全 文 ：中国鹤虱属(Lappula Moench)分子系统学研究 ①
黄建峰1，2， 张明理1，3
(1． 中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区生物地理与生物资源重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011;
2． 中国科学院研究生院，北京 100049;3． 中国科学院植物研究所，北京 100093)
摘 要:以黄花软紫草(Arnebia guttata Bunge)和双柱紫草(Coldenia procumbens L．)为外类群，用 PAUP* 4． 0 对鹤
虱属(Lappula Moench)13 个代表种的核糖体 ITS和叶绿体 rpS16 序列进行分子系统发育分析。采用最大简约法和
最大似然法对获得的序列矩阵进行分析，得到一致性进化树。拓扑结构显示，Lappula为单系类群，前人对该属属下
阶元的划分带有一定的人为主观性，不能完全真实反映其系统发育关系。结合形态学特征，得出该属植物大致沿
着花由小型到大型，果实由同型到异型，小坚果边缘有瘤或刺到具翅这样的路线演化的。
关键词:鹤虱属(Lappula) ;ITS序列;rpS16 序列;系统发育
鹤虱属(Lappula)为紫草科(Boraginaceae)齿缘
草族(tribe Eritrichieae Benth． et Hook)的一主干属，
约 61 种，分布于亚洲、欧洲温带，非洲、北美及澳大
利亚〔1－4〕。欧洲仅 6 种，北美仅 5 种〔2〕，前苏联境内
种类较为丰富，约 45 种，而集中分布于哈萨克斯坦
的有 32 种〔1〕。我国产 36 种〔4〕，新疆分布有 29
种〔5〕。从地理分布来看，其分布中心为原苏联中亚
地区〔1〕。该属大多为荒漠植物，是荒漠区系的重要
组成部分〔6〕，在我国西北荒漠区大为分化，但也随
土壤沙漠化而侵入华北、东北〔2〕。依据形态学特
征，Popov〔3〕将原苏联产的鹤虱属植物分属为 2 个
组，组下建立 14 个系。Riedl 在编著伊朗植物志鹤
虱属植物时，把 Popov的某些系进行了重新组合，并
改系为亚组〔1〕。我国植物学家王庆瑞〔1〕认为，Pop-
ov的划分过于强调了次要特征，他更认同 Riedl 的
观点，将我国鹤虱属植物分属于 2 个组，组下建立 7
个亚组。而朱格麟先生在编写 Flora of China 紫草
科时，未对鹤虱属进行属下等级的划分〔4〕。
由于对环境的适应以及可能存在的杂交，有时
模糊了种间的形态学界限，所以给该属植物的分类
带来很大的困难，被认为是分类难度较大的类群，正
如 Nelson和 MacBride所说，鹤虱属几乎到了混乱的
地步〔7〕。分子数据是独立于形态学性状的数据，易
于获取和分析，且排除了人为主观因素，能有效弥补
形态分类学研究的不足〔8〕。在分类系统位置和分
类群间关系方面如能结合分子系统发育的证据进行
再讨论，也可解决一些争议，如属下分系分组是否合
适，形态学上的分组是否准确反映了其系统发育关
系等。对于鹤虱属，至今未见有关分子系统学相关
研究的报道，我们希望分子数据的加入能够为该属
的系统发育研究提供新的可靠的证据。
由于单基因片段提供的信息是有限的，构建的
系统树往往只是该片段的基因树，并不能真实地反
映分类群的系统发育关系〔9〕。基于此，本文选用了
来自细胞核核糖体 DNA(nrDNA)和叶绿体 DNA
(cpDNA)的片段进行测序，同时参照王庆瑞〔1〕的系
统，采集了鹤虱属属下 2 组 5 亚组的 13 个代表种 15
份标本，以黄花软紫草和双柱紫草为外类群，测定了
它们的 ITS 和 rpS16 序列，希望借助分子系统学证
据，对该属植物的种间关系、属内分类群的系统位置
进行探讨，并结合形态学来讨论分类群的系统演化
关系。
1 材料与方法
1． 1 材料
凭证标本、来源信息及主要鉴定特征见表 1。
个别材料来自石河子大学标本馆(SHI) ，双柱紫草
数据来自 Genbank。
第 29 卷 第 5 期
2012 年 9 月
干 旱 区 研 究
ARID ZONE RESEARCH
Vol． 29 No． 5
Sep． 2012
① 收稿日期:2011－10－26; 修订日期:2011－11－30
基金项目:中国科学院新疆生态与地理研究所百人计划支持项目(0876061) ;干旱区生物地理与生物资源重点实验室资助
