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青藏高原披碱草属植物基因组亲缘关系及基因组大小研究

管永卓  
【摘要】:披碱草属(Elymus)从属于禾本科(Poaceae)小麦族(Triticeae),是多年生异源多倍体,对高海拔地区具有较强的适应能力,且拥有小麦类作物所稀缺的多种优良农艺基因如抗虫病害、抗旱、耐盐,在现在小麦类育种中起到的不可替代的作用。海拔促进植物基因组的变异和多倍体化从而影响植物遗传进化为披碱草属植物适应高海拔的遗传进化机制提供充分有力的遗传学证据,对保护和收集披碱草属优质种质资源具有重要价值。本文以来自青藏高原海拔3000~4300 m的六倍体垂穗披碱草(Elymus nutans)、四倍体的老芒麦(Elymus sibiricus)和昆仑披碱草(Elymus burchan-buddae)的27个种群为研究对象,阐述了海拔和披碱草植物基因组遗传进化的关系。首先使用流式细胞术PI染色法测定三种披碱草的基因组大小,分别为9.52,8.28和6.01Gb。垂穗披碱草、老芒麦最大基因组变异分别是(2.03 Gb,23.82%)和(1.64 Gb,21.61%)揭示了基因组大小的不稳定性,而昆仑披碱草基因组大小变异(0.9 Gb,16.45%)论证了基因组大小的相对稳定性。六倍体具有更大更复杂的基因组,遗传和变异能力更强。ANOVA分析表明,海拔与垂穗披碱草和老芒麦基因组大小显著相关,对昆仑披碱基因组大小影响并不显著。曲线分析则进一步揭示了海拔影响披碱草基因组大小变异过程极其复杂。从Spearman相关分析看,基因组大小和各个形态性状指标之间并无显著相关性。其次,通过基因组原位杂交观测有丝分裂中期染色体与探针杂交荧光信号探索了披碱草基因组之间的亲缘关系,为研究各基因组的来源与地理遗传进化提供细胞遗传学证据。以Pseudoroegneria strigosa基因组DNA为探针,三种披碱草均部分有明显信号,其中昆仑披碱草有20-24条染色体呈明亮的红色,老芒麦染色体着色面积较小,只有18-22条染色体有荧光信号,垂穗披碱草26-32条染色体上有明亮的信号,可以区分St和Y,St和H基因组。以Hordeum bogdanii wilensky为探针,我们可以在昆仑披碱草发现8-12个信号点,老芒麦有18-22条染色体有明显的信号,垂穗披碱草20-26条染色体上有明亮的信号,可以区分Y和H染色体。分析结果表明,在长期的进化过程中,St、H和Y基因组之间部分同源且来自不同祖先。与St和H基因组相比,St和Y基因组同源性更高,Y和H基因亲缘关系比St和Y基因组远些。对染色体杂交信号数量ANOVA分析,我们发现垂穗披碱草和昆仑披碱草基因组变异分化与海拔显著相关,而老芒麦影响较小。基因组杂交过程中,我们发现中海拔基因组杂交信号变异会较大,从侧面说明中海拔基因组分化较低海拔和高海拔更加丰富,更有利于披碱草种质资源的保护和收集。


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