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中国沙棘和云南沙棘的遗传分化及遗传多样性

王天翼 徐悦 王罗云 张建国 曾艳飞

引用本文:
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中国沙棘和云南沙棘的遗传分化及遗传多样性

    作者简介: 王天翼,在读硕士研究生。主要研究方向:植物系统进化。电话:16631200566。Email:wangty02@163.com.
    通讯作者: 曾艳飞, zengyf@caf.ac.cn
  • 中图分类号: S722.3

Genetic Differentiation and Genetic Diversity of Hippophae rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis

    Corresponding author: Yan-fei ZENG, zengyf@caf.ac.cn
  • CLC number: S722.3

  • 摘要: 目的 探究中国沙棘和云南沙棘的遗传分化,明确二者分布区的地理边界,并评估其遗传多样性情况。 方法 利用18个简单重复序列(SSR)标记对32个中国沙棘和云南沙棘种群进行遗传变异检测,结合形态学和地理分布,利用系统发育分析和遗传结构分析鉴定种群分组情况,计算种群间遗传分化系数(FST),开展分子方差分析,计算遗传多样性参数(等位基因数(NA)、有效等位基因数(NE)、观测杂合度(HO)、期望杂合度(HE)和近交系数(FIS))。 结果 中国沙棘的遗传多样性高于云南沙棘,中国沙棘种群间的遗传分化系数低于云南沙棘。AMOVA分析显示:种群间遗传变异所占比例中国沙棘(25.5%)低于云南沙棘(36.7%),表明来自不同地理种群的中国沙棘分化程度低、遗传变异更多的来源于种群内不同个体间。系统发育树分析显示:中国沙棘个体主要聚为一大支,而云南沙棘存在多个差异较大的分支,中国沙棘和四川地区的云南沙棘关系很近。遗传结构分析将所有中国沙棘和云南沙棘个体分为2组,2亚种间邻近种群存在杂交,尤其是位于四川北部的红原、松潘种群。 结论 中国沙棘相较于云南沙棘有更高的遗传多样性和较低的种群间分化;推测2亚种的分布边界位于四川北部的红原县、松潘县地区一带。
  • 图 1  基于18个SSR标记的沙棘个体系统发育树。

    Figure 1.  Individual phylogenetic trees of Hippophae based on 18 SSR makers.

    图 2  中国沙棘和云南沙棘种群的遗传分组结果

    Figure 2.  Population structure of H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis.

    表 1  沙棘种群采样信息

    Table 1.  Sampling information of sea buckthorn populations

    种群编号
    Population code
    采样地点
    Location
    纬度(N)
    Latitude
    经度(E)
    Longitude
    样本数量
    Sample number
    中国沙棘(H. rhamnoides subsp. sinensis
    CFA 内蒙古自治区赤峰市 42°25'12" 119°45'36" 20
    BAH 内蒙古自治区敖汉旗 42°18'51" 119°54'01" 6
    WC 河北省围场县 41°58'48" 117°41'24" 20
    SY 河北省围场县 41°53'24" 117°05'23" 19
    DaBao 河北省蔚县 40°00'04" 115°00'22" 20
    YY 山西省左云县 40°04'48" 112°51'36" 20
    ZJW 山西省大同市云冈区 40°06'50" 113°01'06" 20
    QS 山西省沁水县 35°28′41" 112°01′43" 5
    WQ 陕西省吴起县 36°55′04" 108°12′25" 12
    XY 陕西省旬邑县 35°21′19" 108°41′46" 8
    TW 甘肃省通渭县 35°18′33" 105°26′31" 3
    ZhN 甘肃省卓尼县 34°39′17" 103°27′49" 10
    LinX 甘肃省积石山县 35°39′43" 102°54′08" 10
    QL 青海省祁连县 38°05′27" 100°21′39" 11
    GLT 四川省松潘县 32°55'13" 103°24'30" 5
    QY 四川省松潘县 32°33'08" 103°37'25" 10
    HY 四川省红原县 32°52'19" 102°35'47" 10
    MWS 四川省红原县 32°55'00" 102°37'42" 4
    云南沙棘(H. rhamnoides subsp. yunnanensis
    LX 四川省理县 31°30'56" 102°55'42" 17
    SJS 四川省红原县 31°54'04" 102°38'37" 12
    WL 四川省汶川县 30°54′43" 103°01′27" 12
    BX 四川省宝兴县 30°40′56" 102°45′00" 10
    XJ 四川省小金县 30°58′47" 102°18′15" 8
    DB 四川省丹巴县 30°44′12" 101°44′29" 5
    KD 四川省康定县 30°02′42" 101°33′47" 6
    LTB 四川省理塘县 29°46′07" 100°22′11" 20
    BS 西藏自治区八宿县 29°30′20" 96°44′22" 8
    PM 西藏自治区波密县 29°52'12" 95°46'12" 4
    ML 西藏自治区米林县 29°13'12" 94°13'12" 6
    LZ 西藏自治区工布江达县 29°57'18" 93°40′39" 18
    CY 西藏自治区察隅县 29°19′21" 97°09′58" 3
    XZD 云南省香格里拉县 27°47′34" 99°40′57" 10
    蒙古沙棘(H. rhamnoides subsp. mongolica
    MG 中国新疆维吾尔自治区哈巴河县、青河县、吉木乃县、布尔津县等 8     
    溪生沙棘(H. rhamnoides subsp. fluviatilis
    XS 瑞士苏黎世、法国弗莱堡、德国汉堡等 10     
    高加索沙棘(H. rhamnoides subsp. caucasica
    GJS 各地混合种子播种 10
    中亚沙棘(H. rhamnoides subsp. turkestanica
    ZY 中国新疆乌恰县、吉根乡等 10
    海滨沙棘(H. rhamnoides subsp. rhamnoides
    HB 丹麦、罗马尼亚等 8
    西藏沙棘(H. tibetana
    XZ 西藏自治区米拉山口、甘肃省天祝县 6    
    肋果沙棘(H. neurocarpa
    LG 中国青海省祁连县、四川省红原县 6    
    棱果沙棘(H. goniocarpa
    HL 中国青海省祁连县 6
    江孜沙棘(H. gyantsensis
    JZ 中国西藏自治区工布江达县 6
    柳叶沙棘(H. salicofolia
    LY 中国西藏自治区错那县 5
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    表 2  本研究分析的30个沙棘种群的遗传多样性参数

