基于葉綠體dnarnl內(nèi)含子和rnl-f基因間隔區(qū)序列的中國(guó)平行菜族植物的分子系統(tǒng)學(xué)研究

基于葉綠體dnarnl內(nèi)含子和rnl-f基因間隔區(qū)序列的中國(guó)平行菜族植物的分子系統(tǒng)學(xué)研究

1911年，hayek建立了一個(gè)十字花科，包括40個(gè)屬和20個(gè)屬，其中一個(gè)屬于獨(dú)裁者科，包括180種屬。它是十個(gè)字花科的一個(gè)重要分支。獨(dú)行菜族植物因其具有典型的短角果,長(zhǎng)期被認(rèn)為是一個(gè)自然類群,但近年來(lái)分子系統(tǒng)學(xué)研究證明獨(dú)行菜族是個(gè)多系類群。臭薺屬(Coronopus)、群心菜屬(Cardaria)、菘藍(lán)屬(Isatis)、菥蓂屬(Thlaspi)、薺屬(Capsella)等的系統(tǒng)學(xué)位置也頗有爭(zhēng)議。1982年,Kolbe通過(guò)血清學(xué)研究,認(rèn)為菘藍(lán)屬應(yīng)放在大蒜芥族;Lockwood等研究了愛(ài)琴海地區(qū)的十字花科植物的芥子油苷光譜,也認(rèn)為應(yīng)將菘藍(lán)屬移出獨(dú)行菜族;吳征鎰等在《中國(guó)被子植物科屬綜論》中采用Takhtajan系統(tǒng),將菘藍(lán)屬放在了大蒜芥族。Zunk等基于葉綠體DNA的限制性位點(diǎn)的變異研究,Mummenhoff等基于葉綠體trnL內(nèi)含子序列,認(rèn)為獨(dú)行菜屬應(yīng)該包括群心菜屬、臭薺屬;Al-Shehbaz等將這2個(gè)屬合并入獨(dú)行菜屬中,但在《FloraofChina》中,Al-Shehbaz等是將三者分別作為獨(dú)立的屬處理。Koch等基于葉綠體編碼基因matK和核CHS序列,O’Kane等基于核DNA的ITS序列認(rèn)為,獨(dú)行菜族薺屬與南芥族擬南芥屬的關(guān)系要比與獨(dú)行菜族的獨(dú)行菜屬、菥蓂屬都近緣。此外,在1936年Schulz系統(tǒng)中,亞麻薺屬放在大蒜芥族中,《中國(guó)植物志》第33卷沿用這一處理,而Hayek,Janchen、Takatajian和《中國(guó)被子植物科屬綜論》將其放在獨(dú)行菜族中。trnL內(nèi)含子及trnL-F基因間隔區(qū)是位于葉綠體DNA上的一段單拷貝序列,編碼tRNA,近十幾年,已被成功地運(yùn)用于分類群的系統(tǒng)學(xué)研究中,被普遍認(rèn)為適用于確定屬間乃至族間的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系[17,18,19,20,21,22]。本研究對(duì)中國(guó)獨(dú)行菜族部分屬及相關(guān)屬代表植物,進(jìn)行了trnL內(nèi)含子及trnL-F基因間隔區(qū)的序列分析,旨在為確定十字花科獨(dú)行菜族部分屬與相關(guān)屬屬間關(guān)系及系統(tǒng)位置提供新的證據(jù)。1材料和方法1.1葉綠體dna的trnl內(nèi)含子和trnl-f基因間隔區(qū)序列實(shí)驗(yàn)材料取自硅膠干燥,憑證標(biāo)本及序列接受號(hào)(表1),其中刺山柑(CapparisspinosaLinn.)、白花菜(CleomegynandraLinn.)、薺菜[Capsellabursa-pastoria(Linn.)Medic]和擬南芥[Arabidopsisthaliana(Linn.)Heynhold]的葉綠體DNA的trnL內(nèi)含子和trnL-F基因間隔區(qū)序列由GenBank下載而來(lái)。