巨桉抗枝癭姬小蜂與SSR關(guān)聯(lián)的初步研究

張苗苗，莫曉勇，黃煥華，黃詠槐，甘四明

巨桉抗枝癭姬小蜂與SSR關(guān)聯(lián)的初步研究

張苗苗1,2,3，莫曉勇1，黃煥華2，黃詠槐2，甘四明3

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2. 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520；3. 中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520)

利用35個(gè)SSR標(biāo)記，分析了巨桉(Eucalyptus grandis) 4個(gè)種源的遺傳變異，鑒定了與枝癭姬小蜂(Leptocybe invasa)抗性相關(guān)的SSR位點(diǎn)。共檢測到469個(gè)等位片段，平均每位點(diǎn)的等位片段數(shù)(NA)、觀測雜合度(Ho)、期望雜合度(He)和多態(tài)性信息量(PIC)分別為13.3、0.5385、0.8101和0.7797，供試群體的遺傳多樣性較高；分子方差分析(AMOVA)表明，種源內(nèi)個(gè)體間變異占96.0%，種源間變異占4.0%，這與群體間較低的分化系數(shù)(Fst=0.0623)和較高的基因流(Nm=4.09～14.13)一致。聚類分析表明，種源14393與種源15358的親緣關(guān)系最近(Fst=0.017)，種源14393與種源20261最遠(yuǎn)(Fst=0.058)。關(guān)聯(lián)分析檢測到EST-SSR226與枝癭姬小蜂抗性顯著相關(guān)(P=0.03)，對(duì)抗性的決定系數(shù)達(dá)0.4436，增效效應(yīng)為0.71，增效比例42.8%。

巨桉；SSR；遺傳多樣性；關(guān)聯(lián)分析；枝癭姬小蜂

桉屬Eucalyptus是熱帶和亞熱帶地區(qū)栽培面積最廣和最成功的樹種，全世界人工林面積達(dá)到1 900萬hm2[1]。其中，巨桉E. grandis具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，生長迅速，樹形優(yōu)良，木材用途廣泛，是桉屬中栽培面積最廣的一個(gè)樹種[2]。

但是，巨桉是枝癭姬小蜂Leptocybe invasa的主要寄主之一[3]。枝癭姬小蜂屬膜翅目Hymenoptera小蜂總科Chalcidoidea姬小蜂科Eulophidae，是2000年發(fā)現(xiàn)、2004年才定名的新屬新種[4]，并被歐洲和地中海植物保護(hù)組織(European and Mediterranean Plant Protection Organization, EPPO)列為桉樹危險(xiǎn)性害蟲[5]。枝癭姬小蜂主要危害桉樹的葉柄和中脈、產(chǎn)生蟲癭，或者嫩梢呈現(xiàn)叢枝狀，輕者可致枝葉變形和生長遲緩，重者可致植株死亡。目前，已對(duì)枝癭姬小蜂開展了化學(xué)防治、物理防治和生物防治的研究，均未收到明顯效果[6-11]。因此，抗蟲品種的應(yīng)用成為該病最經(jīng)濟(jì)有效且更具潛力的防治途徑[12]。

關(guān)聯(lián)分析又稱關(guān)聯(lián)作圖或連鎖不平衡(Linkage disequilibrium, LD)分析，它以位點(diǎn)間LD分析為基礎(chǔ)，鑒定種質(zhì)資源或自然群體內(nèi)性狀與候選位點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)分析具有以下特點(diǎn)：(1) 以現(xiàn)有自然群體為材料，無需構(gòu)建專門的作圖群體；(2)開發(fā)自然變異，并可同時(shí)檢測同一基因位點(diǎn)的多個(gè)等位基因；(3) 利用歷史重組，作圖分辨率高。例如，Thumma等[13]運(yùn)用關(guān)聯(lián)分析法在藍(lán)桉(E.globulus)中鑒定出與微纖絲角顯著關(guān)聯(lián)的單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)。目前，國內(nèi)外對(duì)桉樹枝癭姬小蜂抗性的分子遺傳研究尚無報(bào)道，通過關(guān)聯(lián)分析尋找抗性相關(guān)位點(diǎn)有助于快速填補(bǔ)這一空白。并且，抗性位點(diǎn)的獲得將大大推進(jìn)抗蟲品種培育的進(jìn)程，分子標(biāo)記技術(shù)輔助選擇基因型可以提高育種效率[14]。

