SSR分子标记在紫薇属植物中的应用研究进展

黄建睿　缪绅裕

摘要 紫薇属植物约60种，由于其花色艳丽，花期长达3个月，且枝叶具有净化空气的能力，是著名的园林花卉物种。近年来，由于紫薇属新品种较多，难以分析其亲缘关系，而SSR分子标记技术凭借稳定性好、多态性高的特点，在紫薇属品种间展现了广阔的应用前景。介绍了SSR标记的基本原理、特点和开发方法，综述了SSR标记在紫薇属遗传多样性及亲缘关系、杂种纯度鉴定、遗传连锁图谱与DNA指纹图谱中的应用。分析SSR标记的特点和基本原理，旨在更全面分析SSR分子标记的优劣势，为今后SSR应用于紫薇属其他品种中提供参考，同时也为SSR分子标记在紫薇属中的应用提供理论依据。

关键词 紫薇属植物；SSR标记；遗传多样性；杂种纯度鉴定；遗传图谱

中图分类号 S 685.99文献标识码 A文章编号 0517-6611（2023）15-0014-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.15.004

Advances in the Application of SSR Molecular Markers in Lagerstroemia

HUANG Jian-rui， MIAO Shen-yu

（School of Life Sciences， Guangzhou University， Guangzhou， Guangdong 510006）

Abstract There are about 60 species of Lagerstroemia， which is a famous garden flower species because of its bright color， flowering period of up to 3 months， and its branches and leaves have the ability to purify the air. In recent years， due to the majority of new varieties of Lagerstroemia， it is difficult to analyze their genetic relationship， and SSR molecular marker technology has shown a broad application prospect among varieties of Lagerstroemia with its good stability and high polymorphism. This paper briefly introduces the principle， characteristics and development methods of SSR molecular markers， and summarizes the applications of SSR markers in Lagerstroemia genetic diversity and kinship， hybrid purity identification， genetic linkage map and DNA fingerprinting. The purpose of analyzing the characteristics and basic principles of SSR markers is to analyze the advantages and disadvantages of SSR molecular markers more comprehensively， so as to provide a reference for the application of SSR in other varieties of Lagerstroemia in the future， and also provide a theoretical basis for the application of SSR molecular markers in Lagerstroemia.

Key words Lagerstroemia；SSR markers；Genetic diversity；Hybrid purity identification；Genetic map

紫薇屬（Lagerstroemia L.）为千屈菜科（Lythraceae），全球约60种，多为落叶或常绿灌木或乔木，分布于亚洲东部、东南部、南部的热带、亚热带等地区［1］。目前我国紫薇属共有25种，除中国植物志记载的18种外，还包括安徽紫薇（L.anhuiensis）、小果紫薇（L.minuticarpa）、小叶紫薇（L.parviflora）、勐腊紫薇（L.menglaensis）、菱萼紫薇（L.turbinata）、密毛紫薇（L.densa）和屋久岛紫薇（L.fauriei）［2-6］。目前，世界上已培育出500多个品种［7］。紫薇属植物花色艳丽，花期长达100 d，具优良的观赏价值，因此其在园艺和园林应用中有重要价值，常被用作行道树或盆栽。紫薇属植物树干较为平滑、坚硬，且防腐性高，可在家居建材中使用［8］。叶片能够吸收一定量的有毒气体，具有净化空气的能力，可改善城市或园林中的空气质量［9］。此外，紫薇属植物有一定的药用价值。Judy等［10-11］发现大花紫薇（L.speciosa）中含有的萜类物质可用于治疗糖尿病。纵伟等［12］发现大花紫薇种子油是一种值得开发的保健油脂。凭借优良的观赏价值、生态价值及药用价值，紫薇（L.indica）已被12座城市列为市花［13］。

