北苍术种质遗传多样性及群体结构分析

doi:10.13304/j.nykjdb.2024.0174

中国农业科技导报 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (12): 39-49.DOI: 10.13304/j.nykjdb.2024.0174

北苍术种质遗传多样性及群体结构分析

谢波艳¹(), 孔丽静¹, 张煜彬¹, 孙成龙¹, 赵思源¹, 张明慧¹, 范圣此², 向增旭³, 郑金双¹()

^1.河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北省作物逆境生物学重点实验室，河北秦皇岛 066004
^2.河北大学中医学院，河北保定 071200
^3.南京农业大学园艺学院，南京 210095

收稿日期:2024-03-07 接受日期:2024-06-21 出版日期:2024-12-15 发布日期:2024-12-17
通讯作者: 郑金双
作者简介:谢波艳E-mail：1797491496@qq.com；
基金资助:
河北省高等学校科学研究项目(ZD2022014);承德市科技计划项目(202304B054)

Genetic Diversity and Population Structure Analysis of Atractylodes chinensis

Boyan XIE¹(), Lijing KONG¹, Yubin ZHANG¹, Chenglong SUN¹, Siyuan ZHAO¹, Minghui ZHANG¹, Shengci FAN², Zengxu XIANG³, Jinshuang ZHENG¹()

^1.Hebei Key Laboratory of Crop Stress Biology，College of Agronomy and Biotechnology，Hebei Normal University of Science and Technology，Hebei Qinhuangdao 066004，China
^2.College of Traditional Chinese Medicine，Hebei University，Hebei Baoding 071200，China
^3.College of Horticulture，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China

Received:2024-03-07 Accepted:2024-06-21 Online:2024-12-15 Published:2024-12-17
Contact: Jinshuang ZHENG

摘要/Abstract

摘要：

为分析北苍术种质资源的遗传多样性，以16个居群158份北苍术种质为研究对象，分析13个表型性状的变异系数、多样性指数，并对其进行相关性分析、主成分分析和聚类分析；利用SSR分子标记进行遗传多样性分析，用Structure 2.3.4软件解析群体遗传结构。结果表明，158份北苍术种质的13个表型性状的变异系数为0.63%~89.54%，其中茎数的变异系数最大；Shannon-Wiener多样性指数（H）为0.58~2.95，其中主茎粗的多样性指数最高。相关性分析发现，13个表型性状间存在一定相关性，其中株高与主茎粗、叶长、叶宽、茎数、冠幅呈显著正相关（P<0.05）。主成分分析发现，叶宽、冠幅、茎数、倒伏情况、开花时期和叶色是影响北苍术表型性状差异的关键指标。基于13个表型性状聚类分析将158份北苍术种质划分为3个类群。17对SSR核心引物共扩增出128条多态性条带，多态率达88.56%；Nei’s基因多样性指数（h）、Shannon’s信息指数（I）和多态信息量分别为0.03~0.41、0.29~0.60和0.30~0.86；基于17对SSR分子标记，利用UPGMA（unweighted pair group method with arithmetic mean）法将158份北苍术种质划分为3个类群。Structure群体结构分析表明，158份种质划分为3个类群，其中10份种质为混合群体，遗传背景较为复杂。综合分析发现，158份北苍术种质基于表型和SSR标记聚类划分一致的有60份种质，其中20份种质亲缘关系较近，表明地理来源对北苍术种质资源类群划分有一定影响，但不是决定性因素。以上研究结果为北苍术种质资源鉴定与优良种质筛选提供了理论参考。

关键词: 北苍术, 表型性状, 遗传多样性, 聚类分析, 群体结构分析

Abstract:

