全 文 :
2013年
海 洋 湖 沼 通 报
Transactions of Oceanology and Limnology
№2
长松藻ITS序列特征及其系统进化分析
*
张 磊1,刘 翠1,池 姗1,封艳静1,谢恩义2,孙 琰1,刘 涛1*
(1.中国海洋大学 海洋生命学院,山东 青岛266003;2.广东海洋大学 水产学院,广东 湛江524088)
摘 要:采用PCR扩增的方法获得了第一个松藻目物种长松藻(Codium cylindricum)的ITS序列,长松
藻ITS全长515bp,其中ITS1的长度为74bp,5.8S序列长163bp,ITS2的长度为278bp。与已知的绿藻
门其它5个目8个属物种的ITS序列的系统发育分析结果表明,绿藻门物种分为三大支,其中团藻目藻
类为一支,松藻目和刚毛藻目藻类为一支,石莼目、顶管藻目和丝藻目藻类构成一大支;长松藻与刚毛藻
目的刚毛藻属和硬毛藻属物种同为多核藻体,在系统发生上表现出更近的亲缘关系;不同绿藻目海藻的
聚类关系表明,其能够准确地反映出其在单核与多核、单细胞与多细胞等生物结构特性方面的差异与水
平。
关键词:松藻属;长松藻;ITS;系统进化
中图分类号:S946.1 文献标志码:A 文章编号:1003-6482(2013)02-177-06
引言
松藻属(Codium)在分类学上属于绿藻门(Chlorophyta)、松藻目(Codiales)、松藻科(Codiaceae)[1]。
松藻属物种在世界海洋广泛分布,种类多样,栖息生境差异大,是研究形态历史、进化和生物地理学理想
的模式材料。在过去20a间,松藻属海藻因为其高繁殖力造成对栖息地的侵占影响生态群落结构,以及
由于水体富营养化形成有害藻华等特点成为研究的焦点[2-3]。但是它却缺乏一个全面和客观的进化框
架,早期的进化假说都是以形态学特点以及解剖特征为基础,直到2004年才有关于松藻分子进化研究的
报道[4],且到目前为止,仅涉及rbcL和rps3-rpl16两种基因片段[5],有关松藻分子系统学方面的研究报
道极其有限。
长松藻(Codium cylindricum)是松藻属的1个种,是我国南海常见的可食用大型海藻,富含多糖、蛋
白质、粗纤维等营养成分[6-7],且含有抗血管生成的多糖类化合物[8],具有很好的开发价值和应用前景。
目前,有关松藻属ITS序列的相关研究未见报道。本研究通过PCR扩增及测序方法得到长松藻rDNA
ITS序列,分析其序列特征,并结合GenBank数据库中绿藻门各种属ITS序列,从分子水平上探讨其进
化地位,为松藻属的分子系统学研究提供更多的依据。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
本实验所用长松藻材料采自湛江特呈岛(21°09′26′′N,110°24′57′′E),由中国海洋大学大型海藻种
质库提供。藻体用消毒海水冲洗干净,吸干表面水分,保存于-80℃超低温冰箱备用。
1.2 基因组DNA提取
基因组总DNA的提取采用改良CTAB法[9]。DNA经1%琼脂糖电泳检测,使用NanoDrop ND-
1000仪器测定OD260/280比值及浓度,将DNA模板浓度调整到50ng/μL用作PCR扩增。
* 基金项目:海洋公益性行业科研专项(201105021);中央高校基本科研业务费专项资金项目资助
第一作者简介:张磊(1987-),男,在读硕士,海藻遗传学研究方向.E-mail:gbma@ouc.edu.cn
*通讯作者:刘涛,男,副教授,硕士生导师.E-mail:liutao@ouc.edu.cn
收稿日期:2012-04-26
DOI:10.13984/j.cnki.cn37-1141.2013.02.020
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1.3 ITS序列测定
参照Leskinen等方法[10]对长松藻ITS序列进行PCR扩增,引物序列见表1。
PCR反应体系(25(L):DNA模板50ng,dNTPs 2(L,正反向引物(10(mol/L)各0.1(L,10(PCR
buffer(Mg2+ Free)2.5(L,MgCl2(25mmol/L)2.3μL,TaqDNA聚合酶(5U((L)0.2(L。PCR反应程序:
94℃变性6min,35个循环,每个循环94℃变性1min,54℃复性1min,72℃延伸1min,72℃延伸10min。
PCR产物经1%琼脂糖电泳检测后,使用TIANgel Midi Purification Kit(北京天根生化科技有限公
司)胶回收纯化,连接pMD19-T载体(TaKaRa宝生物工程有限公司)并转化至感受态E.coliTOP 10
(北京天根生化科技有限公司),经氨苄青霉素抗性筛选阳性克隆,送华大基因生物公司测序。
表1 ITS引物信息
Table 1 PCR primers used in this study
引物名称
Primers
引物序列
Sequence
扩增区域
Target
