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不同病毒侵染种根对太子参生长及产量和品质的影响

王丁, 郑伯琴, 张余, 曾令锋, 王振华, 叶祖云

王丁,郑伯琴,张余,等. 不同病毒侵染种根对太子参生长及产量和品质的影响 [J]. 福建农业学报,2023,38(1):68−74. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.01.009
引用本文: 王丁,郑伯琴,张余,等. 不同病毒侵染种根对太子参生长及产量和品质的影响 [J]. 福建农业学报,2023,38(1):68−74. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.01.009
WANG D, ZHENG B Q, ZHANG Y, et al. Growth, Yield, and Quality of Pseudostellaria heterophylla Affected by Different Viruses Infecting Seed Roots [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2023,38(1):68−74. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.01.009
Citation: WANG D, ZHENG B Q, ZHANG Y, et al. Growth, Yield, and Quality of Pseudostellaria heterophylla Affected by Different Viruses Infecting Seed Roots [J]. Fujian Journal of Agricultural Sciences,2023,38(1):68−74. DOI: 10.19303/j.issn.1008-0384.2023.01.009

不同病毒侵染种根对太子参生长及产量和品质的影响

基金项目: 国家重点研发计划中药现代化专项(2019YFC1710500);中央引导地方科技发展专项(2021L3030);福建省自然科学基金项目(2021J05256);宁德师范学院科研项目(2019FZ04、 2020FZ07、 2021ZX401、2022ZX01);全国大学生创新创业训练计划项目(S202110398024)
详细信息
    作者简介:

    王丁(1997−),女,硕士研究生,主要从事药用植物脱病毒培养研究(E-mail:wangdinghd@163.com

    通讯作者:

    王振华(1991−),男,副教授,主要从事植物生理生态学、药用植物生态学研究(E-mail:eco_zhwang@163.com

  • 中图分类号: S 567.5

Growth, Yield, and Quality of Pseudostellaria heterophylla Affected by Different Viruses Infecting Seed Roots