本研究擬利用簡單重復(fù)序列(Simple sequence repeats, SSR)標(biāo)記分析巨桉4個(gè)種源的遺傳變異，鑒定與枝癭姬小蜂抗性相關(guān)的SSR位點(diǎn)，以期為桉樹抗枝癭姬小蜂的分子育種提供有效的分子標(biāo)記。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與性狀觀測

參試材料為巨桉4個(gè)種源的46個(gè)家系(表1)，1株/家系，種子購自澳大利亞林木種子中心。2010年10月育苗，2011年7月調(diào)查單株受枝癭姬小蜂侵染的程度，根據(jù)受害癥狀分為5個(gè)等級(jí)：1，50個(gè)蟲癭以上；2，10～49個(gè)蟲癭；3，10個(gè)蟲癭以下；4，無蟲癭、頂梢叢枝狀；5，無癥狀。

1.2 SSR標(biāo)記實(shí)驗(yàn)

采用改良CTAB法[15]提取嫩葉DNA。經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測，條帶清晰且無拖尾。采用ND1000 (Thermo Scientific)測定DNA濃度和純度。

從尾葉桉遺傳圖譜[16]較均勻地選取35個(gè)SSR標(biāo)記(表2)，包括13個(gè)基因組SSR標(biāo)記(前綴為Embra)[17]、19個(gè)通過表達(dá)序列標(biāo)簽(Expressed sequence tag, EST)的PCR產(chǎn)物克隆測序開發(fā)的SSR標(biāo)記(簡稱EST-SSR)[14]和3個(gè)通過EST的PCR產(chǎn)物直接測序開發(fā)的EST-SSR (前綴為EUCeSSR)[18]。考慮到標(biāo)記位點(diǎn)在遺傳圖譜上的較均勻分布，即使在同一連鎖群上也相距較遠(yuǎn)，可以認(rèn)為位點(diǎn)間不存在LD。引物由上海生工生物工程公司合成。

PCR反應(yīng)體系、擴(kuò)增條件和標(biāo)記分型參考Li等[19]。10 μL 反應(yīng)體系包括 1 μL 10′ 緩沖液、25 μM各dNTP、前向和后向引物各0.5 μM、MgCl2濃 度1.5或2.0 mM、 熒 光dUTP 10 pmol、Taq DNA聚合酶(申能博彩生物科技有限公司) 1 U和DNA模板10 ng。PCR反應(yīng)在Bio-Rad S1000上進(jìn)行，采用降落PCR程序，94 ℃ 4 min；20個(gè)循環(huán)：94 ℃ 30 s，Tm+10 ℃～ Tm℃ (表2)每個(gè)循環(huán)降低0.5℃、30 s，72℃ 1 min；26個(gè)循環(huán)：94℃ 30 s，Tm ℃ 30 s，72℃ 1 min；72 ℃ 10 min。標(biāo)記分型在ABI 3130xl測序儀(Applied Biosystems)上進(jìn)行，取 2 μL PCR 產(chǎn)物、0.16 μL GeneScan 500LIZ內(nèi)標(biāo) (Applied Biosystems)、7.84 μL 高純甲酰胺混勻，95 oC變性5 min、迅速冰浴，按測序儀操作手冊(cè)檢測樣品，數(shù)據(jù)收集軟件為GeneMapper 4.1(Applied Biosystems)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)各SSR位點(diǎn)，利用軟件PowerMarker v3.25[20]計(jì)算多態(tài)性信息量(Polymorphic information content, PIC)，利用軟件GenAlEx v6[21]計(jì)算等位片段數(shù)(Number of alleles, NA)、觀測雜合度(Observed heterozygosity, Ho)、期望雜合度(Expectdd heterozygosity, He)、種源間的分化系數(shù)(F-statistics, Fst)和固定化指數(shù)(Fixation index, F)以及各對(duì)種源間的Fst和基因流(Number of migrants,Nm)。對(duì)各種源，在Excel中計(jì)算所有SSR位點(diǎn)的NA、Ho、He和F的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。采用GenAlEx v6進(jìn)行種源間和種源內(nèi)的分子方差分析(Analysis of molecular variance, AMOVA)。種源間Euclidean遺傳距離利用PowerMarker v3.25[20]計(jì)算，并輸入軟件MEGA v4[22]采用非加權(quán)分組算術(shù)平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means, UPGMA)[23]進(jìn)行聚類分析。

