（植物学专业论文）豚草属分子系统学研究.pdf

中文摘要 中文摘要 植物近缘物种系统发育和物种形成过程一直以来都是植物进化生物学研究 中最为基本的问题之一 是人们理解自然界物种多样性产生和变化的前提 近 缘物种间通常形态相似 遗传和分子水平的分化小 且常受到如杂交渐渗 谱 系分选 水平基因转移 基因复制后又丢失拷贝等微观进化事件的影响 导致 近缘物种间系统发育重建十分困难 例如变异显著的豚草属 a m b r o s i al 豚草属是一个包含4 2 个种的中型大小的属 在新大陆尤其是北美占有显著 优势 该属植物广泛分布于美国西南部沙漠地区以及邻近的墨西哥 近2 0 0 年来 迅速在世界范围蔓延 目前已在世界各地广泛分布 豚草属内较为原始的种是 适应沙漠及干旱地区的灌木 更多分化后形成的种为草本 通常是农耕杂草或 是滨海植物 本研究选取4 个d n a 片段 包括三个叶绿体基因片段 p s b m p e t d p s b 和t r n l t r n f 以及一个核基因片段 9 3 p d h 初步探讨了豚草属的系统发 育关系 同时在系统发育研究的基础上 进一步探讨了数据中空位性状的系统 学价值 系统发育研究中数据合并的意义 主要结果如下 l 豚草属的系统发育关系 结果显示豚草属内部可分为两个主要分支 第一分支包括a t r 圻d a a b i d e n t a t a a p u m i l a 以及a c h a m i s s o n i s 第二分支包括a p s i l o s t a c h y a a c o n f e r l i l l o r a a a r t e m i s i i f o 矗a 及a t o m e n t o s a 入侵我国的世界公认恶性杂草 普通豚草 彳 a r t e m i s i i f o l i a 及三裂叶豚草 彳 护圻d a 并没有很近的亲缘关系 普通豚草 彳 a r t e m i s i i f o l i a 与另一种世界公认恶性杂草一一多年生豚草 a p s i l o s t a c h y a 之间存在基因渗入现象 而三裂叶豚草 么 t r i f i d a 则与常 见的农业和环境危害性杂草 二裂叶豚草 彳 b i d e n t a t a 具有较近的亲缘关 系 2 数据中空位性状的系统学价值 核基因以及全部基因合并后以m p 法分析 将空位作为缺失处理时得到相同 的m p 树均为2 5 棵 当把空位作为有 无性状同序列数据一并分析时 m p 树分别从 2 5 棵降到4 棵以及5 棵 平均自展支持率有所上升 结果显示 利用空位信息所 中义摘要 得严格一致树的拓扑结构与将空位作为缺失处理时相似 空位性状的利用减少 了最大简约系统发育树的数目并提高了大多数分支的支持率 因此 我们认为 空位的合理利用将在已有序列信息基础上提供更多的系统发育信息 3 系统发育研究中数据合并的意义 叶绿体3 组数据合并后 不但分辨率较各个单基因树要明显提高 而且各 分支的支持率也明显增高 通过分析叶绿体基因合并树与核基因树之间的冲突 可以发现冲突来自普通豚草a a r t e m i s i i f o l i a 及多年生豚草a p s i l o s t a c h y a 之间的 基因渗入现象 如果将全部数据进行合并将会掩盖由渗入造成的不一致 数据 中的噪音在合并的数据矩阵中被真实的系统发育信息所掩盖 但是 如果将4 组数据强行合并 得到的系统发育树分别与叶绿体基因合并树 核基因树相比 较 发现具有冲突的分支支持率下降 因此 数据合并应考虑来自不同基因组 的基因进化历史上的差异 在此基础上的合并树 不仅提高了分辨率 而且排除 了个别特殊基因 d n a 片段的干扰 从而更能反映真正的系统发育关系 关键词 豚草属 核基因 叶绿体基因 系统发育 a b s t r a c t a b s t r a c t i n f e r r i n gp h y l o g e n ya n ds p e c i a t i o np r o c e s s e so fc l o s e l yr e l a t e ds p e c i e si so n eo f t h em o s tf u n d m a n t a lp r o b l e m si np l a n te v o l u t i o n a r yb i o l o g y a n du n d e r s t a n d i n g p h y l o g e n e t i cr e l a t i o n s h i p sa n ds p e c i a t i o np a t t e r n s i sap r e r e q u i s i t et oe x p l a i no r i g i n a n dv a r i a t i o no fs p e c i e sd i v e r s i t y i ti sg e n e r a l l yd i f f i c u l tt oe x p l o r ea c c u r a t e p h y l o g e n ya n ds p e c i a t i o no fc l o s e l yr