張 田,倪典墨,郭忠靜,楊詩雨,付玉寧,周嘉裕,廖 海
(西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610031)
貝母屬(Fritillaria)植物為多年生草本,隸屬百合科(Liliaceae)。徐彥等報(bào)道國產(chǎn)貝母屬植物有80余種,52變種,6變型,其中以四川、新疆與青海的野生種類最多[1]。貝母類藥材以貝母屬植物為來源,被劃分為川貝母、浙貝母、伊貝母、湖北貝母與平貝母和安徽貝母等6種類型,其中僅安徽貝母尚未收載于2015版《中國藥典》。川貝母主產(chǎn)于四川、西藏與青海等地區(qū),藥用價(jià)值最高,為貝母類藥材上品,其基原植物包括川貝母(F.cirrhosaD.Don)、暗紫貝母(F.unibracteataHsiao et K. C. Hsia)、甘肅貝母(F.przewalskiiMaxim)、梭砂貝母(F.delavayiFranch.)、太白貝母(F.taipaiensisP. Y. Li)與瓦布貝母(F.wabuensisS. Y. Tang & S. C. Yueh)。浙貝母以浙江及其鄰近省份栽培最多,產(chǎn)量居商品貝母的首位,其基原植物包括浙貝母(F.thunbergiiMiq.)及其變種東貝母(F.thunbergiivar. chekiangensis Hsiao & K. C. Hsia)。伊貝母主要產(chǎn)自新疆,其基原植物包括伊犁貝母(F.pallidifloraSchrenk)與新疆貝母(F.walujewiiRegel)。平貝母為平貝母(F.ussuriensisMaxim)的干燥鱗莖,主產(chǎn)于我國東北。湖北貝母(鄂貝母)為湖北貝母(F.hupehensisHsiao & K. C. Hsia)的干燥鱗莖,在長江中下游地區(qū)栽培較為廣泛,產(chǎn)量僅次于浙貝。安徽貝母為皖貝母(F.anhuiensisS. C. Chen & S. F. Yin)的干燥鱗莖,為近年發(fā)展的中藥貝母新品種。
由于貝母屬植物具有重要的藥用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2],已成為當(dāng)?shù)厝罕姷闹匾杖雭碓?,巨大的利益?qū)動(dòng)導(dǎo)致某些貝母屬野生物種遭受過度采挖,資源日趨枯竭,甚至在藥材市場上出現(xiàn)以次充好的亂象[3]。研究貝母屬植物的種質(zhì)資源鑒定與遺傳多樣性不僅能夠?yàn)橐吧Y源保護(hù)提供思路,還能夠確保貝母藥材的安全性使用。其一,建立中藥川貝種質(zhì)資源鑒定體系,形成貝母屬植物的“分子身份證”,能夠從源頭保障貝母藥材的準(zhǔn)確性,確保用藥安全;種質(zhì)資源鑒定不僅能合理有效地保存現(xiàn)有種質(zhì),而且能為開發(fā)新的貝母藥材及其替代品提供思路。其二,研究貝母屬植物的遺傳多樣性,了解種間及種內(nèi)的遺傳變異,掌握貝母屬植物在特定環(huán)境下的繁殖與適應(yīng)能力,有利于制定有效的保護(hù)與選育方針,提高貝母屬植物的生存能力與產(chǎn)量。
目前,分子標(biāo)記技術(shù)因數(shù)量豐富、遺傳穩(wěn)定、多態(tài)性高、多為共顯性已成為植物種質(zhì)資源鑒定與遺傳多樣性研究的重要支撐技術(shù)。本文結(jié)合課題組正在開展的研究工作,總結(jié)了不同分子標(biāo)記用于貝母屬植物種質(zhì)鑒定與遺傳多樣性分析的情況,以期為資源保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。
隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(Random amplified polymorphic DNA,RAPD)技術(shù)以PCR為基礎(chǔ),采用10個(gè)左右長度的隨機(jī)核苷酸引物,隨機(jī)擴(kuò)增基因組DNA。若DNA模板上與引物互補(bǔ)的反向重復(fù)序列存在多態(tài)性,即會(huì)產(chǎn)生多態(tài)性擴(kuò)增圖譜。
李玉峰等[4]通過20條隨機(jī)性多態(tài)引物,RAPD擴(kuò)增得到127條電泳條帶,其中103條為多態(tài)性條帶,多態(tài)性比率為81.1%。多態(tài)性聚類結(jié)果表明,川貝母與康定貝母的親緣關(guān)系最近,與瓦布貝母及濃蜜貝母的親緣關(guān)系也較近,但與浙貝母、平貝母及伊貝母較遠(yuǎn)。由此,作者將貝母親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近歸因于地理距離的遠(yuǎn)近。王成等[5]根據(jù)Xing等[6]篩選獲得的RAPD標(biāo)記,形成一套用于特異性鑒定川貝母的TaqMan實(shí)時(shí)熒光PCR方法,其檢測樣品中川貝母的最低含量可達(dá)0.05%,從而實(shí)現(xiàn)川貝母真?zhèn)纹疯b定及相對定量。李敏等[7]對川貝母、浙貝母、湖北貝母進(jìn)行RAPD分析,擴(kuò)增得到39條譜帶,多態(tài)性條帶數(shù)在6-10條范圍內(nèi),比較湖北貝母,川貝母與浙貝母的親緣關(guān)系更近。
王偉等[8]通過RAPD技術(shù)獲得了青海省4個(gè)地區(qū)暗紫貝母的遺傳多樣性信息,并據(jù)此將不同地區(qū)的樣品聚類在一起,表明RAPD技術(shù)具有種下的鑒定能力。李慶等[9]篩選出14條隨機(jī)引物,擴(kuò)增出121條多態(tài)性電泳條帶,長度集中在250~1000 bp之間,多態(tài)性達(dá)到100%。聚類分析表明,川貝母復(fù)合群不同種之間、相同種在不同分布區(qū)、野生和人工栽培之間的遺傳多樣性受到了不同生態(tài)環(huán)境的顯著影響。更為重要的發(fā)現(xiàn)是瓦布貝母野生型與栽培型遺傳性最為相似,顯示其作為栽培種的優(yōu)勢。
簡單重復(fù)區(qū)間序列(Inter-simple sequence repeats,ISSR)在分子水平上是一類由1~5個(gè)核苷酸為一個(gè)重復(fù)單位而組成的一長串核苷酸重復(fù)序列,通常長度較短,多見于真核生物基因組中。ISSR分子標(biāo)記技術(shù)是一種在SSR基礎(chǔ)上利用錨定的微衛(wèi)星DNA為SSR引物,來對基因組(特別是重復(fù)序列)進(jìn)行擴(kuò)增的標(biāo)記系統(tǒng)。
黎開強(qiáng)等[10]對主要采集于四川省甘孜州與阿壩州的10個(gè)貝母種及1個(gè)濃蜜貝母變種進(jìn)行分析,利用11條引物,擴(kuò)增出179條條帶,其相對分子質(zhì)量介于200~2000 bp,多態(tài)性比率為86.18%。比較各種貝母物種間的遺傳相似系數(shù),湖北貝母與其它貝母物種親緣關(guān)系最遠(yuǎn),并且來源于同一地區(qū)的貝母物種常常聚在一起,推測原因可能是不同貝母物種間存在異花授粉,該類型基因交流弱化于不同物種間的遺傳差異,導(dǎo)致后代遺傳相似性增加。
