Những hiểu biết phân tử về sự đa dạng di truyền và động lực quần thể của năm loài Eulophia có giá trị dược liệu: một taxa phong lan đang bị đe dọa ở châu Phi

Physiology and Molecular Biology of Plants - Tập 24 - Trang 631-641 - 2018
Paromik Bhattacharyya1, Johannes van Staden1
1Research Centre for Plant Growth and Development, School of Life Sciences, University of KwaZulu-Natal Pietermaritzburg, Scottsville, South Africa

Tóm tắt

Sự đa dạng di truyền tồn tại giữa năm loài phong lan Eulophia đã được đánh giá bằng cách sử dụng các dấu hiệu đa hình nhắm vào codon khởi đầu (SCoT) và đa hình khuếch đại giữa các retrotransposon (IRAP). Tổng cộng có 12 dấu hiệu SCoT và 5 dấu hiệu IRAP cho thấy mức độ biến đổi di truyền trung bình là 63% [SCoT = 63.87; IRAP = 64.95%] giữa năm loài Eulophia được nghiên cứu. Sự tương đồng di truyền được đánh giá bằng cách sử dụng cả hai phương pháp UPGMA và Bayesian, cho thấy các mẫu phân cụm giống nhau ở mức độ tương đồng di truyền là 50%. Phân tích phương sai phân tử (AMOVA) cho thấy có mức độ biến đổi di truyền đáng kể, phần lớn được phân tách trong phạm vi loài. Trong năm loài Eulophia được đánh giá, E. parviflora là đại diện có sự đa dạng di truyền cao nhất trong khi E. welwitschii được phát hiện là ít đa dạng nhất dựa trên đánh giá so sánh các tham số di truyền quần thể khác nhau như đa dạng gen của Nei (h) và chỉ số thông tin Shannon (I) với giá trị dòng gen tổng thể lớn hơn 1. Để đánh giá hiệu quả dấu hiệu so sánh, dữ liệu dấu hiệu SCoT và IRAP đã được áp dụng các phân tích tiêu chuẩn khác nhau như chỉ số dấu hiệu, khả năng phân giải, nội dung chỉ số đa hình, tỷ lệ đa hình gộp và tỷ lệ đa hình gộp có hiệu quả, cho thấy tính ổn định của cả hai kỹ thuật dấu hiệu trong việc đánh giá sự đa dạng di truyền. Báo cáo hiện tại cung cấp cái nhìn phân tử đầu tiên về các khía cạnh của sự biến đổi di truyền giữa và trong các loài có giá trị y tế cũng như trong vườn của các loài Eulophia, cùng với việc giải quyết các vấn đề bảo tồn của chúng. Tóm lại, phương pháp hiện tại là đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng để phân tích sự đa dạng di truyền của các loài thực vật có liên quan khác.

Từ khóa

#đa dạng di truyền #Eulophia #SCoT #IRAP #bảo tồn #quần thể #phân tích phương sai phân tử

