木蘭葉綠體atpB和rbcL基因的系統(tǒng)進化分析

趙晶華，賈 倩，金洪濤，盛彥敏

(長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

木蘭葉綠體atpB和rbcL基因的系統(tǒng)進化分析

趙晶華，賈 倩，金洪濤，盛彥敏

(長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130032)

木蘭科植物作為古老的類群，其雜交和形態(tài)多樣以及趨同進化等特點導(dǎo)致傳統(tǒng)分類出現(xiàn)很多不同結(jié)論。對生物類群進行種群的系統(tǒng)進化分析可以在一定程度上彌補傳統(tǒng)分類方法的局限。葉綠體的母系遺傳相對保守、分子水平差異明顯，是綠色植物的標(biāo)志性細胞器，因此葉綠體基因組常被用來進行植物的系統(tǒng)進化探究。本項研究利用phylip軟件將NCBI核酸序列數(shù)據(jù)庫中下載的21種木蘭科植物葉綠體的atpB 和rbcL基因序列760bp進行序列比對處理之后，進一步應(yīng)用鄰接法進行分子進化系統(tǒng)發(fā)生分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育進化樹，從而得出木蘭屬中白玉蘭、星花玉蘭、銳葉木蘭、北美大葉木蘭、夜香木蘭等在系統(tǒng)進化中的親緣關(guān)系，為進一步對木蘭屬植物進行系統(tǒng)發(fā)生研究奠定基礎(chǔ)。

木蘭；葉綠體基因；系統(tǒng)發(fā)育

木蘭科植物很早就被作為綠化觀賞樹種和重要的藥用植物，一些主要的物種如厚樸、玉蘭等的樹皮，木蓮等的果實，紫玉蘭、華中玉蘭等的花均可藥用[1]。木蘭科植物具有較為原始的性狀特征，因而在某些分類系統(tǒng)中被歸為原始、古老的植物類群，并常作為被子植物起源與早期演化的關(guān)鍵類群被關(guān)注[2]。

木蘭屬植物在東亞-北美大陸之間的廣泛區(qū)域間斷分布。在我國主要分布于大別山區(qū)、大巴山區(qū)、神農(nóng)架山區(qū)等地區(qū)。已有研究顯示，分布區(qū)不同種間存在雜交和形態(tài)多變等特征現(xiàn)象，給該科屬植物的分類鑒定帶來一定的困難。目前，普遍認(rèn)同的木蘭科植物有15屬，260多種[2]。

分類學(xué)專家對于木蘭科的系統(tǒng)進化及親緣關(guān)系的認(rèn)識，一直存在一些爭論，尤其是對除鵝掌楸屬外的木蘭屬與其它屬的分類界限爭議不斷，關(guān)于含笑、木蓮等植物同木蘭屬的親緣關(guān)系的研究分析也較多。有學(xué)者提出，將形態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)以及分子生物學(xué)等分析技術(shù)相結(jié)合, 才能更深入、更有效地了解植物的遺傳多樣性及遺傳變異和分類進化地位[3]。此外，木蘭屬植物的系統(tǒng)進化研究對于物種鑒定、瀕危物種的保護以及中藥學(xué)的發(fā)展也都具有一定的意義。

1 材料與方法

1.1 基因序列

NCBI數(shù)據(jù)庫現(xiàn)有的木蘭科植物葉綠體atpB 和rbcL基因相關(guān)資料。

選取原始、古老、背景清晰的木蘭科植物作為本研究的對象，在NCBI數(shù)據(jù)庫(http:∥www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/11625)中下載得到各代表物種atpB 和rbcL基因的部分序列，并以杉木作為遠緣參考物種(表1)。

表1 樣本植物的信息

1.2 序列處理

應(yīng)用Lasergene 7軟件對下載序列進行分析處理，并在MegAlign中進行序列比對。

1.3 系統(tǒng)進化樹繪制

使用phylip-3.695軟件將篩選后的木蘭科植物葉綠體atpB 和rbcL基因序列進行分子進化系統(tǒng)發(fā)生分析，繪制發(fā)育樹。

首先在CLUSSTALX中進行全序列比對；然后應(yīng)用PUZZLE32計算核酸替換率ts/tv的數(shù)值。最后，在phylip軟件包中，依次做SEQBOOT、DNADIST、NEIGHBOR計算和CONSENSE檢驗，以鄰接法構(gòu)建距離進化樹，結(jié)果在TREEVIEW軟件中觀察并存儲為圖片格式。

2 結(jié)果

2.1 樣本基因MegAlign分析比對

MegAlign分析結(jié)果顯示，在木蘭科植物葉綠體atpB 和rbcL基因分析序列的470bp～480bp以及610bp～620bp兩個區(qū)間存在高變區(qū)，各物種基因序列變異比較豐富。

2.2 系統(tǒng)發(fā)育進化樹繪制

應(yīng)用phylip軟件將NCBI核酸序列數(shù)據(jù)庫下載的木蘭科植物葉綠體atpB and rbcL基因序列760bp進行分子進化系統(tǒng)發(fā)生分析，所得距離進化樹結(jié)果如圖2所示。

