苍术属系统发育及药用植物白术的群体遗传和栽培起源研究

【摘要】苍术属(AtractylodesDC)是东亚特有的菊科(Asteraceae)小属,为多年生草本。属内除鄂西苍术根茎不膨大不做药用外,其余各种均有地下不规则膨大或结节状根状茎入药,是药材白术和苍术的基源植物。药用植物白术(AtractylodesmacrocephalaKoidz.)是苍术属植物,为我国特产,其根茎素有“北参南术”之美誉,是著名中药材“浙八味”之一。随着中药标准化进程的推进,药用植物的种质鉴定和栽培研究也受到了越来越多的关注。本研究基于nrITS,18S-ETS和cpDNA序列构建了苍术属的系统发育树,结合形态学证据,探讨了苍术属的系统发育关系。结合cpDNA序列变异和核SSR分子标记研究了药用植物白术的遗传多样性和群体遗传结构,探讨了白术的栽培起源。检验了不同的DNA条形码在苍术属植物中的鉴定能力,并对白术的分子鉴别进行了进一步的研究。主要研究内容及结果如下：1)苍术属的系统发育通过叶绿体片段(trnL-trnF、ndhJ-trnF、trnD-psbM(?)psbE-petL)和核核糖体RNA基因片段(ITS和18S-ETS)研究了苍术属的系统发育(包括分布中国、韩国和日本的苍术属植物,共5个种、1个亚种和1个栽培类群,共计79个样本)。基于叶绿体序列和核基因片段的系统发育分析均表明,苍术属中的鄂西苍术(A.carlinoides)和白术(A.macrocephala)是很好的单系类群。揭示关苍术(A.japonica)、苍术(A.lancea)和朝鲜苍术(A.coreana)的叶绿体基因组存在祖先的多态性保留以及不完全谱系分选现象,而核基因片段能够更好的反映该属的系统发育关系。基于核基因以及叶绿体和核基因联合分析的结果均表明,苍术、关苍术、朝鲜苍术以及栽培类群‘平术’(Atractylodes’Pingzhu’)的系统发育关系均能得到很好的解决；其中苍术很明显的分为中国南方和北方两大分支,而朝鲜苍术嵌在中国北方分支中,且不形成单系；关苍术是一个单系,且没有表现出明显的中国-韩国-日本间断分布的地域性特征,是苍术属内遗传变异最为丰富的类群；揭示了白术的栽培类群‘平术’的独特性,和白术一起构成的分支在3种构树方法(MP、ML、Bayesian推断)上均得到最大支持。2)微卫星标记的开发与筛选本研究采用双重抑制PCR法开发了15对具有多态性的微卫星引物。挑选了4个群体83个个体对15对微卫星位点进行扫描和特征分析,结果显示,15个微卫星位点在4个群体中的观测等位基因数目(Na)为2-20不等,平均为9.9；观测杂合度(Ho)的范围为0.083-1.000,平均值为0.549；期望杂合度(He)的范围为0.097-0.938,平均值为0.657。这15对能够稳定扩增,且具有多态性的白术微卫星引物适用于该药用植物后续的群体遗传和栽培起源研究。3)栽培白术的起源基于cpDNA和SSR分子标记的研究揭示,白术在栽培过程中并没有和其它栽培作物一样丧失遗传多样性,这与其种子繁殖和相对较短的栽培历史有关。另外,由于群体的大规模引种和人为介导的种子流,加上野生群体的丧失,导致基于核SSR分子标记的遗传多样性略高于野生群体。研究揭示,在栽培和野生群体中,白术的遗传变异大部分存在于群体内个体间,而群体间的遗传分化很小,野生群体群体间的遗传变异大于栽培群体群体间的遗传变异(cpDNA:52.85%vs3.12%；SSR分子标记：12.46%vs4.56%)。基于8个核SSR分子标记的STRUCTURE和UPGMA数分析结果揭示,除栽培类群‘平术’外的白术群体可以分为3个Group。栽培白术归入其中的2个Group,并且分别具有其野生的共祖群体,揭示现有的栽培白术可能有2次独立的起源。传统浙江产区的栽培白术可能来源于中国中西部,而传统湖南、江西、湖北三省交界处产区的栽培群体就来源于当地的野生群体。基于BAYESASS的当代基因流的分析结果反映这两个Group的最早引种栽培地可能分别是浙江天台和湖南桑植。而第3个Group仅包含安徽祁门的野生群体(W1),且该群体在cpDNA和核基因上均表现出其独特性,应该没有参与白术的栽培过程,揭示了野生地方品种‘祁术’的存在。4)浙江白术的道地性和候选野生群体在栽培白术中,浙江群体聚到了一支,表明了浙江栽培白术道地性的遗传基础。在野生白术中,部分群体尤其是分布于安徽祁门的野生白术品种‘祁术’,拥有丰富的遗传多样性,不管是cpDNA还是核基因水平,都展现出其特殊的群体结构,是种质遗传改良的重要资源库,可以为白术的栽培育种提供候选材料。