等位酶技术在植物遗传多样性研究中的应用
2023-07-20
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第3l卷第2期 农业科学研究 2O1O年6月 V0I.31 No.2 Journal of Agricultural Sciences Jun.2010 文章编号:1673-0747(2010)02 0048—04 等位酶技术在植物遗传多样性研究中的应用 任晓月 ,陈彦云 (1.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,宁夏银川 750021; 2.宁夏大学生命科学学院,宁夏银川 750021) 摘要:概述等位酶的概念、等位酶分析的遗传学基础以及发展历史,简要介绍近年来等位酶技术在植物遗传多样 性研究中的应用进展.等位酶分析技术作为一种稳定的基因组标记,可以对种群的遗传学结构作出估计,测量种群 的遗传多样性以及各种群间的遗传距离,为植物遗传多样性及遗传育种等研究提供理论依据.因此,等位酶分析技 术是研究天然居群遗传结构及种质资源遗传多样性的重要手段. 关键词:等位酶;植物;遗传多样性;应用 中图分类号:Q346 文献标志码:A 生物多样性是现代生态学研究的核心问题和热 后者方便快捷,且可操作性强,已成为检测遗传多样 点之一,而遗传多样性是生物多样性研究的中心.遗 性最普遍的方法.等位酶分析技术是了解天然种群的 传多样性广义上是指地球上所有生物携带的遗传信 遗传结构、基因丰富程度以及栽培作物种质资源遗传 息的总和,而通常所说的遗传多样性是指种内不同 多样性的最重要手段,它作为稳定的遗传标志,对生物 种群间或一个种群内部不同个体的遗传变异1]].对 种内和种问的遗传多样性、系统进化和亲缘关系等进 植物遗传多样性的研究一般是从形态学、细胞学、生 行研究,从分子水平方面揭示遗传变异和多样性的机 物化学和分子学这4个水平上进行研究的.从形态 理,为细胞学和形态学分类提供有说服力的证据 ]. 学水平研究遗传多样性主要是研究遗传上较为稳定 的、不易受环境影响的性状,是通过有效的采样方 1等位酶分析技术 案,运用数学统计方法,对质量性状和数量性状进行 1.1 等位酶分析的遗传学基础 研究,揭示这些性状的遗传规律、变异大小以及种群 1969年,Prakash等_5 提出把同一基因位点的 的遗传结构 ].细胞遗传学主要研究染色体的变异, 不同等位基因所编码的一种酶的不同形式叫做等位 是生物多样性研究的重要方面.但是由于染色体是 酶(allozyme).根据构成酶的多肽上的基因位点的编 众多基因的“大包装”,其内部基因变化细节难以发 码不同,将同工酶遗传标记分为2种类型:同工酶与等 现,特别是对染色体数目一致和形态相似的种或种 位酶.构成酶的多肽是由2个以上基因位点所编码的 群的个体,单纯用形态学和细胞学手段研究遗传多 酶称同工酶;构成酶的多肽是由一个基因位点上不同 样性就会失去分辨力l_3].而用生物化学和分子学手 的等位基因所编码的酶称等位酶.其实,等位酶是同工 段正好弥补了这一缺陷,使遗传多样性的研究深入 酶中的一种特殊形式. 到种群内个体间的分子水平上来.一般都是通过氨 等位酶分析的遗传学基础在于:根据中心法则, 基酸序列或同工酶或等位酶电泳的途径进行分析, 组成酶蛋白质多肽链的氨基酸种类和顺序是由 前者一般是一些分子标记技术,如RFLP(限制片断 DNA核苷酸链的碱基编码所决定的.当DNA链上 长度多态性),DNA指纹(DNA fingerprinting), 酶结构基因发生点突变时,一个或多个核苷酸发生 RAPD(随机扩增多态性DNA),PCR(聚合酶链式 了置换,就会导致由它编码的氨基酸的改变,从而可 反应)等,这些技术工作量大且耗时,可操作性差.而 以直接影响蛋白质的构型和静电荷的变化[4].等位 收稿日期:2009—12—13 基金项目:宁夏自然科学基金资助项目(NZ0807) 作者简介:任晓月(1986一),女,宁夏中卫人,硕士研究生,主要从事植物生态学研究 通信作者:陈彦云,研究员,主要从事植物生态学研究,E—mail:nxchenyy@163.tom 第2期 任晓月等:等位酶技术在植物遗传多样性研究中的应用 49 酶技术的基本原理就是根据电荷性质的差异,通过 蛋白质电泳或色谱技术和组织化学染色显示出等位 酶的不同形式,从而推断假定酶基因位点的所有等 位基因的存在 ].