云南金花茶的遗传多样性评价和核心种质构建

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2025.06.008

摘要/Abstract

摘要：

云南金花茶（Camellia fascicularis）作为国家二级重点保护植物和云南省极小种群野生植物，其种群重建与保护亟待科学指导。该研究采用Hyper-seq技术的简化基因组测序方法，对3个野生种群（马关（MG）、蒙自（MZ）和河口（HK））和2个迁地保护种群（昆明树木园（KMSMY）和文山树木园（WSSMY））共计133份云南金花茶种质开展遗传多样性评估、群体遗传结构解析及核心种质筛选。结果显示：云南金花茶遗传多样性较高，期望杂合度（H_E）平均值为0.232 6，观测杂合度（H_O）平均值为0.365 9，核苷酸多样性（P_i）平均值为0.372 5；迁地保护种群（KMSMY和WSSMY）的遗传多样性略低于MG种群，高于MZ种群和HK种群，但这2个迁地保护种群的H_E、H_O和P_i均未达到物种水平的90%。群体遗传结构分析表明，云南金花茶5个种群的133个个体可以分为4类，其中MG和KMSMY种群显示出较复杂的遗传结构和遗传背景。群体遗传分化显示，云南金花茶不同种群间的遗传分化程度极高（F_st=0.410 3）。基于遗传距离，从133份种质中提取出27份核心种质，可有效代表云南金花茶的遗传多样性。该研究首次从基因组层面解析云南金花茶的遗传特征，为制定该濒危物种的就地保护策略、优化迁地保育方案及科学开展种群重建提供了关键理论支撑。

关键词: 极小种群野生植物, 云南金花茶, 遗传多样性, 群体遗传结构, 核心种质, 种群重建

Abstract:

Camellia fascicularis，as a National Class II Key Protected Plant and a wild plant with extremely small populations in Yunnan Province， scientific guidance is urgently required for its population reconstruction and conservation. In this study， simplified genome sequencing method using Hyper-seq technology was used to evaluate and analyze the genetic diversity， population genetic structure and screen core germplasm among 133 accessions collected from three wild populations（Hekou， Mengzi and Maguan） and two ex situ conservation populations（Kunming Arboretum and Wenshan Arboretum）. The results revealed that genetic diversity of C. fascicularis was high， an average expected heterozygosity（H_E） was 0.232 6， an average observed heterozygosity（H_O） was 0.365 9， and an average nucleotide diversity（P_i） was 0.372 5. The genetic diversity of the ex-situ conservation populations（KMSMY and WSSMY） was slightly lower than that of the MG population and higher than those of the MZ and HK populations， but the H_E， H_O and P_i values of both ex-situ conservation populations did not reach 90% of the species-level benchmark. Genetic structure analysis showed that 133 individuals from five populations were categorized into four clusters， the MG and KMSMY populations showed more complex genetic structure and backgrounds. Population genetic differentiation showed that the degree of genetic differentiation among populations was very high（F_st=0.410 3）. In conclusion， 27 core germplasms were extracted from 133 germplasms based on genetic distance， which effectively represented the genetic diversity of C. fascicularis. This study first analyzed the genetic characteristics of C. fascicularis at the genomic-level， providing crucial theoretical foundations for formulating in situ conservation strategies， optimizing the ex situ preservation protocols and implementing scientific population reconstruction for this endangered species.

Key words: plant species with extremely small populations, Camellia fascicularis, genetic diversity, population genetic structure, core germplasm, population reconstruction

中图分类号:

Q346

张珊珊, 阮孙美, 杨文忠. 云南金花茶的遗传多样性评价和核心种质构建[J]. 植物研究, 2025, 45(6): 909-918.

Shanshan ZHANG, Sunmei RUAN, Wenzhong YANG. Genetic Diversity Evaluation and Core Germplasm Construction of Camellia fascicularis[J]. Bulletin of Botanical Research, 2025, 45(6): 909-918.