In order to analyze the genetic diversity of Atractylodes chinensis （DC.） Koidz.， 158 A. chinensis germplasm resources from 16 populations were used as materials. The variation coefficient and diversity index of 13 phenotypic traits were analyzed， and the correlation analysis， principal component analysis and cluster analysis were performed. The genetic diversity was analyzed by SSR molecular markers. and the population structure was analyzed using Structure 2.3.4 software. The results showed that the coefficient of variation of 13 phenotypic traits of 158 A. chinensis germplasms ranged from 0.63% to 89.54%， and the variation coefficient of stem number was the largest. The Shannon-Wiener diversity index （H） ranged from 0.58 to 2.95， and main stem diameter was the highest diversity index. Correlation analysis showed that 13 phenotypic traits were correlated， among which plant height was significantly positively correlated with main stem diameter， leaf length， leaf width， stem number and crown width （P<0.05）. Principal component analysis showed that leaf width， crown width， stem number， lodging condition，flowering period and leaf color were the key factors affecting phenotypic traits of A. chinensis. Based on 13 phenotypic characters， 158 A. chinensis germplasms were divided into 3 groups. A total of 128 polymorphic bands were amplified by 17 SSR core primers， and the polymorphism rate was 88.56%. The variation ranges of Nei’s gene diversity index （h）， Shannon’s information index （I） and polymorphic information content were 0.03~0.41， 0.29~0.60 and 0.30~0.86， respectively. Based on 17 pairs of SSR markers， 158 A. chinensis germplasms were divided into 3 groups by UPGMA （unweighted pair group method with arithmetic mean） method. The analysis of population structure showed that 158 germplasms were divided into 3 groups， which 10 germplasms were mixed populations with complex genetic background. Comprehensive analysis showed that 60 germplasms of 158 A. chinensis germplasms were classified according to phenotype and SSR markers， and 20 germplasms were closely related， which indicated that geographical origin had a certain influence on the classification， but it was not a decisive factor. Above results provided theoretical reference for germplasm resources identification and selection of excellent germplasms for A. chinensis.

Key words: Atractylodes chinensis （DC.） Koidz., phenotypic character, genetic diversity, cluster analysis, population structure analysis

中图分类号:

S853.75

谢波艳, 孔丽静, 张煜彬, 孙成龙, 赵思源, 张明慧, 范圣此, 向增旭, 郑金双. 北苍术种质遗传多样性及群体结构分析[J]. 中国农业科技导报, 2024, 26(12): 39-49.

Boyan XIE, Lijing KONG, Yubin ZHANG, Chenglong SUN, Siyuan ZHAO, Minghui ZHANG, Shengci FAN, Zengxu XIANG, Jinshuang ZHENG. Genetic Diversity and Population Structure Analysis of Atractylodes chinensis[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2024, 26(12): 39-49.

图/表 10

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居群编号 Code of population	种质编号 Code of germplasm	株数 Number of plants	来源 Origin
1	S1~S3	3	承德市承德县石灰窑乡 Shihuiyao， Chengde，Chengde
2	S4~S17	14	赤峰市宁城县 Ningcheng， Chifeng
3	S18~S20	3	承德市宽城县 Kuancheng， Chengde
4	S21~S25	5	承德市承德县 Chengde， Chengde
5	S26~S33	8	秦皇岛市昌黎县 Changli， Qinhuangdao
6	S34~S40	7	承德市围场县 Weichang， Chengde
7	S41~S48	8	秦皇岛市青龙县天道河 Tiandao River， Qinglong， Qinhuangdao
8	S49	1	秦皇岛市青龙县木头凳 Mutoudeng， Qinglong， Qinhuangdao
9	S50~S52	3	承德市隆化县 Longhua， Chengde
10	S53~S60	8	承德市滦平县 Luanping， Chengde
11	S61~S75	15	承德市兴隆县 Xinglong， Chengde
12	S76~S94	19	承德市丰宁县 Fengning， Chengde
13	S95~S112	18	承德市平泉县 Pingquan， Chengde
14	S113~S136	24	赤峰市克什克腾旗 Hexigten， Chifeng
15	S137~S149	13	承德市隆化市 Longhua， Chengde
16	S150~S158	9	唐山市遵化市 Zunhua， Tangshan