5)苍术属DNA条形码及白术种质的分子鉴别研究DNA条形码(DNAbarcoding)技术是近年来发展起来的利用短的DNA片段对生物物种进行识别和鉴定的一种新的分子生物学技术,可以通过该技术对物种进行快速鉴定,从而克服传统分类学研究方法中的一些不足。以核心条形码叶绿体片段rbcL和matK,以及辅助条形码psbA-trnH和核核糖体ITS等4个DNA片段作为标记,对苍术属5个种(A.carlinoids,A.macrocephala,A.lancea,A.chinensis,A.japonica),1个变种(A.chinensisvar.coreana),共计20个个体进行了分子鉴别研究。用Wilcoxonsignedranktests检测了条形码种间和种内遗传差异,结果表明种间差异ITS>>psbA-trnH>>matK>>rbcL,和中内差异ITS=psbA-trnH>>matK>>rbcL.单片段及组合片段构建的系统发育树显示单片段ITS和包含ITS的组合片段rbcL+matK+ITS具有最高的鉴别能力,而单片段ITS就可以鉴别5个种。A.chinensis和其变种A.chinensisvar.coreana在条形码研究中也分不开,由此进一步证明两者之间分化不完全。因此,从节约成本和实验效率的角度考虑,我们建议将ITS单片段用于苍术属的物种鉴别。另外本研究还采用叶绿体DNArbcL、matK、psbA-trnH、trnL-trnF、psbE-petL和nrITS组合片段,对我国10个主要白术群体(30个个体)进行了分子鉴别研究。结果显示栽培白术和安徽祁门的野生白术之间已经产生较大分化,而栽培白术群体间因人为介导的基因流的作用而分化不明显。6)苍术属的分类学修订建议综合分子系统学、条形码和形态学的研究结果认为,苍术属中的鄂西苍术(A.carlinoides)和白术(A.macrocephala)是很好的单系类群：叶绿体和核基因以及形态学分析均表明关苍术是一个单系类群,是一个广布东北亚的‘好种’,表现出典型的异域物种形成模式；综合分子系统学结果和地理分布模式,苍术(A.lancea)可以明显的分为中国南方和北方两个谱系,认为中国南方分布的分支是一个独立的种即苍术(A.lancea),并且Koidzumi将中国北方谱系的苍术作为种处理是合理的,即北苍术A.chinensis(Bunge)Koidz.;朝鲜苍术(A.coreana)嵌在苍术中国北方分支中,且形态学的研究结果也和北苍术难以分开,可能是适应干燥山坡的一种生态型,建议将其作为北苍术下的变种处理,即A.chinensis(Bunge)Koidz.var.coreana;结合形态、分子和实际生产中的应用,建议将栽培类群‘平术’作为白术种下的一个栽培品种处理,即白术栽培品种‘平术’(A.macrocephala’Pingzhu’)。
【作者】郑丽；
【导师】傅承新；
【作者基本信息】浙江大学，植物学，2013，博士
【关键词】苍术属；白术；分子系统学；群体遗传学；栽培起源；cpDNA；nrITS；SSR；DNA条形码；

【参考文献】
[1]杨欢欢.自然灾害与春秋鲁国社会[D].曲阜师范大学,中国古代史,2013,硕士.
[2]刘正生.纳米流体管内层流传热特性研究[D].东北电力大学,动力工程及工程热物理,2013,硕士.
[3]徐嫣含.我国捕后羁押必要性审查制度探究[D].吉林大学,法律,2014,硕士.
[4]李刚.郁金香酒店施工中质量管理应用研究[D].南京理工大学,项目管理,2012,硕士.
[5]刘星.脑Ras同源蛋白与雷帕霉素哺乳动物靶蛋白在SOD1-G93A转基因小鼠中的研究[D].河北医科大学,神经病学,2013,硕士.
[6]张月燕.婴儿期面孔种族偏好的发展[D].浙江理工大学,应用心理学,2013,硕士.
[7]韩雪.建立筛选尼克酰胺磷酸核糖转移酶抑制剂的方法[D].浙江大学,药理学,2014,硕士.
[8]张勇猛.杯形陀螺的温度特性及其补偿方法研究[D].国防科学技术大学,机械工程,2012,硕士.
[9]刘家军.ZL205A高强铝合金铸件腐蚀行为研究[D].哈尔滨工业大学,材料加工工程,2014,硕士.
[10]方玉霞.证券投资者适当性制度研究[D].北京交通大学,2014.
[11]代纪元.采矿权设置方案评价体系构建与应用研究[D].重庆大学,采矿工程,2014,硕士.