简单重复序列（simple sequence repeats，SSR）是指简单串联重复序列，由1～6个碱基组成，又称微卫星DNA。SSR长度为100～300 bp，其广泛分布于真核生物基因组的编码区和非编码区，有重复性高、分布均匀、多态性好的特点［14］。DNA分子标记是指在不同生物个体或种群基因组之间直接反映出不同生物个体或种基因组之间的差异特征的 DNA片段，它是利用 DNA分子的多态性来识别各种物种的生物技术。随着现代生物技术发展，现阶段已开发多种分子标记手段，如单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism，SNP）、限制性片段多态性标记（restriction fragment length polymorphism，RFLP）、扩增片段长度多态性标记（amplified fragment length polymorphism，AFLP）和微卫星标记（SSR）［15］。SSR由于丰富的多态性已成为继单核苷酸多态性之后用于分析物种遗传多样性最有力的生物技术手段之一［16］。SSR具有重复次数多的特点，在同一物种的不同个体基因型间差异很大，呈现高度多态性，且稳定性好，是用于分析种下居群遗传多样性的有力工具［17-20］。微卫星已被证实在植物中具有较高的信息量，并且带有位点特异的分子标记［21-22］。SSR标记已广泛应用于群体遗传学、分子育种和亲缘关系鉴定研究［23］。

该研究从SSR分子标记的特性和原理入手，综述了SSR分子标记在紫薇属植物中的遗传多样性、杂种纯度研究、遗传连锁谱图中的应用，为今后在紫薇属中SSR分子标记的开发及应用提供理论支撑。

1 SSR分子标记的特性

1.1 SSR分子标记的基本原理

SSR分子标记是一种利用直接分析遗传材料的多态性来识别其核苷酸排法和外部状态表达法则的技术。简单重复序列的高度变异表现为SSR数目的整体或部分变异，同时Schltterer等［24］研究发现，DNA复制过程中的“链滑”（strand slippage）造成同一基因座在特定物种的群体中能有很多等位基因，呈现多个位点多态性。SSR在种间或个体间的多态性与这些特异区域息息相关。

SSR分子标记在设计引物时是以微卫星序列两端的保守序列为依据，对含有SSR的基因组DNA序列进行PCR扩增。电泳可检测染色显带、分析微卫星序列多态性。根据分离片段的大小确定基因排布序列及表型并计算等位基因数目，最终达到鉴定目的［25］。

1.2 SSR分子标记的特点

SSR分子标记在植物鉴定中得到广泛应用是由于其具有以下特征：①广泛均匀地分布于真核生物基因组中。Beckman等［26］发现，人类基因组中大约每6 kb就存在1个SSR位点，且SSR既存在编码区也存在非编码区。②SSR两侧的序列较保守，有利于设计特异引物；③大部分重复序列无特殊功能，重复序列的重复次数变动不影响生物的正常功能，因而在品种间的变异位点位置不受限制，更具多态性；④根据SSR位点设计出特异引物后，受不定因素影响的可能性较小，结果是稳定的［27］。

简单重复序列在应用中也展现出一些缺陷，在开发SSR标记前，必须针对微卫星两端的保守序列来设计引物，耗时长、花费大；且SSR位点可能出现DNA替换、插入、缺失等突变，导致非等位基因的出现［28］。

2 SSR标记的开发方法

SSR标记的开发方法有构建基因组文库筛选法、滤膜富集法、磁珠富集法、基于PCR技术开发SSR标记法、数据库筛选法等。

构建基因组文库筛选法简单易掌握，是最传统的获取SSR位点的方法。该方法是利用提取的DNA片段连接载体后转化到大肠杆菌（Escherichia coli）中构建基因组文库，再使用SSR探针与文库中克隆的DNA杂交，检测基因组文库中的阳性克隆，再依据测序结果设计SSR引物［29］。随后，为解决试验操作繁杂的问题，人们采取富集步骤的SSR标记开发法，即滤膜富集法、磁珠富集法［30］。该方法通过SSR探针杂交技术对基因片段进行富集，再进行基因文库富集。Malausa等［31］研究表明，富集文库测序能够有效提高SSR分离效率，比不富集方法的提取效率提高300%，与传统方法相比能够有效节省开发成本。但富集法同样需要构建基因组文库，操作较基于PCR技术开发的方法仍较烦琐。

为更简化实验操作过程，基于PCR技术开发SSR的方法可省去基因文库构建和磁珠富集，仅需在PCR仪中进行扩增和电泳检测扩增就能获得SSR标记。其中包括PAPD-SSR法、PCR-SSR法。Cifarelli等［32］尝试利用开发的SSR引物与PCR产物进行扩增，并成功分离出SSR。

随着生物信息技术的提高，利用数据库筛选法可以避免一系列的复杂实验操作，研究者可在GenBank数据库中搜索相关物种的SSR信息［33-34］。虽然通过数据库搜索SSR位点方便快捷，但是SSR多态性不如构建基因组文库獲得的SSR多态性丰富。