張婕等[11]對川貝母鱗莖及葉片進(jìn)行高通量測序,采用MISA對Unigene進(jìn)行SSR位點(diǎn)分析,共檢測到3817個(gè)SSR位點(diǎn),分布于3367條序列中,SSR出現(xiàn)頻率為8.49%,6種SSR重復(fù)類型的重復(fù)次數(shù)主要集中于4~12次。由此他們發(fā)現(xiàn)川貝母的SSR位點(diǎn)出現(xiàn)頻率較高而且類型豐富,多態(tài)性很高,便于后續(xù)遺傳多樣性分析和遺傳圖譜的構(gòu)建。詹羽姣等[12]對伊貝母的16個(gè)野生和栽培居群,共128份樣品進(jìn)行遺傳多樣性分析,利用15條引物,擴(kuò)增出239條條帶,多態(tài)性比率為94.98%,有效等位基因數(shù)(Ne)為1.3426,Nei的基因多樣性(H)為0.2190,Shannon指數(shù)(I)為0.3503,得出伊貝母居群間有較高的遺傳多樣性,并提示地理位置的遠(yuǎn)近對遺傳差異有較大影響。劉曉賢等[13]對8個(gè)浙貝母居群、1個(gè)東貝母居群、1個(gè)皖貝母居群和2個(gè)川貝母居群進(jìn)行ISSR聚類分析,發(fā)現(xiàn)磐安浙貝居群已明顯區(qū)別于其他產(chǎn)區(qū)浙貝居群,并且長期的留種栽培使磐安浙貝遺傳多樣性水平降低,形成相對穩(wěn)定的遺傳。王果平等[14]對新疆貝母屬遺傳多樣性進(jìn)行了ISSR聚類分析,將十種貝母分為三個(gè)類群,其中大白花貝母、小白花貝母、黃花貝母和托里貝母聚類在了一起。
單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide plymorphism,SNP)主要是指在基因組水平上由于單個(gè)核苷酸變異而導(dǎo)致核酸序列多態(tài),即基因中的點(diǎn)突變,包括置換、顛換、缺失和插入。
徐傳林等[15]對貝母屬ITS區(qū)的DNA測序發(fā)現(xiàn),藥用川貝母類的ITS區(qū)第75位堿基為“C”,即該位點(diǎn)上下游含有SmaI酶切位點(diǎn)(該酶的識(shí)別序列為CCCGGG,下劃線為第75位堿基),而非川貝母類為“T”(該處序列為CTCGGG,下劃線為第75位堿基),沒有該酶切位點(diǎn),可作為鑒定川貝母的獨(dú)征性位點(diǎn)。由此,建立了聚合酶鏈反應(yīng)-限制性酶切圖譜(PCR-RFLP)方法,并已收載于《中國藥典》2010年增補(bǔ)版,該方法在PCR技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用SmaI限制性內(nèi)切酶對川貝母ITS的PCR產(chǎn)物進(jìn)行切割,川貝母在100~250 bp間出現(xiàn)兩條條帶,非川貝母沒有對應(yīng)電泳條帶。孫麗媛等[16]依據(jù)該原理,研制了DNA檢測試劑盒,對全國的藥材市場的70份川貝母樣品進(jìn)行了真?zhèn)握{(diào)研,結(jié)果正品有37份,偽品率高達(dá)47.1%,這為川貝市場的管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用該方法對川貝母、濃蜜貝母、中華貝母、康定貝母、長腺貝母、平貝母、浙貝母及伊犁貝母等不同貝母屬植物進(jìn)行了鑒定,發(fā)現(xiàn)該方法僅能區(qū)分平貝母、浙貝母及伊犁貝母,而濃蜜貝母、中華貝母、康定貝母、長腺貝母與川貝母均出現(xiàn)了相同的酶切圖譜,表明該方法的鑒定準(zhǔn)確度有待提高[17]。