Tài liệu tham khảo

Bhattacharyya P, Kumaria S (2015) Molecular characterization of Dendrobium nobile Lindl., an endangered medicinal orchid, based on randomly amplified polymorphic DNA. Plant Syst Evol 301:201–210 Bhattacharyya P, Van Staden J (2016) Ansellia africana (Leopard orchid): a medicinal orchid species with untapped reserves of important biomolecules—a mini review. S Afr J Bot 106:181–185 Bhattacharyya P, Kumaria S, Kumar S, Tandon P (2013) Start Codon Targeted (SCoT) marker reveals genetic diversity of Dendrobium nobile Lindl., an endangered medicinal orchid species. Gene 529:21–26 Bhattacharyya P, Kumaria S, Tandon P (2015) Applicability of ISSR and DAMD markers for phyto-molecular characterization and association with some important biochemical traits of Dendrobium nobile, an endangered medicinal orchid. Phytochemistry 117:306–316 Bhattacharyya P, Kumaria S, Tandon P (2016) High frequency regeneration protocol for Dendrobium nobile: a model tissue culture approach for propagation of medicinally important orchid species. S Afr J Bot 104:232–243 Bhattacharyya P, Ghosh S, Sen Mandi S, Kumaria S, Tandon P (2017) Genetic variability and association of AFLP markers with some important biochemical traits in Dendrobium thyrsiflorum, a threatened medicinal orchid. S Afr J Bot 109:214–222 Cabo S, Ferreira L, Carvalho A, Martins-Lopes P, Martín A, Lima-Brito JE (2014) Potential of Start Codon Targeted (SCoT) markers for DNA fingerprinting of newly synthesized tritordeums and their respective parents. J Appl Genet 55:307–312 Chen L, Zhao L, Bai Y, Hu R, Si J (2009) Genetic relationship analysis of different provenances of Leonurus japonicus by ISSR marker. China J Chin Mater Med 34:1343–1345 Chinsamy M, Finnie JF, Van Staden J (2011) The ethnobotany of South African medicinal orchids. S Afr J Bot 77:2–9 Chowdhery HJ (2001) Orchid diversity in North-east India. J Orchid Soc India 15:1–17 Collard BCY, Mackill DJ (2009) Start codon targeted (SCoT) polymorphism: a simple, novel DNA marker technique for generating gene-targeted markers in plants. Plant Mol Biol Rep 27:86–93 Cunningham AB (1988) An investigation of the herbal medicine trade in Natal/KwaZulu. Institute of Natural Resources, University of Natal, Pietermaritzburg Ellstrand NC, Elam DR (1993) Population genetic consequences of small population size: implications for plant conservation. Annu Rev Ecol Syst 24:217–242 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 Falush D, Stephens M, Pritchard JK (2003) Inference of population structure using multilocus genotype data: linked loci and correlated allele frequencies. Genetics 164:1567–1587 Falush D, Stephens M, Pritchard JK (2007) Inference of population structure using multilocus genotype data: dominant markers and null alleles. Mol Ecol Notes 7:574–578 Feng S, He R, Yang S, Chen Z, Jiang M, Lu J, Wang H (2015) Start codon targeted (SCoT) and target region amplification polymorphism (TRAP) for evaluating the genetic relationship of Dendrobium species. Gene 567:182–188 Gepts P (2002) A comparison between crop domestication, classical plant breeding, and genetic engineering. Crop Sci 42:1780–1790 Gerstner J (1941) A preliminary check list of Zulu names of plants: with short notes. Bantu Stud 15:277–301 Graner A, Dehmer KJ, Thiel T, Börner A (2004) IV. Plant genetic resources: benefits and implications of using molecular markers. Evol Role Genebanks Fast-developing F Mol Genet Genet Resour No 11, 26 Aug 2004 Gupta PK, Varshney RK, Prasad M (2002) Molecular markers: principles and methodology. In: Molecular techniques in crop improvement. Springer, pp 9–54 Hamrick JL, Godt MJW (1996) Effects of life history traits on genetic diversity in plant species. Philos Trans R Soc Lond Ser B Biol Sci 351:1291–1298 Holsinger KE, Mason-Gamer RJ, Whitton J (1999) Genes, denies, and plant conservation. In: Landweber LF, Dobson AP (eds) Genetics and the extinction of species. Princeton University Press, Oxford, pp 23–46 Hulme M (1954) Wild flowers of Natal. Shuter & Shooter, Pietermaritzburg Hutchings A (1996) Zulu medicinal plants: an inventory. University of Natal Press, Pietermaritzburg Jin WT, Yao SP (2006) Cultivation and appreciation of noble Spring Orchid cultivars. Guangdong Science and Technology Press, Guangzhou, China Kalendar R, Schulman AH (2006) IRAP and REMAP for retrotransposon-based genotyping and fingerprinting. Nat Protoc 1:2478–2484 Kalendar R, Grob T, Regina M, Suoniemi A, Schulman A (1999) IRAP and REMAP: two new retrotransposon-based DNA fingerprinting techniques. Theor Appl Genet 98:704–711 Lande R (1999) Extinction risks from anthropogenic, ecological and genetic factors. In: Landweber LF, Dobson AP (eds) Genetics and the extinction of species. Princeton University Press, pp 1–22 Landry BS, Li RQ, Cheung WY, Granger RL (1994) Phylogeny analysis of 25 apple rootstocks using RAPD markers and tactical gene tagging. Theor Appl Genet 89:847–852 Li A, Ge S (2006) Genetic variation and conservation of Changnienia amoena, an endangered orchid endemic to China. Plant Syst Evol 258:251–260 Manners V, Kumaria S, Tandon P (2013) SPAR methods revealed high genetic diversity within populations and high gene flow of Vanda coerulea Griff ex Lindl (Blue Vanda), an endangered orchid species. Gene 519:91–97 Martos F, Johnson SD, Peter CI, Bytebier B (2014) A molecular phylogeny reveals paraphyly of the large genus Eulophia (Orchidaceae): a case for the reinstatement of Orthochilus. Taxon 63:9–23 Maunder M, Culham A, Alden B, Zizka G, Orliac C, Lobin W, Bordeu A, Ramirez JM, Glissmann-Gough S (2000) Conservation of the Toromiro tree: case study in the management of a plant extinct in the wild. Conserv Biol 14:1341–1350 Mehra PN, Khosla PK (1973) Cytological studies of Himalayan Rutaceae. Silvae Genet 22:182–188 Miller MP (1998) AMOVA-PREP 1.01: a program for the preparation of AMOVA input files from dominant-markers raw data. Comput Softw Distrib 22:927–934 Milligan BG, Leebens-Mack J, Strand AE (1994) Conservation genetics: beyond the maintenance of marker diversity. Mol Ecol 3:423–435 Mulpuri S, Muddanuru T, Francis G, Sujatha M, Tarakeswari M, Francis G (2013) Start codon targeted (SCoT) polymorphism in toxic and non-toxic accessions of Jatropha curcas L and development of a codominant SCAR marker. Plant Sci 207:117–127 Muñoz M, Warner J, Albertazzi FJ (2010) Genetic diversity analysis of the endangered slipper orchid Phragmipedium longifolium in Costa Rica. Plant Syst Evol 290:217–223 Nekrutenko A, Makova KD, Baker RJ (2000) Isolation of binary species-specific PCR-based markers and their value for diagnostic applications. Gene 249:47–51 Nybom H (2004) Comparison of different nuclear DNA markers for estimating intraspecific genetic diversity in plants. Mol Ecol 13:1143–1155 Powell W, Morgante M, Andre C, Hanafey M, Vogel J, Tingey S, Rafalski A (1996) The comparison of RFLP, RAPD, AFLP and SSR (microsatellite) markers for germplasm analysis. Mol Breed 2:225–238 Pritchard JK, Stephens M, Donnelly P (2000) Inference of population structure using multilocus genotype data. Genetics 155:945–959 Rohlf JF (1998) NTSYS pc, numerical taxonomy and multivariate analysis system version 2.0 user guide. Setauket Sharma SK, Kumaria S, Tandon P, Rao SR (2011) Single primer amplification reaction (SPAR) reveals inter-and intra-specific natural genetic variation in five species of Cymbidium (Orchidaceae). Gene 483:54–62 Shimada T, Hayama H, Haji T, Yamaguchi M, Yoshida M (1999) Genetic diversity of plums characterized by random amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis. Euphytica 109:143–147 Slatkin M (1987) Gene flow and the geographic structure of natural. Science 236:787–792 Slatkin M, Barton NH (1989) A comparison of three indirect methods for estimating average levels of gene flow. Evolution (NY) 43:1349–1368 Smith JSC, Chin ECL, Shu H, Smith OS, Wall SJ, Senior ML, Mitchell SE, Kresovich S, Ziegle J (1997) An evaluation of the utility of SSR loci as molecular markers in maize (Zea mays L.): comparisons with data from RFLPs and pedigree. Theor Appl Genet 95:163–173 Sneller CH, Miles JW, Hoyt JM (1997) Agronomic performance of soybean plant introductions and their genetic similarity to elite lines. Crop Sci 37:1595–1600 Soorni A, Nazeri V, Fattahi R, Khadivi-Khub A (2013) DNA fingerprinting of Leonurus cardiaca L. germplasm in Iran using amplified fragment length polymorphism and inter-retrotransposon amplified polymorphism. Biochem Syst Ecol 50:438–447 Swarts ND, Dixon KW (2009a) Terrestrial orchid conservation in the age of extinction. Ann Bot 104:543–556 Swarts ND, Dixon KW (2009b) Perspectives on orchid conservation in botanic gardens. Trends Plant Sci 14:590–598 Swarts ND, Sinclair EA, Krauss SL, Dixon KW (2009) Genetic diversity in fragmented populations of the critically endangered spider orchid Caladenia huegelii: implications for conservation. Conserv Genet 10:1199–1208 Tong-Jian S, Liu-Qin Z, Xin S (1991) A marker-coupled method for site-directed mutagenesis. Gene 103:73–77 Wang HZ, Wu ZX, Lu JJ, Shi NN, Zhao Y, Zhang ZT, Liu JJ, Zhang ZT, Liu JJ (2009) Molecular diversity and relationships among Cymbidium goeringii cultivars based on inter-simple sequence repeat (ISSR) markers. Genetica 136:391–399 Waugh R, McLean K, Flavell AJ, Pearce SR, Kumar A, Thomas BBT, Powell W (1997) Genetic distribution of Bare–1-like retrotransposable elements in the barley genome revealed by sequence-specific amplification polymorphisms (S-SAP). Mol Gen Genet MGG 253:687–694 WCSP (2016) World Checklist of Selected Plant Families. Facilitated by the Royal Botanic Gardens, Kew. http://apps.kew.org/wcsp/. Accessed 20 June 2016 Xiong F, Zhong R, Han Z, Jiang J, He L, Zhuang W, Tang R (2011) Start codon targeted polymorphism for evaluation of functional genetic variation and relationships in cultivated peanut (Arachis hypogaea L.) genotypes. Mol Biol Rep 38:3487–3494 Yeh FC, Yang R-C, Boyle T (1999) PopGene version 1.31: Microsoft window-based freeware for population genetic analysis. University of Alberta, Edmonton Yu Q, Sheng XX, Sheng YF et al (2009) AFLP Analysis of genetic diversity of Leonurus japonicus germplasm resources. Chin Tradit Herb Drugs 40:1296–1299