葱属作物遗传多样性研究进展

吴凤芝，金雪

（东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030）

葱属作物遗传多样性研究进展

吴凤芝，金雪

（东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030）

遗传多样性作为生物多样性的重要组成部分，是生态系统多样性和物种多样性的基础。葱属作物具有较高的营养价值，是重要的世界性蔬菜和调味品，研究其遗传多样性具有重要的理论和实践意义。文章分别从表型、蛋白质及DNA水平综述葱属作物种质资源遗传多样性的研究进展，并对未来葱属作物遗传多样性的研究方向进行展望，研究集中在葱属作物交配系统、自然选择、遗传漂变、基因流等各种进化力量对其群体的影响，从多层次、多角度揭示其遗传多样性。

葱属；遗传多样性；同工酶；分子标记

葱属作物（Allium）为百合科（Liliaceae）二年生草本植物，其种质资源十分丰富，包含700多个种，分属6个亚属[1]。除少数几个种为栽培种外，其余均为野生种，生长于高山、平原、草甸、草原、荒漠、沙丘等环境条件下。其中较为重要的几大类为大蒜（A.satevumL.）、葱（A.tulosumL.）、韭菜（A.TuherosumRottl.exSPr.）、洋葱（A.cepaL.）、韭葱（A.prrumL.）、细香葱（A.schoenprasumL.）、胡葱（A.ascalonicumL.）和薤（A.chinensisG.Don）等[2]。

葱属作物具有较高的营养价值，其中的大蒜、大葱、韭菜和分蘖洋葱在我国栽培尤为普遍，在蔬菜供应中起重要作用。另外，近年来，葱属作物作为间作或套作作物来缓解设施内连作障碍问题也日益受到关注[3-7]。由于国内关于葱属作物遗传多样性方面研究起步较晚，主要集中在葱和蒜研究，对于其他葱属作物研究较少，与其他蔬菜作物相比，生物技术应用研究相对较少，差距较大，尤其是分子标记技术在遗传育种上的应用亟待加强。为将形态学标记与分子标记结合应用于葱属作物种质资源的考查、收集、研究和利用中，本文将对葱属作物在形态学水平、细胞学水平、生化水平及分子水平遗传多样性研究进展进行综述。

1 遗传多样性研究意义和方法

通常所说的遗传多样性是指种内不同种群之间或一个种群内不同个体的遗传变异总和，遗传多样性的本质是生物体在遗传物质（DNA或RNA）组成和结构上的变异。遗传多样性的表现形式是多层次的，在分子水平上表现为核酸、蛋白质、多糖等生物大分子的多样性；在细胞水平上可体现在染色体结构的多样性以及细胞结构与功能的多样性；在个体水平上，可表现为生理代谢差异、形态发育差异以及行为习性的差异。通过研究可以了解物种的群体遗传结构和多态性水平，为研究物种起源、品种分类、亲本选配、品种保护等提供依据，是研究、保护和利用现有种质资源的重要基础[8]。随着生物技术发展，遗传多样性检测也从形态学、生理结构水平逐渐深入到分子水平，特别是随着PCR技术的成熟和广泛应用，基于PCR技术的随机扩增多态性DNA标记（Randomly amplified polymorphic DNA，RAPD）、简单重复序列标记（Simple sequence repeat，SSR）、简单重复序列间区标记（Intersimple sequence repeat，ISSR）、扩增片段长度多态性标记（Amplified fragment length polymorphism，AFLP）、单核苷酸多态性标记（Single nucleotide polymorphisms，SNP）等分子标记技术，目前已成为研究种群遗传多样性的主要方法。

2 葱属作物遗传多样性研究进展

研究者已采用同工酶[9]，RFLP分子标记技术[10]，rDNA原位杂交技术[11]，或是形态学与分子生物学相结合的方法[12]分别对大葱、大蒜、洋葱以及印度短日照洋葱不同品种进行遗传多样性研究并取得较大进展。

