張文珺, 徐娜娜,①, 李霞芳, 王夢(mèng)薇, 胡芳露, 可建偉, 翁益松
(1. 浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院, 浙江 舟山 316022; 2. 舟山市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 浙江 舟山 316021)
浮萍(duckweed)是一類廣泛分布于淡水生境的浮水植物,全世界共5 屬37 種,紫萍屬(SpirodelaSchleid.)和蘭氏萍屬(LandoltiaLes et Crawford)是浮萍科(Lemnaceae)中包含種類數(shù)較少的屬,前者有紫萍〔S.polyrhiza(Linn.) Schleid.〕和S.intermediaW.Koch 2 種,后者僅蘭氏萍〔L.punctata(G. Meyer)Les et D. J. Crawford〕1 種[1]。 值得一提的是,蘭氏萍曾劃入紫萍屬,中文學(xué)名少根紫萍,拉丁學(xué)名S.oligorrhiza(Kurz) Hegelm.,后根據(jù)葉綠體基因rpl16、rps16和atpF-atpH序列以及基因組DNA 的AFLP 分析結(jié)果劃入蘭氏萍屬[1-2]。 紫萍和蘭氏萍廣布于全球熱帶及溫帶地區(qū),在中國(guó)南北各省均有分布,常見于水田、池塘、湖灣和水溝等地[3]。 這2 種浮萍葉狀體扁平,背面常呈紫色,但二者的單葉狀體根數(shù)存在明顯差異,其中,紫萍的單葉狀體根數(shù)為7 ~21,而蘭氏萍的單葉狀體根數(shù)為2 ~7[2];二者的葉狀體形態(tài)也存在一定差異,其中,紫萍的葉狀體呈闊倒卵形,而蘭氏萍的葉狀體呈長(zhǎng)橢圓形至狹倒卵形[3]。
浮萍是被子植物中體型較小的一類植物,其繁殖方式以無性繁殖為主。 相關(guān)研究結(jié)果表明:紫萍中抑制性成熟基因miR156的位點(diǎn)數(shù)為24 ~32,多于雙子葉植物擬南芥〔Arabidopsisthaliana(Linn.) Heynh〕(10)和單子葉植物水稻(OryzasativaLinn.)(19),而促進(jìn)性成熟基因miR172的位點(diǎn)數(shù)僅為1[4];在自然環(huán)境中,紫萍以無性繁殖為主,當(dāng)環(huán)境條件適宜時(shí)2 d即可克隆出1 代[5],導(dǎo)致其種群遺傳多樣性較低[6-7]。 浮萍具有極強(qiáng)的無性繁殖能力,能夠在含有有機(jī)物的污水中快速生長(zhǎng)[8],并且對(duì)氮、磷和重金屬以及一些特定污染物也具有較強(qiáng)的吸收和利用能力[9-13],可用于治理富營(yíng)養(yǎng)化水體和多種污水。 然而,不同種類浮萍甚至同一種類不同個(gè)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素和污染物的吸收和利用效率存在很大差異[14-18],因此,探究與浮萍生長(zhǎng)性狀相關(guān)的分子標(biāo)記對(duì)于選育及應(yīng)用浮萍治理污水具有重要的實(shí)際意義。
鑒于此,作者選取紫萍和蘭氏萍各3 個(gè)克隆,分別獨(dú)立培養(yǎng),對(duì)所有克隆分株的生長(zhǎng)性狀(包括單株葉狀體數(shù),單葉狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)以及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度)進(jìn)行分析,基于微衛(wèi)星標(biāo)記擴(kuò)增結(jié)果對(duì)6 個(gè)克隆各微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型進(jìn)行分析,并對(duì)各微衛(wèi)星位點(diǎn)與2 種浮萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析,還對(duì)2 種浮萍各微衛(wèi)星位點(diǎn)不同基因型間的生長(zhǎng)性狀進(jìn)行多重比較,以期為應(yīng)用這些微衛(wèi)星標(biāo)記進(jìn)行紫萍和蘭氏萍的選育提供參考依據(jù)。
供試的紫萍3 個(gè)克隆和蘭氏萍3 個(gè)克隆分別采自舟山本島的6 個(gè)淡水水域,依次編號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。 每個(gè)水域只選擇1 個(gè)葉狀體相連且完整的克隆植株,置于光照培養(yǎng)箱中使用稀釋100 倍的培養(yǎng)液進(jìn)行單獨(dú)培養(yǎng)。 培養(yǎng)液母液包含0.320 g·L-1氮、0.120 g·L-1五氧化二磷、0.200 g·L-1氧化鉀、0.013 g·L-1氧化鎂、0.017 g·L-1硫,且微量元素含量大于等于0.002 g·L-1;培養(yǎng)條件為溫度(23.0±0.5) ℃、空氣相對(duì)濕度(78±5)%、光照度2 000 lx、光照時(shí)間16 h·d-1。 培養(yǎng)2 個(gè)月后,對(duì)所有克隆分株的生長(zhǎng)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和測(cè)量,每個(gè)克隆植株隨機(jī)選取10 個(gè)完整的克隆分株提取基因組DNA。