e l a t e ds p e c i e s s u c ha sa m b r o s i al d u et o e v o l u t i o n a r yf o r c e sa tt h em o l e c u l a rl e v e l f o ri n s t a n c ei n t r o g r e s s i v eh y b r i d i z a t i o n l i n e a g es o r t i n g h e r i z o t a lg e n et r a n s f e r h i d d e np a r a l o g y a sw e l la sm o r p h o l o g i c a l s i m i l a r i t ya m o n gt h e m a m b r o s i al i sam e d i u m s i z e dg e n u sw i t ha p p r o x i m a t e l yf o r t y t w os p e c i e s f o u n dp r e d o m i n a n t l yi nt h en e ww o r l d a n dp r i n c i p a l l yi nn o r t ha m e r i c a t h ep l a n t s a r ed i s t r i b u t e dm o s t l yi nt h ed e s e r tr e g i o n so ft h es o u t h w e s t e r nu n i t e ds t a t e sa n d a d j a c e n tm e x i c o p r i m i t i v es p e c i e sa r es h r u b so ft h ed e s e r t sa n da r i dr e g i o n s w h i l e m o r es p e c i a l i z e da n dd e r i v e ds p e c i e sa r eh e r b so f t e nf o u n da sw e e d so fc u l t i v a t i o no r a ss t r a n ds p e c i e so ft h ep a c i f i ca n dc a r i b b e a nb e a c h e s i nt h i ss t u d y t h ep h y l o g e n yo f r a g w e e dg e n u s a m b r o s i a w e r ee x p l o r e du s i n gs e q u e n c e so ff o u rd n af r a g m e n t s f r o mc h l o r o p l a s t p s b m p e t d p s ba n dt m l t m f a n dn u c l e a rg e n o m e 9 3 p d h o n t h e s eb a s i s w ee s t i m a t e dt h ev a l u eo fg a p sa n dd i s c u s s e dc o a l e s c e n td a t au s e di n p h y l o g e n e t i ca n a l y s e s 1 p h y l o g e n e t i cr e c o n s t r u c t i o no f a m b r o s i a p h y l o g e n e t i ca n a l y s e si n d i c a t et h a t a m b r o s i af a l l si n t ot w om a i nc l a d e s t h ef i r s t c l a d ei n c l u d e sa t r i f i d a a b i d e n t a t a a p u m i l aa n da c h a m i s s o n i s t h es e c o n d c l a d ei n c l u d e sa p s i l o s t a c h y a a c o n f e r l i l l o r a a a r t e m i s i i f o l i aa n da t o m e n t o s a a a r t e m i s i i f o l i ai sc l o s e l yr e l a t e dw i t ha p s i l o s t a c h y a a r o u s e db yi n t r o g r e s s i v e h y b r i d i z a t i o n a n da t r f i d ai sc l o s e l yr e l a t e dw i t ha b i d e n t a t a 2 s y s t e m a t i c v a l u e so fg a p