基于ILP标记的50份云南山茶品种遗传多样性分析

李德琴 ,  冯健 ,  张顺荣 ,  常书奎 ,  尹世华 ,  黄晓霞 ,  俎峰 ,  程小毛

西北农林科技大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 54 ›› Issue (05) : 42 -51.

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西北农林科技大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 54 ›› Issue (05) : 42 -51. DOI: 10.13207/j.jnwafu.2026.05.005
乡村振兴(产业振兴)专题(园艺科学)

基于ILP标记的50份云南山茶品种遗传多样性分析

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Genetic diversity analysis of 50 Camellia reticulata varieties based on ILP markers

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摘要

目的 分析50份云南山茶品种种质的遗传多样性,为山茶种质资源的创新利用和育种进程提供科学依据。 方法 利用筛选出的25对多态性引物,对50份云南山茶品种进行分子标记试验,系统分析了其遗传多样性、亲缘关系、群体结构及主成分。 结果 云南山茶品种共检测到112个等位基因,等位基因数为3~7个,平均为4.48个;有效等位基因数平均为2.44个,观测杂合度(Ho)和期望杂合度(He)的平均值分别为0.72和0.55。Shannon信息指数(I)和Nei基因多样性指数(H)的平均值分别为0.99和0.55,表明云南山茶品种具有较高的遗传多样性。引物的多态信息含量(PIC)平均值为0.52,其中14对引物的PIC值大于0.5,表明这些引物能够有效反映遗传多样性。基于NTSYSpc-2.1计算的遗传距离显示,50份云南山茶品种的遗传相似系数为0.61~0.92,其中‘香妃’和‘凤山茶’遗传相似度最高,而‘大玛瑙’和‘桃红袍’遗传相似度最低。通过Structure软件分析,50个云南山茶品种在ΔK=2时可分为两组,其中一组包含46个品种。主成分分析进一步表明,50个品种在遗传关系上高度相似,且基本聚在一起。 结论 选用的25对引物能很好地反映云南山茶品种种质的遗传多样性(PIC>0.5);50份云南山茶品种种质群体间高度相似,遗传关系极为紧密。

Abstract

Objective By analyzing the genetic diversity of germplasm from 50 Camellia reticulata varieties,this study aims to provide a scientific basis for the innovative use of camellia germplasm resources and the advancement of breeding process. Method Molecular marker tests were conducted on 50 Camellia reticulata varieties using 25 pairs of screened polymorphic primers,and their genetic diversity,kinship,population structure and principal components were systematically analyzed. Result A total of 112 alleles were detected in Camellia reticulata varieties,with the number of alleles ranging from 3 to 7 and averaging 4.48.The number of effective alleles averaged 2.44,and the mean values of observed heterozygosity (Ho) and expected heterozygosity (He) were 0.72 and 0.55,respectively.The mean values of Shannon polymorphism index (I) and Nei genetic diversity index (H) were 0.99 and 0.55,respectively,indicating high genetic diversity in Camellia reticulata varieties.The average polymorphic information content (PIC) of the primers was 0.52,with 14 pairs of primers having PIC values greater than 0.5,indicating that these primers can effectively reflect genetic diversity.Genetic distances calculated based on NTSYSpc-2.1 showed genetic similarity coefficients of the 50 varieties ranged from 0.61 to 0.92,with ‘Xiangfei’ and ‘Fengshancha’ having the highest genetic similarity,and ‘Damanao’ and ‘Taohongpao’ having the lowest genetic similarity.Based on analysis using Structure software,the 50 Camellia reticulata varieties could be divided into two groups at ΔK=2,with one group containing 46 varieties.Principal component analysis further revealed that the 50 varieties were highly similar in genetic relationship and basically clustered together. Conclusion The 25 selected primer pairs can effectively reflect the genetic diversity of Camellia reticulata germplasm (PIC>0.5).High genetic similarity was observed among the 50 Camellia reticulata germplasm, with exceptionally close genetic relationships.

