苎麻种质资源遗传多样性分析研究进展

王昕慧，全芮萍，刘婕仪，刘皖慧，周倩文，崔国贤

（湖南农业大学苎麻研究所，长沙 410128）

全世界荨麻科（Urticaceae）植物有47属，约1 300种，分布于热带与温带，其中苎麻属（Boehmeria）约有120种，30种左右分布于美洲，75种分布于亚洲，少量分布于非洲和大洋洲，我国已发现有32种11变种［1-3］。苎麻是我国四大纤维作物之一，被称作“中国草”和“南京草”［4］。我国苎麻种植面积和产量占全世界的90%以上，在国际市场上占主导地位［5］。

种质资源遗传多样性是生物多样性的核心，是育种和资源保护的基础。在杂交中，遗传多样性非常重要；对植物进行遗传多样性评估是鉴定、保存遗传资源和设计育种方案的第一步［6］。研究苎麻种质资源的遗传多样性，有助于分析苎麻种质资源间的遗传关系，对于拓展苎麻种质资源的遗传基础，探索优质基因，开发新品种，促进苎麻种质资源的可持续利用具有重要意义。本文从细胞学、形态学、生物化学和分子水平对苎麻种质资源的遗传多样性进行综述。

1 表型性状

表型性状是植物的外在表现，是通过形态标记进行研究。形态标记是指肉眼可见的或仪器测量的植物在生长发育过程中的外部特征。形态标记可对质量性状和数量性状进行标记。因此，形态标记在育种中有重要作用［7-9］。不同种质的表型存在差异，它是苎麻品种分类的依据。苎麻是我国传统经济作物，栽培历史悠久，长期的自然选择和人工选择以及频繁种质交流，产生了丰富的表型性状。我国苎麻属植物分为5个组31种，21个变种［10］。目前，我国建成了世界上保存种类最丰富的国家苎麻种质资源圃，收集了近3 000份苎麻种质。苎麻种质的表型性状主要包括苎麻的蔸型、株型、叶型、叶色、叶毡毛、根型等。

苎麻种质资源较丰富，不同的苎麻资源表型性状差异较大。林敏荣等［11］通过对27个苎麻地方品种的叶形、叶色、叶缘锯齿、叶柄着生角度、叶面皱纹、茎毛、茎形、茎型、根型、根系类型、雌蕾色和蔸型等12个形态特征的调查，采用DPS进行聚类分析，在遗传距离5.21处将27个品种分为4类，在遗传距离为3.65时，则为10个类群，对选育优良苎麻品种具有重要的指导意义。白玉超等［12］通过株高、茎粗、鲜皮厚度、分株数、有效株率、地上部生物量6个农艺性状对94份苎麻种质资源进行关联分析，得出鲜皮厚对地上生物量的影响最大，株高和茎粗次之，并筛选出一些优良的种质。李林林等［13］通过对94份苎麻种质的株高、茎粗、皮厚、有效株率、有效株、单蔸分株数和单蔸生物量等7个农艺性状进行聚类分析，得到3个聚类群，为苎麻优质高产育种的亲本选配提供参考价值。在作物育种中形态标记虽简单易懂，但受环境的影响，种群间的遗传变异无法准确掌握。

2 细胞学标记

细胞学标记主要指染色体核型和带型，是作物细胞遗传标记之一［14］。染色体是遗传物质的载体，染色体数量、结构变化会导致遗传物质变化。目前，许多苎麻研究者将细胞学标记应用于苎麻研究中。臧巩固［15］研究苎麻属3个分类学组中5个种核型，其中2组4种为首次报道；序叶苎麻（B.clidemioides）的核型为：2n=28=6t+22T+1B，苎麻的核型为：2n=28=4st+2t+20T+2st（SAT），大叶苎麻（B.longispica）的核型为：2n=42=6t+36T，悬铃木叶苎麻（B.platanifolia）的核型为：2n=42=8t+32T+2st（SAT），长叶苎麻（B.macrophylla）的核型为：2n=42=1m+8t+33T。通过核型比较，讨论苎麻属植物的染色体基数及进化趋势，首次提出苎麻属的染色体基数可能是7，异源多倍化是苎麻属植物的主要进化途径之一。张波等［16］对几种野生苎麻染色体研究，发现染色体倍性较高，并根据多倍化和核型分析，提出苎麻染色体的演化趋势：2n=28→2n=42或56。杨瑞芳等［17］对7份野生苎麻材料进行Giemsa C-带带型及染色体核型分析，结果显示7份材料均为近端着丝点型，核型公式分别为2n=28=28st，2n=42=42st和2n=56=56st。

