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  热带亚热带植物学报  2020, Vol. 28 Issue (2): 153-162  DOI: 10.11926/jtsb.4131
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引用本文  

胡文舜, 邓朝军, 许奇志, 等. 19个枇杷杂交新品种(系)的SSR鉴定和指纹图谱构建[J]. 热带亚热带植物学报, 2020, 28(2): 153-162. DOI: 10.11926/jtsb.4131.
HU Wen-shun, DENG Chao-jun, XU Qi-zhi, et al. Identification and Fingerprint Construction of 19 New Hybrid Varieties (Lines) of Loquat by SSR[J]. Journal of Tropical and Subtropical Botany, 2020, 28(2): 153-162. DOI: 10.11926/jtsb.4131.

基金项目

福建省农业科学院科技创新团队项目(STIT2017-1-4);农业农村部物种品种资源保护(热带作物)项目(151821301354052701);福建省科技厅星火项目(217S0009)资助

通信作者

郑少泉.E-mail:zsq333555@163.com

作者简介

胡文舜(1984~), 男, 硕士, 助理研究员, 研究方向为龙眼、枇杷遗传育种与分子生物学。E-mail:huwenshun06@163.com

文章历史

收稿日期:2019-08-09
接受日期:2019-09-18
19个枇杷杂交新品种(系)的SSR鉴定和指纹图谱构建
胡文舜 , 邓朝军 , 许奇志 , 蒋际谋 , 姜帆 , 陈秀萍 , 郑少泉     
福建省农业科学院果树研究所, 福建省龙眼枇杷育种工程技术研究中心, 福州 350013
摘要:为探究枇杷(Eriobotrya japonica)杂交品种真实性和DNA指纹图谱,对新育成的19个枇杷杂交品种(系)进行SSR标记鉴定分析。结果表明,从已发表的89对SSR引物中筛选出扩增条带清晰稳定的多态性引物19对,在24份枇杷材料中共扩增到83条带,每对引物平均扩增4.37条,PIC值为0.234~0.983,平均为0.764。经12对具有父本特征带多态性引物鉴定,19个杂交新品种(系)全部为真杂种,真杂种率为100%。UPGMA聚类分析表明,19个杂交新品种(系)的遗传相似系数为0.728~0.969,与杂交亲本‘新白2号’和‘贵妃’聚为同一个大类,并可细分为4个亚类,红肉与白肉的枇杷品种(系)间无明显划分。同时利用8对多态性SSR引物组合,构建了19个枇杷杂交新品种(系)的分子指纹图谱。这为枇杷品种鉴定、新品种权保护和杂交育种提供重要参考依据。
关键词枇杷    杂交育种    SSR    杂种鉴定    指纹图谱    
Identification and Fingerprint Construction of 19 New Hybrid Varieties (Lines) of Loquat by SSR
HU Wen-shun , DENG Chao-jun , XU Qi-zhi , JIANG Ji-mou , JIANG Fan , CHEN Xiu-ping , ZHENG Shao-quan     
Fruit Research Institute, Fujian Academy of Agricultrual Sciences, Fujian Breeding Engineering Technology Research Center for Longan&Loquat, Fuzhou 350013, China
Foundation item: This work was supported by the Project for Science and Technology Innovation Team of Fujian Academy of Agriculture Sciences (Grant No. STIT2017-1-4), and the Project of Species Resource Protection (Tropical Crops) of Ministry of Agriculture and Rural Affairs (Grant No. 151821301354052701), and the Spark Plan of Department of Science and Technology of Fujian Province (Grant No. 217S0009)
Abstract: In order to understand the loquat (Eriobotrya japonica) hybrid authenticity and DNA fingerprint, 19 new loquat varieties or lines were analyzed by using SSR marker. Nineteen pairs SSR primers with clear and stable fragments were selected from eighty-nine previously published SSR. Totally, 83 amplified bands were detected from 24 materials of loquat, with an average of 4.37 for each primer pair. Polymorphism information content values ranged from 0.234 to 0.983, with an average of 0.764. The authenticity of all 19 new loquat varieties or lines were confirmed by 12 SSR markers with special bands of male parent, and the true hybrid rate was 100%. The genetic similarities among hybrids ranged from 0.728 to 0.969. The UPGMA dendrograms indicated that 19 hybrids could be get together into one big group (with the crossing parents 'Xinbai No. 2' and 'Guifei') and divided into 4 subgroups, and do not cluster by color of flesh. Furthermore, the DNA fingerprints for the 19 cultivars were established by 8 polymorphic SSR primers. So, these would provide references for cultivar identification, protection of new variety right and crossbreeding of loquat.
Key words: Loquat    Cross breeding    SSR marker    Hybrid identification    Fingerprint    