居群编号 Code of population	种质编号 Code of germplasm	株数 Number of plants	来源 Origin
1	S1~S3	3	承德市承德县石灰窑乡 Shihuiyao， Chengde，Chengde
2	S4~S17	14	赤峰市宁城县 Ningcheng， Chifeng
3	S18~S20	3	承德市宽城县 Kuancheng， Chengde
4	S21~S25	5	承德市承德县 Chengde， Chengde
5	S26~S33	8	秦皇岛市昌黎县 Changli， Qinhuangdao
6	S34~S40	7	承德市围场县 Weichang， Chengde
7	S41~S48	8	秦皇岛市青龙县天道河 Tiandao River， Qinglong， Qinhuangdao
8	S49	1	秦皇岛市青龙县木头凳 Mutoudeng， Qinglong， Qinhuangdao
9	S50~S52	3	承德市隆化县 Longhua， Chengde
10	S53~S60	8	承德市滦平县 Luanping， Chengde
11	S61~S75	15	承德市兴隆县 Xinglong， Chengde
12	S76~S94	19	承德市丰宁县 Fengning， Chengde
13	S95~S112	18	承德市平泉县 Pingquan， Chengde
14	S113~S136	24	赤峰市克什克腾旗 Hexigten， Chifeng
15	S137~S149	13	承德市隆化市 Longhua， Chengde
16	S150~S158	9	唐山市遵化市 Zunhua， Tangshan

性状 Trait	特征（分级） Characteristic （grade）	说明 Explanation
茎色SC	浅绿（1）、中绿（2）、深绿（3） Light green （1）， medium green （2）， dark green （3）	—
叶色LC	浅绿（1）、中绿（2）、深绿（3） Light green （1）， medium green （2）， dark green （3）	—
基部叶叶型BLT	全缘（1）、浅裂（2）、深裂（3） Whole margin （1）， shallow split （2）， deep split （3）	全缘：无缺口；浅裂：缺口低于叶片宽度2/1；深裂：缺口达到叶片宽度的2/1以上 Whole edge： no notch； split： the notch is less than 2/1 of the blade width； deep cracking： the notch reaches more than 2/1 of the width of the blade
上部叶叶型ULT	1个缺刻（1）、2个缺刻（2）、3个缺刻（3） 1 notch （1）， 2 notchs （2）， 3 notchs （3）	—
分枝位置BP	全株（1）、中上株（2）、上株（3） Whole strain （1）， middle strain （2）， upper strain （3）	—
开花时期FP	孕蕾期（1）、现蕾期（2）、开花期（3） Pregnancy period （1）， current period （2）， opening period （3）	2022年7月10日，初花期调查开花时期情况 On July 10， 2022， the initial flowering period was investigated
倒伏情况LC	倒伏（1）、抗倒伏（2） Plunging （1）， backing down （2）

性状 Trait	特征（分级） Characteristic （grade）	说明 Explanation
茎色SC	浅绿（1）、中绿（2）、深绿（3） Light green （1）， medium green （2）， dark green （3）	—
叶色LC	浅绿（1）、中绿（2）、深绿（3） Light green （1）， medium green （2）， dark green （3）	—
基部叶叶型BLT	全缘（1）、浅裂（2）、深裂（3） Whole margin （1）， shallow split （2）， deep split （3）	全缘：无缺口；浅裂：缺口低于叶片宽度2/1；深裂：缺口达到叶片宽度的2/1以上 Whole edge： no notch； split： the notch is less than 2/1 of the blade width； deep cracking： the notch reaches more than 2/1 of the width of the blade
上部叶叶型ULT	1个缺刻（1）、2个缺刻（2）、3个缺刻（3） 1 notch （1）， 2 notchs （2）， 3 notchs （3）	—
分枝位置BP	全株（1）、中上株（2）、上株（3） Whole strain （1）， middle strain （2）， upper strain （3）	—
开花时期FP	孕蕾期（1）、现蕾期（2）、开花期（3） Pregnancy period （1）， current period （2）， opening period （3）	2022年7月10日，初花期调查开花时期情况 On July 10， 2022， the initial flowering period was investigated
倒伏情况LC	倒伏（1）、抗倒伏（2） Plunging （1）， backing down （2）

