药食同源植物薤白的谱系地理学研究

doi:10.7525/j.issn.1673-5102.2022.04.007

植物研究 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (4): 574-583.doi: 10.7525/j.issn.1673-5102.2022.04.007

药食同源植物薤白的谱系地理学研究

石甜, 莫忠妹, 吴敏, 赵财()

贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院，山地植物资源保护与保护种质创新教育部重点实验室，山地生态与农业生物工程协同创新中心，贵阳 550025

收稿日期:2021-03-20 出版日期:2022-07-20 发布日期:2022-07-15
通讯作者: 赵财 E-mail:zhaocai_11@163.com
作者简介:石甜（1995—），女，硕士研究生，主要从事植物系统与进化生物学研究。
基金资助:
贵州科技支撑计划项目(黔科合支撑［2019］2451-2号);贵州省生物学国内一流建设学科开放基金(GNYL［2017］009);贵州省教育厅教育部重点实验室开放课题(黔教合KY字［2019］033);国家重点研发计划课题(2016YFC0502604);贵州省中药材现代产业技术体系建设(GZCYTX-02)

Phylogeography of Medicinal and Edible Homologous Plant Allium macrostemon

Tian SHI, Zhongmei MO, Min WU, Cai ZHAO()

Key laboratory of Plant Resource Conservation and Germplasm Innovation in Mountainous Region（Ministry of Education），Collaborative Innovation Center for Mountain Ecology & Agro-Bioengineering（CICMEAB），College of Life Sciences/Institute of Agro-bioengineering，Guizhou University，Guiyang 550025

Received:2021-03-20 Online:2022-07-20 Published:2022-07-15
Contact: Cai ZHAO E-mail:zhaocai_11@163.com
About author:SHI Tian（1995—），female，master candidates，engaged in research of plant systems and evolutionary biology.
Supported by:
Guizhou science and technology support project(［2019］2451-2);Guizhou biology domestic first-class construction discipline opening fund(GNYL［2017］009);Key Laboratory Opening Project of Education Department of Guizhou Province ministry of Education(KY［2019］033);National Key R&D Program of China(2016YFC0502604);Construction of modern industrial technology system for Chinese medicinal materials in Guizhou Province(GZCYTX-02)

摘要/Abstract

摘要：

对我国14个地区的药食同源植物薤白（Allium macrostemon）的叶绿体基因片段（psbA-trnH、rps16和trnL-F）与核基因片段（ITS）进行测序分析，揭示薤白的遗传变异分布式样、单倍型地理分布格局，并推断其在第四纪冰期的避难所。结果表明：薤白叶绿体基因（cpDNA）遗传多样性低于核基因（nrDNA）遗传多样性（cpDNA：H_T=0.868；nrDNA：H_T=0.890）。cpDNA和nrDNA的分子变异分析（AMOVA）结果显示：薤白遗传变异主要发生在居群间（cpDNA：92.84%；nrDNA：98.40%），存在遗传分化（cpDNA：N_st=0.918，G_st=0.866，F_st=0.928；nrDNA：N_st=0.984，G_st=0.855，F_st=0.984），且N_st均大于G_st，表明该物种具有明显的谱系地理结构。在薤白居群中，共检测到11个叶绿体单倍型和14个nrDNA基因型；单倍型网络图及地理分布图表明，叶绿体单倍型H3、核DNA基因型H1频率最高，位于网络结构图的中心位置，可能为古老单倍型。此外，冰期避难所假说认为遗传多样性高、拥有古老单倍型和较多特有单倍型的区域可能是该物种的冰期避难所，因此推测薤白在第四纪冰期时可能在大盘山、天水和通化地区存在多个冰期避难所。这些分析可为类似草本植物的进化提供参考，丰富对东亚草本植物分子系统与生物地理学的认识。

关键词: 薤白, 居群, 谱系地理学, 遗传变异, 避难所

Abstract:

In order to reveal the distribution pattern of genetic variation and haplotype geographical distribution pattern of Allium macrostemon， and to infer the refugia in the quaternary glaciation， the chloroplast gene fragments（psbA-trnH， rps16 and trnL-F） and nuclear gene fragments（ITS） of A. macrostemon in 14 regions of China were analyzed respectively. The results showed that the genetic diversity of A. macrostemon chloroplast gene（cpDNA） was lower than that of nuclear gene（nrDNA）（cpDNA：H_T=0.868； nrDNA：H_T=0.890）. The AMOVA analysis of cpDNA and nrDNA showed that the genetic variations occurred mainly among populations （cpDNA：92.84%； nrDNA：98.40%）， there was significant genetic differentiation among populations（cpDNA：N_st=0.918，G_st=0.866，F_st=0.928；nrDNA：N_st=0.984，G_st=0.855，F_st=0.984）， and had an obvious phylogeographical structure in A. macrostemon populations（N_st>G_st）. A total of 11 chloroplast and 14 nuclear haplotypes were identified in the A. macrostemon populations. The haplotype network and geographical distribution map showed that the chloroplast haplotype H3 and nuclear DNA genotype H1 had the highest frequency and were located in the center of the network structure， which might be the ancient haplotype. In addition， the glacial refuge hypothesis suggested that the region with high genetic diversity， ancient haplotype and more endemic haplotype might be the glacial refugia of A. macrostemon. Therefore， it was speculated that in the quaternary glaciation， A. macrostemon might be multiple glacial refuges in Dapanshan， Tianshui and Tonghua. The analysis could provide references for the evolution of similar herbs and enrich our understanding of the molecular phylogeography of herbaceous plants in East Asia.

