栽培人参的起源与驯化

发布时间：2018-03-31 07:19

本文选题：人参　切入点：驯化　出处：《东北师范大学》2017年博士论文

【摘要】：人参(Panax ginseng C.A.Mey.)隶属于五加科(Araliaceae)人参属(Panax),是重要的药用植物。作为名贵的中药材,人参因具有滋补强壮、补气宁神和抗衰老等功效而享有“百草之王”的美誉。近几年,随其药用价值逐渐被认可,人参已成为全世界广泛关注的物种。以往的研究虽然在人参药理、药化与临床等方面取得突出的成果,但关于栽培人参起源与驯化的研究却相对较少。由于长期的过度采集,野生人参目前已经濒临灭绝,现仅有极少数种群分布在东亚地区,包括中国东北、朝鲜半岛和俄罗斯远东地区。相对而言,栽培人参在我国东北以及朝鲜半岛有广泛种植,并已形成表型差异明显的四大栽培品系,即普通参、边条参、石柱参和高丽参。从表型特征和生长特性方面而言,栽培人参与野生人参间以及栽培人参品系间的差异主要表现在主根的形态学性状与生长周期。但是从分子遗传学角度而言,许多重要问题还有待解决,例如栽培人参野生亲本的分子鉴定,栽培人参与野生人参群体遗传多样性水平,以及栽培人参的起源地点、驯化的时间以及驯化的方式等。在以往的研究中,众多学者分别采用了随机扩增多态性DNA(random aplification polymorphism DNA,RAPD)、扩增片段长度多态性(amplification fragment length polymorphism,AFLP)和甲基化敏感位点扩增多态性(methylation-sensitive amplification polymorphism,MSAP)等分子标记对栽培人参和野生人参进行了遗传结构分析,而这些研究大多只包含了少量的野生人参和栽培人参不同品系的样本,并没有系统全面地揭示栽培人参的起源与驯化问题。在本研究中,采用DNA测序技术对人参属的谱系发育与栽培人参起源与驯化进行了探讨。首先,挑选了24个叶绿体基因对栽培人参和野生人参个体进行多态性分析,以验证栽培人参的野生亲本;然后,从叶绿体基因组中筛选出4个通用性较好的基因对人参属进行分子系统学研究;最后,研究鉴定了49个人参的单拷贝核基因,并利用这些核基因对所收集的栽培人参四个品系的11个居群共137个个体和代表野生人参分布范围的9个居群共38个个体进行DNA测序。基于对以上实验中所获得的数据进行分子系统发育与群体遗传学分析,已取得如下主要研究结果:1.通过运用24个叶绿体基因对栽培人参和野生人参进行DNA测序和序列比对发现,这些叶绿体基因在栽培人参与野生人参之间没有变异,但在人参属内各物种间含有较多的变异。选择matK-trnK、rps16、psbI-psbK和psbA-trnH 4个基因构建人参属系统发育树,结果表明栽培人参不仅在形态学与野生人参相近,在分子系统树上也聚类在一起,从而从分子的水平证实了栽培人参的野生亲本是野生人参。分析人参属的谱系发育关系发现,虽然人参、竹节参和西洋参以异域的方式分布于东北亚(除日本)、日本和北美,但这3个物种通过同一次异源四倍化形成。此外,叶绿体系统树的拓扑结构还表明,叶绿体基因在人参属内各物种间的分辨率较高,因而可以有效地解决人参属内物种鉴定的问题。2.通过比对拟南芥单拷贝核基因(single copy nuclear genes,SCNGs)数据库与人参表达序列标签(express sequence tags,ESTs),成功获取了人参核基因组中单拷贝基因的EST序列。通过对设计的PCR引物进行验证,从人参核基因组中成功开发了49个通用性较好的SCNGs。首先,初步对SCNGs在人参属内的通用性进行检测及核苷酸多态性评估,结果显示,16个单拷贝核基因在人参中具有较高通用性,其中核基因PW8的核苷酸多态位点比例最高,变异位点占矩阵总长度的4.4%。与此同时,有10个单拷贝核基因在人参和西洋参中均具有较高通用性和多态性,表明研究开发的单拷贝核基因可以用于人参属后续的系统发育与品种鉴定等研究中。3.选择单拷贝核基因PGN7、Z7和Z14对栽培人参11个居群的137个个体和野生人参9个居群的38个个体的群体样本进行克隆测序。通过分析序列多态性显示,这三个核基因在核苷酸多态性等方面存在一定的差异,但整体上均具有较多的分离位点。