序号 Code	引物名称Primer name	重复基序 Repeat motif	正向引物序列 Forward primer sequence（5’‒3’）	反向引物序列 Reverse primer sequence（5’‒3’）
1	bcz4	（TGG）6	AGCTCCTGGAAATGGAGGAT	GATGGATCCTAGCACCCTGA
2	bcz8	（AGA）5	CTTTCCATCTTGGATGCGAT	CCAAACTCCACATCGAATGA
3	bcz9	（TC）7	TCCAATTGCAAGGGAAAAAC	TCCATTGATGAAGCTTGTCG
4	bcz11	（GGT）7	CTCCGGCTCTAAACCAGTTG	AAGGCAGTTCCCTTTTGGAT
5	bcz35	（CTT）5	GCTTCCTCAACATCGTAGCC	GATAGGCGAGAACCGGTGTA
6	bcz36	（CTG）5	CTCATGCTCGCAATCACATT	CTCCGGACGGTTTAAAATCA
7	bcz39	（GAT）7	ACTCCTGCTTATGCGGTGTC	AGGAATCGCTTTCGGTTTTC
8	bcz43	（GA）6	CGACAGAGTCCTTCATGGGT	CTTCGACGAACTCGACAACA
9	bcz45	（A）10	ATGGACCGAAAAGTTGGACA	TTGGCCTCTTTTTAGGAGGG
10	bcz48	（CGG）6	CCGCTACACACCCTGACTCT	CAGCCGGAGCTTAGTCAAAC
11	bcz50	（CTC）5	ATGGCCCTTCTCTGTCTCCT	CAGAGTTGGAGAAGGCTTGG
12	bcz51	（T）10	CTTCTCGTGTTGCTTCCGAT	CTCTCGGCTGGAGATCAAAC
13	bcz52	（ATG）6	GGTTGGACAAAGCGATCATT	AACCGACGCTTCTCTCCTTT
14	bcz53	（AG）6	CCGCCCCTGAGCTACTATCT	TGGCGACACATTTTCGTGAA
15	bcz56	（GAG）5	AGCTCCATCGTTTTGTGAGG	GTTGAAAATGCTGCTGGTGA
16	bcz99	（AGA）5	TGCGACCCACTGCATTTAGT	CCCATCCCCTCCACAACTTC
17	bcz102	（T）11	ACATCGTCGGGTTTGACTCC	ACCAATTTCTTGAATTTCCATTTCCA

北苍术种质遗传多样性及群体结构分析

Genetic Diversity and Population Structure Analysis of Atractylodes chinensis

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Metrics

性状 Trait	表型指标 Phenotypic index	最大值 Max	最小值 Min	平均值Mean	标准差 SD	变异系数CV/%	Shannon-Weiner多样性指数H
数量性状 Quantitative trait	株高PH/cm	98.00	39.00	68.58	13.65	19.90	1.13
	主茎粗SW/mm	6.13	1.92	3.29	0.86	26.02	2.59
	冠幅CB/cm	136.00	25.00	54.00	19.76	36.00	2.36
	叶长LL/cm	11.50	4.60	7.56	1.40	18.53	1.47
	叶宽LW/cm	6.50	2.20	3.80	0.94	24.81	2.20
	茎数NS	43.00	2.00	17.06	15.27	89.54	0.95
质量性状 Qualitative trait	茎色SC	—	—	—	—	0.97	0.71
	叶色LC	—	—	—	—	0.93	1.61
	分枝位置BP	—	—	—	—	1.44	1.25
	倒伏情况LC	—	—	—	—	0.63	1.41
	开花时期FP	—	—	—	—	1.23	1.23
	基生叶叶型BLT	—	—	—	—	1.27	1.31
	上部叶叶型ULT	—	—	—	—	2.13	0.58
	平均Mean	—	—	—	—	35.80	1.37

