香椿种苗性状地理变异和遗传多样性研究
香椿（Toonasinensis）为楝科（Meliaceae）香椿属（Toona）高大落叶乔木，生长迅速，是我国的珍贵用材树种，且具食用和药用价值，是一种值得深入研究和开发利用的优良树种。本文以国内全分布区的35个香椿种源为材料，开展香椿种子和苗期叶片表型性状和生长性状、SSR分子标记和叶绿体DNA分子标记研究，分析香椿在我国全分布区的地理变异，并基于叶色差异的转录组与代谢组测定，对转录组和代谢组进行关联分析，主要结果如下： （1）香椿23个不同种源间种子及叶片性状的差异显著，种源间的变异大于种源内的变异。香椿种源种子长宽性状的地理变异以纬度变异为主，种子厚以经向变异为主，也受海拔双向控制，种子百粒重的地理变异受经度和纬度双向控制。种源叶片大小与采种点经纬度呈负相关，与海拔呈正相关，叶片质量与纬度呈正相关，与经度呈负相关，叶片含水率与纬度呈负相关，与经度海拔呈正相关，叶片保水力与经度、纬度呈正相关。种子全长、种翅长、叶面积、叶周长和叶片保水力与采种点海拔呈正相关关系，种子发芽率与采种点海拔呈负相关关系。 （2）地理变异趋势面分析结果表明，种子全长和叶面积总体上呈东北-西南逐渐增大的变异趋势，且南部的种子全长普遍较长、叶面积较大，种翅长和种子百粒重总体呈西北-东南梯度逐渐增大变异趋势，南部种子种翅普遍较长且重量普遍较重，种子发芽率呈西南-东北梯度逐渐提高的变异趋势；叶周长呈北-南变异趋势；同一经度上，南部种源叶周长更长，叶干重大体呈南-北逐渐增大变异趋势；叶片保水力呈由东-西变异趋势，西部的种源叶片保水力更好。 （3）香椿种子及苗期叶片性状与气候因子偏相关结果表明，随着采种点年降水量、无霜期、日照时数及年最高温的增加，种子长度变短，百粒重降低，叶片大小主要受日照时数的影响，日照时数增加，叶片变小，叶片重量与年均温和年降水量呈极显著负相关，叶片含水量与年均温和年降水量呈极显著正相关，叶片保水力与年均温呈极显著负相关，与年降水量呈极显著正相关。 （4）依据种子和叶片性状将23个香椿种源划分为4大类群，第一类群包括湖北恩施（ES）、贵州惠水（HS）、陕西安康（AK）、广西凭祥（PX）、山东济宁（JN）5个种源，这部分种源叶片较大，叶片保水力和叶片瞬时水分利用效率较高；第二类群主要是中部和北部种源，包括江西南昌（NC）、河北邢台（XT）、山西运城（YC）和河南信阳（XY）4个种源，此类群种源种子较短，叶片较小，叶片重量较轻；第三类群包括北京（BJ）、湖北黄冈（HG）、河南郑州（ZZ）、安徽淮北（HB）、广西马山（MS）、四川乐山（LS）、重庆涪陵（CS）、云南保山（BS）的8个种源，此类群种源种子较厚，种子及叶片质量较大；第四类群主要为南部和中部种源，包括福建龙岩（LY）、四川朝天（CT）、广东清远（QX）、湖南湘西（XX）、广东乳源（RY）、浙江临安（LA）6个种源，此类群种源种子较长，叶片较小。 （5）30个香椿种源苗木生长速率整体呈现“慢-快-慢”的趋势，但曲线差异明显。种源间苗高速生期持续时间存在差异，相比之下，南方种源苗高经历了较长时间的生长前期，但在较短的苗高速生期内生长量增速极快。整体苗高速生期持续110d~203d，生长量为4.84cm~22.00cm，占总生长量的51.84%~65.67%。各种源地径速生期普遍比苗高速生期延后到来，速生期持续101d~239d，生长量为1.78cm~8.21cm，占总生长量的58.04%~72.02%。 （6）不同种源苗高及地径生长量的差异均为显著。