徐正康 戴曉港 陳贏男
(林木遺傳育種國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 現(xiàn)代南方林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 林木遺傳與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省林木遺傳和高效培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037)
玉蘭屬(Yulania)樹(shù)種,即原木蘭科(Magnoliaceae)木蘭屬(Magnolia)玉蘭亞屬(subgen. Yulania)植物(傅大立,2001),是中國(guó)最具傳統(tǒng)特色的觀賞花木之一,其花形多姿、花色多變、芳香典雅,被廣泛應(yīng)用于園林景觀和園林綠化。此外,玉蘭屬樹(shù)種也是重要的藥用及香料植物,其干燥花蕾既可入藥(統(tǒng)稱(chēng)“辛夷”)又可作為名貴香料原料,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來(lái)玉蘭產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,種植規(guī)模、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值和從業(yè)人員逐年提高,以“中國(guó)玉蘭之鄉(xiāng)”河南省南召縣為例,2014 年南召縣玉蘭種植面積達(dá)1.79 萬(wàn)hm2;產(chǎn)值達(dá)到18.7 億元(周虎等,2015)。在玉蘭產(chǎn)業(yè)蓬勃的同時(shí),也出現(xiàn)了品種繁多名稱(chēng)混亂、缺乏科學(xué)管理等問(wèn)題。確?;緝?yōu)良品種種苗的真實(shí)性,是玉蘭產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ),建立一套便捷、快速、可靠的玉蘭良種鑒定技術(shù),對(duì)于監(jiān)督種苗生產(chǎn)、新品種認(rèn)定,以及保護(hù)育種工作者知識(shí)產(chǎn)權(quán)具有重要意義。
傳統(tǒng)的特異性、一致性和穩(wěn)定性(distinctness,uniformity and stability,DUS)測(cè)試是建立在觀察和測(cè)量部分植物表型基礎(chǔ)上,雖然受環(huán)境影響小、測(cè)試條件簡(jiǎn)單可靠、適宜描述質(zhì)量性狀,但周期長(zhǎng)、效率低、質(zhì)量難控制等問(wèn)題。分子標(biāo)記技術(shù)及構(gòu)建DNA 指紋圖譜為DUS 測(cè)試提供強(qiáng)有力的輔助工具,并已成為一套完整的植物新品種保護(hù)測(cè)試技術(shù)體系不可或缺的一部分(李曉輝等,2003)。微衛(wèi)星(simple sequence repeat, SSR)標(biāo)記技術(shù),因其具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、靈敏、檢測(cè)多態(tài)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為品種一致性和特異性檢驗(yàn)以及植物新品種測(cè)試中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)記技術(shù)(鐘海豐等,2017)。目前,我國(guó)對(duì)玉蘭屬植物的研究主要集中在傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)、化學(xué)成分分析(傅大立等,2005)以及繁育等方面(王藝等,2019),仍缺少豐富的分子標(biāo)記資源和準(zhǔn)確的DNA 指紋圖譜信息。
