不同來源SSR和EST—SSR在披堿草屬和鵝觀草屬物種中的通用性分析

陳仕勇，馬　嘯，張新全*，陳智華，周　凱（.四川農業大學草業科學系，四川成都630；.西南民族大學生命科學與技術學院，四川成都6004）

不同來源SSR和EST—SSR在披堿草屬和鵝觀草屬物種中的通用性分析

陳仕勇1，2，馬嘯1，張新全1*，陳智華2，周凱1
（1.四川農業大學草業科學系，四川成都611130；2.西南民族大學生命科學與技術學院，四川成都610041）

披堿草屬和鵝觀草屬是禾本科小麥族兩個重要的多年生屬，其種屬界限及系統關系一直存在爭議，是其種質資源利用的難點。本研究基于小麥族中不同來源的已開發的SSR標記，篩選出在披堿草屬和鵝觀草屬中高通用性的SSR標記，為其生物系統關系研究提供重要參考。試驗選用了來自小麥族小麥、大麥、披堿草屬、擬鵝觀草屬及賴草屬5個屬的230個SSR和EST-SSR標記對小麥族St、H、Y基因組的23個物種進行了SSR擴增及通用性分析。結果表明，1）在篩選的230個標記中，163個（70.87%）SSR和EST-SSR標記能在所有的供試物種中擴增出清晰的條帶，在披堿草屬和鵝觀草屬等物種中表現出了較高的通用性；2）在擴增出的163個標記中，EST-SSR （87.60%）比基因組SSR（49.50%）標記在種屬間表現出了較高的通用性，而基因組SSR標記（85.98%）則比EST-SSR（79.37%）標記表現出更高的多態性；3）163個標記在供試物種中共擴增出579個清晰條帶，其中多態性條帶為533個，多態性比率為92.05%；每個標記擴增的條帶數變化為1～11條，平均擴增條帶數為3.55條；4）基于UPGMA聚類結果與供試物種的基因組之間表現出了較高的相關性，相同或相似基因組物種間表現出較近的親緣關系，其中H基因組與St基因組的親緣關系較遠，H基因組二倍體物種與其他物種也表現出了較遠的親緣關系。本研究選用的5個屬的SSR和EST-SSR標記均能在披堿草屬和鵝觀草屬物種中擴增，最后共篩選出了163個高通用性的SSR和EST-SSR分子標記，揭示了供試物種及不同基因組間的親緣關系，為下一步披堿草屬和鵝觀草屬的種屬關系及系統學研究提供了重要參考。

SSR；披堿草屬；鵝觀草屬；通用性；系統關系

http：//cyxb.lzu.edu.cn

陳仕勇，馬嘯，張新全，陳智華，周凱.不同來源SSR和EST-SSR在披堿草屬和鵝觀草屬物種中的通用性分析.草業學報，2016，25（2）：132-140.

CHEN Shi-Yong，MA Xiao，ZHANG Xin-Quan，CHEN Zhi-Hua，ZHOU Kai.The transferability of SSR and EST-SSR markers of different origins in Elymus and Roegneria in the Triticeae（Poaceae）.Acta Prataculturae Sinica，2016，25（2）：132-140.