s a n a l y s e si m p l e m e n t e db ym a x i m u mp a r s i m o n ym e t h o d sb a s e do nn u c l e a r a b s t r a c t s e q u e n c ea n da l lg e n e sd a t as h o wt h a tt o t a lo ft r e e sd e c r e a s ea n db o o t s t r a pi n c r e a s e t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e g a p s w h e nt r e a t e da p p r o p r i a t e l y c a np r o v i d e a d d i t i o n a li n f o r m a t i o ni np h y l o g e n e t i cs t u d y 3 c o a l e s c e n td a t au s e di np h y l o g e n e t i ca n a l y s e s c o a l e s c e n td a t au s i n gt h r e ec h l o r o p l a s tf r a g m e n t sr e v e a lt h a tb o o t s t r a po fe a c h c l a d em a r k e d l yi n c r e a s e b ya n a l y z i n go ft h ec o n f l i c tb e t w e e nc h l o r o p l a s tg e n et r e e a n dn u c l e a rg e n et r e e i n t r o g r e s s i o nb e t w e e na a r t e m i s i i f o l i aa n da p s i l o s t a c h y a w h i c hc a u s et h ec o n f l i c tw e r ed i s c o v e r e d c o a l e s c e n to fa 1 1t h ed a t ac o u l dc o v e rt h e n o i s ei nm a t r i x b u tt h ed i f f e r e n te v o l u t i o n a lh i s t o r yb e t w e e nc h l o r o p l a s tg e n o m ea n d n u c l e a rg e n o m ew o u l dd e p r e s st h eb o o t s t r a pr a t e w h e nc o n s i d e r i n gt h ed i s c r e p a n c y f r o md i f f e r e n tg e n o m e c o a l e s c e n td a t ac o u l dr e f l e c ts y s t e m a t i cr e l a t i o n s h i pb e t t e r k e y w o r d s a m b r o s i al n u c l e a rg e n e c h l o r o p l a s tg e n e p h y l o g e n y i i 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 学位论文作者签名 耕 日期 胡年占月知e t 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留 使用学位论文的规定 学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅 有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索 有权将学位论文的标 题和摘要汇编出版 保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名 缸永 1 3 期 口8年s 月幻日 第一章引言 盘占立jl 芒 弟一草引吾 1 1 豚草属研究进展 豚草属 a m b r o s i al 隶属于菊科 c o m p o s i t a e 向日葵族 h e l i a n t h e a e 是 一个包含4 2 个种的中型大小的属 起源于北美 广泛分布于美国西南部沙漠地 区 以及邻近的墨西哥北部的索诺兰 s o n o r a n 地区 但有少数种分布于中部及 美国南部安第斯山脉 a n d e a ns o u t ha m e r i c a p a y n e 1 9 6 6 近2 0 0 年来 迅速在 世界范围蔓延 目前已在世界各地广泛分布 豚草属内较为原始的种是适应沙 漠及干旱地区的灌木 而更多分化后形成的种为草本 通常是农耕杂草或是滨 