Cấu trúc di truyền và dấu hiệu của sự chọn lọc trong cây tiên phong, Zanthoxylum ailanthoides

Journal of Plant Research - Tập 123 - Trang 607-616 - 2009
Takanori Yoshida1, Hisako Nagai1, Tetsukazu Yahara1, Hidenori Tachida1
1Department of Biology, Faculty of Sciences, Kyushu University, Fukuoka, Japan

Tóm tắt

Zanthoxylum ailanthoides Siebold & Zucc. là một trong những cây tiên phong thường gặp nhất trong các khu rừng sồi thường xanh ôn đới ấm của Nhật Bản. Nghiên cứu trước đây của chúng tôi ở một khu vực của Nhật Bản cho thấy mức độ phân hóa quần thể cao và có sự chọn lọc tự nhiên tiềm năng tác động lên một trong các locus hạt nhân được phân tích. Tại đây, chúng tôi mở rộng phân tích của mình để nghiên cứu cấu trúc di truyền của 10 quần thể Z. ailanthoides trải dài khắp Nhật Bản bằng cách sử dụng 9 locus lặp lại chuỗi đơn giản (SSR) nhằm hiểu rõ hơn về cấu trúc di truyền của nó. Đầu tiên, quần thể nằm ở khu vực phía nam nhất (Kagoshima) trong các mẫu được tìm thấy có độ đa dạng di truyền cao nhất, cho thấy có thể đã tồn tại một khu vực trú ẩn băng hà tại hoặc gần vị trí của quần thể này. Thứ hai, phân hóa di truyền tương đối mạnh được tìm thấy giữa các quần thể, và có sự tương quan dương giữa khoảng cách di truyền và khoảng cách địa lý (kiểm định Mantel; P < 0.001). Dựa trên thông tin này, chúng tôi phân tích sự biến đổi nucleotide tại locus có khả năng bị chọn lọc tương đồng với gen mã hóa cho phân tử lớn của ADP-glucose pyrophosphorylase (agpL). Mặc dù có sự phân hóa di truyền mạnh giữa các quần thể được gợi ý bởi các locus SSR, locus agpL lại đơn hình ở hầu hết tất cả các quần thể được phân tích. Kết quả của nghiên cứu này mạnh mẽ ủng hộ khả năng có một sự quét chọn lọc tại hoặc gần locus agpL.

Từ khóa

#Zanthoxylum ailanthoides #cấu trúc di truyền #chọn lọc tự nhiên #phân hóa quần thể #ADP-glucose pyrophosphorylase