披堿草屬（Elymus）和鵝觀草屬（Roegneria）是禾本科小麥族（Triticeae）兩個重要的多年生屬，它們不僅包括很多重要的牧草資源和抗性基因資源，還是草原和草甸等的重要組成部分，具有重要的經濟和生態價值［1-2］。披堿草屬和鵝觀草屬的種屬界限等系統關系一直存在爭議，已成為其種質資源研究利用中的難點。本研究通過對小麥族近緣屬SSR標記的篩選，為披堿草屬和鵝觀草屬種屬間系統關系的研究提供重要的參考，對該類群植物資源的利用等具有重要意義。簡單重復序列（simple sequence repeats，SSR）由于其分布廣、數量多、高多態性、共顯性及重復性好等優點，被廣泛運用于植物研究的各個領域，特別在種質資源遺傳多樣性評價［3］、種屬間親緣關系［4］研究等方面。雖然SSR和EST-SSR（基于表達序列標簽的簡單重復序列，SSR based on expressed sequence tags）標記在植物研究中具有強大的功能，由于SSR標記具有物種的特異性，其相關的引物開發難度較大、成本較高，這些限制了SSR標記在不同植物研究中的廣泛運用。但同時由于SSR兩端的側翼序列在近緣種屬物種間具有高度保守性，這就為SSR標記轉移到近緣的種屬間物種中提供了可能［5］。目前很多物種的SSR標記已經成功的轉移到其近緣的物種中，其已經被證實為一種簡單、有效地獲得SSR標記的方法［5-8］。目前也已經有研究報道小麥（Triticum aestivum）、大麥（Hordeum vulgare）等物種的SSR標記在小麥族多年生物種中成功運用，如冰草屬（Agropyron）、披堿草屬、偃麥草屬（Elytrigia）等［9-11］。在小麥族物種中，小麥和大麥等麥類作物上擁有大量的SSR和EST-SSR標記，為小麥族近緣物種SSR標記開發提供了參考。另外，披堿草屬物種如犬草（E.caninus）、阿拉斯加披堿草（E.alaskanus）等也開發了部分SSR和EST-SSR標記［12-14］，其是否能在披堿草屬和鵝觀草屬物種中擴增也有待于進一步的分析。本研究選用了來自小麥族中小麥、大麥、擬鵝觀草屬（Pseudoroegneria）、賴草屬、披堿草屬的230個SSR標記，在小麥族披堿草屬、鵝觀草屬（含有St、H、Y基因組）物種中進行SSR分析和通用性研究，篩選出高通用性的SSR標記，以期為下一步該類群物種的系統關系等研究提供參考。

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗選用小麥族St、H、Y基因組物種共23個，其中包括來自擬鵝觀草屬St基因組二倍體3個，大麥屬（Hordeum）H基因組二倍體2個，披堿草屬St H和鵝觀草屬St Y四倍體材料各4個，披堿草屬、鵝觀草屬六倍體物種10個。供試材料由美國國家植物種質資源庫（USDA-ARS）提供（表1），材料種植于四川紅原西南民族大學高原牧草種質資源圃內。

表1　材料列表Table1　The materials used in the study

1.2DNA提取及SSR分析

試驗于2012年進行供試材料的取樣，每份材料選取10株左右單株并取幼嫩葉片混合提取DNA，DNA提取采用植物DNA快速提取試劑盒DP305提取（北京天根）。

試驗分別篩選來自小麥族不同屬的SSR和EST-SSR標記共230個，其中SSR包括小麥55個［15］、大麥13個［16］、披堿草屬33個［12-13］，EST-SSR包括小麥25個［17］、大麥8個［18］、披堿草屬51個［14］、擬鵝觀草屬25個［14］、賴草屬20個［19］。所有引物序列均由上海生工生物公司合成。PCR反應體系（20μL）：10μL 2×Mix混合液（500μmol/L d NTP each，20 mmol/L Tris-HCl，100 mmol/L KCl，3 mmol/L MgCl2），上下游引物各1.5μL （10 pmol/μL），Taq酶0.4μL（2.5 U/μL），模板DNA 2μL（10 ng/μL），dd H2O補齊。PCR擴增程序參考相關引物來源文獻。PCR擴增產物采用6%的聚丙烯凝膠電泳進行分離，電泳結束后進行銀染并用數碼相機照相保存圖片。

1.3數據分析

對本研究中各標記目標擴增區域的條帶進行統計分析，將PCR擴增產物后每個條帶視為1個位點，按條帶有或無分別賦值，有帶記為1，無帶記為0，構建相關二元數據矩陣。采用NTSYS-pc2.11x軟件分析材料間的Dice遺傳相似系數（genetic similarity coefficients，GS）［20-21］。同時基于Dice遺傳相似系數進行非加權成對算術平均法（unweighted pair group method with arithmetic average，UPGMA）聚類分析及主成分分析（principal component analysis，PCA），聚類樹形圖節點分支的可靠性采用Winboot軟件進行bootstrap分析，設定重復抽樣次數為1000次［22］。

