植物分子系统学

DNA资料与植物系统学——植物分子系统学一、植物分子系统学的概念二、植物系统学常用的DNA资料三、植物系统学常用的DNA分析技术四、植物分子系统学应注意的问题目录一、植物分子系统学的概念1．生物系统分类技术的进展历程1.1大形态时期(公元前400年至公元1700年)根据易于识别的宏观形态特征来鉴别生物，使生物有一定的名称。这一时期又称术语描述期。1.2小形态时期(公元1700～1860年)主要是新的形态学，如解剖学、胚胎学的建立和发展时期。1.3进化论时期(公元1860～1900年)进化论推动了系统学研究的发展，在系统发育的基础上创立了很多分类系统。1.4细胞遗传学时期(公元1900～1960年)利用细胞遗传学的丰富资料和改写系统分类，进入细胞水平的研究。本时期又称实验生物学时期。细胞生物学和植物系统学结合产生的植物细胞分类学，使我们能在染色体水平上更好地理解植物的分类与进化，特别是物种分化问题。1.5分子生物学时期(1970年至今)分子生物学的迅速发展，给生物系统分类以巨大的推动。利用DNA信息来探讨植物系统学，形成了植物学研究的一个新的热点——植物分子系统学。2．植物分子系统学的概念植物分子系统学是分子生物学和植物系统学交叉形成的一门学科，它利用分子生物学的各种实验手段，获取各类分子性状，以探讨植物的分类，类群之间的系统发育关系，以及进化的过程和机制。一、植物分子系统学的概念1．核DNA资料与植物系统学2．叶绿体DNA资料与植物系统学3．线粒体DNA资料与植物系统学二、植物系统学常用的DNA资料1.1rRNA基因(rDNA)1．核DNA资料与植物系统学rDNA的基本结构高度重复序列多基因家族每个重复单位长约7-13kb，大多为9-10kb1．核DNA资料与植物系统学rDNA的变异•拷贝数的变化植物中rDNA重复单位的拷贝数在种间、种内甚至同一居群内的不同个体之间变化很大，其差异可达数十倍。蚕豆，不同居群间，其拷贝数的变化范围在500-44000。•长度变异rDNA重复单位的编码区几乎无长度变异。长度变异主要存在于ITS1、ITS2和IGS上。导致差异的原因是IGS的序列中部存在着亚重复序列，其长度为100-200bp，这种亚重复序列在物种间还存在拷贝数的差异。•序列差异rDNA的序列在不同生物类群间存在不同的保守性，在高等植物中，不同纲、目之间的同源率可达90%以上。在低等植物中，序列同源性仅在80%左右，在编码区内的不同区域的同源性也有区别。序列的差异主要表现在ITS1、ITS2和IGS上，其中IGS差异更大。如豌豆和蚕豆的ITS1序列存在16-50%的差异。在高等植物中，rDNA的编码区序列高度保守(不同纲、目间的同源率可达90%以上)，序列差异主要表现在ITS、ETS及IGS等非编码区上。rDNA的编码区(18S、5.8S及26S)序列一般用于高级阶元的系统发育研究，而非编码区(ITS、ETS及IGS)序列常用于较低分类阶元的系统学研究。1．核DNA资料与植物系统学rDNA资料的植物系统学应用A．18S基因序列长约1850bp。18S基因序列分析对揭示植物高等级分类群间的系统发育关系具有重要意义，进化速率慢，适用于科级以上水平的研究，1998年以前已经成功的运用到藻类、藓类、蕨类、裸子植物、低等金缕梅类和毛茛类、单子叶植物等的系统学研究。Nickrent和Soltis(1995)的研究表明，18S基因对于被子植物内高级分类水平上(科及科以上)的系统发育研究可提供较多的信息，其序列变异程度尤其适于探讨被子植物乃至种子植物内部的深度系统发育分支间的关系。Chaw等(1997)运用18S基因探讨了裸子植物的分子系统发育及种子植物的进化问题，结论支持裸子植物为单系群。Soltis等(1997)选用了233个种代表被子植物的所有纲，用18S基因研究支持了木兰纲是现有被子植物中最原始的类群。由于在不同类群间序列的变异程度有所差异，18S基因有时也可用于亚科或属间关系的重建，如檀香目及其它寄生植物，其18S基因的进化速率明显快于在其它被子植物中的速度。