  • 摘要:
      目的  探明不同病毒对太子参生长、产量及品质的影响。
      方法  以柘参2号为试验材料,采用RT-PCR分子鉴定方法筛选出只携带一种常见病毒、携带两种常见病毒和不带病毒的太子参个体,经扩繁后,在田间使用随机区组的方法种植,探讨不同种类病毒对太子参的生长、产量和品质的影响。
      结果  与未带病毒的植株相比,同时感染芜菁花叶病毒和蚕豆萎蔫病毒的植株总叶绿素含量、净光合速率和地上部株高分别降低了24%、33%和26%,单位面积的块根产量、浸出物含量和多糖含量分别降低了77.5%、76.2%和87.3%;而仅感染蚕豆萎蔫病毒的植株与未带病毒的植株相比,总叶绿素含量、净光合速率、地上部株高、块根产量、浸出物含量和多糖含量均无显著性差异。
      结论  芜菁花叶病毒显著抑制太子参的生长,降低了太子参产量和品质,而蚕豆萎蔫病毒的影响不显著,在太子参脱病毒培养和脱毒苗的生产应用中应优先去除芜菁花叶病毒。
    Abstract:
      Objective   Effects on the photosynthesis, tuber yield, and tuber quality of Pseudostellaria heterophylla plants induced by infecting viruses were examined.
      Methods  Identified by RT-PCR, virus-free P. heterophylla Zhenshen 2 plants and those infected by turnip mosaic virus (TMV) and/or broad bean wilt virus (BBWV) were propagated in the field in a random block experiment. Leaf photosynthesis as well as yield and quality of the medicinal roots of the plants were measured.
      Results  The total chlorophyll content, net photosynthetic rate, and height of the plants infected by both TMV and BBWV were 24%, 33%, and 26%, respectively, and the tuber yield, water-soluble extracts, and polysaccharides on a per unit area basis 77.5%, 76.2%, and 87.3%, respectively, lower than those of the virus-free counterparts. But no significant effects on any of those monitored properties were detected in the plants infected by BBWV alone.
      Conclusion   Unlike BBWV, TMV infection on P. heterophylla significantly reduced the photosynthesis, tuber yield, and tuber quality of the plants. Thus, it was imperative to avoid TMV contamination in handling P. heterophylla seedlings.
  • 【研究意义】滇杨(Populus yunnanensis Dode)属杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus),为我国特有青杨派雌雄异株的落叶乔木[1],因具有跨海拔垂直分布范围广的特点,适合在中国西南高海拔山区种植[2-3]。此前研究表明,因为性别比例分化和生境隔离的存在,雌雄异株植物可能比雌雄同株植物更容易受到环境和气候变化的影响[4]。有报道指出,在环境胁迫下,雄性比雌性生长得更好,具有明显的性别差异。而在生产中,由于雌、雄株的利用价值不同,往往分性别加以利用。例如,银杏(Ginkgo biloba L.)雄株由于生长旺盛,被用作行道树和生产银杏叶,而雌株则被利用为采收果实[5]。大麻(Cannabis sativa L.)雄株因其纤维质量好,通常被用来收获纤维,而雌株则用来生产种子,从而获得更高的经济效益[6]。而经常作为行道树的滇杨,在其雌株成熟后,就会产生大量飞絮飘散在空中,从而影响到人们的正常生活,雄株则不会。因此,有必要在苗期鉴定出其性别,以供生产上分别利用。【前人研究进展】性别鉴定对于在植物的早期阶段或幼苗期进行遗传改良以及对涉及植物发育的基因调控和表达至关重要[7]。被子植物中大约6%是雌雄异株,它们的性别在其早期发育阶段直到开花期都很难确定。由于木本植物世代之间间隔较长,性别特征出现较晚延缓了对这些植物相关性状的遗传改良。目前,植物性别鉴定可以在形态学的基础上,通过利用生理生化指标、核型、同工酶、特定蛋白分子和分子标记等方法来研究[8]。而分子标记被应用于植物育种中对雌雄异株的性别鉴定已有大量报道,包括性别相关的黄连木(Pistacia chinensis)随机扩增多态性DNA(RAPD)和简单重复序列(ISSR)[9];番木瓜(Carica papaya L.)RAPD标记[10],杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)序列特征扩增区标记(SCAR)[11],大麻中与雄性有关的RAPD和SCAR标记[6],2个雌性芦笋(Asparagus officinalis L.)的SCAR标记[12],以及毛花猕猴桃(Actinidia eriantha Bentham)中1个表现为雄性特异的SSR标记[13]。其中,SSR标记由于等位基因型众多,在基因组上广泛分布,并且具有分散度高、多态性良好的特点,因此被大量用于指纹图谱分析、基因定位等研究中,以及植物性别的早期鉴定方面。黄海燕等[14]利用SSR分子标记技术,从140对SSR引物中筛选出1对能在杜仲雌雄株间产生特异性条带,可对杜仲的雌雄株进行早期的鉴别。马霞霞[15]利用SSR分子标记技术对山葡萄(Vitis amurensis Rupr)“左山一”和“043”杂交F1代进行性别鉴定,找到3对引物可以在雌株当中扩增出特异性条带。王洪梅等[16]以96个山杨(Populus davidiana. Dode)个体为材料,筛选SSR特异性引物,发现1对引物可对山杨性别进行鉴定,经PCR扩增后,若检测到长度为550 bp的单一片段为雄性,若未检测到则为雌性。雷翰等[17]利用SRAP分子标记技术,筛选出2对引物均能在雄性滇杨中扩增出特异性片段。由于SRAP标记的目标扩增区域是开放读码框,功能区域比基因组的其他区域更具保守性,而SSR则更多地反映了全基因组的遗传丰富度,所以SRAP标记的多态性含量和多态性条带比例远低于SSR[18]。开发相关SSR标记,获得更多的早期性别鉴定标记,将有利于提高早期鉴定的确定性和准确度。【本研究切入点】目前,利用SSR分子标记对滇杨进行性别鉴定的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】从初筛的相关引物中,筛选出能对滇杨雌雄株进行性别鉴定的SSR引物,并初步判定所筛选引物是否对未知性别滇杨幼苗进行准确鉴定,以期为滇杨早期性别鉴定提供技术支撑。

    供试材料采集于云南省昆明市、大理州、香格里拉市和禄劝县。共计收集到60株滇杨的一年生枝条(表1),其中雌雄各30株;另外,从大理州收集未知性别的苗期滇杨30株的一年生枝条。枝条采回后在实验室进行水培,待长出嫩叶后收集鲜叶,并保存于−80 ℃冰箱,备用。

    表  1  滇杨样品采集信息
    Table  1.  Specimen collection of P. yunnanensis
    编号
    Code
    性别
    Sex of the individual
    采集地
    Location
    1-10雄性(♂)香格里拉
    11-20雄性(♂)大理
    21-25雄性(♂)禄劝
    25-30雄性(♂)昆明
    1-15雌性(♀)香格里拉
    16-28雌性(♀)大理
    29-30雌性(♀)禄劝
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    使用Ezup柱式植物基因组DNA抽提试剂盒(上海生工生物工程有限公司)提取滇杨总DNA。冷冻的滇杨叶样在液氮中速冻充分研磨后,加入预处理液和PVP,依据试剂盒说明书提取DNA。用1%琼脂糖凝胶和紫外分光光度计(美国Thermo Scientific,NanoDrop 2000)检测DNA的纯度和浓度。提取的样品DNA保存于−20 ℃的冰箱中,备用。

