基于ssr的中国野生菰种质资源遗传多样性和遗传结构分析-苏晓娜.pdf

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1、江西财拄大学flANGXl UN。I。V。E。R。1S。ITYl。OF FINANCE&。EC。O。N。O。M。ICSIIII kl LIIIIIIIIIII LIIIIIIIIII LIIIIIIIIIIII LIIY3227894学校代码密级中图分类号UDC硕士学位论文MASTER DISSERTATIoN论文题目 垂i!盟主国墅垒茎鲎堕资盈董堡垒竖r堡垒(中文)遗传结构分析论文题目Genetic Diversity trod Genetic Structure ofZizania(英文) 丝!地塑旦a!园QSSB丛a垃s!作 者 蒸嚏鲤 导 师 江绍玫教授申请学位 硕士 培养单位 堇查堂

2、堕学科专业国签垫堑当婆宣国墨 研究方向 国签垫堑堂盟查壁二。一七年六月蔑岁万方数据独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得江西财经大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解江西财经大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段

3、保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)一：业万方数据，文献综述?置一l- ：。1文献综述11f J二 !y!i：i一111遗传多样性概念及重要性123菰价值研究8233营养价值824菰在园林建设中的应用研究概况932结果与分析10321采样点地理信息概况10322野生菰种质资源调查144基于SSR的中国野生菰种质资源遗传多样与遗传结构分析1741材料与实验方法17412实验所需设备及试剂17万方数据42生物统计分析软件介绍21421 POPGEN22422 ARLEQUIN22423 MVSP22424 STRUCTURE23425 MEGA2343结果与分析23431中国野生菰种质资源遗

4、传多样性分析23432中国野生菰种质资源遗传结构分析265总结3251中国野生菰分布现状3252中国野生菰遗传进化关系33参考文献34附录143附录244附录345致谢46II万方数据ContentsILiterature review111 Concept and importance ofgenetic diversity112 Research methods】l121 Morphological markers2122 Cytological markers2123 Biochemical markers2124 Molecular markers313 Problems to be

5、solved52 The origin，distribution status，value and application ofZizania latifolia一721 The origin ofthe Zizania latfola722 Distribution723 Study on the Value ofthe Zizania latifolia8231 Gene Value82：；2 Edible value8233 Nutritional value一8234 Ecological value824 A Survey of the Application of Zizania

6、latifoZia in Landscape Architecture93 Investigation on Germplasm Resources of the Zizania latifolia1 0：；1 Method】【(：I32 Results and analysis1 0321 Geographic information for sampling point10322 Current situation ofinvestigation14323 Problems and suggestions154 Genetic diversity and Genetic structure

7、 of Zizania latifolia from China based onSSR analysis1741 Materials and experimental methods17III万方数据411 Materials1 7412 Equipment and reagents required for the experiment1 7413 Experimental methods1 8414 Electrophoresis experiment2042 Introduction to biometric analysis software21421 POPGEN22422 ARL

8、EQUIN22423 MVSP22424 STRUCTURE23425 MEGA2343 Results and analysis23431 Genetic diversity ofZizania latifolia from China23432 Genetic structure ofZizania latifolia from China265 Summary3251 Distribution ofZizaniaatfota from China一3252 Genetic evolutionary relationships of Zizaniaatfola from China3 3R

9、eferences34Appendix 143Appendix 244Appendix 345Thanks46IV万方数据摘 要菰属(Zizania)在全球共有4种，分别为水生菰(Zizania aquatica)，菰(ZizaniaZatifoZia)，沼生菰(Zizania palustris)和得克萨斯菰(Zizania texana)。除菰分布于东亚地区外，其他3个种均分布于北美洲。作为菰属4种之一的中国菰(Zizanialatifolia)，广泛分布于中国的东北、华中，东南及西南地区的湖泊、沼泽及湿地环境中。因其自身具有极高的营养价值、生态价值、观赏价值和基因价值，使得菰的应用前景日

