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短体线虫(Pratylenchus spp.)是一类分布广泛、寄主众多的迁移性植物内寄生线虫,侵染植物根部组织引起腐烂病变,使作物品质及产量下降。短体线虫危害许多国家的小麦并造成了严重的产量损失。在调查我国小麦孢囊线虫发生分布时,发现短体线虫与小麦孢囊线虫混合侵染很普遍,并且不同种短体线虫混合侵染现象也很普遍。因此,基于线粒体DNA-COI基因(mtCOI)序列,本文对我国小麦种植区的短体线虫种类发生及分布进行了调查,建立了短体线虫种类的快速检测体系,研究了落选短体线虫群体的遗传多样性,主要研究结果如下:
1.我国小麦短体线虫种类的分子鉴定及发生分布
对采自我国12省市区的42个小麦短体线虫样品进行了基于mtCOI序列的分子鉴定,并分析了种群系统进化关系。结果显示,扩增的短体线虫mtCOI片段经测序长度在445~447bp之间,序列比对及系统进化树分析揭示小麦短体线虫种类主要有咖啡短体线虫P.coffeae、落选短体线虫P.neglectus和斯克里布纳短体线虫P.scribneri这三种。样品中存在单一种群侵染和复合种群侵染,其中单一侵染占总样品76.18%,复合侵染占23.82%;P.neglectus是我国麦区的优势种群,在华东、华中和西北地区都有广泛分布;P.coffeae主要分布在华东地区;P.scribneri分布比较广泛,在安徽、河南、山东、江苏、河北、湖北、陕西、新疆等省份都有零星发生;P.neglectus和P.scribneri的复合侵染分布较广,在山东、河南、江苏和陕西等省发生。
2.基于mtCOI序列的三种短体线虫多重PCR检测
基于mtCOI序列分析设计了咖啡短体线虫P.coffeae、落选短体线虫P.neglectus和斯克里布纳短体线虫P.scribneri的特异性上游引物Pc-m193-F、Pn-m280-F和Ps-m66-F以及通用下游引物Pcns-m-R,三对种特异性引物扩增咖啡短体线虫、落选短体线虫和斯克里布纳短体线虫的产物大小分别约为220bp、140bp和350bp,检测灵敏度分别为1/100、1/1000和1/10单条线虫DNA模板量;经过反应条件的多次优化成功建立了多重PCR反应体系,当引物Pc-m193-F/Pn-m280-F/Ps-m66-F/Pcns-m-R浓度比0.4∶0.4∶0.8∶1.2μmol/L时,能特异性检测出三种线虫,对18个短体线虫样品进行多重PCR检测的结果显示与分子鉴定结果相吻合。该多重PCR体系为我国小麦田块三种短体线虫单一或混合侵染的快速检测提供了技术支持。
3.我国小麦落选短体线虫群体遗传多样性分析
利用mtCOI基因标记分析了落选短体线虫9个地理群体的遗传结构和种群多样性,结果显示,从9个地理群体中共得到101条mtCOI序列,发现了28个变异碱基位点,形成14个单倍型,H1单倍型最常见,为7个地理群体的59个个体共有,可能是祖先单倍型;物种水平呈现中等遗传多样性(HT=0.706±0.131),STRUCTURE软件聚类分析显示9个地理群体可分为中部地区与西北地区两个类群,AMOVA分析揭示落选短体线虫整体水平的遗传分化主要来源于种群间;中性检验和错乱分布检验揭示落选短体线虫整体与两个类群的遗传分化都处于相对稳定状态;Mantal检验表明落选短体线虫遗传距离与地理距离存在正相关性,但是不同种群之间的遗传分化程度与地理隔离没有显著关系。
总之,本研究初步明确了我国12省市区小麦短体线虫种类的发生分布情况,建立了三种短体线虫的多重PCR检测体系,揭示了落选短体线虫群体的遗传多样性,为我国小麦短体线虫种类的快速鉴定以及小麦根部线虫病害的综合防控提供了理论基础和技术指导。
1.我国小麦短体线虫种类的分子鉴定及发生分布
对采自我国12省市区的42个小麦短体线虫样品进行了基于mtCOI序列的分子鉴定,并分析了种群系统进化关系。结果显示,扩增的短体线虫mtCOI片段经测序长度在445~447bp之间,序列比对及系统进化树分析揭示小麦短体线虫种类主要有咖啡短体线虫P.coffeae、落选短体线虫P.neglectus和斯克里布纳短体线虫P.scribneri这三种。样品中存在单一种群侵染和复合种群侵染,其中单一侵染占总样品76.18%,复合侵染占23.82%;P.neglectus是我国麦区的优势种群,在华东、华中和西北地区都有广泛分布;P.coffeae主要分布在华东地区;P.scribneri分布比较广泛,在安徽、河南、山东、江苏、河北、湖北、陕西、新疆等省份都有零星发生;P.neglectus和P.scribneri的复合侵染分布较广,在山东、河南、江苏和陕西等省发生。
2.基于mtCOI序列的三种短体线虫多重PCR检测
基于mtCOI序列分析设计了咖啡短体线虫P.coffeae、落选短体线虫P.neglectus和斯克里布纳短体线虫P.scribneri的特异性上游引物Pc-m193-F、Pn-m280-F和Ps-m66-F以及通用下游引物Pcns-m-R,三对种特异性引物扩增咖啡短体线虫、落选短体线虫和斯克里布纳短体线虫的产物大小分别约为220bp、140bp和350bp,检测灵敏度分别为1/100、1/1000和1/10单条线虫DNA模板量;经过反应条件的多次优化成功建立了多重PCR反应体系,当引物Pc-m193-F/Pn-m280-F/Ps-m66-F/Pcns-m-R浓度比0.4∶0.4∶0.8∶1.2μmol/L时,能特异性检测出三种线虫,对18个短体线虫样品进行多重PCR检测的结果显示与分子鉴定结果相吻合。该多重PCR体系为我国小麦田块三种短体线虫单一或混合侵染的快速检测提供了技术支持。
3.我国小麦落选短体线虫群体遗传多样性分析
利用mtCOI基因标记分析了落选短体线虫9个地理群体的遗传结构和种群多样性,结果显示,从9个地理群体中共得到101条mtCOI序列,发现了28个变异碱基位点,形成14个单倍型,H1单倍型最常见,为7个地理群体的59个个体共有,可能是祖先单倍型;物种水平呈现中等遗传多样性(HT=0.706±0.131),STRUCTURE软件聚类分析显示9个地理群体可分为中部地区与西北地区两个类群,AMOVA分析揭示落选短体线虫整体水平的遗传分化主要来源于种群间;中性检验和错乱分布检验揭示落选短体线虫整体与两个类群的遗传分化都处于相对稳定状态;Mantal检验表明落选短体线虫遗传距离与地理距离存在正相关性,但是不同种群之间的遗传分化程度与地理隔离没有显著关系。
总之,本研究初步明确了我国12省市区小麦短体线虫种类的发生分布情况,建立了三种短体线虫的多重PCR检测体系,揭示了落选短体线虫群体的遗传多样性,为我国小麦短体线虫种类的快速鉴定以及小麦根部线虫病害的综合防控提供了理论基础和技术指导。