（植物学专业论文）菝葜属草本菝葜组的系统进化研究.pdf

? 菝葜属草本菝葜组的系统进化研究 摘要 f 菝葜科，属于百合超目，目前一般认为有三个属：菝葜属、肖菝葜属和类菝葜属。菝葜属内可 分成菝葜组、土茯苓组、圆锥菝葜组和穗菝葜组。草本菝葜一般归入菝葜组。但也有学者将草本种 单独划为一组即草本菝葜组( s e c t c o r p r o s m a n t h u st o r r e y ) 。，一r 一 本研究对分布于东亚和北美的草本菝葜组的1 0 个种，通过叶形态学性状和分子系统学的分析， 对该类群进行从宏观到微观的系统研究。在叶形态性状研究基础上，用p c r 产物直接测序法，分析 草本菝葜及相关类群的叶绿体r p l1 6 内含子序列和核i t s 序列；对东亚和北美2 5 个草本菝葜居群 的材料进行了基于r a p d 的d n a 指纹研究，探讨了草本菝葜组各种的种间关系、东亚与北美草本 菝葜的种间亲缘关系及系统发育以及草本菝葜和木本菝葜之间系统发育关系。倍果如下： 1 ) 在叶形态性状分析中，对牛尾菜5 个居群、白背牛尾菜4 个居群和北美sh e r b a c e a 的1 个 居群进行了5 个性状( 叶宽叶长、叶柄叶长、叶最宽位至叶基的距离叶长、叶尖角度、叶基角度) 变异分析，发现牛尾菜、白背牛尾菜和sh e r b a c e a 在叶宽叶长、叶柄叶长两个性状上基本可以区 分，种间分化已较明显和稳定。 2 ) 在r a p d 分析中，发现东亚和北美的2 5 个居群明显按地理分布区域分为两支，一支为东亚 的草本菝葜种，另一支为北美的草本菝葜种，说明东亚和北美的草本菝葜在d n a 水平的变异已积 累到分化明显的程度。东亚居群按不同的种聚为两支：牛尾菜和白背牛尾菜，两个种的分化在分子 水平已经很明显。 3 ) 在r p l1 6 内含子序列分析中，发现草本菝葜单独聚为一个分支，支持草本菝葜独立成组的 观点，并认为草本种是一个衍生的类群。但从单个的r p l1 6 内含子序列来看，牛尾菜和白背牛尾菜 虽然已有分化但种间的差异小于种下居群之间的差异，在这个内含子的序列上这2 个种尚不能完 全分开； 4 ) 在云南南部发现的一个具木质茎的类似草本牛尾菜的居群，是一个新种；在r p l1 6 分子系 统树中表现与草本种有明显的分化，而与长筒肖菝葜较近缘，可能是草本菝葜的祖先类型。、 ，r 关键词：草本菝葜，分子系统学，r p l1 6 ，r a p d 致谢 三年的求学就要结束，论文已经完成，我首先要感谢的是我的导师傅承新教授对 我三年来的悉心指导。 三年前我对植物学专业还了解很少，正是在三年的求学中，导师对我进行了从理 论到科研实践的指导，使我从不知到有所知：导师在论文选题、野外实验材料收集、 实验和论文撰写过程中，更是仔细耐心，严格把关。 复旦大学生物多样性研究所的钟扬教授为我的数据处理提供了极大的帮助，亲自 教授我使用系统发育分析的相关软件，使我受益匪浅，感怀至深。 我还要感谢植物教研室的丁炳扬、黄爱军、蒋金火、刘洪家、姜维梅老师对我在 学习上的帮助和指导。 感谢我的师兄邱英雄博士和倪士峰博士，在论文撰写过程中，对我遇到的问题提 出了很多宝贵的建议，使得论文顺利完成。还要感谢我的师弟李忠超和周新闻硕士， 尤其是在野外采集实验材料方面对我的帮助 易可可老师，夏铭博后，王小兵硕士在我的实验过程中提供了很多的指导和帮助， 尤其是易可可老师为我还提供了多个数据分析的软件，使我顺利完成数据的处理，非 常感谢他的帮助。 最后我要感谢我的爱人对我求学一如既往的支持，感谢我的爸爸妈妈和姐姐给我 的无私的爱，使我在实验最困难的时候坚持下来，真诚地说一句谢谢你们! 李敏 2 0 0 1 年6 月3 日 杭州 圣， l，鼍 ? 、 l h u百 近年来分子系统学的兴起，为植物系统学家提供了丰富的分子数据用于系统学研究，成为植物 系统进化研究的新生长点。应用分子系统学研究的手段和方法，对植物系统进化研究中存在的问题 进行深入研究，在理论和方法上都具有可行性。本研究采用d n a 指纹技术和直接测序的方法，选 取东亚和北美的草本菝葜进行深入研究，以探讨菝葜属草本菝葜组的系统地位及种间种内关系。 1 1 菝葜科概况 菝葜科( s m i l a e a c e a ) ，属于百合超目，目前一股认为有三个属：菝葜属( s m i l a xl ) 、肖菝葜 ) 霞( h e t e r o s m i l a xk u n t h ) ；和类菝葜j 尾( r i p o g o n u mj r e tg f o r s t ) 。到1 9 9 8 年为止，全球约发表有效拉 丁种名约3 0 0 余种( 傅承新，1 9 9 6 ) 。中国有2 属，菝葜属和肖菝葜属。其中，菝葜属植物约7 9 种， 肖菝葜属植物约1 2 种。 菝葜属，多为木本，攀缘或近直立灌木，少数为草本。雌雄异株，常具短粗的根茎，茎和分枝 常有皮刺：叶互生，叶柄近基两侧常有窄翅，称为鞘。卷须发育或缺，叶片具3 7 主脉，花序为一 个单伞形或2 个到多个伞形花序排成总状、圆锥状或穗状，有时恰在花( 序) 梗基部具一个鳞片状 先出叶( 宿存芽鳞) ；雄花具六枚雄蕊；雌花具3 心皮3 室子房。