基于多性状筛选与SSR指纹图谱的沙拐枣属头状组优株鉴定及其在荒漠生态修复中的应用

《Plants》：Multitrait Screening and SSR Fingerprinting of Calligonum Section Medusa Individuals for Desert Ecological Restoration

　　

沙拐枣属（Calligonum）头状组（sect. Medusa）是荒漠生态修复的重要资源，但目前仍缺乏实用的优良种质筛选标准和可靠的身份验证方法。研究人员对保存于伊犁吐番国家植物园（选育）吐鲁番校区的121份个体进行了13项形态学、生理学和生物化学性状的评价，采用主成分分析（PCA）、隶属函数评价、层次聚类和逐步回归等方法进行分析；进一步对其中20份个体在13个简单重复序列（SSR）位点进行基因分型。各性状变异系数范围为6.54%至53.79%，五个主成分解释了总变异的68.40%。共鉴定出五份候选优良个体（ZLY37、ZLY40、ZLY44、ZLY38和ZLY01）。通过逐步回归得到一个包含冠幅（CW）、黎明前水势（Ψpd）、株高（PH）、可溶性糖含量（SS）、株型完整性（PFI）和同化枝长（ABL）的六性状简化模型，并据此推导出初步经验参考阈值。在13个SSR位点中，10个为多态性位点（平均多态信息含量PIC = 0.357），一个由五个位点组成的候选组合能够区分用于其筛选的同一批20份个体，并为五份候选优株构建了指纹图谱。本研究为沙拐枣属头状组的优良种质初步筛选和分子身份验证提供了实用框架，有助于荒漠生态修复、种质管理及后续品种培育。

一、研究背景、现存问题与研究意义

全球旱地扩张和持续的土地退化加剧了对有效荒漠生态系统修复的需求。沙拐枣属（Calligonum）植物广泛用作中亚和中国西北部沙漠地区的防风固沙灌木，其高度退化的叶片和光合作用同化枝、发达的根系和耐旱性以及能够改变近地表气流的树冠结构奠定了其修复价值。该属传统上依据果实形态分为四个组，其中头状组（sect. Medusa）是新疆物种最丰富、地理分布最广的组，因此成为种质评价和面向修复选择的特别相关目标。然而，沙拐枣属的分类群和个体在物候期、水分状态和对胁迫的生理响应方面存在差异。目前存在的问题包括：缺乏针对离体保存群体内单株筛选的简化指标和经验阈值；同时，在离体保护、繁殖、后续试验和品种开发过程中需要可靠的身份验证手段，而头状组内的蒙古沙拐枣复合群因果实性状重叠、物种界限存疑导致形态鉴定困难。因此，本研究旨在整合多项形态、生理和生化性状以鉴定候选优良个体，并利用SSR分子标记建立分子身份验证体系，将多性状筛选与分子身份验证相结合，为种质管理、品种培育和面向修复的选择提供基础。

二、主要关键技术方法

研究人员从位于中国新疆的伊犁吐番国家植物园（选育）吐鲁番校区采集材料，研究对象包括来自沙拐枣种质资源圃（ZZP，2011年建圃，约1公顷，主要为种子繁殖材料）的23份个体和沙拐枣专类园（ZLY，1972至2013年间分批引入，以扦插繁殖为主）的98份个体，共计121份沙拐枣属头状组个体。主要技术方法包括：1）对13项恢复导向性状（包括株高PH、冠幅CW、基径BD、分枝密度BrD、株型完整性PFI、同化枝直径ABD、同化枝长ABL、叶绿素总量Chl、游离脯氨酸Pro、可溶性糖SS、丙二醛MDA、黎明前水势Ψ_pd和正午水势Ψ_md）进行测量和统计分析；2）运用主成分分析（PCA）结合隶属函数法计算相对综合得分（D值），并结合Ward最小方差层次聚类进行综合评价；3）采用逐步回归分析建立简化的六性状筛选模型并推导初步经验阈值；4）选取20份个体（含5份候选优株）提取基因组DNA，利用13对SSR引物进行PCR扩增和毛细管电泳检测，通过片段谱共享距离分析和穷举法筛选最优位点组合，构建五座位SSR指纹图谱并编码为QR码。

三、研究结果

3.1 恢复导向性状的变异及相关性

13个性状的变异系数（CV）介于6.54%至53.79%之间，基径（BD）变异最大，黎明前水势（Ψ_pd）变异最小。经Benjamini-Hochberg假发现率校正后，78对相关性中有26对显著，包括15个正相关和11个负相关。植株大小和同化枝性状间呈正相关，而丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro）与多个结构性状呈负相关。