Graphical abstract

关键词

云南山茶品种 / ILP分子标记 / 群体结构 / 遗传多样性

Key words

Camellia reticulata varieties / ILP molecular markers / population structure / genetic diversity

引用本文

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李德琴,冯健,张顺荣,常书奎,尹世华,黄晓霞,俎峰,程小毛. 基于ILP标记的50份云南山茶品种遗传多样性分析[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2026, 54(05): 42-51 DOI:10.13207/j.jnwafu.2026.05.005

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云南山茶(Camellia reticulata),隶属于山茶科(Theaceae)山茶属(Camellia),是云南八大名花之一1,也是昆明市的市花。其生长区域主要集中在云南省、贵州省西部和四川省西南部,海拔为1 000~3 200 m2。云南山茶为异花传粉植物,在自然繁衍过程中产生了许多变异。经过近千年的栽培选育,已形成了丰富的园艺品种。在国外,许多育种工作者以云南山茶为杂交材料,成功培育出多个新品种和种间杂交品种。云南山茶因其花大色艳、品种众多、耐寒性强且花期恰逢元旦和春节,成为重要的年宵花卉,在园林中具有独特的应用价值。培育丰产、优质、花色多样、花期长且开花时间多样的新品种,一直是云南山茶育种专家的共同目标3。然而,传统云南山茶的育种方法存在育种周期长、杂交随机性强、远缘杂交困难等缺点,这些限制使得其育种效率低下,难以满足现代育种的需求。
近年来,分子标记技术的发展为克服这些挑战提供了新的途径。作为一种新型的分子标记技术,内含子长度多态性(ILP)标记在植物遗传研究中得到了广泛应用。前人已在棉花4、水稻5、玉米6、胡萝卜7、紫花苜蓿8、箭筈豌豆9、烟草10、松树11、无芒隐子草12等植物上成功开发了ILP标记,并应用于群体遗传多样性分析、遗传连锁图谱构建等领域。在茶树上,舒茶早13-14、龙井4315和古茶树DASZ16等高质量染色体级别基因组的组装成功,为在茶树全基因组水平上开发和应用ILP标记提供了契机。山茶属植物在进化过程中积累了丰富的遗传变异,尤其是在DNA分子水平上表现出显著的多样性。云南山茶因其独特的地理位置和复杂多样的生态环境,被认为是遗传变异最为丰富的分支之一17-18。研究表明,ILP标记具有很好的通用性,至少在同一科内具有广泛的应用价值19-20。因此,基于云南山茶的遗传特性,开展ILP标记研究不仅具有重要的理论意义,还能为育种实践提供有力支持。本研究利用自主开发的茶树内含子长度多态性标记20,对来自昆明的50个云南山茶品种进行遗传多样性、群体结构及亲缘关系分析,旨在为云南山茶新品种培育中的亲本选配提供科学依据,进而推动云南山茶育种工作的进一步发展。

1 材料与方法

1.1 材 料

本研究采集了50份云南山茶品种的新稍一芽二叶部位作为试验材料,并放于装有变色硅胶的自封袋中密封保存。样品均来源于云南省昆明市,详见表1

1.2 DNA提取及检测

采用CTAB法21提取云南山茶茶树叶片基因组DNA,用1.0%琼脂糖凝胶电泳检测质量,用微量核酸蛋白检测仪测定浓度和纯度后,稀释DNA溶液至50 ng/μL。

1.3 标记来源

本研究所用Tea_ILP标记均为本课题组自主开发的标记20,筛选标准:用230对茶树ILP引物对随机抽选的6份云南山茶样本DNA进行扩增,其中25对茶树ILP引物表现出多态性且扩增条带清晰,无拖尾,未出现明显的引物二聚体。随后用这25对多态性ILP标记检测云南山茶品种群体遗传多样性。25对ILP引物信息详见表2

1.4 PCR反应及电泳检测

参照唐探21的反应体系及反应程序,扩增产物用质量分数6%尿素变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,并参照程小毛等22的方法进行银染显色,最后在灯箱上拍照记录。

1.5 数据统计与分析

将ILP扩增产物每一条带视为一个位点,对凝胶电泳成像清晰、分辨率高的条带进行统计,按照0,1法进行计数,有条带的记为“1”,无条带的或难以分辨的弱带记为“0”,并构建0,1型矩阵。然后将矩阵数据输入Data Trans 1.0软件中进行数据转换,将原始的0,1型数据转换为基因型数据,数据转换完成后,将基因型数据以txt格式导入Popgene v3.2软件进行遗传多样性分析,统计多态性条带数,分别计算等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、Shannon信息指数(I)、观测杂合度(Ho)、期望杂合度(He)、Nei基因多样性指数(H),并将Popgene v3.2输出的基因型数据导入PIC_CALC(version 0.6)中计算出多态信息含量(PIC)。使用群体结构分析软件Structure v2.3.4,对原始的0,1型数据进行分析,设定K值为1~10,MCMC(markov chain monte carlo)为10 000次,生成直方图展示结果,并利用在线网站Structure Harvester确定最佳K值。用NTSYSpc-2.1软件计算各个品种间的遗传相似系数和Nei’s遗传距离,然后在MEGA 7.0中采用N-J法绘制聚类图,最后利用R语言“vegan”软件包对云南山茶群体进行主成分分析,并使用“ggplot2”软件包绘制主成分分析二维图。