2　結果與分析

2.1不同來源SSR的通用性分析

本研究篩選了230對引物在St、H及Y基因組物種進行通用性分析，其中163對引物能夠擴增出清晰的條帶，標記通用率為70.87%（表2，表3，圖1）。這其中包括基因組SSR標記101個，成功擴增50個標記，成功率49.50%；EST-SSR標記129個，成功擴增113個標記，成功率87.60%。本研究中EST-SSR標記的通用性遠高于基因組SSR標記。在不同來源的基因組SSR標記中，披堿草屬SSR通用性最高，在EST-SSR標記中，大麥EST-SSR通用性最高，披堿草屬EST-SSR次之。從擴增的多態性標記來看，來自擬鵝觀草屬的ESTSSR標記的多態性標記最多，多態率為95.65%，而來自賴草屬的EST-SSR標記的多態性標記率較低，為57.14%。本研究中，基因組SSR標記的平均擴增多態性為85.98%，EST-SSR標記的平均擴增多態性為79.37%，基因組SSR標記的擴增多態性高于EST-SSR標記。

表2　篩選的引物列表Table2　List of the selected primers

表3　不同來源SSR標記在小麥族St、H、Y基因組物種中的擴增情況Table3　Performances of different SSR markers of species with St，H，Y in Triticeae

圖1　不同來源SSR標記在供試物種中的擴增電泳圖Fig.1　Amplification electrophoretogram of different SSR markers in selected species

2.2不同來源SSR在不同基因組物種中的通用性分析

不同來源SSR標記在本研究中不同基因組類型中的擴增情況分析見表4。不同來源SSR標記在St、H、Y基因組不同類型物種均能有效的擴增，在不同基因組物種中的擴增成功率變化為75.46%～96.32%。其中在H基因組的二倍體物種中的擴增成功率相對較低，為75.5%。在披堿草屬和鵝觀草屬四倍體St H、St Y及六倍體St HY物種的擴增成功率相對較高，分別達到92.64%、95.09%、96.32%。

2.3遺傳相似系數

本研究中共選用230對SSR引物，其中163對引物成功擴增，其中多態性引物136對。進一步篩選的163對引物在供試的23個物種材料中共擴增出579條帶，其中多態性條帶為533條，多態性條帶比率為92.05%。每對SSR引物擴增的條帶數變化為1～11條，平均每對引物擴增條帶數為3.55條。供試23個物種的Nei-Li平均遺傳相似系數為0.630，其中最大值為0.954（同為St YY基因組的E.glausicussimus與E.tschimganicus之間），最小值為0.383（具有H基因組的H.stenostachys與St Y基因組物種E.caucasicus之間）。

2.4聚類分析

基于Dice遺傳相似系數對23個物種進行UPGMA聚類分析（圖2）。供試的23個物種可以明顯的被分成2大類（100%支持率），包括含有St基因組物種一類，H基因組二倍體物種一類，表明St與H基因組具有相關較遠的親緣關系。其中H基因組聚類即第1類中包括了兩份材料，分別是具有H基因組的二倍體物種H.bogdanii與H.stenostachys（100%的支持率）。St基因組聚類中又能繼續劃分成3個亞類，包括St、St+H及St+Y三類。首先第2類包括5個物種，具有St與H基因組物種，包括3個St基因組的二倍體物種，St H四倍體和StSt H六倍體物種各1個。第3類包括6個物種，同樣具有St及H基因組，包括St H四倍體物種3個及St HH和StSt H六倍體物種3個。第4類包括10個物種，該類物種均含有Y基因組，包括St HY的兩個物種、St Y的4個物種及StSt Y的兩個物種，其中StSt Y物種E.tschim ganicus和E.glausicussimus表現出了較近的親緣關系（100%的支持率）。聚類分析結果與物種的基因組組成表現出極高的相關性。主成分分析與聚類分析結果基本保持一致，主成分分析圖直觀的反映了供試材料間的親緣關系，其中前3個主成分分別能解釋總變異的65.07%，5.48%，3.82%（圖3）。