据研究菝葜属约有1 8 0 余种，广 布全球的热带和亚热带区域，中国主产于江南和西南地区。 肖菝葜属，一个很接近菝葜属的小类群。攀缘藤本，雌雄异株茎和分枝常无皮刺。叶互生， 叶柄基部或近轴面基侧常有窄鞘。卷须常发育，叶片具5 - 9 主脉。花序为一个单伞形，生于叶腋， 常具多花。花序梗基部无先出叶，常压扁。花被片合生成管状或瓶状，顶端具有3 个齿状小裂片， 该性状是与菝葜属的最大区别。雄花具6 或3 枚雄蕊。雌花具3 心皮3 室的子房，退化雄蕊3 - 6 枚。 浆果球形，常具1 3 枚种子；共约1 2 种，分布东亚的热带和亚热带地区，我国产9 种( 陈心启，1 9 9 5 ) 。 类菝葜属，多年生藤本或攀缘状灌木，茎具皮刺或无，叶对生、互生或轮生，叶片全缘，具3 5 主脉，无托叶。花序腋生穗状或总状，或顶生圆锥状，花两性或单性；花被片6 ，排成两轮，雄 蕊6 枚，花药离生，子房3 室。共6 种，分布于澳洲大陆及附近岛屿。澳大利亚产5 种，其中4 种 为特有种。 按照中国植物志( 汪发瓒，唐进，1 9 7 8 ) ，菝葜属内可分成四个组，菝葜组( s e c t c h i n a ) 、 土茯苓组( s e c t c o i l a n t h u sa d c ) 、圆锥菝葜组( s e c t m a c r a n t h u sk u n t h ) t l 穗菝葜组( s e c t a s p e r al ) ， 并将草本种归入菝葜组。但也有学者将革本种单独划为一组即草本菝葜组( s e c tc o r p r o s m a n t h u s t o r r e y ) ( m a r g l y , 1 9 6 8 ；k o y a m a 1 9 6 0 ) 。 2 1 草本菝葜组的研究状况及存在的问题 草本菝葜仅分布于东亚和北荚。形态性状变异很大，据i n d e xk e w e n s i s 统计，发表过的种名和 变种名多达7 0 余个。在东亚现认为有2 个草本种。陈心启等( 1 9 7 8 ) 承认中国有2 种2 变种：一 个为攀援的牛尾菜( s r i p a r i a ) ( 下含2 个变种) ，另一个为自背牛尾菜( sn i p p o n i c a ) ；但他在1 9 9 5 年英文版中又增加了一种s p o t t i n g e r i 。郊铉( 1 9 7 2 3 承认韩国有2 种：sn i p p o n i c a 和so l d h a m i ， 而n a k a i ( 1 9 7 5 ) 认为是量o l d h a m i 和h e r b a c e av a t n i p p o n i c a 。m a k i n o ( 1 9 7 9 ) 记录了日本有2 种： so l d h a m i 和sn i p p o n i c a ；o h w i ( 1 9 8 3 ) 在日本植物志中也承认2 个种：sr l i p p o n i c a 和sr i p a r i a ( 将 p so l d h 日m i 作为旦r i p a r i a 的变种处理) 。然而，历史上的异名曾多达3 0 余个，并且历史上常常将东 的草本种作为北美的sh e r b a c e a 的变种。 在北美，草本种记载有3 9 种，s c o g g a n ( 1 9 7 9 ) ，b r i t o n ( 1 8 9 6 ) 和g l e a s o n ( 1 9 7 4 ) 只承认3 种最 h e r b a c e a sp s e u d o c h i n a ( 或称st a m n i f o 妇) 和se c i r r h a t a ；w a l l a c e ( 1 9 7 9 ) 发表了一新种：sj a m e s i i ， 并承认5 个种( 上述4 种外加s p u l v e r u l e n t a ) ；s m a l l 在他的美国东南部植物志中承认有8 种；p e n n e l l 承认有9 种；而f e m a l d 和g l e a s o n 认为只有3 个草本种和2 个变种；m a n g a l y ( 1 9 6 8 ) 对北美草 本菝葜作了系统的研究，并承认8 个种：矗h e r b a c e a ，s p s e u d o c h i n a ，s p u l v e r u l e n t a ，工l a s i o n e u r o n ，s e c i r r h a t o sh u g e r i ，sb i l t m o r e a n a 和si l l n o e n s i s 。同样北美的草本菝葜在历史上的异名也多达3 0 多 个，并且上述北美的一些种也常常作为sh e r b a c e a 的变种。 本研究采用的是中国植物志( 1 9 7 8 ) 和m a n g a l y ( 1 9 6 8 ) 的研究结果，即草本菝葜组含2 个类型1 0 个种，即s p s e u d o c h i n a , s p u l v e r u l e n t a , x l a s i o n e u r o n ，s e c i r r h a t a , s h u g e r ls b i l t m o r e a n a , x i l l n o e s i s ， x r i p a r i a s n i p p o n i c a ，x h e r b a c e a 。 