海植物 大多数豚草属杂草不会入侵农田 豚草属中可产生有毒花粉或危害农业生 产的杂草被称为豚草属有害杂草 常见的豚草属有害杂草大多为短同照植物 多分布于高纬度地区 有的既分布于高纬度地区又分布于低纬度地区 但植株 的外形及生活习性已经发生了变化 适应性较差的豚草属有害杂草 其分布受 到了纬度的限制 由于海拔影响其分布 豚草属杂草大多分布于低海拔地区 豚草属杂草对土壤差异的适应性很大 有些适应于沙漠中 有些喜欢丘陵 谷 底或坡顶 而有些只生于海边沙地或盐碱地 不同豚草属杂草对水分的要求不 一样 生于溪谷的豚草属杂草对水分要求很高 生于沙漠的豚草属杂草对水分 要求少 常见的豚草属有害杂草有 a a r t e m i s i i f o l i a a t r i f i d al a p s i l o s t a c h y a a t e n u i f o l i as p r e n g a c o r o n o p i f o l i a a a c a n t h i c a r p ah o o k a m a r i t i m al a t o m e nt o s a a a m b r o s i o i d e s a b i d e n t a t a a c h a m i s s o n i s a d u m o s a a h i s p i d a a t o m e n t o s a s i e g f r i e dj 2 0 0 0 等 豚草属有害杂草的花粉是北美洲和欧洲 部分国家过敏性鼻炎的主要病源 s i e g f r i e dj 2 0 0 0 d a n u t as 2 0 0 2 豚草属 有害杂草在国外的分布详见表1 1 郭琼霞 2 0 0 4 常见的农业和环境危害性 豚草属杂草有a a r t e m i s i i f o l i a a t r i f i d a a p s i l o s t a c h y a a b i d e n t a t a 移 a a c a n t h i c a r p a o n d f e jr y b n i c e k 2 0 0 1 在农田中 豚草属杂草种子能混杂于 朱下琼豚学属分了系统学研究 所有的作物中 特别是大麻 洋麻 玉米 大豆等农耕作物和禾谷类作物 据 前苏联资料报道 豚草属杂草入侵玉米后 每公顷产量降至3 0 0 5 0 0 公斤 甚至 使玉米不形成雌穗 造成颗粒无收 因豚草属杂草危害 造成了大面积草荒 普通豚草 彳 a r t e m i s i i f o l i a 三裂叶豚草 彳 t r i f i d a 署 1 多年生豚草0 p s i l o s t a c h y a 等是世界上公认的恶性杂草 许多国家把这三种豚草属杂草列为检疫对象 我 国也把它们列为三类的危险性杂草 豚草属杂草各个种在我国的分布见表1 2 郭琼霞 2 0 0 4 1 1 1 我国对入侵豚草属植物的研究进展 根据标本采集记录 豚草属的普通豚草 彳 a r t e m i s i i f o l i al 于1 9 3 5 年在我 国杭州出现 而三裂叶豚草 彳 f f 如l 于4 0 年代传入我国东北 从1 9 8 7 年 开始 研究人员对我国豚草的分布情况开始进行调查 豚草的传播方式主要有 交通往来 农事操作 流水 动物与人的传播 这样的传播随机性很大 导致 豚草不一定是连续传播和散布 一旦侵入新领地 便会很快成为优势群落 在 入侵的7 0 多年的时间里 伴随着这种传播 豚草在我国东北 华东和华中的1 5 个省市和地区大量发生 已形成沈阳一铁岭一丹东 南京 武汉及南昌九江等4 个发生和扩散中心 南方以普通豚草为主 东北地区以三裂叶豚草为主 且多 成混生状态 曲波等 2 0 0 6 据 中国植物志 记载 豚草属植物为一年生或多年生草本 茎直立 叶互 生或对生 全缘或浅裂 或一至三次羽状细裂 头状花序小 单性 雌雄同株 雄头状花序无花序梗 在枝端密集成无叶的穗状或总状花序 雌头状花序 无 花序梗 再上部叶腋单生或密集成团伞状 雄头状花序有多数不育的两性花 总苞宽半球状或碟状 总苞片5 1 2 个 基部结合 花托稍平 托片丝状或几无 托片 不育花花冠整齐 有短管部 上部钟状 上端5 裂 花药近分离 基部 顿 近全缘 上端有披针形具内屈尖端的附片 花柱不裂 顶端膨大成画笔状 雌头状花序有1 个无被能育的雌花 总苞有结合的总苞片 闭合 倒卵形或近 球形 背面在顶部以下有l 层的4 8 瘤或刺 顶端紧缩成围裹花柱的嘴部 花 2 第一章引言 冠不存在 花柱2 深裂 上端从总苞的嘴部外露 瘦果倒卵形 无毛 藏于坚 硬的总苞中 植物全部有腺 有芳香或树脂气味 风媒 普通豚草是一年生直立草本植物 靠种子繁殖 具直根系 茎粗0 3 3 c m 株高5 9 0 c m 也有的超过2 m 茎通常生有瘤毛 具纵条棱 较粗糙 叶具2 4 c m 叶柄 叶片1 3 回羽状全裂或深裂 豚草的头状花序很小 有雌花序和雄花序之 分 通常雌雄花序同生一株 雄花序有短柄 几十个甚至上百个雄花序呈总状 排列在枝梢或叶腋的花序轴上 豚草雌花生在总状雄花序轴基部的叶腋中 单 生或数个丛生 复果具6 8 个纵条棱 每个条棱末端突出呈尖头状 顶部中央具 喙 