表4　不同來源SSR標記在不同基因組物種中的通用性Table4　Transferability of SSR markers in species with different genome constitutions

圖2　基于遺傳相似系數的UPGMA聚類圖Fig.2　Dendrogram based on SSR data using UPGMA method

圖3　基于Dice系數的主成分分析圖Fig.3　The PCA based on Dice coefficients

3　討論

3.1SSR標記的通用性

目前，大量作物如小麥、大豆（Glycine max）及棉花（Gossypium arboreum）等SSR引物成功轉移到近緣的野生物種中成功運用［15，23］，特別在小麥族物種中，大量的小麥、大麥等麥類作物SSR標記的成熟開發為該類群的其他物種的SSR標記開發提供了參考，成為了一種較簡便、快速的方法［8，17］。Hernández等［24］選擇了36個小麥、35個大麥SSR標記在Hordeum chilense進行通用性分析，其中13個（36.11%）小麥、10個（28.57%）大麥SSR標記具有較好的擴增效果。MacRitchie和Sun［25］評價了25個大麥及3個小麥SSR標記在披堿草屬四倍體物種E.trachycaulus復合群體中的通用性，其中13（52.00%）個大麥SSR、2（66.67%）個小麥SSR標記能成功在供試材料中擴增出清晰和重復性好的位點，同時還表明小麥及大麥的SSR標記是小麥族相關物種遺傳分析重要的標記。本研究選用的230個不同來源的SSR標記，其中163個SSR（70.87%）能夠成功擴增出位點，與前人的研究報道結果相似。本研究篩選的引物表現了較好的通用性以及高效性，為下一步披堿草屬、鵝觀草屬物種的系統學等研究提供了重要的參考。

另外，就EST-SSR與基因組SSR通用性相比，在本研究中EST-SSR的通用性（87.60%）明顯高于基因組SSR標記（49.50%），但是其中基因組SSR標記的多態性（85.98%）高于EST-SSR（79.37%）。其中ESTSSR的高通用性可能與EST-SSR來自功能基因序列有關，相關的功能序列在不同物種間具有較高的保守性。兩種類型SSR的比較分析結果與小麥族相關物種的研究結果相一致，Eufayl等［26］選用20個EST-SSR標記和基因組SSR標記22個對A、B基因組類型的小麥材料進行擴增分析，結果基因組SSR標記的多態性（53.00%）高于EST-SSR（25.00%）。同時需要指出的是，不同類型的SSR的通用性及其產生的多態性與物種的繁育方式相關性較高，如在高羊茅（Festuca arundinacea）、黑麥草屬（Lolium）等異花授粉牧草中的SSR標記的通用性及產生的多態性高于自花授粉的作物小麥、水稻（Oryza sativa）等［6］。

3.2披堿草屬、鵝觀草屬的種屬關系

基于Dice遺傳相似系數的聚類結果與供試物種的基因組組成表現出了極大的相關性，具有相同或者相似基因組組成的物種能夠聚在一起，其表現出了較近的親緣關系。聚類分析首先將H基因組的二倍體物種與其他物種分開，形成明顯的St和H基因組兩類，表明了St和H基因組之間表現出了較遠的親緣關系，這也與細胞遺傳學和分子系統學的研究結果一致［27-28］。同時在St基因組分支中，供試材料又被分為St+H（StSt H、St HH、St H）、St+Y（St YY、St Y、St HY）、St三類，這又很好的揭示了St、H、Y基因組不同組合類型物種之間的種屬界限，也體現了小麥族中基因組分類體系的合理性。在小麥族基因組分類體系中，披堿草屬物種為含有St和H基因組的物種（St H、St H H、StSt H），鵝觀草屬物種則為含有St和Y基因組的物種（St Y、St YY），而St HY基因組物種則歸為曲穗草屬（Cam peiostachys）［29-30］。在本研究中，基于SSR標記的結果基本上支持該種分類體系，但同時由于本研究不同基因組類型物種僅選取了少量代表物種，披堿草屬和鵝觀草屬等種屬界限還有待于基于更多材料的進一步研究。