望春玉蘭(Magnolia biondii)是玉蘭屬中優(yōu)良的早春觀花樹(shù)種,也是辛夷植物中栽培面積最大和藥用質(zhì)量最好的樹(shù)種(傅大立等,2003),具有觀賞、藥用、香料和用材等用途,是珍貴的多功能經(jīng)濟(jì)樹(shù)種。中國(guó)科學(xué)院仙湖植物園研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)布了高質(zhì)量的望春玉蘭基因組信息(Donget al., 2021),為挖掘和開(kāi)發(fā)SSR 標(biāo)記提供了寶貴的序列信息?;谝压嫉耐河裉m全基因組序列,本研究對(duì)其微衛(wèi)星位點(diǎn)進(jìn)行搜索,分析了微衛(wèi)星的序列特征、分布和組成等信息,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)SSR 特異性引物,并構(gòu)建了26分玉蘭商業(yè)品種的DNA 指紋圖譜,為玉蘭屬植物的分子遺傳學(xué)研究提供標(biāo)記資源,也為玉蘭優(yōu)良品種的真實(shí)性鑒定提供科學(xué)依據(jù)。
在河南省南召縣內(nèi)6 個(gè)不同地點(diǎn)選取6 株望春玉蘭自然單株(編號(hào)NZ1—NZ6);此外,在南召縣林業(yè)局收集的玉蘭種質(zhì)資源庫(kù)中選取26 個(gè)不同商業(yè)品種的玉蘭植株(編號(hào)1—26,表1)。2022 年9 月,分別采集上述玉蘭植株的幼嫩葉片經(jīng)低溫保鮮運(yùn)送,貯存于-80 ℃冰箱,待用。6 份自然單株和26 份商業(yè)品種分別用于篩選SSR 引物及構(gòu)建SSR 指紋圖譜。
表1 26 份玉蘭商業(yè)品種信息Tab. 1 Information of 26 commercial Magnolia cultivars
稱(chēng)取100 mg 葉片樣品,采用TIANGEN 公司的DNA 提取試劑盒(DNAsecure Plant Kit,DP320)提取基因組DNA。利用1%瓊脂糖凝膠電泳和NanoDrop-2000 分光光度儀分別對(duì)DNA 的質(zhì)量及濃度進(jìn)行檢測(cè),并將每份DNA 樣品稀釋至30 ng·μL-1,置于-20 ℃冰箱保存,待用。
利用已公布的望春玉蘭基因組序列信息(https://datadryad.org/stash/dataset/doi:10.5061/dryad.s4mw6m947),采用MISA 軟件(http://www.pgrc.ipkgaters leben.de/misa)進(jìn)行全基因組微衛(wèi)星序列查找。微衛(wèi)星查找參數(shù)設(shè)置為:?jiǎn)魏塑账嶂貜?fù)≥12 bp;二核苷酸和三核苷酸重復(fù)次數(shù)最少分別為6 次和4 次;四核苷酸和五核苷酸重復(fù)次數(shù)最少為3 次;六核苷酸重復(fù)最少為2 次;如果SSR 位點(diǎn)之間的距離≤100 bp,則定義為復(fù)合型SSR。
根據(jù)望春玉蘭基因組SSR 位點(diǎn)分析結(jié)果,除去復(fù)合型SSR 和單核苷酸重復(fù) SSR,利用Primer Premier 5.0 軟件批量設(shè)計(jì)SSR 引物。引物設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置為:引物長(zhǎng)度18~28 bp,GC 含量在40%~60%之間,擴(kuò)增產(chǎn)物大小為100~300 bp,退火溫度(Tm 值)在50~60 ℃之間。針對(duì)二~六核苷酸重復(fù)的SSR 位點(diǎn),選取203對(duì)引物交由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
利用合成的203 對(duì)引物對(duì)樣品NZ1—NZ6 的基因組DNA 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,用12%的聚丙烯酰胺凝膠電泳對(duì)SSR 引物進(jìn)行篩選,選擇電泳條帶清晰、容易判讀、多態(tài)性信息含量高的引物組合。PCR 反應(yīng)體系為10 μL,包括基因組DNA 1 μL、上下游引物各1 μL、10×PCR Buffer(Mg2+plus)1 μL、dNTP Mixture 0.4 μL、TaKaRa TaqTM聚合酶0.1 μL 和ddH2O 5.5 μL。PCR 反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性5 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,循環(huán)30 次,最后72 ℃延伸7 min。聚丙烯酰胺凝膠電泳條件為電壓180 V,電流200 mA 電泳90 min,電泳緩沖液為0.5×TBE。電泳結(jié)束后采用銀染法染色,去離子水漂洗2 次后,置燈箱上拍照。
