CN112205247A - 一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法 - Google Patents

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燕霞
朱新宇
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Abstract

本发明涉及从头驯化沙漠植物技术领域，具体涉及一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，通过同质园实验，排除土壤类型、坡度、气候和水文环境差异所造成的表型变异；通过野生沙蓬表型数据测定，筛选出由遗传分化形成的形态学或表型差异；结合原产地沙蓬群体的气象因子数据，确定影响沙蓬可遗传表型的最佳自然生长条件；并对驯化后的优质种质资源进行群体遗传评价，确定该种质资源大面积推广示范。本发明首次构建了种质资源群体遗传数据库，并通过同质园试验加快了种群之间的基因流，提高了作物目标表型对气候的适应性；本发明改变了传统耗时费力的人工杂交过程，还避免了转基因技术带来的各种风险。

Description

一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法
技术领域
本发明涉及从头驯化沙漠植物技术领域，具体涉及一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法。
背景技术
现存已知的40多万种植物中，被成功驯化的作物尚不超过100种，而且仅有15种成为主要的粮食作物。其中水稻、小麦以及玉米等三大作物占比高达50％，这些主要粮食作物对气候变化的适应性差，每年约三分之一的粮食受其影响而减产。为了改善这种现状，FAO(联合国粮农组织)在《应对气候变化：粮食和农业遗传资源的作用》中指出，要筛选和驯化能够适应气候变化的小作物和野生物种，完善植物遗传资源基因库，保护遗传资源和加强农作物对气候变化的适应性。但是传统的引种驯化过程非常漫长，驯化作物的遗传多样性和环境变化的适应性与野生种相比大量丢失。这严重阻碍了植物资源的多样性保护和可持续发展。近年来，虽然转基因技术及基因编辑技术的逐渐成熟，目的性状可以在很短的世代里快速固定，解决了驯化循环过程的时效性问题。然而，转基因作物的生态安全性评价极具挑战，因而其推广和应用严重受阻。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，改变了传统耗时费力的人工杂交过程，还避免了转基因技术带来的各种风险，提高了作物目标表型对气候的适应性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，包括以下步骤：
步骤1、沙蓬居群样品采集地及区域划分：根据沙蓬野外的分布情况，按照经纬度、海拔、降水量、温度气候条件，选择多个地点的野生沙蓬居群，居群间间隔至少50km；取样点分布在中国西北地区和东北地区的干旱地区；根据地理位置，分为南部群组和北部群体；
步骤2、沙蓬种子采集：每个沙蓬居群随机选至少5株收集种子,任意两株之间间隔至少30m,共计26个居群，225个体；种子样品带回保存于4℃冷房；
步骤3、同质园场地选择：土壤基质为松散贫瘠的流沙,沙层稳定含水量为2％-3％；植被盖度为1％；
步骤4、播种及前期处理：在播种前,将不同采样点采集到225株植株的种子，按种子与沙子的比为1：3的比例混合，放在塑料瓶中打磨5分钟；
步骤5、同质园实验：根据步骤(1)划分的南北两个群组，然后按照50cm的株距，70cm的行距在土地上铺塑料膜上播种，种子播种深度1cm，点种时，用两个手指戳开塑料膜，塑料膜开口2×2cm2，播种深度1cm；
步骤6、苗期灌溉：移栽之后每个样方附近均安装滴灌系统补充灌溉，消除种子收集的原生地与本实验种植所在水分差异；在苗期20天进行一次浅灌，生长后期再进行灌溉或者浅灌；
步骤7、表型测量：当籽粒饱满，植物叶片发黄时，认为种子已经成熟后，进行沙蓬植株高度、茎直径和基部分枝长、地上生物量，千粒重，种子粒径实测；
步骤8、对沙蓬植株高度、茎直径、基部分枝长、地上生物量、收获种子重量和种子粒径分别进行群组统计；
步骤9、气象数据收集转化：从WorldClim数据库下载1950-2000年的气候资料，以内插值替换成分辨率为30弧秒分辨率的栅格几率；
步骤10、气象数据下载；
步骤11、可遗传优异表型筛选；
步骤12、沙蓬驯化自然条件筛选；
步骤13、多代驯化法固定沙蓬优质的遗传性状；
步骤14、优质种质资源的群体遗传评价。
优选地，所述步骤(7)中，具体包括以下步骤：
步骤a、植株高度：其中植株高度以收拢状态和自然状态两种状态下用钢卷尺进行测量；
步骤b、茎直径：以游标卡尺，测量沙蓬地上10cm高处的茎的直径；
