摘要
为更好地保护、开发和利用乌饭树资源,采用基因分型测序(GBS,genotyping by sequencing)技术对采集于5个地区的70份乌饭树野生种质进行了SNP分子标记开发,利用开发的标记研究了乌饭树种质的遗传多样性和群体遗传结构。结果显示,通过测序数据分析共筛选得到9752个高质量SNP标记用于后续研究;乌饭树5个群体均具有丰富的遗传多样性,平均有效等位基因数为1.523,平均期望杂合度为0.219,平均观测杂合度为0.231,其中江苏溧阳群体的遗传多样性最高。分子方差分析显示整个群体的遗传变异主要来自个体间(65.45%)。群体间遗传分化系数显示5个群体间遗传分化程度高,其中江苏溧阳与江西上犹群体间的遗传分化系数最高,为0.406。系统进化树(邻接法)显示乌饭树种质聚类为3个进化分支,种质的聚集与其地理来源无确定性关系;群体结构分析将乌饭树种质分为3个亚群,主成分分析结果与群体结构的结果类似,不同地区的乌饭树种质在3个亚群中均有分布,显示了乌饭树资源存在着广泛的基因交流。本研究可为今后乌饭树良种选育和资源保护提供参考。
乌饭树(Vaccinium bracteatum Thunb.)又名南烛,古称染菽,属于杜鹃花科(Ericaceae)越橘属(Vaccinium)植物,是一种极具发展前景的食用、药用和观赏型植物。乌饭树有良好的食用价值,江浙地区自古就有以乌饭树枝叶入药及制作“乌饭”的传统,其黄酮类物质含量极其丰富,具有很高的营养价值和保健功
乌饭树在我国分布很
目前越橘属植物如欧洲越橘、蓝莓、蔓越莓等已经广泛开展了分子标记开发和遗传多样性分析。Aruna
相比之下,我国在这方面的研究起步较晚,植物资源开发利用的力度尚不够。我国蕴藏着极其丰富的野生乌饭树植物资源,特别是长江流域及以南地区,但是目前乌饭树的分子标记开发和应用尚未见报道,生产上使用的乌饭树多是由野生品种通过组培技术繁育,遗传背景不详、遗传特性不清楚,严重影响了乌饭树资源的利用和育种工作的进展。本研究通过开发乌饭树分子标记,利用分子标记进行遗传多样性分析,了解乌饭树群体的遗传多样性特征;同时,利用分子标记进行聚类分析和群体结构分析,将聚类结果和亚群划分结果与植株的地理分布相对应,阐明种质之间的亲缘关系和群体结构,该研究可以为乌饭树的资源开发和品种培育提供一定的理论依据。
根据本课题组前期调查分
来源 Origin | 数量 Size of population |
---|---|
江苏溧阳 LY | 15 |
安徽宣城 XC | 13 |
湖南白云山 BYS | 14 |
江西上犹 SY | 14 |
福建南平 NP | 14 |
LY:Liyang,Jiangsu;XC:Xuancheng,Anhui;BYS:Baiyunshan,Hunan;SY:Shangyou,Jiangxi;NP:Nanping,Fuping;The same as below
于2020年春季5月份新叶生长期收集植物叶片,采用天根植物基因组DNA提取试剂盒法和CTAB法提取基因组DNA。琼脂糖凝胶电泳检测检验提取DNA的完整性和浓度。GBS-seq文库构建及高通量测序:参照Elshire
以蓝莓(Vaccinium corymbosum)W8520基因
利用Popgen
通过Popgene软件计算群体间遗传分化系数(Fst,genetic differentiation coefficient)来评价两两群体之间的分化程度。
利用Arlequin 3.
运用Tasse
运用STRUCTUR
运用Tassle软件,利用SNP标记对群体材料进行主成分分析,按照不同性状特征将个体按主成分聚类成不同的亚群,同时用于和其他方法做相互验证。
70个乌饭树样本测序共获得了43.18 Gb数据,平均每个样本0.61 Gb,Q20≥92.8%、Q30≥82.85%;共获得223768个SNP位点,过滤后获得9752个SNP,用于后续分析。SNP标记的遗传多样性信息结果表明(
SNP特征 SNP characteristics | 最小值 Min. | 最大值 Max. | 平均值 Mean |
---|---|---|---|
最小等位基因频率 MAF | 0.05 | 0.50 | 0.14 |
基因多样性 GD | 0.10 | 0.50 | 0.21 |
多态性信息量 PIC | 0.09 | 0.38 | 0.18 |
平均杂合度 H | 0.09 | 0.96 | 0.21 |
MAF:Minor allele frequency;GD:Gene diversity;PIC:Polymorphic information content;H: Heterozygosity; The same as below