作者简介:黄建峰(1984－) ，男，山东菏泽人，硕士研究生，主要从事植物分子系统学研究． E-mail:huangjianfeng06@ 163． com
通讯作者:张明理． E-mail:zhangml@ ms． xjb． ac． cn
811－815 页 http:/ /azr． xjegi． com
DOI:10.13866/j.azr.2012.05.015
表 1 材料来源
Tab． 1 Sources of the materials
分类群 凭证标本 采集点
形态特征
果型 花型 翅
鹤虱属
Lappula
Moench
石果鹤虱组 Sect． Sclerocaryum DC． Prodr．
石果鹤虱 L． spinocarpos (Forsskal)Ascherson
ex Kuntze 翟伟
(Wei Zhai)119 (SHI) 新疆石河子市将军山 同型 小型 无翅
鹤虱组 Sect．
Lappula
短萼鹤虱亚组 Subsect．
Sinaicae Riedl 粗梗鹤虱
L． lipschitzii Popov 翟伟(Wei Zhai)086 (SHI) 新疆石河子市将军山 同型 小型 无翅
隐果鹤虱 L． occultata Popov 黄建峰(Jian-Feng Huang)201008043 新疆昭苏县军马场 同型 大型 无翅
沙生鹤虱亚组 Subsect．
Deserticolae C． J． Wang 密枝鹤虱
L． balchaschensis Popov ex Pavlov 皮锡铭(X． M． Pi)8341 新疆克拉玛依市 同型 小型 无翅
大花鹤虱亚组 Subsect．
Macranthae Riedl 劲直鹤虱
L． stricta (Ledebour)Gürke 黄建峰(Jian-Feng Huang)201008051 新疆吉木乃县黑山头 同型 小型 无翅
蒙古鹤虱 L． intermedia (Ledebour)Popov 1 黄建峰(Jian-Feng Huang)2010043 山西省岢岚 同型 小型 无翅
蒙古鹤虱 L． intermedia (Ledebour)Popov 2 黄建峰(Jian-Feng Huang)2010052 青海西宁市植物园 同型 小型 无翅
小果鹤虱 L． microcarpa(Ledebour)Gürke 黄建峰(Jian-Feng Huang)201009003 新疆石河子市南山 同型 大型 无翅
狭果鹤虱 L． semiglabra(Ledebour)Gürke 黄建峰(Jian-Feng Huang)2010055 甘肃酒泉市清水镇 同型 小型 无翅
卵果鹤虱 L． patula (Lehmann)
Ascherson ex Gürke 黄建峰
(Jian-Feng Huang)20090056 新疆塔城市郊 同型 小型 无翅
鹤虱亚组 Subsect
Lappula Zak． 鹤虱
L． myosotis Moench 1 黄建峰(Jian-Feng Huang)201008049 新疆托里县库普乡 同型 小型 无翅
鹤虱 L． myosotis Moench 2 孟宏虎(Hong-Hu Meng)M-MG001 陕西定边马沟圈 同型 小型 无翅
短梗鹤虱 L． tadshikorum Popov 翟伟(Wei Zhai)121(SHI) 新疆石河子市将军山 同型 小型 无翅
蓝刺鹤虱 L． consanguinea(Fischer ＆
Meyer)Gürke 黄建峰
(Jian-Feng Huang)20090213 新疆可可托海地质公园 同型 小型 无翅
异形鹤虱亚组 Subsect．
Heteromorphae C． J． Wang 硬翅鹤虱
L． alatavica(Popov)Goloskokov 阎平(P． Yan)3791(SHI) 新疆塔什库尔干卡拉其古 异型 大型 具翅
软紫草属 Arnebia Forssk 黄花软紫草 Arnebia guttata Bunge 黄建峰(Jian-Feng Huang)20090271 新疆富蕴县城北
双柱紫草属 Coldenia L． 双柱紫草 Coldenia procumbens L．
注:小型花指花冠檐部直径 1 ～ 3 mm;大型花指花冠檐部直径 5 ～ 6 mm。中国植物志和 Flora of China中均未收录物种 L． lipschitzii Popov，但新疆植物志有该种的记录与描述，笔者认为此种
