǒng)誤差,保證指紋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
表2 22對(duì)核心引物及其等位基因的參照樣品Tab.2 22 core primers and reference samples for each allelic variation
表2(續(xù))
利用Powermarker軟件分析品種的遺傳多樣性,各品種間遺傳相似系數(shù)在0~1.000,平均為0.746。聚類分析結(jié)果如圖3所示,233個(gè)供試萵苣品種分為兩大類群:G1類群包含96個(gè)品種,主要為莖用萵苣(90個(gè)),少部分為葉用萵苣(散葉萵苣5個(gè),半結(jié)球萵苣1個(gè));G2類群包含137個(gè)品種,葉用萵苣132個(gè)(散葉萵苣47個(gè),半結(jié)球萵苣57個(gè),結(jié)球萵苣28個(gè)),少部分為莖用萵苣(5個(gè))。G2類群的葉用萵苣中,結(jié)球萵苣趨于聚成一類,半結(jié)球萵苣趨于聚成一類,但相比結(jié)球萵苣較分散,散葉萵苣難以聚成一類。
田間表型鑒定是植物品種身份鑒定最直接的鑒定方式,也是品種身份的最終鑒定方式。22對(duì)核心引物未能區(qū)分的品種共6組15個(gè)品種(圖3),第1組:紅運(yùn)當(dāng)頭(No.187)、紅劍(No.209)、紅脆(No.211)、飛橋萵苣(No.223);第2組:翡翠香萵(No.191)、武青一號(hào)(No.220)、澳立青(No.227);第3組:KNV000246(No.162)、KNV000247(No.176);第4組:布萊克柔絲(No.203)、KAY010(No.214);第5組:紅葉筍(No.101)、紫葉筍(No.104);第6組:伊賽斯(No.193)、四季白尖葉(No.217)。其中紅葉筍和紫葉筍在株高(50 cm/40 cm)、葉面褶皺(微皺/多皺)2個(gè)性狀上有明顯差異,伊賽斯和四季白尖葉為不同類型萵苣,均不需安排田間表型鑒定。將其他4組品種進(jìn)行田間種植對(duì)比試驗(yàn),按照萵苣測(cè)試指南對(duì)30個(gè)基本性狀進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果表明,第1組品種中,飛橋萵苣和紅脆在數(shù)量性狀肉質(zhì)莖長(zhǎng)度和假質(zhì)量性狀肉質(zhì)莖肉色中存在代碼差異,但均未達(dá)到明顯差異水平,判定為相同品種;二者與紅劍在數(shù)量性狀肉質(zhì)莖長(zhǎng)度上有明顯差異,與紅運(yùn)當(dāng)頭在數(shù)量性狀肉質(zhì)莖長(zhǎng)度和抽薹始期、假質(zhì)量性狀肉質(zhì)莖形狀上有明顯差異;紅運(yùn)當(dāng)頭和紅劍在假質(zhì)量性狀肉質(zhì)莖形狀上有明顯差異。第2組品種武青一號(hào)和澳立青在30個(gè)性狀中均無明顯差異,判定為相同品種;二者與翡翠香萵在數(shù)量性狀植株株幅和抽薹始期上有明顯差異。第3組品種KNV000246和KNV000247在30個(gè)性狀中均無明顯差異,判定為相同品種。第4組品種布萊克柔絲和KAY010在質(zhì)量性狀葉片葉脈和葉姿態(tài)(10~12片期)、葉姿態(tài)(商品收獲期)、葉片泡狀程度、葉片邊緣波狀程度等4個(gè)數(shù)量性狀、葉形狀和葉先端形狀等2個(gè)假質(zhì)量性狀上有明顯差異。田間鑒定結(jié)果表明,有3組品種表型田間鑒定無明顯差異,判定為相同品種,有3組品種表型田間鑒定無明顯差異,判定為相同品種,大部分分子標(biāo)記無差異品種在30個(gè)測(cè)試性狀中無明顯差異(表型相同),或僅有2~3個(gè)數(shù)量性狀/假質(zhì)量性狀有明顯差異(表型近似)。本試驗(yàn)供試萵苣實(shí)際品種數(shù)量為230個(gè),22對(duì)核心引物能將230個(gè)品種中的220個(gè)區(qū)分開,實(shí)際區(qū)分率為 95.7%。表3為第1組4個(gè)品種的表型性狀。
紅色.莖用萵苣;綠色.散葉萵苣;黃色.半結(jié)球萵苣;藍(lán)色.結(jié)球萵苣;●.遺傳相似系數(shù)為1的品種。 Red.Stem lettuce;Green.Looseleaf lettuce;Yellow.Half-hitch lettuce;Blue.Crisphead lettuce;●.Varieties with genetic similarity coefficient of 1.
表3 4個(gè)高遺傳相似度萵苣品種表型性狀對(duì)比Tab.3 Morphological characteristics of 4 lettuce varieties with high genetic similarity
表3(續(xù))
22對(duì)核心引物可以將233個(gè)供試萵苣品種中的8組、24個(gè)同名品種(表1)區(qū)分開,品種間遺傳距離為0.046~0.922,平均為0.616。聚類結(jié)果顯示(圖4),8組同名萵苣品種可分為4個(gè)類群,第Ⅰ類群僅有1個(gè)源于新疆的品種(圓葉筍);第Ⅱ類群有9個(gè)品種,包括所有來源于湖南和河北的4個(gè)品種,4個(gè)華東地區(qū)的品種及1個(gè)陜西的品種,圓葉紫萵筍(No.88)和圓葉紫萵苣(No.110)這組同名品種在此類群;第Ⅲ類群有5個(gè)品種,來源于四川的4個(gè)品種均在此類群,包括紅萵筍(No.91)、紅萵筍(No.95)和紅萵筍(No.135)這組同名品種;第Ⅳ類群有9個(gè)品種,包括5個(gè)西北地區(qū)的品種和2個(gè)山西的品種。結(jié)果表明,這8組同名品種為具有相同名字的不同品種,遺傳多樣性較高;聚類結(jié)果與地理來源有一定相關(guān)性,來源于同一省份或地區(qū)的品種大多被劃分到同一類群。
標(biāo)注相同顏色的品種為同名品種。 Varieties marked with the same color are the varieties of the same name.