1.2dna提取與制備采用CTAB法,步驟略作簡(jiǎn)化,用異丙醇沉淀出DNA后,離心收集沉淀,70%乙醇清洗2次后,烘干或自然風(fēng)干,溶于適量滅菌雙蒸水中,置4℃冰箱中備用。1.3擴(kuò)增trnl基因擴(kuò)增引物為“c”5′-CGAAATCGGTAGACGCTACG-3′和“f”5′-ATTTGAACTGGTGACACGAG-3′,采取整段雙向擴(kuò)增,包括trnL內(nèi)含子區(qū)、trnL3′外顯子和trnL-F基因間隔區(qū)。反應(yīng)體系為25μL,擴(kuò)增程序?yàn)?0℃1min;后94℃1min,55℃20s,72℃50s,循環(huán)2次;94℃20s,55℃20s,72℃50s,循環(huán)38次;72℃保溫4min;4℃保存。擴(kuò)增反應(yīng)在System9700PCR儀上進(jìn)行。1.4純度擴(kuò)增產(chǎn)物使用大連寶生物工程有限公司生產(chǎn)的從瓊脂糖凝膠中回收純化DNA片段的試劑盒DV301純化回收。1.5引物的選擇回收產(chǎn)物直接由上海英駿生物技術(shù)有限公司在3730測(cè)序儀上完成測(cè)序,測(cè)序使用引物“c”和“f”正反鏈測(cè)序,必要時(shí)選擇中間引物“e”和“d”。1.6ceoa的分類本研究選擇與十字花科植物近緣的山柑科(Capparaceae)的3個(gè)種,即:刺山柑(Capparisspinosa)、醉蝶花(Cleomespinosa)、白花菜(C.gynandra)為外類群。1.7統(tǒng)發(fā)育分析序列排列用ClustalX1.83完成,排好的序列利用PAUP4.0進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。利用PAUP4.0做簡(jiǎn)約分析時(shí),空位始終作為缺失狀態(tài),使用啟發(fā)式(heuristicsearch)搜索最簡(jiǎn)約樹(shù),100次隨機(jī)加入,TBR枝長(zhǎng)交換,利用bootstrap(1000次重復(fù))檢驗(yàn)各分支的置信度。2ank序列及關(guān)聯(lián)系的分析除刺山柑(Capparisspinosa)、白花菜(Cleomegynandra)、薺菜(Capsellabursa-pastoria)和擬南芥(Arabidopsisthaliana)的葉綠體DNA的trnL內(nèi)含子和trnL-F基因間隔區(qū)序列由GenBank下載而來(lái)以外,其余17種的序列均由本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)。測(cè)定序列經(jīng)拼接后,范圍在711bp~1331bp之間變動(dòng),序列最長(zhǎng)的是擬南芥,最短的是菥蓂。序列經(jīng)排序校對(duì)后,總長(zhǎng)為1467bp,其中716個(gè)位點(diǎn)為變異位點(diǎn),408個(gè)為系統(tǒng)發(fā)育的信息位點(diǎn),MP法構(gòu)建的嚴(yán)格一致性樹(shù)(圖1)樹(shù)長(zhǎng)1215,一致性指數(shù)(CI)=0.8272、保留性指數(shù)(RI)=0.8537,調(diào)整后一致性指數(shù)(RC)=0.7061,山柑科種類為外類群,其余十字花科種類聚成一支,自展支持率為100%,該支又由3個(gè)并列的系構(gòu)成,第Ⅰ系包含薺菜、小果亞麻薺、擬南芥、葉芽擬南芥、垂果南芥和旗桿芥,其自展支持率為100%;第Ⅱ系包含小果菘藍(lán)、菥蓂、全葉菥蓂、溝子薺、密序山崳菜、無(wú)毛全葉大蒜芥和無(wú)毛大蒜芥,該系自展支持率為92%;第Ⅲ系包含北美獨(dú)行菜、獨(dú)行菜、寬葉獨(dú)行菜、臭薺和群心菜,自展支持率為99%。