竹类植物基因组学研究进展

第48卷第1期2012年1月林业科学SCIENTIASILVAESINICAEVol.48，No.1Jan．，2012竹类植物基因组学研究进展江泽慧（国际竹藤网络中心国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室北京100102）摘要：概述竹类植物基因组学研究进展，包括RAPD ，RFLP ，AFLP ，ISSR 等分子标记的开发与应用，开花、细胞壁生物合成、光合作用、抗逆等相关的重要功能基因研究，基因组测序与比较基因组学等；在分析和综述的基础上，提出竹类植物分子生物学研究基础薄弱、功能基因鉴定困难等不足，并明确遗传转化体系的建立、比较基因组学与功能基因组学研究、分子标记辅助育种是今后竹类植物基因组学研究的重点。

关键词：竹类植物；基因组学；分子标记；功能基因；测序；比较基因组学中图分类号：S718.46文献标识码：A文章编号：1001－7488（2012）01－0159－08收稿日期：2011－08－30；修回日期：2011－11－15。

基金项目：林业公益性行业科研专项（200704001）。

Progress in Bamboo Genomics ResearchJiang Zehui（Key Laboratory of Bamboo and Rattan Science and Technology of State Forestry AdministrationInternational Center for Bamboo and RattanBeijing 100102）Abstract ：The progress of genomics research on bamboo is summarized in this review．I focus on development ofmolecular markers （RAPD ，RFLP ，AFLP and ISSR ）and their application on bamboo studies ，including bamboo genes related to flowering ，cell wall synthesis ，photosynthesis and stress tolerance ，the genome sequencing of bamboo and comparative genomics with other species．The basic research on bamboo genomics is still missing and the bamboo gene functions are hard identified．Therefore ，bamboo genetic transformation system should be established ，and the research on comparative and functional genomics and the molecular marker-assisted breeding should be emphasized in the future．Key words ：bamboo ；genomics ；molecular marker ；functional gene ；sequence ；comparative genomics随着现代生物技术及其相关科技的飞速发展，探究生命的奥秘已成为21世纪的科学热点。

自1986年创立基因组学的概念以来，其相关研究不断深入并被广泛接受，目前基因组学已成为生命科学领域最活跃、最有影响的前沿学科。

与此同时，基因组注释与功能基因组研究也得到了迅速发展，基因组学的研究已深入到生命科学的各个领域，正在深刻地影响着生命科学未来的发展方向（杨金水，2007）。

自模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana ）、水稻（Oryza sativa ）完成全基因组测序以来，有许多种植物相继开展了全基因组测序，其中禾本科（Poaceae ）植物大麦（Hordeum vulgare ）、高粱（Sorghum bicolor ）、二穗短柄草（Brachypodium distachyon ）、小麦（Triticum aestivum ）、玉米（Zea mays ）等相继完成，但竹亚科（Bambusoideae ）植物的全基因组测序尚属空白。

竹类植物属于禾本科竹亚科，是非常重要的森林资源，在全球森林覆盖率日趋减少的情况下，竹子以其生长迅速、可再生性强的特点，在缓解木材供需矛盾、促进生态建设和环境保护方面发挥了重要作用，其开发利用在全球范围内引起了高度关注。

因此，作为基础性研究竹类植物基因组学日趋受到重视。

目前，竹类植物基因组学研究主要集中在分子标记的开发与应用，功能基因的分离与特征分析，基于高通量测序的EST 、全长cDNA 、基因组的分析与比较基因组学等方面。

1分子标记的开发与应用分子标记是以遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记，能够反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA 片段（方宣钧等，2001）。

分子标记技术已被广泛应用于动植物及微生物的遗传图谱构建、基因定位、遗传多样性分析、亲缘关系鉴别、基因组结构检测、基因克隆等方面的研究。

对于大多数以无性繁殖的竹类植物来说，分子标记技术主要应用于遗传多样性、系统进化分析、种质鉴定林业科学48卷等方面的研究。

1.1遗传多样性分析竹类植物丰富多彩，全世界有70多个属1200多种，在生态系统、物种、遗传多样性方面均具有复杂性，人们应用RAPD，RFLP，AFLP，ISSR等分子标记技术来试图揭示竹类植物个体或群体差异的特异性。

