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杜氏赖草(Leymus duthiei)及杜氏赖草长芒变种(Leymus duthiei var. longearistatus)的nrDNA ITS序列分析



全 文 :第 28卷 第 3期
 2010 年 9 月     
四川农业大学学报
Journal of Sichuan Ag ricultur al Unive rsity
    Vol.28 No.3
Sep.2010
  收稿日期:2010- 07- 20
基金项目:国家自然科学基金(30870154;30900087); 四川省教育厅项目。
责任作者:周永红(E-mail:zhouyh@sicau.edu.cn)
杜氏赖草(Leymus duthiei)及杜氏赖草长芒变种(Leymus
duthiei var.longearistatus)的 nrDNA ITS序列分析
凡 星 , 廖 莎 , 罗春莲 , 康厚扬 , 张海琴 , 周永红
(四川农业大学 小麦研究所 , 四川 温江 611130)
摘要:本研究对杜氏赖草(Leymus duthiei)及杜氏赖草长芒变种(Leymus duthiei var.longearistatus)的 nrDNA ITS
进行多克隆测序 ,探讨 ITS 序列在其个体内的多样性和个体间的遗传分化。序列多态性 、基因谱系和 rRNA 基因
二级结构分析表明:①由于致同进化作用 , ITS 序列在 L.duthiei和 L.duthiei va r.longearistatus中可能朝 Ns 基因
组一方发生偏向;③致同进化的驱动力可能促使不同的 ITS 拷贝序列在 L.duthiei var.longearistatus中比在 L.
duthiei中更趋于一致;③ITS 序列在 L.duthiei和 L.duthiei var.longearistatus中的遗传分化可能与它们的地理隔
离有关 。
关键词:杜氏赖草;杜氏赖草长芒变种;nrDNA ITS;致同进化
中图分类号:S512.9  文献标识码:A  文章编号:1000-2650(2010)03-0265-06
Sequence Analysis of the ITS Region of Nuclear Ribosomal DNA
(nrDNA)in Leymus duthiei and Leymus duthiei var.longearis tatus
F AN Xing , L IAO Sha , L UO Chun-lian , KANG Hou-yang , ZHANG Hai-qin , ZHOU Y ong-hong
(T riticeae Resea rch Institute , Sichuan Ag ricultural Univer sity , Wenjiang 611130 , Sichuan , China)
Abstract:Sequencing of multiple clones of ribo somal ITS sequences in Leymus duthiei and Ley-
mus duthiei var.longearistatus were performed to estimate ITS polymorphism w ithin and be tw een
individuals.Sequence diversi ty pat terns , I TS RNA seconda ry st ructure and genealogical analysis
suggested that :①due to concerted evolution , ribo somal ITS sequences in L.d uthiei and L.
duthiei var.longearistatus might be biased tow ards the Ns genome dono r;②concerted evo lution
might help to make the ribosomal I TS sequences w ithin L .duthiei var.longearistatus more ho-
mogenized than tha t wi thin L.duthiei;③ITS sequence divergence betw een L .duthiei and L.
duthiei var.longearistatus might be responsible for their g eog raphic iso lation.
Key words:Leymus duthiei ;Leymus duthiei var.longearistatus;nrDNA ITS;concerted evolu-
tion
  除苔藓植物外的陆生植物中 , 编码核糖体
rRNA 基因(rDNA)是高度重复的串联序列单位 。
其中 ,核糖体小亚基的 18S 、5.8S 和 26S 基因共同
构成一个转录单位 ,这些转录单位拥有数百甚至成
千上万个拷贝 ,它们位于同一染色体的一或几个基
因位点 ,或位于不同染色体上[ 1] 。18S 与 5.8S 以及
5.8S 与 28S 基因之间分别存在着内转录间隔区
ITS1和 I TS2 。ITS1和 ITS2的转录产物在 rRNA
加工过程中将被切除 ,在 rRNA 成熟过程中具有重
要作用[ 2] 。
18S 、5.8S 和 26S 基因相对保守且进化速率缓
慢 ,有利于 nrDNA ITS 序列的 PCR通用引物设计
和扩增 。相比之下 ,nrDNA ITS 受到的选择压力较
小 ,进化速率较快 ,序列长度适中(如被子植物含
    四川农业大学学报 第 28卷
5.8S rDNA 的 nrDNA ITS约 600 ~ 700 bp)。作为
18S 、5.8S 、26S 基因的内转录间隔区 , nrDNA ITS
的重复单位间容易发生位点内或位点间的致同进化
(Concerted evolution)[ 3] 。I TS这些特点 ,尤其是致
同进化的普遍性 ,使其成为被子植物系统重建的重
要分子标记 ,被广泛应用于较低分类阶元 ,特别是属
内种间的系统发育研究[ 4] 。近年来的研究表明 ,
ITS序列在植物种内个体间 ,甚至个体的基因组内
也可能存在着较高的多样性[ 5-11] ,暗示 ITS 存在致
同进化不完全现象。 ITS 序列在个体基因组内的多
态性在异源多倍化后还可能得到进一步增强[ 10] 。
异源多倍化导致 I TS 序列多态性的结果包括维持
双亲的 ITS重复序列单位[ 12] ,或丢失亲本一方的序
列拷贝类型[ 5] ,或产生嵌合的重复单位[ 13] 。
Leymus duthiei (Stapf)Y.H .Zhou et H .Q.