在苗高、地径和冠幅性状上，生长量最大的三个种源分别是广西马山（MS）、广西凭祥（PX）和四川乐山（LS），其次是广东清远（QX）、云南保山（BS）和广东乳源（RY）种源。生长最差的为云南弥勒（ML）、云南楚雄（CX）、甘肃天水（TS）、山西运城（YC）和河南郑州（ZZ）种源。香椿苗期各性状重复力从大到小排列顺序为：苗高R?冠幅R?地径R?分枝数R。苗高和冠幅的种源重复力均在0.5以上，处于中高重复力，说明这2个苗期性状受遗传因素控制较大。 （7）分别筛选了15对香椿SSR引物和3对叶绿体分子标记引物，20μL的SSR-PCR反应体系中包含模板DNA1.0μL80ng/μL、引物1.0μL10μmol/L、dNTPs0.3μL10mmol/L，Mg2+1.5μL25mmol/L、Taq酶0.1μL5U/μL、10×Buffer2.0μL，剩余用ddH2O补足。 （8）香椿具有较高的遗传多样性，SSR分子标记显示每个种源的观测等位基因数、观测杂合度（Ho）和期望杂合度（He）均值分别为10.4、0.5398±0.0171和0.5328±0.0281，观测杂合度均值略高于期望杂合度均值，其中，河南信阳（XY）种源的遗传多样性最高（He=0.65）。叶绿体分子标记显示序列总的单倍型多样性为0.8570，核苷酸多样性π为0.0032，单倍型多样性最高的三个群体是广西凭祥（PX）、浙江临安（LA）、重庆涪陵（CS），其值分别为0.68、0.67、0.61。 （9）香椿群体具有较高强度的遗传分化（核SSR：Fst=0.2233；cpDNA：Fst=0.8593），存在弱的距离隔离效应（IBD）。通过回归方程拟合模型，SSR分子标记15对引物地理隔离模式为：a=-0.1416，b=0.0708，P＜0.001，R2=0.0512，叶绿体3对扩增序列拼接序列地理隔离模式为：a=-0.2586，b=0.1184，P＜0.001，R2=0.0555。 （10）利用Phylip软件包对所有种源进行Neighbor-joining（NJ）聚类分析结果表明，两种分子标记均可将所有的种源划分成两类，第一类包含大部分的南方种源，两种分子标记均将广东清远（QX）、广东乳源（RY）、广西马山（MS）、广西凭祥（PX）、四川乐山（LS）、四川宜宾（YB）聚在第一类，重庆涪陵（CS）和四川朝天（CT）都处于过渡带，第二类主要是中北部的种源，也夹杂了少量南方的种源。 （11）在对香椿绿色和红色嫩芽转录组进行差异表达基因分析时，共鉴定到差异表达基因943个。GO功能富集分析发现，DEGs主要富集在代谢过程上，KEGG生物通路富集分析富集到4条与花青素代谢相关的通路，筛选到23个与花青素代谢相关的结构基因和27个转录因子。 （12）对香椿绿色和红色嫩叶进行代谢组检测，共鉴定到代谢物660种，从中筛选到差异代谢物87种。将这些差异代谢物进行KEGG富集分析，显著富集在糖代谢、次生代谢和氨基酸代谢通路上，其中在花青素合成通路上有差异代谢物10个。 （13）将差异基因与差异代谢物进行联合分析，发现在苯丙烷、类黄酮、黄酮和黄酮醇、花青素代谢通路中存在显著相关，推测PAL、4CL、CoumCoA3H、ANS和UFGT正向调节花青素的合成，CHS逆向调节花青素的合成。
香椿;遗传多样性;地理变异;分子标记;种苗性状
华南农业大学
博士
林木遗传育种
陈晓阳
2020
中文
S644.4
2022-01-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）