    Table 2.  The genetic diversity of 30 sea buckthorn populations

    中国沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis云南沙棘 H. rhamnoides subsp. yunnanensis
    种群编号 Population codeNANEHOHEFIS种群编号 Population codeNANEHOHEFIS
    CFA 4.6 2.4 0.442 0.498 0.055 LX 4.2 2.4 0.323 0.490 0.292
    BAH 2.9 2.1 0.417 0.432 0.008 SJS 3.1 1.9 0.278 0.403 0.256
    WC 4.9 2.6 0.458 0.539 0.149 WL 3.3 2.1 0.242 0.413 0.394
    SY 4.7 2.7 0.360 0.538 0.265 BX 2.9 2.0 0.118 0.403 0.707
    DaBao 3.3 2.2 0.517 0.469 −0.107 XJ 2.9 1.9 0.237 0.416 0.460
    YY 3.8 2.3 0.528 0.476 −0.114 DB 2.3 1.8 0.195 0.285 0.248
    ZJW 2.9 2.2 0.436 0.456 0.070 KD 2.4 1.9 0.331 0.387 0.088
    QS 2.4 1.9 0.306 0.386 0.181 LTB 3.9 2.1 0.318 0.460 0.318
    WQ 3.8 2.4 0.342 0.499 0.316 BS 2.3 1.7 0.176 0.300 0.406
    XY 2.4 1.9 0.237 0.401 0.393 PM 1.4 1.3 0.056 0.127 0.449
    TW 1.7 1.4 0.213 0.266 0.125 ML 2.0 1.4 0.094 0.227 0.418
    ZhN 4.1 2.6 0.415 0.507 0.183 LZ 2.4 1.5 0.088 0.207 0.561
    LinX 3.8 2.5 0.418 0.504 0.149 CY 1.6 1.5 0.130 0.253 0.518
    QL 3.4 2.3 0.375 0.454 0.104 XZD 2.8 1.8 0.236 0.300 0.254
    GLT 3.3 2.4 0.522 0.487 −0.112
    HY 3.6 2.2 0.444 0.487 0.075
    平均值Mean 3.5 2.3 0.402 0.462 0.100 平均值Mean 2.7 1.8 0.202 0.334 0.378
      注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY。
      Note: Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis.
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    表 3  中国沙棘(对角线左下方)和云南沙棘(对角线右上方)亚种内不同种群间遗传分化系数(FST

    Table 3.  Genetic differentiation coefficients (FST) between populations within H. rhamnoides subsp. sinensis (below diagonal) and within H. rhamnoides subsp. yunnanensis (above diagonal), respectively.