关于菝葜属及草本菝葜组的分类学地位，历史上曾经几次变动s m i l a x 早期被置于百合科 ( e n g l e r , 1 8 9 2 ) ，k r a u s e ( 1 9 3 0 ) 将其上升为亚科s m i a c o i d e a ，后来h u t c h i n s o n ( 1 9 7 3 ) 将其从百合科中分 出，单立一科s m i l a c a e a e 。r a f i n e s q u e 又将菝葜属中的草本种分出一个单独的属n e m e x i a ，其理由是 草本种茎无刺和雌性花中有退化雌蕊，后来t o r i _ y 将草本种又归于s m i l a x 中的一个新组s e c t c o p r o s m a n t h u s 。在此之后k u n t h 曾把s e c t c o p r o s m a n t h u s 这个组提升为属的水平，成立了一个新属， 但大部分的分类学家都倾向于仍将草本菝葜划在s m i l a x 属的s e c t c o p r o s m a n t h u s 组中。n e m e x i a 现已作为s m i l a x 的异名，但这个名称仍有使用，如s m a l l 在他的美国东南部植物志( f l o r ao ft h e s o u t h e a s t e mu n i t e ds t a t e s ) 中仍使用了此名称( m a n g a l y , 1 9 6 8 ) 。 1 2 1 草本菝葜的形态性状研究 东亚的两个草本种的形态学研究仅限于形态性状的观察和描述，即对其根、茎、叶、花和果实 的描述，可见于中国、日本和朝鲜的植物志。 1 ) 白背牛尾菜( sn i p p o n i c am i q ) 据中国植物志( 1 9 8 3 ) 记载，直立或稍攀援，有根状茎，中空，有少量髓，干后凹瘪而具槽， 无刺。叶卵形至矩圆形，长4 2 0 厘米，宽2 1 4 厘米，先端渐尖，基部浅心形至近圆形，下面苍 白色且通常具粉尘状微柔毛，很少无毛：叶柄长1 5 4 5 厘米，脱落点位于上部，如有卷须则位于 基部至中部。伞形花序通常有几十朵花；总花梗长3 9 疆米，稍扁，有时很粗壮：花序托膨大， 小苞片极小，早落；花绿黄色或白色，盛开时花被片外折；花被片长约4 毫米，内外轮相似：雄蕊 的花丝明显长于花药，雌花与雄花大小相似，具6 枚退化雄蕊。浆果直径6 7 毫米，熟时黑色， 有白色粉霜。花期4 5 月，果期9 1 0 月。2 n = 3 2 。 2 ) 牛尾菜假r i p a r i a a d c ) 牛尾菜在中国又称草菝葜、自须公、软叶菝葜，和白背牛尾菜很相似。革质藤本，中空，有 少量髓，干后凹瘪并具髓。叶厚于白背牛尾菜，形状变化较大，长7 1 5 厘米，宽25 1 【厘米， 下面绿色，无毛；叶柄长7 2 0 毫米，通常在中部以下有卷须。伞形花序总花梗较纤细，长3 5 2 厘米；小苞片睦i 2 毫米，在花期一般不落；雌花比雄花略小，不具或具钻形退化雄蕊。浆果直 径7 9 毫米。花期6 7 月，果期1 0 月。2 n = 3 0 。 在中国，牛尾菜有两个变种：尖叶牛尾菜( sr i p a r i a v a ra c u m i n a t a c hw r i g h t ) h 毛牛尾菜( s r i p a r i av a r p u b e s c e n sch w r i g h t ) 。 尖叶牛尾菜叶下面，特别是脉上具乳突状微柔毛，通常叶的先端渐尖或近尾状；雌花具6 枚 钻形退化雄蕊。毛牛尾菜植株全部具短柔毛。 3 ) 纤柄菝葜( 且p o t t i n g e r i p r a i n ) 草本，攀缘，茎平滑坚硬近木质，叶柄长2 5 厘米，有卷须。叶质地为草质或纸质，叶卵圆 形至阔卵形，背面苍白色，有白色背毛，5 7 条主脉。伞形花序，单生，具4 0 7 0 朵花，花梗长 3 6 厘米，花被片长4 5 毫米长，宽1 1 5 毫米。雄蕊短于花被片。雌花未见。 m a n g a l y ( 1 9 6 8 ) 对生长于北美的草本种的形态性状进行了较为详尽的研究，将北美草本种分为 两大类：一类以sh e r b a c e a 为代表的攀缘型，一类以se c i r r h a t a 为代表的近直立型，共8 个种。由 于北美草本种分布地区的气候和生态条件变化很大，植物的形态性状差异大，因此在将形态性状用 于分类时引起很多的困难，尤其是在对j s h e r b a c e al 的研究时，分类学家发现即使在同一植株上 花序梗和叶片的相对长度变化都很大，而且在不同生长时期的植株的叶形变化也很大，因此在对这 8 种草本菝葜根据形态性状进行分类时，依据的是对所有的形态性状的综合分析。 4 ) rh e r b a c e a l 攀援有分枝。