蘭青闊等[18]對貝母屬6種植物15條葉綠體基因組序列進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同貝母的葉綠體基因組DNA同源性較高(98.38%),共發(fā)現(xiàn)SNP位點(diǎn)5879個(gè),其中供川貝母類鑒別候選位點(diǎn)71個(gè),供瓦布貝母、太白貝母、浙貝母、湖北貝母與平貝母鑒別的候選位點(diǎn)分別為25個(gè)、120個(gè)、61個(gè)、79個(gè)和794個(gè)。
擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(Amplified fragment length polymorphism,AFLP)技術(shù)是基于PCR的選擇性擴(kuò)增限制性片段的方法。基因組DNA在限制性內(nèi)切酶作用下,產(chǎn)生不同分子量的限制性片段,接著以特定的雙鏈接頭與限制性片段連接作為模板,用選擇性引物擴(kuò)增出多態(tài)性產(chǎn)物。
徐金中等[19]對6個(gè)浙貝母居群共32份個(gè)體進(jìn)行AFLP分析,發(fā)現(xiàn)浙貝母物種的遺傳多樣性水平豐富,并且居群間的多樣性水平明顯低于居群內(nèi)的多樣性水平,居群間遺傳分化不明顯,表明浙貝母適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng),種植資源相對比較穩(wěn)定,這些居群適宜作為浙貝母優(yōu)良品種的選育基地。
DNA條形碼技術(shù)是一種建立在PCR技術(shù)及DNA測序技術(shù)基礎(chǔ)之上的,利用基因組中一段標(biāo)準(zhǔn)短序列來快速保守地進(jìn)行物種鑒定。植物類DNA條形碼有來自核基因組的ITS1與ITS2,葉綠體的psbA-trnH,rbcL與ndhJ,以及線粒體基因組的matK序列等。陳士林等[20]首次提出ITS2為主、psbA-trnH為輔的植物類藥材DNA條形碼鑒定體系。利用ITS2序列對含有(及不含有)小檗堿的植物建立分類體系,獲得了含有小檗堿的植物的特征性DNA標(biāo)鑒,有望用于黃連、黃柏等川產(chǎn)道地中藥的鑒定。
蘇鵬等[21]采用PCR擴(kuò)增技術(shù)獲得8個(gè)貝母品種的psbA基因序列,結(jié)果顯示8個(gè)貝母品種psbA序列長度在340~355 bp,G+C平均含量為34.7%,序列中1~9 bp與140~154 bp區(qū)域中存在堿基變異位點(diǎn),其中暗紫貝母在141~154 bp處含有特征序列ACCATTTTTTTTTA,有望用于暗紫貝母的分子鑒定。且在鑒定川貝母時(shí)采用psbA序列分析的方法要優(yōu)于ISSR分析,該方法較之于ISSR分析更為簡便,成本低,具有更大的實(shí)用價(jià)值。汪波等[22]針對川貝母及非川貝母ITS1序列設(shè)計(jì)了10條特異探針,最低檢測限度可達(dá)到摻偽10%,表明該方法可有效檢出川貝母藥材摻偽,并可反映市場藥材摻偽比例。2012年,羅焜等[3]運(yùn)用DNA條形碼鑒定技術(shù)對川貝母藥材5種不同基原植物物種和其余13個(gè)樣本、10個(gè)物種進(jìn)行了試驗(yàn)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ITS2的一級(jí)與二級(jí)結(jié)構(gòu)能很好的區(qū)分川貝母及其混偽品。2014年,俞超等[23]擴(kuò)增了8個(gè)貝母屬21個(gè)樣品的ITS1與ITS2序列,并比較了各樣品DNA提取率、PCR擴(kuò)增率及測序成功率,發(fā)現(xiàn)ITS1序列鑒定成功率為72.2%,而ITS2為100%,表明ITS2序列能夠更準(zhǔn)確鑒定不同貝母。