2.1 形态学水平的表型多样性研究

表型是各种形态特征的组合，是遗传变异的重要线索。表型多样性主要研究群体在其分布区内各种环境下的表型变异，是遗传多样性与环境多样性的综合体现，可在一定程度上反映生物遗传变异程度，是理解物种适应机制的重要方法，利用表型性状研究物种的遗传多样性具有简便、快捷和节省费用的特点[13]。

农艺性状是指农作物生长发育过程中肉眼可见的，能在不同环境下表现的，并且具有高度遗传性的特征特性，包括生长习性、生育周期、植物学特征、农业生物学特征等[14]。蔬菜作物农艺性状的研究，对选育出优良的蔬菜品系具有重大意义。在分蘖洋葱方面，初文娇对17份来自黑龙江和吉林省的不同品系分蘖洋葱进行主要植物学性状调查、生理指标测定和品质分析，聚类分析结果将材料划分为4大类，认为Z-001植株高大，假茎矮壮，产量较高，营养价值丰富，具有较高的推广价值[15]。在洋葱方面，汪丹会等对6个红皮洋葱新品种的分蘖率、抽薹率、单个均重、耐储性、产量等10个性状进行了比较试验和分析，结果表明，早阳红珠熟期早、产量高、植株整齐一致，未出现分蘖和抽薹现象，极耐贮藏，紫冠表现次之，这两个品种均适宜在福泉地区推广种植[16]。梁艳荣在对大葱种质资源材料的植物性特性和农艺性状进行观测、鉴定的基础上，采用聚类分析方法，研究大葱种质资源的亲缘关系，把44份材料分成5大组群[17]。郑传刚等利用11个农艺性状对33个国内外的洋葱品种进行比较分析[18]。结果表明，洋葱的生物产量与洋葱鳞茎鲜重的回归关系呈显著相关；早熟三号和G2具有很高的栽培和育种价值，值得推广。在鳞茎性状上表现优良的品种，在生物学性状上与其他它表现一般的品种有较大区别。洋葱在育种、选育、引种方面除应注重鳞茎大小、横径和纵径长等重要指标外，还应注意其叶片数、株高、茎粗、叶片和叶鞘重以及鳞茎的膨大期等生物学特征。

2.2 生化水平同功酶多样性研究

同功酶分析是从蛋白质分子水平上研究生物群体的遗传分化。根据大小、构象和带电荷数不同的同功酶分子在电场中运动速度不同，形成不同数目和迁移率的谱带，用于鉴定物种之间、同一物种不同品种之间的遗传差异，在遗传多样性研究、物种起源进化等领域有广泛应用[19]。

赵清岩等以韭菜、大葱、洋葱萌动的种子为材料，分析葱属3个不同种蔬菜作物种子芽期过氧化物酶同工酶的酶谱，研究发现种与种之间差异明显，而同一个种内不同品种间无差异，结果表明利用过氧化物酶同工酶分析技术，用来鉴定不同种的种子较可靠，用来鉴定同一个种不同品种的种子差异较困难[20]。张光花等通过对胡葱、洋葱和葱的功能叶过氧化物酶同工酶电泳图谱分析发现，不同种间的过氧化物酶同工酶谱带有显著差异，认为可以从谱带及其活性明显区分开胡葱、洋葱和葱3个种及葱的3个变种分葱、楼葱和大葱[21]。万海清等对宽叶韭的3个代表居群内不同植株间的8种同工酶系统以及可溶性蛋白进行分析，结果表明，各居群均有其特征酶谱，且与可溶性蛋白双向电泳图谱一致[22]。高述民等对中国大蒜3个生态型中18个典型品种进行酯酶同工酶分析，初步证实大蒜生态型不能完全等同于基因型，酯酶同工酶的变化可能更能说明大蒜的亲缘进化关系[23]。梁艳荣通过对大葱种质资源材料表达序列标签（Expressed sequence tag，EST）的酶谱分析，把57份材料分成4大组群，与RAPD划分结果大部分相似[17]。杜武峰等对分韭、山韭和韭的两个栽培品种的叶片和根尖酯酶同工酶酶谱进行分析研究，结果表明，几种韭间酶谱类型差异显著，而品种间酶谱类型差异较小[24]。