步骤c、基部分枝长：以主茎干基部开始，到分支枝末梢，作为基部枝长；
步骤d、地上生物量：根据沙蓬根系的颜色，减除植株的根，用感量为0.01的电子天平称取沙蓬地上生物量，单位用克计算；
步骤e、千粒重：人工用直径为2.0,1.0,0.5,0.125,0.1mm的筛子将沙蓬种子分级处理干净后，用天平秤取收获种子重量；千粒重以直径1.0mm筛子上面的饱满颗粒，先测量百粒重，然后根据平均值法，计算出千粒重；
步骤f、种子粒径：随机选择10粒完整沙蓬种子,均匀置于标准方格纸上,使用数码照相机拍照，用photoshop10.0测量种子的粒径。
优选地，所述步骤(13)中，根据步骤(7-12)筛选出优异性状，选取东北沙地和西北沙漠任意三个代表群体，等比例混合成种子池，连续耕作4年；选择种子大小性状完全稳定，种子大小超过18目的种子，作为种质资源；试验田的种植及操作遵循步骤(1-8)的方法进行。
优选地，所述步骤(14)中，将步骤(13)选育的种质资源进行遗传多样性评价，具体包括：
先将种子按照步骤(4)进行播种；
其次随机采集苗期的每个群体的15-20个个体的叶片样本，分两个批次作为重复取样；
利用ITS和五个叶绿体DNA片段：ndhC/trnV,petB/petD,rbcL,rpoB/trnC和trnS1/trnG1进行扩增测序。
本发明所述的一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明首次构建了种质资源群体遗传数据库，并通过同质园试验加快了种群之间的基因流，提高了作物目标表型对气候的适应性，并对驯化后的优质种质资源进行群体遗传评价；
2、本发明改变了传统耗时费力的人工杂交过程，还避免了转基因技术带来的各种风险。
附图说明
图1是本发明的沙蓬野生居群采样点的示意图；
图2是本发明的驯化过程表型筛选的示意图。
图中：A-驯化植株和野生植株外观图、B-穗长测定图、C-驯化植株图、D-阿尔乡基因型和武威基因型种子表型特征图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，包括以下步骤：
步骤1、沙蓬居群样品采集地及区域划分：根据沙蓬野外的分布情况，按照经纬度、海拔、降水量、温度气候条件，选择多个地点的野生沙蓬居群，居群间间隔至少50km；取样点分布在中国西北地区和东北地区的干旱地区，基本覆盖了野生沙蓬分布范围；
根据地理位置，将铁盖乡(100.569°，36.167°)，都兰(98.124°，36.306°)，景泰(104.147°，37.367°)，沙坡头水分场(105.017°，37.465°)，额托克(107.523°，38.168°)，乌审旗(108.770°，38.493°)，民勤岔河子(102.990°，38.758°)，阿拉善(105.371°，38.760°)，庙庙湖(106.782°，38.870°)，阿右旗马山井(101.680°，39.250°)，阿右旗铁矿(101.688°，39.276°)，临泽板桥镇直河(100.351°，39.288°)，鸣沙山(94.653°，40.095°)，响沙湾(109.963°，40.2414°)，磴口(106.994°，40.378°)，杭锦旗赫猫图(108.247°，40.779°)，武威(102.63，37.93)居群分为南部群组；
将多伦(116.465°，42.156°)，沙窝头(116.489°，42.355°)，浩来呼热(116.357°，42.830°)，阿尔乡(122.428°，42.868°)，乌兰傲都(119.663°，42.992°)，奈曼旗(120.415°，43.017°)，乌日图(116.064°，43.112°)，克什克腾(117.580°，43.175°)，翁牛特(118.600°，43.235°)，大林(122.843°，43.709°)，分为北部群体。
步骤2、沙蓬种子采集：每个沙蓬居群随机选至少5株收集种子,任意两株之间间隔至少30m,共计26个居群，225个体；种子样品带回保存于4℃冷房。
步骤3、同质园场地选择：将采集到的居群个体种植在武威(102.63，37.93)同质园中。该地海拔1339m,年均气温10.0℃,低温极值为–25.1℃,高温极值为38.1℃,年均降水量为180.2mm,且降水主要集中在5～9月份。植物生长季节潜在蒸腾量为3000mm。土壤基质为松散贫瘠的流沙,沙层稳定含水量为2％～3％，植被盖度为1％左右。选取的种植地块，要尽量选择一致，排除土壤类型、坡度、气候和水文等环境差异所造成的表型变异，进而获得遗传分化形成的形态学或表型差异。
步骤4、播种及前期处理：在播种前,将不同采样点采集到225株植株的种子，按种子与沙子的比为1：3的比例混合，放在塑料瓶中打磨5分钟。