综上可知，SSR标记开发方法各有优劣，在研究过程中需根据自身条件合理选择开发SSR的方法。基于PCR的SSR标记由于其高度的多态性质和可转移性，已被证明是研究遗传多样性和生物亲缘关系的有效工具［35-36］。

3 SSR标记在紫薇属中的应用

遗传多样性是指种内个体之间或单一群体内不同个体的遗传变异总和，遗传多样性为种质资源保护和植物利用工作提供理论依据。紫薇属植物品种多样，来源复杂，品种鉴定分类较为困难，通常选择对品种进行聚类分析（unweighted pair group method with arithmetic mean，UPGMA），从分子角度将品种归类，进而了解物种的遗传多样性和亲缘关系［37］。由于近亲繁殖衰退，遗传多样性评估对于野生紫薇的育种、种质资源管理和保护策略至关重要［38］。

3.1 遗传多样性与亲缘关系分析

紫薇150年前被引种到美国南部后，采取杂交育种与生物工程育种手段相结合，首次进行紫薇属植物在国外的育种研究［39］。在国内紫薇品种的基础上，研究人员也对国外不同花色性状的紫薇的遗传多样性作出了评价，进一步建立了更加完善的紫薇品种鉴定体系。乔中全等［40］对30个国外紫薇品种和8个国内品种的亲缘关系进行分析，开发出70个具有多态性的SSR引物，聚类结果显示，在遗传相似性系数0.736处，将38个紫薇品种分为3个类群，在0.760处可进一步将38个品种分为7个亚群。遗传距离和遗传一致度可评价品种的遗传多样性及亲缘关系，“淮南速生”和“淮南红叶”之间的遗传相似性系数最大则表明两者亲缘关系最近。徐静静等［41］分析了国内不同花色的4个紫薇群体共48个样品，筛选出23个多态性位点，Shannons信息指数和基因多样性显示紫薇群体丰富的遗传多样性。研究推测紫薇具有较高的遗传多样性的原因可能为：紫薇地理分布较广，通常分布范围广泛的物种的遗传多样性高于分布范围较窄的物种；紫薇的异花传粉的繁殖方式可能导致紫薇出现遗传漂变。冷嘉文等［42］针对30个来源美国的紫薇品种进行遗传多样性分析，开发出的10对引物检测到10个多态位点，多态位点百分率为100%，并利用聚类分析将紫薇品种归为4类，该试验充分验证了SSR可用于分析紫薇品种的遗传多样性和亲缘关系。SSR在濒危物种保护中也有良好的应用价值。尾叶紫薇（L.caudata）是紫薇属中仅有的具有花香的物种，其也是培育具花香的紫薇属新品种的重要育种亲本［43-44］。由于人类活动已呈濒危状态，此前没有针对尾叶紫薇开发的SSR位点，Cai等［45］第一次从尾叶紫薇中开发了17个SSR标记，并利用这17个位点在其他紫薇属物种中扩增，大部分位点都能实现扩种扩增，这项研究有助于尾叶紫薇的遗传多样性和可持续保护，第一次实现了SSR在紫薇属濒危物种中的应用。随后，Ye等［46-48］先后获得尾叶紫薇与地径、株高性状、叶片外形连锁的SSR位点，并补全尾叶紫薇的遗传多样性信息。综上可知，SSR分子标记能有效应用于紫薇属遗传多样性研究，为其他品种的遗传多样性研究提供理论支撑。

3.2 杂交种纯度鉴定

杂交育种是将亲本杂交，子代获得不同的遗传多样性，再通过对杂交后代的筛选，获得具有双亲优良性状的新品种的育种方式。杂交育种范围多在种内不同品种间，利用SSR从分子层面检验品种纯度，具有准确性高，在植物各部位、各个发育阶段均可检测，不受环境影响的优点，在其他物种如棉花（Gossypium hirsutum）［49］、綠豆（Vigna radiata）［50］、粟（Setaria italica var.germanica）［51］中的运用均取得了较好的鉴定结果。对杂交种纯度鉴定，能有效确保杂交后代获得双亲的优良基因，成功达到改良品种的目的。目前紫薇属新品种筛选主要从花色、抗性、株型等方面筛选。