表2 SSR位點(diǎn)、PCR的Mg2+濃度和退火溫度(Tm)以及位點(diǎn)多態(tài)性Table 2 SSR marker loci, PCR condition (Mg2+concentration and Tm) and marker polymorphisms

利用軟件Structure v2.2[24]進(jìn)一步分析群體遺傳結(jié)構(gòu)，假定SSR位點(diǎn)都是獨(dú)立的，選用混合線性模型和無起源模型，設(shè)定亞群數(shù)目(K)為2 ～ 7，每一個(gè)K值獨(dú)立運(yùn)行7次，計(jì)算各單株的基因組變異源于第K亞群的概率(Q值)；將馬爾可夫鏈蒙特卡爾法(Markov Chain Monte Carlo，MCMC)開始時(shí)的不作數(shù)迭代設(shè)為100 000次，不作數(shù)迭代后的MCMC也設(shè)為100 000次，根據(jù)檢測亞群數(shù)量的指標(biāo)(DK值)最大值確定合適的K值[25]。劃分亞群時(shí)，把單株歸屬某個(gè)亞群的Q值臨界值設(shè)為0.6。

利用軟件TASSEL v2.1[26]的一般線性模型模塊，把各單株Q值作為協(xié)變量，對(duì)標(biāo)記等位變異與抗蟲性狀的關(guān)聯(lián)進(jìn)行回歸分析，回歸方程如下：

式（1）中：Yj是第j個(gè)單株的抗蟲等級(jí)；Ipj是第j單株第p等位變異出現(xiàn)的指示變量；β是群體各位點(diǎn)各等位變異的平均效應(yīng)；X1j～Xkj是第j單株的基因組變異源于第1～K亞群體的概率Q值；β1～βk是亞群體各位點(diǎn)的等位變異的平均效應(yīng)；E是殘差。

獲得關(guān)聯(lián)位點(diǎn)后，參考Breseghello和Sorrells[27]提出的方法，根據(jù)位點(diǎn)無效等位基因的表型推斷有效等位基因效應(yīng)，確定增效等位變異和減效等位變異；參考文自翔等[28]的方法，計(jì)算某位點(diǎn)全部增效和減效等位變異的平均效應(yīng)作為該位點(diǎn)的表型效應(yīng)值，并計(jì)算各等位變異對(duì)表型效應(yīng)的增效或減效比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 巨桉種源對(duì)枝癭姬小蜂的抗性

巨桉4個(gè)參試種源對(duì)枝癭姬小蜂的抗性等級(jí)平均為2.4。但不同種源的抗性存在一定差異，從高到低依次為種源15358 (2.8)、種源14509 (2.7)、種源14393 (2.2)和種源20261 (2.1)。另外，種源內(nèi)個(gè)體間抗性分化也較大。