茎下部的叶片较小，上部的叶片较大( 幼小的植株下部的叶片较大) 。叶椭圆或 圆形，基部心形，表面光滑，下面苍白色且有白霜。茎顶端叶尖长( 或短) 渐尖，分枝顶端叶尖急 尖。单一伞形花序，腋生，下部花梗长3 0 厘米左右，往上部花梗渐短。花被片长3 5 4 5 毫米， 宽1 2 2 毫米，花药长1 1 5 毫米，短于花丝，花柱宽舌状。果实直径约1 厘米，近球形，3 6 枚棕色的种子。2 n = 2 6 。 5 ) 工l a s i o n e u r o nh o o k 攀援有分枝，长于茎下部的叶片窄小，上部的叶片较大，叶柄短，叶椭圆或圆形，基部心形， 下面具柔毛，叶尖渐尖至急尖。幼小的植株下部的叶片较大。单一伞形花序，腋生，花梗较短。伞 形花序项生，花被片长3 5 4 5 毫米，宽1 5 1 7 5 毫米，花药长1 5 2 毫米，通常等长于或长于 花丝。浆果近球形，深兰色，有白霜，3 5 枚种子。2 n = 2 6 。 6 ) s p u l v e r u l e n t am i c h x 攀援有分枝，长于茎下部的叶片窄小，上部的叶片较大，长8 1 6 厘米，幼小的植株下部的叶 片最大，叶柄长。分枝上的叶片很小，长椭圆形，顶端急尖。叶片长心形，边缘凸出，下表面深绿 色，有柔毛，大多着生于叶脉上，叶尖长渐尖。单一伞形花序，花序梗等长或长于苞叶，花被片长 3 5 5 毫米，宽1 5 毫米，花药长1 15 毫米，通常短于花丝。近球形浆果，直径8 1 0 毫米，3 5 枚种子。2 n = 2 6 。 7 ) s p s e u d o c h i n al 攀援偶有分枝，k 于茎下部的叶片窄小，大部分的叶基部有卷须，叶多数，长5 1 2 厘米，薄 3 而光滑，背面有柔毛，较大的叶子呈矛状，边缘凸出，基部截形或亚心形，叶尖圆形或急失，三出 脉，单花序梗或三个花序梗腋生，如果三个花序梗从同一个叶腋生出，中间的一个是最大的，且花 的数目是最多的，约有1 0 3 0 朵花着生于一个花轴。被片长椭圆形或卵圆形，跃1 5 - - 2 5 毫米。 宽1 毫米；花药长o 5 1 毫米，等长或稍长于花丝；花柱长舌形：近球形浆果，具柔毛，直径4 6 毫米，黑色，1 3 枚种子。2 n = 3 0 。 8 ) 旦i l l n o e n s i sm a n g a l y 直立极少有卷须，如果有则生于顶端，很少有分枝，叶多数，花期叶薄，生于茎下部的叶片大， 向上逐渐变小，叶柄长，叶片窄卵圆形，叶下有柔毛，边缘凸出，基部卵圆形至截形，叶尖急尖至 渐尖，单一伞形花序，腋生，花轴顶端着生1 0 5 0 朵花。花被片长3 5 4 5 毫米，宽1 5 2 0 毫 米。花药长1 2 1 5 毫米，通常短于花丝。球形浆果，3 5 枚种子。2 n = 2 6 。 9 ) & e c i r r h a t as w a t s o n 直立，很少或无卷须，下部有较长的节间，茎下的三分之一或二分之一处有脱去叶片的苞叶， 叶片均匀生长于茎的上部，向上逐渐变小，叶柄短于叶片，叶片宽卵圆形、近圆形或心形，下有柔 毛( 并不主要着生于叶脉上) ，叶片薄，叶基截形至心形，边缘凸出，叶尖圆形、尖形至急尖，单 花序梗或三个花序梗腋生于较下部的苞叶，较少的伞形花序。被片长3 5 4 毫米，宽1 5 毫米，花 药1 2 1 5 毫米，约等长于花丝。球形浆果，紫黑色，3 5 枚种子。2 n = 2 6 。 1 0 ) s h u g r n ( s m a l l b j b n o r t o n p e n n e l l 直立，通常无卷须，或很少且退化。叶很少，几乎全都分布于茎尖，或均匀分布，大小基本 相同，长椭圆形或卵圆形，长8 1 2 厘米，下面有柔毛，基部卵圆形或心形，叶尖阔圆形或急尖。 伞形花序，花少。花被片长椭圆形，长3 3 5 毫米，宽1 2 5 1 5 毫米。花药长i 1 5 毫米，短于 花丝。球形浆果，直径8 1 0 毫米，2 3 枚种子。2 n = 2 6 。 1 1 ) s b i l t m o r e a n a ( s m a l l 、j b n o r t o ne xp e n n e l l 直立，无卷须。叶很少，几乎全位于茎尖，卵圆形，长6 1 2 厘米，下面有白霜和柔毛，在 花期时叶也厚，基部心形，叶尖急尖至渐尖。花少。雄花的被片卵圆形至长椭圆形，长2 5 35 毫 米，宽1 2 5 1 5 毫米。花药长1 5 毫米，长于花丝。球形浆果，2 3 枚种子。2 n = 2 6 。 另外，n e i l ( 1 9 9 8 ) 对sh e r b a c e a 的胚胎发育做了研究。傅承新徐淑英等( 1 9 9 8 ，待发表) 对草 本菝葜的叶表皮细胞做了研究。 1 2 2 草本菝葜的孢粉学研究 菝葜科花粉多为近球形，少为长球形；花粉粒较小，变异幅度不大，直径约在1 2 2 3 微米，一 般为1 6 1 9 微米。多无萌发孔。 倪士峰( 1 9 9 9 ，待发表) 对草本菝葜中的牛尾菜、白背牛尾菜及北美的h e r b a c e a 做了花粉电镜 扫描观察，结果显示h e r b a c e a 花粉在大小、形状、表皮纹饰等方面与东亚产的牛尾菜相似，并 推测他们之间有一定的亲缘关系。 