    种群编号
    Population
    code
    SJSWLBXXJDBKDLTBBSPMMLLZCYXZD
    BAH 0.031* 0.069** 0.173** 0.370** 0.153** 0.227** 0.226** 0.218** 0.335** 0.390** 0.383** 0.450** 0.315** 0.360** LX
    WC 0.026** 0.076** 0.244** 0.417** 0.205** 0.330** 0.312** 0.302** 0.416** 0.491** 0.474** 0.539** 0.404** 0.454** SJS
    SY 0.037** 0.032 0.064** 0.284** 0.147** 0.137* 0.198** 0.168** 0.291** 0.394** 0.378** 0.452** 0.257* 0.364** WL
    DaBao 0.088** 0.105** 0.095** 0.102** 0.323** 0.346* 0.340** 0.324** 0.345** 0.458** 0.425** 0.514** 0.314* 0.458** BX
    YY 0.080** 0.140** 0.092** 0.088** 0.126** −0.005 0.011 0.122** 0.284** 0.387** 0.360** 0.436** 0.250* 0.353** XJ
    ZJW 0.085** 0.136** 0.056** 0.110** 0.115** 0.132** 0.071 0.131** 0.277** 0.528** 0.457* 0.528** 0.303* 0.447** DB
    QS 0.093** 0.109* 0.089** 0.058** 0.130** 0.160** 0.181** 0.017 0.239** 0.371** 0.301** 0.381** 0.254* 0.269** KD
    WQ 0.092** 0.075** 0.061** 0.093** 0.114** 0.130** 0.088** 0.059* 0.225* 0.337** 0.301** 0.369** 0.222** 0.214** LTB
    XY 0.126** 0.123** 0.125** 0.086** 0.167** 0.143** 0.202** 0.051 0.060** 0.286** 0.219** 0.308* −0.051 0.423** BS
    TW 0.196** 0.197** 0.190** 0.142** 0.271** 0.239** 0.271** 0.089 0.177** −0.009 0.081 0.064 0.316* 0.452** PM
    ZhN 0.104** 0.076** 0.090** 0.044** 0.132** 0.142** 0.120** 0.047* 0.030* 0.077** 0.125* 0.087* 0.257* 0.387** ML
    LinX 0.117** 0.097** 0.088** 0.085** 0.181** 0.167** 0.144** 0.049 0.052** 0.074** 0.073 0.017 0.345** 0.425** LZ
    QL 0.159** 0.174** 0.150** 0.116** 0.207** 0.178** 0.195** 0.057* 0.110** 0.141** 0.153* 0.037 0.100** 0.372** CY
    GLT 0.108** 0.131** 0.099** 0.086** 0.146** 0.175** 0.134* 0.179* 0.102** 0.150** 0.227* 0.066** 0.125** 0.141**
    HY 0.121** 0.118** 0.150** 0.120** 0.190** 0.168** 0.193** 0.213** 0.155** 0.154** 0.286** 0.126** 0.148** 0.165** 0.117**
    CFA BAH WC SY DaBao YY ZJW QS WQ XY TW ZhN LinX QL GLT
      注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY,*表示0.01 < P ≤ 0.05,**表示P ≤ 0.01。
      Notes:Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis. *represents 0.01 < P ≤ 0.05,** represents P ≤ 0.01.
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    表 4  中国沙棘和云南沙棘基于SSR基因型的AMOVA分析

    Table 4.  AMOVA analysis based on SSR genotypes of H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis

    变异来源
    Source of variation
    自由度
    df
    平方和
    Sum of squares
    均方
    Mean square
    方差分量
    Variance component
    方差分量比
    Percentage of
    variance/%
    中国沙棘与云南沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis
    亚种间 Among taxa 1 931.4 931.4 5.2 23.7
    亚种内种群间 Among populations within taxa 28 1 918.9 68.5 5.1 23.3
    种群内个体间 Among individuals within populations 308 3 579.3 11.6 11.6 53.0
    总计 Total 337 6 429.6 21.9 100.0
    中国沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis
    种群间 Among populations 15 886.3 59.1 3.9 25.5
    种群内个体间 Among individuals within populations 183 2 094.2 11.4 11.4 74.5
    总计 Total 198 2 980.5 15.3 100.0
    云南沙棘 H. rhamnoides subsp. yunnanensis
    种群间 Among populations 13 1 033.4 79.5 6.9 36.7
    种群内个体间 Among individuals within populations 125 1 490.3 11.9 11.9 63.3
    总计 Total 138 2 523.7 18.8 100.0
      注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY。
      Note:Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-15
  • 录用日期:  2021-03-17
  • 网络出版日期:  2021-03-22

中国沙棘和云南沙棘的遗传分化及遗传多样性

    通讯作者: 曾艳飞, zengyf@caf.ac.cn
    作者简介: 王天翼,在读硕士研究生。主要研究方向:植物系统进化。电话:16631200566。Email:wangty02@163.com
  • 中国林业科学研究院林业研究所,国家林业和草原局林木培育重点实验室,北京 100091