[12]周晓露.课程改革推进中的教育规训研究[D].华中师范大学,社会学,2014,硕士.
[13]张晓晶.传达于产品设计中的纹饰语义[D].吉林大学,设计艺术学,2004,硕士.
[14]王清芬.X波段电调滤波器的研究与设计[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2010,硕士.
[15]刘晚霞.先秦儒家德育思想对当代大学生德育的启示[D].黑龙江大学,思想政治教育,2013,硕士.
[16]孙午涵.模块化天气指数保险产品的设计与定价[D].大连理工大学,金融管理,2013,硕士.
[17]王凯旋.陕甘边照金革命根据地研究[D].延安大学,中国近现代史,2014,硕士.
[18]李涛,张合新,孟飞.混合时滞不确定中立系统鲁棒稳定的时滞分割方法[J].控制与决策,2011,01:106-110.
[19]方金林.宁波市船舶海难事故综合风险评估[D].宁波大学,人文地理学,2013,硕士.
[20]刘相龙.基于传声器阵列的次声波源定位与应用研究[D].太原科技大学,电路与系统,2013,硕士.
[21]方塞军.中地理教科书“可学性”研究[D].华中师范大学,地理课程与教学论,2014,硕士.
[22]马丽卿.收入结构对我国上市商业银行绩效影响的实证分析[D].山西财经大学,金融学,2013,硕士.
[23]毛陈诚.旅游类移动应用的用户需求分析研究[D].武汉理工大学,设计艺术学,2013,硕士.
[24]肖永生.文革美术及其历史的思辨[D].湖南师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[25]于文娟.住房抵押贷款的风险与防范[D].中国海洋大学,金融学,2003,硕士.
[26]RajKrishnaShrestha（冉杰）.Short Stem Hip Arthroplasty with Metha Implant, a Vantage Choice in Young Patients[D].华中科技大学,骨科,2013,硕士.
[27]张建坤.不同构造样式地层中泥质岩孔隙空间与油气运聚特征研究[D].西北大学,矿产普查与勘探,2014,硕士.
[28]何海玲.中学生语法意识提升的研究[D].四川外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[29]石晨阳.基于模式噪声的数字图像来源取证[D].天津大学,信息与通信工程,2013,硕士.
[30]徐晓萍.Hilbert空间中线性系统的若干问题[D].大连理工大学,2009.
[31]李纯.山东省农村居民幸福感的现状及提升对策研究[D].鲁东大学,应用心理（专业学位）,2013,硕士.
[32]蔡宏铮.两类高阶非线性带阻尼项泛函微分方程的振动性与渐近性[D].广东技术师范学院,系统理论,2013,硕士.
[33]吴西顺.国际分工的发展趋势探索[D].对外经济贸易大学,国际贸易学,2004,硕士.
[34]盛水源.蓝牙协议测试[J].电信技术.2001(09)
[35]赵斌.关联规则分布式挖掘算法研究和实现[D].南京师范大学,2003.
[36]王晓梦.女性生殖道癌肉瘤12例临床分析[D].河北医科大学,妇产科学（专业学位）,2014,硕士.
[37]孙月.英语专业学生口笔头同题叙事话语中关系从句使用情况比较研究[D].扬州大学,英语语言文学,2012,硕士.
[38]钱颖.茶色素—壳聚糖缓释微囊的制备及其药效学研究[D].浙江工商大学,食品科学与工程,2013,硕士.
[39]周耀.地铁车站结构健康监测研究[D].北京交通大学,2008.
[40]高卫明.空间环境下磁性液体密封设计及性能研究[D].北京交通大学,2014.
[41]高辉.基于小世界的物联网中副本定位算法研究[D].辽宁大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[42]曹玲.基于北斗的智能公交查询系统[D].华中师范大学,电路与系统,2013,硕士.
[43]康巍.论公安派出所调解工作的完善[D].华中师范大学,法律,2014,硕士.
[44]王青.我国海岛权属变更的法律问题研究[D].中国海洋大学,环境与资源保护法学,2014,硕士.
[45]杨洪.PVC的结晶机理和纳米晶效应研究[D].武汉理工大学,材料学,2004,硕士.
[46]梁青.聚羧酸高性能减水剂的制备及其与水泥相容性的研究[D].中北大学,材料学,2014,硕士.
[47]张琳娟.《老屋小记》翻译实践报告[D].河北师范大学,翻译,2013,硕士.
[48]汪阳.软包装用无溶剂类双组份聚氨酯胶粘剂的合成研究[D].中国海洋大学,分析化学,2014,硕士.
[49]王昕.氰氟虫腙·三唑磷悬乳剂配方及工艺研究[D].浙江大学,植物保护（专业学位）,2012,硕士.
[50]周青青.多孔炭材料控制合成与电化学性能研究[D].合肥工业大学,应用化学,2013,硕士.