m a n g a l y ( 1 9 6 8 ) 对北美的7 个草本种进行了花粉观察，认为花粉的形态特点在这8 个种间是 一致的，花粉外璧有刺，刺长约l 一2 微米，无孔。花粉的大小从1 6 8 微米至3 2 2 微米，最p s e u d o 4 c h i n a 的花粉最小，平均值为2 3 0 微米，se c i r r h a t a 的花粉最大，平均值为2 6 2 4 微米。 m a n a g l y ( 1 9 6 8 ) 对7 种北美草本种进行了花粉大小的测量。每一个种选择5 个植株，每个植 株选择5 0 粒花粉，总共测量了2 0 0 0 粒花粉，得出了每种草本的花粉平均大小。结果见表1 ： 表1 草本菝葜花粉大小比较 种名( s p e c i e sn a m e )花粉真径( d i a m e t e r ) ( um ) ， sh e r b a c e a2 47 5 sp u l v e r u l e n t a2 4 4 7 s a s i o n e u r o n2 4 4 8 si h i n o e n s i s2 5 5 se c i r r h a t a2 62 4 s h u g e r i 2 4 4 p s e u d o c h m a 2 30 r i p a r a +1 5 5 sn i p p o n i c a +1 6 0 5 数据来自倪士峰论文( 1 9 9 9 ，待发表) 1 2 3 草本菝葜的细胞学研究 菝葜科的细胞学研究始于1 9 1 4 年，e l k i n s 报导了对最h e r c a c e a 染色体研究结果n = 1 3 ，是草本 菝葜细胞学研究的开端( n a k a j i m a ，1 9 3 7 ) 。 对东亚草本菝葜的细胞学研究始于9 0 年代，傅承新( 1 9 9 0 ，1 9 9 3 ，1 9 9 5 a ，1 9 9 5 b ，1 9 9 6 ，2 0 0 1 待 发表) 对产于中国和日本的sr i p a r i a 和n i p p o n i c a 进行了体细胞染色体核型的深入研究，报道了 采自辽宁风凰山和浙江四明山的sn i p p o n i c a 有3 2 条染色体，辽宁、浙江天目山和广西龙胜的 r i p a r i a 均为3 0 条染色体，产于日本的sn i p p o n i c a 也有3 2 条染色体。 m a n g a l y 对产于北美的草本菝葜8 个种进行了体细胞的染色体数目研究。发现除矗p s e u d o c h i n a 外的7 个种体细胞的染色体数目都是2 6 条，而最p s e u d o c h i n a 的染色体数目为3 0 条。他还对这几 个种的体细胞进行了染色体核型分析，发现同一种内染色体表现出大小和形态方面的较大的差异， 最长的染色体长6 微米，最小的染色体长约2 微米，所有的北美草本种体细胞的染色体都是近端着 丝点的。 m a n g a l y 同时还对北美革本菝葜的性细胞的染色体行为进行了研究。m a n g a l y 对几个草本种小 孢子母细胞减数分裂时的染色体联会进行了观察后，发现存在一对大小不等的联会染色体，认为该 种植株的性染色体可能属x y 型。但这种异形的联会染色体只在4 个种中观察到，在其他的几个种 中没有观察到，因此尚不能得出肯定的结论，这个问题仍有待于研究。 尽管这1 0 个草本种的体细胞染色体数目都已经清楚傅承新( 1 9 9 6 ) 对这些资料也进行了综 合分析，但单纯凭借这一方面的资料，尚难以解决草本种的起源、演化等的根本问题。 1 2 4 草本菝葜的起源和进化的研究 综合古生物学和比较形态学的研究，m a n g a t y ( 1 9 6 8 ) 对草本菝葜的起源中心和进化路线进行 了推测。古生物学和比较形态学的资料支持草本和木本菝葜的起源中心为东亚的喜马拉雅山以东地 区。认为在东亚，广布于中国、日本和朝鲜的s ，枷口r 胁可能是草本菝葜的原始类型，其他的几个 草本种都是由此种进化而来。j b n o o n ( 1 9 1 6 ) 曾提出菝葜属从亚洲向北美的迁移路线，认为菝 葜属中草本种的原始类型沿sh i s p i d a 的迁移路线向东迁移，曾于晚中新纪和早上新纪在加利佛尼 亚州地区生长繁衍。关于这些问题的说法和这个类群的进一步迁移及分化还都只是推测，有关的化 石资料还不完全。 m a n g a l y ( 1 9 6 8 ) 通过形态、细胞、地理分布特点对草本菝葜的演化撒了推测。认为草本种在 北美早期分化出了两支，一支是sh e r b a c e a 的原始类型，另一支是se c i r r h a t a 的原始类型，并对 这两支的分化作了推测。 在中新纪和上新纪的植物营养体的化石资料显示：d n s u 佛尼亚洲在中新纪和上新纪的气候相 对干旱和炎热，夏季的降雨量在1 5 1 7 英寸：化石资料的植株营养体和现在的营养体很相象。然 而在早上新纪，该地区的气候与北美东部和东亚的现在的气候相似，夏季降雨量为2 5 3 0 英寸， 这样的一种气候是很适宜于菝葜属植物生长的。 在中上新纪，当气候逐渐变得干燥和炎热，有可能发生进一步的向东迁移。