因为蛋白质是DNA编码的产物, 所以使用等位酶技术的一个最基本的根据是,酶在 电场里移动性的改变反映了编码DNA顺序上的改 变,因为酶谱类型是遗传的;第二个根据是,大多数 酶的不同形式都是等显性的,即1个基因位点上的 2个或多个等位基因都是能表达的,由它们所编码 的多肽链形成的酶蛋白质在凝胶上作为酶基因的表 现型都能显示出色带来,从而能被人们看见 J. 1.2等位酶分析技术的发展 1959年,Market等首次提出同工酶的概念. 1966年,Hubby等将同工酶电泳分析首次用于估计 人类的遗传变异和果蝇天然居群的遗传变异群_8], 之后同工酶电泳分析在动物研究中被广泛使用.随 着资料的积累和方法上的需要,Riohardson等 ]出 版了《等位酶电泳一动物系统学和居群研究手册》. 在植物研究中利用同工酶技术则起步稍晚一 点.Gottileb【 u首次用于种子植物,Soltis等口2J开 始用于蕨类植物,Cummins等 副在苔鲜植物的遗传 多样性、系统学和进化研究中也开始使用同工酶资 料.自此以后,同工酶的资料开始被广泛地应用于植 物的遗传多样性、系统学和进化研究中.1969年,等 位酶概念从广义的同工酶概念中分离出来,使等位 酶分析技术成为一种更为有效的遗传多样性检测技 术.目前,此技术已得到广泛应用,国际上已有了一 套非常成熟的电泳、染色、遗传分析和数据处理的方 法[1 ,并能对大批基因位点进行定量研究 .然 而,等位酶分析技术仍存在一些弱点,比如实验结果 随植物不同发育时期、器官及环境而变化;可利用的 遗传位点数量比较少,常规电泳方法只能检测出 DNA序列中1/4左右的碱基替换;对电泳分析的样 品要求较高 . 2 等位酶分析技术在植物遗传多样性 中的应用 等位酶分析技术具有较宽的应用范围,对研究 种以下类群的居群遗传学结构、遗传多样性、繁育系 统、探查无性系、地理变异、种间界线、近期系统发育 重建、标本鉴定、推断杂种或多倍体的亲本、类群间 的亲缘性等都有巨大的潜力[ ].Wolff_2o]以车前属 的P.majOr",P.COFOnOpus,P.1anceolata为材料,利 用等位酶淀粉凝胶电泳技术,分析比较3个种的繁 殖系统及形态变异能力,结果表明:P.COTO ̄2OpLtS和 P.1anceolata为自交繁育系统,具有相似的形态变 异但变异较低,而P.major则有较高的形态变异. 崔继哲等 】]应用等位酶分析方法,测定了松嫩平原 南部微生境下羊草灰绿色和黄绿色2种生态型9个 种群的遗传多样性及遗传分化程度,表明羊草种、种 群和生态型水平都维持较高的遗传多样性,2种生 态型之间有明显的遗传多样性差异及遗传分化.Li 等【_2 利用等位酶技术、RAPD和SSR(微卫星 DNA)分子标记法对以色列Amraiad区的野生二粒 小麦(Triticum dicoccoides)进行遗传多样性分析, 结果表明:RAPD和SSR区的野生二粒小麦的亚种 群内部遗传多样性高于等位酶区;而等位酶区亚种 群问的遗传变异大于RAPD和SSR区,可能是由 于干旱气候选择的结果.张颖娟等 应用等位酶分 析方法对鄂尔多斯特有种四合木种群进行研究,发 现四合木在种群水平上维持较高的遗传多样性,大 部分遗传多样性存在于种群内,而种群间遗传分化 很低.李洪梅等 采用等位酶分析法对中国沙棘与 俄罗斯沙棘的8个品系的遗传多样性进行分析,结 果表明:沙棘具有丰富的遗传多样性.Grubbs等_2 采用聚丙烯酰胺凝胶电泳技术对美国北部人参32 个天然居群和12个栽培品种的遗传多样性和居群 结构进行检测,结果发现:天然居群内遗传多样性较 低,但居群问具有较高水平的遗传变异.杨敏生 等l2阳从欧洲中部及美国收集了18个刺槐种源种 子,以2年生苗木为材料,采用水平切片淀粉凝胶电 泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳对11个酶系统进行检测, 共发现20个酶位点,其中14个为多态位点,多态位 点百分数为7O .Persson等L2 采用等位酶分析技 术对欧洲榛(Corylus avellana L.)