RAPD技术被最先用于竹类植物遗传多样性研究。

对玉山竹（Yushania niitakayamensis）的研究结果显示，是地理隔离和纬度差异导致了群体分化，其多样性是由于生境差异而造成的小地理分化（Hsiao et al．，1994；1999）；对毛竹（Phyllostachys edulis）种下的7个变型或栽培型及其同属的2个近缘种进行遗传关系的研究（师丽华等，2002），以及对来自6个群体的30丛撑篙竹（Bambusa pervariabilis）个体的遗传变异研究（邢新婷等，2003）进一步证实了RAPD分子标记对竹类植物种内遗传多样性研究的有效性；对雷竹（又名早竹）（Phyllostachys violascens）（方伟等，2001）、绿竹（Bambusa oldhamii）（余学军等，2005）的研究表明，RAPD分子标记对竹类植物种以下等级进行分类有一定的可靠性。

同样，RAPD分子标记也可以用于属间关系的研究（杨光耀等，2001）。

AFLP分子标记技术结合了RFLP和RAPD技术的特点，已成为植物亲缘关系、种质鉴别及遗传多样性研究的有效手段之一。

对刚竹属（Phyllostachys）23个种、苦竹属（Pleioblastus）2个种、唐竹属（Sinobambusa）1个种的AFLP多样性分析的数据提示，在系统学研究中足够数量的AFLP 引物组合是获得准确聚类关系的基础（李潞滨等，2008）。

在检测箬竹属（Indocalamus）16个种和5个形态相似的外源竹种的基因组DNA多态性时发现，所有的箬竹属植物聚成一类，其他5种外源竹类植物聚成一类；同时AFLP分析提供的分子证据支持了耿氏分类系统，将天目箬竹（Indocalamus migoi）归入阔叶箬竹（Indocalamus latifolius）中（牟少华等，2009）。

对筇竹（Chimonobambusa tumidissinoda）2个种群的遗传多样性的分析结果表明，筇竹种群内有较高的遗传多样性，有利于筇竹种质资源的保存（茹广欣等，2010）。

随着竹类植物基础研究工作的进一步开展，竹类植物的ITS（Hodkinson et al．，2000），ACGM（董德臻等，2007），ISSR（阮晓赛等，2008；Lin et al．，2010b），SSR（Tang et al．，2011），EST-SSR（杨丽等，2011）等分子标记相继被开发，用于遗传多样性分析。

为了提高分子标记的有效性，还出现了2种或3种分子标记联合使用的方式，并取得了良好的效果。

对四川不同地区的梁山慈竹（又名大叶慈）（Dendrocalamus farinosus）（蒋瑶等，2008）、硬头黄竹（Bambusa rigida）（蒋瑶等，2009）的研究结果表明，采用RAPD和ISSR2种分子标记联合分析，可以有效地鉴定种内遗传多样性；对于种内种质采用联合鉴别分析的方法可以有效提高种质鉴别率，对10份毛竹种质采用3种标记的数据联合判别分析结果显示：其效果顺序为（AFLP+ISSR+SRAP）＞（AFLP+SRAP）＞（SSR+SRAP）＞（AFLP+ISSR）（郭起荣等，2010）。

1.2系统进化分析由于竹类植物种类繁多、形态性状复杂多变、多年生一次性开花等原因而成为系统发育学研究难点。

竹子传统的形态学分类主要依赖于花以外的营养器官，而形态学分类方法本身又存在局限性。

分子标记技术是基于PCR技术进行DNA序列的选择性扩增，扩增产物的多态性能够用于判断不同物种之间的系统进化关系。

因此，利用遗传物质DNA来进行竹类植物的系统进化研究有着明显的优势。

采用RAPD分子标记能够有效地分析竹类植物近缘种的亲缘关系、判定遗传距离（杨萍等，2004），对苦竹（Pleioblastus amarus）及近缘竹（共17个竹种）的亲缘关系的研究结果表明，大明竹（Pleioblastus gramineus）与小黄苦竹（Oligostachyum fujinensis）的遗传距离最大，为0.6356，衢县苦竹（Pleioblastus juxianensis）与硬头苦竹（又名晾衫竹）（Sinobambusa intermedia）的遗传距离最小，为0.2490。

由于叶绿体基因组的保守性，其DNA较早地应用于竹类植物系统进化研究，如ndhF（Clark et al．，1995），rps4（Nadot et al．，1995）以及rpl16的内含子（Kelchner et al．，1997）等。

另外，应用非核基因DNA开展系统进化分析研究还有核糖体DNA内转录间隔子区（Guo et al．，2002；Sun et al．，2005）、线粒体基因rpsl4（Ong et al．，2006）和质体psb A-trn H，rpl32-trn L和rps16内含子序列（Yang H Q et al．，2008；Yang J B et al．，2010）等。