摘要:  目的 探究中国沙棘和云南沙棘的遗传分化,明确二者分布区的地理边界,并评估其遗传多样性情况。 方法 利用18个简单重复序列(SSR)标记对32个中国沙棘和云南沙棘种群进行遗传变异检测,结合形态学和地理分布,利用系统发育分析和遗传结构分析鉴定种群分组情况,计算种群间遗传分化系数(FST),开展分子方差分析,计算遗传多样性参数(等位基因数(NA)、有效等位基因数(NE)、观测杂合度(HO)、期望杂合度(HE)和近交系数(FIS))。 结果 中国沙棘的遗传多样性高于云南沙棘,中国沙棘种群间的遗传分化系数低于云南沙棘。AMOVA分析显示:种群间遗传变异所占比例中国沙棘(25.5%)低于云南沙棘(36.7%),表明来自不同地理种群的中国沙棘分化程度低、遗传变异更多的来源于种群内不同个体间。系统发育树分析显示:中国沙棘个体主要聚为一大支,而云南沙棘存在多个差异较大的分支,中国沙棘和四川地区的云南沙棘关系很近。遗传结构分析将所有中国沙棘和云南沙棘个体分为2组,2亚种间邻近种群存在杂交,尤其是位于四川北部的红原、松潘种群。 结论 中国沙棘相较于云南沙棘有更高的遗传多样性和较低的种群间分化;推测2亚种的分布边界位于四川北部的红原县、松潘县地区一带。

English Abstract

  • 沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.),又名醋柳、酸刺、黑刺等,属胡颓子科(Eleagnaceae)沙棘属(Hippophae),是二倍体(2n=24),落叶灌木或小乔木,雌雄异株,风媒传粉;主要分布于欧亚大陆,集中在温带和寒温带地区,生态幅极广[1-4]。沙棘具有很高的营养价值和经济价值,在开发保健食品、药品和化妆品上有着独特的作用,还是很多偏远地区脱贫致富的经济来源。更重要的是,沙棘具有很高的生态价值,被广泛应用在治理荒漠化、退耕还林、植被绿化等方面[4-5]

    沙棘共包括了9个亚种[2-3],起源于青藏高原,后多次扩散至亚欧大陆其他地区[6],其中,中国沙棘(H. rhamnoides subsp. sinensis)和云南沙棘(H. rhamnoides subsp. yunnanensis)是我国特有的沙棘亚种。中国沙棘叶常近对生,成狭披针形或矩圆披针形,叶背面银白色、被鳞片,从西南到东北都有自然种群分布[7],同时它也是我国栽培和种植历史最悠久的一个亚种[8]。云南沙棘叶互生,基部最宽,常为圆形或有时楔形,叶背面灰褐色、被锈色鳞片,其分布范围相对狭窄,多分布于西藏、四川和云南的交界地带[7]。依据国家植物标本资源库(http://www.cvh.ac.cn/)、Global Biodiversity Information Facility(GBIF,https://www.gbif.org/)、国家资源标本平台(http://nsii.org.cn/2017/)和相关沙棘研究文献等资料记载的沙棘分布点,中国沙棘和云南沙棘在地理上有分类存在疑问的区域,主要集中在四川省北部和中西部。中国沙棘和云南沙棘形态相似,并且具有不完全谱系分选,亲缘关系较近,区分难度较大[8]。判定该区域种群基因流的变化、种群间的分界线,有利于明确遗传扩散适应机制[9]。目前,有关中国沙棘和云南沙棘谱系地理的研究文献以及标本资源库对于四川省北部和中西部沙棘的种类归属问题存在一定的分歧[8, 10-11]

    本研究中,笔者利用18个SSR标记对来自32个自然种群的352个中国沙棘和云南沙棘个体和沙棘属其他种和亚种的75个个体进行遗传变异分析,以期探讨以下问题:(1)中国沙棘和云南沙棘是否存在明显的遗传分化?二者的物理分界线在哪?(2)中国沙棘和云南沙棘的遗传多样性分布如何?

    • 从中国沙棘和云南沙棘的典型分布地区和分类存疑地区采集了32个自然种群,共352个个体。因沙棘存在克隆繁殖,为了避免取到同一基因型个体,采集时不同样品间至少间隔200 m。对所采集的个体进行形态学观察以便初步定种,并记录定位(表1)。为了明确中国沙棘和云南沙棘的系统发育关系,还收集了沙棘属其他种及亚种分别5~10个共75个个体用于分析(表1),包括蒙古沙棘(H. rhamnoides subsp. mongolica)、溪生沙棘(H. rhamnoides subsp. fluviatilis)、高加索沙棘(H. rhamnoides subsp. caucasica)、中亚沙棘(H. rhamnoides subsp. turkestanica)、海滨沙棘(H. rhamnoides subsp. rhamnoides)、西藏沙棘(H. tibetana)、肋果沙棘(H. neurocarpa)、棱果沙棘(H. goniocarpa)、江孜沙棘(H. gyantsensis)、柳叶沙棘(H. salicofolia)。所有收集到的叶片均用变色硅胶干燥保存。