    SSR引物来源于已报道的相关文献,共计15对,其引物序列信息如表2所示。所有引物均由上海生工生物工程有限公司合成。

    表  2  SSR扩增引物信息
    Table  2.  Primers for SSR amplification
    引物名称
    Locus name
    引物序列
    Primer sequence(5′-3′)
    退火温度
    Ta(annealing temperature)/℃
    参考文献
    Reference
    Bmsat95 F:ATTGTAACCGATTTGAGAGA
    R:ATTCGCACAATAAGTTCACT
    54.0 NAGARAJA[19]
    Bmsat153 F:TGCTGTCGTCTGCTTCCTAA
    R:CACGGTGCTGACTGTTGTTT
    60.0 NAGARAJA[19]
    Bmsat155 F:AGGGATGATGGGTAAAGAGC
    R:GCAGTAGGCATTTGGAAGGAG
    60.0 NAGARAJA [19]
    Bmsat156 F:CTCCTTATCCATCCGTTT
    R:CTCTCGGATCATAGATACG
    56.0 NAGARAJA[19]
    Bmsat159 F:ATCTGGTGCTCAAAAACGGA
    R:CGGAACCAAACAAGAACGAT
    58.0 NAGARAJA[19]
    Bmsat208 F:ACATGAAATGGGCAAACGACG
    R:GCTCATATTTGCTTGCCGGTT
    55.8 NAGARAJA[19]
    SSR-8 F:TGCATATCGTCCAGGGTGTTTTC
    R:CCCAGCCAGGGTCTTGTTTC
    64.0 SHAN[20]
    BPCA90 F:CCTAGCCTTCATTCTCATTCAGC
    R:GGTTGCTAGTCAGCTTCTTACC
    58.4 PAKULL B[21]
    BPTTG60 F:CAAGAACTCAGACATGATCAGATC
    R:CTTTGCACGTTAATAAGGAGACTG
    56.9 PAKULL B[21]
    BPTGG82 F:CTTGAAGAGCGAAAACTCAGCAG
    R:CTCTAAATCCAAGGTTGGTTACC
    58.4 PAKULL B[21]
    BPTG50 F:CTAGCTGTCGAACGTAATTGGCAC
    R:CTTGCACGAGCCTCCATCACTC
    61.8 PAKULL B[21]
    BPTC66 F:GGCCGTGATTCTCATCATGATG
    R:CTTCTTCATCAACAACTGCGTCC
    58.4 PAKULL B[21]
    CADEx2/Intr2 F:CAAGGTTATCAGCTGTGG
    R:ATATTGTGTGCGTGTTCG
    54.0 PAKULL B[22]
    HIAGA7 F:ACAAGCAGTAATGATGAGGA
    R:TCCAAGTCTCTCAATTAGGAA
    56.0 JAKSE[23]
    35 F:GAGGCCGACAGGATCGTAC
    R:TACGACGTACTCCGGTGGTTTT
    62.0 CHEN[24]
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    PCR扩增反应体系:通过引物筛选时不断调整与优化以获得较优的PCR反应体系[17],25 µL的反应总体系中包含12.5 µL 2×Taq MasterMix,9.5 µL ddH20(超纯水),正向引物和反向引物均为1 µL,以及1 µL模板DNA。PCR扩增反应程序:94 ℃预变性2 min;94 ℃变性45 s,56~64 ℃(因引物而异)退火45 s,72 ℃延伸1 min,35个循环;72 ℃延伸10 min;4 ℃保存。

    使用15对SSR引物和8株不同性别的滇杨DNA样品,在S1000 PCR仪(美国Bio-Rad公司)进行SSR-PCR扩增,PCR扩增完成后,其产物用1%的琼脂糖凝胶电泳检测进行初筛,使用JY100型水平电泳仪和1×TAE电泳缓冲液在120 V下电泳20 min。电泳结束后,取出凝胶在凝胶成像仪(法国Vilber Lourmat,E-BOX-CX5)上观察并拍照,筛选在滇杨雌、雄株间具有明显差异条带的SSR引物。