4　結論

本研究選用來自小麥、大麥、披堿草屬、擬鵝觀草屬、賴草屬的230個SSR和EST-SSR標記，其中163個SSR標記能夠成功在供試物種中擴增，其中EST-SSR的通用性遠高于基因組SSR標記，但是基因組SSR標記的多態性高于EST-SSR。基于SSR標記結果揭示了供試材料間的親緣關系，具有相同或相似基因組的物種表現出了較近的親緣關系，其中St基因組與H基因組具有較遠的親緣關系。本研究結果為披堿草屬、鵝觀草屬物種的系統學研究提供了重要的參考。

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The transferability of SSR and EST—SSR markers of different origins in Elymus and Roegneria in the Triticeae（Poaceae）

CHEN Shi-Yong1，2，MA Xiao1，ZHANG Xin-Quan1*，CHEN Zhi-Hua2，ZHOU Kai1
1.Department of Grassland Science，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China；2.College of Life Science and Technology，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，China

Elymus and Roegneria，two important genera in the tribe Triticeae，include many important forage grasses，and also carry elite genes for improving cereal crops.However，there is ongoing dispute on the species boundaries and interspecific systematic relationships in the two genera.The biosystematic relationships in the group are of keen interest to agrostologists around the world.Based on known SSR markers in Triticeae，the objective of this study was to screen out the high transferability markers for Elymus and Roegneria，which would provide important information for understanding the biosystematic relationships of the two genera.A total of 230 simple sequence repeats（SSR）and SSR based on expressed sequence tags（EST-SSR）markers from 5 different genera including wheat，barley，Elymus，Pseudoroegneria and Leymus，were used to study the transferability to 23 species containing the St，H，and Y genomes.Among the 230 SSR markers，163 （70.87%）markers could generate clear bands，which showed a high transferability for those markers.The EST-SSR markers（87.60%）showed a higher transferability than genomic SSR markers（49.50%），but the genomic SSR markers showed a higher polymorphism（85.98%）than the EST-SSR markers（79.37%）.A total of 579 bands were amplified from the 163 SSR markers able to generate clear bands，of which 533 bands were polymorphic.The number of amplified bands of each of these 163 SSR markers ranged from 1 to 11 with an average of 3.55 bands.Cluster analysis using the unweighted pair group method with arithmetic average （UPGMA）showed that the species with same or similar genome could be grouped together.Additionally，the H genome showed a rather distant phylogenetic relationship with St genome，and distant phylogenetic relationships were also revealed between the diploid species containing the H genome and other species in the study. The selected SSR markers from 5 genera could be amplified successfully in Elymus and Roegneria.To summarise，a total of 163 high transferability SSR markers were found to be suiTablefor the further phylogeny analysis，which also revealed the phylogenetic relationships among the species.The results from this study provide important information for improving understanding of biosystematic relationships between Elymus and Roegneria.

SSR；Elymus；Roegneria；transferability；phylogenetic relationship

10.11686/cyxb2015324

2015-06-29；改回日期：2015-08-25

國家重點基礎研究發展計劃973項目（2014CB138705），四川省科技支撐計劃（2015SZ0062）和四川省教育廳重點項目（15ZA0388）資助。

陳仕勇（1984-），男，四川三臺人，講師，博士。E-mail：chengshi8827@163.com

Corresponding author.E-mail：zhangxq@sicau.edu.cn