Tài liệu tham khảo

Aoki K, Suzuki T, Hsu TW, Murakami N (2004) Phylogeography of the component species of broad-leaved evergreen forests in Japan, based on chloroplast DNA variation. J Plant Res 117:77–94 Clegg SM, Degnan SM, Kikkawa J, Moritz C, Estoup A, Owens IPF (2002) Genetic consequences of sequential founder events by an island-colonizing bird. Proc Natl Acad Sci USA 99:8127–8132 Evanno G, Regnaut S, Goudet J (2005) Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study. Mol Ecol 14:2611–2620 Excoffier L, Laval G, Schneider S (2005) Arlequin (version 3.0): an integrated software package for population genetics data analysis. Evol Bioinform Online 1:47–50 Falush D, Stephens M, Prichard JK (2003) Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and correlated allele frequencies. Genetics 164:1567–1587 Fenner M, Thompson K (2005) The ecology of seeds. Cambridge University Press, Cambridge González-Martinez SC, Krutovsky KV, Neale DB (2006) Forest-tree population genomics and adaptive evolution. New Phytol 170:227–238 Goudet J (1995) FSTAT (Version 1.2): a computer program to calculate F-statistics. J Hered 86:485–486 Greene TW, Hannah LC (1998) Enhanced stability of maize endosperm ADP-glucose pyrophosphorylase is gained through mutants that alter subunit interactions. Proc Natl Acad Sci USA 95:13342–13347 Hamrick JL, Godt MJW (1990) Allozyme diversity in plant species. In: Brown AHD, Clegg MT, Kahler AL, Weir BS (eds) Plant population genetics, breeding, and genetic resources. Sinauer, Sunderland, pp 43–63 Hiraoka K, Tomaru N (2009) Genetic divergence in nuclear genomes between populations of Fagus crenata along the Japan Sea and Pacific sides of Japan. J Plant Res 122:269–282 Horikawa Y (1972) Atlas of the Japanese flora (in Japanese). Gakken, Tokyo Hudson RR (2002) Generating samples under a Wright-Fisher neutral model of genetic variation. Bioinformatics 18:337–338 Kamiya K, Moritsuka E, Yoshida T, Yahara T, Tachida H (2008) High population differentiation and unusual haplotype structure in a shade-intolerant pioneer tree species, Zanthoxylum ailanthoides (Rutaceae) revealed by analysis of DNA polymorphism at four nuclear loci. Mol Ecol 17:2329–2338 Kimura M, Weiss GH (1964) The stepping stone model of population structure and the decrease of genetic correlation with distance. Genetics 49:561–576 Maeda Y (1980) Jyo-mon no umi to mori (in Japanese). Sojyu-Syobou, Japan Meyer FD, Smidansky ED, Beecher B, Greene TW, Giroux MJ (2004) The maize Sh2r6hs ADP-glucose pyrophosphorylase (AGP) large subunit confers enhanced AGP properties in transgenic wheat (Triticum aestivum). Plant Sci 167:899–911 Mousadik AE, Petit RJ (1996) High level of genetic differentiation for allelic richness among populations of the argan tree [Argania spinosa (L.) Skeels] endemic to Morocco. Theor Appl Genet 92:832–839 Nagai H, Yoshida T, Kamiya K, Yahara T, Tachida H (2009) Development and characterization of microsatellite markers in Zanthoxylum ailanthoides (Rutaceae). Mol Ecol Notes 9:667–669 Nordborg M, Hu TT, Ishino Y, Jhaveri J, Toomajian C, Zheng H et al (2005) The pattern of polymorphism in Arabidopsis thaliana. PLoS Biol 3:e196 Peakall R, Smouse PE (2006) GENALEX6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol Ecol Notes 6:288–295 Prichard JK, Stephens M, Donnelly P (2000) Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics 155:945–959 Savolainen O, Pyhäjärvi T (2007) Genomic diversity in forest trees. Curr Opin Plant Biol 10:162–167 Slatkin M (1987) The average number of sites separating DNA sequences drawn from a subdivided population. Theor Popul Biol 32:42–49 Slatkin M (1995) A measure of population subdivision based on microsatellite allele frequencies. Genetics 139:457–462 Slatkin M (2005) Seeing ghosts: the effect of unsampled populations on migration rates estimated for sampled populations. Mol Ecol 14:67–73 Smidansky ED, Martin JM, Hannah LC, Fischer AM, Giroux MJ (2003) Seed yield and plant biomass increases in rice are conferred by deregulation of endosperm ADP-glucose pyrophosphorylase. Planta 216:656–664 Strobeck C (1987) Average number of nucleotide differences in a sample from a single subpopulation: a test for population subdivision. Genetics 117:149–154 Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S (2007) MEGA4: molecular evolutionary genetics analysis (MEGA) software version 4.0. Mol Biol Evol 24:1596–1599 Tsuda Y, Ide Y (2005) Wide-range analysis of genetic structure of Betula maximowicziana, a long-lived pioneer tree species and noble hardwood in the cool temperate zone of Japan. Mol Ecol 14:3929–3941 Tsuda Y, Kimura M, Kato S, Katsuki T, Mukai Y, Tsumura Y (2009) Genetic structure of Cerasus jamasakura, a Japanese flowering cherry, revealed by nuclear SSRs: implications for conservation. J Plant Res 122:367–375 Tsukada M (1985) Map of vegetation during the last glaciation maximum in Japan. Quat Res 23:369–381 Tsumura Y (2006) The phylogeographic structure of Japanese coniferous species as revealed by genetic markers. Taxon 55:53–66 Wagner DB, Furnier GR, Saghai-Maroof MA, Williams SM, Dancik BP, Allard RW (1987) Chloroplast DNA polymorphisms in lodgepole and jack pines and their hybrids. Proc Natl Acad Sci USA 84:2097–2100 Whitt SR, Wilson LM, Tenaillon MI, Gaut BS, Buckler IV (2002) Genetic diversity and selection in the maize starch pathway. Proc Natl Acad Sci USA 99:12959–12962 Wright S (1951) The genetical structure of populations. Ann Eugen 15:323–354 Wright SI, Gaut BS (2005) Molecular population genetics and the search for adaptive evolution in plants. Mol Biol Evol 22:506–519