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大豆(Glycine max(L.) Merrill)含有丰富的蛋白质和脂肪,是世界上最重要的植物蛋白来源。然而在长期的驯化和人工选择过程中,大豆的遗传多样性大幅度降低。野生大豆(Glycine soja Sieb.et Zucc)是大豆的野生祖先,是丰富大豆基因库的重要种质资源,对大豆产量、病虫害的抗性、盐碱的耐性提高等具有极其重要的作用。野生大豆为国家二级保护植物,分布在中国、日本、韩国和俄罗斯远东地区。近20年来,由于生境片段化,其资源遭到了严重的破坏,遗传多样性损失严重。本研究以采自整个分布区的53个居群780个野生大豆个体为研究材料,选取25个SSR位点、3个基因片段,对其开展保护遗传学研究,以探讨其遗传多样性、遗传结构及形成当前遗传多样性格局的原因,并在此基础上提出了该物种的保护策略。主要结果概括如下:
⑴基于微卫星位点的居群遗传学分析。采用20个核基因组微卫星标记(nSSRs)和5个叶绿体基因组微卫星标记(cpSSRs),对野生大豆43个居群604个个体进行了STR分型检测,并进行了居群遗传学分析。结果表明,野生大豆具有较高水平的遗传多样性。长江中下游地区(MDRY)遗传多样性最高。中国西南地区(SWC)对总的多样性及等位基因丰富度贡献最大。AMOVA分析表明大部分的遗传变异存在于居群间,这和F-统计结果一致,都说明野生大豆居群间遗传分化水平很高,居群间基因流很少(Nm<<1)。贝叶斯聚类分析、主座标分析和系统发育分析表明,野生大豆存在两个比较明显的谱系:一个谱系包括西北地区和北部地区的居群,即黄淮河流域的居群;另一个包括黄淮河流域地区以外的所有居群,这两个谱系间遗传分化水平较高,代表了两个独立的进化支,在制定野生大豆的保护策略时,应该作为两个进化显著单元来对待。尚检测出五个居群经历过瓶颈效应,这可能跟人为干扰有关。
⑵基于核基因组微卫星位点的景观遗传学研究。结合8个气候因子,利用20个nSSRs对43个居群604个个体,对形成野生大豆当前遗传结构的原因进行了探讨。结果表明,20个nSSRs中有14个偏离中性,可能经历了自然选择;野生大豆的居群间的遗传距离与地理距离没有明显的相关性,但与环境距离呈明显的正相关关系,主成分分析和生态位模拟都表明气候因子对野生大豆的居群结构形成起到了至关重要的作用。
⑶基于基因片段的谱系地理学分析。选择一个叶绿体片段(trnQ-rps16和两个核基因片段(AF10522A、phyB),对52个野生大豆居群共599个个体进行PCR扩增及基因测序,共得到1642 bp的序列,三个片段联合矩阵有49个多态位点、98个单倍型。对野生大豆分布区进行遗传多样性比较发现,单倍型多态性最高的为长江中下游地区。野生大豆各居群间遗传分化比较明显。失配分析结果表明长江中下游地区、韩国、日本的居群比较稳定,中国南部地区、西南地区、东北地区、北部地区及西北地区的居群都经历过扩张。与SSR结果不同的是,通过GST和NST的比较,发现野生大豆并无明显的谱系地理结构;Mantel检验结果表明遗传距离与地理距离呈明显相关性。
⑷野生大豆的保护。野生大豆作为国家二级保护植物,已经被《国家重点保护野生植物名录》(第一批)收录。根据我们的研究推断,野生大豆濒危的主要原因是气候改变和人为活动导致的生境片段化。长江中下游地区和中国东北地区拥有最高的遗传多样性,中国西南地区对总的遗传多样性和等位基因的丰富度贡献最大,所以在制定保护策略的时候应优先考虑这三个地区。本研究确立的两个进化显著单元在保护时需要分别对待。保护策略方面,我们建议就地保护应当作为野生大豆保护的主要保护策略,迁地保护可以作为就地保护的有效补充。