虽然细胞学标记不受环境因素的影响，但仍存在很多问题，对染色体切片的制作技术要求较高，标记数量较少；且同一物种个体间染色体的数目不同。因此，研究苎麻种质资源遗传多样性，不能仅靠细胞学标记来定位。

3 生化标记

生化标记的特征是以基因表达产物（蛋白质）的遗传标记，包括两种标记手段，一是同工酶标记，另一种是贮藏蛋白标记，结构多样性可反应作物DNA组成和作物遗传多样性。酶谱相似度可预测种间亲缘关系，相似度越高，亲缘关系则越近［18］。胡能书等［19］对233个苎麻品种进行酯酶同工酶标记分析其亲缘关系，初步构建苎麻演化树。胡能书等［20］对213个苎麻栽培品种进行过氧化物酶同工酶分析，将其归纳为41种生态型。蒙祖庆［21］运用同工酶技术对38份苎麻种质（其中8份为栽培种）进行分析，共检测到146条酯酶同工酶谱带，统计表明：野生种产生酶带数1～5条不等，栽培种产生酶带数7～9条不等，共21个类型，通过聚类分析得到5个聚类群。

同工酶标记应用于苎麻种质资源的分类研究中，存在着同工酶的含量和酶活性在作物不同生长阶段存在差异［22］，且同工酶基因的表达受不良环境的影响等［23-25］。因此，需结合其他标记技术来开展研究。

4 分子标记

分子标记是基于个体间遗传物质核苷酸序列差异的标记，直接反应DNA水平单核苷酸多态性。遗传多样性评估对有效组配育种材料和改良作物性状至关重要［26-28］。分子标记具有快速、准确、多态性好等特点，通过分子标记的多态性分析可准确评价苎麻遗传多样性。目前，主要有RAPD、SSR、ISSR和SRAP等分子标记用于苎麻遗传多样性的研究。

4.1 RAPD标记

RAPD（随机扩增多态性DNA标记）技术是建立在PCR基础上对基因进行多态性分析的分子技术。该技术在苎麻遗传多样性研究中发挥重要作用。

揭雨成等［29］利用RAPD技术对抗旱性较弱和较强的基因型材料各6个品种进行亲缘关系分析，将其聚成两类三组，直观地反应材料间的亲缘关系，为苎麻抗旱育种亲本选择及亲缘关系研究提供理论依据。邱财生等［30］利用RAPD分析13份苎麻材料，确立了它们之间的亲缘关系。陈荷泉［31］用RAPD分子标记分析44份苎栽培品种的遗传变异，用23个RAPD引物扩增出112个条带，多态性带103条，多态性比率91.7%。研究表明，RAPD技术在亲缘关系分析和遗传多样性检测上具有较大的潜力。

4.2 SSR标记

SSR标记技术通过分析遗传物质的多态性来鉴别植物核苷酸排布及规律。陈建华［32］采用SSR分子标记分析了158份苎麻核心种质的遗传多样性，发现核心种质资源遗传变异广泛，根据引物检测到的种质遗传多样性图谱可以将158份种质分成10类。Kim等［33］开发了苎麻的SSR标记，选择了17个SSR标记，分析了90份苎麻种质资源的遗传多样性，共检测到140个等位基因，每个序列3到17个等位基因，平均遗传多样性值为0.61，范围为0.37～0.84，平均多态信息含量为0.56，范围为0.34～0.82，基于SSR数据的遗传聚类分为4类。Ni等［34］利用23个SSR标记和3个表型标记分析了13个地区（中国、巴西、印度、古巴等）的1 151个苎麻种质资源的遗传多样性和种群结构，结果确定了117 个位点，Shannon 多样性指数范围为0.320 1～1.677 3（平均值0.827 2），多态信息含量为0.157 8～0.760 3（平均值0.501 7），预期杂合度为0.169 4～0.781 5（平均值0.528 2），遗传多样性为0.172 2～0.788 4（平均值0.522 8）；四川、云南和贵州的遗传多样性高于其他地区。基于非加权对组方法的算法均值和遗传距离的聚类分析揭示了国内外种质资源存在明显差异。种群结构分析也证明野生种质遗传多样性高于驯化种质。Luan等［35］使用95对SSR引物和107份苎麻种质，研究了与苎麻纤维产量性状相关的SSR位点，并进行关联分析，结果表明107份种质可分为两亚群，关联分析检测到16个与苎麻产量性状相关的稳定分子标记。钟新月［36］筛选出39对SSR引物，逐一对19个耐低磷差异基因型苎麻DAN进行扩增，结果均有多态性，对引物的扩增条带进行聚类分析，可以将19份材料聚为四类。许岳军等［37］利用SSR标记技术对8份苎麻种质进行遗传分析，结果表明8份苎麻材料的遗传相似系数为0.669～0.859，在相似系数0.72处可将其分为3类。上述研究表明，SSR标记技术对苎麻基因间的遗传关系能进行有效分析。

