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利用叶绿体DNA条形码和SSR基因分型来研究入侵植物遗传分布和结构

 

原创 上海天昊生物 
 
外来入侵物种被认为是生物多样性丧失的主要威胁之一,可以对本地物种和生态系统产生重大的生态影响及巨大经济损失。通过叶绿体DNA条形码和SSR基因分型检测,对入侵物种进行遗传多样性分析,评估其遗传结构及起源,可为应对外来物种入侵提供科学的数据支撑。
 

英文题目:Genetic Diversity of Invasive Spartina alterniflora Loisel. (Poaceae) Introduced Unintentionally Into Japan and Its Invasion Pathway

中文题目:无意引入日本的禾本科入侵植物互花米草的遗传多样性及其入侵途径
期刊名:Front Plant Sci.   
影响因子:4.402 
发表时间:2020-9-7


 

在入侵物种中,水生植物对当地的生物多样性和生态系统功能构成严重威胁。互花米草(禾本科)原产于美国东部,大约在2010年无意中被引入日本。这种入侵物种可以通过活跃的贸易和运输很容易并迅速地传播到日本的河口地区,因此有必要对其未来的入侵进行预测。在这里,研究者利用叶绿体DNA条形码和SSR基因分型分析研究了日本互花米草遗传变异的分布和结构,以阐明其入侵途径和过程。根据叶绿体DNA条形码分析发现,日本的互花米草种群具有单一的单倍型(C4单倍型),这是其起源地区佛罗里达半岛周围最占优势的基因型,并且在东亚的入侵种群中也广泛发现。SSR基因分型结果显示,日本互花米草种群的遗传多样性与其天然区域相比有所损失,这表明互花米草可能在该物种入侵日本后发生了奠基者效应。主坐标分析和群体结构分析表明,日本当地群体(爱知、熊本北部和南部)之间没有观察到基因混合,表明米草入侵在这些地区独立发生,入侵的互花米草可能在不同的时间通过东亚路线独立入侵日本。因此需要加强对进口商品的检疫控制,以尽量减少米草属等生物物种的进一步入侵风险。


 

样品应从至少相距约2.5米的群体中收集。收集的样本在实验室自然干燥后用于基因实验。从0.1 g干重组织样品中提取总DNA。叶绿体DNA条形码选用trnT–trnLtrnL–trnF区域进行PCR。SSR检测利用前人开发的11个微卫星标记(SPR1、SPR2、SPR3、SPR4、SPR5、SPR6、SPR7、SPR8、SPR9、SPR10、SPR11)进行分析,鉴定了69个日本互花米草种群的基因型。



 

采样收集
从侵入爱知县和熊本县的种群中收集互花米草样品(叶片)(图1)。在爱知县,从面向三河湾的梅田河沿岸及其周围的多个殖民地收集了27个样本(每个殖民地一个个体)。在熊本县,从面对有明海(熊本北部)和八代海(熊本南部)大野河的坪河的多个群体中随机采集了20和19个样品。


 

图1、日本互花米草取样区域(爱知和熊本县)。

 

互花米草叶绿体DNA单倍型多样性分析
利用叶绿体DNA条形码trnT–trnF区域,对所有样进行测序检测。结果表明样本与美国广泛分布的互花米草一样属于C4单倍型(图2)。



 

图2、互花米草在起源地区(美国东部)的叶绿体DNA单倍型。由A、B和D组成的单个单体型分别以深灰色、黑色和浅灰色显示。由多个单倍型组成的C组单倍型,C2、C3和C4分别为绿色、黄色和粉色,其他成员以蓝色显示。

 

基于SSR分子标记的互花米草遗传多样性分析
使用不同标记物对日本互花米草样品进行遗传分析的结果表明,除Tsuboi河的一份样品外,每条河流中互花米草单个等位基因的数量均小于或等于2。在11个微卫星标记中,未从基因座SPR3检测到遗传多态性。微卫星分析表明,日本互花米草样品的遗传多样性平均值如表1所示。

 

表1、基于SSR位点的日本入侵植物互花米草遗传多样性信息表。


 

基于共显性基因型距离的主坐标分析(PCoA)表明,每条河流之间互花米草种群的遗传距离明显不同。尽管白川河和坪井河中的互花米草种群位于相同的位置,但是大野河和梅田河中的互花米草种群沿横轴明显分开(图3),这表明日本至少有3个互花米草的本地种群。



 

图3、基于共显性基因型距离的日本互花米草本地种群主坐标分析(PCoA)结果。

 

群体结构分析表明,所研究的种群被分为不同的遗传簇。显然,在K = 3时,ΔK值最高(图4A)。因此,日本的互花米草种群分为三类:1)梅田河(爱知县),2)白河和坪河(熊本北部),以及3)大野河(熊本南部)(图4B组混合。

图4、基于日本互花米草种群基因微卫星突变的群体结构的贝叶斯估计。(A)基于DK的最佳聚类数的估计 (B)使用STRUCTURE软件分析将每个个体分配到聚类中。图B中的纵轴显示了互花米草当地种群中收集的每个样本的归属率。
 

 


 

1)通过叶绿体DNA条形码的遗传分析表明,日本的所有互花米草种群都具有单个单倍型(单倍型C4)。在其起源区域内,在美国的大西洋沿岸广泛观察到单倍型C4。
2) 比较日本互花米草当地种群中的SSR基因型数据以估算互花米草入侵日本的途径,发现各条河流的种群基因型明显不同(图3 和 4)。这些结果表明日本四条河流之间没有互花米草基因组交换。
综上,通过日本互花米草的遗传特征,研究者推测入侵过程和途径如下:1)日本(爱知县和熊本县)的所有互花米草种群都具有相同的单一起源区域(单倍型C4),推导可能来自美国的大西洋沿岸;2)单体型C4可能是通过日本与东亚国家之间的国际贸易而第二次引入日本;3)日本互花米草有可能分别入侵了三个研究过的河流。

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