    经初筛得到的SSR引物和60株已知性别的滇杨DNA样品进行PCR扩增,并在聚丙烯酰胺凝胶上进行复筛。使用BIO-RAD电泳仪和1×TBE缓冲液在240 V下电泳150 min。电泳结束后,关闭电源。将凝胶置于固定液中,摇晃22 min,然后用蒸馏水清洗7 min。聚丙烯酰胺凝胶在无光下用硝酸银染色液着色30 min,然后放入显影液中进行显色反应,观察并拍照,筛选出在滇杨雌、雄间具有明显差异条带的SSR引物。

    为了验证在已知性别的滇杨中获得的SSR分子标记在苗期的效果,利用上述筛选的SSR标记对30株滇杨幼苗进行性别初步鉴定。

    图1为部分样品DNA的提取效果图。由图1可见,提取成功的DNA不仅亮度清晰,杂质少,且没有拖带现象,本次试剂盒提取的DNA条带良好,可用于后续实验。

    图  1  部分样品DNA质量检测
    Figure  1.  Determination on DNA quality of some specimens

    用15对SSR引物对8株不同性别的滇杨DNA进行PCR扩增。其中,有2对引物在PCR中成功扩增出产物,条带清晰且明亮,分别为BPCA90、BPTGG82(图2图3)。

    图  2  SSR引物BPCA90琼脂糖凝胶检测结果
    Figure  2.  Agarose gel test on SSR primer, BPCA90
    图  3  SSR引物BPTGG82琼脂糖凝胶检测结果
    Figure  3.  Agarose gel test on SSR primer, BPTGG82

    将初筛得到的2对引物对60株已知性别滇杨DNA进行PCR扩增,并使用变性聚丙烯酰胺凝胶进行复筛,结果显示,引物BPCA90与模版DNA链PCR扩增产物在雄性样品和雌性样品间存在明显的序列差异,这条特异性条带出现在所有株中,大小为680 bp左右,该引物正向序列为5′-CCTAGCCTTCATTCTCATTCAGC-3′,反向序列为5′-GGTTGCTAGTCAGCTTCTTACC-3′(图4)。

    图  4  SSR引物BPCA90与样品扩增产物的变性聚丙烯酰胺凝胶检测图
    Figure  4.  Modified polyacrylamide gel detection on amplification products of BPCA90 and specimens

    利用上述筛选得到的1对SSR引物对30株未知性别的滇杨幼苗进行性别鉴定,结果表明,雌性滇杨雌株的数量远远少于雄株,且雌雄比例为2∶13(图5)。这说明筛选得到的SSR引物可以对苗期滇杨进行性别鉴定。

    图  5  SSR引物BPCA90检测未知性别滇杨
    Figure  5.  Detection on P. yunnanensis of unknown sex using SSR primer, BPCA90

    雌雄异株植物性别决定的遗传基础是性染色体和位于性染色体上的性别决定基因[25]。被子植物的性别决定系统通常比动物更为复杂,因此,雌雄异株植物的性别决定系统常被用来研究植物的性别决定机制[26-27]。关于植物性染色体进化最初的假说指出,性染色体已在所有雌雄异株的植物中得到进化。然而,目前只在极少数雌雄异株植物中发现了性染色体[28]。目前,形态学、生理生化指标、核型、同工酶、特异蛋白分子和分子标记已被用于大多数植物的性别鉴定[29]。然而一些植物在性器官分化和成熟前,雄性和雌性之间的差异往往在形态学上难以区分,因此,在植物发育的早期阶段,形态特征不能作为性别鉴定的可靠指标[30]。分子标记的出现,让一些植物的性别得以鉴定[31-36]。本研究利用SSR分子标记,确定了与滇杨性别相关的特异性引物,并将其用于滇杨苗期的性别鉴定。