Pounders等［52］对大花紫薇和紫薇的杂种后代“Princess”“Monia”通过SSR标记进行杂种纯度鉴定，得出仅“Princess”为真杂种。Rinehart等［53］采用SSR标记检验出多个假杂种，Ju等［54］利用SSR标记鉴定出紫薇和大花紫薇的真杂种。彭婵等［55］利用大花紫薇和福建紫薇（Lagerstroemia limii）作为父本分别与紫薇品种进行杂交，筛选出15对在亲本间具有多态性的引物对51株杂交子代进行杂种纯度测试，结果表明，杂交后代中有38株为真杂种。该试验还将鉴定为真杂种的植株从叶形、株高等形态方面与双亲进行比较，大部分后代的单株表型介于双亲之间。可见，SSR标记能够有效地对紫薇属后代杂种纯度进行检验。

3.3 遗传连锁图谱与指纹图谱构建

遗传连锁图谱是由遗传重组后的基因在染色体上的相对位置来排列的图表［56］。遗传连锁图谱由3个步骤构成：选择作图群体、对群体的遗传标记结果进行分析、构建图谱。利用SSR位点在染色体上的相对位置组成的图谱，可以帮助利用分子标记所得的遗传信息来定位基因，从而为基因定位、育种筛选、缩短育种年限提供了理论基础。SSR标记由于其稳定性高、多态性广泛等特点，有利于不同连锁群、图谱连锁群的整合，当SSR标记数量足够多时，构建的遗传连锁图谱能覆盖整个基因组［57-58］。

刘阳等［59］以屋久岛紫薇和3个具有优良观赏性状的紫薇品种“Pocomoke”“Creole”“Dallas Red”为亲本，选择100个子代分别采用SSR分子标记进行基因型检测，结果表明，90%的基因型与孟德尔遗传定律相吻合，可用于构建紫薇遗传连锁图谱。紫薇F1群体的构建为紫薇属遗传图谱的构建、QTL数量性状定位的研究奠定了基础。随后，刘阳［48］还从35个紫薇品种中开发了10对具多态性的引物，绘制出35个紫薇品种的DNA指纹图谱。扩增产物的等位基因大小与96个基因型的预期等位基因大小一致，表明来自近缘种的SSR可以用于扩增紫薇。

在此之前，Cai等［60］已利用13对SSR引物针对中国紫薇种质构建了50份SSR指纹图谱，说明SSR标记能有效鉴定紫薇属品种。遗传连锁图谱的构建为今后紫薇在观赏性状遗传规律的分析研究中奠定了基础。

4 结语

综上所述，SSR标记能够应用在部分紫薇品种遗传多样性分析、亲缘关系分析、种子资源鉴定、遗传连锁图谱和指纹图谱构建中，为今后在紫薇属中的SSR标记开发提供理论基础。

SSR标记具有稳定性好、重复性高的特点，在紫薇品种遗传多样性分析、亲缘关系分析、种质资源鉴定等方面具有重要应用价值，且其在新品种育种方面便于揭示表型与基因之间的关系。但SSR标记也有开发耗时长、实验烦琐等缺点，使用SSR引物鉴定需针对每个微卫星两端的保守序列设计特异性引物。近年来，EST-SSR序列得到广泛应用，该方法绝大多数标记均只产生一个位点，这与其他可产生多个多态性位点的分子标记相比，降低了标记效率。目前，从转录组中提取SSR位点弥补了从基因组中提取成本大的缺点，目前已证明基于转录组能成功在紫薇属植物中获得SSR位点［61-63］。

聚类分析表明，来自相同地理区域的品种倾向于聚在一起［64］。多项研究表明，分子标记对紫薇属植物是适用的，长期的地理隔离似乎导致了紫薇种质资源之间的显著遗传分化。紫薇种质资源的系统发育关系和遗传变异为选择合适的亲本进行育种提供了丰富的材料来源，开发SSR标记能够为紫薇属构建DNA指纹图谱、基因定位及克隆等研究奠定基础。同时SSR标记也展现了在紫薇属遗传育种中的巨大潜力和应用前景。

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基金项目 广东省科技计划公益研究与能力建设专项资金项目（2018B030320007）。

作者简介 黄建睿（1997—），女，广东翁源人，硕士研究生，研究方向：植物资源利用。*通信作者，教授，博士，从事植物多样性及其保护研究。

收稿日期 2022-07-21