2.2 SSR位點(diǎn)的多態(tài)性

總的來說，參試的SSR位點(diǎn)多態(tài)性較高。35個(gè)SSR位點(diǎn)共產(chǎn)生469個(gè)等位片段，平均NA為13.3個(gè)/位點(diǎn)(表2)；等位片段最多的位點(diǎn)是ESTSSR893和EST-SSR909 (各21個(gè)等位片段)，最少的是EST-SSR1001 (4個(gè))。Ho介于0.3043 (ESTSSR226 和 EST-SSR1117) ～ 0.8696 (Embra8)， 平均 0.5385/位點(diǎn)；He介于 0.5929 (EST-SSR620) ～0.9322 (Embra203)，平均0.8101/位點(diǎn)；PIC介于0.5446 (EST-SSR620)～ 0.9169 (Embra203)，平均0.7797。這些參數(shù)均表明巨桉群體的遺傳多樣性水平較高。Fst介于0.0155 (EST-SSR35)～0.1842(Embra83)，平均0.0623，表明種源間的分化較低(6.23%)。F介于 -0.0942 (EST-SSR1001)～ 0.6088(Embra203)，平均0.3218，表明巨桉4個(gè)種源內(nèi)近交水平相對(duì)較高。各位點(diǎn)的具體參數(shù)見表2。

2.3 種源的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu)

4個(gè)種源的多樣性水平相似(表3)。種源20261雖然平均單個(gè)位點(diǎn)的NA最低，但Ho和He卻最高；種源15358具有最高的平均NA，但Ho卻最低；種源14393具有最低的平均F值，表明近交水平最低。

表3 巨桉4個(gè)種源的遺傳多樣性Table 3 Genetic diversity for four provenances of E. grandis

AMOVA分析表明(表4)，巨桉種源內(nèi)個(gè)體間變異占總變異的96%；種源間只有4.0%，這與所有SSR位點(diǎn)的平均Fst (6.23%)較一致。這也表明巨桉遺傳變異的絕大部分來自種源內(nèi)個(gè)體間，而種源間的變異相對(duì)極小。

表4 巨桉種源的AMOVA分析Table 4 AMOVA analysis on four E. grandis provenances

UPGMA聚類分析表明(圖1)，種源14393與15358最先聚為一類，其次才與種源14509聚類，最后與種源20261聚類，表明種源14393與15358的親緣關(guān)系最近，而其與種源20261的親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。這也與種源間的Fst和Nm值一致(表5)，如種源14393與15358之間具有最小的Fst (0.017)和最大的Nm (14.13)，而種源14393與20261之間則具有最大的Fst (0.058)和最小的Nm (4.09)。

圖1 巨桉4個(gè)種源的UPGMA聚類Fig. 1 UPGMA dendrogram of four E. grandis provenances

表5 巨桉種源間的Fst和Nm值?Table 5 Pairwise Fst and Nm values between four E. grandis provenances

2.4 抗枝癭姬小蜂與SSR標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析

確定亞群數(shù)量中，當(dāng)K=5時(shí)DK值最大，故將巨桉單株分為5個(gè)亞群，分別為Q1、Q2、Q3、Q4和Q5 (圖2)。取單株Q值的臨界值為0.6，可將43株(93.5%)歸屬于這5個(gè)亞群，各亞群分別包含7、12、10、6和8株單株(表6)。

表6 巨桉單株的亞群劃分Table 6 Five sub-populations of number of E. grandis single tree

圖2 利用Structure軟件檢測的巨桉5個(gè)亞群Fig. 2 Five E. grandis sub-populations identified with software structure

關(guān)聯(lián)分析檢測到EST-SSR226與枝癭姬小蜂抗性相關(guān)聯(lián)(P=0.03)，對(duì)性狀的決定系數(shù)達(dá)到了0.4436，增效效應(yīng)為0.71，增效比例達(dá)42.8%。

3 結(jié)論與討論

巨桉單株對(duì)枝癭姬小蜂的抗性存在分化，這為抗性品種的選擇提供了種質(zhì)材料，也為尋找與抗性關(guān)聯(lián)的分子標(biāo)記提供了遺傳基礎(chǔ)。