图1 SNP的遗传多样性
Fig. 1 Genetic diversity parameters of SNP markers
根据变异位点对群体遗传学参数进行统计分析(
群体 Population | 有效等位基因数 Ne | 观测杂合度 Ho | 期望杂合度 He | 近交系数 Fis |
---|---|---|---|---|
江苏溧阳LY | 1.483 | 0.255 | 0.228 | -0.172 |
安徽宣城XC | 1.492 | 0.243 | 0.218 | 0.132 |
湖南白云山BYS | 1.499 | 0.246 | 0.222 | 0.095 |
福建南平NP | 1.593 | 0.195 | 0.200 | 0.337 |
江西上犹SY | 1.548 | 0.214 | 0.227 | 0.264 |
均值 Mean | 1.523 | 0.231 | 0.219 | 0.131 |
分子遗传方差分析的结果如
变异来源 Source of variation | 自由度 df | 平方和 Sum of squares | 方差分量 Variance component | 变异百分率(%) Percentage of variance |
---|---|---|---|---|
群体间 Among populations | 4 | 96.42 | 0.75c | 21.27 |
群体内个体间 Among individuals within population | 65 | 211.72 | 0.50b | 14.28 |
所有个体间 Among individuals within individuals | 70 | 158.00 | 2.26a | 64.45 |
总体 Total | 139 | 466.14 | 3.50 | 100 |
小写字母表示方差在P<0.05水平上差异显著
Different lowercase letters indicate significant differences at the P<0.05 level
群体间遗传分化系数可评价两两群体之间的分化程度,结果(
群体 Population | 江苏溧阳 LY | 安徽宣城 XC | 湖南白云山 BYS | 福建南平 NP | 江西上犹 SY |
---|---|---|---|---|---|
江苏溧阳LY | 0 | ||||
安徽宣城XC | 0.021 | 0 | |||
湖南白云山BYS | 0.117 | 0.074 | 0 | ||
福建南平NP | 0.087 | 0.087 | 0.097 | 0 | |
江西上犹SY | 0.406 | 0.384 | 0.338 | 0.168 | 0 |
采用邻接法构建系统发育树,进化树(

图2 乌饭树种质聚类分析
Fig. 2 Cluster analysis of V. Bracteatum germplasms
蓝色、红色和黑色线条代表不同的分支;SY代表江西上犹种质,NP代表福建南平种质,BYS代表湖南白云山种质,XC代表安徽宣城种质,LY代表江苏溧阳种质
Blue, red and black lines represent different branches;SY represents germplasm from Shangyou in Jiangxi province, NP represents germplasm from Nanping in Fujian province, BYS represents germplasm from Baiyunshan in Hunan province,XC represents germplasm from Xuancheng in Anhui province, LY represents germplasm from Liyang in Jiangsu province
经STRUCTURE软件计算发现LnP(D)值随着K值持续上升,当K=3时,Delta K值最大(

图3 乌饭树种质的群体结构
Fig. 3 The population structure of V. Bracteatum germplasms
A为K=2~10时,LnP(K)和Delta K值的变化;B为当K=3时,70份种质材料属于3个亚群的概率值
A shows the changes in LnP (K) and Delta K values when K=2-10;B shows the q values of 70 germplasm resources belonging to three subgroups when K=3
亚群 Subgroup | 各地区种质数目 Number of germplasm resources in each origin | ||||
---|---|---|---|---|---|
江苏溧阳 LY | 安徽宣城 XC | 湖南白云山 BYS | 福建南平 NP | 江西上犹 SY | |
亚群1 Subgroup 1 | 0 | 0 | 0 | 4 | 11 |
亚群2 Subgroup 2 | 5 | 0 | 8 | 0 | 4 |
亚群3 Subgroup 3 | 9 | 13 | 6 | 10 | 0 |
基于个体基因组SNP差异程度,利用主成分分析对70份种质资源进行聚类。其中,第1主成分和第2主成分分别解释44.87%和6.62%的群体结构变异,超过了50%的群体结构变异。

图4 乌饭树种质的主成分分析
Fig. 4 The principal component analysis of V. Bracteatum germplasms
基因分型测序技术(GBS,genotyping-by-sequencing)广泛应用于植物遗传多样性研究
遗传多样性是植物进化和适应性的基
为了解乌饭树群体的遗传变异在群体间以及群体内的分布情况,分析了乌饭树自然群体的遗传变异来源,发现主要的遗传变异来自于乌饭树所有个体间(65.45%),其他的遗传差异来自于群体间(21.27%),而来自于群体内个体间的遗传差异占比最少(14.28%),表明本研究的乌饭树群体的遗传分化主要表现为所有样本个体之间的分化,即由个体间不同基因型间的遗传分化引起。乌饭树各群体间的遗传分化系数平均值达到0.178,根据Wrigh
群体进化结果表明,乌饭树群体可分为3个分支,种质遗传距离远近和进化关系与地理位置不一致,说明乌饭树野生资源在长期的进化过程中形成了复杂的遗传背景。群体结构分析将70份种质资源分为3个亚群,推测可能具有3个祖先,不同地理来源的种质在各亚群中均有分布,显示了乌饭树资源存在着广泛的基因交流。乌饭树种质资源的群体结构划分与地理来源没有明显的相关性,在其他植物资源的遗传分析也发现了类似的结
了解掌握乌饭树野生群体遗传多样性、亲缘关系和遗传结构,能为其资源利用提供更加清晰的思路和更可靠的证据,育种目标更容易实现。前期的研究发现江苏溧阳乌饭树群体与江西上犹、福建南平的群体相比具有丰富的黄酮含
综上,本研究基于SNP分子标记对70份来自5个地区的乌饭树种质资源遗传多样性进行分析,结果表明江苏溧阳群体的遗传多样性高于其他群体。群体进化分析显示70份乌饭树种质资源的聚类结果与地理来源没有明显的相关性,遗传结构分析和主成分分析将70份种质材料分为3个亚群,说明乌饭树野生资源在长期的进化过程中形成了复杂的遗传背景。本研究结果为更好地利用乌饭树种质资源提供有利参考和依据,为今后进一步收集保护乌饭树种质资源和乌饭树种质创新、育种实践提供指导。
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