      表 1  沙棘种群采样信息

      Table 1.  Sampling information of sea buckthorn populations

      种群编号
      Population code
      采样地点
      Location
      纬度(N)
      Latitude
      经度(E)
      Longitude
      样本数量
      Sample number
      中国沙棘(H. rhamnoides subsp. sinensis
      CFA 内蒙古自治区赤峰市 42°25'12" 119°45'36" 20
      BAH 内蒙古自治区敖汉旗 42°18'51" 119°54'01" 6
      WC 河北省围场县 41°58'48" 117°41'24" 20
      SY 河北省围场县 41°53'24" 117°05'23" 19
      DaBao 河北省蔚县 40°00'04" 115°00'22" 20
      YY 山西省左云县 40°04'48" 112°51'36" 20
      ZJW 山西省大同市云冈区 40°06'50" 113°01'06" 20
      QS 山西省沁水县 35°28′41" 112°01′43" 5
      WQ 陕西省吴起县 36°55′04" 108°12′25" 12
      XY 陕西省旬邑县 35°21′19" 108°41′46" 8
      TW 甘肃省通渭县 35°18′33" 105°26′31" 3
      ZhN 甘肃省卓尼县 34°39′17" 103°27′49" 10
      LinX 甘肃省积石山县 35°39′43" 102°54′08" 10
      QL 青海省祁连县 38°05′27" 100°21′39" 11
      GLT 四川省松潘县 32°55'13" 103°24'30" 5
      QY 四川省松潘县 32°33'08" 103°37'25" 10
      HY 四川省红原县 32°52'19" 102°35'47" 10
      MWS 四川省红原县 32°55'00" 102°37'42" 4
      云南沙棘(H. rhamnoides subsp. yunnanensis
      LX 四川省理县 31°30'56" 102°55'42" 17
      SJS 四川省红原县 31°54'04" 102°38'37" 12
      WL 四川省汶川县 30°54′43" 103°01′27" 12
      BX 四川省宝兴县 30°40′56" 102°45′00" 10
      XJ 四川省小金县 30°58′47" 102°18′15" 8
      DB 四川省丹巴县 30°44′12" 101°44′29" 5
      KD 四川省康定县 30°02′42" 101°33′47" 6
      LTB 四川省理塘县 29°46′07" 100°22′11" 20
      BS 西藏自治区八宿县 29°30′20" 96°44′22" 8
      PM 西藏自治区波密县 29°52'12" 95°46'12" 4
      ML 西藏自治区米林县 29°13'12" 94°13'12" 6
      LZ 西藏自治区工布江达县 29°57'18" 93°40′39" 18
      CY 西藏自治区察隅县 29°19′21" 97°09′58" 3
      XZD 云南省香格里拉县 27°47′34" 99°40′57" 10
      蒙古沙棘(H. rhamnoides subsp. mongolica
      MG 中国新疆维吾尔自治区哈巴河县、青河县、吉木乃县、布尔津县等 8     
      溪生沙棘(H. rhamnoides subsp. fluviatilis
      XS 瑞士苏黎世、法国弗莱堡、德国汉堡等 10     
      高加索沙棘(H. rhamnoides subsp. caucasica
      GJS 各地混合种子播种 10
      中亚沙棘(H. rhamnoides subsp. turkestanica
      ZY 中国新疆乌恰县、吉根乡等 10
      海滨沙棘(H. rhamnoides subsp. rhamnoides
      HB 丹麦、罗马尼亚等 8
      西藏沙棘(H. tibetana
      XZ 西藏自治区米拉山口、甘肃省天祝县 6    
      肋果沙棘(H. neurocarpa
      LG 中国青海省祁连县、四川省红原县 6    
      棱果沙棘(H. goniocarpa
      HL 中国青海省祁连县 6
      江孜沙棘(H. gyantsensis
      JZ 中国西藏自治区工布江达县 6
      柳叶沙棘(H. salicofolia
      LY 中国西藏自治区错那县 5
    • 叶片总DNA的提取采用CTAB植物基因组DNA快速提取试剂盒(北京艾德莱生物公司)。从沙棘基因组和转录组开发的SSR分子标记[12]中选取18对对所有个体进行PCR扩增,反应总体系为20 μL,反应体系和反应程序参照王罗云等[13]的工作进行。

      用ABI 3730测序仪(美国生命技术公司)对PCR产物分析,内标选择Liz500,结果经由软件Genemapper 4.0(美国生命技术公司)分析,对于SSR基因型完全一致的潜在克隆株个体仅保留一份样品,所得到数据均以大果沙棘品种“向阳”为阳性对照。

    • 两两样品间的遗传距离由软件MSA 4.05[14]计算,再用Phylip 3.695[15]软件中的Neighbor程序对所有沙棘个体以及中国沙棘和云南沙棘分别构建系统发育树,自展值设置成1 000次。

    • 利用Structure 2.3[16]软件确定所采集中国沙棘和云南沙棘个体的遗传分组情况。采用混合模型和等位基因频率关联模型,分组值K设置为1~10,每个K值重复计算10次,每次运行100 000次Burnin和1000 000次迭代[13]。将结果上传到Structure Harvester(http://taylor0.biology.ucla.edu/structureHarvester/)中,根据lnPD)和ΔK最大原则[17]选择合适的K值,再通过Distruct 1.1[18]将结果可视化。