的4O个天然群 体进行遗传多样性分析,结果表明:欧洲榛种群间分 化显著,边缘种群内部遗传多样性低于中心区,其遗 传多样性指标基因分化系数(Gst)为l9.7 ,丰富 度为24 ,原因可能为冰河期过后物种大暴发形成 的瓶颈效应所致.Chang等口 采用聚丙烯酰胺凝胶 电泳技术对韩国濒危植物Megaleranthis saniculi~ folia的27个酶位点进行检测,发现M.saniculifo— lia具有较高的遗传多样性和一定程度的遗传分化, 每个位点平均等位基因数为1.47,多态位点百分率 为4o ,平均预期杂合度为0.088,居群间存在27. 1 的遗传变异.袁庆华等L2 利用等位酶分析技术 将采自北京及其周边地区的14个野生胡枝子属植 物进行了遗传分析,发现胡枝子属植物各居群间存 在较高的遗传分化程度.罗建勋等¨3。。也应用等位酶 分析法对中国西部亚高山特有树种云杉(Picea as— perata)10个天然群体的300个个体的遗传多样性 和遗传分化进行研究,结果表明:云杉群体间等位基 因的频率分化显著,其他云杉属树种基因的渐渗、群 体微生境差异和不同强度的选择压力可能是造成群 50 农业科学研究 第31卷 体间分化显著的主要原因.Segarra—Moragues等 利用水平淀粉凝胶电泳技术对车前草科柳穿鱼属的 蛋黄草(Toadflaxes(Linaria Miller))进行遗传多 反映现存物种的相对遗传关系,而且可以解释物种形 成与灭绝的机制,有利于揭示保持生态系统功能稳定 性和弹性的规律,确保制定各种政策和对策的科学性, 使经济、社会同自然资源、生态系统协调发展,对最终 实现可持续发展的战略目标具有重大意义. 样性分析,结果发现:蛋黄草遗传多样性很高,平均 等位基因有效数目(Ae)为2.28,总的遗传多样性 (HT)为0.24,种群内多样性(HS)为93.99 .杨艳 等[3 采用不连续系统的聚丙烯酰胺垂直板凝胶电 泳对新疆新麦草的5个天然居群和1个栽培种遗传 多样性和居群结构进行等位酶分析,结果表明:新麦 参考文献: [11 马克平.试论生物多样性的概念[J].生物多样性, 1993,1(1):20—22. 草具有丰富的遗传多样性,其多样性可能与生境、人 工驯化、风媒异交等因素有关.Potenko[3。 对俄罗斯 远东地区的12个冷杉种群的2O个酶位点进行水平 淀粉凝胶电泳分析,分析表明:冷杉遗传多样性水平 较高,平均每个位点等位基因数为2.63,多态位点百 分数为88.1 ,实际杂合度为0.181,期望杂合度为 0.189.Chung等口 采用水平淀粉凝胶电泳技术对 韩国南部濒危物种圆叶石豆兰和槐叶萍进行等位酶 变异分析,结果发现:种群内部遗传多样性极低,圆 叶石豆兰的平均期望杂合度(He)为0.O11,槐叶萍 的He为0.002;而居群间遗传分化水平较高,圆叶 石豆兰居群间遗传分化系数(Fst)为0.253,槐叶萍 的Fst为0.899,表明外源基因的流入对韩国南部石 生和附生植物种群基因的形成具有重要作用.胡红菊 等_3朝利用超薄平板微型聚丙烯酰胺凝胶等电聚焦电泳 技术,对286份梨材料进行等位酶遗传变异分析,发现 梨属植物具有丰富的遗传多样性,可用等位酶基因型 指纹区分与鉴定梨品种.曹酷等 利用等位酶分析技 术对24份扁蓿豆种质材料进行分析,发现扁蓿豆具有 较高的遗传多样性.廖卉荣等[3 对紫丁香的4个天然群 体进行等位酶聚丙烯酰胺凝胶电泳分析,从28个酶系统 中筛选出6个具有多态性的酶系统,标记了8个多态性 基因位点、22个等位基因,发现多个等位基因位点与群 体环境因子之间存在显著相关,表明这些多态性酶位点 具有明显的生态适应性.总之,就目前来看,等位酶分析 技术仍然是了解天然居群遗传结构、基因丰富度以及栽 培作物种质资源遗传多样性最重要的手段. 3 结语 等位酶分析技术在植物遗传多样性研究中的应 用已积累了丰富的资料,在采样原则、实验方法、数 据处理和结果分析方面形成了一套统一的标准,并 建立起检测种群遗传分化、遗传多样性和基因流水 平上的定量指标,使不同物种的研究结果可以在共 同的基础上进行比较_3 .等位酶分析技术的应用扩 大了人们对生物遗传变异和进化的认识,使人们对 自然界物种的遗传结构有更进一步的了解. 对植物遗传多样性的进一步深入研究,不仅可以 [2]毕玉芬,卢欣石.植物遗传多样性及种群生态学研究进 展[J].甘肃农业大学学报,1999,34(1):1-5. 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Key words:allozyme;plants;genetic diversity;application (责任编辑、校对魏乐)