2.3 分子水平DNA多态性研究

常规的形态学鉴定方法具有明显的简单直观优势；同功酶鉴定具有成本低、速度快、操作简单、准确性高等优点。但这些方法也有一定缺陷，如形态标记、酶标记检测的都是基因产物，其结果虽受基因控制，但还受外界环境因素影响，可检测信息量较少。对于一些亲缘关系较近的品种，该方法难以发挥其作用。

近年发展的检测DNA水平变异的各种分子标记，相对于常规的遗传标记，具有多态性水平高，无组织、器官发育时期特异性、非等位基因间的独立性和不受环境条件影响等特点，是检测种质资源遗传多样性的有效方法。

2.3.1 ISSR标记

简单重复序列间区标记是由Zietkiwicz等创建的一种简单序列重复区间扩增多态性分子标记[25]。其分子生物学基础是基因组中存在的简单重复序列，具有同SSR一样丰富的多态性。ISSR标记根据植物中广泛存在SSR的特点，利用植物基因组中常出现的SSR本身设计引物，无需克隆和测序，具有操作简单、快速、高效、引物无需预知序列、专一性更强、退火温度较高等特点，提高试验结果的可重复性。ISSR标记技术在葱属作物分类、进化和遗传多样性的应用成果很多。徐启江等利用该技术对长日洋葱种质资源进行了分析，揭示了洋葱种质资源间的遗传多样性与亲缘关系，为洋葱遗传育种和杂交亲本选择提供科学依据[26]。陈昕等利用RAPD和ISSR两种分子标记技术，对中国10个不同地区的大蒜品种进行种质资源遗传多样性研究，得到与生物学分类基本一致的结果[27]。刘宏敏等以96份有代表性的韭菜资源为材料，进行遗传多样性和亲缘关系分析，结果表明，韭菜DNA的ISSR扩增多态性比率达94.7%，是韭菜种质资源研究的一种有效分子标记[28]。

2.3.2 SSR标记

SSR标记具有均匀、随机、广泛地分布于植物基因组的特点，比RFLP及RAPD分子标记具有更丰富的多态性，SSR呈现共显遗传，符合孟德尔遗传规律，已广泛用于遗传连锁图谱构建、遗传多样性研究、系谱与进化关系探索、基因与QTL分析、品种鉴定等方面[29]。

在葱属作物种质资源遗传多样性的研究方面，李慧芝等以20个葱栽培品种为材料，探讨SRAP和SSR技术在遗传多样性和品种鉴定中的应用[30]。结果表明，SSR分子标记可有效进行葱栽培品种的遗传多样性研究。关绚丽等利用SSR标记揭示63份洋葱种质资源遗传多样性[31]。Fischer等利用30个STMs位点对83个洋葱品种进行遗传多样性分析，发现一些多态性位点可用来区分亲缘关系很近的品种，认为SSR是进行品种基因型鉴定和分析种内关系的有效工具[32]。周静等通过SSR分子标记技术将40个不同的大蒜品种区分开，分析结果与品种间的系谱关系一致，说明SSR标记可作为有效工具进行大蒜品种的遗传关系分析[33]。

在遗传图谱的构建方面，Tsukazaki等首次利用SSR标记构建总图距为2 069 cm的分葱遗传图谱，比其分子标记覆盖更长的染色体片段[34]。

2.3.3 AFLP标记

AFLP是一种基于PCR技术选择性扩增基因组DNA限制性片段的分子标记技术，又称专一性扩增多态性（Specificamplifiedpolymorphism，SAP）技术[35]。

