基于叶绿体dnarnl内含子和rnl-f基因间隔区序列的中国平行菜族植物的分子系统学研究

基于叶绿体dnarnl内含子和rnl-f基因间隔区序列的中国平行菜族植物的分子系统学研究

1911年，hayek建立了一个十字花科，包括40个属和20个属，其中一个属于独裁者科，包括180种属。它是十个字花科的一个重要分支。独行菜族植物因其具有典型的短角果,长期被认为是一个自然类群,但近年来分子系统学研究证明独行菜族是个多系类群。臭荠属(Coronopus)、群心菜属(Cardaria)、菘蓝属(Isatis)、菥蓂属(Thlaspi)、荠属(Capsella)等的系统学位置也颇有争议。1982年,Kolbe通过血清学研究,认为菘蓝属应放在大蒜芥族;Lockwood等研究了爱琴海地区的十字花科植物的芥子油苷光谱,也认为应将菘蓝属移出独行菜族;吴征镒等在《中国被子植物科属综论》中采用Takhtajan系统,将菘蓝属放在了大蒜芥族。Zunk等基于叶绿体DNA的限制性位点的变异研究,Mummenhoff等基于叶绿体trnL内含子序列,认为独行菜属应该包括群心菜属、臭荠属;Al-Shehbaz等将这2个属合并入独行菜属中,但在《FloraofChina》中,Al-Shehbaz等是将三者分别作为独立的属处理。Koch等基于叶绿体编码基因matK和核CHS序列,O’Kane等基于核DNA的ITS序列认为,独行菜族荠属与南芥族拟南芥属的关系要比与独行菜族的独行菜属、菥蓂属都近缘。此外,在1936年Schulz系统中,亚麻荠属放在大蒜芥族中,《中国植物志》第33卷沿用这一处理,而Hayek,Janchen、Takatajian和《中国被子植物科属综论》将其放在独行菜族中。trnL内含子及trnL-F基因间隔区是位于叶绿体DNA上的一段单拷贝序列,编码tRNA,近十几年,已被成功地运用于分类群的系统学研究中,被普遍认为适用于确定属间乃至族间的系统发生关系[17,18,19,20,21,22]。本研究对中国独行菜族部分属及相关属代表植物,进行了trnL内含子及trnL-F基因间隔区的序列分析,旨在为确定十字花科独行菜族部分属与相关属属间关系及系统位置提供新的证据。1材料和方法1.1叶绿体dna的trnl内含子和trnl-f基因间隔区序列实验材料取自硅胶干燥,凭证标本及序列接受号(表1),其中刺山柑(CapparisspinosaLinn.)、白花菜(CleomegynandraLinn.)、荠菜[Capsellabursa-pastoria(Linn.)Medic]和拟南芥[Arabidopsisthaliana(Linn.)Heynhold]的叶绿体DNA的trnL内含子和trnL-F基因间隔区序列由GenBank下载而来。1.2dna提取与制备采用CTAB法,步骤略作简化,用异丙醇沉淀出DNA后,离心收集沉淀,70%乙醇清洗2次后,烘干或自然风干,溶于适量灭菌双蒸水中,置4℃冰箱中备用。1.3扩增trnl基因扩增引物为“c”5′-CGAAATCGGTAGACGCTACG-3′和“f”5′-ATTTGAACTGGTGACACGAG-3′,采取整段双向扩增,包括trnL内含子区、trnL3′外显子和trnL-F基因间隔区。反应体系为25μL,扩增程序为70℃1min;后94℃1min,55℃20s,72℃50s,循环2次;94℃20s,55℃20s,72℃50s,循环38次;72℃保温4min;4℃保存。扩增反应在System9700PCR仪上进行。1.4纯度扩增产物使用大连宝生物工程有限公司生产的从琼脂糖凝胶中回收纯化DNA片段的试剂盒DV301纯化回收。1.5引物的选择回收产物直接由上海英骏生物技术有限公司在3730测序仪上完成测序,测序使用引物“c”和“f”正反链测序,必要时选择中间引物“e”和“d”。1.6ceoa的分类本研究选择与十字花科植物近缘的山柑科(Capparaceae)的3个种,即:刺山柑(Capparisspinosa)、醉蝶花(Cleomespinosa)、白花菜(C.gynandra)为外类群。