三裂叶豚草也是一年生直立草本植物 具直根系 其植株较普通豚草高大 粗壮 一般株高可达2 5 0 3 0 0 c m 茎粗可达2 5 3 o c m 最小的植株高3 0 4 0 c m 茎粗0 5 0 6 c m 茎绿色 有纵条棱 密生瘤基直立硬毛 叶子全株对生 仅有 小部分大型植株顶端的少数叶子互生 掌状三深裂 三裂叶豚草的花序及花器 结构与豚草相似 但雄花序粗大 雄花序的总苞比豚草大 直径可达4 7 r a m 由 6 7 个扇形总苞片联合而成 总苞内花的数目多 通常为2 0 一3 0 朵 雄花结构与 普通豚草相同 成熟的复果倒圆锥形 褐色 宽4 m m 有的达6 7 r a m 显著大于 普通豚草复果 王中道 1 9 9 3 豚草吸肥能力和再生能力极强 长势凶猛 造成土壤干旱贫瘠 遮挡阳光 降低农作物产量 它释放出的多种化感物质还抑制某些植物的生长 豚草被奶 牛食取后引起牛奶品质下降 豚草生命力顽强 一株能结几万颗种子 豚草种 子一般有一半在第二年发芽 剩下的第三 第四年陆续发芽 国外研究表明 豚草的种子在地下埋藏4 0 年后依旧可以发芽 从生长的角度看 豚草提前发芽 抢占有利空间位置 借此与其他植物争光 争水 争肥 由于豚草竞争性强 常常迅速生长而对农田形成包围之势 造成作物减产甚至绝收 另外 豚草花 粉是花粉过敏症的主要病原 每年7 9 月 豚草开花散粉 易感人群吸入花粉 即产生哮喘 鼻塞 流鼻涕等症状 严重者不能平卧 甚至发生其他并发症致 寸 壕哩冰 巨羞熏 潜 管陋噬越岳 越岳 葛殴长唧 球世特 到菰恹橼誓 树誓鼍宦 茸 枢礅难 剧擦酬世一 匦薄 蔷彝 匠七b 巨陋哩毯岳 毯岳 长 龇罂区 啦黧兰收 眯妖 口扭 靴 州轼口 苒姆熏餐 陋口 辍即舞嫂 慑牮娌菇惺璐 球辞 壕弧疆皿 圳慑奸 智斟 十替 届 圳翁 匠增 k锤 壕除举 南陋酷 k椰f1r 匝粼啦般醣 k椰f1r 匝粼 烈骤宦 匝燃 会熏k鄢 球时刊 k拳陋 k棰 匝粼嗡鳞 壕酞釜 恹冬建菰慑裂 球辞 十簿 壕 目蝉 夸冥k蟋 口 州鲻 矢筌陋 蒜除疆 买k伯 k褂互q 市陋酪 匠状妖斟般 匝撇 球时州 茸黉弧憾 水黛装控 辑罨慢瞄癣裢胛留臼 肃陋酷 陬粼啦陋路 匦粼肃陋晦 匠粼 茸察k鄢 田枯戳镊蕊 谁蒜舱鲻 审陋酶 匝粼啦陋路 k蝌f1r 匠粼匝粼 匝薄 赫番 匠哥 口 壤骶疆皿 壕除蛙 壕筠斟岬 冥司咏 州 川恹回 水轼疑怔 恹避建冻议裂 k曰 帐k韬 球替 书释 圃燃 匦鼯 州般臻 茸熏k鄢 龇彩宦 靴孟6f管州唾燃 州甜臼 茸黎熏餐 施黧 n茕眯民 口忸 辍民唧舞嫂 南陋酷 匝粼 k蝌曩熏鼯 麻陋酾 匝林茸熏k齄 市陋雕 k褂曩 圃冰 抖篷古裂川 拇睡酬醑输 鳖亡裂 抖巨鼎淞 尊 为 弋寸码o 譬 fq 弋llsll譬掣 弋 一口tt 盘oti l q 一 口a u心 o t 1 q毽ll 毽l 弋 pt阻息t1 弋毽明 莲3飞 弋毽 s qq 弋 口 lo葛 p奢oq q 譬q的的 定q o 飞 g 口 譬 plo dll 息l毫l 芒8 譬ots2 冬d 吨8 1bu一 譬1 ug q 晕求 婶仪乎 婶扑 嬉太昧封留意七谁抖垛哩抖睡h i琳 议拳扑螺嶙卜焱嚷擗錾话k 第一章引言 患者死亡 纵观国内外 豚草危害的防治方法可分为物理防治 化学防治 替 代防治 生物防治和综合防治几种 在我国 豚草的生物学防治始于2 0 世纪6 0 年代中期 从1 9 8 7 年开始 先后 引进豚草条纹叶甲 豚草卷蛾 豚草夜蛾 豚草实蝇等天敌昆虫 其中对豚草 条纹叶甲和豚草卷蛾进行了系统研究 2 0 0 3 年在我国辽宁发现了寄生于三裂叶 豚草的锈菌p u c c i n i ax a n t h i is c h w e i n f s p a m b r o s i a e 一护i f i d a es 肜zb a t r a 该锈 菌的三裂叶豚草寄主专化型具有强致病性 吕国忠 2 0 0 4 对三裂叶豚草和普 通豚草进行的染色体观察与核型分析表明 两种豚草的染色体数目分别为2 n 2 4 和2 n 3 6 该研究认为豚草属的染色体基数为x 9 祖元刚 1 9 9 9 采用水平切 片淀粉凝胶电泳对不同生境的普通豚草 三裂叶豚草种群的遗传结构进行了测 定 研究表明 普通豚草和三裂叶豚草种群内均存在着丰富的遗传变异 沙伟 等 1 9 9 9 沙伟等 2 0 0 0 对三裂叶豚草种群的空间分布研究结果表明 在不 同生境条件下为不同强度的聚集分布 种群的聚集分布是三裂叶豚草生物学特 性和生境条件共同作用的结果 其中种子传播方式和生境光照条件差异是影响 其种群分布的重要因子 李建东 2 0 0 6 目前我国关于豚草的研究多集中于形态 分布 防治 遗传结构等方面 对豚草属的系统发育研究较少 表1 2 豚草属杂草在我国的分布情况 朱 琼豚学属分了系统学研究 1 1 2 豚草属分类研究进展 豚草属进化活跃 尤其是野生杂草类 现在更多新出现的混合群体以及无 法清楚分类的亚族 都显示了豚草属植物复杂的分类情况 豚草属的很多种自 身变异非常大 该属变异之广变异之复杂主要是由以下几个因素造成 p a y n e 1 9 7 0 p a y n ee ta l 1 9 6 8 1 豚草属植物通常是某个生境的先驱植物 这些环境对种子年复一年的特 定选择 使得该植物可以不断变异以适应小环境中主要因素的影响 