進(jìn)一步根據(jù)引物的多態(tài)信息量(polymorphism information content, PIC)指數(shù)篩選出多態(tài)性較高的SSR 引物用于指紋圖譜構(gòu)建。在擴(kuò)增26 份玉蘭商業(yè)品種基因組DNA時(shí),每個(gè)PCR 反應(yīng)體系中加入1 μL稀釋100 倍的熒光dUTP(Thermol),將擴(kuò)增產(chǎn)物在ABI-3730XL 測(cè)序儀進(jìn)行毛細(xì)管電泳,利用Gene Mapper 基因型分析軟件對(duì)獲得的電泳譜帶進(jìn)行分析。
引物PIC 指數(shù)用下列公式進(jìn)行計(jì)算:PIC=1-式中:n為某一對(duì)SSR 引物擴(kuò)增的等位基因數(shù),Pi為該位點(diǎn)第i個(gè)等位基因的頻率(Keimet al., 1992)。引物的鑒別力(discrimination power, DP)即一對(duì)引物所能區(qū)別的最大品種數(shù)(Brownet al., 1996;許鯤等,2008)。使用GenAIEx 軟件計(jì)算等位基因數(shù)、基因型數(shù)。
利用 MISA 軟件對(duì)已公布的望春玉蘭基因組序列(~2.22 Gb)進(jìn)行搜索,在19 條染色體中發(fā)現(xiàn)符合條件的SSR 位點(diǎn)總計(jì)2 820 303 個(gè)。望春玉蘭基因組SSR 的長(zhǎng)度分布在12~701 bp 之間,其中長(zhǎng)度在12~16 bp 之間的有2 293 738 個(gè),占總數(shù)的81.33%;長(zhǎng)度在 17~21 bp 之間的有270 830 個(gè),占總數(shù)的9.6%;長(zhǎng)度在21 bp 以上的有255 735 個(gè),占總數(shù)的9.07%(圖1)。
圖1 望春玉蘭SSR 長(zhǎng)度與分布頻率Fig. 1 The length distribution and frequency of SSRs in M. biondii
在搜索到的望春玉蘭基因組SSR 位點(diǎn)中,單核苷酸、二核苷酸、四核苷酸和六核苷酸重復(fù)類(lèi)型出現(xiàn)的頻率占優(yōu)勢(shì),所占比例分別為9.98%、12.02%、7.63%和62.13%;三核苷酸和五核苷酸重復(fù)類(lèi)型出現(xiàn)頻率不高,分別占比5.43%和2.80%(表2)。SSR 重復(fù)單元的重復(fù)次數(shù)分布在 2~701 次之間,其中2~11 次重復(fù)的SSR 位點(diǎn)有2 385 718 個(gè),占比84.59%;12~25 次重復(fù)的SSR 位點(diǎn)有353 970 個(gè),占比12.55%;25 次重復(fù)以上的SSR 位點(diǎn)有80 615 個(gè),占比2.86%(表2)。從SSR 的重復(fù)次數(shù)來(lái)看,單核苷酸主要分布在12~25 次,占單核苷酸總數(shù)的90.40%;二核苷酸主要分布在6~11 次,占二核苷酸總數(shù)的55.73%;三核苷酸主要分布在4~9 次,占三核苷酸總數(shù)的96%;四核苷酸、五核苷酸主要分布在3~6 次,分別占其總數(shù)99.41%和99.51%;六核苷酸主要分布在2~5 次,占六核苷酸總數(shù)的99.92%(表2)。
表2 望春玉蘭基因組SSR 的種類(lèi)、數(shù)量及比例Tab. 2 Type, number and ratio of SSRs in the genome of M. biondii