近年来,随着枇杷(Eriobotrya japonica)实生选种[1]、芽变选种[2],尤其是杂交育种[3-7]的积累和发展,新品种数量明显增多,如何快速准确地进行新品种真实性鉴定对枇杷产业的良性发展具有重要意义。与传统的形态学性状鉴定方法相比,DNA分子标记具有可靠性高、信息量大、检测迅速、操作方便等突出优点[8]

国际植物新品种权保护联盟(UPOV)在BMT分子测试指南中确定了SSR (simple sequence repeat)和SNP (single nucleotide polymorphisms)作为构建DNA指纹数据库的标记[9]。我国发布实施的农业行业标准《NY/T 2594-2014植物品种鉴定DNA指纹方法总则》[10]也推荐SSR为当前主要标记方法,SNP作为适时推进的标记方法。SSR标记技术较为成熟, 现已应用在水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、棉花(Gossypium sp.)、大豆(Glycine max)、油菜(Brassica napus)和苹果(Malus pumila)等多种农作物的DNA指纹库构建上,玉米(Zea mays)、水稻、大豆等部分作物也开始采用SNP技术建立指纹库[11]

目前UPOV发布实施和我国研制的枇杷品种特异性、一致性和稳定性(DUS)测试指南[12-13]均只是依据表型性状,尚未将DNA分子标记纳入。SSR分子标记已广泛应用于枇杷遗传多样性[14-18]和连锁图谱[19-20]研究,在种质鉴别和DNA指纹图谱构建上也有报道,孙淑霞等[21]利用108对SSR标记对枇杷白肉突变体和野生型进行检测,但未发现多态性;何桥[22]利用55对SSR引物鉴定区分了‘大五星’枇杷的9个天然三倍体和1个二倍体材料; 龙治坚[23]利用6对SSR引物的条带组合,构建了44份枇杷栽培品种和野生材料的DNA指纹图谱。从亲本相同或近似的枇杷杂交组合后代中选育出来的新品种,由于遗传基础较为接近,品种间鉴别区分的难度增加,至今尚未见对枇杷系列杂交新品种的分子标记鉴别报道。本研究选取福建省农业科学院果树研究所近年来选育的19个枇杷杂交新品种(系),采用SSR分子标记进行杂种真实性鉴定和遗传多样性分析,并构建其DNA指纹图谱,以期为枇杷新品种权申请及优良品种推广提供依据。

1 材料和方法 1.1 试验材料

以24份二倍体枇杷(Eriobotrya japonica)品种(系)为试材,其中19份为福建省农业科学院果树研究所近年来育成的杂交新品种(系),3份亲本品种‘新白2号’、‘早钟6号’和‘贵妃’,2份地方品种‘解放钟’和‘新白7号’(与‘贵妃’表型近似)(表 1),均保存在国家果树种质福州枇杷圃和福建省农业科学院果树研究所枇杷育种园。品种成熟期和果肉颜色性状描述参照《枇杷种质资源描述规范和数据标准》[24],成熟期以福州地区早熟品种‘早钟6号’(4月上、中旬)和晚熟品种‘解放钟’(5月上旬)为参照划定,即极早熟(3月下旬)、早熟(4月上、中旬)、中熟(4月下旬)和晚熟(5月上旬)。

表 1 供试24份枇杷品种(系) Table 1 24 loquat cultivars or lines used in this study
1.2 DNA提取和SSR-PCR扩增