p a y n e 1 9 6 2 2 由于北美洲的殖民化 欧洲及其他非土著民族开展的种植业 使得豚草 属植物种子随之四处扩散并占据了有利的生态位 豚草种群迅速扩张 尽管现 存的数据并没有关于最初种群大小的确切记录 但仍可以肯定 种群的大小增 加了几千倍甚至数百万倍 3 随着人类活动及农业的发展 借助迁移及混入储存的种子中 豚草进入 了更多的荒地及耕地 4 在冰期 尽管有部分豚草属植物灭绝 但更重要的是 冰期为豚草属植 物沿着冰线迁移提供了机会 尤其是在冰线后退消融的时候 可以沿着澎湃的 冰河散种 有证据表n 凋 p a y n e1 9 6 2 这在亚种合并的过程中起到了非常重要的 作用 最终导致曾经一度非常明显的混合亚种中的北方种 合并为具有广泛可 变性的派生居群 5 种子长寿 超过5 0 年依然良好 因此 早先生长季的植株可以与很多 世代之后的经过了不同条件选择的植株杂交 使得植株得以进一步发展 6 多倍化及非整倍化 多倍性在豚草属内是普遍的 例如彳 d u m o s a 及彳 p s i l o s t a c h y a 而a t r i 沙d a n 1 2 以砌 b i d e n t a t a n 1 7 这两个种是由x 1 8 的种非整倍化得到的 6 第一章引言 7 杂交对于无性系杂种来说 是一个非常重要的因素 有证据表明 在这 些种内有基因渗入现象存在 例如彳 a r t e m i s i i f o l i a 弛1 p s i l o s t a c h y a 8 自花授粉 自花受精自交致使豚草属植物有很强的近交情况 这也导致 了小居群内快速的遗传漂变 即使这个小居群位于一般的有大量同样物种的区 域之中 例如a c h a m i s s o n i s 它与x a n t h i u ms t r u m a r i u m 有较近的关系 p a y n e 1 9 7 3 结果就是 现存很多物种间的界限及相互联系存在复杂的问题 总的来说 豚草属是一个变化多的 复杂的属 1 2 植物系统发育研究概述 系统与进化植物学是建立在植物学各分支学科基础上 以研究植物的系统 发育和进化为内容的一门综合性学科 由于种种综合性 植物学各分支的发展 都会对系统与进化植物学研究产生重要的影响 从进化生物学的角度上看 植物进化过程可分为三个层次 g r a n t1 9 8 5 居群内的进化 也称微进化 m i c r o e v 0 1 u t i o n 地理综合物种水平的进化 也 称物种形成 s p e c i a t i o n 和高等分类单元的进化 也称宏进化 m a c r o e v o l u t i o n 由于较其他性状更易获得 一直以来 形态性状在系统学和 进化生物学研究中得以广泛使用 传统上 植物物种的界定和划分及系统发育 关系的探讨也主要基于形态学和解剖学性状的比较研究 后来才逐渐辅以细胞 学 生物化学 遗传学 植物地理学等证据和最近二十多年应用极为广泛的分 子性状 s t a c e19 8 0 e n d r e s se ta 1 2 0 0 0 然而 形态性状存在广泛的趋同进化 c o n v e r g e n te v o l u t i o n 和平行进化 p a r a l l e le v o l u t i o n 从而在植物系统学 研究中不可避免地引入较多系统发育噪音 p h y l o g e n e t i cn o i s e 直接影响正确 系统发育关系的获得 b a k e ra n dg a t e s y2 0 0 2 不同物种之间的系统发育关系几乎是所有其他进化研究的基础 d e l s u ce t a 1 2 0 0 5 利用分子生物学和统计学技术进行系统树构建的分子系统发育学研 7 朱下琼豚草属分了系统学研究 究 始于二十世纪前后 在二十世纪六十年代以后 随着分子生物学技术的繁 荣而迅速发展 近二十多年来 分子性状在系统发育研究中的广泛应用 极大 促进了系统发育重建的研究 使我们对物种进化历史的认识有了更深刻的了解 w h e l a ne t a l 2 0 0 1 p c r 技术 d n a 测序技术的发展 微生物学研究积累了大 量的d n a 序列数据 d n a 数据的丰富性 及其在所有生物中的可比性 数据的易 分析性 使得分子数据逐渐成为重建生命进化历程 理解物种发生的有效工具 和手段 包括目 科或属间等较高分类等级和种间甚至种下等较低分类等级的 系统发育和物种形成研究 分子数据中潜含的现生物种的进化历史信息 极大 提高了我们对自然界中生物进化的速率和样式及物种发生机制的认识 b a r r a c l o u g ha n dn e e2 0 0 1 过去的研究表明 在进化生物学领域 分子数据 对推演近缘物种分化历史 探究近缘物种发生的机制和揭示自然选择扮演的角 色等都有巨大的贡献 w r i g h ta n dg a u t2 0 0 5 物种分化或物种形成是理解宏观上生物多样性产生和变化的基础 然而 推动物种形成的发生则往往由微观水平的进化力量所决定 诸如突变 重组 随机遗传漂变 迁移及自然选择等 物种形成的研究 从遗传学角度出发 一 般包括两大主要研究方法 第一 通过研究不同物种间差异和生殖隔离的遗传 