10、益广阔。近年来，越来越多的国内外研究者将目光投入到对菰属植物的研究上，但是无论在遗传多样性还是遗传结构方面，所做的研究都远远不够。本文对中国境内野生菰进行全面调查和取样，从24对菰SSR分子标记中筛选出7对理想标记，对中国5大区的25个野生菰居群遗传多样性和遗传结构进行了研究。以期完善我国野生菰资源基础信息资料，为该物种的保护、种质利用提供相应的理论基础和参考依据。主要研究结果如下：(1)本文对中国野生菰起源、分布、价值及应用研究做了详细介绍。重点阐述了菰在园林建设中的应用，以期有更多的优秀设计师可以关注到菰的观赏及生态价值，将其广泛应用于今后的园林建设和环境修复当中。(2)对中国九大流域和2

11、7个省级行政区的典型湖泊、湿地、沼泽、水沟、池塘等适宜野生菰生长的地区进行调研取样。本次踏查发现，多个地区的野生菰居群已消失，有些湖区野生菰居群面积大幅减少，并且前人报道的野生菰生物量较大的一些湖泊流域，也正面临生境丧失危险。通过分析影响野生菰可持续发展的因素，提出相关保护策略。(3)中国野生菰遗传多样性非常丰富，多态性位点百分比高达9219，但各居群之间相差较大，其中洪泽湖(HZH)、太湖(TAIH)、洞庭湖(DTH)居群的相对较高，分别为8218、7188和7656，而上海(SH)、慈溪(CX)、巢湖(CHH)、漳州(ZHZ)、成都(CD)、重庆(CQ)居群最低，均为000，导致25个居群

12、平均值只有3 187；中国野生菰等位基因数(Na)和有效等位基因数(Ne)都较低，分别为1922和1448；NeiS基因多样性指数与ShannonS多样性信息指数相对较高，分别为0256和O388。(4)中国野生菰居群间遗传变异占6092，居群内遗传变异为3908，居群之间的遗传变异高于居群内部，AMOVA分析结果同样显示，中国野生菰的遗传变异主要存在于居群间(占5187)；居群间平均基因流Nm为0321，(Nmon丽一_口。一o船oou扫一一一_【Il一o；o岛o_D心寸cI盘卜姣茛一恒蛩迎螋冥q婿妖茛一糕垛赳蠡且*迎心熊删自匠导寺辖求霉旱一牟缎岬型一婪蚺迎剿撩州奇圃岳蛊锈巾醐寸万方数据基于

13、SSR的中国野生菰种质资源遗传多样。陛与遗传结构分析4322 AMOVA分子变异分析表47中国野生菰分子变异分析(AMOVA)结果Tab47 Analysis of molecular variance withinamong Zizania Latifolia populationsAMOVA分析结果(表47)显示，中国野生菰的遗传变异主要存在于居群间(占5187)，这与POPGEN的分析结果一致。POPGEN32软件分析结果(表45)表明，中国野生菰居群间遗传变异占6092，居群内遗传变异为3908，居群之间的遗传变异高于居群内部。4323 STRUCTURE群体遗传结构分析STRUCTU

14、RE软件分析结果(图43)显示，AK峰值出现在K=2，暗示25个中国野生菰种群的遗传结构可以大致分为两组，一组以南方居群为主，而绝大多数北方居群分属另一组。这与MVSP软件的主成分分析结果(图44)一致，同时与MEGA软件的中国野生菰UPGMA聚类分析结果(图45)及其构建的系统发育树(图46)基本一致。从图43可以看出，华北BJ居群，东北SY、QQHE、JMS、TH居群以及华东ZZ、HZH、LZH居群同属一组；东北DL居群，华东SH、CX、HZ、CHH、ZHZ居群、中南HH、SG居群以及西南各居群归属另一组。万方数据4基于SSR的中国野生菰遗传多样性与遗传结构分析图43 K=2时贝叶斯聚类法

15、的分析结果Fig43 Histogram of the bayesian analysis with K 2 2 using STRUCTURE注：BJ(112)、DL(13-27)、SY(28-48)、QQHE(4964)、JMS(6587)、TH(88110)、ZZ(111-119)、SH(120-122)、CX(123131)、HZ(132140)、HZH(141172)、TAIH(173184)、CHH(185-199)、ZHZ(200-211)、PYH(212-222)、LZH(223-238)，HH(239247)，DTH(248274)，SG(275294)，GL(295-303