在中国有分布。
1． 2 实验方法
用改良 CTAB法〔10〕，从硅胶迅速干燥的标本叶
片中提取植物总 DNA，通过聚合酶链式反应(PCR)
扩增 ITS和 rpS16 序列。ITS 采用双引物 ITS1+ITS4
扩增，为位于 18S 上的 ITS －1(5 －AGA AGT CGT
AAC AAG GTT TCC GTA GC－3)和位于 26S 上的
ITS－ 4 (5 － TCC TCC GCT TAT TGA TAT GC －
3)〔11〕。rpS16 扩增采用通用引物 rpS16 － F (5 －
GTG GTA GAA AGC AAC GTG CGA CTT － 3)和
rpS16－R (5 －TCG GGA TCG AAC ATC AAT TGC
AAC － 3)〔12〕。扩增程序为:① 94 ℃ 预热 2
min;② 94 ℃变性 30 s;③ 52 ℃退火 30 s;④ 72 ℃
延伸 90 s;⑤ 72 ℃延伸 10 min。② ～④重复 30 个
循环。PCR产物经琼脂糖凝胶电泳检测合格后，由
上海生物工程技术服务有限公司完成测序。
1． 3 数据分析
序列编辑和拼接用 SeqManⅡ完成。ITS数据构
建单独序列矩阵，然后联合 rpS16 序列构建联合矩
阵，利用 Clustal X 1． 83〔13〕对矩阵进行自动排序，并
进行必要的人工排序调整。应用 Modeltest 3． 7〔14〕
对序列矩阵进行模型选择，获得最适合核苷酸替代
模型和相关参数估值，其中 ITS 单独序列矩阵的最
适合替代模型为 GTR+G，联合矩阵的最适合替代模
型为 TrN+I+G。分别对 ITS 单独矩阵和 ITS+rpS16
联合矩阵进行分析，用 PAUP* 4． 0〔15〕，采用最大似
然法(maximum likelihood，ML)和最大简约法(max-
imum parsimony，MP)构建相应的基因树(MP 树和
ML树) ，选择的替代模型参数用在 ML分析中。ML
分析选取启发式搜索和树二等分再连接进行构树;
MP 分析中，矩阵的空位作缺失处理，所有性状状态
做等权无序处理。采用启发式搜索 1 000 次抽样，
多重性选择和 ACCTRAN优化，TBR支长交换，获得
严格一致树。采用自展分析(bootstraps，BS)对一
致性树进行检验，评估分支的可靠性〔16〕。
218 干 旱 区 研 究 29 卷
2 结果与分析
对鹤虱属 15 份样本序列的单独及联合矩阵进
行相关数据信息统计，结果见表 2。因 rpS16 提供的
信息量过少，本研究不对其单独建树。
表 2 各 DNA序列的参数(不包括外类群)
Tab． 2 Parameters for all kinds of DNA sequences
(excluding the outgroups)
DNA
序列
序列对
比长度
(bp)
变异
位点
信息
位点
信息位
点所占
比例 /%
GC含量
百分比
/%
树长
ITS 629 59 33 5． 25 53． 0 320
rpS16 839 13 13 1． 55 34． 8 －
ITS+rpS16 1467 72 46 3． 14 42． 6 446
(a)基于最大似然法分析获得的严格一致性树;
(b)基于最大简约法分析获得的严格一致性树。
图 1 核基因序列 ITS和叶绿体序列 rpS16 联合分析获得的
鹤虱属系统树(高于 50%的自展值在分支上显示)
Fig． 1 Phylogenetic trees from ITS and cpDNA rpS16 sequences
of Lappula(showing the bootstrap values over 50%)
对联合矩阵构建的系统树拓扑结构(图 1)的分
析表明:
(1)两种分析方法所获得的系统树在拓扑结构
(ML树见 Fig． 1a，MP 树 Fig． 1b)上基本一致，仅在
L． stricta的系统位置上存在矛盾，但支持率并不高
(ML /BS=52，MP /BS＜50)。
(2)鹤虱属构成一个单系，属内成两大支(ML /
BS=99，MP /BS=100)。石果鹤虱组的 L． spinocar-
pos和鹤虱组沙生鹤虱亚组的 L． balchaschensis 构成