1.2.1 生長(zhǎng)性狀的統(tǒng)計(jì)和測(cè)量 統(tǒng)計(jì)每個(gè)克隆分株上葉狀體的數(shù)量,即單株葉狀體數(shù);統(tǒng)計(jì)每個(gè)葉狀體上根的數(shù)量,即單葉狀體根數(shù);使用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)量每個(gè)葉狀體的長(zhǎng)度和寬度以及每條根的長(zhǎng)度,并計(jì)算單葉狀體的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)。
1.2.2 微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型分析 用硅膠分別對(duì)紫萍和蘭氏萍的完整克隆分株進(jìn)行干燥;取0.1 g 樣品,采用改良的CTAB 法[19]提取基因組DNA。 選取19 對(duì)微衛(wèi)星引物[20]進(jìn)行擴(kuò)增反應(yīng),各引物的序列及特征見表1。 所有引物由北京華大基因公司合成。
表1 供試19 對(duì)微衛(wèi)星引物的序列及特征Table 1 Sequences and characteristics of 19 pairs of microsatellite primers tested
用Bio-Rad T100 PCR 儀(美國(guó)Bio-Rad 公司)進(jìn)行擴(kuò)增反應(yīng),擴(kuò)增體系總體積20 μL,包括4 UTaqDNA 聚合酶〔生工生物工程(上海)股份有限公司〕、2 μL 10×PCR buffer、0.8 mmol·L-1dNTPs、0.3 mmol·L-1正向引物、0.3 mmol·L-1反向引物、50 ~100 ng DNA 模板,ddH2O 補(bǔ)足體積。 擴(kuò)增程序:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 s、53 ℃~58 ℃退火35 s、72 ℃延伸40 s,共35 個(gè)循環(huán);最終72 ℃延伸3 min。用ABI 3730XL 測(cè)序儀(美國(guó)ABI 公司)檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析各微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型。
采用SPSS 19.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;根據(jù)數(shù)據(jù)的方差齊性采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)和Dunnett T3 檢驗(yàn)法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較;應(yīng)用一般線性模型(GLM)對(duì)各微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍和蘭氏萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行最小二乘法分析[21-22]。
紫萍和蘭氏萍不同克隆生長(zhǎng)性狀的比較結(jié)果見表2。 由表2 可以看出:紫萍克隆Ⅱ的單株葉狀體數(shù)最少(2.7),克?、窈廷蟮膯沃耆~狀體數(shù)均為2.9;克?、蟮膯稳~狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度均最大,克隆Ⅱ的單葉狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)均最小,克?、竦娜~狀體的長(zhǎng)度和寬度均最小。 蘭氏萍克?、龅膯沃耆~狀體數(shù)及單葉狀體的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)均最大,克?、舻膯稳~狀體根數(shù)及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度均最大;克?、舻膯沃耆~狀體數(shù)以及克隆Ⅵ的單葉狀體根數(shù)均最少,克隆Ⅴ的葉狀體的長(zhǎng)度和寬度及單葉狀體的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)均最小。 總體來看,紫萍克?、蟮纳L(zhǎng)性狀優(yōu)于克?、窈廷虻纳L(zhǎng)性狀,蘭氏萍克隆Ⅳ和Ⅵ的生長(zhǎng)性狀優(yōu)于克?、醯纳L(zhǎng)性狀。
由表2 還可以看出:紫萍單葉狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)及葉狀體寬度在3 個(gè)克隆間存在顯著(P<0.05)差異,蘭氏萍的各生長(zhǎng)性狀在3 個(gè)克隆間也存在顯著差異。
表2 紫萍和蘭氏萍不同克隆生長(zhǎng)性狀的比較(±SE)1)Table 2 Comparison on growth traits of different clones of Spirodela polyrhiza (Linn.) Schleid. and Landoltia punctata (G. Meyer) Les et D. J.Crawford (±SE)1)