1．核DNA资料与植物系统学B．ITS序列ITS1的长度为187-298bp，ITS2的长度为187-252bp，ITS可能是分子系统学研究中应用最为广泛的基因之一。ITS序列在裸子植物中变异很大，尤其是长度变异非常显著，因此一般认为ITS不适用于裸子植物的系统发育研究。但在被子植物中，ITS区由于序列短(600-700bp)、两端连接高度保守区、拷贝数多、长度保守、一致进化、进化速率较快等特点，适用于科内，尤其是近缘属间及种间甚至居群间关系的研究。屈良鹄和陈月琴(1999)通过对不同生物类群的ITS序列(自生物学数据库)的比较得出，被子植物大多数科属其ITS序列的种间差异值为1.2-10.2%，属间差异值为9.6-28.8%，这对系统发育研究来说都是较合适的范围。另外，ITS在一些起源古老(如Viburnum、Nothofagus及Winteraceae的一些属)或世代较长的植物类群(如木本竹子)中的变异较低，也为研究那些间隔区进化速度很慢的古老类群间的关系和长世代类群内较高阶元的系统重建提供了可能性。1．核DNA资料与植物系统学通常，ITS在研究属内种间和较近的族间、属间关系时都表现出较高的趋异率和信息位点百分率，为类群内部的系统重建提供了较好的支持。另外，ITS序列对于揭示异域或间断分布居群间的关系也具有潜力。ITS不仅可以解决科、亚科、族、属、组内的系统发育和分类问题，而且可以用于重建多倍体复合体的网状进化关系，探讨异源多倍体的起源过程。ITS应用于植物系统学研究的缺点是序列短，能够提供的性状数量有限，因此最好将其与其它来源的资料结合起来构建较好支持的系统树。1．核DNA资料与植物系统学1．核DNA资料与植物系统学C．ETS及IGS序列rDNA重复单位中的外转录间隔区ETS位于18S基因的上游，其长度在不同类群间的变异较大，一般在0.8-1.1kb之间，虽然ETS的进化速率与ITS相似，甚至更快，但由于上游与高变的IGS相连，难以找到合适的通用引物扩增整个区域，故用于系统学研究的例子较少，一些作者认为这一片段对于那些仅靠ITS片段尚不能提供足够变异的年轻分支内的研究可给予一定的帮助。位于rDNA重复序列间的非编码区NTS或称基因间区IGS，是rDNA中进化最快的片段之一，推测在近缘类群间的系统学研究、杂交研究及居群遗传学研究上具有一定的应用潜力。1．核DNA资料与植物系统学随着探索其它核基因组序列在植物系统发育重建研究中应用的深入，如waxy内含子、多聚半乳糖醛酸酶、谷氨酰胺合成酶的内含子及外显子、rpb2、乙醇脱氢酶、光敏色素、组蛋白H3内含子和小热激蛋白编码基因等等，为针对特定的系统发育问题的研究提供了更多的可供选择的DNA序列(但多为多基因家族)。查尔酮合成酶(chalconesynthase，CHS)是植物类黄酮物质合成途径的关键酶，CHS基因是一个较大的基因家族，其编码区比较保守，长约1.2kb，科之间的同源性一般在80%以上。王金玲等(2000)认为CHS基因可以用于科以下分类等级的系统关系研究。1.2其它核基因组序列2．叶绿体DNA资料与植物系统学2.1叶绿体基因组的结构cpDNA为闭环双链DNA长度一般为120-220kb多在120-160kb之间单子叶植物111-182kb双子叶植物117-165kb长度变异主要由两个反向重复序列(IR)引起。IR长约22-25kb，其上主要为一些rRNA基因，重复区内基因完全相同，但序列相反。两个反向重复序列将整个cpDNA分为一个大单拷贝区(LSC，长约81-87kb)和一个小单拷贝区(SSC，长约18-20kb)。2．叶绿体DNA资料与植物系统学2.2叶绿体基因组的变异任何两种植物之间至少有30%的同源性，亲缘关系越近同源性越高。cpDNA主要变异表现在以下方面：•倒位与重排：植物cpDNA中存在着广泛的重排现象。天竺葵、桔梗科和一些豆科植物的cpDNA的重排现象频繁。