同时，堪萨斯洲 西部和内布拉斯加洲发现的化石资料显示中上新纪是化石类型及其丰富和多样的时期，在此时期地 壳运动强烈而且频繁，气候长时期不断变化，这些因素可能导致了该类群的分化和演变。 关于该类群分化出最h e r b a c e a 和矗e c i r r h a t a 的过程是在亚洲还是在北美完成的，目前还没有 搞清。但在晚上新纪，堪萨斯洲和内布拉斯加洲已经有分化出的sh e r b a e e a ，也许就在这个时期或 在这个时期之前，sh e r b a c e a 已经分化出了一个分支，直至产生了p u l v e r u l e n t a 这一新种，矗 p u l v e r u l e n t a 进一步向东向北迁移，一直到达大西洋海岸。 & h e r b a c e a 原始类型的一个分支也继续向东迁移，不久又发生分化，一支向北迁移进入加拿 大，形成新种置l a s i o n e u r o n 。另一支到达b l u er i d g em o u n t a i n s 地区，并沿阿巴拉契亚山脉向东进 入加拿大，形成现在的h e r b a c e a 。 关于sp s e u d o c h i n a 的起源，由于它与& h e r b a c e a 的形态的相似性及染色体数目较多的缘故， 推测它可能是矗h e r b a c e a 和其他的菝契属植物的种间杂交体。 该类群的另一大主要分支，即矗e c i r r h a t a 的原始类型，首先分成两个类群，一支向北，与s l a s i o n e u r o n 的迁移方向相同，在更新纪进入美国中部平原的北部形成se c i r r h a t a 它和s l a s i o n e u r o n 的杂交曾很频繁，在五大湖地区合适的栖息地，杂交体形成了新种si l l i n o e n s i s 。另一 分支向东进入得克萨斯州和旨塔基州，慢慢分成两支，一支沿得克萨斯州、肯塔基州、卡罗来纳 州和佐治亚州的山区迁移，形成矗b i l t m o r e a n a ；另一支继续向东迁移，进入卡罗来纳州，进化成s h u g e r i 。 由此可见草本菝葜的系统学研究虽然有了一些研究如m a n g a l y 关于北美草本菝葜的进化路 线的推测，但与东草本菝葜的关系如何仍缺乏充足的实验证据的支持，仍存在下列问题： n 北美草本菝葜和东亚草本菝葜的关系； 2 ) 草本菝葜的种间界限： 6 3 1 北美8 个草本菝葜种的划分是否合理： 4 ) 东距的两个草本菝葜种是否存在过渡类型： 5 ) 草本菝葜的祖先是哪个类群? 起源时间、地点、演化途径； 6 ) 草本菝葜和木本菝葜的关系； 7 1 草本菝葜在菝葜属中的系统地位。 对这些问题的澄清将有助于揭示其物种形成的过程和机制，有助于草本菝葜组和菝葜属内发育 系统的建立，也能为东亚北美分布类型植物的进化模式提供丰富的证据，为植物系统和进化研究提 供有意义的资料。 1 3 系统进化的理论和方法研究及其进展 1 3 1 系统进化植物学研究方法的发展 系统与进化植物学是在植物分类学的基础上发展起来的，植物分类学主要以林奈的工作为起 点，早期的分类学家主要利用形态和解剖资料以及地理分布知识进行分类，方法只限于描述、比较 和绘图等。1 8 6 9 年，达尔文进化论提出后，分类学家在鉴别种类的同时，开始研究植物问的相互 关系和演化规律，形成了植物系统分类学。随着各分支学科的发展，分类学与其他学科如解剖学、 胚胎学、细胞学、古植物学、遗传学、生态学等分支学科的联系越来越密切，并分化出比较解剖学、 比较胚胎学和细胞分类学等。二十世纪以来，植物分类学进一步向实验科学发展，出现了化学分类 学、孢粉学、数量分类学等，常称为实验分类学( e x p e r i m e n t a lt a x o n o m y ) 和物种生物学 ( b i o s y s t e m a t i c s ) 。 6 0 年代初，z u c k e r a n d l 和p a u l i n g 提出可以记载进化历史的构想和“分子钟”的概念，即以年 计时的氨基酸( 或核苷酸) 替换率保持恒定，从而开始了利用分子进行系统与进化研究；同时利用 同工酶和细胞色素c 等蛋白质分子结构为依托的生化方法也得到了发展。到了7 0 年代，酶电泳技 术开始应用于植物系统发育的研究。8 0 年代以来，人们开始了以核酸序列分析为基础的探索植物 系统亲缘关系的研究，即分子系统学( m o l e c u l a rs y s t e m a t i c s ) 。植物分类学已从单一的、以形态描 述为主的经典分类学发展到了当代多学科和方法综合的系统进化植物学。 h e n n i g ( 1 9 6 0 ) 提出分支分析的理论和方法，为系统与进化研究提供了新的思维方式：分子生物 学技术的发展，如植物材料的保存、核酸提取和标记技术的改进和完善、p c r 技术的问世等等，产 生大量有意义的性状用于重建系统关系；计算机技术的发展和大量分析方法及软件的应用，使得利 用大量原始性状数据来研究系统进化成为可能。上述多方面的技术和工具在植物分类及系统学领域 的应用和发展，促成了植物分类与系统学领域的革命，形成了新的边缘学科，即植物分子系统学。 