關(guān)聯(lián)分析易受供試材料的遺傳多樣性影響，需在關(guān)聯(lián)分析前對(duì)供試群體進(jìn)行遺傳多樣性分析[29]。本研究利用35個(gè)SSR位點(diǎn)對(duì)巨桉4個(gè)種源的分析表明，該4個(gè)種源多樣性較高，種源間遺傳分化較小。這與Okun等人[30]2008年進(jìn)行的巨桉遺傳多樣性研究結(jié)果一致。這也與巨桉的異交繁育系統(tǒng)有關(guān)，異交對(duì)種源內(nèi)和種源間的基因流動(dòng)有促進(jìn)作用[31]。巨桉4個(gè)種源較高的遺傳多樣性和較小的遺傳分化也表明其適合關(guān)聯(lián)分析。

本研究首次報(bào)道了桉樹抗枝癭姬小蜂關(guān)聯(lián)的基因組位點(diǎn)。鑒定出的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)EST-SSR226的決定系數(shù)達(dá)0.4436、增效效應(yīng)達(dá)0.71、增效比例達(dá)42.8%。該位點(diǎn)在將來桉樹抗枝癭姬小蜂的標(biāo)記輔助育種中應(yīng)具一定的應(yīng)用潛力。

但是，受限于研究群體較小，本研究鑒定出的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)有待利用更大的群體進(jìn)行驗(yàn)證。并且，所用的標(biāo)記數(shù)量較少，需要利用更多的候選標(biāo)記以尋找更多的、決定系數(shù)和增效效應(yīng)更大的標(biāo)記位點(diǎn)。這是下一步工作需要解決的問題。

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Preliminary study on SSR markers associated with resistance to Leptocybe invasa in Eucalyptus grandis

ZHANG Miao-miao1,2,3, MO Xiao-yong1, HUANG Huan-hua2, HUANG Yong-huai2, GAN Si-ming3
(1. Forestry College, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, Guangdong, China; 2. Guangdong Academy of Forestry,Guangzhou 510520, Guangdong, China; 3. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520,Guangdong, China)

Thirty-five simple sequence repeat (SSR) markers were used to assess genetic diversity of four Eucalyptus grandis provenances and identify markers significantly associated with resistance to gall wasp (Leptocybe invasa) in E. grandis. A total of 469 alleles were produced with the 35 SSRs, averaging at 13.3 alleles per marker. The mean values of observed heterozygosity (Ho), observed heterozygosity (He) and polymorphic information content (PIC) were 0.5385, 0.8101 and 0.7797, respectively, across all the SSR loci,indicating a high level of genetic diversity. AMOVA analysis revealed that genetic variation among individuals within provenances accounted for 96.0% of the total molecular variance and 4.0% of the variance occurred among provenances, which coincided well the low Fst(0.0623) and high Nm(4.09 ～ 14.13). UPGMA cluster analysis shows that provenances 14393 and 15358 were the most close (Fst=0.017) whereas provenances 14393 and 20261 were the most distant (Fst=0.058). The marker EST-SSR226 was identified to associate with resistance to gall wasp (P=0.03), with a determination coefficient 0.4436, positive effect 0.71 and positive effect percentage 42.8%.

Eucalyptus grandis; SSR; genetic diversity; association analysis; Leptocybe invasa

S792.39

A

1673-923X(2012)11-0131-05

2012-10-10

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (10151064201000027)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃) (2011AA100202)；廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng) (2011KJCX025-01)

張苗苗(1988-)，女，河南鶴壁人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯峙嘤?/p>

莫曉勇(1962-)，男，四川達(dá)縣人，教授，主要研究方向?yàn)樯峙嘤腿斯ち纸?jīng)營；E-mail：xyscut2006@yahoo.com.cn

[本文編校：歐陽欽]