Zhang 及其变种 Leymus duthiei var.longearistatus
(Hack.)Y.H .Zhou et H .Q.Zhang 是禾本科
(Poaceae)小麦 族(T ri ticeae)赖草属 (Leymus
Hochst.)的异源四倍体(2n =4x =28)植物 。L .
duthiei主要分布在泛喜马拉雅区域 ,生长于海拔
600 ~ 2 000 m 的山谷森林下 , 而 L.d uthiei var.
longearistatus仅分布于日本 , 生长于海拔 700 ~
1100 m 的阴湿山林和沿河的灌丛中[ 14] 。L.duthiei
和 L .duthiei var.longearistatus曾一度作为小麦族
猬草属(Hystrix Moench)的两个物种 Hystrix
duthiei (Stapf) Bor 和 Hystrix longearistata
(Hackel)Honda[ 15] 。由于这两种植物外形非常相
似 , Baden 等[ 16] 把 Hy .longearistata 处理为 Hy .
duthiei ssp.longearistata 。基于种间杂种花粉母细
胞减数分裂染色体配对行为和繁育特征 , Zhou
等[ 17] 也认为将 Hy .longearistata 处理为 Hy .
duthiei的亚种是合适的 。近来 ,种间杂种染色体配
对资料和基因组原位杂交[ 18] 以及分子系统学[ 19] 研
究表明这两个类群含有与赖草属植物相同的 NsXm
基因组组成。其中的 Ns 基因组来源于新麦草属
(Psathy rostachy s Nevski),而 Xm 基因组的来源目
前尚无定论[ 20] 。根据基因组分类系统 ,颜济和杨俊
良[ 14]将它们归入赖草属的林下生态组(Section Sy l-
vicola)。
本研究分别从 L.d uthiei 和 L .duthiei var.
longearistatus中克隆和测序了 13和 14 个 I TS 序
列 ,主要目的在于:①检测 ITS序列在 L .duthiei和
L .duthiei var.longearistatus个体内的多样性;②
探讨 I TS 序列在 L.d uthiei 和 L .d uthiei var.
longearistatus间的遗传分化。
1 材料和方法
1.1 供试材料
L .duthiei 采集于四川省崇州市九龙沟 , L.
d uthiei var.longearistatus 由日本京都大学 S.
Sakamoto 博士提供。为了与其近缘二倍体的 ITS
序列进行系统比较分析 ,从 NCBI 数据库中获得了
5个物种的各 1 个 ITS 序列作为参照。其中 ,
EF581982 、AY740793 、 AJ607935 、 GU557068 和
L36483分别来自二倍体新麦草(P sathy rostachy s
juncea ,NsN s)、拟鹅观草(P seudoroegneria spica-
ta , S tSt)、大麦(Hordeum jubatum , HH)、冰草
(Agropy ron cristatum , PP)和澳洲冰草(Austra-
lopy rum pect inatum , WW)。Bromus tectorum L.
的 I TS 序列 L36485作为外类群 。所用材料的凭证
标本藏于四川农业大学小麦研究所标本室(SAU-
TI)。
1.2 方 法
1.2.1 DNA 提取 、PCR扩增和测序
DNA 提取采用 CTAB法[ 21] 。引物序列(ITS1-
5.8S-ITS2)为 , I TS-4:5′-TCCTCCGCTTA T T-
GATA TGC-3′; ITS-L: 5′-TCG TAACAAG-
GT TTCCGTAGG TG-3′[ 22] 。 PCR 扩增在 Gene-
Amp PCR System 9700(Applied Biosy stems , CA ,
USA)扩增仪上进行 。PCR 反应体系为 50 μL ,其
中含 dN TP 200 μmol/ L ,引物 1.0 μmo l/L , MgC l2
1.5 mmol/L , 10×反应缓冲液 5.0 μL , Ex Taq酶
1.5 U(TaKaRa),6%的二甲基亚砜(DMSO)。PCR
反应条件为:94 ℃预变性 5 min;以 94 ℃变性 1
min ,52 ℃复性 1 min , 72 ℃延伸 1 min ,进行 35个
循环;最后 72 ℃延伸 8 m in。PCR产物用 1.0%琼
脂糖电泳分离 ,用 OMEGA 试剂盒(OMEGA Bio-
Tek)进行割胶回收。然后 , 回收片段连接到
pMD18-T 载体(Takara),以 DH10B 转化连接产
物 ,对转化子进行阳性筛选 。每份材料选取 13 ~ 15
个阳性克隆进行双向测序。序列测定由北京三博远
志生物技术有限公司完成。
1.2.2 数据分析
用 ClustalX(1.83)[ 23]对 ITS 序列进行多重排
定 ,并进行手工校正。根据 GenBank 中已有小麦族
植物的 ITS 序列 ,确定 ITS1 、5.8S和 ITS2的边界。
利用MEGA 4.0[ 24]计算各个 I TS序列的长度和GC
含量 ,利用 Kimura s双参数模型构建 NJ 系统树 ,
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duthiei var.longearistatus)的 nrDNA ITS 序列分析    
以自展法(boo tst rap)1 000 次重复取样分析分支支
持率 。
为了 评 估 L .duthiei 和 L .d uthiei var.