狭义的植物分子系统学是以核酸( 尤其是d n a ) 分析为手段，探讨系统发育。 近几年以来，分子系统学成为系统与进化植物学研究的最大热点，纵观与植物系统学有关的 重要国际刊物，用分子系统学探讨系统发育的论文近几年来成倍增长。随着p c r 技术的不断应用 和测序技术的成熟，d n a 序列正以人们难以想象的速度积累起来，不断地增进人们对于现存植物 类群问系统发育关系的认识。分子生物学、细胞学、发育生理学、形态解剖学、化学分类学、比较 基因组学等等不同层次的综合研究将共同影响着这一学科的发展。对于植物系统分类学而言，追求 7 套 接近自然真实的演化系统的目标已找到r 可能的途径。 1 3 2 形态性状研究的重要性 形态性状是一切系统学研究工作必不可少的步骤，也是进一步深入研究的基础，在分子系统学 成为主要系统学研究手段的今天，更不应该忽略形态性状的研究。 分子系统学早期的一些支持者指出分子资料比形态资料更能正确地反映系统发育关系，因为 分子资料反映了基因水平的变化，比形态特征更不易受趋同和平行进化的影响。这些早期的看法现 在看来是错误的，因为分子资料和形态资料遇到的问题是一样的。j u d d ( 1 9 9 9 ) 认为，分子资料和形 态资料的最大的区别只是系统学家可以容易地获得更多的分子资料，并且对这些分子性状的解释更 容易一些，一个腺嘌呤就是一个腺嘌呤，而对于形态性状来说，受环境影响很大，如复叶在不同的 植物中有不同的形式。所以，分子资料现在被广泛地用来进行系统发育关系的研究。 在强调分子资料的重要性的同时，尤其是众多的实验室和系统学家把研究的方向转向分子系 统学的研究方法时，形态性状应该在系统研究中置于怎样的位置成为许多系统学家考虑的问题，分 子系统学研究方法作为一种研究系统学问题的手段是否可行，并引起了许多激烈的争论。争论的焦 点之一就是：分子数据与形态数据的相对价值问题，究竟是分子性状还是形态性状是评估系统发生 的更好的信息来源。研究表明形态变化与分子趋异是彼此独立的，反映了不同的进化压力和随后的 不同规则。系统学家真正关心的是所检测的性状表现的变异是否能阐明提出的问题，是否这些性状 有清楚和独立的遗传基础，是否以这种方式收集的数据有可能比较和综合，以及从中衍生出系统发 育假说。所以应该重视实践与积累，强调两者之间的协同性，丽不是矛盾性。 形态学研究在分子系统数据日益积累的今天，作为植物系统学本身的一个重要组成部分，更 应该放在基础性工作的重要地位。很明显系统学研究问题的提出、研究居群的采集、研究结果对实 践问题的指导都依赖于形态性状的掌握和收集。 1 3 3 利用生物大分子进行系统进化研究的特点和意义 2 0 世纪8 0 年代中期以来，应用日新月异的分子生物学技术直接或间接地检测生物大分子的 一级结构，在基因组上寻找多态位点，用以揭示个体问或居群阃的遗传变异或评估种问的亲缘关系， 已成为系统进化植物学的一种常规研究手段( 汪小全等，1 9 9 8 ) 。 1 3 3 1 关于分子标记 在植物系统学研究中，每个能反映遗传变异、能提供系统学信息的多态位点称为一个分子标 记。目前分子标记可以分为以下几种：( 1 ) 蛋白质标记在蛋白质多态性基础上发展的分子标记称 为蛋白质标记，最常用的技术是蛋白质电泳及与其配套的专一性染色，例如等位酶分析。( 2 ) d n a 序列分析在d n a 一级结构水平上检测多态性晟直接的方法是进行d n a 的序列分析，即采用某 种策略测定核甘酸在基因组d n a 特定区域的排列顺序。序列分析可提供高度重复的、信息丰富的 数据，适合于中等和高层次分类群的系统学研究，近年来用于居群水平的研究也逐渐增加。( 3 ) d n a 指纹分析早期的d n a 指纹分析是建立在杂交基础上的。2 0 世纪9 0 年代以后由于p c r 技术的广 泛应用，d n a 指纹不仅局限于杂交的方法，许多新的策略相应产生，基于p c r 的r f l p 、r a p d 、 s s r 、a f l p 等新的d n a 指纹技术层出不穷。如今这些在p c r 基础上发展起来的检测d n a 多态性 8 的分子标记技术也称为d n a 指纹技术。这些技术都是在一级结构的基础上对d n a 片段的序列进 行间接分析( 相对于d n a 序列分析而言) 的常用而有效的手段。 1 3 3 2 核酸序列分拆 在植物分子系统学众多的分析手段中，核酸序列分析备受青睐，成为广泛应用的工具。核酸 序列测定相对较快，方便，能够获得大量不连续性状，远远超出可利用的营养性状和生殖性状，可 比性强，可通过g e n e b a n k 比较不同的序列，同时在系统发育分析中许多类群的序列差异太大以至 不宜用限制性位点图谱来解释，随着d n a 片段扩增和测序的日益简化，用于系统分析的软件和方 法的不断完善，大大提高了重建系统发育过程的可能性核酸序列分析在系统与进化植物学研究中 将会得到越来越广泛的应用。 用于植物分子系统学研究的基因主要来自叶绿体基因组和核基因组( 汪小全等，1 9 9 8 ) 。线粒 体基因组重排事件过于频繁，在动物系统学研究中使用较多，而在植物系统学研究中较少用到。 