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花椒遗传结构及系统发育的研究

【摘要】:花椒属(Zanthoxylum L.)为芸香科植物,约250种,分布于北美和东亚地区,我国有39种14变种。花椒属植物是一种极具开发价值的经济树种,其果皮兼作药食之用已逾两千年。花椒(Zanthoxylum bungeanum)原产于我国,栽培历史悠久,现已广布于我国南北地区,种质资源十分丰富。近年来,竹叶花椒(Zanthoxylumarmatum DC Prof.)在我国西南地区也广泛栽培,成为第二大栽培种。我国幅员辽阔,生态环境多样化,加之长期的自然选择和人工选育,使花椒和竹叶花椒在栽培过程中的许多表观性状表现出高度可塑性,成熟期、果皮颜色、腺点等形态学指标易受气候环境因素的影响而产生连续性的变异,形成了许多品种或生态类型,这给种质鉴定和品种之间亲缘关系的确定带来了困难。本文运用单亲遗传的cpDNA序列变异和双亲遗传的SRAP和SSR标记技术对我国花椒种质资源的遗传多样性和种源遗传结构进行了深入研究,旨在揭示我国花椒种源间亲缘地理和系统发育关系,为栽培花椒的遗传改良和品种选育提供分子依据。主要研究结果如下:1.从120对SRAP引物组合中筛选出了多态性较好、条带清晰、稳定性较好的16对SRAP引物组合,在175个样本中共扩增出145条谱带,多态性比率高达100%。花椒和竹叶花椒的变异主要来源于种源内,分别为84%和66%。花椒和竹叶花椒的种源间总遗传多样性(Ht=0.309和0.227)高于种源内遗传多样性(Hs=0.266和0.139)。竹叶花椒种源间的基因分化(Gst=0.385)高于花椒种源(Gst=0.138),而花椒种源间的基因流(Nm=3.112)高于竹叶花椒(Nm=0.798)。聚类分析表明,175个花椒样本可分为4大类,第I类包括大多数花椒(Z.bungeanum)的栽培品种,第II类为所有竹叶花椒(Z.armatum)的栽培品种和野生品种,第Ⅲ类为无刺花椒,第IV类为野生种和一些散生的花椒品种。分类结果表现出一定的地理趋势,陕西和甘肃为花椒种源的过渡区。2.基于花椒(Z.bungeanum)转录组数据开发出了11对多态性较高的SSR引物。用11对引物可明确区分花椒与竹叶花椒,也可以区分不同的品种。花椒的遗传多样性水平较高于竹叶花椒。花椒种源中,河南高庙乡种源(GMXHJ)的遗传多样性水平最高(He=0.521),而竹叶花椒种源中,四川资中种源(ZZZYJ)的遗传多样性水平最高(He=0.277)。花椒在长期的栽培过程中经历了瓶颈效应,而竹叶花椒没有经历瓶颈效应;秦岭山脉阻隔了岭南和岭北花椒种源的基因流,形成了南、北种源独特的遗传结构,将花椒以秦岭为界分为了“南椒”和“北椒”两类,竹叶花椒单独为一类。目前栽培的“青花椒”和“顶坛花椒”应归属于竹叶花椒(Z.armatum)而不是植物学分类上的青花椒(Zanthoxylumschinifolium Sieb.et Zucc.)。在秦岭地区(陕西和甘肃),由于岭北的花椒种源向岭南的渗入,形成了花椒种源的过渡地,使得分布于秦岭南麓凤县、秦安、武都等地的花椒种源中也能够检测到岭北种源的遗传物质。花椒和竹叶花椒种源具有高度的遗传分化水平(Fst=0.3961和0.2156)。花椒和竹叶花椒的遗传变异主要存在于个体内和群体间。花椒种源的遗传距离与地理距离存在显著相关性(P0.05),符合距离隔离模式(Isolation By Distance,IBD),这种IBD效应是由岭南群体之间和岭北群体之间的IBD效应所贡献的,若只考虑岭南群体到岭北群体成对之间的地理距离和遗传距离的相关性,则不显著(r20.001,p0.1),进一步表明秦岭对基因流产生了阻隔作用。3.三个cpDNA序列的64个变异位点将182个样本分为19种单倍型(H1~H19)。花椒有8种单倍型,竹叶花椒只有3种单倍型,其它花椒种有8种单倍型。总的单倍型多态性Pi为0.259×10-3,总的核苷酸多态性Hd为0.588,其中贵州保基乡(BJX)的种源具有最高的核苷酸多态性(Pi=0.881×10-3),而河南林州市(LZ)的种源单倍型多态性(Hd=0.833)。种源间总的平均遗传多样性指数HT为0.600,种源内平均遗传多样性指数HS为0.438,表明种源间存在较高的遗传分化。群体遗传分化系数GST=0.271小于NST=0.373(P0.05),表明花椒种源间存在显著的谱系地理结构;贝叶斯系统树将19种单倍型分为四支,花椒和竹叶花椒分别为一支,无刺花椒单独为一支,其它野生种的单倍型为一支。花椒属祖先分布重建显示花椒属植物的起源地为云贵地区(D),现在花椒栽培种的地理分布由花椒和竹叶花椒祖先群体经过长距离扩散和几次地理隔离事件而形成。花椒和竹叶花椒的分化时期大约为中新世末期(5.73 Ma)。中性检验和失配分布曲线分析显示,花椒在历史上经历过群体扩张事件和空间扩张事件,竹叶花椒经历了近期的群体扩张事件。

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