盾叶薯蓣遗传多样性及多倍体新种质培育的研究

【摘要】： 我国特有种盾叶薯蓣(Dioscorea zingiberensis C．H．Wright)根茎中薯蓣皂苷元含量高，是提取甾体激素类药物的重要药源植物。目前，栽培种源混乱，种质退化，低含、低产，遗传背景不清，缺乏优良品种。为此，本研究从其资源调查入手，利用RAPD技术对其遗传多样性及系统分类学进行了研究。并通过倍性诱变技术，培育出高含、高产、遗传性状稳定的同源四倍体新种质XHJ—401，建立了其离体快繁技术体系，对其生物学与农艺学特性及生理生化特性进行了研究，并与AK杂交获得了杂交种子。主要研究结果叙述如下： (1)以TY雄株为起始材料，通过离体化学诱变获得了同源四倍体染色体为2n=2x=40。其一、二年生试管苗根茎平均产量分别为7.87725×10~3kg·hm~(-2)和8.70558×10~4kg·hm~(-2)，较其2n试管苗(2N)分别高141％和373.11％；一、二年生根茎薯蓣皂苷元平均含量分别为1.601％和2.966％，后者较2N和TY分别高255.21％和81.30％；其光合作用、呼吸作用、叶片叶绿素含量、气孔器及保卫细胞大小、保卫细胞叶绿体数量及大小、POD及CAT活性均高于2n亲本，田间的适应性及营养生长也强于2n，生育期较之长37～40d，达306d～310d；性状稳定；具有高产及高抗的形态结构与生理生化基础。与AK杂交，获得杂交种子的染色体为2n=3x=30；花药培养所获愈伤的染色体为n=1x=10。 (2)对其形态学多样性进行研究。发现了自然六倍体(2n=6x=60)和四倍体(2n=4x=40)；首次发现盾叶薯蓣有多胚现象，可能具有无融合生殖；发现有雌雄异株、雌雄同株或同序、杂性同株或异株及具不育雄蕊的两性花；自然性比：雄株：雌株：雌雄同株及同序=54：44：2；发现了块茎状根状茎、长棍状根状茎，异形叶性，叶脉凹陷型叶片；观察到其花序是莱荑花序而不是穗状花序；各种群器官形态变化因种群、个体、所处部位及立地环境不同而存在明显差异。 (3)对其生物学和农艺学特性进行研究时发现，其雄株、雌株、雌雄同株三者可以自然相互转换，变性率：XHJ-401(12.69％)＞2N(10.83％)＞TY(10％)；具有单性结实现象，结实率：XHJ-401(36.4％)＞AK(8.2％)。具耐荫植物特点。薯蓣皂苷元含量与多个形态指标具有相关；根状茎断面颜色不能作为含量的形态标记，但在同一种质之内比较可行；根据保卫细胞宽度能快速准确地进行倍性形态学鉴定。 (4)对盾叶薯蓣种群进行了RAPD遗传多样性、遗传结构的比较研究，提出盾叶薯蓣为遗传多样性较高、Gst相对偏小而Nm相对较大的亚狭域种。主要结果如下：①从60条随机引物中筛选出条带清晰可辨、多态性表现较为丰富的20个引物，对52份供试材料进行RAPD PCR扩增，共扩增出385条DNA带，其中220条为多态带，PPB=57.14％。②利用POPGENE 1.32软件进行遗传多样性分析表明，盾叶薯蓣的Nei’s h=0.4737，Shannon I=0.6666，具较大的遗传多样性；在薯蓣属6个种中的遗传多样性最高。其遗传多样性大小及其顺序为：种间(h=0.4767，I=0.6697)≥种内≥种群间(0.4737，0.6666)≥种群内(0.4328～0.4829，0.6310～0.6758)≥世代间的(0.4500，0.6414)≥亲本世代(AK：0.4496，0.6410)≥F1代的(AK F1：0.4409，0.6308)。种群内遗传多样性相对丰富，但各种群的遗传多样性存在明显差异，江南种群＞江北种群。③种间Gst=0.0709＞种群间Gst(0.0390)＞世代间Gst(0.0075)。薯蓣属种内分子变异大种间分子变异小；盾叶薯蓣种群内、世代内的分化大，种群之间、世代之间的分化小。④盾叶薯蓣世代间Nm(66.5163)＞种群间Nm(12.3071＞种间Nm(6.5516)；其种群间Nm大，但不同种群Nm有所不同，差别较大。⑤Nei's遗传距离D值大小及顺序为：纤细薯蓣(0.0289)＜叉蕊薯蓣(0.0612)＜柴黄姜(0.0651)＜薯蓣(0.0733)＜黄独(0.0782)；盾叶薯蓣各种群间D=0.0067～0.1575。薯蓣属3组6种之间：D=0.0289～0.1105，遗传一致度I=0.9248～0.9715；根状茎组3种之间的D值最小，与基生翅组黄独间的D值最大。XHJ-401与2N及TY亲本之间的D值分别为0.0350和0.0333，发生了较大的遗传分异。 (5)盾叶薯蓣种群UPGMA聚类分析结果显示，染色体倍性相同，则遗传距离相近，因而来源不同但倍性相同的类群能较早聚为一类，构成种群复合体(新提概念)。倍性变化产生的遗传分异大于地理隔离和种群扩散距离，高山的遗传隔离作用较江河的大。染色体加倍，造成了形态学表型及NDA分子的较大差异，因而提出其多倍体生物学效应并非来源于简单的DNA量的累加效应的观点。 (6)建立了盾叶薯蓣种内分子分类系统，提出了根状茎组→周生翅组→基生翅组薯蓣属组间进化新观点；首次以分子证据证明了根状茎组为一个自然类群。 (7)绘制了盾叶薯蓣资源水平分布图，发现其两个主要分布区并不明显连续；认为其种群扩散路线是沿长江及其支流由西向东、并在长江中游再分支向南、向北迁移，形成以湘西和鄂西北为中心的两个新的分布亚中心。提出其种群扩散的主要阻遏因素不是大江而是高山的新观点。本种分布于多种乔木林、灌丛及草丛群落中；自然分布率：灌丛(50.2％)＞乔木林(34.6％)＞草丛(15.2％)；郁闭度3～5时的分布率分别高达48.4％、55.6％、45.2％。