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盾叶薯蓣遗传多样性及多倍体新种质培育的研究

蒋道松  
【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%。


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