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小麦族P基因组植物的遗传多样性与系统演化研究

车永和  
【摘要】:在小麦族中,携带P基因组的植物主要包括冰草属(Agropyron Gaertn., P genome)的所有物种和以礼草属(Kengyilia Yen et J. L Yang, StPY genomes)的所有物种或鹅观草属拟冰草组(Roegneria Sect. Paragropyron Keng)的所有物种。这些物种不仅具有众多可供小麦改良的优异基因,而且被作为优质牧草、防沙固沙植物广泛利用。因此,对这些物种的遗传多样性和系统演化研究,一直受到众多遗传学家和禾草学家的关注。 本项研究以中国农业科学院作物品种资源研究所收集和保存的冰草属中的冰草[A. cristatum (L.) Gaertn.]136个居群﹑沙生冰草[A. desertorum (Fisch ex Link) Schult.]21个居群﹑西伯利亚冰草[A. fragile (Roth) Candargy]15个居群﹑蒙古冰草(A. mongolicum Keng) 46个居群﹑根茎冰草(A. michnoi Roshev.)4个居群,共5种、222个居群,以及以礼草属(Kengyilia Yen et Yang)植物11种26个居群和鹅观草属狭颖草系窄颖鹅观草(Roegneria angustiglumis)的2个居群,合计250个居群为对象,从形态学﹑细胞学、蛋白质(醇溶蛋白的A-PAGE分析)和DNA(SSR分析)水平,对物种的遗传多样性和系统演化关系进行了综合分析,获得以下主要结论: 1、通过基因组原位杂交(GISH)发现,以礼草属(Kengyilia Yen et J. L. Yang) 11种的26个居群的基因组构成均为StPY。其中,稀穗以礼草(K. laxistachya)和沙湾以礼草(K. shawanensis)的基因组构成为第一次报道。 2、首次揭示了在长颖以礼草(K. longiglumis)、大颖草(K. grandiglumis)和沙湾以礼草(K. shawanensis)等具有StPY基因组的物种中,P基因组能够与St、Y基因组间自发产生简单易位、在短臂上相互易位和在长臂上相互易位3种类型的易位系,这为进一步探讨P基因组在小麦族中的遗传地位提供了新的证据。 3、通过基因组原位杂交(GISH)发现,鹅观草属狭颖草系窄颖鹅观草(Roegneria angustiglumis)的基因组构成为StPY。如果按照从鹅观草属中新近独立出的以礼草属的物种组成原则,窄颖鹅观草应当被划归到以礼草属。 4、对冰草属植物的5种22个居群分8个取样梯度的混合样的醇溶蛋白多样性分析表明,当取样量达到12粒以上,醇溶蛋白图谱表现基本一致。建议在居群间遗传多样性研究中,混合取样量最低应保持在12个个体及以上方能代表居群的整体遗传特性。 5、在形态学水平,冰草属5个种的居群内以穗宽变异最大,平均变异系数为24.670;小穗的小花数变异范围次之,平均变异系数为19.640;穗下茎长度变异最小,平均变异系数为13.490。整体来看,在5个种中,根茎冰草的各项值变异系数最大。 6、在蛋白质水平,不同地区的物种遗传多样性不同,冰草以内蒙古﹑新疆和青海的遗传多样性相对最高,Simpson指数分别为0.927﹑0.922和0.920;蒙古冰草以陕西榆林地区和内蒙古地区为最高,两地区的Simpson指数分别为0.910﹑0.906。在遗传分化 WP=6 上,种间的遗传多样性为5.3%,种内的遗传多样性为94.7%;地区间平均遗传分化为4.6%,而地区内的遗传多样性占总体遗传多样性的95.4%。 7、在DNA水平,冰草属植物地区间造成的遗传分化(冰草14.5,沙生冰草16.2)大于属(10.7)及种(10.1)间的遗传分化,因而,生态环境相似的居群遗传距离较近,UPGMA聚类易聚为一类;冰草居群间遗传分化系数为9.9%,总的遗传多样性的90.1%存在居群内;来自不同地区冰草居群的遗传多样性指数依次为新疆0.735>内蒙古0.714>东北0.678>甘肃0.677>山西0.599>陕西0.562>青海0.553;在系统演化关系上,沙生冰草很可能是通过冰草与蒙古冰草间的天然杂交衍生出来。 8、对来自原生境和异地保护的冰草属植物居群分析表明,无论是在蛋白质水平还是在DNA水平,其遗传多样性均无显著差异,说明对于冰草属植物,原生境保护和异地保护都是该属植物物种保护的有效手段。 上述研究结果,对于进一步深入了解P基因组在小麦族中的遗传地位与更加合理、有效地保护和利用冰草属植物具有重要意义。


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