的姐妹支(ML /BS=90，MP /BS=87)形成 Clade Ⅰ。
L． balchaschensis 以外的鹤虱组其他亚组类群构成
Clade Ⅱ。
(3)Clade Ⅱ中大花鹤虱亚组中的 L． interme-
dia独成一支，其余类群构成 Clade Ⅲ。
(4)Clade Ⅲ中最先分化出短萼鹤虱亚组的 L．
lipschitzii，而后依次是大花鹤虱亚组的 L． patula 和
L． semiglabra，鹤虱亚组的 L． consanguinea 以及
Clade Ⅳ和鹤虱亚组中的 L． myosotis，L． stricta 的系
统位置不确定。
(5)Clade Ⅳ包括了短萼鹤虱亚组的 L． occul-
tata、鹤虱亚组的 L． tadshikorum、大花鹤虱亚组的
L． microcarpa 和异形鹤虱亚组的 L． alatavica，其中
L． microcarpa和 L． alatavica构成姐妹支。
两种方法对 ITS单独矩阵构建系统树所获得的
拓扑结构(本文没有显示)同样在 L． stricta 位置上
存在冲突，但自展值均低于 50。单独和联合矩阵分
析在 L． sipnocarpos 与 L． balchaschensis 的关系上存
在不一致。单独矩阵分析首先分化出 L． sipnocarpos
(ML /BS=87，MP /BS=100) ;而后是 L． balchaschen-
sis，但支持率极低(ML /BS = 39，MP /BS = 42)。其余
类群系统位置和联合矩阵分析所得结果完全一致，
并得到了较高的支持率。
3 讨 论
本研究结果显示，鹤虱属下阶元的划分带有一
定的人为主观性，不能完全真实反映其系统发育关
系〔1，3〕。不支持王庆瑞〔1〕将 L． balchaschensis归属于
鹤虱组的观点，赞同 Popov〔3〕将 L． balchaschensis 和
L． spinocarpos 归入一组的做法。Popov〔3〕认为，L．
intermedia 是 L． stricta 向 Series Echinatae M． Pop 过
度的类型，因而命名 L． intermedia，本研究不支持这
种观点，同时也不支持 Popov 将 L． lipschitzii 和 L．
occultata、L． sinaica归为一系的做法。Popov〔3〕在苏
联植物志中提到 L． semiglabra同时体现了 L． stricta
和 L． patula 形态特征，其茎是 L． stricta 的再现，而
其花梗特征与 L． patula 更为相似，三者也被王庆
3185 期 黄建峰等:中国鹤虱属(Lappula Moench)分子系统学研究
瑞〔1〕归为同一组，即大花鹤虱亚组。本文 ML 树显
示 L． semiglabra处于 L． patula 和 L． stricta 的过渡
位置，但 L． consanguinea却嵌入其中。另外，本研究
在 L． stricta的系统位置上有冲突，有待进一步研究
来确定其系统位置。
L． myosotis存在种内的序列多态性，该种分布
较广，远及山东、河南，与 Clade Ⅳ关系密切。Clade
Ⅳ中除 L． tadshikorum为小型花之外，其余 3 个均为
大型花，从 L． occultata 到 L． tadshikorum 存在着花
冠从大型花到小型花的逆转。
结合形态特征，我们能够发现一些有价值的结
论。鹤虱属植物是沿着花型由小到大，果实由同型
到异型，小坚果边缘由瘤或短刺到具翅的方向演化，
个别物种出现逆转。花由小型到大型的变化也许更
能吸引昆虫助其授粉，而果实由同型到异型的进化
无疑是提高了其适应性。根据 Gutterman〔17〕的定
义，以及 Ma和赵学杰〔18－19〕等的研究，短刺小坚果采
取“保护型传播策略”，种子只能扩散在母株附近或
被传播到较近的距离，从而占据已有生存空间，保持
种群稳定;长刺小坚果采取“逃避型传播策略”，使
成熟的种子能够传播到较远的距离，从而占据新的
生长空间，利于种群扩散。多态果实扩散方式及扩
散时间的不同，降低了密度的选择效应，减少了同胞
子代之间的竞争〔20〕。从无翅到有翅的变化明显是
为了种子向更远的地方传播。L． alatavica 存在果
实多态性，同时根据野外采集、观察以及中国植物志
的记载，L． microcarpa 的小坚果上锚状刺变化较大，
