中国沙棘、云南沙棘和江孜沙棘居群的化学成分与遗传多样性分析

【摘要】：沙棘是胡颓子科沙棘属的一种固氮树种，在干旱和半干旱地区生长。作为造林先锋树种，沙棘具有重要的生态价值。同时，沙棘又具有重要的医用、药用和食用价值。特别是沙棘油，其医用和药用价值在中国、俄罗斯、中亚以及欧洲等地得到了广泛的开发利用。近年来，由于对沙棘资源不合理的开发和利用，已经导致了资源多样性的严重破坏。从居群水平上揭示沙棘的遗传变异以及化学成分变异状况，为保护和合理开发利用沙棘资源提供指导性原则，对生物多样性资源的保护具有重要的理论和现实意义。 沙棘属下有沙棘、柳叶沙棘、肋果沙棘和西藏沙棘四个种, 在沙棘种下又包括9个亚种。其中云南沙棘亚种和中国沙棘亚种在中国具有广泛的分布，而且是中国的特有种。江孜沙棘亚种也主要集中分布在中国的西藏地区。我们以云南沙棘、中国沙棘和江孜沙棘三个亚种为实验材料，应用ISSR技术和GC-MS植物化学分析技术，对居群的遗传多样性与化学多样性进行综合分析。研究了沙棘居群内和居群间的遗传变异状况，揭示居群的遗传多样性与生境之间的相关性，为有效保护和合理利用沙棘遗传多样性资源，也为研究我国类似植物的开发及保护提供科学依据。对不同居群样品叶子的化学成分进行鉴定，研究化学成分随着居群的变异趋势，以及化学成分变异与遗传和地理的相关性。通过揭示不同亚种的化学型的不同，来为沙棘属植物的系统发育关系的建立提供一定的参考依据。并将地理、化学和遗传有机地结合起来为沙棘多样性资源的可持续利用提供理论依据。实验结果及结论总结如下： 1） 对11个中国沙棘居群、7个云南沙棘居群和1个江孜沙棘居群，共计380个样品，使用筛选出的8个引物，进行PCR扩增，共扩增出288条条带。其中中国沙棘、云南沙棘和江孜沙棘的多态性条带分别为207、184和92条，有效条带百分比分别是71.88％、63.89％和31.94％。实验结果表明，用ISSR进行PCR扩增，可以清晰、有效地分辨出不同样品的多态性，并能有效地反映居群内和居群间的遗传变异状况。 利用PopGene1.31软件对居群内和居群之间的遗传变异进行统计分析，遗传多样性指数h代表了不同样品的基因多样性的大小。11个中国沙棘居群的 WP=6 2） 平均遗传多样性为0.2198，7个云南沙棘居群的平均遗传多样行为0.1944,江孜沙棘的遗传多样性为0.1372。结果表明，不同亚种的平均遗传多样性大小之间没有显著的差异，每个亚种内的不同居群的遗传多样性大小也无显著差异。 3） 不同居群之间Nei的遗传距离和遗传一致度结果表明，在中国沙棘的11个居群中，居群SG2和SL2之间的遗传距离最大（0.1492），居群SL2和SL8之间的遗传距离最小（0.0509）；在云南沙棘的7个居群中，居群YY1和YY3之间的遗传距离最大（0.1314），居群YT1和YT2之间的遗传距离最小（0.0060）。在全部的三个亚种、19个居群中，居群SG2和YY1之间的遗传距离最大（0.2201），居群YT1和YT2之间的遗传距离最小（0.0060）。不同居群之间遗传距离的大小说明居群之间遗传关系的远近不受地理位置的影响。利用NTSYS软件对居群之间的遗传距离矩阵和地理距离矩阵进行统计检验也表明，二者之间无相关性。 4） 对遗传距离使用UPGMA聚类，得树状图，从中可以发现，中国沙棘的11个居群聚在了一处，云南沙棘的7个居群聚在了另一处，两个亚种聚在一起后，再与江孜沙棘相聚。这说明，在三个亚种之间，中国沙棘和云南沙棘在系统发育关系上更为接近。 5） 利用PopGene软件计算了不同居群之间的遗传分化（GST）大小。在11个中国沙棘居群之间的遗传分化大小为0.4096，而在7个云南沙棘居群之间的遗传分化大小为0.2790，这说明不同亚种的遗传结构具有显著的差异。遗传分化大小表明，中国沙棘居群全部变异的40.96％发生在居群与居群之间，59.04％的遗传变异发生在居群内的个体与个体之间。云南沙棘居群全部变异的27.90％发生在居群之间，72.10％的遗传变异发生在居群内的个体之间。三个亚种总的基因分化系数大小是0.4320，这表明了19个居群总变异的56.80% 存在于居群内部的个体与个体之间，这意味着，保护居群内部的不同个体比保护不同的居群更具有现实意义。 利用GC-MS方法，分析了14个中国沙棘居群和云南沙棘居群的化学成分。共分离得到45个化合物，鉴定了其中的40个化合物。对居群之间的化学成 WP=7 6） 分的变异利用欧式距离进行运算。采用主成分分析和聚类分析对居群之间化学成分的变异进行了分析，结果显示烷烃、醇和脂肪酸在不同居群中的分布能够把中国沙棘和云南沙棘两个亚种显著地区别开来，具有显著的分类学指示意义。所有样品中都含有二十四烷烃，在居群SL3 和居群SL7中的含量最高，分别是40.96% 和39.42%，并且，在中国沙棘居群中二十四烷烃的含量要显著地高于云南沙棘居群中的含量（p0.01），在两个亚种的居群中醇的含量也显示了相同的趋势。特别是云南沙棘居群样品中的主要成分脂肪酸在中国沙棘的居群样品中却没有发现。相应地，可以得到两种化学型，一种富含脂肪酸和醇，对应于所有云南沙棘居群样品；另一种富含烷烃，对应于所有中国沙棘居群样品。主成分分析和聚类分析亦显示，沙棘居群化学成分的变异与地理位置之间有一定的相