從核苷酸重復(fù)基序的類(lèi)型來(lái)看,望春玉蘭基因組2 820 303 個(gè)SSR 位點(diǎn)共包含501 種重復(fù)基序,二核苷酸至六核苷酸重復(fù)基序分別有4、10、33、102 和352 種。二核苷酸重復(fù)基序中AG/CT(166 489 個(gè))、AT/AT(130 648 個(gè))和AC/GT(41 152 個(gè))的出現(xiàn)頻率較高,分別占二核苷酸重復(fù)總數(shù)的49.1%、38.53%和12.14%。三核苷酸中出現(xiàn)最多的重復(fù)基序是AAT/ATT(50 530 個(gè))和AAG/CTT(47 939 個(gè)),分別占三核苷酸總數(shù)的33.02%和31.33%,其次是ATC/ATG(22 407 個(gè)),占三核苷酸總數(shù)的14.64%;最少的是CCG/CGG(255 個(gè)),只占三核苷酸總數(shù)的0.17%。四核苷酸中出現(xiàn)最多的重復(fù)基序是AAAT/ATTT(70 162 個(gè))占四核苷酸總數(shù)的32.58%,其次是AAAG/CTTT(28 531 個(gè))占四核苷酸總數(shù)的13.25%。五核苷酸中以AAAAT/ATTTT(21 301 個(gè))和AAAAG/CTTTT(11 687個(gè))出現(xiàn)頻率最高,分別占五核苷酸總數(shù)的26.96%和14.79%。六核苷酸中出現(xiàn)頻率最高的是 AAACCT/AGGTTT(464 338 個(gè)),占六核苷酸總數(shù)的26.50%,其次是AAAAAT/ATTTTT(86 617 個(gè))、AACCTT/AAGGTT(464 338 個(gè))和AAAAAG/CTTTTT(56 652 個(gè)),分別占六核苷酸總數(shù)的4.94%、4.24%和3.23%(附表1)。
利用隨機(jī)選取的203 對(duì)SSR 引物對(duì)望春玉蘭樣品NZ1—NZ6 的基因組DNA 進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,有94 對(duì)引物能夠得到預(yù)期產(chǎn)物,引物擴(kuò)增有效率為46.31%;有25 對(duì)引物在不同樣品間呈現(xiàn)多態(tài)性,占有效引物的26.6%。這25 對(duì)多態(tài)性引物擴(kuò)增望春玉蘭基因組產(chǎn)生的條帶數(shù)在2~5 之間(附表2),不同樣品間條帶呈現(xiàn)多態(tài)性(圖2)。
圖2 多態(tài)性引物擴(kuò)增6 份望春玉蘭樣品的部分代表性結(jié)果Fig. 2 Representative results of the six M. biondii samples amplified with polymorphic primers
在上述25 對(duì)多態(tài)性引物中,選擇PIC 值最高的前10 對(duì)引物,對(duì)26 份玉蘭商業(yè)品種進(jìn)行擴(kuò)增。由于聚丙烯酰胺凝膠電泳只能根據(jù)DNA Marker 判斷譜帶的相對(duì)大小,不夠精確,因此在分析玉蘭商業(yè)品種擴(kuò)增結(jié)果時(shí),采用了毛細(xì)管電泳對(duì)擴(kuò)增譜帶進(jìn)行判讀。每一對(duì)引物都可以對(duì)供試樣品產(chǎn)生清晰譜帶,表明篩選出的SSR 引物在不同玉蘭品種間表現(xiàn)出良好的通用性。10 對(duì)引物共擴(kuò)增出85 個(gè)等位位點(diǎn),最多的為18 個(gè)(Chr19-6),最少的為3 個(gè)(Chr08-5),平均每對(duì)引物檢測(cè)到8.5 個(gè);基因型數(shù)最多的為19 個(gè)(Chr06-10),最少的為4 個(gè)(Chr08-5),平均每對(duì)引物檢測(cè)到8.4 個(gè);PIC 指數(shù)在0.420~0.882 之間,平均為0.759(表3)。以引物Chr02-1 為例,該對(duì)引物擴(kuò)增產(chǎn)生6 種不同基因型譜帶(圖3)。
圖3 引物Chr02-1 在26 份玉蘭商業(yè)品種中擴(kuò)增出的6 種基因型Fig. 3 Six genotypes generated by the primer Chr02-1 amplified among 26 commercial cultivars