圖2 木蘭科植物部分物種的系統(tǒng)發(fā)生樹

3 討論

白玉蘭(AB021067)的atpB and rbcL基因與星花玉蘭(AB021070)和銳葉木蘭(AB021071)等葉綠體基因的親緣關(guān)系最近，與紫玉蘭(X69746)一起構(gòu)成一個小的系統(tǒng)分支；北美大葉木蘭(AB021057)的atpB and rbcL基因竟然與杉木(AJ390816)親緣關(guān)系最近，從屬于日本天女木蘭(AB021063)構(gòu)成的分支。以上兩個分支發(fā)生于墨西哥大葉玉蘭(AB055580)組成的一大分支，其上一級是日本厚樸(AB021059)。

日本厚樸(AB021059)與夜香木蘭(AB021064)分支，包括山玉蘭(AB021065)、大葉木蘭(AY008966)等在進化上都從屬于西康玉蘭(AB055576)，共同組成該科植物大的進化分支。

含笑屬植物含笑(AB021075)、臺灣含笑(AB021074)等在進化上的出現(xiàn)早于木蘭屬，而落葉木蓮屬的進化地位又早于含笑屬。值得注意的是大果木蓮(AY008961)與落葉木蓮(AB055583)及本科其它屬植物的進化關(guān)系都比較遠，推測其進化地位較原始，其葉綠體基因類型也比較古老。

木蓮屬和含笑屬均為相對一致的類群，木蘭則屬于一個多系起源的趨同演化類群；玉蘭亞屬與木蘭屬的親緣關(guān)系較遠，卻與含笑屬的親緣關(guān)系較近。不同產(chǎn)地居群個體受地理因素的影響，因而個體之間的遺傳差異性較大，遺傳多樣性比較高。上述結(jié)果也與其他學(xué)者的分析結(jié)論基本一致[2-5]。

4 結(jié)論

本項研究將21種木蘭科植物葉綠體的atpB and rbcL基因序列比對處理后，用鄰接法(NJ)進行系統(tǒng)進化分析，通過重建系統(tǒng)發(fā)育進化樹成功地得出木蘭屬白玉蘭、星花玉蘭、銳葉木蘭等不同種玉蘭品種在系統(tǒng)進化中的親緣關(guān)系，更進一步得出了木蘭科不同屬物種(如木蘭屬、含笑屬等)在系統(tǒng)進化中的系統(tǒng)進化順序及親緣關(guān)系。

隨著葉綠體基因組的系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)研究的深入，它在系統(tǒng)發(fā)育進化研究中的優(yōu)勢顯露無疑[6]；但在葉綠體系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)中，對于因取樣不全和其它原因等帶來的假象，應(yīng)當(dāng)小心判斷，進而通過不同的取樣策略和研究方法[7]，將不良影響消除或降到最低。

[1]劉玉壺.木蘭科分類系統(tǒng)的初步研究[J].植物分類學(xué)報,1984,22(2):89-109.

[2]司馬永康,陸樹剛,韓明躍,等.木蘭科系統(tǒng)分類學(xué)研究動態(tài)[J].西部林業(yè)科學(xué),2012,41(1):116-127.

[3]林小涵.銀杏和木蘭屬植物的轉(zhuǎn)錄組、葉綠體基因組及其相關(guān)研究[J].藥用植物研究所,2011,5(1):42-45.

[4]王亞玲,李勇,張壽洲,等.用matK序列分析探討木蘭屬植物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系[J].植物分類學(xué)報,2006,44(2):135-147.

[5]鄭艷冰,沙偉,汪楣芝.金發(fā)蘚目系統(tǒng)學(xué)研究概況[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報,2005,12(4):71-80 .

[6]張韻潔,李德銖.葉綠體系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)的研究進展[J].植物分類與資源學(xué)報,2011,33(4):365-375.

[7]Shinozaki k,Ohme M,Tanka M,et al.Structre and organization of Marchantia polymorpha chloroplast genome:its gene organization and expression[J].The EMBO Jourmal,1986,5(9):2041-2029.

Evolution Analysis of the Chloroplast Genes atpB and rbcL of Magnolia

ZHAO Jing-hua, JIA Qian, JIN Hong-tao, SHENG Yan-min

(Life Science School of Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

Magnoliaceae plants are ancient plant groups. Due to the hybridization, diversity of morphology, and convergent evolution, many different conclusions of the classical classification were emerged. Phylogenetic analysis of species on biological groups could compensate for the limitations of classical classification. The matrilineal genetic of chloroplast is relatively conservative, and it has significant differences at molecular level. Chloroplast is iconic green plant organelles, and the chloroplast genome is commonly used in phylogenetic analysis. In this study, phylip software was used for the sequence alignment on 760bp of genes atpB and rbcL of 21species of the Magnolia chloroplast, which were downloaded from the International Nucleotide Sequence Databank. The neighbor-Joining method was used for molecular and phylogenetic analysis and reconstruction of a phylogenetic tree，and the genetic relationships in phyletic evolution among Magnolia denudate, Magnolia stellata, Magnolia acumirata, Section macrophylla, and Magnolia coco were gotted. It could lay the foundation for phylogenetic study on Magnolia.

Magnolia; chloroplast genes; phylogeny

2014-06-28

趙晶華(1984- )，女，吉林長春人，長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院實習(xí)研究員，從事分子生物學(xué)研究。

盛彥敏(1964- )，女，吉林洮南人，教授，博士，從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究。

Q949.747

A

2095-7602(2014)06-0071-04