基于RAPD、ISSR和SCoT标记的姜黄遗传多样性分子解析及其育种应用价值

《Discover Plants》：Molecular insights into the genetic diversity of Curcuma longa L.: a comparative study with RAPD, ISSR and scot markers

　　本研究针对姜黄(Curcuma longa L.)种质资源遗传背景不清的问题，研究人员通过RAPD、ISSR和SCoT三种分子标记系统对14个姜黄栽培种进行遗传多样性分析。结果表明，36个引物共产生281个等位基因，多态性率达86.47%，其中RAPD标记多态性最高(89.25%)，SCoT标记效率最佳(MI=3.50)。聚类分析将栽培种分为两大群，发现Pitamber和Rajendra Sonia亲缘关系最近，PTS55和Salem差异最大。该研究为姜黄种质资源保护、优良品种选育及分子标记辅助选择提供了重要理论依据。

　　

在传统医学和现代健康领域，姜黄(Curcuma longa L.)作为一种"黄金香料"始终闪耀着独特光芒。这种属于姜科(Zingiberaceae)的多年生草本植物，不仅为全球美食增添风味，更因其主要活性成分姜黄素(curcumin)所具有的抗氧化、抗炎和抗肿瘤特性而备受青睐。特别是在COVID-19疫情期间，姜黄的免疫调节功能引发了新一轮研究热潮。然而，这个拥有近4000年栽培历史的古老作物，却面临着遗传背景不清的现代困境——作为三倍体物种(2n=3x=63)，姜黄主要通过根茎进行无性繁殖，缺乏常规有性生殖机制，导致杂交育种困难重重。

印度作为全球姜黄主产区，贡献约80%的产量，拥有超过30个栽培品种，但形态学标记易受环境影响的特性，使得传统育种方法难以精准识别优良种质。面对这一挑战，Porandla等研究人员在《Discover Plants》上发表了开创性研究，首次将RAPD(随机扩增多态性DNA)、ISSR(简单序列重复间区)和SCoT(起始密码子靶向)三种分子标记系统相结合，对14个姜黄栽培种进行了全面遗传解析。

研究人员采用改良CTAB法从20-30天苗龄的姜黄叶片中提取高质量DNA，样本来源于印度特伦甘纳邦姜黄研究站的14个栽培种。通过优化PCR扩增条件，使用10条RAPD引物、13条ISSR引物和13条SCoT引物进行扩增，产物经1.5%琼脂糖凝胶电泳分离后，建立二进制数据矩阵进行综合分析。研究计算了多态性百分比、多态性信息含量(PIC)、分辨力(RP)、标记指数(MI)等参数，并采用UPGMA方法构建系统发育树，通过主成分分析(PCA)验证遗传关系。

3.1 RAPD分析

10条RAPD引物共产生77个等位基因，大小范围200-1500bp，多态性率达89.25%。引物AM4表现最优，RP值5.00，MI值3.96，EMR值8.10。聚类分析显示，Salem与Duggirala Red遗传相似性较高(au:81, bp:37)，而Rajendra Sonia与ACC48亲缘关系最近(au:99, bp:95)。

3.2 ISSR分析

13条ISSR引物产生78个等位基因，大小范围100-1000bp，多态性率82.05%。引物ISSR20效果最佳，产生10个等位基因，MI值达4.90。Duggirala Red与BSR-2形成强支持聚类群(au:88, bp:70)，PTS55表现出独特的遗传背景。

3.3 SCoT分析

13条SCoT引物产生126个等位基因，大小范围100-3000bp，多态性率84.22%。引物S6的PIC值最高(0.84)，S17和S18的EMR值均超过12.00。 Pitamber与Rajendra Sonia显示高度遗传相似性(au:94, bp:75)，Duggirala Red则呈现独特遗传谱系。

3.4 联合标记分析

三种标记系统联合分析产生281个等位基因，其中243个为多态性，整体多态性率86.47%。联合聚类分析将栽培种分为两大群：主要集群包含11个栽培种，次要集群包含3个栽培种。Pitamber和Rajendra Sonia被确定为亲缘关系最近的栽培种(au:79, bp:58)，而PTS55和Salem品种显示最小相似性。

3.5 主成分分析

PCA分析验证了聚类分析结果，三种标记的PCA图均显示相似的遗传分布模式。联合标记PCA图中，Dim1(16.3%)和Dim2(12.3%)共同解释了28.6%的遗传变异，Pragathi、Rajendra Sonia、Pitamber和ACC48在图中紧密聚集，表明遗传背景相似。

4 讨论

本研究首次将RAPD、ISSR和SCoT标记系统联合应用于姜黄遗传多样性分析，发现SCoT标记在姜黄多样性分析中效率最高(MI=3.50)，RAPD提供更广泛的多态性覆盖(MI=2.89)，而ISSR在检测高特异性位点方面表现优异(MI=2.10)。SCoT标记S6引物的PIC值达0.84，表明其对基因丰富区域靶向的有效性。BSR-2和Duggirala Red在所有 dendrogram 中均聚类在一起，证明其遗传稳定性。分子标记不受植物发育阶段和环境条件影响的特点，使其成为种质资源鉴定的理想工具。

5 结论

本研究证实RAPD、ISSR和SCoT标记系统相结合能有效捕获姜黄更广泛的遗传多样性。RAPD标记(AM2、AM5、A6)实现100%多态性，SCoT标记S18产生14个等位基因，ISSR20产生10个等位基因。基于联合数据的UPGMA聚类分析成功区分了姜黄栽培种，为育种计划中扩大遗传多样性提供了重要信息源。研究表明，跨系统组合高效引物可为种质表征、育种和保护提供强大、精确而全面的方法，这些发现增强了我们对姜黄遗传变异的理解，为作物改良策略提供了宝贵见解。