表3 10 對(duì)SSR 引物多態(tài)性及鑒別力分析Tab. 3 Polymorphic and discrimination power analysis of the 10 pairs of primers
某些玉蘭品種僅需一對(duì)引物即可與其他品種相互區(qū)分,例如引物Chr02-1 和Chr10-7 分別是‘日出’和‘玉玲瓏’的特異引物。但多數(shù)品種需要利用不同的引物組合才能實(shí)現(xiàn)與其他品種的區(qū)分。一對(duì)引物所能區(qū)分的最大品種數(shù)可以用于評(píng)價(jià)引物鑒別力。按照引物鑒別力大小排列,只需利用3 對(duì)引物(Chr06-10、Chr09-2、Chr19-6)作為首選引物組合即可將本研究中涉及26 份玉蘭商業(yè)品種一一區(qū)分,但是為了能夠更準(zhǔn)確地反映某一品種的遺傳真實(shí)性,避免品種識(shí)別誤差,擴(kuò)大指紋圖譜的適用范圍,本研究整合匯總了10對(duì)SSR 引物對(duì)每一個(gè)品種的擴(kuò)增結(jié)果,每一對(duì)引物的擴(kuò)增帶型按照大小進(jìn)行編碼處理,得到每一個(gè)玉蘭品種對(duì)應(yīng)A-F 引物的10 個(gè)編號(hào),按固定的順序?qū)?0 個(gè)編號(hào)串聯(lián)形成字符串,由此得到以字符串表示的26份玉蘭商業(yè)品種的DNA 指紋代碼,并進(jìn)一步利用二維碼生成器將指紋圖譜代碼信息轉(zhuǎn)換為便于市場(chǎng)流通和栽培管理的二維碼(表4)。
表4 26 個(gè)玉蘭品種的指紋代碼Tab. 4 Fingerprints of 26 Magnolia cultivars
木蘭類(lèi)(Magnoliids)植物在被子植物演化系統(tǒng)中占有特殊地位,是探究被子植物起源與進(jìn)化的代表性植物(Chenet al., 2019)。目前,完成全基因組測(cè)序的木蘭類(lèi)植物僅有6 個(gè)物種,包括:鵝掌楸(Liriodendron chinense)(Chenet al., 2019)、牛油果(Persea americana)(Rendón-Anayaet al., 2019)、黑胡椒(Piper nigrum)(Huet al., 2019)、刺果番荔枝(Annona muricata)(Strijket al., 2021)、牛樟(Cinnamomum kanehirae)(Chawetal., 2019)和望春玉蘭(Donget al., 2021),其中望春玉蘭基因組(~2.2 GB)是迄今報(bào)道的木蘭類(lèi)植物中最大的。這些基因組序列的公布不僅為研究木蘭類(lèi)植物在被子植物演化歷史中的系統(tǒng)位置提供了關(guān)鍵信息,也為充分開(kāi)發(fā)分子標(biāo)記資源提供了豐富的序列。本研究根據(jù)望春玉蘭全基因組的SSR 位點(diǎn)序列信息,篩選出10 對(duì)擴(kuò)增譜帶清晰的SSR 引物,在擴(kuò)增不同玉蘭品種基因組DNA 時(shí)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,這些引物擴(kuò)增的等位基因數(shù)≥3,PIC 值均大于0.65(除Chr08-5 外),顯示出較高的多態(tài)信息。此外,最終篩選出的10 對(duì)SSR 引物分散在10 條不同染色體上,能夠充分反映不同玉蘭品種之間的遺傳差異,提高鑒定結(jié)果的可靠性,可以作為玉蘭品種鑒定的核心引物。利用這些引物首次構(gòu)建了26 個(gè)玉蘭商業(yè)品種的DNA 指紋圖譜,其中包括12 個(gè)國(guó)家林業(yè)草原局授權(quán)植物新品種。由于玉蘭屬植物極佳的觀賞性和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值性,栽培范圍廣泛,自然雜交現(xiàn)象較多,部分品種間性狀變異幅度小、交叉多,僅憑葉形、花型、果實(shí)等形態(tài)特征難以對(duì)相似品種的遺傳真實(shí)性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。通過(guò)比對(duì)玉蘭DNA 指紋圖,結(jié)果顯示本研究所涉及的26 個(gè)玉蘭商業(yè)不存在同種異名或異種同名現(xiàn)象。