2017年7-8月采摘新鲜嫩叶,用保鲜袋封存后置于冰盒带回实验室。基因组DNA提取采用改良的CTAB法,DNA质量和浓度的检测采用1%的琼脂糖电泳和微量紫外分光光度计(GENEQ UANT, Eppendorf)。稀释DNA浓度至50 ng/μL, -20℃保存。

SSR引物参考前人[13, 17, 23, 25]的方法,挑选已验证多态性较好的引物进行合成,共计89对。引物合成由铂尚生物技术(上海)有限公司完成。

PCR扩增反应体系总体积为10 μL,其中PCR Master Mix 5 μL,10 μmol/L正、反向SSR引物各0.5 μL,模板DNA 1 μL,ddH2O 3 μL。反应程序: 94℃预变性5 min;94℃变性45 s,53℃~62℃退火40 s,72℃延伸50 s,35个循环;72℃延伸7 min。扩增产物在6%聚丙烯酰胺凝胶上恒压电泳(120 V,90~ 120 min), GeneGreen核酸染料染色15 min,最后在BIO-RAD凝胶成像系统上拍照记录。

1.3 杂种真实性鉴定

筛选具有父本特征性条带的多态性SSR引物, 用于杂种后代真假鉴定。杂种扩增结果为具有双亲互补带型或父本特征带型的确认为真杂种[8]

1.4 数据分析

统计扩增图谱的强带或清晰弱带,同一迁移位置按照条带的有无分别赋值“1”和“0”,建立0/1矩阵。计算多态性位点百分率(P, %)=(k/n)×100%, 其中k是多态位点数,n为所测位点总数。SSR位点的多态性信息量(polymorphism information content, PIC)按如下公式计算: PIC=1-ΣPi2,式中, Pi表示第i个等位位点出现的频率[26]。采用NTSYS- pc2.10e软件计算Dice遗传相似系数,按UPGMA (unweighted pairgroup method using arithmetic averages)方法进行聚类分析。采用SPSS Statistics 25.0进行单因子方差分析(One-Way ANOVA), LSD法测验分析组间差异显著性。利用Quantity One软件估算扩增片段的分子量大小,辅以人工校对后逐一编号,参照葛亚英等[27]方法构建品种指纹图谱。

2 结果和分析 2.1 多态性引物筛选

利用‘新白2号’、‘早钟6号’、‘贵妃’、‘解放钟’和‘新白7号’等5份材料对89对SSR引物进行筛选,得到带型清晰、稳定性和重复性好的多态性引物19对(表 2),占21.35%。用这19对引物对所有24份供试材料进行PCR,共获得83条扩增条带(图 1)。每对引物扩增条带为2~9条,平均4.37条;多态性条带比率为50.00%~100.00%,平均71.71%;多态性信息含量(PIC)为0.234~0.983,平均0.764,有17对引物的PIC大于0.550。

表 2 19对SSR多态性引物 Table 2 19 polymorphism SSR primer pairs
图 1 引物Hi15h12 (左)和8106 (右)对24份枇杷材料的扩增结果。M: Marker; 1~24:见表 1 Fig. 1 Amplification of 24 loquat cultivars by Hi15h12 (left) and 8106 (right) primers. M: Marker; 1-24: See Table 1
2.2 杂种真实性鉴定

根据父本特征带的有无,筛选出CH04c07、8119、8106、HgA8b、88、LM-04、LM-15和LM-36共8对SSR引物对‘早钟6号’ב新白2号’的后代进行鉴定;CH04c07、CH04g12、8119、8106、88、LM-04、LM-15和LM-36共8对SSR引物对‘早钟6号’ב贵妃’的后代进行鉴定;7950、Hi15h12、CH04g12、8106、88、CDPP725-03/04、LM-04、LM-15和LM-36共9对SSR引物对‘贵妃’ב早钟6号’的后代进行鉴定。结果表明(表 3),19个枇杷杂交新品种全部具有父本特异位点,真杂种率达到100%。单对引物的杂种鉴定效率为0%~100%,其中引物88和LM-04对3个杂交组合的鉴定效率高,19个杂交品种表现为父母本特异带互补型,真杂种率均达到100%;引物8106 (图 1)和LM-36在‘早钟6号’ב贵妃’、‘贵妃’ב早钟6号’组合的5个杂交品种中扩增出双亲特异条带,真杂种率均达到100%。19个杂交新品种均得到至少3对引物的证实,这也说明这些SSR引物的鉴定结果可靠。