步骤5、同质园实验：根据步骤(1)划分的南北两个群组，然后按照50cm的株距，70cm的行距在土地上铺塑料膜上播种，种子播种深度大红1cm，点种时，用两个手指戳开塑料膜，塑料膜开口2×2cm2，播种深度大约1cm。
步骤6、苗期灌溉：移栽之后每个样方附近均安装滴灌系统补充灌溉，消除种子收集的原生地与本实验种植所在水分差异；在苗期20天进行一次浅灌，生长后期再进行灌溉或者浅灌。
步骤7、表型测量：当籽粒饱满，植物叶片发黄时，认为种子已经成熟后，进行沙蓬植株高度、茎直径和基部分枝长、地上生物量，千粒重，种子粒径实测；具体包括：
步骤a、植株高度：其中植株高度以收拢状态和自然状态两种状态下用钢卷尺进行测量；
步骤b、茎直径：以游标卡尺，测量沙蓬地上10cm高处的茎的直径；
步骤c、基部分枝长：以主茎干基部开始，到分支枝末梢，作为基部枝长；
步骤d、地上生物量：根据沙蓬根系的颜色，减除植株的根，用感量为0.01的电子天平称取沙蓬地上生物量，单位用克计算；
步骤e、千粒重：人工用直径为2.0,1.0,0.5,0.125,0.1mm的筛子将沙蓬种子分级处理干净后，用天平秤取收获种子重量；千粒重以直径1.0mm筛子上面的饱满颗粒，先测量百粒重，然后根据平均值法，计算出千粒重；
步骤f、种子粒径：随机选择10粒完整沙蓬种子,均匀置于标准方格纸上,使用数码照相机拍照，用photoshop10.0测量种子的粒径。
步骤8、对沙蓬植株高度、茎直径、基部分枝长、地上生物量、收获种子重量和种子粒径分别进行群组统计。
步骤9、气象数据收集转化：从WorldClim数据库(http://www.worldclim.org/；Hijmans et al.,2005)下载1950-2000年的气候资料，以内插值替换成分辨率为30弧秒分辨率的栅格几率，即分辨率1km×1km的空间数据集。
步骤10、气象数据下载；
利用DIVA-GIS7.5导出各样点当地的19个生态气象因子数据资料,包括年平均温度(annual mean temperature,AMT)，昼夜温差月均值(mean monthly temperaturerange,MMTR)，等温性(isothermality,I)，温度季节性变化标准差(temperatureseasonality,TS)，最暖月最高温(max temperature of warmest month,MATWM)，最冷月最低温(min temperature of coldest month,MITCM)，年均温变化范围(temperatureannual range,TAR)，最湿季度平均温度(mean temperature of wettest quarter,MTWEQ)，最干季度平均温度(mean temperature of driest quarter,MTDQ)，最暖季度平均温度(mean temperature of warmest quarter,MTWAQ)，最冷季度平均温度(meantemperature of coldest quarter,MTCQ)，年均降水量(annual precipitation,AP)，最湿月降水量(precipitation of wettest month,PWM)，最干月降水量(precipitation ofdriest month,PDM)，降水量变异系数(precipitation seasonality(CV),PS)，最湿季度降水量(precipitation of wettest quarter,PWEQ)，最干季度降水量(precipitation ofdriest quarter,PDQ)，最暖季度降水量(precipitation of warmest quarter,PWAQ)，最冷季度平均降雨量(precipitation of coldest quarter,PCQ)。
步骤11、可遗传优异表型筛选；
运用生态学多元数据排序分析软件Canoco 4.5进行表型数据和气相因子相关性分析，通过SPSS 11.5软件(SPSS Inc.,美国)进行群组显著性检验，P≤0.05认为有显著差异；通过沙蓬不同种群的个体表型数据，发现了南部群体表型多样性高，有较高的种源异质性，可根据相应的驯化目的选择适宜的驯化类群，是从头驯化非常好的材料；并确定南部群体的地上生物量较高，可以朝着牧草品种方向进行驯化；东北群体籽粒粒径和千粒重大，可以作为农作物进行驯化。
步骤12、沙蓬驯化自然条件筛选；
运用生态学多元数据排序分析软件Canoco 4.5进行表型数据和气相因子相关性分析，发现随纬度升高，种子粒径会逐渐增大；雨量和降雨量变异系数越小越有利于沙米营养生长；年均温变化和温度季节性变化越大则越有利于单粒种子的繁殖生长，风速影响种子粒径。因此确定沙蓬从头驯化的最佳地理环境被确定。
步骤13、多代驯化法固定沙蓬优质的遗传性状；