中國(guó)是玉蘭屬植物起源中心,也是玉蘭屬植物資源最為豐富的國(guó)家(田國(guó)行等,2006),僅望春玉蘭就包括6 個(gè)品種群和24 個(gè)品種(孫軍等,2008)。近年來(lái),國(guó)外新優(yōu)品種不斷被引入,國(guó)內(nèi)自主培育的新品種也不斷涌現(xiàn),為望春玉蘭良種選育和推廣應(yīng)用提供了豐富種質(zhì)資源,但由于栽培歷史悠久、來(lái)源復(fù)雜、品種繁多,為優(yōu)良品種的純度和真實(shí)性鑒定,充分保障育種知識(shí)產(chǎn)權(quán)提出了更高的要求。本研究開(kāi)發(fā)的SSR引物具有多態(tài)性高、穩(wěn)定好等特點(diǎn),在少量玉蘭商業(yè)品種中的應(yīng)用和初探,證明了SSR 標(biāo)記用于玉蘭種質(zhì)資源DNA 指紋圖譜構(gòu)建和品種鑒別的可行性。在后續(xù)研究工作中,廣泛收集和系統(tǒng)整理玉蘭品種資源,構(gòu)建包含更多玉蘭品種的SSR 指紋圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)具有重要意義。建立和完善玉蘭品種指紋圖譜數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)指紋圖的查詢(xún)和比對(duì)功能,不僅可以為玉蘭品種快速和準(zhǔn)確鑒別提供遺傳信息,也為玉蘭新品種的審定和登記提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。此外,玉蘭屬植物系統(tǒng)分類(lèi)和親緣關(guān)系研究存在較大爭(zhēng)議(傅大立,2001)。以形態(tài)學(xué)特征為基礎(chǔ),以分子標(biāo)記等多種遺傳標(biāo)記技術(shù)為輔助,綜合形態(tài)特征和基因型數(shù)據(jù),將有利于系統(tǒng)梳理玉蘭屬植物復(fù)雜的分類(lèi)關(guān)系。本研究開(kāi)發(fā)的SSR 引物也為玉蘭屬植物的系統(tǒng)分類(lèi)和遺傳背景分析提供了分子標(biāo)記資源。
本研究通過(guò)對(duì)望春玉蘭全基因組微衛(wèi)星序列進(jìn)行查找和分析,共獲得重復(fù)單元長(zhǎng)度為1~6 堿基的微衛(wèi)星位點(diǎn)2 820 303 個(gè),其中六核苷酸重復(fù)基序AAACCT/AGGTTT 數(shù)量最多(464 338 個(gè)),占六核苷酸重復(fù)總數(shù)的26.50%。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和篩選出譜帶清晰、易于判讀、多態(tài)性高的SSR 引物25 對(duì),平均每對(duì)引物產(chǎn)生1.28 個(gè)多態(tài)性條帶,PIC 值在0.24~0.72。進(jìn)一步利用PIC 值最高的前10 對(duì)引物構(gòu)建了玉蘭商業(yè)品種的DNA 指紋圖譜,結(jié)果表明這10對(duì)引物在不同品種中具有良好通用性,可以準(zhǔn)確鑒別26 個(gè)商業(yè)品種。本研究不僅為玉蘭屬植物群體遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性研究提供了豐富的分子標(biāo)記資源,也為玉蘭優(yōu)良品種的遺傳真實(shí)性鑒別和品種保護(hù)工作提供了技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。
附表 1 望春玉蘭基因組SSR 各重復(fù)基序類(lèi)型及數(shù)量Appendix Tab. 1 The type and number of SSR repeat motifs in the M. biondii genome
附表 2 望春玉蘭25 對(duì)多態(tài)性SSR 引物信息Appendix Tab. 2 Information of 25 polymorphic primers developed from M. biondii