表 3 19个枇杷杂交新品种的真实性鉴定 Table 3 Hybrid purity identification of 19 new loquat cultivars
2.3 聚类分析

以19对多态性SSR引物(表 2)对24个枇杷品种扩增获得的83个位点数据,建立原始矩阵, 应用NTSYSpc 2.20v软件得出Dice相似系数。19个杂交新品种间的平均遗传相似系数为0.852,相似系数最大的为0.969 (42-275与42-309),最小的为0.728 (42-275与061-17);其余15个品种间的平均遗传相似系数为0.783,相似系数最大的为0.983 (‘新白7号’与‘贵妃’),最小的为0.636 (‘新白2号’与‘早钟6号’)。

UPGMA聚类结果表明,24个品种在遗传相似系数0.776处可分为2大类(图 2)。第I类包括以白肉枇杷为主的22个品种,在相似系数0.830处可分为4个亚类。第i类由中、晚熟,果肉黄白/乳白色的‘新白7号’、‘贵妃’、‘白早钟9号’和‘新白2号’等4个品种组成;第ii类包括‘白早钟3号’等13个白肉和‘冠红1号’等2个红肉品种,并可进一步细分为A和B两个组,其中A组主要为中熟品种(早中熟、中熟和中晚熟品种分别有2、6和2个);第iii类由特早熟、果肉乳白色的‘白早钟1号’单独组成;第iv类包括中、晚熟,果肉黄白色的‘白早钟14号’和‘白早钟15号’共2个品种。第II类包括2个红肉品种,分别为果肉橙红色的‘早钟6号’和橙黄色的‘解放钟’,其中‘早钟6号’是‘解放钟’ב森尾早生’的杂交后代[33]。3个杂交亲本中的‘新白2号’和‘贵妃’与全部19个杂交后代聚在一类,这也表明与‘早钟6号’相比,‘新白2号’和‘贵妃’具有一定的遗传优势。

图 2 24个枇杷品种的UPGMA聚类图。*:极早熟; ☆:早熟; :中熟; ★:晚熟; △:橙红色; ◇:橙黄色; □:黄白色; ○:乳白色。编号见表 1 Fig. 2 UPGMA phylogenetic tree of 24 loquat cultivars. *: Very-early mature; ☆: Early mature; : Middle mature; ★: Late mature; △: Orange red; ◇: Orange yellow; □: Yellow white; ○: Milky. Code see Table 1

将24个枇杷品种的成熟期表型简并为早熟(特早熟和早熟)、中熟(早中熟和中熟)和晚熟(中晚熟和晚熟) 3个组,并分析组内与组间的品种相似系数差异。结果表明,中熟组内品种相似系数(0.870±0.005)极显著高于(P < 0.01)中熟-早熟组间品种相似系数(0.834±0.009)和中熟-晚熟组间品种相似系数(0.839±0.05),但早熟组和晚熟组的组内与组间品种差异均未全部达到显著水平,这也表明中熟表型分类与分子标记鉴定分类结果较为一致,如中熟品种主要聚集在A组(图 2)。

2.4 品种指纹图谱构建

根据引物特异性条带、PIC值和引物组合鉴定效率,从19对多态性SSR引物中选择8对扩增和鉴别效果较好的引物(Hi15h12、LM-36、CH04g12、4019、8106、7950、CH01f07a和2121)。利用这8对引物组合扩增的36个位点,建立了24份枇杷品种材料的分子指纹图谱(图 3),品种间差异位点数≥2,其中‘新白7号’和‘贵妃’、‘冠红1号’和‘白早钟13号’、‘白早钟14号’和‘白早钟15号’的差异位点数为2。每份品种都有唯一的可视化指纹图谱,19个枇杷杂交新品种可以明确地相互区分。

图 3 24个枇杷品种的SSR指纹图谱。1~24见表 1 Fig. 3 Fingerprint of 24 loquat cultivars based on SSR marker. 1-24 see Table 1.
3 讨论