指标 Index	株高 PH	主茎粗SW	基生叶叶型BLT	叶长 LL	叶宽 LW	上部叶叶型ULT	茎数 NS	茎色 SC	叶色 LC	分枝位置BP	倒伏情况LC	花期 FP
主茎粗SW	0.24^*
基生叶叶型BLT	0.13	0.13
叶长LL	0.19^*	0.23	0.54
叶宽LW	0.33^*	0.10^*	0.02^*	0.45
上部叶叶型ULT	0.12	0.07	0.04^*	0.53^*	0.07
茎数NS	0.16^*	-0.14	0.04	0.00	-0.05	0.15
茎色SC	0.00	-0.13	-0.02	0.00	-0.07	0.12	0.09
叶色LC	0.11	-0.09	-0.13	-0.13	-0.07	-0.06	0.06	0.14
分枝位置BP	0.05	-0.11	-0.01	-0.16	-0.12^*	-0.12	0.19^*	-0.13	0.16^*
倒伏情况LC	-0.21	0.25^*	0.02	-0.04	-0.03	-0.02	0.05	-0.03	-0.14	0.03
花期FP	-0.04	-0.04	-0.03	-0.02	-0.02	-0.03	-0.07	0.13	0.01	-0.05	-0.10
冠幅CB	0.38^*	-0.20	0.00	0.04	0.04	0.08	0.47^*	0.13	0.23^*	0.02	-0.35^*	0.10

指标 Index	第1主成分 PC 1	第2主成分 PC 2	第3主成分 PC 3	第4主成分 PC 4	第5主成分 PC 5
株高PH	0.62	0.38	‒0.22	‒0.31	0.28
主茎粗MS	0.64	‒0.41	‒0.31	‒0.12	0.36
基部叶叶型BLT	0.83	‒0.25	‒0.03	‒0.05	0.14
叶长LL	0.61	0.36	‒0.44	‒0.11	‒0.41
叶宽LW	0.85	‒0.12	‒0.16	0.08	‒0.05
上部叶叶型ULT	0.64	0.05	0.47	0.23	‒0.05
茎数NS	0.24	0.41	0.68	‒0.05	‒0.15
茎色SC	0.31	‒0.12	0.30	0.69	0.33
叶色LC	-0.44	0.47	‒0.19	‒0.03	0.67
分枝位置BP	0.16	0.56	0.27	‒0.40	‒0.10
倒伏情况LC	0.06	‒0.40	0.68	‒0.13	0.08
开花时期FP	‒0.02	0.28	‒0.37	0.73	‒0.24
冠幅CB	0.20	0.80	0.17	0.22	0.19
特征值Eigenvalue	3.38	2.12	1.87	1.41	1.08
贡献率Contribution rate/%	26.03	16.34	14.39	10.85	8.34
累计贡献率Accumulative contribution rate/%	26.03	42.37	56.76	67.61	75.94

引物名称Primer name	条带数 Band number	多态性条带Polymorphic band	多态率 Polymorphism rate/%	Nei’s基因多样性指数h	Shannon’s信息指数I	多态信息量PIC
bcz4	8	7	87.50	0.26	0.41	0.75
bcz8	5	5	100.00	0.03	0.50	0.75
bcz9	6	6	100.00	0.29	0.43	0.66
bcz11	9	8	88.89	0.27	0.42	0.78
bcz35	4	3	75.00	0.27	0.41	0.70
bcz36	2	1	50.00	0.20	0.29	0.30
bcz39	8	7	87.50	0.36	0.40	0.74
bcz43	6	6	100.00	0.41	0.60	0.80
bcz45	5	5	100.00	0.41	0.60	0.77
bcz48	5	4	80.00	0.36	0.52	0.71
bcz50	10	9	90.00	0.28	0.43	0.82
bcz51	9	9	100.00	0.30	0.47	0.86
bcz52	10	9	90.00	0.25	0.40	0.79
bcz53	7	6	85.71	0.37	0.53	0.82
bcz56	13	13	100.00	0.24	0.39	0.83
bcz99	10	8	80.00	0.30	0.45	0.82
bcz102	11	10	90.91	0.29	0.43	0.83
总计Total	128	116	—	—	—	—
平均Mean	7.53	6.82	88.56	0.29	0.45	0.75

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