4.3 ISSR标记

ISSR标记是简单可靠的DNA 分子标记技术［38，39］。丁明忠等［40］用21条ISSR引物对8份四川苎麻品种的DNA进行扩增，共扩增出86条带，多态性位点71个，聚类分析结果显示，供试品种与母本的遗传距离较远，表现特有的偏父本遗传现象。康冬丽［41］利用ISSR标记技术研究了56个苎麻品种的遗传差异，用15个ISSR引物共扩增出258条带，有247条多态性带，多态性比率为95.8%，表明苎麻种间遗传差异较大。聚类分析结果显示，在遗传距离0.635处可将其分为5类：来自四川的品种聚成一类，贵州的品种和江西的品种各聚成一类，湖北和湖南的51个品种聚成一类，表明品种（系）间的亲缘关系与地理位置密切相关。刘立军等［42］利用ISSR标记技术对苎麻自交无性繁殖系遗传关系进行分析，结果表明ISSR标记技术可准确地分析苎麻自交无性繁殖系的亲缘关系和遗传多样性。蒙祖庆等［43］研究发现，ISSR标记技术比RAPD标记技术更适合野生苎麻种质亲缘关系的分析。

4.4 SRAP标记

SRAP是基于PCR技术的标记方法，目前在苎麻遗传多样性研究、检测亲缘关系和遗传图谱的构建等方面得到广泛应用［44-48］。

Liu等［49］首次在苎麻自交系中应用SRAP标记，研究33个自交系和2个野生种间的遗传关系。用33个引物获得332个多态性条带，UPCMA聚类分析显示，来自中国和巴西的近交系成一类，表明巴西品种可能是从中国引进发展而来。在苎麻自交系分组中发现品种间的遗传关系与品种起源区域显著相关。Luan等［50］利用SRAP和SSR标记研究108个苎麻品种的遗传多样性和亲缘关系，显示108个苎麻种质的遗传相似系数在0.22～0.89之间。利用PCA（主成分分析）和UPGMA（未加权的成对组方法和算术手段）将108个种质分为两类；Shanon多样性指数为1.1，Nei’s的基因多样性指数为0.58。同时还比较了不同省份（四川、江西、湖北、湖南）的遗传多样性，贵州省遗传多样性最高，可能是苎麻的起源中心。

5 展望

遗传多样性是作物种质资源保存、开发利用的基础。近年来苎麻在种质资源遗传多样性研究上取得了一定进展，从表型到分子，许多研究表明苎麻具有较高的遗传变异水平，但仍需改进和提升。随着农业发展，育种家保存的种质资源主要是具有优良性状和综合性状好的苎麻材料，导致种质资源遗传基础逐渐变窄，研究工作有局限性。此外，不同研究方法的研究结果也不一致。

今后的苎麻遗传多样性研究应加强品种收集鉴定与保存，避免种质流失；深入了解苎麻种质资源的现状，提高苎麻种质资源的遗传多样性，加强野生苎麻种质的研究和利用，拓宽遗传基础；结合常规手段与分子技术，开展系统深入研究，揭示苎麻表型性状的遗传变异与分子水平上的遗传多态性之间的关系，对遗传育种潜力进行客观评价；对重要的性状进行基因定位，发现优良基因，为苎麻的保护和合理利用提供材料。