    • 利用软件GenAlEx 6.503[19],计算中国沙棘和云南沙棘种群的遗传多样性参数,包括等位基因个数NA、有效等位基因个数NE、观测杂合度HO、期望杂合度HE和近交系数FIS。利用MSA 4.05[14]计算遗传分化系数FST,并进行分子方差分级分析(Analysis of Molecular Variance,AMOVA)。

    • 基于SSR基因型构建的沙棘属的5个种和7个亚种的系统发育树结果(图1A)显示:所有的中国沙棘都聚为一大支,而云南沙棘个体主要聚为4支;除一支及少量个体与中国沙棘聚在一起外,其他3支都和中国沙棘距离较远,其中,1支由12个云南沙棘个体(图1A虚线部分)组成的分支与沙棘属的其他4个种——西藏沙棘、肋果沙棘、江孜沙棘和柳叶沙棘聚在一起,这12个个体包括来自BS种群1个、XZD种群1个、XJ种群1个、BX种群7个、WL种群2个。中国沙棘和云南沙棘的个体单独构建的系统发育树(图1B)显示:除6个云南沙棘个体(LX种群2个、LTB种群2个、CY种群1个、BS种群1个)与中国沙棘种群交叉聚在一起外,其余个体明显地分为2部分,各分支支持率大都不高(小于50%);云南沙棘个体可分为a、b 2支,其中,a支为种群的个体与中国沙棘聚在一起,b支为西藏、云南和四川中南部与中国沙棘距离较远;中国沙棘各分支支长较短,差异不明显,云南沙棘各分支支长较长,遗传距离较远。

      图  1  基于18个SSR标记的沙棘个体系统发育树。

      Figure 1.  Individual phylogenetic trees of Hippophae based on 18 SSR makers.

      利用Structure 2.3[16]软件,基于中国沙棘和云南沙棘个体SSR基因型的分组分析显示:lnPD)在K = 2时迅速增高,K > 2后趋于平缓(图2A);ΔKK = 2时有明显峰值(图2B)。因此,所有个体分2组最合适,对应与按初步形态分为中国沙棘和云南沙棘2个亚种(图2C)。位于四川的MWS和QY 2个种群的大部分个体表现为这2组的中间基因型(图2C),因此,后续分析将把MWS、QY作为中间型种群。

      图  2  中国沙棘和云南沙棘种群的遗传分组结果

      Figure 2.  Population structure of H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis.

    • 基于18个SSR位点的中国沙棘遗传多样性参数(表2)表明:NA为1.7~4.9(平均3.5),NE为1.4~2.7(平均2.3),HO为0.213~0.528(平均0.402),HE为0.266~0.539(平均0.462)。基于18个SSR位点的云南沙棘遗传多样性参数如下(表2)表明:NA为1.4~4.2(平均2.7)、NE为1.3~2.4(平均1.8)、HO为0.056~0.331(平均0.202)、HE为0.127~0.490(平均0.334)。中国沙棘和云南沙棘中HO最高的种群分别是YY和KD,最低的种群分别为TW和PM。中国沙棘的NANEHOHE均值均高于云南沙棘。

      表 2  本研究分析的30个沙棘种群的遗传多样性参数

      Table 2.  The genetic diversity of 30 sea buckthorn populations

      中国沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis云南沙棘 H. rhamnoides subsp. yunnanensis
      种群编号 Population codeNANEHOHEFIS种群编号 Population codeNANEHOHEFIS
      CFA 4.6 2.4 0.442 0.498 0.055 LX 4.2 2.4 0.323 0.490 0.292
      BAH 2.9 2.1 0.417 0.432 0.008 SJS 3.1 1.9 0.278 0.403 0.256
      WC 4.9 2.6 0.458 0.539 0.149 WL 3.3 2.1 0.242 0.413 0.394
      SY 4.7 2.7 0.360 0.538 0.265 BX 2.9 2.0 0.118 0.403 0.707
      DaBao 3.3 2.2 0.517 0.469 −0.107 XJ 2.9 1.9 0.237 0.416 0.460
      YY 3.8 2.3 0.528 0.476 −0.114 DB 2.3 1.8 0.195 0.285 0.248
      ZJW 2.9 2.2 0.436 0.456 0.070 KD 2.4 1.9 0.331 0.387 0.088
      QS 2.4 1.9 0.306 0.386 0.181 LTB 3.9 2.1 0.318 0.460 0.318
      WQ 3.8 2.4 0.342 0.499 0.316 BS 2.3 1.7 0.176 0.300 0.406
      XY 2.4 1.9 0.237 0.401 0.393 PM 1.4 1.3 0.056 0.127 0.449
      TW 1.7 1.4 0.213 0.266 0.125 ML 2.0 1.4 0.094 0.227 0.418
      ZhN 4.1 2.6 0.415 0.507 0.183 LZ 2.4 1.5 0.088 0.207 0.561
      LinX 3.8 2.5 0.418 0.504 0.149 CY 1.6 1.5 0.130 0.253 0.518
      QL 3.4 2.3 0.375 0.454 0.104 XZD 2.8 1.8 0.236 0.300 0.254
      GLT 3.3 2.4 0.522 0.487 −0.112
      HY 3.6 2.2 0.444 0.487 0.075
      平均值Mean 3.5 2.3 0.402 0.462 0.100 平均值Mean 2.7 1.8 0.202 0.334 0.378
        注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY。
        Note: Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis.
    • 基于18对SSR标记,中国沙棘两两种群间的FST为0.026~0.286,分化程度最低的为种群CFA和WC,分化程度最高的为种群TW和HY;云南沙棘两两种群间的FST为0.069~0.539,分化程度最低的为种群LX和SJS,分化程度最高的为种群LZ和SJS;云南沙棘的FST值、FIS值普遍高于中国沙棘(表23)。AMOVA分析显示(表4)显示:中国沙棘和云南沙棘亚种间遗传变异占比为23.7%,亚种内不同种群间占23.3%,种群内个体间占53.0%。中国沙棘25.5%的遗传变异来自种群间,74.5%的遗传变异来自种群内个体间;云南沙棘种群36.7%的遗传变异来自种群间,63.3%的遗传变异来自种群内个体间。