表2 紫萍和蘭氏萍不同克隆生長(zhǎng)性狀的比較(±SE)1)Table 2 Comparison on growth traits of different clones of Spirodela polyrhiza (Linn.) Schleid. and Landoltia punctata (G. Meyer) Les et D. J.Crawford (±SE)1)
1)N: 單株葉狀體數(shù) Number of frond per plant; N: 單葉狀體根數(shù) Number of root per frond; L: 單葉狀體總根長(zhǎng) Total length of root per frond;F R T LM:?jiǎn)稳~狀體平均根長(zhǎng)M eanleng thofrootp er fron d;LF : 葉狀體 長(zhǎng)度L engt hoffrond; WF: 葉狀體 寬度Widthoffrond.同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Differentlowercasesinthesamecolumnindicatethesignificant(P<0.05)difference.
克隆Clone紫萍的生長(zhǎng)性狀 Growth traits of S. polyrhiza NF NR LT/mm LM/mm LF/mm WF/mmⅠ2.9±0.1a 2.6±0.1ab 20.457±1.938b 2.746±0.211b 5.764±0.233a 4.167±0.184bⅡ2.7±0.1a 2.4±0.1b 15.933±1.377b 1.875±0.122c 6.029±0.212a 4.702±0.167abⅢ2.9±0.1a 2.9±0.1a 35.769±2.767a 3.531±0.174a 6.398±0.170a 4.944±0.148a克隆Clone蘭氏萍的生長(zhǎng)性狀 Growth traits of L. punctata NF NR LT/mm LM/mm LF/mm WF/mmⅣ3.0±0.1b 2.3±0.1a 28.361±2.587b 3.791±0.290b 4.109±0.155a 2.538±0.077aⅤ3.1±0.1b 2.2±0.1a 20.707±1.983b 2.534±0.195c 3.369±0.158b 2.157±0.086bⅥ3.5±0.1a 2.0±0.0b 37.289±2.935a 5.816±0.463a 3.477±0.105b 2.215±0.061b
表3 紫萍和蘭氏萍不同克隆各微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型分析Table 3 Analysis on genotypes of different clones of Spirodela polyrhiza (Linn.) Schleid. and Landoltia punctata (G. Meyer) Les et D. J. Crawford at each microsatellite locus
檢測(cè)結(jié)果顯示:在紫萍和蘭氏萍的6 個(gè)克隆中共檢測(cè)到50 個(gè)等位基因,平均每個(gè)位點(diǎn)的等位基因數(shù)為2.6。 并且,每個(gè)克隆隨機(jī)選出的10 個(gè)克隆分株的多位點(diǎn)基因型相同,紫萍3 個(gè)克隆和蘭氏萍3 個(gè)克隆為6 個(gè)不同的多位點(diǎn)基因型,說明供試的紫萍和蘭氏萍植株均為克隆繁殖植株。 紫萍和蘭氏萍不同克隆微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型分析結(jié)果見表3。 由表3 可以看出:紫萍3 個(gè)克隆在Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位點(diǎn)的基因型不同,在其余15 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型相同;蘭氏萍3 個(gè)克隆在Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53位點(diǎn)的基因型不同,在其余11 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型相同。 供試的2 種浮萍6個(gè)克隆在Sp4、Sp12、Sp28、Sp29和Sp43位點(diǎn)的基因型相同,并且,除Sp28位點(diǎn)外,其余4 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)均只有1 個(gè)等位基因。