叶绿体基因组大多数叶绿体基因组具有相似的结构，为环状双链分子，有两个反向熏复序 列，反向重复序列内为r r n a 基因，重复区内的基因完全相同但序列相反，因此有两套r r n a 基因， 两个重复区之间有个大的单拷贝区和一个小的单拷贝区，在重复区存在突变热点( 见图1 ) 。 叶绿体基因组比较适合分子系统学研究还在以下几个方面：叶绿体d n a 在植物总d n a 中含 量较丰富，易于提取和分析；对叶绿体遗传背景了解较多，资料较全面：叶绿体基因无论在序列还 是结构上都相当保守，因而保证了类群间的可比性，也促使人们去设计通用引物。这些引物可以用 于扩增大部分陆生植物两个编码序列之间的非编码区( t a b e r l e r , 1 9 9 1 ) ，然后将这些扩增产物分析以 检测不同层次分类群的多态信息；叶绿体基因组不受网状进化的影响，进化历史相对容易分析，构 建系统树比较容易，其中r b c l 、m a t k 和n d h f 运用十分广泛。 近年来，c p d n a 的非编码区( 内含子和基因间的间隔区) 越来越多地应用到不同层次分类群 研究中( gc l a u s i n g ，2 0 0 1 ；s t e p h e n ，2 0 0 0 ；r a n d a l l ，1 9 9 8 ；a n d r e w , 1 9 9 8 0 ) c p d n a 的非编码区在较低的 分类群研究中更有价值，因为非编码区较少地受到功能上的约束，更加易于产生和积累变异，能提 供较多的系统发育信息( r a n d a l ll s m a l l a ，1 9 9 8 ) 。 本研究选用叶绿体r p l l 6 的内含子作为序列分析的d n a 片段之一( 见图1 ) 。 核基因组在目前所使用的核基因有核糖体r r n a 和乙醇脱氢酶基因。某些分子标记由于仅存 于某些生物类群中，应用上有一定的局限性。而r d n a 普遍存在于所有的生物细胞中，并且有相 似的结构和功能，是目前可用于所有生物比较分析的通用的分子指标( 汪小全，1 9 9 7 ；屈良鹄，1 9 9 9 ) 。 其中的i t s 区域是国际和国内目前采用最多的分子标记( 汪小全，1 9 9 8 ，1 9 9 8 ，2 0 0 0 ；刘健全，2 0 0 0 ： 张文驹，1 9 9 9 ；旃苏华，1 9 9 9 ；葛颂，1 9 9 7 ：李健华，1 9 9 7 ：顾京，1 9 9 4 ；r i c h a r d ，1 9 9 9 ，s u s a n n e ，1 9 9 9 ； w i m ，1 9 9 8 ；s t e p h e n ，1 9 9 8 ；d o w n i e ，1 9 9 8 ；p e t e r , 1 9 9 8 ；l a w e r e n c e ，1 9 9 8 ；e d w a r d ，1 9 9 8 ；a m y , 1 9 9 8 ； j a v i e r , 1 9 9 7 ；b r u c e ，1 9 9 5 ) 。 i t s 存在于高度重复的r d n a 转录区和非转录区组成的重复单位中。在转录单位中1 8 s 、5 8 s 和2 6 s 基因之间有2 个内转录间隔区 t s l 、i t s 2 ( 见图2 ) ( 王建波，1 9 9 9 ) 。 i t s 在裸子植物中的变异十分复杂，仅i t s 2 区的长度变异可相差几k b ，i t s 的长度特异性可 9 图1 r p l1 6 在叶绿体基因组中的位置、结构及引物位置 p 1 5 6 3 f i g 1 t h e p r i m e r sl o c a t i o na n d s t r u c t u r eo f r p l1 6i nc h l o r o p l a s tg e n o m e 一d 2 图2l i s 的结构示意图 f i g 2 t h es t r u c t u r eo fi t s _ 一 p 4 1 0 作为裸子植物的一个分子标记，但难以利用其序列特点进行研究( 黄原1 9 9 8 ) 。i t s 更多地被用 于被子植物系统学研究中，其广泛使用的原因有以下几点：( 1 ) 加工信息i t s 区不加入成熟的 r r n a ，但至少部分地对r r n a 的成熟起作用，酵母体内突变分析显示i t s l 区内部分序列的缺失对 成熟的小亚基和大亚基r r n a 的产生有抑制作用，i t s 2 区内缺失或点突变会阻止或减少大亚基r r n a 的加工。由此可见i t s 转录产物在r n a 成熟中的作用，这也说明i t s 区有一定的功能。( 2 ) 高变 异率且长度保守性在被子植物中，各生物类群间i t s 具有长度保守性和核苷酸序列的高度变异 性，即具有异质性，因而其序列很容易在近缘类群间排序，而且丰富的变异，可探讨被子植物在较 低的分类阶元的系统发育问题。( 3 ) 高度重复性在r d n a 多基因家族的成员中，i t s 是高度重 复的，全部r d n a 重复单位包括千万个拷贝以串联重复方式出现在一个或多个染色体基因位点上， 这样多的拷贝数有利于发现、扩增、克隆和测序。( 4 ) 种内均一性r d n a 虽然是一类多拷贝基 因，由于细胞中