中国芒属植物种质资源遗传多样性和系统发育关系的研究

Miscanthus Andersson (Poaceae) is a kind of tall perennial grass with the characteristics of high photosynthetic efficiency, high biomass yield, extensive adaptability, low input and high stress resistance,etc. In recent years, Miscanthus Andersson has attracted considerable attentions as one of the most promising bioenergy crops. China is the distributing center of Miscanthus species, but we know less to date about the genetic diversity level in Miscanthus germplasms, and the taxonomic system of Miscanthus that was established based on morphological markers has been debated for a long time, which hinder our utilization on Miscanthus. In recent research, we collected 1,150 accessions of wild Miscanthus germplasms from the different areas of China, and based on which, in this study the morphological markers, AFLP markers and nuclear and chloroplast DNA sequences (Adh1, ncpGS,trnL-F and rpl16) will be used to evaluate the genetic diversity and phylogenetic relationship of Miscanthus. This study will provide a theory basis for further researches on the rational germplasm protection, elite gene discovery, genetic improvement and cultivar development.

芒属植物是一类具有高光效、高生物量、低成本、强适应性和耐瘠薄等特性的多年生高大禾草，近年来被认为是最具开发利用潜力的能源作物之一，受到国内外的高度关注。我国是世界上芒属种质资源最为丰富的国家，但对其遗传多样性状况缺乏系统的研究和了解，并且基于形态学标记所建立的芒属分类体系目前还存在较大的分歧，严重阻碍了我们对于该类重要资源植物的开发和利用。我们已收集和保存了芒属不同种、不同基因型的野生种质资源1,150多份，在此基础之上，本项目拟综合采用形态学标记、AFLP分子标记以及DNA片段(Adh1、ncpGS、trnL-F和rpl16)测序分析等研究方法，来揭示芒属不同种质资源间的遗传多样性及系统发育关系，旨在阐明芒属种质资源的遗传基础，掌握其遗传分化特点及系统发育规律，为进一步开展对该类种质资源的合理保护、优异基因资源的挖掘、种质创新和新品种选育等研究提供理论依据。

本项目采用形态学标记、AFLP 分子标记以及Adh1、trnL-F和rpl16序列测序分析等方法，研究芒属不同种质资源间的遗传多样性及系统发育关系。主要结果如下：.①芒属植物表型性状在种内和种间的变异系数均达到了50%以上，具有丰富的遗传多样性。其中株型和茎秆腋芽数的变异度在4个种内均较小，表明株型、茎秆腋芽数具有种内的特异性，能将荻和南荻与芒和五节芒明显区分开来。茎秆的性状是影响芒属植物遗传多样性的主要因素，对基因型的贡献较大。表型性状聚类图中，芒、五节芒、荻和南荻材料分别聚成一个分支，说明部分形态标记能够鉴别大部分芒属植物种类。 .②利用AFLP分析技术对4个种的107份材料和10份芒属植物近缘属材料，以及2份芒属植物杂交种进行遗传多样性分析。结果表明：119份材料聚类成3个明显的大分支，南荻和荻构成第1分支，芒、五节芒及杂交种构成第2分支，近缘物种蔗茅、芦竹、狼尾草和甜根子构成第3大支。上述结果表明南荻和荻亲缘关系较近，五节芒和芒亲缘关系较近，且南荻和荻的亲缘关系较五节芒和芒的亲缘关系更近；而近缘属蔗茅、芦竹、狼尾草和甜根子与芒属植物亲缘关系较远。.③完成了芒属植物trnL-F 、rpl16和Adh1等序列的克隆测序分析和系统学分析。结果显示，分别基于3种序列所构建的系统树，其拓扑结构和分支结果大致相同，即芒、五节芒构成系统树中一大分支、荻和南荻构成另一大分支。这个结果表明五节芒和芒的亲缘关系较近，荻和南荻的亲缘关系较近，且荻和南荻的序列相似性大于五节芒和芒的相似性，与上述AFLP分析结论一致。芒属植物的Adh1序列遗传分化大于trnL-F 、rpl16序列，推测原因是Adh1序列来源于核基因组，而trnL-F、rpl16序列来源于叶绿体基因组，核基因组的变异度大于叶绿体基因组；并且芒属植物的自交不亲和性加强了种间的核基因交流，所以核基因组的遗传分化更复杂。.综上所述，芒和五节芒可以作为芒属植物下的2个并列种，荻和南荻更适合并为一个种；且叶绿体基因组分析更适合作为植物系统发育分析的手段。