根據(jù)各微衛(wèi)星位點(diǎn)基因型的分析結(jié)果,分別對(duì)4 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)(包括Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位點(diǎn))與紫萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性以及8 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)(包括Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53位點(diǎn))與蘭氏萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行F檢驗(yàn),結(jié)果分別見表4 和表5。
由表4 可以看出:Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位點(diǎn)與紫萍單葉狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)性極顯著(P<0.01),Sp30位點(diǎn)與紫萍葉狀體的長(zhǎng)度和寬度的關(guān)聯(lián)性顯著(P<0.05),Sp25位點(diǎn)與紫萍葉狀體寬度的關(guān)聯(lián)性也顯著,其余各微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性均不顯著。
表4 微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍生長(zhǎng)性狀關(guān)聯(lián)性的F 檢驗(yàn)結(jié)果1)Table 4 Result of F-test on associations of microsatellite loci with growth traits of Spirodela polyrhiza (Linn.) Schleid. 1)
表5 微衛(wèi)星位點(diǎn)與蘭氏萍生長(zhǎng)性狀關(guān)聯(lián)性的F 檢驗(yàn)結(jié)果1)Table 5 Result of F-test on associations of microsatellite loci with growth traits of Landoltia punctata (G. Meyer) Les et D. J. Crawford1)
由表5 可以看出:除Sp51位點(diǎn),其余位點(diǎn)(即Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp52和Sp53位點(diǎn))與蘭氏萍單株葉狀體數(shù)和單葉狀體根數(shù)的關(guān)聯(lián)性極顯著;Sp10、Sp14、Sp42、Sp47、Sp52和Sp53位點(diǎn)與蘭氏萍葉狀體的長(zhǎng)度和寬度的關(guān)聯(lián)性極顯著,Sp51位點(diǎn)則與蘭氏萍葉狀體的長(zhǎng)度和寬度的關(guān)聯(lián)性顯著;Sp16、Sp51和Sp53位點(diǎn)與蘭氏萍單葉狀體的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)性極顯著。
各微衛(wèi)星位點(diǎn)不同基因型間紫萍和蘭氏萍生長(zhǎng)性狀的多重比較結(jié)果分別見表6 和表7。
由表6 可以看出:Sp25、Sp30、Sp47和Sp53位點(diǎn)不同基因型間紫萍單株葉狀體數(shù)的差異均不顯著。Sp25位點(diǎn)CE 基因型、Sp30位點(diǎn)AB 基因型、Sp47位點(diǎn)BD 基因型和Sp53位點(diǎn)BD 基因型紫萍單葉狀體
的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)均顯著(P<0.05)高于同一微衛(wèi)星位點(diǎn)其他基因型,說明這些基因型紫萍的根相對(duì)更長(zhǎng)。 此外,Sp25位點(diǎn)CE 基因型紫萍的單葉狀體根數(shù)及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度均最大;Sp30位點(diǎn)AB 基因型紫萍的單葉狀體根數(shù)及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度顯著高于BB 基因型;Sp47位點(diǎn)和Sp53位點(diǎn)BD 基因型紫萍的單葉狀體根數(shù)均顯著高于同一微衛(wèi)星位點(diǎn)其他基因型。
表7 各微衛(wèi)星位點(diǎn)不同基因型間蘭氏萍生長(zhǎng)性狀的多重比較1)Table 7 Multiple comparison on growth traits of Landoltia punctata (G. Meyer) Les et D. J. Crawford among different genotypes at each microsatellite locus1)
由表7 可以看出:除Sp51位點(diǎn)外,其余微衛(wèi)星位點(diǎn)不同基因型間蘭氏萍的單株葉狀體數(shù)和單葉狀體根數(shù)均差異顯著;除Sp16位點(diǎn)外,其余微衛(wèi)星位點(diǎn)不同基因型間蘭氏萍葉狀體的長(zhǎng)度和寬度均差異顯著;Sp16、Sp51和Sp53位點(diǎn)不同基因型間蘭氏萍單葉狀體的總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)均差異顯著。 比較發(fā)現(xiàn),8 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)多數(shù)基因型蘭氏萍的單葉狀體根數(shù)偏少,并且,Sp51和Sp53位點(diǎn)AD 基因型蘭氏萍的根明顯偏長(zhǎng)。