图/表 9

表1

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参考文献 38

[1]	郑进烜，蔡文婧，郑静楠，等.云南省极小种群野生植物拯救保护规划研究［J］.林业调查规划，2024，49（1）：151-155.
	ZHENG J X， CAI W J， ZHENG J N，et al.Rescue and conservation planning of wild plant species with extremely small populations in Yunnan Province［J］.Forest Inventory and Planning，2024，49（1）：151-155.
[2]	贾淇宇，刘雄盛，廖南燕，等.极小种群野生植物狭叶坡垒种群结构与动态特征［J］.西南农业学报，2024，37（5）：1078-1086.
	JIA Q Y， LIU X S， LIAO N Y，et al.Population structure and dynamics characteristics of an extremely small population plant Hopea chinensis（Merr.） Hand.-Mazz.［J］.Southwest China Journal of Agricultural Sciences，2024，37（5）：1078-1086.
[3]	王欢利，严灵君，黄犀，等.南京椴群体遗传多样性和遗传结构分析［J］.南京林业大学学报（自然科学版），2023，47（1）：145-153.
	WANG H L， YAN L J， HUANG X，et al.Genetic diversity and genetic structure of Tilia miqueliana population［J］.Journal of Nanjing Forestry University（Natural Sciences Edition），2023，47（1）：145-153.
[4]	张珊珊，陈剑，杨文忠.应用简化基因组技术对富民枳遗传多样性检测［J］.东北林业大学学报，2020，48（4）：36-41.
	ZHANG S S， CHEN J， YANG W Z.Genetic diversity analysis of Poncirus polyandra by reduced-representation sequencing technique［J］.Journal of Northeast Forestry University，2020，48（4）：36-41.
[5]	CIBRIAN-JARAMILLO A， HIRD A， OLEAS N，et al.What is the conservation value of a plant in a botanic garden？ Using indicators to improve management of ex situ collections［J］.The Botanical Review，2013，79（4）：559-577.
[6]	ZHU X L， ZOU R， QIN H Z，et al.Genome-wide diversity evaluation and core germplasm extraction in ex situ conservation：a case of golden Camellia tunghinensis ［J］.Evolutionary Applications，2023，16（9）：1519-1530.
[7]	WEI X Z， JIANG M X.Meta-analysis of genetic representativeness of plant populations under ex situ conservation in contrast to wild source populations［J］.Conservation Biology，2021，35（1）：12-23.
[8]	赵锶琪，李斌，张贵良，等.提高云南金花茶组培苗移栽成活率的方法［J］.中国林副特产，2017（4）：57-58.
	ZHAO S Q， LI B， ZHANG G L，et al.Methods for improving transplanting survival rate of tissue-cultured seedlings of Camellia fascicularis ［J］.Forest By-Product and Speciality in China，2017（4）：57-58.
[9]	刘云，付羚，张颖君，等.金花茶组植物的化学成分及保健功效研究进展［J］.食品工业科技，2019，40（3）：321-326.
	LIU Y， FU L， ZHANG Y J，et al.Research progress in chemical compositions and healthy functions of genus Camellia sect.Chrysantha ［J］.Science and Technology of Food Industry，2019，40（3）：321-326.
[10]	李斌.云南金花茶遗传多样性分析及其离体快繁研究［D］.昆明：西南林业大学，2019.
	LI B.Study on genetic diversity analysis and rapid propagation in vitro of Camellia fascicularis ［D］.Kunming：Southwest Forestry University，2019.
[11]	ZOU M L， XIA Z Q.Hyper-seq：a novel，effective，and flexible marker-assisted selection and genotyping approach［J］.The Innovation，2022，3（4）：100254.
[12]	方萍萍，张婷，韦静，等.64份白辣椒种质资源的遗传多样性分析［J］.浙江农业科学，2024，65（5）：1056-1063.