豆科植物中广泛存在着一个50kb的倒位现象，地钱及苔藓植物与烟草的cpDNA的差异也表现在30kb的倒位。而且，倒位的发生使重排率更为加大。•插入或缺失：主要是IR缺失、基因或内含子缺失、非编码区的插入或缺失。在豆科及裸子植物中的松柏类等一些植物中缺失反向重复序列IR。烟草和地钱中的三个内含子在水稻中缺失。在非编码区的插入或缺失经常发生，而在编码区插入或缺失常是3bp或3的倍数，而并不打破其原来的阅读框架。•序列变异：cpDNA相当保守，进化速率平均每年每个位点约0.2-1.0×10-9，仅为核基因组的1/5。而在编码蛋白质的基因中，碱基置换率与核基因极为相似，显示出同样的自然选择压的结果。一般来说，非编码区的突变率要明显高于编码区。在cpDNA中，不同区域的突变率也有差异，LSC的突变率高于SSC。另外还存在一些突变的热点区。2．叶绿体DNA资料与植物系统学植物cpDNA因具有下列特性，已成为分子系统学研究的焦点：•基因组较小，但包含大量的DNA成分；•拷贝数目多，有利于提取与分离；•在分子水平上的差异明显，为比较进化研究提供了基本的信息支持；•序列资料全面，许多cpDNA基因在许多植物中已被测定；•相对保守保证了分类群之间的可比性，一个cpDNA探针可用于所有分类群的比较研究；•编码区和非编码区序列进化速率相差较大，适于不同分类阶元的系统发育研究。•cpDNA有其独立的进化路线，可以不依赖其它任何数据即可构建系统树。但由于cpDNA是单亲遗传，因此并不能解释所有的系统发育问题，如研究类群间的杂交或渐渗现象。2.3cpDNA在植物系统学的应用2．叶绿体DNA资料与植物系统学2.3.1编码基因除rbcL基因外，越来越多的cpDNA编码基因(如matK、ndhF、atpB等)被广泛应用于不同科、目乃至整个被子植物的系统发育研究中。2．叶绿体DNA资料与植物系统学A．rbcL基因编码1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/氧化酶大亚基，位于cpDNA的大单拷贝区，长约1400bp。随着对rbcL基因研究的深入，如结构、功能、进化速率及其在植物不同分类阶元中的系统学意义等等，rbcL成为植物分子系统学研究中应用最普遍的基因之一。虽然rbcL基因在不同植物类群中的进化速率有着较大的差异，但总的来说相对保守(如烟草和水稻的rbcL基因的核苷酸相似性为93%)，为植物较高分类阶元的系统发育历史的重建研究提供了一重要的性状来源，并得到了很好的启发性的研究结果。迄今为止，rbcL基因序列已用于许多分类群的系统发育研究，从科内(多为远缘属间)到有花植物主要谱系间，甚至于整个蕨类、种子植物谱系间的关系。2．叶绿体DNA资料与植物系统学与进化速率快的基因相比，rbcL基因与其它进化较慢的cpDNA序列常被广泛应用于较远类群的系统学研究中，但用DNA序列研究远缘相关类群常会遇到以下两个问题：(1)所选编码序列的各核苷酸位点的替代速率不一致。如rbcL基因的同义替代率比非同义替代率大约高15倍，但这一缺陷可以将DNA序列翻译成蛋白，进而比较其氨基酸序列的方法予以弥补。(2)在主要植物分支间关系的研究中，许多关键问题常会涉及到早期植物在一较短的时间里发生了怎样的分化，而进化慢的基因相对于进化快的基因在这一分化时期未能发生足够的碱基替代，故对所发生的分支进化不能提供足够的重建信息，但将分子与形态数据结合起来分析，会对系统重建研究有所帮助。Morhar等（1994）研究了蔷薇科植物rbcL序列变异在系统学和进化上的意义，证实蔷薇科内建立苹果亚科的合理性。汪小全等（1997）运用PCR方法分别从松科8属、9种植物中扩增出长约2550bp的cpDNA片段（包括rbcL、trnR及基因间的非编码区），选用18种限制性内切酶进行酶切分析，揭示了松科植物系统发育的分子生物学证据。俸宇星等（1998）利用rbcL基因序列分析对连香树科和交让木科的系统位置重新进行了评价。陈之瑞等（1998）用