在同一植株上有的小坚果具长刺，有的小坚果则具
短刺;另外，还有在同一果实上见有异型小坚果，其
中 2 个具长刺，另外 2 个具短刺〔21〕，这也许能够为
L． microcarpa 和 L． alatavica 的密切关系提供一些
解释。
前人〔1，3〕对紫草科的分类系统从各方面进行了
大量的研究，然而鹤虱属似乎成了紫草科中的真空
地带。特别在分子方面，至今没有学者对其进行过
系统的报道。本研究通过分子手段对该属系统关系
进行了探讨，遗憾的是由于取样有限，特别是没有收
集到单果鹤虱亚组(Subsect． Monocarpae C． J．
Wang)和宽刺鹤虱亚组(Subsect． Platypterae C． J．
Wang)的代表种类，分子系统树尚难以全面反映属
下分类群之间的联系，因此，鹤虱属系统学问题还需
扩大取样范围和筛选更合适的 NDA片段的基础上，
整合多学科技术手段进一步探讨。
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Study on Molecular Systematics of Genus Lappula Moench in China
HUANG Jian-feng1，2， ZHANG Ming-li1，3
(1． Key Laboratory of Biogeography and Biological Resources in Arid Land，Xinjiang Institute of Ecology and Geography，
Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China;
2． Graduate University，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;
3． Institute of Botany，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100093，China)
Abstract: In this paper，the molecular phylogeny of the sequences of nrDNA ITS and rpS16 regions of 13 species
representing Lappula Moench was studied by taking Arnebia guttata and Coldenia procumbens as the outgroups and
by using PAUP* 4． 0． Consistent phylogenetic trees were obtained with the maximum likelihood and the maximum
parsimony methods based on DNA sequence datasets． The topologies of gene trees revealed that the Lappula was
monophyly，and the previous studies failed to avoid the subjectivity in the taxonomic categories and identified char-
acters of the genus，making it unable to reflect the actual phylogenetic relationships of Lappula． Combining with
morphology characteristics，this study concluded that the corollas of Lappula evolved from small form to large form，
fruits from homotype to heterotype，and nutlet fringes from tuberculate or prickly one to winged one．
Key words: Lappula;ITS sequence;rpS16 sequence;phylogeny
5185 期 黄建峰等:中国鹤虱属(Lappula Moench)分子系统学研究