基于基因组DNA分子表面增强拉曼光谱、傅利叶红外光谱的山茶亚属植物鉴定及亲缘关系分析

Subgenus Camellia is the ornamental flowers of Genius Camellia from Theaceaea. Yunnan is the distribution centers of camellia in the world. Theaceae plants are relatively primitive in evolution, and system classification are controversial. Traditional morphological classification is affected by environmental and artificial factors. This research detects structure and composition of the DNA molecule by used SERS, FTIR spectra to analyze the genetic relationship and identify species at DNA molecular level. SERS and FTIR standard spectra of genomic DNAs are built by extracting genomic DNAs using modified CTAB method, and using ultraviolet spectrophotometer for quality testing of genomic DNAs, and using nanometer silver collosol and silver glueas developed independently as surface strengthening agent of SERS spectra. A new method, the new system and the new model of genetic relationship analysis and species identification based on SERS, FTIR spectra of genomic DNAs from the plants of Subgenus camellia by qualitative analysis, the significance of variance analysis, principal component analysis, artificial neural network, genetic algorithm analysis, genetic relationship analysis and system cluster analysis. The confusion of camellia varieties and the disputes of classification and origin can be solved. It has important theoretical and practical significance for research, development, protection and system classification of new varieties of camellia.

山茶亚属是山茶科山茶属的观赏茶花，云南是世界茶花分布的中心。山茶科植物在进化上相对原始，系统分类争议较大，而传统形态分类存在受环境影响和人为因素影响的问题。该研究通过SERS、FTIR光谱侦探DNA分子的结构与组成，从DNA分子水平对亲缘关系进行分析，对物种进行鉴定。通过改良的CTAB法提取基因组DNA，使用紫外分光光度计对基因组DNA分子进行质量检测，使用自主研发的纳米银银胶作为SERS光谱的表面增强剂，建立DNA分子SERS、FTIR标准光谱。对光谱数据进行定性分析、方差显著性分析、主成分分析、人工神经网络分析、遗传算法分析、系统聚类分析、亲缘关系分析，建立基于基因组DNA分子SERS、FTIR光谱的山茶亚属物种鉴定和亲缘关系分析的新方法、新体系、新模型，对传统分类进行有效的补充与完善，解决茶花品种混乱、分类和来源争议问题，对茶花新品种的研发、保护及系统分类具有重要的理论和实践意义。

项目组从云南、浙江、四川、贵州等地共采集茶花物种179种，茶花品种150多种，投入项目经费以指导本科毕业论文方式完成项目分实验40项；自主研发适合茶花DNA分子拉曼光谱表面增强剂纳米银溶胶及自组装纳米银膜；对茶花DNA分子光谱数据进行了数据预处理、定性分析、定量分析、主成分分析、系统聚类分析、K-均值聚类分析、 神经网络聚类分析、支持向量机聚类分析,建立了山茶亚属植物DNA分子表面增强拉曼光谱、傅利叶红外光谱数据库,建立了山茶亚属植物DNA分子表面增强拉曼光谱、傅利叶红外光谱数据鉴定物种、品种及亲缘关系分析的数学模型和方法。研究表明:光谱定性分析后对光谱数据进行平滑、标准化、二阶求导、主成分提取的预处理效果较好；支持向量机是光谱数据分类的最佳模型，分类正确率高达100%；分类效果次好的方法是神经网络分类，其正确率可达80-100%；再其次是系统聚类分析，分析正确率达50-80%； K-均值聚类分析正确率最低，仅40-50%。物种间区别越大、分类阶层越高，分类正确率就越高，而物种间区别越小、分类阶层越低，分类正确率就越低。.另外，项目组还超额完成了179种茶花物种的atpB基因、matK基因等9种序列的分离和测序分析，建立了 179种茶花物种DNA条形码及基因系列的聚类分析，为茶花DNA分子光谱植物鉴定及亲缘关系分析提供了强有力的参比对照系统。 .经科技查新，项目成果形成七个国际创新点，项目研究成果“DNA分子光谱及其在茶花等植物物种及品种鉴定中的应用”获2017年云南省科学技术（自然科学类）三等奖，获2016年楚雄州科学技术（自然科学类）二等奖。.目前已通过项目经费指导本科生毕业论文方式完成项目论文40篇，其中在SCI发表论文8篇，在EI发表论文4篇，在中文期刊发表论文1篇。.项目组已申请国家发明专利三项，均已受理。.超额完成项目所有计划。