高梓童等[24]基于ITS2序列對川貝母中成藥的鑒定,建立了包含貝母屬208條ITS2序列的數(shù)據(jù)庫,收集了市售20份川貝中成藥擴(kuò)增其ITS2序列,對PCR產(chǎn)物進(jìn)行克隆測序,對測序結(jié)果進(jìn)行BLAST比對,選取3份蛇膽川貝膠囊進(jìn)行高通量測序,并利用單克隆和二代測序相結(jié)合的混合測序方法對該3份中成藥中川貝母再次鑒定,數(shù)據(jù)表明混合測序的3份蛇膽川貝膠囊中均不含川貝母,所以基于單克隆和二代測序輔助的方法可以準(zhǔn)確對川貝母中成藥進(jìn)行鑒定,但DNA條形碼鑒定仍存在局限。研究發(fā)現(xiàn),依據(jù)ITS2序列構(gòu)建的進(jìn)化樹能夠?qū)⒉煌惸笇僦参锓譃椤氨狈截惸溉骸?包括平貝母與伊犁貝母)與“南方貝母群”(包括浙貝母、濃蜜貝母、中華貝母、康定貝母、長腺貝母和川貝母),后者又可細(xì)分為浙貝母與“川貝母復(fù)合群”,其中“川貝母復(fù)合群”中的貝母品種具有相近的親緣關(guān)系。這說明ITS2條形碼序列不僅能夠?qū)Υㄘ惸讣捌洳糠纸壏N進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地鑒定,還能夠清晰不同貝母種之間的親緣關(guān)系[17]。
ITS2序列不僅能夠用于不同貝母屬植物物種的鑒定,還能夠反映不同居群間的遺傳多樣性。例如,來自青海西寧(暗紫貝母1、2號(hào)樣品)與四川阿壩(暗紫貝母4、5號(hào)樣品)的暗紫貝母形成了2個(gè)居群,它們存在較大的遺傳變異,在進(jìn)化樹中距離較遠(yuǎn)。并且,來自相同地區(qū)的暗紫貝母與梭砂貝母亦存在居群內(nèi)部的遺傳變異,例如,來自青海西寧的3個(gè)暗紫貝母(暗紫貝母1、2、3號(hào)樣品)與2個(gè)梭砂貝母(梭砂貝母1、2號(hào)樣品)在進(jìn)化樹中并未聚在一起。我們的試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)來自青海西寧與四川阿壩的暗紫貝母形成了2個(gè)不同居群,存在較大的遺傳變異[17]。
第一,從貝母屬植物種質(zhì)資源鑒定與遺傳多樣性分析所利用的分子標(biāo)記來說,目前主要集中于RAPD、SNP、AFLP、ISSR和DNA條形碼等5種分子標(biāo)記,而其他分子標(biāo)記在貝母屬遺傳學(xué)和種質(zhì)鑒定方面的運(yùn)用甚少。究其原因,這可能與相關(guān)研究人員的選擇傾向有關(guān),一般大家都會(huì)選擇最有效、最占優(yōu)勢的方法來進(jìn)行研究工作,如RAPD、SNP與DNA條形碼等標(biāo)記技術(shù),相對于其它分子標(biāo)記技術(shù)的使用頻率更高。
盡管不同分子標(biāo)記技術(shù)基于不同的試驗(yàn)原理,但是取得的試驗(yàn)結(jié)果歸根結(jié)底應(yīng)追溯到不同貝母屬植物之間的DNA差異,因此綜合比較不同分子標(biāo)記的數(shù)據(jù),能夠得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。例如,比較川貝母與非川貝母的親緣關(guān)系時(shí),RAPD、ISSR與DNA條形碼均顯示川貝母與浙貝母、平貝母、伊貝母及湖北貝母親緣關(guān)系由近到遠(yuǎn),其中川貝母與浙貝母同屬南方貝母群,后幾種貝母屬于北方貝母群[23]。SNP結(jié)果顯示川貝母復(fù)合群中,太白貝母的SNP變異最高,可能與其它貝母親緣關(guān)系最遠(yuǎn)[18]。我們最近的試驗(yàn)亦支持太白貝母可能是川貝母復(fù)合群中最早分化的類型,這一結(jié)果與SNP結(jié)果吻合[17]。