本研究篩選的22對(duì)SSR核心引物較均勻地分布于萵苣的9條染色體,在233個(gè)萵苣品種中均能有效擴(kuò)增。每對(duì)引物平均檢測(cè)到的等位基因數(shù)量高于Hong等[8](3個(gè)等位基因)、魏仕偉等[5](8.31個(gè)等位基因)的研究結(jié)果。PIC值高于Hong等[8]的0.425,略低于魏仕偉等[5]的0.75。魏仕偉等[5]研究的供試材料為葉用萵苣,本研究的供試材料包括葉用萵苣和莖用萵苣,莖用萵苣遺傳多態(tài)性相比葉用萵苣低,這可能是導(dǎo)致本研究引物PIC值較之略低的原因。本研究篩選的22對(duì)核心引物滿足《植物品種鑒定 DNA 分子標(biāo)記法 總則》(NY/T 2549—2016)[6]中 95% 區(qū)分率的要求,引物對(duì)品種區(qū)分能力較強(qiáng),可有效用于萵苣品種快速鑒定。
本研究利用22對(duì)SSR核心引物對(duì)233個(gè)萵苣品種進(jìn)行遺傳多樣性分析,劃分為莖用萵苣和葉用萵苣兩大類群,基于Nei′s遺傳距離的萵苣品種聚類結(jié)果與基于形態(tài)學(xué)性狀的品種歸類基本一致。與前人[12,24]研究結(jié)果相似,都未能通過分子標(biāo)記完全劃分莖用萵苣和葉用萵苣兩大類,但劃分效果相比Simko[12]更好。葉用萵苣遺傳多樣性高于莖用萵苣,散葉萵苣難以聚成一類,散葉萵苣遺傳多樣性高于其他葉用萵苣類型,結(jié)球萵苣遺傳多樣性低于其他葉用萵苣類型,此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[5,12,19,24-25]。
本研究利用22對(duì)SSR核心引物能將潛在的“同種異名”(遺傳相似系數(shù)為1)品種聚到一起,也能將8組“同名異種”萵苣有效區(qū)分,將此套引物應(yīng)用到萵苣種質(zhì)資源收集鑒定中,一方面可以避免資源的重復(fù)收集,另一方面可以避免優(yōu)異種質(zhì)資源特別是同名地方品種的漏選,提高資源收集保藏和鑒定的效率和效果。本研究基于熒光毛細(xì)管電泳平臺(tái)建立,并且根據(jù)各引物擴(kuò)增產(chǎn)物片段大小和熒光標(biāo)記將22對(duì)引物分為5組,能大幅提高檢測(cè)效率,降低檢測(cè)成本,適用于種質(zhì)資源和品種的批量鑒定和分子指紋庫構(gòu)建。
品種是根據(jù)實(shí)際表達(dá)出的表型性狀進(jìn)行定義的,SSR標(biāo)記通常位于基因組的非轉(zhuǎn)錄區(qū),被認(rèn)為是“中性”標(biāo)記,不具備明顯的生物學(xué)功能[26],因此,通過分子標(biāo)記并不能鑒定所有品種,特別是對(duì)于突變體和遺傳背景狹窄的品種,有時(shí)難以通過分子標(biāo)記進(jìn)行區(qū)分[27]。本研究的233個(gè)品種中,有6組、15個(gè)品種不能通過分子標(biāo)記區(qū)分,但其中有9個(gè)品種可以通過品種描述或田間種植對(duì)比加以區(qū)分,說明在品種鑒定中,應(yīng)該采取分子標(biāo)記結(jié)合表型的方式,達(dá)到提高效率和確??茖W(xué)的統(tǒng)一。SSR分子標(biāo)記雖然與表型(生物學(xué)功能)沒有直接聯(lián)系,但總體上分子遺傳距離較近的品種,其表型性狀也較為相近。本研究6組、15個(gè)分子距離為0的品種中,有3組共6個(gè)品種表型無明顯差異,同組表型無明顯差異的品種被判定為相同品種;表型有明顯差異的品種間,存在差異性狀的數(shù)量較少,性狀表達(dá)差異的程度也總體較小,說明此套分子標(biāo)記可作為DUS測(cè)試輔助篩選近似品種的一種手段。
本研究篩選出22對(duì)多態(tài)性高、可通用于葉用萵苣和莖用萵苣,適用于我國(guó)萵苣品種鑒定等優(yōu)點(diǎn)的萵苣核心引物。依據(jù)擴(kuò)增片段大小為各引物選擇了相應(yīng)的參照樣品,并建立了萵苣品種鑒定體系,依據(jù)萵苣品種鑒定體系構(gòu)建233個(gè)萵苣品種的指紋數(shù)據(jù)庫??蓱?yīng)用于萵苣品種的快速鑒定及輔助DUS測(cè)試篩選近似品種。