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泰沂山区苹果属植物系统学研究

作　者: 李慧峰
导　师: 吕德国
学　校: 沈阳农业大学
专　业: 果树学
关键词: 泰沂山区苹果属植物系统学表型数量分类 ITS trnL-trnF cpSSR
分类号: S661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

苹果属植物具有重要的经济意义,已经成为植物学、园艺学以及其他相关领域的研究热点。但本属植物难于鉴定,尤其栽培种没有模式植物,在一些研究文献中经常出现名不副实的现象,严重影响本属植物的深入研究和利用。因此,急需建立科学规范的分类体系。泰沂山区是我国苹果属植物资源较为丰富的地区之一,除特有的湖北海棠种下茶山海棠、泰山海棠2个类型外,其他种均为栽培类型,变异丰富,杂交现象严重,存在大量的种间过渡类型,因此同名异物、同物异名现象严重。20世纪50年代至70年代末,研究人员对该地区的苹果属植物资源进行过较大规模的收集保存及优良砧木选育工作,为《山东果树志》苹果砧木资源的编写工作奠定了坚实基础。现有关于泰沂山区苹果属植物资源的介绍多局限于简单资源归类,性状描述不够详细,使该区苹果属资源开发利用受到限制。本研究针对泰沂山区苹果属植物资源较为丰富的特点,进行了较大范围收集保存工作,在借鉴国内现有苹果属植物分类体系的基础上,引进数量分类方法,建立简化的中国苹果属植物数量化分类体系,对泰沂山区苹果属植物进行鉴定,明确其归属。结合应用不同来源的DNA序列及cpSSR分子标记技术,从分子系统学角度阐述泰沂山区苹果属植物资源系统学关系,主要研究结果如下。1.运用数量分类方法对27种中国苹果属植物进行表型系统分类,通过R型聚类明确了中国苹果属植物种间鉴定的49个独立性状,通过Q型聚类将中国苹果属植物分为2大组,即花楸苹果组和真苹果组,真苹果组中又将苹果系与山荆子系明确区分。主成分分析表明,新疆野苹果与所有栽培种聚在一起,花楸苹果组与真苹果组的野生种聚在一起。运用该数量分类体系对泰沂山区102份资源进行了有效鉴定。鉴定结果表明,泰沂山区苹果属植物主要存在西府海棠、楸子、沙果、苹果、湖北海棠、三叶海棠6个种,每个种均存在2个种下类型。西府海棠2个代表类型分别为难咽和林檎,楸子的代表类型为烟台沙果和茶果子,三叶海棠分黄三叶和红三叶,湖北海棠主要代表类型为平邑甜茶和泰山海棠,沙果主要分黄色品种群和红色品种群。难咽与林檎的主要区分性状为花蕾颜色、果梗长度、果实直径；楸子两大类型区分的关键性状是果实直径、花冠大小、叶片长度；平邑甜茶与泰山海棠区分的主要性状是果实直径、花梗着毛、花蕾颜色、花瓣颜色、花冠大小、叶片宽度；三叶海棠两个类型区分的主要性状是果面盖色、花冠大小、叶片大小；沙果黄色品种群与红色品种群的区别性状主要为果面盖色、花冠大小、叶片长度。2.泰沂山区苹果属植物ITS序列(含5.8S)全长为593-665bp,各样品种间的碱基组成有一定差异,4种核苷酸量平均为A=17.95%,G=32.36%,T=17.59%,C=32.26%。ITS序列的G+C含量较高,都在50%以上,平均含量为64.46%。当空位(gap)作缺失处理时,ITS全序列的长度为629位点,其中301个变异位点,234个为系统发育的信息位点,变异位点和信息位点分别占47.85%和37.20%。ITS序列在苹果属植物内进化速率较快,提供的变异位点较多,在种间的系统发育重建研究中可以提供较丰富的信息,NJ树与MP树分支结构基本一致,主要有4大分支,野生种山荆子与湖北海棠2个种下类型泰山海棠、平邑甜茶处于同一分支,位于系统树较低部位,第二分支包括少部分沙果和西府海棠,第三分支主要为新疆野苹果和沙果,第四分支包括苹果、沙果、楸子、西府海棠,位于系统树的最顶端,各分支支持率均在60%以上。聚类结果也表明野生种与栽培种可以明确分开,同时也证明栽培种亲缘关系复杂,并且形成途径复杂。沙果、西府海棠、楸子中可能均存在一些进化类型。泰沂山区苹果属植物trnL-trnF序列,不同试材之间长度差异较大,最长为1064bp,最短为945bp,平均长度为996bp。G+C含量较低,变化范围在31.11%～32.89%之间,材料间几乎无差异。所测样品碱基组成A=33.52%,G=16.02%,T=34.35%,C=16.11%。当空位(gap)作缺失处理时,trnL-trnF全序列的长度为1004位点,其中29个变异位点,12个为系统发育的信息位点,变异位点、信息位点分别占2.89%和1.20%,序列相当保守,无法为泰沂山系苹果属植物的系统学关系提供足够证据。以trnL-trnF序列与ITS序列构建的系统发育树存在较大差异,但都证明泰沂山区苹果属植物栽培种形成过程及遗传背景复杂,很多资源虽为同一个种但其杂交亲本可能来自不同种,甚至多次杂交。3.12对供试cpSSR引物中仅有4对适合泰沂山区苹果属植物遗传多样性分析,这些引物分别是ccmp2、ccmp4、ccmp5、cicp9,这4对引物均检测出泰沂山区苹果属植物遗传多样性。