基础 逐渐定位和筛出决定物种形成的基因位点 继而通过鉴定研究获得的基 因的功能 探求物种发生的遗传机制 o r r2 0 0 5 其经典例子之一是果蝇 o d y s s e u s 基因的研究 r i n ge ta 1 19 9 8 s u ne ta 1 2 0 0 4 虽然直接探究物种差 异或生殖隔离的遗传基础对研究生物进化极为重要 但遗憾的是 这一方向的 研究不能为我们提供关于物种形成过程中的微观进化力量方面的信息 此外 尽管不难确定与物种形成相关的性状 如与物种生活史中特定适应性有关的性 状 与物种生殖有关的性状及仅在杂种后代中表现出的表型性状等 然而 根 据表型直接定位到控制物种形成的基因位点目前仍相当困难 第一章引言 第二 通过研究近缘物种间或物种内与物种形成有关或中性的基因位点的 遗传多样性水平和式样 估测近缘物种间的遗传距离和分化程度 继而探讨物 种分化过程中所受的各种微观进化力量的影响 见综述a q u a d r o1 9 9 7 c l e g g 19 9 7 h a r p e n d i n ge ta 1 19 9 8 c h a k r a v a r t il9 9 9 p u r u g g a n a n2 0 0 0 n o r d b o r ga n d i n n a n 2 0 0 2 c h a r l e s w o r t he ta 1 2 0 0 3 a h e ya n dm a c h a d o2 0 0 3 c h e r r y2 0 0 4 w r i g h ta n d g a u t2 0 0 5 g r e e n b e r ga n dw u2 0 0 6 从认识论的角度而言 系统发 育致力于发掘和描述作为进化实体的各物种之间存在的等级式样 t h e h i e r a r c h i c a lp a t t e r n p a n c h e n19 9 2 f r o s ta n dk l u g e19 9 4 系统发育方法显 然在物种分化和物种形成研究中具重要作用 物种水平基因谱系关系的构建可 作为其有效补充 9 朱玉琼豚毕属分了系统学研究 2 1 研究目的 第二章研究目的与方法 由于豚草竞争性强 常常迅速生长而对农田形成包围之势 造成作物减产 甚至绝收 另外 豚草花粉是花粉过敏症的主要病原 因此豚草被列为世界公 认的公害性杂草 同时 豚草属进化活跃 尤其是野生杂草类 新出现的混合 群体 以及新出现的无法清楚分类的亚族 这些使得豚草属很多种之间的界限 及相互联系非常复杂 豚草属的系统发育关系如何 在我国 入侵的豚草属植 物有两个种 形态差异大 却造成了类似的危害 它们在豚草属内部是否有较 近的亲缘关系 是否可以找到有利的分子标记 为一些位置不明确 分类不清 楚的种的鉴定工作提供佐证 本研究旨在利用p c r 产物直接测序的方法 寻找 分子证据 对上述问题进行初步探讨 在此基础上 进一步探讨了数据中空位 性状的系统学价值 系统发育研究中数据合并的意义 2 2 实验材料 本研究选取豚草属样品1 2 份 a m b r o s i a b i d e n t a t a a m b r o s i a c h a m i s s o n i s a m b r o s i a c o z f e r f i l l o r a a m b r o s i a p s i l o s t a c h y a a m b r o s i a p u m i l a a m b r o s i a t o m e n t o s a 未鉴定种a m b r o s i a u n k n o w n 1 样品每种各一份 均来自 美国 入侵我国的a m b r o s i a a r t e m i s i i f o l i a a m b r o s i a t r i f i d a 每种各有一份样 品来自美国 另外有a m b r o s i a a r t e m i s i i f o l i al 份来自北京 a m b r o s i a f 泸如2 份分别来自北京两个不同居群 样品包括了世界上公认的恶性杂草普通豚草似 a r t e m i s i i f o l i a 三裂叶豚草 似 t r i f i d a 和多年生豚草0 p s i l o s t a c h y a 以及常见的农业和环境危害性杂草 a b i d e n t a t a l o 第二章研究日的 j 方法 选取外类群样品3 份 2 份为向同葵属h e l i a n t h u sd i v a r i c a t u s h e l i a n t h u s p u m i l u s l 份为苍耳属x a n t h i u ms t r u m a r i u m 表2 一1 表2 1 实验材料 样品 a a r t e m i s i i f o l i a a a r t e m i s i i f o l i a 8 a b i d e n t a t a a c h a m i s s o n i s a c o n f e r f i l l o r a a p s i l o s t a c h y a a