然而,不同分子標(biāo)記技術(shù)均有各自優(yōu)缺點(diǎn)。甚至相同技術(shù)也可能得到差異的結(jié)果,比如王果平等[14]的ISSR結(jié)果發(fā)現(xiàn)新疆貝母、伊貝和裕民貝母分為一類,額敏貝母為單獨(dú)一類。而詹羽姣等[12]采用ISSR分析發(fā)現(xiàn)新疆貝母與伊犁貝母分為一類,額敏貝母與裕民貝母為另一類。因此,無論用哪種分子標(biāo)記來研究貝母屬植物,只要這種分子標(biāo)記有效,我們都應(yīng)該大量嘗試,并反復(fù)使用,從而得到最終的準(zhǔn)確結(jié)果。
第二,研究貝母屬植物不同居群的遺傳多樣性能夠在一定程度上反映了資源現(xiàn)存的某種狀態(tài),從ISSR與AFLP的分析結(jié)果來看,伊貝母、浙貝母物種的遺傳多樣性較豐富,表明兩種貝母資源較豐富、破壞較小[12]。遺傳多樣性或遺傳差異與地理位置的差異有著高度相關(guān)性,來自相同地區(qū)的異種樣本遺傳差異會(huì)減小,推測是由于異種樣本間產(chǎn)生了基因交流導(dǎo)致;而不同地區(qū)的同種樣本遺傳差異會(huì)增加,這可能是由于同種植物在不同地區(qū)產(chǎn)生了進(jìn)化差異。李玉鋒等[4],黎開強(qiáng)等[10]與李慶等[9]均有類似結(jié)果的研究報(bào)道。
第三,在對不同方法的比較中,DNA條形碼由于序列較短,降低了提取、擴(kuò)增和測序的難度,有利于獲取發(fā)生降解的樣本序列片段,是現(xiàn)階段內(nèi)較適合作為藥用植物大批量、快速鑒定的技術(shù)。適用于貝母鱗莖干片、粉末等市場流通樣品的鑒定,鑒定川貝母正品與混偽品效果較為理想[21]。其中,ITS2條形碼來源與核基因組,與psbA-trnH、matK等葉綠體條形碼比較,屬于中度保守區(qū)域,其保守性表現(xiàn)為種間差異較為明顯,因此用于鑒定川貝母正品與混偽品效果較為理想。然而ITS2序列在區(qū)分川貝母不同基原植物時(shí)難度較大,區(qū)分效果不明顯,需要與其它條形碼序列配合使用。
第四,依托植物基因組信息開發(fā)分子標(biāo)記具有準(zhǔn)確性高,重現(xiàn)性好的明顯優(yōu)勢,也已在水稻、玉米等農(nóng)作物中取得了喜人的研究成果。然而,由于貝母屬植物基因組中含有大量的高度異質(zhì)性、相對低豐度的重復(fù)序列,形成巨大基因組[26],以現(xiàn)有的測序技術(shù)無法完成基因組測序,利用較低成本的功能基因組學(xué)(比如轉(zhuǎn)錄組)獲得其RNA信息,進(jìn)而篩選合適的分子標(biāo)記是一條可行的替代方法,現(xiàn)已迫在眉睫。
第五,針對分子標(biāo)記技術(shù)的定量研究方面,目前僅王成等[5]利用TaqMan實(shí)時(shí)熒光PCR方法能夠用于樣品中川貝母的相對定量,但成本較高。
第六,分子鑒定技術(shù)與其它鑒定技術(shù)的結(jié)合,由于目前尚未有貝母屬植物成熟的分子鑒定標(biāo)準(zhǔn),因此建立以分子鑒定為主、形態(tài)鑒定和(或)化學(xué)鑒定為輔的鑒定體系,使得鑒定結(jié)果更加可靠[9]。
綜上所述,分子標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用極大地促進(jìn)了貝母屬植物遺傳學(xué)的發(fā)展,進(jìn)一步加強(qiáng)分子技術(shù)的運(yùn)用,加快貝母屬植物種質(zhì)資源鑒定與遺傳多樣性研究等方面的研究進(jìn)展,是保護(hù)好貝母資源的有效保障。