	FANG P P， ZHANG T， WEI J，et al.Genetic diversity analysis of 64 white-fruited pepper germplasm resources［J］.Journal of Zhejiang Agricultural Sciences，2024，65（5）：1056-1063.
[13]	MCKENNA A， HANNA M， BANKS E，et al.The Genome Analysis Toolkit：a MapReduce framework for analyzing next-generation DNA sequencing data［J］.Genome Research，2010，20（9）：1297-1303.
[14]	DANECEK P， AUTON A， ABECASIS G，et al.The variant call format and VCFtools［J］.Bioinformatics，2011，27（15）：2156-2158.
[15]	ROCHETTE N C， RIVERA-COLÓN A G， CATCHEN J M.Stacks 2：analytical methods for paired-end sequencing improve RADseq-based population genomics［J］.Molecular Ecology，2019，28（21）：4737-4754.
[16]	PRICE M N， DEHAL P S， ARKIN A P.FastTree 2-approximately maximum-likelihood trees for large alignments［J］.PLoS One，2010，5（3）：e9490.
[17]	CHANG C C， CHOW C C， TELLIER L C，et al.Second-generation PLINK：rising to the challenge of larger and richer datasets［J］.GigaScience，2015，4（1）：7.
[18]	ALEXANDER D H， NOVEMBRE J， LANGE K.Fast model-based estimation of ancestry in unrelated individuals［J］.Genome Research，2009，19（9）：1655-1664.
[19]	De BEUKELAER H， DAVENPORT G F， FACK V.Core Hunter 3：flexible core subset selection［J］.BMC Bioinformatics，2018，19：203.
[20]	田星，李中霁，刘小莉，等.基于SSR分子标记的灯盏花遗传多样性分析［J］.中国实验方剂学杂志，2021，27（18）：136-143.
	TIAN X， LI Z J， LIU X L，et al.Genetic diversity analysis of erigeron breviscapus based on SSR markers［J］.Chinese Journal of Experimental Traditional Medical Formulae，2021，27（18）：136-143.
[21]	秦斗文，刘伟强，田吉婷，等.基于SRAP分子标记的郁金香遗传多样性分析［J］.植物研究，2024，44（5）：783-792.
	QIN D W， LIU W Q， TIAN J T，et al.Genetic diversity analysis of tulip based on SRAP markers［J］.Bulletin of Botanical Research，2024，44（5）：783-792.
[22]	ZIMMERMAN S J， ALDRIDGE C L， OYLER-MCCANCE S J.An empirical comparison of population genetic analyses using microsatellite and SNP data for a species of conservation concern［J］.BMC Genomics，2020，21：382.
[23]	CLUGSTON J A R， RUHSAM M， KENICER G J，et al.Conservation genomics of an Australian cycad Cycas calcicola，and the absence of key genotypes in botanic gardens［J］.Conservation Genetics，2022，23（3）：449-465.
[24]	ZHANG X J， LIU X F， LIU D T，et al.Genetic diversity and structure of Rhododendron meddianum，a plant species with extremely small populations［J］.Plant Diversity，2021，43（6）：472-479.
[25]	WU Q， DONG S， ZHAO Y X，et al.Genetic diversity，population genetic structure and gene flow in the rare and endangered wild plant Cypripedium macranthos revealed by genotyping-by-sequencing［J］.BMC Plant Biology，2023，23（1）：254.
[26]	陈进，杨玺.关于植物迁地保护若干问题的讨论［J］.生物多样性，2024，32（2）：24064.
	CHEN J， YANG X.Discussion on the plant ex situ conservation［J］.Biodiversity Science，2024，32（2）：24064.
[27]	SU Z H， RICHARDSON B A， ZHUO L，et al.Divergent population genetic structure of the endangered Helianthemum （Cistaceae） and its implication to conservation in northwestern China［J］.Frontiers in Plant Science，2017，7：2010.