p u m i 口 a t o m e n t o s a a t r i f i d a a t r i f i d a2 j o a t r i f i d a2 1 8 a u n k n o w n 1 产地 m e c l d a n d xm a c h e n os t c o u i s m 0u s a 北京门头沟下苇甸 s t g e n e v i e v ec o u n t r ys t 1 0 u i s m ou s a a h on v e v os a nm a t e o c oc au s a c o l o r a d ous a c a l i f o m i au s a 北京顺义马坡乡 北京顺义马坡乡 鉴定人 俞国琴 朱玉琼 俞国琴 俞国琴 俞国琴 俞国琴 俞国琴 俞国琴 俞国琴 朱玉琼 朱玉琼 俞国琴 h e l i a t h u sd i v a r i c 口t u s 俞国琴 h e l i a n t h u sp u m i l u s 俞国琴 x a l t h i ms t r u m a r f 肌m i n i i l i eh a h ap a r k2u s a 俞国琴 2 3 研究方法 采用多基因测序的方法研究菊科豚草属植物的系统发育关系 在系统发育研究中 生物类群之间的进化关系通常用有根或无根的树状结 构 即系统树 p h y l o g e n e t i ct r e e 来表示 根据各个物种同一基因序列所构建 的系统树被称为基因树 g e n et r e e 而反映物种之间真实进化关系的系统树被 称为物种树 s p e c i e st r e e 虽然各种d n a 序列已得到越来越广泛的应用 但是 由于受到许多因素如杂交和渗入 谱系分选 水平转移 重组 基因重复 位 点间互作等的影响 单一位点的进化有其特殊的进化历程 单基因片段提供的 系统发育信息有限 而且采用单基因片段构建的系统树可能反映的仅仅是该片 朱玉琼豚草属分 了系统学研究 段的基因树 在许多情况下基因树并不等同于物种树 s o l t i se ta 1 1 9 9 9 w e n d e l d o y l e 1 9 9 8 s a n g 2 0 0 2 因此 以单一遗传位点的d n a 片段构建的基因树并不 必然与物种的真实进化途径相 致 但是基因树的拓扑结构可以反映物种之间 真实的进化关系 而且 相对于连锁的核苷酸序列来说 多个位点的结果更可 能代表物种的进化关系 由于受到技术手段及实验成本的限制 在分子系统学产生后的很长一段时 间里 用于系统发育重建的基因局限于少量几个片段 随着d n a 测序技术水平 的提高及成本的降低 公共数据库中的d n a 序列资料以几何级的速度猛增 研 究者不再满足于仅用一个基因来重建类群的系统发育关系 使用多个基因来建 树 从而避免单基因建树的信息量不足所带来的误差 这一想法已成为大多数 研究者的共识 因此 通过多个独立片段构建系统发育树并进行比较分析 最后 推断物种的系统发育关系受到重视并得到广泛应用 w e n d e l d o y l e 1 9 9 8 s o l t i s s o l t i s 1 9 9 8 s a n g 2 0 0 2 2 3 1 叶绿体基因 叶绿体d n a c p d n a 是系统学研究中最常用的分子标记 尽管大多数叶绿体 基因进化速率较慢 主要用于探讨较高级分类等级的系统发育关系 但一些进化 稍快的叶绿体基因或基因间隔区 如t r n l f 等 被有效地用于较低等级的系统 发育研究 j o h n s o n s o l t i s 1 9 9 4 s a n ge ta 1 1 9 9 7 k a j i t ae ta 1 1 9 9 8 g ee ta 1 19 9 9 w a n ge ta 1 19 9 9 过去2 0 年里 植物系统学家依据叶绿体序列进行了大 量的系统发育分析 这是由于 第一 叶绿体基因组在植物细胞中是多拷贝 但其序列都是单拷贝 在技 术上较好操作 第 二章研究目的 j 方法 第二 叶绿体基因组是单亲遗传的 不存在核基因中出现基因重组等问题 就已研究的所有陆生植物而言 叶绿体基因组的遗传方式属单亲遗传 大多数 被子植物的叶绿体基因由母本遗传 叶绿体的双亲遗传 b i p a r e n t a li n h e r i t a n c e 现 象罕见 估计在被子植物的属中只占1 4 c o r r j v e a ujle ta 1 1 9 8 8 在裸子植 物中 叶绿体由父本传递 例如落叶松属 l a r i x 的叶绿体基因按父性遗传方式 遗传 s z m k i tae 1 9 8 7 在双亲都将叶绿体传递给子代的植物中 两种叶绿体 及其基因组不会发生融合和重组 在体细胞的发育过程中 来自一方的叶绿体 最终将被排斥掉 第三 由于叶绿体基因组序列的保守性 扩增叶绿体片段的引物是通用的 陆生植物叶绿体基因组的核苷酸替换率较低 叶绿体基因的沉默替换率 r a t eo f s i l e n ts u b s t i t u t i o n 平均比核基因低2 至3 倍 比动物线粒体基因t l 乇2 0 倍 2 3 2 核基因 在早期的分子系统学研究中 利