2 结果与分析

2.1 云南山茶品种群体遗传多样性分析

使用筛选到的25对多态性引物对50个云南山茶品种进行遗传多样性分析,部分电泳扩增结果如图1所示。云南山茶Tea_ILP标记的多样性参数见表3

表3显示,25对Tea_ILP标记共检测到112个等位基因,等位基因数为3~7个,平均为4.48个。有效等位基因数为1.06~3.60,平均值为2.44。25对引物共扩增出152个条带,每对引物扩增出的多态性条带数为3~10个,平均值为6.08。所有引物的多态性条带扩增率均为100%,其中扩增条带数最多的是引物Tea_ILP1982(10个条带),最少的是Tea_ILP2032(3个条带)。观测杂合度(Ho)为0.06~0.99,平均值为0.72;期望杂合度(He)为0.06~0.73,平均值为0.55;Shannon信息指数(I)的最高值为1.43,最低值为0.15,平均值为0.99;Nei基因多样性指数(H)为0.06~0.72,平均值为0.55;引物的多态信息含量(PIC)平均值为0.52,最大值为0.81,其中1个标记为低度多态性(PIC值0~0.25),10个标记为中度多态性(PIC值>0.25~0.50),14个标记为高度多态性(PIC值>0.50~1.00)。结果表明,25个Tea_ILP标记具有较高的多态性,能够有效反映云南山茶的遗传多样性。较高的等位基因数、有效等位基因数以及Shannon信息指数和Nei基因多样性指数,均表明云南山茶品种具有丰富的遗传变异。此外,PIC值的分布进一步证实了这些标记在遗传多样性分析中的有效性。2.2 云南山茶品种群体亲缘关系

50个云南山茶品种遗传聚类结果见图2

基于NTSYSpc-2.1计算的遗传相似系数显示,50个云南山茶品种间的遗传相似系数为0.61~0.92。其中‘香妃’和‘凤山茶’的遗传相似系数最大(0.92),表明它们的亲缘关系最近;‘大玛瑙’和‘桃红袍’的遗传相似系数最小(0.61),表明它们的亲缘关系最远。利用Neighbour-Joining法(N-J法)构建的遗传聚类图(图2)显示,50个云南山茶品种可聚为三大类。第Ⅰ大类包括‘雪娇’、‘凤山茶’、‘香妃’、‘大玛瑙’和‘大红六角’5个品种;第Ⅱ大类包括‘紫袍’、‘早牡丹’和‘玛瑙’等42个品种,其中第Ⅱ-1类包括‘麻叶桃红’和‘柳叶银红’等31个品种,第Ⅱ-2类包括‘早桃红’和‘狮子头’等11个品种;第Ⅲ大类仅包含‘靖安茶’、‘丽芳’和‘亮桃红’3个品种。

2.3 云南山茶品种群体结构分析

使用Structrue软件对50个云南山茶品种进行居群结构分析,结果(图3)显示,当ΔK值为2时,云南山茶群体有最佳的分组。

图4可以看出,50个云南山茶品种大致聚为2类,其中‘香妃’、‘大玛瑙’、‘大理茶’和‘银粉牡丹’为一组,另一组包含了‘狮子头’、‘早桃红’和‘玛瑙’等46个云南山茶品种,但‘亮桃红’、‘靖安茶’和‘丽芳’等部分山茶品种与此聚类的其他云南山茶存在一定差异。该结论与聚类分析的结果相似。

2.4 云南山茶品种群体主成分分析

为进一步揭示50个云南山茶品种的遗传关系,在NJ法聚类结果基础上,对50个云南山茶品种进行了主成分分析,结果(图5)显示,50个云南山茶品种基本聚在一起,且PCA第1主成分占41.98%,说明其主成分分析可靠,50个云南山茶品种的遗传关系相近。这一结论在一定程度上说明了50个云南山茶品种是高度相似的,遗传关系极为紧密。