SSR标记具有多态性高、共显性遗传、检测易等诸多优点,但其引物开发繁琐,一般需要建立DNA文库或cDNA文库。当前枇杷SSR标记的开发相对滞后,早期多从苹果属植物中筛选通用性引物[15, 22],近年来先后开展了基因组SSR (gSSR)引物[25, 32]和表达序列标签SSR (EST-SSR)引物的开发[17, 34]。本试验从已报道的多样性引物中选取了89对SSR引物,包括枇杷的EST-SSR引物33对[17]、gSSR引物17对[25],苹果的gSSR引物37对[14, 22], 梨的gSSR引物2对[14],最终分别筛选到6 (PIC= 0.697)、6 (PIC=0.783)、6 (PIC=0.801)和1对(PIC= 0.833),共19对适宜的SSR多态性引物。这也表明在多态性引物获得率和PIC值上,gSSR要普遍高于EST-SSR,这可能与EST-SSR标记来源于相对保守的转录区域有关;从苹果属和梨属植物筛选的通用性引物,可以补充枇杷引物数量。但随着高通量测序技术的广泛应用,基于转录组或基因组测序数据批量开发枇杷EST-SSR或gSSR标记将是今后主流策略。

杂种后代的真实性鉴定可为优良品种选育及性状遗传研究提供基础。本研究的19个枇杷杂交新品种(系),经SSR鉴定全部为真杂种,即真杂种率为100%。杂交亲本‘早钟6号’枇杷表现早熟、大果、果肉橙红色等特点;‘新白2号’枇杷表现中熟、中等果、果肉乳白色等特点;‘贵妃’枇杷表现晚熟、大果、果肉黄白色等特点。亲本间表型性状的明显差异使得杂种后代多样性较为丰富,19个枇杷杂交新品种(系)的遗传相似系数为0.728~0.969,平均0.852;果实成熟期出现了特早熟的超亲遗传后代, 如‘白早钟1号’,其成熟期比母本‘早钟6号’提早1个星期以上;果肉颜色具有乳白色、黄白色和橙红色等不同类型。关于枇杷果肉色泽的遗传,按现有研究报道[20, 35-37],可归纳为“红白肉枇杷杂交F1后代红肉与白肉的分离比为1:0或1:1,白肉杂交后代全部为白肉枇杷,红肉杂交后代分离比为1:0或3:1”,可见枇杷果实白肉颜色极可能是受隐性单基因控制的性状;Fu等[38]报道八氢番茄红素合成酶基因EjPSY2A突变成为EjPSY2Ad, 抑制了枇杷果肉中类胡萝卜素的积累,红肉枇杷为EjPSY2A纯合型或EjPSY2A/EjPSY2Ad杂合型,白肉枇杷为EjPSY2Ad纯合型。本试验杂种真实性鉴定结果也证实,选择早熟红肉品种为母本、中熟白肉品种为父本进行杂交可以选育出早熟/特早熟白肉的优良后代,这也为今后枇杷杂交亲本的选配提供了很好的实践依据与理论支持。

植物品种DNA指纹鉴定的判定原则可根据不同植物的具体情况分别确定[10],如苹果品种间相似度≤90%时,判定为不同品种[39];而水稻[40]、大豆[41]、玉米[42]等多数作物以样品间差异位点数≥2时,判定为不同品种。本研究利用8对SSR引物组合构建了24个枇杷品种的DNA指纹图谱,所有品种间均至少存在2个差异位点,能够被明确区分。但由于采用聚丙烯酰胺电泳检测,在标记等位基因数多或条带大小近似时分辨能力有限,加之部分杂交品种间的高度遗传相似性增加了鉴别的难度,因此需要更多的引物才能区分开,这在面对大批量枇杷资源鉴定时尤为明显。如果能结合应用灵敏度和分辨率高、数据收集和处理通量大的毛细管电泳技术,检测结果将更为稳定、准确和高效。

今后应在广泛收集评价枇杷品种资源的基础上,开发出一套代表性强、适用性广的SSR核心引物并研究制订品种分子标记鉴定技术规程,为枇杷品种鉴定、DNA指纹库构建、新品种权申请与保护等提供行业标准,具有重要的研究意义和应用价值。

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