植物分子系統(tǒng)發(fā)育與進化的理解和認識

摘 要： 由于DNA測序和PCR等分子技術(shù)的普及，植物系統(tǒng)學研究已經(jīng)從單一的形態(tài)學研究轉(zhuǎn)向通過分子手段或形態(tài)學與分子相結(jié)合探討其進化機制。作者結(jié)合有關(guān)文獻闡述談談對植物分子系統(tǒng)發(fā)育與進化的理解和認識。

關(guān)鍵詞： 植物分子系統(tǒng) 發(fā)育與進化 系統(tǒng)發(fā)生樹

自達爾文進化論問世以來，植物分類進入一個嶄新的階段——系統(tǒng)發(fā)育時期。化石保存的不完整性使由化石記錄推導出的譜系樹缺乏中間環(huán)節(jié)，利用現(xiàn)存物種的比較形態(tài)學、比較細胞學、蛋白質(zhì)免疫和比較生理學等途徑的研究大致填補了化石譜系樹的空缺，但分類單元何時與最近祖先分歧等細節(jié)性問題含糊不清。直到30年前，形態(tài)性狀在進化和系統(tǒng)學研究中仍然占統(tǒng)治地位，但形態(tài)性狀易受環(huán)境影響，普遍存在趨同和平行進化現(xiàn)象，使許多分類群的進化地位難以確定。而DNA序列則不同，它直接反映物種的基因型，并記錄進化過程中發(fā)生的每一件事，含有極豐富的進化信息。依據(jù)DNA序列上的差異比較植物的親緣和演化關(guān)系，可以為植物系統(tǒng)進化研究提供最直接的證據(jù)。本文介紹分子進化研究中系統(tǒng)發(fā)生樹重建和分子進化的若干基礎(chǔ)理論問題。

1.系統(tǒng)發(fā)生與系統(tǒng)發(fā)生樹

系統(tǒng)發(fā)生是指一群有機體發(fā)生或進化的歷史。利用DNA序列進行發(fā)育分析就是推斷并評價分子水平的進化關(guān)系，并用分支圖表現(xiàn)出來，這種圖就是系統(tǒng)發(fā)生樹，簡稱系統(tǒng)樹。系統(tǒng)發(fā)生樹是描述一群有機體發(fā)生或進化順序的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生樹的具體表達形式，可分為物種（或種群）樹與基因樹。無論是物種（或種群）樹還是基因樹，都用樹一樣的拓撲結(jié)構(gòu)表示，其中將已標明最近共祖分類單元所在位置的樹稱為有根樹，將最近共祖分類單元所在位置未知的樹稱為無根樹。有根樹的根節(jié)點為全部分類單元最近共同祖先，它反映了分類單元間的進化關(guān)系，而無根樹僅反映分類單元間的分類關(guān)系。無根樹可通過加入外類群或利用分子鐘理論、DNA不可逆取代模型推導的方法轉(zhuǎn)化為有根樹。

2.分子系統(tǒng)發(fā)生樹的重建

在現(xiàn)代分子進化研究中，根據(jù)現(xiàn)有生物基因或物種多樣性重建生物的進化史是非常重要的問題。國內(nèi)有些學者將利用現(xiàn)有生物的形態(tài)或分子生物學數(shù)據(jù)推斷系統(tǒng)發(fā)生的過程稱為系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建，也有學者認為應稱為重建。目前，利用分子生物學數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)發(fā)生樹的方法很多。在重建時，對不同類型的數(shù)據(jù)應采用不同的重建方法。利用現(xiàn)代分子生物學技術(shù)獲得的生物多樣性的信息，可大致分為以下兩大類：