3 讨论与结论

遗传多样性是指所有生物遗传信息的综合,与生物进化息息相关,受环境的制约和影响。分子标记技术为研究遗传多样性提供了有力的工具,能够揭示物种的遗传变异和进化历史。本研究使用25个Tea_ILP标记对50个云南山茶品种进行遗传多样性检测,结果表明在50个云南山茶品种中扩增出152个条带,多态性条带扩增率为100%,与刘娇等23和黄利超等24利用EST-SSR标记的研究结果一致,进一步表明云南山茶品种具有极高的多态扩增率。Nei基因多样性指数(H)和Shannon信息指数(I)是衡量群体遗传多样性的重要指标,HI值越大,表明群体的遗传多样性程度越高25。本研究中,50个云南山茶品种的H平均值为0.55,I平均值为0.99,显著高于林开勤等26利用SSR分子标记技术对云南茶树的研究结果(H=0.22,I=0.33),也高于周萌等27利用EST-SSR标记对云南大树茶的研究结果(H=0.53,I=0.81),表明云南山茶品种的遗传多样性程度较高,这可能是由于普通茶树在基因交流上比山茶更为频繁,导致山茶品种的遗传变异更为丰富。多态信息含量(PIC)是衡量分子标记多态性的另一个重要指标。一般认为,当PIC值大于0.5时,该标记具有较高的信息量,能够较好地反映样本的遗传多样性28。本研究中,25个茶树ILP标记中有14个标记的PIC值大于0.5,云南山茶的PIC平均值为0.52,接近于姜晓辉等29在云南茶树中研究的PIC均值(0.66),略高于周萌等27在云南大茶树研究的PIC均值(0.47),表明本研究开发的山茶ILP标记能够较好地反映云南山茶的遗传多样性。

期望杂合度He是衡量遗传多样性水平的核心指标,同时反映物种内的多样性水平30He值越高,该标记提供的信息量越大31,表明所分析样本具有更丰富的遗传多样性。此外,Ho值(观测杂合度)越接近He值,群体的遗传多样性水平越高32。本研究结果显示,云南山茶的观测杂合度(Ho=0.72)略高于期望杂合度(He=0.55),说明供试的云南山茶样品具有较高的遗传多样性。造成这种现象的原因可能为以下几方面:(1)人工选择与杂交育种的历史影响。云南山茶作为重要的观赏植物,长期受到人工定向选育,其育种目标通常倾向于保留杂合个体的表型优势(如花色多样性、花型复杂性和抗逆性),导致杂合子被优先保留和扩繁。(2)异交繁殖与自交不亲和性。山茶属植物普遍具有自交不亲和性(self-incompatibility, SI),依赖异花授粉完成繁殖,在长期杂交演化过程中产生大量不连续变异33。而栽培环境中人为介导的云南山茶品种间杂交(如不同地理来源或表型互补品种的配组)可能促进增加杂合子比例。(3)自然选择对杂合子的偏好。野生或半野生状态下,杂合子可能因适应性优势(如抗病性、生态位广适性)而受到正向选择。而在高强度人工选育的云南山茶栽培群体中,杂合个体的生存优势(如对病虫害的抵抗力)仍可能通过自然选择被保留,从而放大了HoHe的差异。

遗传相似系数是用来比较不同品种或群体间遗传多样性的重要指标。在遗传相似系数为0.61时,50个云南山茶品种被划分为三大类,其中第Ⅱ大类包含的品种最多,占总数的84%;‘香妃’和‘凤山茶’的遗传关系最近,遗传相似系数为0.92。通过Structure软件对群体结构进行分析发现,当ΔK=2时,50个云南山茶品种可分为两组,其中一组包含46个品种。主成分分析进一步表明,50个山茶品种在遗传关系上高度相似,且基本聚在一起。亲缘关系聚类分析、品种群体结构分析和主成分分析等多重分析结果表明,以重瓣型为主的云南山茶在聚类时表现出高度相似性,亲缘关系更为接近,这与辛桐34利用AFLP标记对不同瓣形的云南山茶品种进行聚类研究的结果一致。同时在一定程度上表明所选用50个云南山茶可能来自于共同的亲本。系统发生树、群体结构及主成分分析所揭示的云南山茶品种群体的亲缘关系,将为下一步的云南山茶新品种选育中亲本选配提供科学参考依据。

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云南省农业联合专项面上基金项目(202101BD070001-041)

云南省创新人才培养对象项目(202305AD160025)

云南省种子种业联合实验室项目(20205AR070001)

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