      表 3  中国沙棘(对角线左下方)和云南沙棘(对角线右上方)亚种内不同种群间遗传分化系数(FST

      Table 3.  Genetic differentiation coefficients (FST) between populations within H. rhamnoides subsp. sinensis (below diagonal) and within H. rhamnoides subsp. yunnanensis (above diagonal), respectively.

      种群编号
      Population
      code
      SJSWLBXXJDBKDLTBBSPMMLLZCYXZD
      BAH 0.031* 0.069** 0.173** 0.370** 0.153** 0.227** 0.226** 0.218** 0.335** 0.390** 0.383** 0.450** 0.315** 0.360** LX
      WC 0.026** 0.076** 0.244** 0.417** 0.205** 0.330** 0.312** 0.302** 0.416** 0.491** 0.474** 0.539** 0.404** 0.454** SJS
      SY 0.037** 0.032 0.064** 0.284** 0.147** 0.137* 0.198** 0.168** 0.291** 0.394** 0.378** 0.452** 0.257* 0.364** WL
      DaBao 0.088** 0.105** 0.095** 0.102** 0.323** 0.346* 0.340** 0.324** 0.345** 0.458** 0.425** 0.514** 0.314* 0.458** BX
      YY 0.080** 0.140** 0.092** 0.088** 0.126** −0.005 0.011 0.122** 0.284** 0.387** 0.360** 0.436** 0.250* 0.353** XJ
      ZJW 0.085** 0.136** 0.056** 0.110** 0.115** 0.132** 0.071 0.131** 0.277** 0.528** 0.457* 0.528** 0.303* 0.447** DB
      QS 0.093** 0.109* 0.089** 0.058** 0.130** 0.160** 0.181** 0.017 0.239** 0.371** 0.301** 0.381** 0.254* 0.269** KD
      WQ 0.092** 0.075** 0.061** 0.093** 0.114** 0.130** 0.088** 0.059* 0.225* 0.337** 0.301** 0.369** 0.222** 0.214** LTB
      XY 0.126** 0.123** 0.125** 0.086** 0.167** 0.143** 0.202** 0.051 0.060** 0.286** 0.219** 0.308* −0.051 0.423** BS
      TW 0.196** 0.197** 0.190** 0.142** 0.271** 0.239** 0.271** 0.089 0.177** −0.009 0.081 0.064 0.316* 0.452** PM
      ZhN 0.104** 0.076** 0.090** 0.044** 0.132** 0.142** 0.120** 0.047* 0.030* 0.077** 0.125* 0.087* 0.257* 0.387** ML
      LinX 0.117** 0.097** 0.088** 0.085** 0.181** 0.167** 0.144** 0.049 0.052** 0.074** 0.073 0.017 0.345** 0.425** LZ
      QL 0.159** 0.174** 0.150** 0.116** 0.207** 0.178** 0.195** 0.057* 0.110** 0.141** 0.153* 0.037 0.100** 0.372** CY
      GLT 0.108** 0.131** 0.099** 0.086** 0.146** 0.175** 0.134* 0.179* 0.102** 0.150** 0.227* 0.066** 0.125** 0.141**
      HY 0.121** 0.118** 0.150** 0.120** 0.190** 0.168** 0.193** 0.213** 0.155** 0.154** 0.286** 0.126** 0.148** 0.165** 0.117**
      CFA BAH WC SY DaBao YY ZJW QS WQ XY TW ZhN LinX QL GLT
        注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY,*表示0.01 < P ≤ 0.05,**表示P ≤ 0.01。
        Notes:Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis. *represents 0.01 < P ≤ 0.05,** represents P ≤ 0.01.