ITS1-F[10] 5′-TCGTAACAAGGTTTCCGTAGG-3′ ITS
ITS2-R[10] 5′-TTCCTTCCGCCTATTGATATGC-3′ ITS
1.4 数据分析
利用SeqMan软件对测序数据进行峰图校正和序列拼接,最终得到完整的ITS序列,用 MEGA 4.0
计算ITS序列的碱基含量。同时从GenBank中下载绿藻门5个目8个属不同物种的ITS序列,首先去
除低质量或不完整的序列,对于同一物种的多条ITS序列,根据序列相似性比对排除同源性较低的序列
之后,选取剩余序列中的一条作为代表(GenBank序列号及详细信息见表2)。所有序列通过ClustalX
1.83软件进行比对,并用BioEdit软件对序列进行人工编辑,利用以上数据用PAUP 4.0b10软件[11]在
Modeltest 3.7中计算不同核酸替代模型的似然值并筛选出最适核酸替换模型,依据依据邻接法(Neigh-
bor joining,NJ)、最大似然法(Maximum likelihood,ML)和最大简约法(Maximum parsimony,MP)分别
构建系统进化树,以团藻目的衣藻属和团藻属为外群,其中最大简约法运用采用启发式搜索(Heuristic
search),每轮搜索最大尝试次数为1000次,每步保留20个树,自举检验值Bootstrap为1000次重复。
2 实验结果
2.1 ITS序列特点
通过PCR扩增及序列测定,得到长松藻ITS全长序列和部分核糖体18S、28S序列,根据GenBank
数据库发布的ITS序列,确定长松藻的ITS1、5.8S、ITS2的序列范围,结果表明,长松藻ITS序列全长
515bp,该序列已提交 GenBank数据库,登录号为JQ966936。其中ITS1的长度为74bp,5.8S序列长
163bp,ITS2的长度为278bp。ITS1、5.8S和ITS2序列的GC含量分别为51.4%、54.6%和54.0%。可
见,长松藻ITS2序列明显长于ITS1序列,且GC含量高于ITS1序列。
目前GenBank中已经发布的绿藻门ITS序列长度(含5.8S)分布在436-1016bp之间,长松藻ITS
序列全长515bp,介于该范围之内。不同绿藻门物种之间的ITS1长度从74-510bp不等,ITS2长度从
124-526bp不等,表现出极大的长度差异。然而5.8S序列相对稳定,其长度范围介于147-160bp,长松
藻5.8S序列长度163bp,与绿藻门其它物种相比仅有几个碱基的长度差异,表现出极强的保守性。
2.2 系统进化分析
根据长松藻ITS序列及GenBank数据库中下载的绿藻门ITS序列,用NJ、MP和 ML法分别构建
系统树,3种方法所得聚类结果一致,仅列出 MP法构建的系统树(图1)。启发式搜寻后最终获得一个最
优简约树,步长为2206,一致性指数(CI)和严格性指数(RI)分别是0.5703和0.6980。从系统树可以看
出:绿藻门6个目被分为3大支且均具有较高的支持率,其中团藻目作为外群独自成为一支(C);松藻目
和刚毛藻目聚为一支(B);石莼目、顶管藻目和丝藻目构成一大支(A),其中该分支可分为2个类群,顶管
2期 长松藻ITS序列特征及其系统进化分析 179
藻目和丝藻目类群(A1),石莼目类群(A2)。该聚类结果表明,ITS能够将所有物种按照各自所属类群进
行准确分类:来自同一属的不同物种均优先聚在一起,来自同一目的不同科属之间均聚为一支,显示出较
近的亲缘关系,如石莼目的石莼科和礁膜科,团藻目团藻科的衣藻属和团藻属,刚毛藻目刚毛藻科的刚毛
藻属和硬毛藻属。本次研究的长松藻属于松藻目,在系统树上与刚毛藻目同属于B分支,该结果说明长
松藻与刚毛藻目的刚毛藻属和硬毛藻属物种在系统发生上显示出更近的亲缘关系。
表2 GenBank下载ITS序列来源及序列号
Table 2 Detailed information of ITS sequences from GenBank used in the study
物种
Species
分类地位
Classification
来源
Source or reference
GenBank序列号
GenBank number
Cladophora rhodolithicola 刚毛藻属 Lelieart,F.等2009[12] FM205055
Cladophora pygmaea 刚毛藻属 Lelieart,F.等2009[12] FM205054
Chaetomorpha sp. 硬毛藻属 Leliaert,F.等Unpublished FR694876
Chaetomorpha norvegica 硬毛藻属 Leliaert,F.等Unpublished FR694877
Ulva prolifera 石莼属 Wang,H.D Unpublished JN845567
Ulva pertusa 石莼属 Shen,S.等Unpublished HQ902008
Ulva fasciata 石莼属 Baghel,R.S.等Unpublished JQ668028