16、)，CH(304317)，CD(318-326)，CQ(327350)、KM(351355)、EH(356380)29仲：耋”瞄”蛳仙”万方数据基于SSR的中国野生菰种质资源遗传多样性与遗传结构分析4324 MEGA聚类和进化关系分析MEGA软件的UPGMA聚类结果(图45)表明，中国野生菰的25个居群，可明显分为2大类。其中一类由1个北方居群(DL)和11个南方居群(zHZ、SG、KM、HZ、HH、CH、SH、CX、CHH、CD、CQ)组成；另一类由6个北方居群(BJ、QQHE、SY、ZZ、JMS、TH)和7个南方居群(HZH、TAIH、EH、PYH、DTH、GL、LZH)组成。MEGA软件

17、的进化分析结果(图46)显示，25个中国野生菰居群由共同祖先通过太湖和洪泽湖分化出2支。其中，太湖支系先后分化出桂林、洞庭湖、鄱阳湖、洱海、昆明、韶关分支，之后分化出草海、洪湖、上海、慈溪、巢湖、重庆、成都、杭州居群，再由杭州居群分别分化出漳州和大连居群；而洪泽湖支系逐渐分化出梁子湖、北京、佳木斯、枣庄、通化、沈阳和齐齐哈尔分支。V -e，。、k Ok 。氧麓e；j，30、03 06 O，L O矗图44中国野生菰25个种群的主成分分析(PCA)分析Fig44 PCA analysis of 25 populations ofZizania Latifolia30辨娩“|摊博”鞲“髂川删m强滞啪

18、雕盎露Ve母丫嚣-0可?墨二l，孙、v瓣疆趣瓣裱节擘嚣暖参；曩啦铲海嗑键|审堍一尹v啮鬻X麓惫；誉、万方数据4基于SSR的中国野生菰遗传多样性与遗传结构分析H2H1-AIHEHPYHDTHGLBJ眨HQQHESY涩JMSTHDLZHZSGKMHZHHCHSHCXCHHCDCQ+一015 010 005 000图45基于SSR分子标记的25个野生菰居群的UPGMA聚类分析Fig4-5 UPGMA clustering for 25 Zizania latifolia populations based on SSR markers卜005图4-6基于遗传距离的25个野生菰居群系统树状图Fig46

19、 Phylogenetic tree of 25 Zizania latifolia populations based on genetic distance万方数据基于SSR的中国野生菰种质资源遗传多样性与遗传结构分析瓦凸牡U，L：、：日本研究组于2015年3月到8月份，首次就中国境内的九大流域和27个省级行政区的典型湖泊、湿地、沼泽、水沟、池塘等适宜野生菰生长的区域进行野生菰调研取样。并利用菰SSR标记对采自5大地区(华北、东北、华东、中南、西南)野生菰居群样本的遗传多样性及遗传结构进行分析，发现了一些前人研究不同的现象与规律。51中国野生菰分布现状翟成凯等2000年研究发现，中国野生菰

20、菰资源非常丰富，除西藏、新疆外，野生菰在全国各地湖泊、沟塘、水溪、河岸和沼泽中广泛生长，其中野生菰生长面积较大的水域有南四湖、洪湖、太湖、洪泽湖、巢湖、洱海、滇池、乌梁素海和哈素海等十余个湖泊b8。然而，近年来大量的建堤围湖、分隔湖叉等社会经济活动，造成水域面积大幅度减少，生态环境遭受严重破坏。此外，由于一些经济相对落后的沿湖乡镇均未建设配套生活污水和垃圾处理设施，大量生活生产污水和垃圾直接排放湖中；农业生产过程中化肥、农药的大量使用也使得部分湖区氮、磷等严重超标，水体富营养化，绿藻、蓝藻等浮游植物泛滥成灾，导致这些湖区野生菰生境逐渐丧失。本研究组在2015年3月到8月份对中国十大流域和29个