[28]	WEI X， CAO H L， JIANG Y S，et al.Population genetic structure of Camellia nitidissima （Theaceae） and conservation implications［J］.Botanical Studies，2008，49：147-153.
[29]	常二梅，刘建锋，黄跃宁，等.岷江柏野生居群和迁地保护居群的遗传多样性比较［J］.植物研究，2022， 42（5）：772-779.
	CHANG E M， LIU J F， HUANG Y N，et al.Comparison of genetic diversity between wild and ex-situ conservation populations of Cupressus chengiana ［J］.Bulletin of Botanical Research，2022，42（5）：772-779.
[30]	ACHREM M， STĘPIEŃ E， KALINKA A.Epigenetic changes occurring in plant inbreeding［J］.International Journal of Molecular Sciences，2023，24（6）：5407.
[31]	潘文婷，孙建军，原勤勤，等.RAD-seq技术研究鹅掌楸属种源遗传多样性和遗传结构［J］.林业科学，2022，58（4）：74-81.
	PAN W T， SUN J J， YUAN Q Q，et al.Analysis of genetic diversity and structure in different provenances of Liriodendron by RAD-seq technique［J］.Scientia Silvae Sinicae，2022，58（4）：74-81.
[32]	LOVELESS M D， HAMRICK J L.Ecological determinants of genetic structure in plant populations［J］.Annual Review of Ecology，Evolution，and Systematics，1984，15：65-95.
[33]	张笑，郑骑坚，李忠虎，等.绞股蓝的遗传多样性和群体结构研究［J］.中草药，2015，46（13）：1958-1965.
	ZHANG X， ZHENG Q J， LI Z H，et al.Genetic diversity and population structure of Gynostemma pentaphyllun ［J］.Chinese Traditional and Herbal Drugs，2015，46（13）：1958-1965.
[34]	WRIGHT S.The interpretation of population structure by F-statistics with special regard to systems of mating［J］.Evolution，1965，19（3）：395-420.
[35]	PÉREZ-ALQUICIRA J， WEHNCKE E V， GARCÍA-LOZA G A，et al.Geographic isolation and long-distance gene flow influence the genetic structure of the blue fan palm Brahea armata （Arecaceae）［J］.Journal of Plant Research，2023，136（3）：277-290.
[36]	ENßLIN A， SANDNER T M， MATTHIES D.Consequences of ex situ cultivation of plants：genetic diversity，fitness and adaptation of the monocarpic Cynoglossum officinale L.in botanic gardens［J］.Biological Conservation，2011，144（1）：272-278.
[37]	FRANKEL O H， BROWN A H D.Current plant genetic resources：a critical appraisal［C］//Genetics：new frontiers：proceedings of the XV International Congress of Genetics.New Delhi：Oxford and IBH Publishing，1984：1-11.
[38]	缪黎明，王神云，邹明华，等.园艺作物核心种质构建的研究进展［J］.植物遗传资源学报，2016，17（5）：791-800.
	MIAO L M， WANG S Y， ZOU M H，et al.Review of the studies on core collection for horticultural crops［J］.Journal of Plant Genetic Resources，2016，17（5）：791-800.

种群 Population	类型 Type	样本量 Sample size	期望杂合度 H_E	观测杂合度 H_O	核苷酸多样性 P_i	近交系数 F_is
MG	野生种群 Wild population	46	0.292 5	0.406 7	0.449 8	0.090 1
HK		2	0.142 3	0.273 4	0.270 5	-0.004 3
MZ		5	0.206 7	0.349 1	0.352 6	0.006 1
KMSMY	迁地保护种群 Ex situ population	50	0.292 4	0.443 1	0.437 5	0.005 5
WSSMY	迁地保护种群 Ex situ population	30	0.229 4	0.357 4	0.352 0	0
物种水平 Species level		133	0.397 3	0.502 2	0.559 5	0.143 8