      表 4  中国沙棘和云南沙棘基于SSR基因型的AMOVA分析

      Table 4.  AMOVA analysis based on SSR genotypes of H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis

      变异来源
      Source of variation
      自由度
      df
      平方和
      Sum of squares
      均方
      Mean square
      方差分量
      Variance component
      方差分量比
      Percentage of
      variance/%
      中国沙棘与云南沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis and H. rhamnoides subsp. yunnanensis
      亚种间 Among taxa 1 931.4 931.4 5.2 23.7
      亚种内种群间 Among populations within taxa 28 1 918.9 68.5 5.1 23.3
      种群内个体间 Among individuals within populations 308 3 579.3 11.6 11.6 53.0
      总计 Total 337 6 429.6 21.9 100.0
      中国沙棘 H. rhamnoides subsp. sinensis
      种群间 Among populations 15 886.3 59.1 3.9 25.5
      种群内个体间 Among individuals within populations 183 2 094.2 11.4 11.4 74.5
      总计 Total 198 2 980.5 15.3 100.0
      云南沙棘 H. rhamnoides subsp. yunnanensis
      种群间 Among populations 13 1 033.4 79.5 6.9 36.7
      种群内个体间 Among individuals within populations 125 1 490.3 11.9 11.9 63.3
      总计 Total 138 2 523.7 18.8 100.0
        注:参数计算不包含中间型种群MWS和QY。
        Note:Genetic intermediate populations named MWS and QY were not included in this analysis.
    • 依据标本、文献资料的记载,在四川省部分地区,中国沙棘和云南沙棘的分类存在争议。本研究基于18个SSR位点的基因型,系统发育树和Structure 2.3[16]软件分组结果都显示,中国沙棘和云南沙棘可分成明显的2组,种群MWS和QY的大部分个体表现为2组间杂交。这2个种群分别位于四川北部的红原县和松潘县,该区域北侧种群的遗传组成中含更多的中国沙棘遗传成份,南侧种群的遗传组成中含更多的云南沙棘遗传成份,因此,推测该地区为中国沙棘和云南沙棘的分布边界带。Wang等[8]利用叶绿体片段序列研究中国沙棘的空间遗传分布时,发现重叠分布区的中国沙棘的2个单倍型也存在于云南沙棘中,并且单倍型在若尔盖盆地有明显的分界。这与本研究确定的分布边界带区域相符,这一结果可为沙棘的物种鉴定分类提供初步依据。要进一步确定分界线的地理位置,还需要更多的数据,如形态学数据、地形数据、气候数据等。

      中国沙棘和云南沙棘的系统发育树中,分支支持率低,可能存在种间杂交;同一亚种内部各分支支持率大多不高,同一地理种群个体并不能完全聚在一起,说明地理种群间存在基因流;Structure结果也表明,亚种间有基因渐渗现象,这与前人研究结果一致[6, 11]。中国沙棘与云南沙棘亲缘关系较近,亚种间和种群间可能存在基因交流。但要进一步明确基因交流的程度,还需要更多的SSR位点等遗传信息的支持,以及覆盖范围更广的样品收集。

    • 孙坤等[20]利用ISSR标记研究了不同海拔中国沙棘的遗传变异情况,发现产生遗传分化的主要原因可能是基因流受限。本研究中,依据AMOVA和遗传分化系数,发现云南沙棘的遗传分化程度高于中国沙棘,造成这一结果的主要原因可能是云南沙棘采集自四川、云南、西藏等地形复杂地区,复杂的地形和气候使种群间的基因交流受限。另一个可能是,某些地区的云南沙棘种群可能与某种沙棘,如肋果沙棘[2],存在种间杂交,杂交后代的存在或杂交导致的基因渐渗使得这些种群与其他地区的云南沙棘种群的遗传差异升高。

      沙棘被推测为起源于青藏高原地区,青藏高原的隆升和第三纪气候影响了它的分布范围和多样性,而后扩散到欧洲和中国其他地区[11, 21]。中国沙棘在我国境内分布广,从西藏、云南到辽宁、内蒙均有自然种群分布,生境差异较大。通常分布范围广的物种有着更高的遗传多样性,而遗传多样性越高,越能为其适应当地环境提供有力支持[22-24]。本研究中,中国沙棘的各项遗传多样性参数均高于云南沙棘,代表中国沙棘的遗传多样性高于云南沙棘种群,这与前人研究结论一致[8, 13],这可能是由于中国沙棘相较于云南沙棘分布范围广。

    • 本研究探讨了中国沙棘和云南沙棘的系统发育关系,发现中国沙棘的遗传多样性高于云南沙棘,与前者更广泛的分布范围有关;云南沙棘种群的遗传分化程度高于中国沙棘种群,推测是复杂的高山地形限制了云南沙棘种群间的基因交流,或区域性种间杂交渐渗提高了不同地理种群间的差异;确定了中国沙棘和云南沙棘的分布边界位于四川北部的红原县、松潘县一带。本工作为中国沙棘和云南沙棘遗传资源的保护和利用提供了重要的基础。

参考文献 (24)

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