濒危药用植物金钗石斛的遗传多样性及道地性形成的分子机制

Dendrobium nobile, an endangered medicinal plants, is geoherbs in Sichuan. Owing to the sharp increase in market demand, its resources are threatened with extinction and the relevant genetic background information is lacking. In this study, the accessions of D. nobile are collected from different geographical populations in Sichuan and surrounding provinces of Guizhou and Yunnan. Using both methods of population genetics, statistical genetics, and DNA fingerprinting, Genotyping-by-Sequencing techniques, and software such as SPSS22.0, NTSYS-pc2.1, Popgen32, MEGA, the genetic diversity is detected at three different levels: morphology, chemistry and molecule. The phenotypic variation, the content change of alkaloid enriched extract from D. nobile, inter-simple sequence repeat using ISSR markers and single nucleotide polymorphism based on GBS are statistically analyzed by cluster analysis. Comparison of the genetic structure，the phylogeny among different populations and the origin and evolution of geoherbs from hejiang in Sichuan are conducted. The correlation among phenotypic variation, DNA variation and ecological factors or geographic variation is discussed. We also try to screen the unique morphological, chemical and molecular logo of different geographical populations respectively. The aim is to evaluate scientifically the genetic diversity of existing resources in Sichuan, to reveal the genetic basis and molecular mechanism of geoherbs formation. So we achieve the purpose of providing scientific basis and data for the reasonable protection, sustainable utilization and breeding of germplasm resources.

金钗石斛是兰科重要的药用植物，也是四川的道地药材。由于市场需求急增，其资源面临濒危的威胁，有关遗传背景资料缺乏。本研究以四川及周边省份贵州、云南等地不同居群的金钗石斛种质资源为材料，采用群体遗传学、统计遗传学研究方法，借助DNA指纹技术和简化基因组测序技术和SPSS22.0、NTSYS-pc2.1、Popgen32等软件，分别从形态、化学、分子三个不同层面检测遗传多样性。对表型变异、有效成分石斛碱含量变化、DNA简单重复序列和单核苷酸多态性变异进行数据统计和聚类分析，比较群体的遗传结构、居群间的亲缘关系、道地居群的起源与进化。并探讨表型变异、DNA变异与生态因子、地理变异之间的相关性，寻找到道地居群特有的形态、化学和分子标识。以期对目前四川境内现存资源遗传多样性的高低进行科学的评估，阐明道地性形成的遗传成因和分子机制。为金钗石斛资源的合理保护、可持续利用以及育种提供科学依据和数据。

金钗石斛是兰科重要的药用植物，也是四川的道地药材。由于市场需求急增，其资源面临濒危的威胁，有关遗传背景资料缺乏。本研究以来源于四川、贵州和云南3省的10个不同群体的金钗石斛为材料，采用群体遗传学、统计遗传学等研究方法，借助GBS简化基因组测序技术和DPS 18.10、SIMCA 14.1、Admixture、GCTA 1.26.0、Arlequin 3.2、Dsuite 0.4等软件，开展了多元统计分析、多变量相关分析、杂合度分析，群体结构分析、PCA分析、聚类分析等。从形态、化学、分子不同层面检测了遗传多样性。结果显示：18个表型性状在不同群体间差异显著，形态上云南的金钗石斛高大、粗壮，有别于四川、贵州的金钗石斛。群体间变异是表型变异的主要来源（Vst = 65.8%），表型性状多样性丰富，表型变异呈现以经纬度为主导的地理变异模式。5种化学成分在不同群体间存在异质性，从中筛选到优质种源和特殊种质资源。四川、贵州是药用金钗石斛的传统道地产区，其中总石斛碱含量均较高。揭示了影响化学成分含量的关键环境因子。总石斛碱含量与纬度呈显著正相关。低温和低积温有利于总石斛碱的富集，存在环境胁迫效应，是逆境有利于药用植物次生代谢产物积累的又一案例。基于129份材料的GBS简化基因组测序数据，通过STRUCTURE、系统发育树和PCA 分析，除14份材料属于混合组外，其余材料被分为3组，揭示了不同材料间的亲缘关系与起源。群体内遗传变异（87.8%）大于群体间（12.2%）。群体间Nei´s遗传距离与地理距离显著相关。分子聚类与表型聚类存在异同。研究结果不仅为金钗石斛群体的遗传多样性水平提供了宝贵的信息，而且可为金钗石斛资源的合理保护、可持续利用以及育种提供科学依据。