21、省级行政区44个以上典型湖区或湿地野生菰居群生存现状进行勘查时发现，多个地区的野生菰居群已消失，有些湖区居群面积大幅减少。例如，西江流域、满洲里、乌梁素海、滇池、衡水湖、天津、河南、西安、运城盐湖、青海湖、贝尔湖等地难觅野生菰踪迹；而前人报道野生菰生物量较大的一些湖泊流域，也正面临生境丧失危险，如西梁子湖的大规模圈湖养鱼活动，导致该地区野生菰居群面积急剧减小，处于濒临灭绝的境地。此外，城市迅速大规模扩张，也给野生菰居群带来灭项之灾。文献记载，天津、衡水、西安等地曾有野生菰居群分布，几年前当地人也经常采食野生茭白。然而，本研究组近期对上述地区湖泊、沟塘、水溪、河岸及沼泽等进行拉网式搜寻，终未发现

22、野生菰居群存在迹象。上述勘查结果表明，中国野生菰生境日益恶化，居群数量大幅度较少，相关部门应采取相应措施，以利这一水稻育种天然基32万方数据5总结因资源库的保护与利用。52中国野生菰遗传进化关系Xu等对中国16个省区的21个野生菰群核Adhla基因进行了测序分析，发现各居群间存在不同程度的核苷酸差异，东北地区目标基因序列变异最大，但各居群未形成明显的亲缘地理结构8|；Chen等用10对SSR标记对中国中部地区的7个野生菰群分析显示，该流域居群间遗传差异小，且多数居群表现出突变漂变不平衡，提示该物种近年可能存在种群数量的锐减，从而使得遗传多样性受影响睛引；Xu等对东亚菰和北美菰进行了比较系统地理

23、学研究，发现东亚菰的遗传多样性低于北美菰，居群间未形成亲缘地理结构，认为东亚菰多年生生物学特性是导致其遗传变异程度低于北美菰的一个重要因素n123。本研究采用7对菰SSR标记对中国华北、东北、华东、中南、西南五大地区25个野生菰居群的分析结果显示，中国野生菰遗传多样性程度较高，在遗传结构上由共同祖先分化成2支，并呈现较明显的地理亲缘关系，这与上述学者的研究结果存在一定分歧。本研究结果还提示，中国野生菰的祖先可能来自华东的江苏，位于太湖和洪泽湖之间的某个区域，并通过洪泽湖传向华北和东北地区，通过太湖传向华南、华东、西南各省区；大连和漳州居群是位于太湖支系的末端，可能通过东部海域由上海、杭州等地传

24、入，这可以较好地解释大连居群在聚类上与南方主要居群归为一组。中国野生菰的水生习性可以较合理的解释上述进化关系。本研究分析结果中，出现多个野生菰居群间遗传距离为O0000，如上海与慈溪居群间、上海与成都居群间、上海与重庆居群间、慈溪与成都居群间、慈溪与重庆居群间，巢湖与成都居群间、巢湖与重庆居群间以及成都与重庆居群间。这一现象可能由二种原因引起：一是这些居群间存在着特定的亲缘关系，它们在分子水平上差异确实很小；另一原因可能是本研究所用SSR标记引物数量太少，各居群间分子水平差异无法通过这些标记显现出来。为探明中国野生菰各居群间确定的遗传关系，本研究组正采用ISSR引物标记对各居群基因组DNA进行

25、全面分析，同时对380个野生菰单株中某抗病基因进行克隆和序列比对，以期对本文的研究结果进行验证。万方数据基于SSR的中国野生菰种质资源遗传多样性与遗传结构分析参考文献1】张艳良保护生态环境对于生物多样性的重要意义J】科技信息，20 1 0(35)：340-3402宫守飞铜陵叶山天然栎类阔叶混交林群落结构特征研究D安徽农业大学，20113】陈灵芝中国的生物多样性现状及其保护对策J北京，19934王英杰中国的生物多样性及其发展J】科学与社会，1995(4)：145】聂鑫哈尔滨市生物多样性保护工作研究J环境科学与管理，2016(1)：1491516肖海龙生物多样性及其研究现状【J】广西师范大学学报哲

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