根据步骤(7-12)筛选出优异性状，选取东北沙地(多轮、奈曼、阿尔乡)和西北沙漠(沙坡头、武威、临泽)各三个代表群体，等比例混合成种子池，连续耕作4年。选择种子大小性状完全稳定，种子大小超过18目的种子，作为种质资源，试验田的种植及操作遵循步骤(1-8)的方法进行。
步骤14、优质种质资源的群体遗传评价；
将步骤(13)选育的种质资源进行遗传多样性评价；
先将种子按照步骤4进行播种；
其次随机采集苗期的每个群体的15-20个个体的叶片样本，分两个批次作为重复取样；
利用ITS和五个叶绿体DNA片段(ndhC/trnV,petB/petD,rbcL,rpoB/trnC和trnS1/trnG1)进行扩增测序。
最后判定该种质资源是否适合大面积推广。
方法为，6个祖先群体的特征单倍型都包含在所取的两个批次的重复样品种，并且不存在批次间的显著分化，就可以判定该种质资源适用于栽培，并且具有粒径大，遗传背景丰富、适应性强的有点，适合大面积推广示范。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、沙蓬居群样品采集地及区域划分：根据沙蓬野外的分布情况，按照经纬度、海拔、降水量、温度气候条件，选择多个地点的野生沙蓬居群，居群间间隔至少50km；取样点分布在中国西北地区和东北地区的干旱地区；根据地理位置，分为南部群组和北部群体；
步骤2、沙蓬种子采集：每个沙蓬居群随机选至少5株收集种子,任意两株之间间隔至少30m,共计26个居群，225个体；种子样品带回保存于4℃冷房；
步骤3、同质园场地选择：土壤基质为松散贫瘠的流沙,沙层稳定含水量为2％-3％；植被盖度为1％；
步骤4、播种及前期处理：在播种前,将不同采样点采集到225株植株的种子，按种子与沙子的比为1：3的比例混合，放在塑料瓶中打磨5分钟；
步骤5、同质园实验：根据步骤(1)划分的南北两个群组，然后按照50cm的株距，70cm的行距在土地上铺塑料膜上播种，种子播种深度1cm，点种时，用两个手指戳开塑料膜，塑料膜开口2×2cm2，播种深度1cm；
步骤6、苗期灌溉：移栽之后每个样方附近均安装滴灌系统补充灌溉，消除种子收集的原生地与本实验种植所在水分差异；在苗期20天进行一次浅灌，生长后期再进行灌溉或者浅灌；
步骤7、表型测量：当籽粒饱满，植物叶片发黄时，认为种子已经成熟后，进行沙蓬植株高度、茎直径和基部分枝长、地上生物量，千粒重，种子粒径实测；
步骤8、对沙蓬植株高度、茎直径、基部分枝长、地上生物量、收获种子重量和种子粒径分别进行群组统计；
步骤9、气象数据收集转化：从WorldClim数据库下载1950-2000年的气候资料，以内插值替换成分辨率为30弧秒分辨率的栅格几率；
步骤10、气象数据下载；
步骤11、可遗传优异表型筛选；
步骤12、沙蓬驯化自然条件筛选；
步骤13、多代驯化法固定沙蓬优质的遗传性状；
步骤14、优质种质资源的群体遗传评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，其特征在于：所述步骤(7)中，具体包括以下步骤：
步骤a、植株高度：其中植株高度以收拢状态和自然状态两种状态下用钢卷尺进行测量；
步骤b、茎直径：以游标卡尺，测量沙蓬地上10cm高处的茎的直径；
步骤c、基部分枝长：以主茎干基部开始，到分支枝末梢，作为基部枝长；
步骤d、地上生物量：根据沙蓬根系的颜色，减除植株的根，用感量为0.01的电子天平称取沙蓬地上生物量，单位用克计算；
步骤e、千粒重：人工用直径为2.0,1.0,0.5,0.125,0.1mm的筛子将沙蓬种子分级处理干净后，用天平秤取收获种子重量；千粒重以直径1.0mm筛子上面的饱满颗粒，先测量百粒重，然后根据平均值法，计算出千粒重；
步骤f、种子粒径：随机选择10粒完整沙蓬种子,均匀置于标准方格纸上,使用数码照相机拍照，用photoshop10.0测量种子的粒径。
3.根据权利要求1所述的一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，其特征在于：所述步骤(13)中，根据步骤(7-12)筛选出优异性状，选取东北沙地和西北沙漠任意三个代表群体，等比例混合成种子池，连续耕作4年；选择种子大小性状完全稳定，种子大小超过18目的种子，作为种质资源；试验田的种植及操作遵循步骤(1-8)的方法进行。
4.根据权利要求1所述的一种基于种群多态性从头驯化沙漠植物沙蓬的方法，其特征在于：所述步骤(14)中，将步骤(13)选育的种质资源进行遗传多样性评价，具体包括：
先将种子按照步骤(4)进行播种；
其次随机采集苗期的每个群体的15-20个个体的叶片样本，分两个批次作为重复取样；
利用ITS和五个叶绿体DNA片段：ndhC/trnV,petB/petD,rbcL,rpoB/trnC和trnS1/trnG1进行扩增测序。
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