AFLP将RFLP和PCR的优点结合起来，所检测的多态性是酶切位点的变化或酶切片段间DNA序列的插入与缺失，本质上与RFLP一致，具有多态性高、稳定性好、重复性强、准确性高等特点。郭得平等利用大葱与野葱杂交获得的F2分离群体，通过AFLP分子标记的遗传分析，构建国内首个包含10个连锁群、228个遗传标记的杂种葱较高密度的连锁图谱[36]。王锦等采用AFLP分子标记技术揭示了分布在滇中、滇西、滇西北的3个黑花韭居群、3个二倍体多星韭居群和6个四倍体多星韭居群的遗传多样性与亲缘关系[37]。Ohara等利用AFLP标记，通过回交后代建立日本大葱的首张分子遗传连锁图谱[38]。

3 展望

分子标记检测结果的可靠程度，取决于所选用的分子标记检测结果的稳定性和分子标记检测的多态性所覆盖基因组的程度与均匀度。理想的分子标记必须达到具有高多态性、共显性遗传、遍布整个基因组、检测手段简单、快速、开发成本和使用成本尽量低廉、重复性好等要求。但是，目前发现的任何一种分子标记均不能满足以上所有要求。AFLP具有最高的多态性检测效率，但多态信息量不高；SSR标记具有多态性高，遗传信息量大等优点，若AFLP位点能够定位SSR连锁图谱上，将成为非常有效的分子标记；ISSR方法多态性高，无需活材料，操作简便，缺点是显性标记，不能区分纯合与杂合基因型。目前对于葱属作物遗传多样性的研究往往只利用一种分子标记方法，因此结果存在很大差异。将多种分子标记方法结合，研究结果具有较高的稳定性，可以达到理想的效果，在遗传多样性研究中也取得了较好成果[39-42]。目前分子标记技术日趋成熟，随着葱属作物遗传连锁图谱上SSR、ISSR及AFLP等标记饱和度的提高，将多种分子标记技术综合应用于葱属作物基因及QTL分析、辅助育种、资源保护与利用、品种系谱分析等领域，将具有更广阔的前景。

近年来，国内外学者从不同方面对葱属作物进行研究，揭示葱属植物丰富的遗传多样性，促进了葱属作物的遗传研究工作，但国内关于葱属作物遗传多样性方面的研究起步较晚，主要集中于大葱和蒜的研究，对于其他葱属作物的研究较少，与其他蔬菜作物相比，生物技术应用研究还相对较少，差距较大，尤其是分子标记技术在遗传育种上的应用亟待加强。应采用常规方法与先进的分子生物学技术相结合，将分子水平的遗传多样性与表型多样性统一，揭示葱属作物外部形态的遗传变异与DNA水平上的遗传多态性间存在内在联系，为研究基因与环境相互作用提供依据。

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Advance on genetic diversity researches of Allium L.

WU Fengzhi,JIN Xue
(School of Horticulture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

As an important component of biological diversity,genetic diversity is basic of ecosystem diversity and species diversity.AlliumL,which has high nutritional value,is an important worldwide vegetables and seasoning.Therefore,there is theoretical and practical significance to understand the genetic diversity ofAlliumL.This review summarized the recent progresses in the genetic diversity ofAlliumL.at three different levels,phenotype,protein and DNA levels.Future works should be focused on evaluating the influence of mating system,nature selection,genetic drift and gene flow ofAlliumL.on the population ofAlliumL,and revealing the genetic diversity ofAlliumL.from multilevel and multiangular.

AlliumL;genetic diversity;isozyme analysis;molecular marker

S633

A

1005-9369（2014）01-0118-05

2012-04-01

国家自然科学基金项目（30971998，31172002）

吴凤芝（1963-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为设施园艺蔬菜生理生态。E-mail:fzwu2006@aliyun.com

时间2014-1-10 6:25:25[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140110.0625.004.html

吴凤芝,金雪.葱属作物遗传多样性研究进展[J].东北农业大学学报,2014,45(1):118-122.

Wu Fengzhi,Jin Xue.Advance on genetic diversity researches ofAlliumL.[J].Journal of Northeast Agricultural University, 2014,45(1):118-122.(in Chinese with English abstract)