Ulva taeniata 石莼属 Baghel,R.S.等Unpublished JQ668029
Ulva linza 石莼属 Lin,Z.等Unpublished JN093109
Ulva compressa 石莼属 Gao,S.等Unpublished JN712233
Ulva laetevirens 石莼属 Mao,Y.X.等Unpublished JQ048946
Ulva reticulata 石莼属 Gupta,V.等Unpublished HQ026497
Ulva flexuosa 石莼属 Mares,J.等Unpublished HM481178
Ulva mutabilis 石莼属 Oertel,W.等Unpublished EU256377
Ulva beytensis 石莼属 Gupta,V.等Unpublished HM142167
Volvox globator 团藻属 Ueki,N.等2010[13] GU325799
Volvox rousseletii 团藻属 Ueki,N.等2010[13] GU325798
Chlamydomonas oligothermica 衣藻属 Bey,T.D.Unpublished HQ404898
Chlamydomonas subcaudata 衣藻属 Bey,T.D.Unpublished HQ404896
lothrix sp. 丝藻属 Hanic,L.A.等Unpublished DQ821515
Ulothrix zonata 丝藻属 Friedl,T.1996[14] Z47999
Monostroma angicava 礁膜属 Su,Q.等Unpublished AF415173
onostroma arcticum 礁膜属 Su,Q.等Unpublished AF415171
Monostroma grevillei 礁膜属 Su,Q.等Unpublished AF428050
Monostroma nitidum 礁膜属 Su,Q.等Unpublished AF415170
Urospora neglecta 尾胞藻属 Lindstrom,S.C.等2005[15] AY476821
Urospora wormskioldii 尾胞藻属 Lindstrom,S.C.等2005[15] AY476819
Urospora penicilliformis 尾胞藻属 Lindstrom,S.C.等2005[15] AY476811
Codium cylindricum 松藻属 This work JQ966936
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图1 基于ITS序列(含5.8S)构建的绿藻门 MP系统树。其中A、B、C分别代表3个不同的主要分支,
A1和A2为A分支的2个类群
Fig.1 Phylogenetic tree of the MP analysis inferred from the ITS region(contain 5.8S)of Chlorophyta.Where
A,B and C represent the three main clades respectively,A1and A2are two groups of clade A
3 讨 论
松藻形态多样,分布极为广泛,从海边岩石到平静池塘、从潮间带到深海暗礁、从北极到热带水域、从
富营养河口到营养缺乏的珊瑚礁均有分布[5],是一种研究海洋形态和演化的很好的潜在模式材料,但其
物种鉴定是研究的难点,并且缺少相应的分子系统进化框架。一直以来,仅仅依靠形态学特点对松藻属
海藻进行物种鉴定是一项很大的挑战,目前有关松藻属分子系统分类的研究也仅限于rbcL和rps3-
rpl16基因片段,并且其分类作用有限,不足以对所有的松藻属物种进行准确鉴定,因此,更多的分子生物
学手段以及遗传标记亟待开发。
ITS(Internal Transcribed Spacer)由ITS1和ITS2构成,是位于18S、5.8S和28SrDNA基因之间
的非编码序列,具有高度变异性和丰富的信息位点,是一种良好的分子遗传标记,广泛应用于分子系统学
和物种鉴定方面的研究。此外,18S和5.8SrDNA序列也是分子系统学研究中使用最为广泛的分子指
标之一[16],然而有关松藻ITS序列的研究工作尚未见报道。
本研究通过PCR方法扩增得到长松藻ITS全长序列并对其序列特征进行分析,结合GenBank数据
库中发布的绿藻门ITS序列,构建绿藻门的系统进化树。绿藻门植物有单细胞体、群体、多细胞丝状体、
多细胞膜状体等类型[1],系统进化结果表明绿藻门物种分为A、B和C三大支(见图1),其中C分支由团
2期 长松藻ITS序列特征及其系统进化分析 181
藻目组成,该分支下的衣藻属和团藻属藻体分别是单细胞和单细胞群体,属于较为低等绿藻。B分支由
松藻目和刚毛藻目构成,该分支下的松藻属、刚毛藻属和硬毛藻属藻体均为多核细胞组成,在进化地位上
高于单细胞或单细胞群体藻体。A分支由A1和A2两个类群构成,其中A1类群是顶管藻目和丝藻目,
