中国入侵严重地区假臭草遗传多样性研究

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假臭草(Praxelis clematidea)是一种恶性入侵杂草,目前广泛分布于我国华南地区,对入侵生境生物多样性造成了重大危害。本研究采用ITS(InternalTranscribed Spacer)序列、ISSR(Inter-Simple Sequence Repeat)和EST-SSRs(Express Sequence Tags-Simple Sequence Repeats)分子标记,从分子水平揭示假臭草快速扩散和入侵机理,研究其遗传多样性和遗传结构。研究内容及结果如下:以‘ITS4’和‘ITS5’为引物进行PCR扩增,并对扩增产物进行测序。序列拼接上传后,获得54个GeneBank登录号。经序列分析,发现12个单倍型(H1-H12),H10单倍型存在于12个假臭草居群中,推测为祖先单倍型。基于MP法构建的单倍型进化树中,H9单倍型以较大的支持率(86%)单独聚一枝,其他单倍型聚成平行枝,说明种下分化不明显。分子差异性分析(AMOVA)结果表明,居群间的遗传变异水平(-4.57%)和遗传分化低(GST=-0.061,FST=-0.04569,NST=-0.031),居群内遗传变异水平高(104.57),遗传变异主要存在于居群内。错配分析表明,假臭草的分布符合快速扩张模型。由于NCBI的dbEST数据库中没有公布假臭草EST序列(截止2012年12月),根据EST-SSRs标记高保守和通用性特征,下载了假臭草同族植物甜叶菊(Stievia rebaudiana)、薇甘菊(Mikania micrantha)和胜红蓟(Ageratumconyzoides)的EST序列。共筛选出145个EST-SSR位点序列,其中,三核苷酸和六核苷酸重复基元出现频率最高,分别为37.24%、40.69%,四核苷酸重复基元最低为2.07%,其中,(AT)n在基元类型中出现频率最高(32%),(ACC/GAA)n次之(18.52%)。针对146个EST-SSR位点,本研究首次合成了27对EST-SSRs引物。结合单因素和正交设计试验,建立了假臭草EST-SSRs最佳PCR反应体系,即20μLPCR反应体系中,Mg2+浓度为2.75mmol·L-1,模板DNA用量为35ng,Taq DNA聚合酶为2.25U,dNTPs浓度为0.3mmol·L-1,引物浓度为0.6μmol·L-1。以优化体系进行引物筛选,27对EST-SSRs引物中,18对引物能成功扩增,占总引物的66.67%,其中7对引物具有较好的多态性,占可扩增引物的25.93%。序列分析显示,假臭草EST-SSRs标记在核酸水平上的多态性表现为基因序列的删除、单个或多个碱基序列的插入、SSR基元重复次数的改变和碱基倒置。EST-SSRs标记结果显示:来源于海南、广东和福建15个不同市假臭草居群间的遗传距离范围为0.0173(广东湛江和福建泉州居群)~0.2223(海南儋州和福建晋江居群),经Mantel检验,居群间的遗传距离和地理位置呈极低的正相关性,但达到极显著性水平(r=0.4315,P<0.01);与薇甘菊相比(H=0.1849,I=0.2818),假臭草在物种水平上具有较高的遗传多样性(H=0.2439,I=0.3914);居群间的遗传变异(31.43%)小于居群内的遗传变异(68.57%),遗传变异主要存在于居群内;主成分分析(PCA)表明假臭草可分为四组,I组为海南地区假臭草,II组主要为海南和广东地区假臭草,III组为福建和广东地区假臭草,第IV组主要为福建地区假臭草;基于遗传一致度的UPGMA法进行聚类分析,可将四组分为2大类:II组、III组和IV组为一类,I组独为一类,与其他三组分开表现出较大的遗传差异;基于遗传一致度进行UPGMA法聚类分析,假臭草15个自然居群可以分为4大类:第I类群包括HHK(海南海口)和HDZ(海南儋州)假臭草居群;第II类包括HWN(海南万宁)和HWC(海南文昌)假臭草居群;第III类包括HSY(海南三亚)、GZH(广东珠海)、GZJ(广东湛江)、FQZ(福建泉州)、GCZ(广东潮州)、FXM(福建厦门)、GHY(广东河源)、FFD(福建福鼎)和HQZ(海南琼中)假臭草居群,第IV类包括FJJ(福建晋江)和FFZ(福建福州)假臭草居群。假臭草ISSR标记分析,来自于海南、广东和福建三省15个不同市的假臭草居群间的遗传距离范围为0.0040(广东潮州和广东湛江居群)~0.2566(福建福州和广东河源居群),Mantel检验居群间遗传距离和地理位置呈极低的正相关性,但达到显著性水平(r=0.2935,p=<0.05);居群间的遗传变异(35.50%)小于居群内的遗传变异(64.50%);主成分分析(PCA)表明假臭草可以分为四组,I组包括大部分福建地区、部分广东地区和少部分海南地区假臭草,II组主要为海南地区的假臭草,III组主要为广东居假臭草,IV组全为福建地区假臭草,基于遗传一致度进行UPGMA法聚类分析,可将四组分为2大类:I、II和III组为一类,IV组独聚一类,与其他三组分开表现出较大的遗传差异;基于遗传一致度进行UPGMA法聚类分析,假臭草15个自然居群可以分为3大类:第I类包括FXM、FQZ、GZJ、GCZ、HSY、FJJ、FFD、GHY和GZH假臭草居群,第II类全为海南地区假臭草,包括HWN、HWC、HQZ、HHK和HDZ假臭草居群,第III类为FFZ假臭草居群,与其它14个假臭草居群分开;假臭草遗传多样性丰富(H=0.2519,I=0.3905),较高的遗传多样性是其生物入侵的一种手段。ITS序列、ISSR和EST-SSRs标记结果显示,假臭草居群间基因交流频繁(Nm>1),阻止了遗传漂变对遗传结构的影响;居群间的遗传变异小于居群内的遗传变异,遗传变异主要存在于居群内。EST-SSRs和ISSR标记UPGMA法聚类分析和主成分分析显示,海南地区假臭草聚类在一起,推断海南居群存在独立进化,这与海南独特的地理位置和各样的气候环境有关。另外,聚类图中显示,部分假臭草居群混杂聚在一起,这可能与人为因素的传播有关。EST-SSRs标记分析的遗传变异(Ht=0.2603,Hs=0.1785)大于ISSR标记分析(Ht=0.2572,Hs=0.1659),可能与环境选择压力不同有关。EST-SSRs扩增片段的测序结果反过来论证了本研究开发的EST-SSRs标记的有效性,并支持了该标记的特异性和通用性。本研究结果表明:EST-SSRs和ISSR标记研究假臭草遗传多样性是可行的。本研究表明,假臭草居群符合快速扩张模型,具有较高的遗传多样性,人为因素促进了假臭草的扩散和再次入侵。因此我们应采取相应的防除措施:国内质检部门应加强预防和监管工作,切断假臭草的传播途径;及时做出预警宣传,提高民众的公共预防意识。
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