4对引物从36份资源中共扩增出177个DNA位点,多态性比率为76.27%；UPGMA聚类结果显示,cpSSR标记能将36份泰沂山区苹果属植物资源完全分开,在距离系数1.82处将其分为2大类,山荆子与湖北海棠的2个种下类型泰山海棠、平邑甜茶处于同一分支,西府海棠、楸子、沙果、苹果位于另一分支,呈交互聚类状,与核基因组ITS序列构建的系统树结果基本一致,同样支持栽培种与野生种分开的观点,也表明栽培种之间亲缘关系复杂。本研究结果初步表明,数量分类方法可以有效解决中国苹果属植物分类鉴定问题,栽培种和野生种可以独立分开,栽培种的祖先应为新疆野苹果,栽培种形成过程复杂,遗传背景复杂,亲本来源多样。泰沂山区苹果属植物主要包括5个种,10个类型。基于核基因组ITS构建的系统树与基于cpSSR标记构建的系统树结果基本一致,在一定程度上可以支持表型分类结果。基于叶绿体基因组trnL-trnF序列构建的系统树无法有效解决泰沂山区苹果属植物系统学关系。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
缩略词表  13-14
第一章文献综述  14-28
  1.1 系统学  14
  1.2 表型系统学  14-17
  1.3 分子系统学  17-18
  1.4 植物分子系统学  18-24
    1.4.1 叶绿体基因组DNA(cpDNA)序列  19-20
    1.4.2 核基因组DNA(nDNA)序列  20-22
    1.4.3 分子系统学常用的分析方法  22-23
    1.4.4 分子系统学常用的分析软件  23-24
  1.5 苹果属植物分子系统学研究  24-26
  1.6 本研究的目的和意义  26-27
  1.7 基本思路  27-28
第二章泰沂山区苹果属植物表型系统学研究  28-54
  2.1 材料与方法  29-33
    2.1.1 材料  29-31
    2.1.2 方法  31-33
  2.2 结果与分析  33-48
    2.2.1 中国苹果属植物数量分类  33-39
    2.2.2 泰沂山区苹果属植物数量分类  39-41
    2.2.3 泰沂山区主要苹果属植物种下类型鉴定  41-48
  2.3 讨论  48-52
    2.3.1 关于中国苹果属植物Q型聚类  48-49
    2.3.2 中国苹果属植物主要分类性状特点及意义  49-51
    2.3.3 泰沂山区苹果属植物表型系统学  51-52
  2.4 小结  52-54
第三章基于DNA序列泰沂山区苹果属植物系统学研究  54-76
  3.1 材料和方法  54-61
    3.1.1 材料  54-57
    3.1.2 植物总基因组提取与检测  57
    3.1.3 ITS引物的选择与cpDNA片段筛选  57-58
    3.1.4 PCR扩增体系  58
    3.1.5 测序  58-61
    3.1.6 序列排列及其数据分析  61
  3.2 结果与分析  61-63
    3.2.1 泰沂山区苹果属植物ITS序列分析及其系统发育  61-62
    3.2.2 泰沂山区苹果属植物trnL-trnF序列分析及其系统发育  62-63
  3.3 讨论  63-66
    3.3.1 泰沂山区苹果属植物ITS序列与trnL-trnF序列特点  63
    3.3.2 ITS序列在苹果属植物系统学研究中的价值  63-64
    3.3.3 基于ITS序列构建泰沂山区苹果属植物系统学关系  64-65
    3.3.4 基于trnL-trnF序列在苹果属植物系统学研究中的价值  65-66
    3.3.5 基于trnL-trnF序列构建泰沂山区苹果属植物系统学关系  66
  3.4 小结  66-76
第四章基于cpSSR标记泰沂山区苹果属植物系统学研究  76-82
  4.1 材料与方法  76-79
    4.1.1 材料  76-77
    4.1.2 cpSSR引物合成  77-78
    4.1.3 多态性检测  78
    4.1.4 聚类分析  78-79
  4.2 结果与分析  79-80
    4.2.1 cpSSR引物的筛选  79
    4.2.2 相似系数分析  79
    4.2.3 聚类分析  79-80
  4.3 讨论  80-81
  4.4 小结  81-82
第五章全文结论  82-84
  5.1 主要结论  82
  5.2 创新点  82-83
  5.3 下一步研究设想  83-84
参考文献  84-92
附录  92-127
致谢  127-128
攻读学位论文期间发表的文章  128

泰沂山区苹果属植物系统学研究

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