微衛(wèi)星標(biāo)記又稱簡(jiǎn)單重復(fù)序列(simple sequence repeats),是常用的中性分子標(biāo)記之一。 由于真核生物基因組中簡(jiǎn)單重復(fù)序列的單元重復(fù)數(shù)在個(gè)體間存在高度變異,因此,微衛(wèi)星標(biāo)記已被廣泛用于多種生物的種群遺傳結(jié)構(gòu)分析[23-26]、親緣分析[27-29]及與生長(zhǎng)性狀有關(guān)的研究工作[30-36]。 通常情況下,微衛(wèi)星標(biāo)記具有物種特異性,但也可能存在于同屬不同種類或不同屬種類的基因組DNA 中,也就是說微衛(wèi)星標(biāo)記可能具有種間標(biāo)記通用性( cross-species amplification) 或?qū)匍g標(biāo)記通用性( cross-genera amplification)[37-42]。
本研究結(jié)果表明:紫萍3 個(gè)克隆在15 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)上具有相同的基因型,其中11 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型為純合子;而蘭氏萍3 個(gè)克隆在11 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)上具有相同的基因型,其中9 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型為純合子。 紫萍和蘭氏萍的所有克隆在Sp4、Sp12、Sp28、Sp29和Sp43位點(diǎn)基因型相同,并且,除Sp28位點(diǎn)外,其余4 個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)均只有1 個(gè)等位基因,說明Sp28位點(diǎn)的基因型為雜合子,其余微衛(wèi)星位點(diǎn)的基因型均為純合子。 值得注意的是,紫萍3 個(gè)克隆在Sp6、Sp14、Sp16、Sp25、Sp36、Sp45、Sp47和Sp51位點(diǎn)的基因型和等位基因與蘭氏萍3 個(gè)克隆不同。 上述研究結(jié)果說明雖然紫萍和蘭氏萍的DNA 序列有一定的相似性,但供試的微衛(wèi)星標(biāo)記仍對(duì)紫萍和蘭氏萍具有很好的屬間標(biāo)記通用性,可用于紫萍和蘭氏萍的基因型分析。
關(guān)聯(lián)性分析結(jié)果表明:與紫萍生長(zhǎng)性狀相關(guān)的微衛(wèi)星位點(diǎn)有4 個(gè),分別為Sp25、Sp30、Sp47和Sp53;與蘭氏萍生長(zhǎng)性狀相關(guān)的微衛(wèi)星位點(diǎn)有8 個(gè),分別為Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53;并且,與紫萍和蘭氏萍生長(zhǎng)性狀共同相關(guān)的微衛(wèi)星位點(diǎn)只有2 個(gè),分別為Sp47和Sp53。 各微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍和蘭氏萍生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性存在差異,總體來看,各微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍單葉狀體的根數(shù)、總根長(zhǎng)和平均根長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)性極顯著(P<0.01),而與蘭氏萍單株葉狀體數(shù)、單葉狀體根數(shù)及葉狀體的長(zhǎng)度和寬度的關(guān)聯(lián)性極顯著。 值得注意的是,Sp53位點(diǎn)與紫萍和蘭氏萍根生長(zhǎng)性狀的關(guān)聯(lián)性均極顯著。 比較發(fā)現(xiàn),Sp47和Sp53位點(diǎn)BD 基因型紫萍的根明顯偏多且偏長(zhǎng),Sp51和Sp53位點(diǎn)AD 基因型蘭氏萍的根明顯偏長(zhǎng);并且,Sp25位點(diǎn)CE 基因型紫萍的葉狀體最多且最大,其根也最多且最長(zhǎng)。
綜上所述,供試的微衛(wèi)星標(biāo)記具有屬間標(biāo)記通用性,能用于紫萍和蘭氏萍基因型分析。 與紫萍生長(zhǎng)性狀相關(guān)的微衛(wèi)星位點(diǎn)分別為Sp25、Sp30、Sp47和Sp53,這些微衛(wèi)星位點(diǎn)與紫萍根的長(zhǎng)度和數(shù)量密切相關(guān);與蘭氏萍生長(zhǎng)性狀相關(guān)的微衛(wèi)星位點(diǎn)分別為Sp10、Sp14、Sp16、Sp42、Sp47、Sp51、Sp52和Sp53,這些微衛(wèi)星位點(diǎn)與蘭氏萍葉狀體的數(shù)量和大小以及根的數(shù)量密切相關(guān)。