    聚合酶链式反应(PCR)是由Mullis等[37]发明的。在PCR反应中,其所用引物至关重要,引物选择的正确与否关乎着PCR反应能否顺利进行。一般而言,SSR标记引物的来源有2方面:一是进行转录组测序,找到相关性的位点信息,进行引物设计,但这种开发方式过程复杂且费用昂贵,给SSR标记的开发和应用造成了一定困难[38]。二是查阅相关文献,参照别人实验所使用的相关引物序列,因为同一属种的植物,甚至是不同的植物间,其SSR标记引物具有一定的通用性,这一特点已在一些植物研究中得到了验证。徐杨等[39]根据云南松(Pinus yunnanensis Franch.)EST序列信息设计了32对SSR引物,随机抽取7对引物,对不同群体的云南松、细叶云南松(Pinus yunnanensis Franch. var. tenuifolia Cheng et Law)和马尾松(Pinus massoniana Lamb.)进行引物通用性分析,这7对引物对云南松的不同群体及近源种的扩增成功率均为100%。杨彦伶等[40]利用杨树(Populus)基因组的48对SSR引物对6个苏柳品种进行通用性分析,虽然基因组SSR通用性仅有10.4%,但基因组SSR引物在有效的引物中多态性比例高达100%。这一结果证实了SSR标记引物在不同属之间具有较高的通用性。本研究用于初筛的SSR引物来自已报道的相关文献,最终,在15对引物中筛选到1对SSR引物可以在滇杨雌雄株间产生差异性条带,在680 bp左右。王洪梅等[16]也是利用这一对SSR引物在山杨(Populus davidiana Dode)雄株当中扩增出1条特异性条带,在550 bp处左右。可见,具有通用性的同一引物在不同的种间,产生的差异位点也有可能不同。引起这种差异的原因,可能是物种间不同的基因信息所造成。从而也可以在另外一个角度说明,山杨和滇杨其性别的决定因素之间还是存在着一定的差异。这种差异可能不表现为性别决定的类型(XY型或ZW型),而是存在与性别相关或是和雄性特异性表达的相关基因之间。

    SSR分子标记技术是利用植物当中广泛存在的微卫星序列位点开发的技术。越来越多的SSR位点被标记,能够在数据库当中查询并合成的SSR标记引物和通过研究人员开发出来的SSR标记也越来越多,大大降低了SSR标记开发的成本[41]。目前,滇杨雌株的濒危地位已被广泛关注。在生产中,滇杨的雌株数量远低于雄株,且在人工林或天然林中很少发现滇杨的雌株种群,其濒危机制及原因均未明了。鉴于此,有必要找到一种有效的方法来鉴定滇杨在幼苗期的性别。为此,我们利用试验筛选得到的1对SSR标记对30株滇杨幼苗进行性别鉴定,结果表明雌雄株比例为2∶13。雷翰等[17]曾利用SRAP标记,对本试验中所用的30株幼苗的性别进行了鉴定,其结果与本试验结果完全一致,均表明雌株明显少于雄株。两种方法互相印证了鉴定结果的可靠性。

    用BPCA90 SSR引物对(正向序列:5′-CCTAGCCTTCATTCTCATTCAGC-3′,反向序列:5′-GGTTGCTAGTCAGCTTCTTACC-3′)可以对将滇杨雌雄株的性别进行准确鉴定。利用该引物也可以对苗期滇杨的雌雄进行区分。研究结果对于滇杨的遗传改良、性别分化研究以及生产实践中分性别利用均具有重要意义。

  • 图  1   不同病毒处理下太子参小区生长情况

    A:CK植株;B:BB植株;C:TB植株;D:CK与TB植株生长情况(5月下旬)。

    Figure  1.   Growth of P. heterophylla plants with or without viral infection

    A: Virus-free control (CK); B: BBWV-infected plant; C: TMV-infected plant; D: Growth of CK and TMV-infected plants in late May.

    图  2   不同病毒处理下太子参生理特性的比较

    A: 总叶绿素含量;B:净光合速率。数据表示为平均值±标准误差,附不同小写英文字母表示差异显著(P < 0.05),下同。

    Figure  2.   Physiological characteristics of P. heterophylla plants with or without viral infection

    A. Total chlorophyll contents ; B.Net photosynthetic rates . Data are expressed as mean ± standard error; those with lowercase letters represent significant difference ( P< 0.05). Same for below.

    图  3   不同病毒处理下太子参地上和地下生长比较

    A:株高;B:单根块根直径;C:单根块根重量。

    Figure  3.   Growth of P. heterophylla plants with or without viral infection

    A: Height of plants; B: Diameter of individual tuber; C: Weight of individual tuber.

    图  4   不同病毒处理太子参产量比较

    A: 块根鲜品产量;B:块根干品产量。

    Figure  4.   Yields of P. heterophylla plants with or without viral infection

    A: Yields of fresh tubers;B:Yields of dried tubers.

    图  5   不同脱毒处理太子参品质的比较

    A: 浸出物质量分数;B:单位面积浸出物产量;C:多糖质量分数;D:单位面积多糖产量。

    Figure  5.   Quality of P. heterophylla tubers from plants with or without viral infection

    A: Extracts from tubers;B: Per unit area extracts of tubers; C: Polysaccharides in tubers; D: Per unit area yield on polysaccharides of tubers.

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-13
  • 修回日期:  2022-10-29
  • 网络出版日期:  2023-02-07
  • 刊出日期:  2023-01-27

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