longearistatus中不同克隆的 ITS 单倍型序列的数
目及变异式样 , 利用 Netw ork 4.1.1.2 (Fluxus
Technolog y Ltd , Clare , Suffolk , UK)的 Median-
joining (MJ)算法对这两个类群的 I TS 序列进行网
状支系分析 ,再用 DnaSP 4.10.4.[ 25] 分析单倍型核
苷酸多态性平均数(π)和核苷酸分离位点多态性平
均数(θw)。
rRNA 基因二级结构包括了一级结构不具有的
类似于形态方面的特征 ,能改善和提高系统发育分
析的可靠性 ,在系统分析中非常有用[ 26] 。为进一步
对 L.duthiei 和 L .duthiei var.longearistatus 的
ITS序列分歧度及系统分析的可靠性进行评估 ,采
用 Vienna RNA [ 27] 对其所有 ITS 单倍型的 ITS1+
ITS2和 5.8S 区域排列序列分别进行二级结构分
析。
2 结果与分析
2.1 ITS序列分析
本研究分别从 L.d uthiei 和 L .duthiei var.
longearistatus中获得了 13和 14个 ITS序列。 ITS
序列全长为 601 ~ 602 bp , I TS1+I TS2 区为 437 ~
438 bp 。所有 ITS 序列的 5.8S 区长度为 164 bp 。
ITS1+ITS2的 GC 含量为 63.3%~ 64.4%, 5.8S
区域的 GC含量为 58.6%~ 60.4%。L.d uthiei 的
13 个 ITS 单倍型核苷酸多态性平均数 π =
0.01003;分离位点多态性平均数θw =0.013 47 ,L .
duthiei var.longearistatus的 14个 I TS 单倍型核
苷酸多态性平均数 π=0.004 31;分离位点多态性平
均数θw =0.009 48。
将 L .duthiei和 L .duthiei var.longearistatus
的所有 ITS 序列与 Psa.juncea 、P se.spicata 、H .
jubatum 、Ag.cristatum 、Au.pectinatum 和 B .tec-
torum 的 ITS 序列进行排列后形成的数据矩阵包括
33个序列共有 604个位点 。其中 ,保守 、变异和简
约信息位点分别为 470 ,130和 29个 。大部分的序
列变异发生在间隔区 ,很少发生在 5.8S区域。
2.2 系统发育分析
NJ系统发育分析将33个 I TS序列分为 3个分
支:Clade Ⅰ 、Ⅱ和 Ⅲ(图 1 , A)。 Clade I 包括 L .
duthiei和L .duthiei var.longearistatus的所有 27
个 ITS 序列和来自 Psa.juncea 的序列 , 并获得
69%的自展支持率 。在 Clade Ⅰ支中 , L.duthiei和
L .d uthiei var.longearistatus 聚成一个亚支(自展
支持率为 96%),而 Psa.juncea 处于该亚支的基
部 。Clade Ⅱ包括 Pse.spicata 、Ag.cristatum 和
Au.pectinatum 的 ITS 序列 ,自展支持率为 72%。
Clade Ⅲ由 H.j ubatum 构成 。
2.3 网状支系分析
L .duthiei 和 L .duthiei var.longearistatus的
ITS 序列被进一步用于网状支系分析 。网状支系分
析将 27个 I TS 序列分成 26个单倍型 ,显示其高水
平的 ITS序列单倍型多态性(图 1 ,B)。网状支系图
中 ,L .duthiei和L .d uthiei var.longearistatus分别
形成两个独立的分支 ,两个分支间发生的最少突变
数为 3 ,分别位于排列位点的 418 、443 和 446 处。
L .d uthiei的 DUTH2和 DUT H5 分享相同的单倍
型 。L .duthiei var.longearistatus形成的分支中 ,
LONG13处于分支中心位置。
2.4 二级结构分析
对 L.d uthiei 和 L .duthiei var.longearistatus
所有 ITS单倍型的 I TS1+I TS2 和 5.8S 区域排列
序列分别进行二级结构分析(图 2A ~ D)。 L.