3.2 主成分分析与候选优株筛选

PCA保留五个特征值大于1的主成分（PC），累计解释68.40%的总方差。PC1主要描述植株大小和同化枝生长变异，PC2与可溶性糖（SS）、正午水势（Ψ_md）和基径（BD）相关。基于D值的Ward层次聚类将121份个体分为六组，D值最高的组包含ZLY37、ZLY40、ZLY44、ZLY38和ZLY01，这五份个体被指定为候选优株，均来自ZLY。在PC1-PC2双标图中，ZLY37具有最高PC1得分，ZLY01和ZLY40具有较高PC2得分。

3.3 简化筛选指标与初步经验阈值

以D值为响应变量、13个方向标准化性状为候选预测变量的逐步回归最终保留了冠幅（CW）、黎明前水势（Ψ_pd）、株高（PH）、可溶性糖（SS）、株型完整性（PFI）和同化枝长（ABL）六个性状，模型R2达0.9489。该简化模型复现了相同的五位最高排名个体。以五份候选优株中各保留性状的最小值作为初步下限参考阈值，联合应用所有六个阈值时，在当前数据集中无额外个体满足全部条件；其中PH、CW和ABL三个阈值联合即可排除其他个体，仅保留五份候选优株。

3.4 SSR谱变异及个体间关系

13个SSR位点中，Sgz005仅在1份个体中获得有效谱，Sgz012和Sgz020在所有20份个体中均为单态，这三个位点被排除。剩余10个多态性位点的平均基因分型成功率为98.0%，其平均等位基因数（Na）、有效等位基因数（Ne）、Shannon信息指数（I）、观测杂合度（Ho）、期望杂合度（He）、多态信息含量（PIC）和鉴别力（DP）分别为2.900、1.979、0.708、0.435、0.409、0.357和0.356。基于10个多态性位点的片段谱共享距离范围为0.050至0.556。UPGMA聚类树显示ZZP15与其他个体的连接距离最大。

3.5 候选五座位SSR组合与DNA指纹构建

10个多态性位点的联合谱可区分所有20份被测个体。通过穷举评估，确定了由Sgz001、Sgz004、Sgz010、Sgz017和Sgz019组成的候选五座位组合，该组合在当前数据集内保持完全区分能力。移除其中任何一个位点都会导致至少一对个体无法区分。基于该候选组合，为ZLY37、ZLY40、ZLY44、ZLY38和ZLY01生成了个体特异性多位点指纹字符串并编码为QR码。

四、讨论与结论

讨论部分总结： 五份候选优株的高D值并非源于单一性状的极端表现，而是反映了结构、水分状态和生理性状的不同组合，表明高综合排名可由不同的有利性状组合产生而非单一共同表型。株高、冠幅和同化枝长的协变构成了变异的主要结构维度，但冠幅与株型完整性的弱关联说明不能以冠幅替代对冠层完整性的直接评估。生理性状的解释需谨慎，因其既可反映适应性调节也可反映胁迫程度，候选选择应联合评价结构和生理性状。简化六性状模型是对全D值评价的实用近似，但其在独立样本上的表现尚待评估。所有五份候选优株均于1977年定植且来自ZLY，但由于定植时间、分类组成和保护区域等因素相互混杂，无法分离定植时长的影响。所建立的初步经验阈值可能有利于本收集中冠幅和株高均值较大的分类群。更大的尺寸或更高的D值并不证明具有更优的固沙或修复性能，需要在不同年份和地点开展可比条件下的无性系试验以评估候选优株表现的稳定性和筛选阈值的适用性。SSR数据主要用于个体鉴别和成对关系分析，候选五座位组合的完全区分能力属于样本内表现，需在整个收集群体和更多近缘沙拐枣种质中进行验证。

结论部分翻译： 对121份沙拐枣属头状组个体的多性状评价鉴定出ZLY37、ZLY40、ZLY44、ZLY38和ZLY01为候选优株。一个包含冠幅、黎明前水势、株高、可溶性糖含量、株型完整性和同化枝长的简约六性状模型解释了D值变异的94.89%，并复现了相同的五份候选优株，支持这些性状作为简化初步筛选的实用指标。为这六项指标以其原始测量单位建立了初步经验参考阈值。在被测的20份个体中，一个由Sgz001、Sgz004、Sgz010、Sgz017和Sgz019组成的候选五座位SSR组合能够区分所有个体，并为五份候选优株构建了DNA指纹图谱。简化筛选模型、经验阈值和SSR指纹图谱共同为沙拐枣属头状组的优良种质选择、身份验证、种质管理和后续品种培育提供了实用框架。在大规模应用于荒漠生态修复之前，还需要进一步的无性系、多年和多地点验证。