云杉屬的分子系統(tǒng)學(xué)與生物地理學(xué)研究.pdf

1、云杉屬植物是非常重要的森林樹種，廣泛分布于北半球的寒溫帶、溫帶高山和亞高山地帶。該屬為松科中僅次于松屬和冷杉屬的第三大屬，約有28-56種。自云杉屬建立以來，其屬于松科沒有任何疑議。然而，由于云杉屬物種間頻繁雜交、形態(tài)趨同和取樣困難，盡管已經(jīng)有基于形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、化學(xué)成份、葉綠體DNARFLP等方面的研究，該屬的屬下分類仍然存在諸多爭議。本文利用父系遺傳的葉綠體基因和母系遺傳的線粒體基因序列重建了云杉屬的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，探討了云杉屬生物地

2、理格局的形成過程。在此基礎(chǔ)上，我們研究了低拷貝核CAD基因在云杉屬的進(jìn)化式樣。另外，我們還對(duì)裸子植物線粒體基因rps3的內(nèi)含子分布和進(jìn)化進(jìn)行了初步研究。
　　 1.云杉屬的系統(tǒng)發(fā)育和生物地理學(xué)研究
　　 本文選擇了Farion(1990)確定的34個(gè)種中的33種(另一個(gè)種在FloraofChina未得到承認(rèn))，共103個(gè)個(gè)體，對(duì)這些個(gè)體的葉綠體DNA片段trnC-trnD和trnT-trnF以及線粒體基因nad5的第一個(gè)

3、內(nèi)含子進(jìn)行了序列測定。在兩個(gè)葉綠體基因片段聯(lián)合分析構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹上，北美西部的P.breweriana和P.sitchensis位于最基部。其余的物種分為三支：第一支由北美的兩個(gè)物種組成；第二支包括分布于喜馬拉雅-橫斷山區(qū)及其周圍地區(qū)的八個(gè)種、臺(tái)灣的P.morrisonicola、西亞的P.orientalis、日本的兩個(gè)種及北美的P.chihuahuana;第三支中，北美的P.pungens位于基部，亞洲東北部的種(除P.maxim

4、owiczii和P.torano外)、P.retroflexa和歐洲的P.abies構(gòu)成一個(gè)單系群，并與北美的P.mariana和P.rubens及來自巴爾干半島的P.omorika形成姐妹支。所有樣品的nad5第一個(gè)內(nèi)含子序列可分為A、B、C、D和E5種單倍型，北美的物種擁有前4種，而且A、B和C單倍型為北美所特有；歐亞的物種僅含D和E兩種單倍型。
　　 上述結(jié)果結(jié)合MacClade和DIVA分析及化石證據(jù)，我們推斷云杉屬起源

5、于北美，至少兩次經(jīng)白令陸橋擴(kuò)散至亞洲，然后從亞洲擴(kuò)散至歐洲。亞洲東北部的絕大多數(shù)物種和歐洲云杉P.abies的種間遺傳變異非常低，而且線粒體單倍型均為D，可能來源于一次近期的輻射分化。云杉屬的現(xiàn)代分布中心之一喜馬拉雅-橫斷山區(qū)的物種可能不是一次起源，日本的物種同樣如此，這可能與第三紀(jì)氣候變冷和第四紀(jì)冰川導(dǎo)致的物種遷移有關(guān)。此外，我們發(fā)現(xiàn)目前用于云杉屬分類的一些形態(tài)性狀(如葉扁平、菱形等)在系統(tǒng)發(fā)育樹上位于不同的位置，說明這些性狀可能不是

6、一次起源或是祖征在不同支系中的保留，用于云杉屬的系統(tǒng)劃分須慎重。
　　 2.云杉屬CAD基因的進(jìn)化研究
　　 裸子植物的多倍體特別少，且以基因組龐大而著稱。被子植物中的很多單拷貝基因在裸子植物中以低拷貝或多拷貝基因家族的方式存在。CAD基因在木質(zhì)素單體合成的最后一步起作用，在松屬中只發(fā)現(xiàn)了一種CAD基因拷貝，在歐洲云杉中卻發(fā)現(xiàn)了三種拷貝，而且Southern雜交和子代分離鑒定結(jié)果表明這三種拷貝至少位于兩個(gè)位點(diǎn)上。然而，對(duì)

7、云杉屬三個(gè)物種(包括歐洲云杉)構(gòu)建的遺傳圖譜卻都只發(fā)現(xiàn)了一個(gè)CAD基因位點(diǎn)。由于云杉屬CAD基因的數(shù)目和分布存在很大爭議，我們根據(jù)構(gòu)建的葉綠體基因樹，選擇了不同支上的20個(gè)物種、29個(gè)樣品研究該基因的進(jìn)化式樣。結(jié)果表明：云杉屬不同物種中CAD基因的拷貝數(shù)為1-4種，多數(shù)為2-3種。系統(tǒng)發(fā)育分析發(fā)現(xiàn)有些物種的所有CAD基因拷貝聚成一支，另有一些物種的CAD基因拷貝位于不同位置。此外，我們對(duì)GenBank中云杉屬三個(gè)物種CAD基因的EST序

8、列分析后發(fā)現(xiàn)：EST序列的差異主要發(fā)生在3'-UTR區(qū)，表現(xiàn)為序列長短的不同，這有可能是進(jìn)行體外反轉(zhuǎn)錄時(shí)引物結(jié)合于不同的位置所致。因此，結(jié)合前人研究(包括遺傳圖譜分析)，我們推測CAD基因在云杉屬內(nèi)發(fā)生了多次重復(fù)，重復(fù)拷貝很可能呈串聯(lián)排列。
　　 3.裸子植物線粒體基因rps3的進(jìn)化研究
　　 線粒體基因內(nèi)含子的獲得/丟失已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)發(fā)育研究。rps3為分布最廣的線粒體核糖體蛋白基因，一般含一個(gè)內(nèi)含子，前人研究顯

9、示其在裸子植物中多了一個(gè)第二類內(nèi)含子rps3i2，并將這個(gè)內(nèi)含子作為區(qū)分裸子植物和其它植物類群的標(biāo)志之一。然而，該研究只選擇了蘇鐵和銀杏作為裸子植物的代表，取樣代表性不足。在本研究中，我們對(duì)裸子植物每個(gè)科至少選擇一個(gè)物種作為代表，通過DNA序列和部分物種的RT-PCR分析，探討rps3基因在裸子植物中的進(jìn)化。結(jié)果表明rps3基因內(nèi)含子的分布與裸子植物系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系相吻合：ConiferⅡ、松科的落葉松屬和黃杉屬及百歲蘭科不僅不含rps3i

10、2，而且丟失了第一個(gè)內(nèi)含子；金錢松屬缺失第二個(gè)內(nèi)含子。我們推斷在ConiferⅡ的祖先和百歲蘭科中分別一次性丟失了兩個(gè)內(nèi)含子；在松科中則發(fā)生了兩次單獨(dú)的丟失事件，一次是在落葉松屬和黃杉屬的祖先中丟失了兩個(gè)內(nèi)含子，一次是在金錢松屬中丟失了第二個(gè)內(nèi)含子。另外，在Ephedra中沒有擴(kuò)增出rps3基因，Gnetum中具有第二個(gè)內(nèi)含子，倪藤科的rps3i2似乎支持松科與倪藤綱的關(guān)系更近。對(duì)rps3i2的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，其序列結(jié)構(gòu)與松科的系統(tǒng)發(fā)育