3不同樹(shù)種聚合酶系的遺傳關(guān)系獨(dú)行菜族因具有典型的短角果長(zhǎng)期被認(rèn)為是自然類群,但Koch等的葉綠體編碼基因matK和核基因CHS序列分析結(jié)果強(qiáng)烈表明獨(dú)行菜族是多系的。本研究通過(guò)葉綠體DNA的trnL內(nèi)含子和trnL-F基因間隔區(qū)序列測(cè)定分析所得到的分子樹(shù)可以看出3個(gè)并列的系,系Ⅰ是以南芥族的3個(gè)屬:南芥屬、擬南芥屬和旗桿芥屬為主組成的南芥分支;系Ⅱ是以大蒜芥族的3個(gè)屬:大蒜芥屬、溝子薺屬和山崳菜屬為主組成的大蒜芥分支;系Ⅲ是以獨(dú)行菜族的3個(gè)屬:獨(dú)行菜屬、臭薺屬和群心菜屬組成的獨(dú)行菜分支,所研究的中國(guó)獨(dú)行菜族部分屬被分別聚在了這3個(gè)不同的并列系中,因此本研究結(jié)果支持獨(dú)行菜族是一多系類群的觀點(diǎn)。系Ⅰ中,薺屬與亞麻薺屬植物與南芥族的3個(gè)屬(南芥屬、擬南芥屬和旗桿芥屬)聚在一起,其自展支持率為100%,可見(jiàn)它們之間具有較近的親緣關(guān)系。Koch等通過(guò)研究十字花科植物的葉綠體編碼基因matK以及核基因的CHS序列,O’Kane和Al-Shehbaz通過(guò)研究擬南芥屬及其相關(guān)屬的核DNA的ITS序列,認(rèn)為薺屬和擬南芥屬的關(guān)系要比與獨(dú)行菜屬、菥蓂屬都近,此外,在Beilstein等通過(guò)對(duì)十字花科植物葉綠體ndhF基因的研究所構(gòu)建的分子樹(shù)中,薺屬、亞麻薺屬植物與擬南芥屬和旗桿芥屬等植物的距離也很靠近,這些均與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,因此本文認(rèn)為應(yīng)將薺屬?gòu)莫?dú)行菜族中分出,亞麻薺屬也不應(yīng)放在大蒜芥族或獨(dú)行菜族中,它們均應(yīng)被放入南芥族中。系Ⅱ中,菥蓂屬、菘藍(lán)屬與大蒜芥族的溝子薺、密序山崳菜、無(wú)毛全葉大蒜芥和無(wú)毛大蒜芥聚成一支,自展支持率為92%,表明菥蓂屬、菘藍(lán)屬與大蒜芥族的一些屬關(guān)系近,而與獨(dú)行菜族的獨(dú)行菜屬、群心菜屬等相距很遠(yuǎn)。Kolbe通過(guò)對(duì)十字花科植物的血清學(xué)研究、Lockwood等通過(guò)芥子油苷光譜學(xué)研究均認(rèn)為菘藍(lán)屬應(yīng)位于大蒜芥族中;吳征鎰等的《中國(guó)被子植物科屬綜論》采用Takhtajan系統(tǒng)也將菘藍(lán)屬放在了大蒜芥族中;Mitchell和Heenan基于核基因ITS序列,認(rèn)為菥蓂屬應(yīng)從獨(dú)行菜族中分出;基于核基因ITS序列和葉綠體DNA的trnL內(nèi)含子序列研究,Mummenhoff等認(rèn)為,大蒜芥族的蔥芥屬與菥蓂屬關(guān)系密切;此外在Beilstein等葉綠體ndhF基因的分子樹(shù)中,菥蓂屬、菘藍(lán)屬植物與溝子薺屬、山崳菜屬、大蒜芥屬植物的距離要比與獨(dú)行菜屬植物近得多,以上這些均與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,因此本文認(rèn)為菥蓂屬與菘藍(lán)屬應(yīng)從獨(dú)行菜族中移出,它們應(yīng)放入大蒜芥族中更為合理。系Ⅲ由獨(dú)行菜族的模式屬獨(dú)行菜屬以及臭薺屬和群心菜屬構(gòu)成,自展支持率為