通过对栽培人参与野生人参进行中性检验发现,栽培人参在这三个核基因中的Tajima’s D与Fu and Li’s D*和F*的负值都要明显大于野生人参,这说明在这些基因中栽培人参的分离位点的频率要低于野生人参。此外,研究结果还显示Z7和Z14基因在栽培人参中的遗传多样性比野生人参略高,但在栽培人参不同品系和居群之间的遗传多样性没有明显差异。这些结果说明栽培人参在驯化过程中并没有经历明显的遗传瓶颈。通过结合简约网络分析方法和地理分布发现栽培人参和野生人参的所有个体在PGN7、Z7和Z14三个基因中均含有2个或4个主要的单倍型结构,少数单倍型以较高的频率出现在各栽培人参和野生人参居群中,同时各群体内还存在部分从该高频单倍型衍生出的特有单倍型,由于栽培人参和野生人参在单倍型分布上没有明显的差别,且单倍型与地理分布没有直接关联,因此支持栽培人参是一次起源。4.运用Hiseq2000测序平台对96个栽培人参和35个野生人参个体的46个单拷贝核基因进行PCR产物混样测序。首先,将所有栽培人参和野生人参个体依据遗传背景和地理分布划分为八个组。其中,栽培人参包括石柱参、边条参、高丽参、南部普通参和北部普通参5个组,野生人参包括南部地区(辽宁省)、北部地区(吉林省)和吉林省抚松县3个组。通过对比分析这8个组的遗传多样性发现,栽培人参和野生人参之间的遗传多样性水平非常相似(πcultivar=0.00781;πwild=0.00754),从而再次证实了栽培人参在驯化的过程中并没有经历明显的遗传瓶颈。在栽培人参各品系间,普通参的同义突变和非同义突变位点数要相对高于其他三个栽培品系。进一步利用ABC模型模拟栽培人参的驯化历史发现,栽培人参与野生人参于1498年前分化,并在随后的驯化过程中存在较为明显的双向基因流。综上所述,本研究分别从叶绿体和核基因组水平对栽培人参的起源与驯化进行了系统地探讨。通过对所获得的数据进行分子系统发育与群体遗传学分析显示,栽培人参大约于1498年前驯化自野生人参,虽然栽培人参各品系在驯化的过程中产生了表型分化,但选择作用并未导致栽培人参的遗传多样性降低。本研究为接下来人参种质资源研究和分子辅助育种提供重要理论依据。
[Abstract]:Panax ginseng C . A . Mey . This paper deals with the genetic structure of ginseng and wild ginseng . In the past few years , there are many important problems to be solved , such as the molecular identification of the wild parents of cultivated ginseng , the length polymorphism of wild ginseng , the time of domestication and the way of domestication . The results showed that there was no variation among the species of ginseng and wild ginseng by using 24 chloroplast genes . The results showed that there were some differences between the three species of ginseng and wild ginseng . The results showed that the single copy nuclear genes were highly compatible with wild ginseng . Based on the analysis of the genetic diversity of cultivated ginseng , it was found that the genetic diversity level between cultivated ginseng and wild ginseng was very similar ( . pi . = 0.00781 ; 蟺 wild = 0.00754 ) .

【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S567.51

【参考文献】