（1）離散特征數(shù)據(jù)。即獲得的兩個或更多的離散的值，它是賦給某一具體的運籌分類單位的，可進一步分為二態(tài)特征與多態(tài)特征。前者的離散特征只有兩種可能的狀況，即具有與不具有某特征項，通常用“0”或“1”表示，如限制性酶切位點、RAPD數(shù)據(jù)等。后者的離散特征具有三個或更多的可能狀態(tài)，如核酸的序列信息，就某一位點來說，組成核苷酸的堿基具有A、T、G或C四種可能。

（2）相似性和距離數(shù)據(jù)。它并不是某一具體分類單元所具有的，而是用彼此間的相似性或距離表示的各分類單位間的相互關(guān)系，如免疫學方法與DNA雜交得到的只有分類單元間相似性信息。

3.系統(tǒng)發(fā)生樹的可靠性

在系統(tǒng)發(fā)生推斷中，統(tǒng)計分析的系統(tǒng)誤差和隨機誤差均影響所建樹的可靠性。對隨機誤差的影響，常采用一定的統(tǒng)計檢驗分析獲得的系統(tǒng)發(fā)生樹的可靠性。一種是利用某一參量來對所獲得的樹及其相近樹進行結(jié)構(gòu)差異檢驗。在ML法中常利用似然值，在最小進化法中則利用所有支的總長度。這種方法是一種保守檢驗方法，檢驗的程序非常復雜，需要很大的計算機內(nèi)存。另一種是分析每個內(nèi)支可靠性，其中常用的方法有：

（1）標準誤估計，即計算內(nèi)支長度及其標準誤，檢驗內(nèi)支長度與0間的偏差，得到一個置信概率（簡稱CP），CP值越高，支的長度就越可靠。通常，當CP≥0.95或0.99時，可認為該支的長度在統(tǒng)計上有效。

（2）自舉檢驗是一種重抽樣技術(shù)，可用來估計在取樣分布不知道或難以分析得到的情況下內(nèi)支與統(tǒng)計有關(guān)的變異性。通過自舉檢驗，可得到一個自舉置信水平（簡稱BCL）。計算機模擬已表明當BCL>0.9時，CP值與BCL值非常相近。與自舉檢驗相近的另一種重抽樣方法是棄半復制檢驗。有研究表明，在研究的核苷酸數(shù)量較少的情況下，即使CP或BCL值達到95%，獲得的結(jié)果仍然不十分可信。因此，在研究中應從不同的基因中盡可能分析較多數(shù)量的核苷酸，特別在研究不同生物間進化關(guān)系時，因為不同基因遭受的進化壓力不同。此外，衰退/支持指數(shù)和T-PTP檢驗等方法亦可用來分析所得系統(tǒng)發(fā)生樹的可靠性。

通常用來降低系統(tǒng)誤差對系統(tǒng)發(fā)生分析影響，增加所建樹可靠性的方法有：①重新考慮分析時的假定，變換分析方法；②除去樹中的長支，因為樹中有許多長支，會使分析中的誤差復雜化；③去除不可靠的數(shù)據(jù)；④對某些特征或某一特征狀態(tài)進行加權(quán)等。

4.結(jié)語

從系統(tǒng)發(fā)育生物學的角度看，基因組學的豐富數(shù)據(jù)既包括了大量序列信息，又蘊藏著有關(guān)重復基因、DNA片段缺失/插入、轉(zhuǎn)座子丟失/插入等信息，為系統(tǒng)發(fā)育研究提供了豐富的資料，使利用大規(guī)?；蚪M水平的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)發(fā)育分析成為可能。系統(tǒng)發(fā)育基因組學是利用基因組水平的海量數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)發(fā)育分析的新興學科，它是后基因組時代的產(chǎn)物，也是未來進化生物學研究的重要趨勢之一。

目前利用DNA測序及分子標記等分子生物學手段進行植物分子系統(tǒng)學研究已經(jīng)十分普遍。分子數(shù)據(jù)是獨立于形態(tài)學性狀的數(shù)據(jù)，易于獲取和分析，且排除了主觀因素，能有效地彌補形態(tài)分類學研究的不足。

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