d uthiei和 L .duthiei var.longearistatus的 5.8S 区
域形成相同的二级结构(图 2A ,C),5.8S 的二级结
构最小自由能分别是-90.39 和-91.83 kcal/mol。
而它们的 ITS1+ITS2 区域形成的二级结构不同
(图 2B , D),最小自由能分别是-294.49 和-300.00
kcal/mol。
3 讨 论
物种在进化过程中 ,致同进化使基因组内 nrD-
NA ITS所有拷贝无法累积各自特异的突变而共享
一套相同的突变机制。维持双亲的 I TS 重复序列
拷贝 ,或只保留亲本一方的序列 ,或产生嵌合的重复
单位是 ITS 序列在多倍化过程中发生致同进化的
主要结果[ 5 , 10 , 12-13] 。通过测序多个不同克隆(每个采
样 10 ~ 20个克隆)的方法可以在多倍体植物中检测
ITS 序列由于致同进化而发生的变异式样[ 10 , 28-29] 。
本研究采用此方法分别从 L .duthiei和 L .duthiei
var.longearistatus获得 13 和 14 个 ITS 序列。两
个类群的5.8S基因二级结构显示相同的结构式样 ,
推测这 27个 I TS 序列可能来源于相同的基因组供
体一方 。系统发育分析进一步显示所有 27 个 ITS
序 列 均 与 L .duthiei 和 L .d uthiei var.
longearistatus的二倍体供体属植物Psa .juncea
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    四川农业大学学报 第 28卷
  DU TH 和 LONG 分别代表 L.duthiei和 L.duthiei var.longearistatus的名称 ,其后面的数字为克隆号。
DU TH and LONG represent the name of L.duthiei and L.duthiei var.longearistatus , re spectively.The number s after
DUT H and LONG represent the number of clone.
图 1 基于 ITS序列构建的 NJ树(A)和网状支系图(B)
Figure 1 NJ tree inferred from ITS sequences(A)and MJ networks(B)
聚成一个分支(自展支持率为 69%)。根据这些结
果 , 推 测 在 L.duthiei 和 L .duthiei var.
longearistatus中获得的 I TS 序列可能由于致同进
化的作用而朝 Ns基因组一方发生偏向 。
对比 L .duthiei和 L .duthiei var.longearista-
tus个体内 I TS序列间的单倍型核苷酸多态性平均
数(π)和核苷酸分离位点多态性平均数(θw),发现
L.duthiei (π=0.010 03 , θw =0.013 47)均分别高
于 L .duthiei var.longearistatus的(π=0.004 31 ,
θw =0.00948)的相应指标。这表明 I TS 序列的遗
传分 化在 L .d uthiei 中比 在 L .duthiei var.
longearistatus中更明显。可能的原因是致同进化
的驱动力已促使不同的 I TS 拷贝序列在 L .duthiei
var.longearistatus 中比在 L .d uthiei 中更趋于一
致。
27个 ITS 序列的网状支系分析显示 L.duthiei
和 L .duthiei var.longearistatus形成两个分支 。排
列序列 I TS1 +I TS2 区域的二级结构分析也表明
L .d uthiei和 L .d uthiei var.longearistatus拥有不
同的结构式样 。结合核苷酸多态性和核苷酸分离位
点多态性分析 ,推测这两个类群间的 ITS 序列已发
生明显的遗传分化。该遗传分化可能部分反映了
L .d uthiei和 L .d uthiei var.longearistatus的形态
差异和地理分布。Barraclough 和 Vog ler[ 30] 指出 ,
长期的地理隔离是阻止类群间基因漂流并发生遗传
分化的重要基础 。尽管 L .duthiei 及其变种 L .
d uthiei var.longearistatus在植株外部形态上高度
相似 ,但 L.d uthiei 的颖大部分退化 ,而 L.duthiei
var.longearistatus的颖呈锥形 ,这也是它们唯一的
形态区别。地理分布上 ,L .duthiei主要分布在泛喜
马拉雅区域 ,而 L.duthiei var.longearistatus仅分
布于日本 。长期的地理隔离可能使L .duthiei和
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第 3 期 凡 星(等):杜氏赖草(Leymus d uthiei)及杜氏赖草长芒变种(Leymus
duthiei var.longearistatus)的 nrDNA ITS 序列分析    
图 2 基于 ITS1+ITS2 区构建的 RNA二级结构
Figure 2 The RNA secondary structures based on ITS1 plus ITS2 sequences
L.duthiei var.longearistatus在形态和遗传上发生
了分化。
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(本文审稿:颜泽洪;责任编辑:巩艳红;英文编辑:李清源)
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