Key words: Allium macrostemon, population, phylogeography, genetic variation, glacial refugia

中图分类号:

Q948

石甜, 莫忠妹, 吴敏, 赵财. 药食同源植物薤白的谱系地理学研究[J]. 植物研究, 2022, 42(4): 574-583.

Tian SHI, Zhongmei MO, Min WU, Cai ZHAO. Phylogeography of Medicinal and Edible Homologous Plant Allium macrostemon[J]. Bulletin of Botanical Research, 2022, 42(4): 574-583.

图/表 10

表1

表2

表3

表4

图1

图2

图3

图4

表5

图5

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居群名称 Sample name	采集地 Location	北纬度 North latitude （N）	东经度 East longitude （E）	海拔 Altitude /m
DPS	浙江省大盘山 Dapanshan，Zhejiang	28°56′26″	120°31′42″	1 202
FZS	福建省福州市 Fuzhou，Fujian	25°58′40″	119°38′11″	53
GZS	广东省广州市 Guangzhou，Guangdong	22°54′59″	113°18′42″	35
TSS	甘肃省天水市 Tianshui，Gansu	34°29′02″	105°46′15″	1 892
GLS	广西壮族自治区桂林市 Guilin，Guangxi	25°11′29″	110°25′10″	270
HSS	湖北省黄石市 Huangshi，Hubei	30°11′32″	114°57′05″	119
HHS	湖南省怀化市 Huaihua，Hunan	27°20′11″	106°10′47″	412
XYS	河南省信阳市 Xinyang，Henan	32°03′33″	114°00′58″	115
THS	吉林省通化市 Tonghua，Jilin	41°42′50″	125°49′45″	558
MDJ	黑龙江省牡丹江市 Mudanjiang，Heilongjiang	44°41′59″	129°45′34″	251
NMG	内蒙古自治区鄂尔多斯市 Ordos，Inner Mongolia	39°29′14″	109°32′41″	1 426
YCS	宁夏回族自治区银川市 Yinchuan，Ningxia	38°36′30″	106°15′45″	1 106
JGX	四川省剑阁市 Jiange，Sichuan	31°49′38″	105°40′03″	704
YXS	云南省玉溪市 Yuxi，Yunnan	24°10′05″	102°24′03″	1 601

引物名称 Sequence name	引物序列 Primer（5′—3′）	反应程序 PCR protocol
psbA-trnH	F：CGAAGCTCCATCTACAAATGG R：ACTGCCTTGATCCACTTGGC	94 ℃，3 min；35×（94 ℃，45 s；55 ℃，45 s；72 ℃，1 min 45 s）；72 ℃，7 min
rps16	F：GTGGTAGAAAGCAACGTGCGACTT R：TCGGGATCGAACATCAATTGCAAC	95 ℃，4 min；35×（95 ℃，30 s；53.4 ℃，1 min；72 ℃，90 s）；72 ℃，5 min
trnL-F	F：ATTTGAACTGGTGACACGAG R：CGAAATCGGTAGACGCTACG	95 ℃，4 min；30×（95 ℃，45 s；52 ℃，45 s；72 ℃，1 min）；72 ℃，10 min
ITS	F：GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG R：TCCTCCTCCGCTTATTGATATGC	94 ℃，4 min；36×（94 ℃，1 min；55.6 ℃，45 s；72 ℃，1 min）；72 ℃，7 min

序列名称 Sequence	平均长度 Average length /bp	平均GC含量 Average GC content /%	变异位点 Variation site
psbA-trnH	539	34.48	2
rps16	738	37.66	3
trnL-F	653	34.43	4
ITS	633	50.22	214

居群名称 Sample name	cpDNA					nrDNA
居群名称 Sample name	n	π （×10^-3）	H_d	H	单倍型（样本数） Haplotypes（number）	n	π （×10^-3）	H_d	H	单倍型（样本数） Haplotypes（number）
合计Total	160	0.780	0.866			165	64.78	0.835
DPS	12	0.340	0.545	3	H1（8）；H2（2）；H3（2）	12	0	0	1	H1（12）
FZS	12	0	0	1	H4（12）	12	0	0	1	H1（12）
GZS	12	0	0	1	H5（12）	12	0	0	1	H2（12）
TSS	11	0.310	0.545	2	H3（6）；H6（5）	12	7.170	0.591	3	H3（4）；H4（7）；H5（1）
GLS	12	0	0	1	H7（12）	12	0	0	1	H6（12）
HSS	12	0	0	1	H5（12）	12	0	0	1	H1（12）
HHS	12	0	0	1	H8（12）	12	0	0	1	H1（12）
XYS	10	0.300	0.533	2	H3（4）；H9（6）	12	0	0	1	H1（12）
THS	9	0	0	1	H5（9）	9	1.900	0.556	2	H7（5）； H8（4）
MDJ	11	0	0	1	H10（11）	12	0	0	1	H9（12）
NMG	12	0	0	1	H3（12）	12	0	0	1	H10（12）
YCS	11	0	0	1	H3（11）	12	0	0	1	H11（12）
JGX	12	0	0	1	H11（12）	12	2.900	0.667	3	H12（6）；H13（4）；H14（2）
YXS	12	0	0	1	H11（12）	12	0	0	1	H15（12）

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药食同源植物薤白的谱系地理学研究

Phylogeography of Medicinal and Edible Homologous Plant Allium macrostemon

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