1.7统发育分析序列排列用ClustalX1.83完成,排好的序列利用PAUP4.0进行系统发育分析。利用PAUP4.0做简约分析时,空位始终作为缺失状态,使用启发式(heuristicsearch)搜索最简约树,100次随机加入,TBR枝长交换,利用bootstrap(1000次重复)检验各分支的置信度。2ank序列及关联系的分析除刺山柑(Capparisspinosa)、白花菜(Cleomegynandra)、荠菜(Capsellabursa-pastoria)和拟南芥(Arabidopsisthaliana)的叶绿体DNA的trnL内含子和trnL-F基因间隔区序列由GenBank下载而来以外,其余17种的序列均由本次实验所测。测定序列经拼接后,范围在711bp~1331bp之间变动,序列最长的是拟南芥,最短的是菥蓂。序列经排序校对后,总长为1467bp,其中716个位点为变异位点,408个为系统发育的信息位点,MP法构建的严格一致性树(图1)树长1215,一致性指数(CI)=0.8272、保留性指数(RI)=0.8537,调整后一致性指数(RC)=0.7061,山柑科种类为外类群,其余十字花科种类聚成一支,自展支持率为100%,该支又由3个并列的系构成,第Ⅰ系包含荠菜、小果亚麻荠、拟南芥、叶芽拟南芥、垂果南芥和旗杆芥,其自展支持率为100%;第Ⅱ系包含小果菘蓝、菥蓂、全叶菥蓂、沟子荠、密序山嵛菜、无毛全叶大蒜芥和无毛大蒜芥,该系自展支持率为92%;第Ⅲ系包含北美独行菜、独行菜、宽叶独行菜、臭荠和群心菜,自展支持率为99%。3不同树种聚合酶系的遗传关系独行菜族因具有典型的短角果长期被认为是自然类群,但Koch等的叶绿体编码基因matK和核基因CHS序列分析结果强烈表明独行菜族是多系的。本研究通过叶绿体DNA的trnL内含子和trnL-F基因间隔区序列测定分析所得到的分子树可以看出3个并列的系,系Ⅰ是以南芥族的3个属:南芥属、拟南芥属和旗杆芥属为主组成的南芥分支;系Ⅱ是以大蒜芥族的3个属:大蒜芥属、沟子荠属和山嵛菜属为主组成的大蒜芥分支;系Ⅲ是以独行菜族的3个属:独行菜属、臭荠属和群心菜属组成的独行菜分支,所研究的中国独行菜族部分属被分别聚在了这3个不同的并列系中,因此本研究结果支持独行菜族是一多系类群的观点。系Ⅰ中,荠属与亚麻荠属植物与南芥族的3个属(南芥属、拟南芥属和旗杆芥属)聚在一起,其自展支持率为100%,可见它们之间具有较近的亲缘关系。Koch等通过研究十字花科植物的叶绿体编码基因matK以及核基因的CHS序列,O’Kane和Al-Shehbaz通过研究拟南芥属及其相关属的核DNA的ITS序列,认为荠属和拟南芥属的关系要比与独行菜属、菥蓂属都近,此外,在Beilstein等通过对十字花科植物叶绿体ndhF基因的研究所构建的分子树中,荠属、亚麻荠属植物与拟南芥属和旗杆芥属等植物的距离也很靠近,这些均与本实验结果相一致,因此本文认为应将荠属从独行菜族中分出,亚麻荠属也不应放在大蒜芥族或独行菜族中,它们均应被放入南芥族中。系Ⅱ中,菥蓂属、菘蓝属与大蒜芥族的沟子荠、密序山嵛菜、无毛全叶大蒜芥和无毛大蒜芥聚成一支,自展支持率为92%,表明菥蓂属、菘蓝属与大蒜芥族的一些属关系近,而与独行菜族的独行菜属、群心菜属等相距很远。Kolbe通过对十字花科植物的血清学研究、Lockwood等通过芥子油苷光谱学研究均认为菘蓝属应位于大蒜芥族中;吴征镒等的《中国被子植物科属综论》采用Takhtajan系统也将菘蓝属放在了大蒜芥族中;Mitchell和Heenan基于核基因ITS序列,认为菥蓂属应从独行菜族中分出;基于核基因ITS序列和叶绿体DNA的trnL内含子序列研究,Mummenhoff等认为,大蒜芥族的葱芥属与菥蓂属关系密切;此外在Beilstein等叶绿体ndhF基因的分子树中,菥蓂属、菘蓝属植物与沟子荠属、山嵛菜属、大蒜芥属植物的距离要比与独行菜属植物近得多,以上这些均与本实验结果相吻合,因此本文认为菥蓂属与菘蓝属应从独行菜族中移出,它们应放入大蒜芥族中更为合理。系Ⅲ由独行菜族的模式属独行菜属以及臭荠属和群心菜属构成,自展支持率为