该类群下的尾胞藻属和丝藻属藻体为不分支的丝状体,且均由单列细胞组成;A2类群由石莼目构成,其
下的礁膜属和石莼属藻体为1-2层细胞组成的膜状体或管状体,具有较为高等的进化地位。而在ITS
序列的系统发育分析中,能够较为准确地反映这一结构学特性差异,这说明绿藻门藻类在早期地进化过
程中出现了不同类群分化,而在后期平行进化和演化过程中,再进一步出现了组织分化(如膜状体、丝状
体、管状体)等结构差异。
4 结 论
本实验首次获得了绿藻门(Chlorophyta)松藻目(Codiales)松藻属(Codium)长松藻(Codium cylin-
dricu)ITS序列(JQ966936),其ITS全长515bp,其中包括了163bp 5.8S序列。以绿藻门6个目代表性
海藻ITS序列的系统发育进化关系研究,构建的系统发育树显示出绿藻门物种分为三大支,其中团藻目
藻类为一支,松藻目和刚毛藻目藻类为一支,石莼目、顶管藻目和丝藻目藻类构成一大支,其聚类关系反
映出其在单核与多核、单细胞与多细胞等生物结构特性方面的差异与水平。分子生物学与生物信息学方
法已在生命科学研究中和物种起源与进化中显示出了巨大的研究价值与意义,随着研究工作的不断深入
发展以及基因组水平研究能力的不断提升,将更有助于揭示海洋藻类这一低等原始植物类群进化的过程
与途径。
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CHARACTERIZATION OF ITS SEQUENCE AND THE PHYLOGENETIC
ANALYSIS OF CODIUM CYLINDRICUM (CODIACEAE,CHLOROPHYTA)
ZHANG Lei 1,LIU Cui 1,CHI Shan1,FENG Yanjing1,XIE Enyi 2,SUN Yan1,and LIU Tao1
(1.Colege of Marine Life Sciences,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;
2.Colege of Fisheries,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,China)
Abstract:The internal transcribed spacer(ITS)region of Codium cylindricum(Codiales)was firstly se-
quenced by PCR method.The sequence length of ITS region was 515bp including ITS1(74bp),5.8S
ribosomal DNA(163bp)and ITS2(278bp).Compared to the ITS sequences of other species from eight
genera of five orders of Chlorophyta downloaded from GenBank database,the phylogenetic relationship
of Chlorophyta based on ITS region was explored.The phylogenetic results indicated that Chlorophyta
algae were grouped into three main clades:Volvocales clustered as a single clade;Codiales and
Cladophorales fel into the same clade;Ulvales,Acrosiphoniales and Ulotrichales formed another main
clade.Codium cylindricumhas the same characteristic of algal multi nuclei with species from Cladopho-
rales,and showed closer phylogenetic relationship with Cladophoraand Chaetomorpha.The phyloge-
netic analysis of different orders of Chlorophyta algae could exactly reflect the difference on biological
characteristics from single nucleus to multi nuclei and from single cels to multicelular organisms.
Key words:Codium;Codium cylindricum;Internal Transcribed Spacer(ITS);phylogenetic analysis