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稻属(Oryza L.)有20多个物种,其中水稻(O.sativa)是最重要的粮食作物,为世界一半的人口提供了食物。稻属植物种子作为宝贵的种质资源被收集存放在种子库中,用于保存、育种和科学研究。稻属不同物种的种子较难从形态性状上区分,种子库中常有鉴定错误的种子样品,给种子资源利用带来不良后果。为了正确鉴定稻属的种子或其他材料,本研究首先界定了稻属物种,在此基础上分别分析常规DNA条形码、稻属专一DNA条形码和超级DNA条形码在稻属物种鉴定中的效用,以期达到快速、准确鉴别稻属材料的目的。 本研究补充测定了稻属5个物种的叶绿体基因组和2个高区分度的核基因(NP78、R22),结合GenBank的叶绿体基因组数据和这两个核基因数据进行系统发育分析,得出以下结论:(1)O.sativa的两个亚种粳稻(subsp.japonica)和籼稻(subsp.indica)分别来自普通野生稻(O.rufipogon)和一年生野稻(O.nivara);(2)非洲栽培稻(O.glaberrima)与野生亲本(O.barthii)同属一个物种;(3)确定BBCC基因组型非洲产O.schweinfurthiana(以前并入O.punctata)和亚洲产O.malampuzhaensis(以前并入O.officinalis)分别为独立的物种;(4)D基因组等于E基因组。最终确认稻属有24个物种。 在对稻属物种进行界定后,本研究首先分析通用DNA条形码matK和rbcL对稻属物种的分辨能力。这两个植物核心条形码能鉴定EE、FF和HHJJ的物种,rbcL仅能鉴定3个物种,matK可鉴定8个物种,因此稻属物种鉴定需要分辨率更高的专用条形码。 通过分析比较稻属物种的叶绿体全基因组,我们从中找出7个变异性最高的区域(clpP-rps12、matK、psaJ-rpl33、rpoB-trnC、rps16-trnQ、rps19-rpl22、trnV-ndhC),作为稻属专用的DNA条形码。其鉴别能力评估结果显示:单一的专用DNA条形码片段中,matK和rps16-trnQ的物种分辨率能力最高(在不同的评估方法中最高为45.83%),而clpP-rps12和rps19-rpl22的物种分辨率较低(16%左右)。这七个专用DNA候选条码的片段组合与通用条形码相比,物种的分辨率有明显提升(79%)。另外,这些专用DNA条形码在稻属不同染色体组型物种分辨能力不同。其中CCDD、EE、FF、HHJJ和HHKK染色体组型中的物种能很好的区分开(100%),而AA、BB、BBCC、CC和GG染色体组型中的物种鉴定能力相对较弱。 随着测序技术的发展,用整个叶绿体基因组序列(即超级DNA条形码)鉴别物种已经成为现实。我们补充测定了五个多倍体物种的叶绿体全基因组,结合公共数据库中的叶绿体全基因组数据,应用超级条形码对样品进行判别。与专用DNA条形码相比,超级DNA条形码以很高的支持率解决了AA、BB、BBCC、CC和GG染色体组型物种难以区分的难题。 稻属具有重要的经济价值,杂交育种工作使得材料鉴定难度增加,因而无论是种质资源材料,还是公共数据库中的数据,都存在较高比例的错误鉴定。用DNA条形码对所获得的种子库材料的鉴定结果显示,7%的种子材料鉴定错误。 本研究用叶绿体基因组全面分析了稻属所有物种,筛选出了高变异的专用DNA条形码,为稻属材料的DNA条形码鉴定打下了坚实基础,为稻属遗传资源保护、科研材料的正确性提供技术支撑,可避免人力、物力和时间的浪费。