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紫茎泽兰群体遗传变异分析及化感作用相关基因的克隆

黄文坤  
【摘要】: 起源于墨西哥至哥斯达黎加一带的菊科植物紫茎泽兰[Eupatorium adenophorum Sprengel;Syn.Ageratina adenophora(Sprengel)],是我国危害最严重的外来入侵杂草之一,已广泛分布于世界热带、亚热带30多个国家和地区,破坏了入侵地的生物多样性和生态结构,对入侵地区的经济、生态和社会造成了重大损失。该恶性杂草于20世纪40年代由中缅边境传入我国,已形成了稳定的地理格局并产生了一定程度的遗传分化,在我国的入侵植物中具有代表性。因此,我们利用AFLP分子标记技术从核DNA水平研究了入侵我国的紫茎泽兰种群的遗传多样性和遗传结构,以揭示紫茎泽兰入侵过程中种群的遗传变异及地理格局,并对该杂草在我国的传播扩散方式进行推测;同时克隆了紫茎泽兰化感作用相关基因,以探讨化感作用的代谢途径及化感作用相关基因的功能,从而阐明紫茎泽兰入侵与扩散的机理,为紫茎泽兰的可持续控制提供理论依据。主要研究结果如下: 1、AFLP是分析紫茎泽兰遗传多样性的有效分子标记。从64对引物中筛选出的3对多态性高的引物在62个种群中共扩增出490条带,其中多态性条带328条(PPB=66.9%),说明紫茎泽兰具有丰富的遗传多样性。在种群水平,紫茎泽兰的遗传杂合度H=0.150,Shannon信息指数I=0.236,基因流Nm=1.324。在地区水平,H=0.171,I=0.273,Nm=1.357;其中云南省的遗传多样性水平最高,其次为四川、贵州、广西,最低的为重庆。 2、入侵我国的紫茎泽兰在不同的环境条件下形成了一定程度的遗传分化,种群内个体之间的变异是紫茎泽兰产生遗传分化的主要来源。遗传多样性分析表明,紫茎泽兰的遗传分化主要存在于种群内,在种群间相对较小(Gst=0.287)。遗传多样性的分子变异来源分析(AMOVA)表明,紫茎泽兰的遗传变异中仅有8.04%存在于地区间,21.71%的变异存在于地区内种群间,大部分的变异(70.25%)存在于种群内,说明不同地理群体间基因交流较少,群体内基因交流频繁。 3、UPGMA聚类分析表明,62个地理种群可以分为四类,遗传多样性分布具有明显的地缘性关系,与PCO分析结果基本相似。相关性分析表明,海拔是影响紫茎泽兰遗传多样性的主要地理气候因子,紫茎泽兰的遗传多样性随海拔的升高而增加(R~2=0.256,P<0.005),随经纬度的增加而降低,随着紫茎泽兰向东、向北扩散,遗传多样性逐步降低,传入过程有明显的奠基者效应。Mantel检测表明,紫茎泽兰的遗传距离与地理距离成正相关(r=0.37,p=0.0004),地理距离越远,遗传距离越大,说明地理隔离是阻碍紫茎泽兰种群间基因交流的重要因素。 4、根据遗传多样性与遗传结构研究结果推测,紫茎泽兰在中国的传播扩散主要是种子传播,其次是水流传播;多次传入是紫茎泽兰种群内遗传变异的主要来源。紫茎泽兰自上世纪40年代从中缅边境传入云南临沧一带后,逐渐向其东部和北部蔓延。向北部蔓延的种群一部分向四川攀枝花、凉山州一带扩散,一部分则沿长江流域向四川宜宾、重庆等地扩散;向东部蔓延的种群自云南思茅和文山向广西百色扩散,进而向广西南部和贵州西部、中部扩散。 5、利用RACE技术扩增了紫茎泽兰与化感作用相关的类黄酮3'-羟化酶基因(F3'H,NCBI Genebank登录号为EF137714)。基因全长为1722bp,含5'非翻译区(37bp)、编码区(1533bp)和3'非翻译区(252 bp),编码570个氨基酸,理论分子量为56.8kDa,等电点为6.44。紫茎泽兰F3'H基因与翠菊(Callistephus chinenis)F3'H基因氨基酸序列相似性达64.4%,属于细胞色素P_(450) CYP75B亚家族。 6、Southern杂交表明,F3'H基因在紫茎泽兰不同地理种群中均为单拷贝。Northern杂交表明,F3'H基因在根、茎、叶中均有表达,且在叶片中表达量最高、在根中表达量最低;F3'H基因的表达受化感物质泽兰酮诱导,在诱导12h后表达量最高,说明F3'H基因可能与紫茎泽兰的化感作用相关。F3'H基因在大肠杆菌中能表达56.8kDa的目的蛋白,并且表达量随时间延长而增加。 本研究结果对阐明紫茎泽兰的入侵扩张机理、制定紫茎泽兰的遗传控制策略具有重要的理论价值与实践意义。


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